دانلود مقاله تعیین بهینه میزان عایق حرارتی برای اجزای پوسته‌ ای ساختمان های مسکونی در ایران

مقدمه تا قبل از سال 1352 شمسی (1972) کمتر اقدامی در جهت ضرفه جویی در مصرف انرژی صورت گرفته است.

با شروع رشد ناگهانی قیمت انرژی از سال 1352 و استمرار افزایش آن، توجه مجامع بین‌المللی جلب شیوه‌های مختلف صرفه‌جویی در مصرف انرژی شده است.

اهمیت مشکل محدودیت منابع انرژی در دسترس، کم و بیش برای کلیه کشورها، اعم از صنعتی و توسعه یافته و یا در حال توسعه در جهان، مشترک است.

در حالی که کشورهای توسعه یافته و صنعتی وابستگی شدیدی به انرژیهای فسیلی جهت گردش چرخهای صنعتی صنایع خود و نیز تامین مصارف دیگر دارند، کشورهای در حال توسعه نیز برای توسعه صنایع و تامین مصرف جوامع خود به انرژی بیشتری نیاز دارند.

در کشورهای مختلف بسته به میزان فعالیتهای صنعتی بین 30 تا 35 درصد کل انرژی مصرفی در ارتباط با ساختمان استفاده می‌شود.

از این میزان حدود 50 الی 60 درصد آن صرف گرمایش و سرمایش ساختمان در فصول مختلف سال می‌گردد.

این بدان معناست که از کل انرژی مصری کشور بین 15 تا 20 درصد به مصرف گرمایش و سرمایش فضای مسکونی داخل ساختمانها می‌رسد.

بنابراین، اقدامهایی که در جهت ارتقاء کیفیت ساختمان از دیدگاه تبادلات حرارتی صورت پذیرد منتج به صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در مصرف کل انرژی می‌شود.

قسمت بزرگی از اتلاف انرژی گرمایشی و سرمایشی ساختمان از طریق اجزاء پوسته‌ای یعنی سقف، دیوارها، شیشه‌ها و کف صورت می‌گیرد.

بنابراین، در میان اقدامهایی که در اجزای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمان و نیز دو جداره نمودن شیشه‌ها از موثرترین و مهمترین به شمار می‌رود به کارگیری عایقهای حرارتی در اجزای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمان، افزون بر صفه‌جویی دراز مدت در هزینه گرمایش و سرمایش فضای ساختمان آسایش بهتر افراد و صرفه‌جویی در ظرفیت سیستمهای حرارتی و برودتی را نیز به همراه دارد.

حجم صرفه‌جوییها به حدی است که سرمایه‌گذاری جهت عایقبندی حرارتی ساختمان، در مدتی کوتاه برگشت می‌نماید.

نگاهی به تجربه جهانی در دو دهه گذشته در جهت تدوین استانداردهایی که به صورتی صرفه‌جویی انرژی در ساختمان و از جمله عایقبندی حرارتی ساختمان را ضروری می‌سازد، ما را در جهتی که بایستی پیش بگیریم راهنما خواهد بود.

استانداردهای صرفه‌جویی انرژی در ساختمان - تجربه جهانی بعضی از کشورهای اروپایی اقدامهایی در جهت ترغیب عایقبندی حرارتی ساختمان را از دهه شصت میلادی شروع نمودند.

تا اواسط دهه هفتاد بیشتر کشورهای اروپایی و آمریکایی آیین‌نامه و یا استانداردهای مشخصی را در خصوص صرفه‌جویی انرژی در ساختمان تدوین نمودند که هر یک به صورتی عایقبندی اجزای پوسته‌ای ساختمان را ضروری می‌ساخت.

استانداردها عموماً بر دو نوع‌اند: نوع اول حاوی دستورالعملهایی با جزئیات مشخص در خصوص عنصرهایی از ساختمان هستند، مانند: استانداردی که در خصوص کارکرد حرارتی اجزای پوسته‌ای ساختمان، تعیین کننده عایق حرارتی دیوار از نوع خاص و میزان مشخصی باشد.

این دسته استانداردها را اصطلاحاً استانداردهای تجویزی[1] گویند.

نوع دوم بیشتر متوجه کارآیی جنبه‌ای از ساختمان است.

این نوع ممکن است مشخص کند که مصرف انرژی جهت گرمایش در ساختمان نباید بیش از مقدار معینی برای شرایط خاص باشد.

این دسته استانداردها را اصطلاحاً استانداردهای کارکردی[2] گویند.

بیشتر کشورها با نوع استانداردهای تجویزی که متوجه موارد خاصی از عملکرد حرارتی ساختمان در خصوص موارد متعددی از عملکرد حرارتی ساختمان می‌شد.

برای مثال به چند کشور اروپایی نگاهی گذرا می‌افکنیم: در انگلستان سقفی برای ضرایب انتقال حرارتی[3] برای هر یک از اجزای پوسته‌ای ساختمان معین شد.

کشورهای دیگر از جمله نروژ و سوئد، سقفی برای معدل ضریب انتقال حرارتی نمای ساختمان (دیوار+ شیشه‌ها) قرار دادند.

استاندادهای ایرلندی حدودی مجاز را برای کل اتلاف حرارتی ساختمان، بنا بر نسبت حجم به سطوح خارجی ساختمان در نظر گرفتند که بیشتر متمایل به نوع دوم از استانداردها یعنی «کارکردی» است.

