Valor R (isolamento) - R-value (insulation)

O aerogel é um isolante térmico extremamente bom, que a uma pressão de um décimo da atmosfera tem um valor R de R-40 / m, em comparação com R-3,5 / m para uma manta de fibra de vidro.
Isolamento de manta de fibra de vidro revestido instalado com seu valor R visível (R-21)

No contexto da construção , o valor R é uma medida de quão bem uma barreira bidimensional, como uma camada de isolamento, uma janela ou uma parede ou teto completo, resiste ao fluxo condutor de calor. O valor R é a diferença de temperatura por unidade de fluxo de calor necessária para sustentar uma unidade de fluxo de calor entre a superfície mais quente e a superfície mais fria de uma barreira em condições de estado estacionário.

O valor R é o termo da indústria de construção para resistência térmica "por unidade de área". Às vezes, é denominado valor RSI se as unidades SI forem usadas. Um valor R pode ser dado para um material (por exemplo, para espuma de polietileno ) ou para uma montagem de materiais (por exemplo, uma parede ou uma janela). No caso de materiais, é frequentemente expresso em termos de valor R por metro. Os valores R são aditivos para camadas de materiais e, quanto mais alto o valor R, melhor é o desempenho.

O fator U ou valor U é o coeficiente geral de transferência de calor e pode ser encontrado calculando o inverso do valor R. É uma propriedade que descreve como os elementos de construção conduzem calor por unidade de área em um gradiente de temperatura. Os elementos são geralmente montagens de muitas camadas de materiais, como aquelas que compõem a envolvente do edifício . É expresso em watts por metro quadrado kelvin (W / m 2 ⋅K). Quanto maior for o valor U, menor será a capacidade da envolvente do edifício de resistir à transferência de calor. Um valor U baixo ou, inversamente, um valor R alto geralmente indica altos níveis de isolamento. Eles são úteis porque são uma maneira de prever o comportamento composto de um elemento de construção inteiro, em vez de depender das propriedades de materiais individuais.

Definição do valor R

Onde:

  • ( Km 2 / W ) é o valor R,
  • (K) é a diferença de temperatura entre a superfície mais quente e a superfície mais fria de uma barreira,
  • (W / m 2 ) é o fluxo de calor através da barreira.

O valor R por unidade de área de superfície exposta de uma barreira mede a resistência térmica absoluta da barreira.

Onde:

  • é o valor R (K⋅W −1 ⋅m 2 )
  • é a área de superfície exposta da barreira (m 2 )
  • é a resistência térmica absoluta (K⋅W −1 )

Resistência térmica absoluto , , quantifica a diferença de temperatura por unidade de caudal de calor necessária para sustentar uma unidade de taxa de fluxo de calor. A confusão às vezes surge porque algumas publicações usam o termo resistência térmica para a diferença de temperatura por unidade de fluxo de calor , mas outras publicações usam o termo resistência térmica para a diferença de temperatura por unidade de taxa de fluxo de calor. Mais confusão surge porque algumas publicações usam o caractere R para denotar a diferença de temperatura por unidade de fluxo de calor, mas outras publicações usam o caractere R para denotar a diferença de temperatura por unidade de taxa de fluxo de calor. Este artigo usa o termo resistência térmica absoluta para a diferença de temperatura por unidade de taxa de fluxo de calor e usa o termo R-value para a diferença de temperatura por unidade de fluxo de calor.

Em qualquer caso, quanto maior for o valor R, maior será a resistência e, portanto, melhores serão as propriedades de isolamento térmico da barreira. Os valores R são usados ​​para descrever a eficácia do material isolante e na análise do fluxo de calor em conjuntos (como paredes, telhados e janelas) em condições de estado estacionário. O fluxo de calor através de uma barreira é impulsionado pela diferença de temperatura entre os dois lados da barreira, e o valor R quantifica a eficácia com que o objeto resiste a esse impulso: A diferença de temperatura dividida pelo valor R e então multiplicada pela área de superfície exposta do barreira fornece a taxa total de fluxo de calor através da barreira, medida em watts ou em BTUs por hora.

