Bygningsteori: Varme - varmeledning - varmestråling

Varmeoverføring

Varme kan overføres på 3 forskellige måder:

Varmeledning

I faste ugennemsigtige materialer, f.eks. metaller, overføres varme gennem ledning. Selv væsker og gasser leder varme, men her spiller andre overføringsegenskaber også en stor rolle. Til sammenligning kan nævnes, at aluminium leder varme 10.000 gange bedre end stille-stående luft.

Varmestråling

Varmestråling (infrarød stråling) forekommer i gennemsigtige væsker og gasser samt nogle gennemskinnelige materialer.

Konvektion

Der findes to typer af konvektion – egenkonvektion og påtvungen konvektion.

Egenkonvektion kan opstå i gasser og væsker, når disse udsættes for temperaturforskelle. Eftersom kold gas har en højere densitet end en varm, synker den ved tyngdekraftens hjælp ned, samtidig med, at den varme gas stiger op. Dette giver en vis omrøring, som overfører varme.

Ved påtvungen konvektion sker omrøringen ved ydre påvirkninger, som f.eks. vind eller ventilation.

Varmeledningsevne, λ

Varmeledningsevnen er en materiale-egenskab, og den betegnes med det græske bogstav, λ (lambda).

Enheden for varmeledningsevne er W/m°C eller W/mK. Værdierne bliver de samme med begge enheder, eftersom det er et spørgsmål om temperatur-differens og Δ1°C=Δ1K. (Kelvin). Jo lavere λ-værdi, jo bedre isoleringsevne.

Når et stykke glasuld med tykkelsen d udsættes for en temperaturforskel (T₁ - T₂), går en varmestrøm med varmestrømstætheden q igennem materialet.

Når varmestrømmen bliver stabil, er varmeledningsevnen, λ, den materialeegenskab, som sammenfatter disse.

m	Enheder:
q = λ x T₁ - T₂) : d	q	= W/m²
λ = d x q : (T₁ - T₂)	(T₁ - T₂)	= ºC eller Kc
	d	= m, meter

Varmeisoleringsmateriale

De fleste isoleringsmaterialer består af porøse materialer, i hvilke man kan have mange typer varmetransport.

Isoleringsmaterialets samlede varmeledningsevne kan derfor skrives som summen af flere dele.

λ_isolering = λ_lm + λ_lg + λ_s + λ_k

Hvor:

λ_lm   = ledning i det faste materiale (glas, sten, plast etc.)
λ_lg    = ledning i gassen i porrerne
λ_s    = varmestrålingen
λ_k    = egenkonvektion i isoleringen.

Et isoleringsmateriale skal selvfølgelig have så lav en varmeledningsevne som muligt. Det gælder derfor om at få så lave værdier på de enkelte dele som muligt.

I de fleste isoleringsmaterialer findes der ingen egenkonvektion, dvs. λ_k=0.

Hvis man forsøger at mindske varmeledningen i selve råmaterialet ved at lave en meget porøs isolering, øger man varmeoverføringen på grund af stråling.

Hvis man derimod laver et meget kompakt materiale for at mindske varmestrålingen, øges ledningen i selve materialet.

Porøsiteten i de fleste isoleringsmaterialer er høj, ca. 95% volumenprocent. Dette gør, at bidraget fra varmeledning i det faste materiale og dermed mængden af dette kun spiller en mindre rolle.

For isolering til bygningsformål måles varmeledningsevnen ved en middeltemperatur på 10ºC.		Varmeledningsevnen stiger med stigende temperatur, idet varmestrålingen er temperaturafhængig.

Varmeledningsevnen for et isoleringsmateriale beror på densiteten og temperaturen. Diagrammet viser varmeledningsevnen for et stykke glasuld ved en middeltemperatur på 10ºC.		Varmeledningsevnen for et isoleringsmateriale afhænger af materialets middeltemperatur. Diagrammet viser varmeledningsevnen for ISOVER Tankisolering.

λ_deklareret og λ_Design

λ_deklareretfastsættes af fabrikanten og kontrolleres af uvildig 3. part akkrediteret institut f.eks. BVQI.

λ_deklareret måles ved middeltemperaturen 10°C og betegnes også λ₁₀.

λ₁₀ er basisvarmeledningsevnen målt i laboratorietilstand ved en middeltemperatur på 10°C.

Til praktiske beregninger anvendes λ_Design, som beregnes som λ_deklareret ganget med en faktor, F_m, der korrigerer for fugtindholdet i materialet.

Isolans, R
Isolansen betegnes med R og beskriver, hvor godt et materialelag eller en bygningsdel isolerer. Med bygningsdel menes et tag, et gulv eller en væg.

Enheden er: m² °C/W eller m² K/W. - Jo større isolans, desto bedre isoleringsevne.

Materialelag
For et homogent materialelag med tykkelsen d defineres isolansen:

R = d:λ

Man kan få en stor isolans ved enten at have en stor tykkelse eller et lag med en lav varmeledningsevne.

Overgangsisolans
Selve luftlaget på inder- og ydersiden af en bygningsdel er isolerende. Denne varmemodstand kaldes overgangsisolans. Den ydre overgangsisolans betegnes Rse
og den indre med Rsi. Størrelsen på disse overgangsisolanser bygger bl.a. på strålings- og vindforholdene. DS 418 angiver følgende værdier, som kan anvendes i de fleste tilfælde:

Indre overgangsisolans
Rsi     = 0,10 m2 K/W – for opadrettet varmestrøm
          = 0,13 m2 K/W – for vandret varmestrøm
          = 0,17 m2 K/W – for nedad-rettet varmestrøm

Ydre overgangsisolans
Rse     =0,04 m2 K/W

Isolansen, R, for en hel bygningsdel
DS 418 angiver, hvordan man beregner isolansen for en bygningsdel, eksempelvis en væg eller et tag. Hvis bygningsdelen består af homogene lag, kan den totale isolans Rm beregnes med formlen:

Rm=Rsi + R1 + R2 + R3 + … + Rn + Rse

hvor R1 , R2 , R3 …, Rn er de homogene materialelags isolans.

Transmissionskoefficient, U
Transmissionskoefficienten angiver, hvor godt en bygningsdel isolerer. Den betegnes med bogstavet U og har enheden W/m2 °C eller W/m2 K. Jo lavere U-værdi, jo bedre isolerer bygningsdelen.

Transmissionskoefficienten, U, defineres som:

U= (1:Rm) + ΔU

ΔU er et tillæg der korrigerer for
- sprækker og spalter i isoleringen
- bindere og tilsvarende mekaniske fastgørelser
- nedbør på omvendt tag

Definition
En konstruktions transmissionskoefficient, U-værdi, udtrykker den energimængde, der pr. sekund strømmer gennem 1 m2 af konstruktionen, ved en temperaturforskel på 1°C.

Varme