در فرانسه که پیشتاز در تدوین ضوابط عایقبندی حرارتی در ساختمان است، کل اتلاف حرارتی برای چندین دسته از ساختمانهای مسکونی در سه منطقه اقلیمی محدود شدند.

کل اتلاف حرارتی مجاز برای ساختمانی از دسته مشخص توسط ضریب (G) در هر یک از مناطق اقلیمی مشخص می‌شوند که G عبارت است از: قابل ملاحظه است که ضوابط فرانسه بسیار نزدیک به «کارکردی» صرف است حتی در بعضی از مناطق کشور آمریکا برای بعضی ساختمانهای مسکونی میزان ثابتی بود چه برای انرژی مصرفی در نظر گرفته شده که کاملاً از نوع «کارکردی» است.

در مجموع، عموماً بیشتر کشورها هنوز ترکیبی از استانداردهای تجویزی و کارکردی را با هم به صورتهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌دهند.

مثلاً ممکن است استانداری به صورت مستقل به دیوار یا سقف و یا پوسته ساختمان مربوط شود.

هر کدام از این دو نوع استاندارد مزایا و مضراتی نسبت به دیگری دارد.

نوع تجویزی از لحاظ اجرا و نیز کنترل، ساده‌تر از نوع کارکردی است لیکن نه فقط قوه خلاقیت طراحان و سازندگان را محدود می‌سازد بلکه موجب دلسردی آنان در نوآوریها می‌گردد.

از سوی دیگر استانداردهای از نوع کارکردی، نوآوریها و ارائه راه‌حلهای جدید طراحی و اجرایی را تشویق نموده و انعطاف پذیر است ولی در مقابل، ابهام آمیز بوده و نظارت و کنترل اجرای دقیق آن مشکل به نظر می‌رسد، همچنین به دانش فنی بالاتری نیازمند است.

بادرک بیشتر و بهتر استانداردها خصوصاً در مورد انرژی در ساختمان و نیز پیشرفت دانش فنی در این زمینه، بیشتر کشورها سعی بر این دارند که استانداردهای «تجویزی» را به استانداردهای «کارکردی» تبدیل کنند.

استانداردهای عایق حرارتی در ساختمان- تجربه جهانی تدوین استانداردهای عایقبندی برای دیوارها، سقف و کف ساختمانها از اولین اقدامهای انجام شده در جهت تنظیم و صرفه‌جویی مصرف انرژی در ساختمان است.

اغلب استانداردها بر مبنای بهینه اقتصادی میزان عایق در اجزای ساختمان تدوین شده‌اند.

در محاسبات اقتصادی از روش هزینه‌های دوره‌ای به عنوان مبنا استفاده شده است.

اختلاف دما و اقلیم در تعیین میزان عایق حرارتی در اکثر کشورها به صورت منطقه‌بندی اقلیمی بر مبنای روز درجه گرمایش مورد توجه قرار گرفته است.

منطقه‌بندی اقلیمی و محدوده هر منطقه برای کشورهای مختلف متفاوت است.

برای مثال، فرانسه به سه منطقه اقلیمی متمایز بر حسب روز درجه گرمایش بشرح ذیل تقسیم‌بندی شده است: منطقه روز درجه سالیانه گرمایش A B C 2800 2500 2000 در حالی که این تقسیم بندی برای اسپانیا بشرح ذیل است: منطقه روز درجه سالیانه گرمایش A B C D 400 800-401 1300-801 1800-1301 کشورهای دیگر نیز منطقه‌بندیهای خاصی را مشابه موارد مذکور اتخاذ نموده‌اند.

معمولاً منطقه‌بندی اقلیمی موردی بوده وبستگی به پارامترهایی از جمله: شرایط اقلیمی، ارتفاع، رطوبت، پراکندگی ساختماها در سطح کشور و نیز مطلوبیت میزان یکنواختی استانداردها در سطح کشور دارد.

برای هر یک از این مناطق اقلیمی استانداردهایی به صورت بهینه مقدار K یا G و یا صرفاً ذکر ضخامت معینی از عایق حرارتی در اجزای ساختمان تدوین شده است.

در کشورهایی که از استانداردهای کارکردی و یا «کارکردی اجزایی[4]» بهره می‌گیرند، فرم، ابعاد، و بافت مجموعه ساختمانی، در میزان استاندارد موثر افتاده و به روشهای مختلفی منظور شده است.

در فرانسه کلیه ساختمانها به هفت دسته و برحسب فرم، میزان سطوح عریان خارجی (منظور سطوح حایل بین محیط خارج و فضای داخل ساختمان است) و سطح زیربنای مفید فضای ساختمان، تقسیم شده است.

در کشورهای دیگر یک ضریب فرم که از نسبت مساحت سطوح عریان خارجی اجزای پوسته ساختمان بر حجم فضای مفید و یا سطوح زیر بنای مفید به دست می‌آید برای دسته‌بندی ساختمانها استفاده شده است.

در بعضی از کشورها که استانداردهای «کارکردی» را مبنا قرار می‌دهند، طبقه‌بندی بین ساختمانها با فرم و ابعاد مختلف وجود ندارد.

برای مثال، کلیه ساختمانهای مسکونی بودجه انرژی مشخصی بر حسب واحد زیربنا را دارا هستند.