Onde:

  • é o valor R (K⋅m 2 / W),
  • é a diferença de temperatura (K) entre a superfície mais quente e a superfície mais fria da barreira,
  • é a área de superfície exposta (m 2 ), da barreira,
  • é a taxa de fluxo de calor (W) através da barreira.

Desde que os materiais envolvidos sejam sólidos densos em contato mútuo direto, os valores R são aditivos; por exemplo, o valor R total de uma barreira composta por várias camadas de material é a soma dos valores R das camadas individuais .

Valor RSI

Observe que o valor R é o termo da indústria de construção para o que em outros contextos é chamado de " resistência térmica " "para uma área unitária ". Às vezes é denotado valor RSI se as unidades SI (métricas) são usadas. Um valor R pode ser dado para um material (por exemplo, para espuma de polietileno ) ou para uma montagem de materiais (por exemplo, uma parede ou uma janela). No caso de materiais, é frequentemente expresso em termos de valor R por unidade de comprimento (por exemplo, por polegada de espessura). O último pode ser enganoso no caso de isolamentos térmicos de edifícios de baixa densidade, para os quais os valores R não são aditivos: seu valor R por polegada não é constante à medida que o material fica mais espesso, mas geralmente diminui.

As unidades de um valor R (veja abaixo ) geralmente não são declaradas explicitamente, e por isso é importante decidir a partir do contexto quais unidades estão sendo usadas: um valor R expresso em unidades IP (polegada-libra) é cerca de 5,68 vezes maior do que quando expresso em unidades SI, de modo que, por exemplo, uma janela que é R-2 em unidades IP tem um RSI de 0,35 (desde 2 / 5,68 = 0,35). Para valores R, não há diferença entre as unidades usuais dos EUA e as unidades imperiais . No que diz respeito à forma como os valores R são relatados, todos os itens a seguir significam a mesma coisa: "esta é uma janela R-2"; "esta é uma janela R2 "; "esta janela tem um valor R de 2"; "esta é uma janela com R = 2" (e da mesma forma com valores RSI, que também incluem a possibilidade "esta janela fornece RSI 0,35 de resistência ao fluxo de calor").

Valor R aparente

Quanto mais um material é intrinsecamente capaz de conduzir calor, dado por sua condutividade térmica , menor seu valor R. Por outro lado, quanto mais espesso o material, maior seu valor-R. Às vezes , outros processos de transferência de calor além da condução (ou seja, convecção e radiação ) contribuem significativamente para a transferência de calor dentro do material. Em tais casos, é útil introduzir uma "condutividade térmica aparente", que captura os efeitos de todos os três tipos de processos, e definir o valor R mais geralmente como a espessura de uma amostra dividida por sua condutividade térmica aparente . Algumas equações que relacionam este valor R generalizado, também conhecido como valor R aparente , a outras quantidades são:

Onde:

  • é o valor R aparente ( K / W ) em toda a espessura da amostra,
  • é a espessura ( m ) da amostra (medida em um caminho paralelo ao fluxo de calor),
  • é a condutividade térmica aparente do material ( W / ( Km )),
  • é a transmitância térmica ou " valor U " do material ( W / K ),
  • é a resistividade térmica aparente do material ( Km / W ).

Um valor R aparente quantifica a quantidade física chamada isolância térmica .

No entanto, essa generalização tem um preço porque os valores de R que incluem processos não condutores podem não ser mais aditivos e podem ter uma dependência significativa da temperatura. Em particular, para um material solto ou poroso, o valor R por polegada geralmente depende da espessura, quase sempre de modo que diminui com o aumento da espessura ( poliisocianurato ("poliiso") sendo uma exceção; seu valor R / polegada aumenta com espessura). Por razões semelhantes, o valor R por polegada também depende da temperatura do material, geralmente aumentando com a diminuição da temperatura (poliiso novamente sendo uma exceção); uma manta de fibra de vidro nominalmente R-13 pode ser R-14 a -12 ° C (10 ° F) e R-12 a 43 ° C (109 ° F). No entanto, em construção é comum tratar os valores de R como independentes da temperatura. Observe que um valor R pode não ser responsável por processos radiativos ou convectivos na superfície do material , o que pode ser um fator importante para algumas aplicações.