اهداف و دامنه پروژه امروزه در ایران هیچ گونه استاندارد و آیین نامه‌ای در خصوص عایق بندی حرارتی ساختمان تهیه و تدوین نشده است.

اگرچه در بعضی ساختمانهای صنعتی و یا قطعات پیش ساخته بتنی به صورت پراکنده ممکن است از عایق حرارتی استفاده شود، لیکن هیچ گونه استاندارد علمی و مشخصی رعایت نشده و آیین‌نامه‌ای نیز در این خصوص وجود ندارد.

بنابراین، هدف این پروژه، تعیین بهینه میزان عایق حرارتی برای اجزای پوسته‌ای ساختمانهای مسکونی در ایران است.

انتظار می‌رود نتایج به دست آمده در این پروژه مبنای تدوین آیین‌نامه عایقبندی حرارتی ساختمانهای کشور و نیز رسیدن به استانداردهایی در عایقبندی حرارتی ساختمان قرار گیرد.

دامنه مطالعات این پروژه با توجه به مطلب فوق عبارت است از: 1- بررسی مبانی آسایش حرارتی انسان در ساختمان و کیفیت انتقال حرارت از طریق اجزای پوسته‌ای ساختمان، 2- بررسی عملکرد حرارتی ساختارهای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمانهای متداول و مرسوم در ایران، 3- تعیین بهینه اقتصادی عایق حرارتی در اجزای پوسته‌ای ساختمان های مسکونی در اقلیمهای مختلف کشور، 4- تهیه برنامه کامپیوتری جهت تسهیل در محاسبات بهینه میزان عایق.

دامنه کار در این پروژه به ساختمانهای مسکونی محدود است.

سایر ساختمانها و نیز صرفه‌جویی انرژی از جنبه‌های دیگر، مانند: درزبندی ساختمان، تاسیسات حرارتی، نور و شیشه اگر چه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است فعلاً نمی‌توان در دامنه کار این پروژه منظور نمود.

امید است در پروژه‌ای تکمیلی، این جنبه‌های کارنیز مورد توجه قرار گیرد.

روش هزینه‌های دوره‌ای مبنای محاسبات اقتصادی جهت تعیین بهینه میزان عایق در اجزای ساختمانی قرار گرفت.

کلیات مسئله به صورت نمونه[5] تدوین و برنامه کامپیوتری جهت انجام محاسبات نوشته شد.

این برنامه تسهیلات لازم را برای تکرار محاسبه در صورت تغییراتی در میزان هر یک از پارامترهای موثر در نمونه به وجود می‌آورد.

نظر به این که بهینه اقتصادی در محاسبات مورد نظر است مطالعاتی در خصوص تاثیر نوسانهای پارامترهای اقتصادی از جمله قیمت انرژی، نرخ ارزش سرمایه و تورم بر نتیجه کار نیز انجام گرفت.

تاثیرات اقتصادی به کارگیری عایق در بعد خرد و کلان نیز مورد مطالعه قرار گرفت تا میزان تاثیر عایقهای حرارتی و فایده‌های بالقوه آن آشکار گردد.

کلیات مسئله به صورت نمونه تدوین و برنامه کامپیوتری جهت انجام محاسبات نوشته شد.

نظر به اینکه در بسیاری از موارد، اطلاعات و داده‌های پایه‌ای در دسترس نبوده ناگزیر از انجام دادن محاسبات اضافی جهت تدوین این گونه اطلاعات شدیم و در مواردی نیز بناچار از مفروضاتی استفاده کردیم که در جای خود به آنها اشاره خواهد شد.

فصل دوم این پروژه به اصول و مبانی آسایش حرارتی و انتقال حرارت از اجزای ساختمان در حد ضرورت می‌پردازد.

درک مناسب این مبانی برای تدوین استانداردها و نیز اجرای آنها حایز اهمیت است و در صورتی که آشنایی قبلی با این مبانی از سوی خواننده وجود دارد الزامی به مطالعه آن نیست.

فصل سوم به بررسی عملکرد ساختارهای پوسته‌ای ساختمانی که در ایران متداول است می‌پردازد.

این بررسی فقط به اجزای غیر شفاف (دیوارها، سقفها و کفها) اختصاص دارد، و دیگر اینکه مبادلات حرارتی آنها و تاثیر به کارگیری عایقهای حرارتی را نیز مورد مطالعه قرار می‌دهد.

فصل چهارم که کانون مطالعه و بررسی این پروژه به شمار می‌رود، عمدتاً به محاسبه بهینه اقتصادی میزان عایق حرارتی برای اجزای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمانهای مسکونی در مناطق اقلیمی مختلف ایران پرداخته است.

نتایج محاسبات در قالب حداکثر ضریب انتقال حرارت هر یک از اجزای ساختمان (ضریب k) و نیز کل تبادلات حرارتی پوسته ساختمان (ضریب G) تدوین شده است.

فصل پنجم اختصاص به ارزیابی اقتصادی خرد و کلان اجرای عایقبندی در ساختمان به صورت آیین نامه در کشور را، دارد.

ضمایم این پروژه حاوی مبانی محاسبات و نیز برنامه کامپیوتری است که از نظر خوانندگان می‌گذرد.

انتقال حرارت از طریق اجزای پوسته‌ای ساختمان در اکثر مناطق ایران، نوسان روزانه و سالانه دمای هوا طیف وسیعی دارد.

در مناطق کوهستانی و سردسیر حداقل دمای هوا در زمستان به طور قابل ملاحظه‌ای پایین‌تر از حد آسایش است.

در مناطق کویری، سواحل خلیج‌فارس و دریای عمان، دمای هوا در تابستان بسیار بالاتر از حد آسایش است.

در مناطق کویری در فصل تابستان هوا ممکن است در روز خیلی گرم و در شب کاملاً خنک باشد.

علی‌رغم این نوسانهای فصلی و روزانه دمای هوا، شرایط حرارتی فضاهای داخلی ساختمان باید در تمام فصول سال در حد آسایش نگاهداشته شود.

در غیر این صورت شرایط حرارتی نامطلوبی در این فضاها ایجاد خواهد شد که باعث ناراحتی ساکنان ساختمان شده و اثرهای آن بر جسم، زیانبار خواهد بود.

به طوری که از دست دادن کارآیی فکری و جسمی و سرانجام، سلامت افراد را به مخاطره خواهد افکند.

تنظیم دمای هوای داخل ساختمان در حد آسایش، در اغلب مواقع سال تفاوتی را بین دمای هوای داخل و خارج ساختمان ایجاد می‌نماید.

این اختلاف دما باعث می‌شود که حرارت از محیط گرمتر به محیط سردتر جریان یابد.

بدین ترتیب، در تابستان که هوای خارج ساختمان گرمتر از هوای داخل آن است، حرارت از خارج به داخل ساختمان راه یافته و باعث گرم شدن هوای داخل ساختمان می‌شود و در زمستان عکس این حالت صورت می‌گیرد، یعنی حرارت از داخل به خارج ساختمان جریان می‌یابد.

البته اجزای پوسته‌ای ساختمان، هر یک تا حدودی مانع از انتقال حرارت می‌شوند.

اما این اجزاء با کیفیت و ضخامتهای معمول و متداول کنونی ساختمان‌سازی در ایران نمی‌توانند به میزان قابل قبولی از انتقال حرارت جلوگیری نمایند.

مقدار حرارتی که بدین طریق از اجزای ساختمان عبور می‌نماید باعث می‌شود که شرایط حرارتی نامطلوبی در ساختمان ایجاد شود، یا انکه انرژی مورد نیاز سیستمهای مکانیکی حرارتی و برودتی ساختمان جهت تامین آسایش به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد.

استفاده از عایقهای حرارتی در اجزای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمان باعث بالا بردن مقاومت حرارتی این اجزاء می‌شود و بنابراین انتقال حرارت از طریق این اجزاء را کاهش می‌دهد.

تبادل حرارتی بین فضای داخل ساختمان و محیط خارج آن، به سه طریق: جا‌به جایی، هدایت و تابش انجام می‌شود.

به عنوان مثال، در تابستان سطوح خارجی دیوارهای یک ساختمان که در مجاورت تابش آفتاب و یا دمای هوای گرم خارج فرا گرفته باشند، حرارت کسب نموده و گرم می‌شوند.

حرارت جذب شده در سطح خارجی دیوار به شکل هدایت از طریق مولکولهای مصالح به کار رفته در دیوارها عبور نموده و به سطوح داخلی انتقال می‌یابد و آنها را گرم می‌نماید.

حرارت سطوح گرم شده داخلی به صورت جا به جایی و تابش به هوای داخل و دیگر سطوح داخلی منتقل می‌شود.

میزان حرارتی که به شکل جابه‌جایی از هوا به سطوح دیوار و یا بالعکس صورت می‌پذیرد، بسرعت جریان هوا در سطح مربوطه و اختلاف دمای هوا و دمای سطح مورد نظر، بستگی دارد.

میزان حرارتی که به شکل تشعشع (تابش یا بازتاب حرارت) از یک سطح انتشار می‌یابد، به دما و کیفیت آن سطوح بستگی دارد.

انتقال حرارت در داخل اجسام یا از اجسامی که در تماس مستقیم با یکدیگرند، به صورت هدایت انجام می‌شود.

این نوع انتقال حرارت در نتیجه انتشار حرکتهای مولکولی صورت می‌گیرد.

میزان انتشار حرکتهای مولکولی که باعث جریان حرارت می‌شود، به نوع مصالح بستگی داشته و در مصالح مختلف متفاوت است.

معیار مقایسه یا شاخص سنجش میزان انتقال حرارت در داخل اجسام «قابلیت هدایت حرارتی» اجسام است.

به عبارت دیگر، «قابلیت هدایت حرارتی» نشان دهنده میزان جریان حرارت از یک سطح به سطح دیگر یک جسم است.

به طور مثال برای بتن سبک با تراکم Kg/m3 1400 میزان حرارت انتقال یافته از یک طرف آن به طرف دیگرش (Q) برابر با m.oC 57/0 خواهد بود.

این میزان حرارت را قابلیت هدایت حرارتی مصالح فوق می‌نامند.

بدیهی است، هر چه قابلیت هدایت حرارتی مصالح کمتر باشد، مقدار حرارت کمتری از آن مصالح عبور خواهد نمود.

در جدول 2-3 قابلیت هدایت حرارتی بعضی از مصالح آورده شده است.

در مورد اجزای مختلف ساختمان که ضخامت مشخصی دارند، به جای قابلیت هدایت حرارتی از «ضریب هدایت حرارتی» استفاده می‌شود.