O valor R é o recíproco da transmitância térmica ( fator U ) de um material ou conjunto. A indústria de construção dos Estados Unidos prefere usar valores-R, no entanto, porque eles são aditivos e porque valores maiores significam melhor isolamento, nenhum dos quais é verdadeiro para fatores-U.

Fator U / valor U

O fator U ou valor U é o coeficiente geral de transferência de calor que descreve quão bem um elemento de construção conduz calor ou a taxa de transferência de calor (em watts) através de um metro quadrado de uma estrutura dividido pela diferença de temperatura em toda a estrutura . Os elementos são comumente montagens de muitas camadas de componentes, como aquelas que formam paredes / pisos / telhados, etc. É expresso em watts por metro quadrado kelvin W / (m 2 ⋅K). Isso significa que quanto maior o valor U, pior é o desempenho térmico da envolvente do edifício. Um valor U baixo geralmente indica altos níveis de isolamento. Eles são úteis porque são uma maneira de prever o comportamento composto de um elemento de construção inteiro, em vez de depender das propriedades de materiais individuais.

Na maioria dos países, as propriedades de materiais específicos (como isolamento) são indicadas pela condutividade térmica , às vezes chamada de valor k ou valor lambda (λ minúsculo). A condutividade térmica (valor k) é a capacidade de um material de conduzir calor; portanto, quanto menor o valor k, melhor será o material para isolamento. O poliestireno expandido (EPS) tem um valor k de cerca de 0,033 W / (m⋅K). Para comparação, o isolamento de espuma fenólica tem um valor k de cerca de 0,018 W / (m⋅K), enquanto a madeira varia de 0,15 a 0,75 W / (m⋅K), e o aço tem um valor k de aproximadamente 50,0 W / (m⋅K). Esses números variam de produto para produto, então o Reino Unido e a UE estabeleceram um padrão 90/90, o que significa que 90% do produto estará em conformidade com o valor k declarado com um nível de confiança de 90%, desde que o valor citado seja declarado como o valor lambda 90/90.

U é o inverso de R com unidades SI de W / (m 2 ⋅K) e unidades dos EUA de BTU / (h⋅ ° F⋅ft 2 )

onde é o fluxo de calor , é a diferença de temperatura ao longo do material, k é o coeficiente de condutividade térmica do material e L é sua espessura. Em alguns contextos, U é referido como condutância de superfície unitária.

Veja também: tog (unidade) ou classificação geral térmica (onde 1 tog = 0,1 m 2 · K / W), usado para classificação de edredão .

O termo fator U é geralmente usado nos Estados Unidos e Canadá para expressar o fluxo de calor através de conjuntos inteiros (como telhados, paredes e janelas). Por exemplo, códigos de energia como ASHRAE 90.1 e o IECC prescrevem valores U. No entanto, o valor R é amplamente utilizado na prática para descrever a resistência térmica de produtos de isolamento, camadas e muitas outras partes do invólucro do edifício (paredes, pisos, telhados). Outras áreas do mundo usam mais comumente o valor U / fator U para elementos de todo o recinto do edifício, incluindo janelas, portas, paredes, telhado e lajes.

Unidades: métrica (SI) x polegada-libra (IP)

A unidade SI (métrica) do valor R é

Kelvin -metro quadrado por watt (K⋅m 2 / W ou, igualmente, C⋅m ° 2 / W),

enquanto a unidade IP (polegada-libra) é

graus Fahrenheit pés quadrados por hora por unidade térmica britânica (° F⋅ft 2 ⋅h / BTU).

Para valores R, não há diferença entre as unidades americanas e imperiais , portanto, a mesma unidade IP é usada em ambas.

Algumas fontes usam "RSI" ao se referir a valores R em unidades SI.

Os valores R expressos em unidades IP são aproximadamente 5,68 vezes maiores que os valores R expressos em unidades SI. Por exemplo, uma janela que é R-2 no sistema IP é cerca de RSI 0,35, desde 2 / 5,68 ≈ 0,35.