عکس ضریب هدایت حرارتی مقاومت حرارتی(R) نامیده می‌شود.

هر چه مقاومت حرارتی مصالح بیشتر باشد، ضریب هدایت آن کمتر و در نتیجه میزان انتقال حرارت از آن مصالح نیز کمتر خواهد بود.

بنابراین، با در دست داشتن ضریب هدایت حرارتی اجزای مختلف ساختمان می‌توان مقدار حرارتی را که در مقابل هر درجه اختلاف دما، بین سطوح این اجزاء عبور می‌نماید محاسبه و ویژگی حرارتی آن را مقایسه نمود.

در صورتی که جسمی یا جزئی از ساختمان متشکل از چندین لایه از مصالح مختلف باشد، مقدار کل مقاومت آن برابر خواهد بود با مجموع مقاومت لایه‌های مختلف آن، ضریب هدایت حرارتی چنین جسم چند لایه‌ای (Cb) را می‌توان با محاسبه مقدار کل مقاومت جسم (Rb) و معکوس کردن آن به دست آورد.

علاوه بر مقاومتی که یک جسم در برابر عبور حرارت از خود نشان می‌دهد مقاومت دیگری نیز در سطوح آن پدید می‌آید.

این مقاومت که به ضریب هدایت سطح یا لایه هوا بستگی دارد، با علامت نشان داده می‌شود و نتیجه وجود یک لایه هوایی است که همیشه سطح اجسام را از محیط اطرافشان جدا می‌سازد.

اگر جریان حرارت از محیطی واقع در یک طرف جسم به داخل جسم و به محیطی واقع در طرف دیگر آن، مورد نظر باشد، می‌بایست مقاومت هر دو سطح آن نیز در نظر گرفته شود.

کل مقاومتی که بدین صورت برای اجزای ساختمان به دست می‌آید «مقاومت کلی هوا به هوا» نامیده می‌شود.

بنابراین، مقاومت کلی هوا به هوا (Ra) عبارت است از حاصل جمع مقاومت خود جسم و مقاومت سطوح آن، در صورتی که ضریب هدایت سطح داخلی Fi مقاومت جسم Rb و ضریب هدایت سطح خارجی Fo فرض شود، مقدار مقاومت کلی هوا به هوا از رابطه زیر به دست می‌آید: عکس مقاومت هوا به هوا ضریب کلی انتقال هوا به هوا یا مقدار (K) نامیده می‌شود و واحد آن، وات بر متر مربع بر درجه سانتیگراد است (W/m2.OC).

تفاوتی که بین (K) و (C) وجود دارد، این است که، در خصوص (K) اختلاف دمای هوای دو طرف در نظر گرفته می‌شود در صورتی که برای (C)، اختلاف دمای سطوح دو طرف جسم مورد نظر است.

ضریب کلی انتقال حرارت از هوا به هوا که به طور اختصار «ضریب انتقال حرارتی» نامیده می‌شود، کمیتی است که در اکثر موارد برای محاسبه اتلاف یا کسب حرارت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته و به طور کلی معیار مقایسه و ارزیابی میزان تبادل حرارت در انواع دیوارها، سقفها و کفهاست.

برای مطالعه و بررسی تبادل حرارت در ساختمان، ضریب دیگری به نام «ضریب کلی انتقال حرارت حجمی ساختمان» (G) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این ظریب که به اختصار «ضریب انتقال حرارت حجمی» نامیده می‌شود عبارت است از میزان جریان حرارت (W) از اجزای مختلف جلدی ساختمان و در ازای واحد حجم مفید ساختمان (m3)، وقتی که اختلاف دمای هوای خارج و داخل یک درجه سانتیگراد باشد G=W/m3degC.

بنابراین، ضریب انتقال حرارت حجمی نشان دهنده میزان حرارتی است که در ازای هر واحد از حجم مفیدساختمان و در ازای هر یک درجه اختلاف دمای هوای داخل و خارج، از اجزای پوسته‌ای ساختمان انتقال می‌یابد.

مقدار این ضریب را می‌توان از رابطه زیر به دست آورد: در این رابطه ملاحظه می‌کنیم که: J = جزئی از ساختمان که به نحوی با هوای خارج در تماس بوده و با آن، تبادل حرارتی به شکل هدایت برقرار می‌نماید (مانند دیوارها، سقف، کف، در و پنجره و ...).

n = تعداد اجزائی که با هوای خارج تبادل حرارتی برقرار می‌نمایند.

KJ = ضریب انتقال حرارتی جزء J برحسب G=W/m3degC AJ= مساحت جزء J برحسب متر مربع.

V= حجم مفید ساختمان بر حسب مترمکعب.

در صورتی که اتلاف حرارت ساختمان از جمیع جهات (نفوذ هوای سرد خارج به داخل و تهویه) مورد نظر باشد، رابطه تعیین ضریب انتقال حجمی به صورت زیر خواهد بود: در این رابطه: N= تعداد دفعاتی که در یک ساعت هوای ساختمان تعویض می‌شود (تعویض هوا).

34/0 = ضریب تبدیل واحد و عبارت است از مقدار انرژی لازم (برحسب وات) جهت یک درجه سانتیگراد افزایش دمای یک متر مکعب هوا (W/m3degC).

ضریب انتقال حرارت حجمی، به بیان دیگر عبارت است از میانگین ضرایب انتقال حرارت اجزای تشکیل دهنده، جداره‌های خارجی ساختمان بر حجم مفید ساختمان.

از این رو ضریب انتقال حرارت حجمی معیار مناسبی برای مقایسه مصرف انرژی و اتلاف حرارت ساختمانهای مختلف محسوب می‌شود.

محاسبه اتلاف حرارت در اجزای ساختمان از آنجا که مقدار (K) مبین میزان جریان حرارت در واحد سطح جزء مورد نظر از ساختمان.

در مقابل یک درجه اختلاف دمای هوای دو طرف آن جزء است، مقدار واقعی جریان حرارت جزء مورد نظر به صورت هدایت را می‌توان از حاصلضرب (K) و اختلاف دمای هوای دو طرف آن، به دست آورد.

بنابراین، میزان جریان حرارت به صورت هدایت یا میزان «جریان حرارت هدایتی» از یک دیوار مفروض با مسافت مشخص را می‌توان از رابطه زیر به دست آورد: در این رابطه: QC= میزان جریان حرارت به صورت هدایت بر حسب وات، A = مساحت سطح مورد نظر برحسب متر مربع، K= مقدار ضریب انتقال حرارتی میزان جریان حرارت در یک دیوار آجری (آجرتوپر) به ضخامت 22 سانتیمتر، بدینصورت محاسبه می‌شود: ضریب انتقال سطح داخلی W/m3degC= (FI) 13/8 از جدول 2-4 ضخامت لایه اندود گچ m=(d1) 025/0 قابلیت هدایت حرارت گچ =W/m3degC 46/0 از جدول 2-3 ضخامت آجرکاری m=(d2) 22/0 قابلیت هدایت حرارتی آجر با تراکم kg/m3 2200= W/m3degC 3/1 از جدول 2-3 ضریب انتقال سطح خارجی دیوار = (Fo) W/m3degC 18/18 از جدول 2-4 مقاومت کلی هوابه هوای دیوار = (Ra) W/m3degC جدول 2-4: ضریب هدایت سطح بر حسب وات بر متر مربع بر درجه سانتیگراد حال اگر اختلاف دمای هوای دو طرف دیوار 27 درجه سانتیگراد باشد، انتقال حرارت بر متر مربع برابر است با: مثال فوق نشان می‌دهد که هر متر مربع از این دیوار به میزان 5/67 وات حرارت از خود عبور می‌دهد.

بنابراین، چنین دیواری به تنهایی قادر به جلوگیری از انتقال حرارت ساختمان به خارج نخواهد بود.

به طور مثال، در صورتی که دیوارهای خارجی اتاقی به ابعاد 5×4 متر از چنین مصالحی ساخته شده باشند، و بام آن، طاق ضربی به ضخامت 11 سانتیمتر باشد، با فرض آنکه تنها 30 متر مربع از دیوارهای خارجی اتاق مورد مثال، مواجه با هوایی با دمای 5- درجه سانتیگراد باشد، اتلاف حرارت از بام و دیوارهای چنین اتاقی (بدون در نظر گرفتن اتلاف حرارت از در و پنجره) حدوداً بالغ بر 3000 وات می‌شود.

به عبارت دیگر، برای گرم ماندن چنین اتاقی یک دستگاه گرم کننده به قدرت 3 کیلووات لازم است و مادامی که دمای هوای خارج 5- درجه سانتیگراد است این دستگاه می‌باید همواره 3 کیلووات حرارت تولید نماید.

رقم اتلاف حرارت در ساختمانهای بزرگ بسیار قابل توجه است، بنابراین کنترل دمای داخلی آنها در حد آسایش با صرف هزینه‌ای گزاف انجام می‌شود.

صرف نظر از هزینه سوخت، کیفیت آسایش در چنین ساختمانی مطلوب نیست زیرا سطح داخلی جدارهای خارجی آن در زمستان معمولاً سردتر از حد قابل قبول می‌شود، و در نتیجه همان‌طور که قبلاً اشاره شد، در این ساختمان حتی با حفظ دمای هوا در حد مطلوب، آسایش حرارتی ایجاد نخواهد شد.

بررسی افت حرارت در اجزای مختلف ساختمان موید این امر خواهد بود.

- افت درجه حرارت در اجزای ساختمان در صورتی که دمای هوای واقع در دو طرف جزئی از ساختمان (مثلاً یک دیوار) متفاوت باشد، حرارت از سطح گرمتر به طرف سطح سردتر حرکت خواهد نمود.

به همین دلیل، دمای مصالح تشکیل دهنده این جزء از ساختمان بتدریج از سطح گرمتر به سطح سردتر افت نموده تا آنکه در سطح سردتر به دمای محیط نزدیک می‌شود.

در صورتی که شرایط حرارتی پایدار باشد این تغییر یا افت دما در داخل مصالح همجنس و یکپارچه به صورت خطی خواهد بود.

درجه حرارت هر نقطه از مصالح اجزای مختلف ساختمان را می‌توان با استفاده از روش محاسباتی یا نموداری به دست آورد.

در صورتی که کل اختلاف دمای بین دو طرف مورد نظر را ، مقاومت حرارتی از لایه مورد نظر به لایه دیگر RP و کل مقاومت حرارتی آن جزء فرض نماییم، افت حرارت از یک لایه به لایه دیگر از رابطه زیر به دست می‌آید: دمای سطح داخلی دیوار را با استفاده از روش محاسباتی نیز می‌توان به دست آورد.