Em países onde o sistema SI está geralmente em uso, os valores R também serão normalmente dados em unidades SI. Isso inclui o Reino Unido, Austrália e Nova Zelândia.

Os valores de IP são comumente fornecidos nos Estados Unidos e no Canadá, embora no Canadá normalmente os valores de IP e RSI sejam listados.

Como as unidades geralmente não são declaradas explicitamente, deve-se decidir a partir do contexto quais unidades estão sendo usadas. A este respeito, ajuda ter em mente que os valores IP R são 5,68 vezes maiores do que os valores SI R correspondentes.

Mais precisamente,

Valor R (em IP) = valor RSI (em SI) × 5,678263337
Valor RSI (em SI) = valor R (em IP) × 0,1761101838

Diferentes tipos de isolamento

O governo australiano explica que os valores R totais exigidos para o tecido da construção variam dependendo da zona climática. "Esses materiais incluem blocos de concreto aerado, blocos ocos de poliestireno expandido, fardos de palha e folhas de poliestireno extrudado processado."

Na Alemanha, após a lei Energieeinsparverordnung (EnEv) introduzida em 2009 (10 de outubro) sobre economia de energia, todos os novos edifícios devem demonstrar a capacidade de permanecer dentro de certos limites do valor U para cada material de construção específico. Além disso, o EnEv descreve o coeficiente máximo para cada novo material se as peças forem substituídas ou adicionadas a estruturas permanentes.

O Departamento de Energia dos EUA recomendou valores-R para determinadas áreas dos EUA com base nos custos gerais de energia locais para aquecimento e resfriamento, bem como no clima de uma área. Existem quatro tipos de isolamento: rolos e mantas, enchimento solto, espuma rígida e espuma no local. Rolos e mantas são isolantes geralmente flexíveis que vêm em fibras, como a fibra de vidro. O isolamento de preenchimento solto vem em fibras soltas ou pelotas e deve ser soprado para dentro de um espaço. A espuma rígida é mais cara do que a fibra, mas geralmente tem um valor R mais alto por unidade de espessura. O isolamento de espuma no local pode ser aplicado em pequenas áreas para controlar vazamentos de ar, como aqueles ao redor das janelas, ou pode ser usado para isolar uma casa inteira.

Espessura

Aumentar a espessura de uma camada isolante aumenta a resistência térmica. Por exemplo, dobrar a espessura da manta de fibra de vidro dobrará seu valor R, talvez de 2,0 m 2 ⋅K / W para 110 mm de espessura, até 4,0 m 2 ⋅K / W para 220 mm de espessura. A transferência de calor através de uma camada isolante é análoga a adicionar resistência a um circuito em série com uma tensão fixa. No entanto, isso só é válido aproximadamente porque a condutividade térmica efetiva de alguns materiais isolantes depende da espessura. A adição de materiais para envolver o isolamento, como drywall e revestimento, fornece valor R adicional, mas normalmente muito menor.

Fatores

Existem muitos fatores que entram em jogo ao usar os valores R para calcular a perda de calor para uma parede específica. Os valores R do fabricante aplicam-se apenas ao isolamento devidamente instalado. Esmagar duas camadas de enchimento na espessura pretendida para uma camada aumentará, mas não dobrará o valor R. (Em outras palavras, comprimir uma manta de fibra de vidro diminui o valor R da manta, mas aumenta o valor R por polegada.) Outro fator importante a considerar é que os pinos e as janelas fornecem um caminho de condução de calor paralelo que não é afetado pelo R do isolamento -valor. A implicação prática disso é que se poderia dobrar o valor R do isolamento instalado entre os membros da estrutura e obter uma redução substancialmente inferior a 50% na perda de calor. Quando instalado entre as vigas da parede, mesmo o isolamento perfeito da parede apenas elimina a condução através do isolamento, mas não afeta a perda de calor condutiva através de materiais como janelas de vidro e vigas. O isolamento instalado entre os pinos pode reduzir, mas geralmente não elimina, as perdas de calor devido ao vazamento de ar através da envolvente do edifício. A instalação de uma camada contínua de isolamento de espuma rígida no lado externo do revestimento da parede interromperá a ponte térmica através dos pinos, ao mesmo tempo que reduz a taxa de vazamento de ar.