چنانچه دمای هوای خارج را 10- درجه و دمای داخلی (Ti) 20 درجه سانتیگراد فرض شود دمای سطح داخلی دیوار (TW) مورد بحث در مثال قبل به صورت زیر محاسبه خواهد شد: افت درجه حرارت در اجزای مختلف ساختمان اغلب و بخصوص در مناطق سرد و مناطق مرطوب، باعث میعان بخار آب در داخل مصالح این اجزاء و سرانجام باعث مرطوب شدن و فرسودگی جداره‌های خارجی ساختمان می‌شود.

این جداره‌های مرطوب سلامت ساکنان ساختمان را به خطر انداخته و ممکن است موجب تشدید بروز امراضی چون سرماخوردگی و رماتیسم گردند.

در اینجا لازم است به منظور روشن شدن مطلب و تاکید بر اهمیت توجه و جلوگیری از ایجاد رطوبت در ساختمان، چگونگی میعان بخار آب در اجزای مختلف ساختمان مورد بررسی قرار گیرد.

میعان بخارآب در اجزای مختلف ساختمان هوای گرمتر قادر به پذیرش و نگهداری رطوبت بیشتری است.

بنابراین، چنانچه هوای گرم خنک شود، رطوبت نسبی آن افزایش یافته و سرانجام با ادامه این عمل به حد اشباع یعنی به نقطه شبنم خود می‌رسد.

نکته قابل توجه اینکه نقطه شبنم هوا به دما و رطوبت نسبی آن بستگی دارددر زمستان هنگامی که هوای گرم و مرطوب داخل ساختمان در مجاورت سطوحی که سردتر از نقطه شبنم آن هستند قرار می‌گیرد، رطوبت موجود در آن به مرور متراکم شده و به صورت قطره‌های آب بر روی این سطوح تشکیل می‌شود.

قطره‌های آبی که معمولاً در فصل زمستان بر روی سطوح نفوذناپذیری چون کاشیها یا سطوح شیشه‌ای پنجره‌ها مشاهده می‌شود حاصل این پدیده است.

قطره‌های آبی که بدین شکل بر روی سطوح اجزای نفوذپذیر ساختمان تشکیل می‌شود، به مرور به داخل مصالح آنها نفوذ نموده و باعث مرطوب شدنشان می‌شود.

البته تشخیص تعرق در داخل مصالح اجزای ساختمان بسادگی و بدون مطالعه امکان پذیر نیست.

اصولاً بخارآب موجود در هوا باعث ایجاد فشار در آن می‌شود.

این فشار را اصطلاحاً «فشار بخار» می‌گویند.

هر قدر هوا مرطوبتر باشد، فشار بخار آن بیشتر است.

در زمستان که هوای داخل ساختمانها مرطوبتر از هوای خارج است، اختلاف فشار بخار این دو هوا باعث انتقال بخار آب از داخل ساختمان به خارج می‌شود.

در مناطق گرم و مرطوب و در تابستان، فشار بخار هوای خارج بیش از فشار بخار هوای داخل ساختمانهایی است که به وسیله سیستم تهویه مطبوع خنک می‌شود.

بنابراین، در این حالت برعکس حالت قبل، انتقال بخار آب از خارج به داخل ساختمان صورت می‌گیرد.

در شکل 2-6 نقاطی از کشور که در سواحل دریای خزر و خلیج فارس و دریای عمان بوده و فشار بخار هوا در تابستان به حدی است که موجب نفوذ رطوبت از خارج به داخل ساختمان می‌شود نشان داده شده است.

در صورتی که جداره‌های خارجی ساختمان، متشکل از مصالح نفوذپذیر باشند بخارآب از داخل این جداره‌ها انتقال می‌یابد.

با حرکت هوای مرطوب از سطح گرمتر به سطح سردتر در اثر تماس با لایه‌هایی که دمای پایین‌تری دارند، این هوا به مرور خنک شده و در صورتی که دمای لایه‌هایی از جداره‌های خارجی پایین‌تر از نقطه شبنم هوای داخلی باشد، میعان صورت گرفته و رطوبت ایجاد شده باعث خیس شدن دیوار از داخل می‌شود.

رطوبتی که بدین ترتیب در مصالح به وجود می‌آید، علاوه بر ایجاد محیطی نامطبوع، باعث افت قابل ملاحظه‌ای در کیفیت حرارتی مصالح نیز می‌شود، تاثیر مقدار رطوبت موجود در مصالح در ضریب هدایت مصالح مختلف بسیار حایز اهمیت است.

البته اهمیت این موضوع به مقدار آبی که در نتیجه این پدیده به وجود می‌آید و همچنین بعکس العمل مصالح ساختمان در برابر رطوبت بستگی دارد.

در جدول زیر میزان افزایش که به نسبت رطوبت موجود در مصالح در ضریب هدایت آنها به وجود می‌آید نشان داده شده است.

همان‌طور که ملاحظه می‌شود در صورتی که رطوبت موجود در مصالحی 5 درصد حجم آن باشد، ضریب هدایت آن، 75/1 برابر و در صورتی که رطوبت موجود 25 درصد باشد، ضریب هدایت به 75/2 برابر ضریب هدایت مصالح در حالت کاملاً خشک افزایش می‌یابد.

خصوصیت نفوذپذیزی مصالح در رابطه با بخارآب موجود در هوا با پرم بیان می‌شود.

عکس این مقدار «مقاومت رطوبتی» نامیده شده است.

افت فشار بخارآب در اجزای ساختمان با مقاومت رطوبتی مصالح آن اجزا رابطه مستقیم داشته و از رابطه زیر به دست می‌آید: = افت فشار بخار از یک نقطه به نقطه دیگر حساس‌ترین زمان برای ایجاد میعان در اجزای یک ساختمان، زمانی است که اختلاف دما و اختلاف فشار بخار آب موجود در دو طرف اجزای آن به حداکثر خود می‌رسد.

با استفاده از روش نموداری نیز می‌توان امکان ایجاد میعان در اجزای مختلف یک ساختمان را بررسی نمود.

در شکل 2-7 نموداری را ملاحظه می‌کنید که نشان دهنده وقوع میعان در داخل یک دیوار است.

عملکرد عایق حرارتی در ساختمان نتایج حاصل از مطالب مورد بحث در این فصل را می‌توان بشرح زیر خلاصه نمود: 1- انتقال حرارت از جداره‌های خارجی ساختمان به شکل هدایت، عمده‌ترین عامل اتلاف یا کسب حرارت در ساختمانهای معمولی و بخصوص ساختمانهای مسکونی است.

2- جداره‌های خارجی ساختمان (دیوارها، بام و کف) به تنهایی قادر به جلوگیری از این اتلاف حرارت نیستند.

3- تبادل حرارتی بین ساختمان و محیط اطرافش به سرد شدن آن در زمستان یا گرم شدنش در تابستان می‌انجامد.

جبران این تبادل و ایجاد فضایی مطلوب در ساختمان، تنها با استفاده از سیستمهای حرارتی یا برودتی و صرف هزینه زیاد جهت تامین سوخت مصرفی این سیستمها امکان‌پذیر است.

4- علاوه بر بالا بودن هزینه سوخت، کیفیت آسایش در ساختمانهایی که با مصالح معمولی و با ضخامتهای محدود بنا شده‌اند نیز نمی‌تواند رضایت‌بخش باشد.

5- مصالح معمولی جداره‌های خارجی ساختمان در مقابل رطوبت مقاوم نبوده و نفوذ رطوبت به داخل آنها باعث مرطوب شدن و فرسودگی آنها می‌گردد.

باید توجه داشت که گرچه با افزایش ضخامت جداره‌های خارجی ساختمان می‌توان تا حدودی میزان تبادل حرارتی این جداره‌ها را کاهش داد اما در هر صورت این افزایش ضخامت در کل و بخصوص در مورد ساختمانهای چند طبقه مقرون به صرفه نخواهد بود.

بنابراین، تنها راه حل این مشکل، اصلاح کیفیت جداره‌های خارجی ساختمان یعنی استفاده از عایقهای حرارتی در این اجزا است.

عایقهای حرارتی نقش بسیار ارزنده و مهمی را در ارتقاء کیفیت حرارتی ساختارهای مختلف و در نتیجه، بهبود شرایط داخلی ساختمانها و صرفه جویی در مصرف سوخت ایجاد می‌نمایند.

در دو دهه اخیر که دوران «رونق عایقکاری» نامیده شده است، در کلیه کشورهای پیشرفته جهان به کارگیری عایقهای حرارتی در ساختمانهای نوبنیان و ساختمان‌های موجود توسعه یافته و حتی عایقبندی حرارتی ساختمان به صورت ضوابطی در آمده که اجرای آن ضروری است.

امروزه انواع گوناگونی از عایقهای حرارتی، از قبیل پشم سنگ، پشم شیشه‌، پلی استرین (یونولیت) و پلی یوریتان در کشور ما تولید می‌شود.

این عایقها به دلایل کیفیت مصالح و سبک و متخلخل بودنشان، قابلیت هدایت حرارتی بسیار پایینی دارند.

مثلاً قابلیت هدایتی حرارتی پشم شیشه W/m deg C 035/0 است.

از مقایسه این مقدار با قابلیت حرارتی آجر توپر W/m deg C 96/0 این نتیجه به دست می‌آید که یک لایه عایق پشم شیشه به ضخامت یک سانتیمتر از نظر انتقال حرارت معادل یک دیوار آجری به ضخامت 27 سانتی‌متر است.

با افزودن لایه ای از عایقهای حرارتی به مصالح جداره خارجی ساختمان، مقاومت حرارتی آنها به مقدار اقلل حرارت آنها کاهش می یابد.

بدیهی است، کاهش ضریب انتقال اجزای ساختمان، از میزان انتقال حرارت آنها می کاهد و باعث صرف جویی در مصرف سوخت و همچنین بهبود کیفیت آسایش در ساختمان خواهد شد.

برای درک بهتر مطلب ، در اینجا تغییری که یک لایه 5 سانتیمتر عایق حرارتی از جنس یونولیت (= 0/034 W.m2degc) در دیوار آجری مورد مثال در شکل 2-4 به وجود می‌آورد مورد بررسی قرار می گیرد .

جهت نصب این لایه عایق، دیوار مورد بحث به صورت دو لایه 11 سانتیمتر ی در نظر گرفته شده است.

(26)