Papel principal

O valor R é uma medida da capacidade de uma amostra de isolamento de reduzir a taxa de fluxo de calor sob condições de teste especificadas. O principal modo de transferência de calor impedido pelo isolamento é a condução, mas o isolamento também reduz a perda de calor por todos os três modos de transferência de calor: condução, convecção e radiação. A principal perda de calor em um espaço não isolado cheio de ar é a convecção natural , que ocorre por causa das mudanças na densidade do ar com a temperatura. O isolamento retarda muito a convecção natural, tornando a condução o principal modo de transferência de calor. Os isolamentos porosos conseguem isso prendendo o ar de modo que a perda significativa de calor por convecção seja eliminada, deixando apenas a condução e uma pequena transferência de radiação. O papel principal desse isolamento é tornar a condutividade térmica do isolamento de ar aprisionado e estagnado. No entanto, isso não pode ser realizado totalmente porque a lã de vidro ou espuma necessária para evitar a convecção aumenta a condução de calor em comparação com a do ar parado. A transferência de calor radiativo menor é obtida por ter muitas superfícies interrompendo uma "visão clara" entre as superfícies interna e externa do isolamento, como a luz visível é interrompida de passar por materiais porosos. Essas superfícies múltiplas são abundantes em enchimento e espuma porosa. A radiação também é minimizada por superfícies externas de baixa emissividade (altamente refletivas), como folha de alumínio. Baixa condutividade térmica, ou os valores de R mais elevados, pode ser alcançado através da substituição do ar com árgon, quando tais como prático especial dentro de poros fechados isolamento de espuma porque árgon tem uma condutividade térmica menor que o ar.

Em geral

A transferência de calor através de uma camada isolante é análoga à resistência elétrica . As transferências de calor podem ser calculadas pensando na resistência em série com um potencial fixo, exceto que as resistências são resistências térmicas e o potencial é a diferença de temperatura de um lado do material para o outro. A resistência de cada material à transferência de calor depende da resistência térmica específica [valor R] / [espessura da unidade], que é uma propriedade do material (ver tabela abaixo) e da espessura dessa camada. Uma barreira térmica composta por várias camadas terá vários resistores térmicos de forma análoga aos circuitos, cada um em série. Análogo a um conjunto de resistores em paralelo, uma parede bem isolada com uma janela mal isolada permitirá proporcionalmente mais calor passar pela janela (R-baixo), e o isolamento adicional na parede só vai melhorar minimamente o R- geral valor. Como tal, a seção menos bem isolada de uma parede desempenhará o maior papel na transferência de calor em relação ao seu tamanho, semelhante à maneira como a maior parte da corrente flui através do resistor de menor resistência em uma matriz paralela. Portanto, garantir que as janelas, quebras de serviço (em torno de fios / tubos), portas e outras quebras em uma parede estejam bem vedadas e isoladas é muitas vezes a maneira mais econômica de melhorar o isolamento de uma estrutura, uma vez que as paredes estão suficientemente isoladas.

Como a resistência em circuitos elétricos, aumentar o comprimento físico (para isolamento, espessura) de um elemento resistivo, como grafite por exemplo, aumenta a resistência linearmente; o dobro da espessura de uma camada significa o dobro do valor R e metade da transferência de calor; quádruplo, quartos; etc. Na prática, esta relação linear nem sempre é válida para materiais compressíveis, como lã de vidro e mantas de algodão, cujas propriedades térmicas mudam quando comprimidos. Assim, por exemplo, se uma camada de isolamento de fibra de vidro em um sótão fornece resistência térmica R-20, adicionar uma segunda camada não necessariamente dobrará a resistência térmica porque a primeira camada será comprimida pelo peso da segunda.

Calculando a perda de calor

Para encontrar a perda média de calor por unidade de área, simplesmente divida a diferença de temperatura pelo valor R da camada.

Se o interior de uma casa estiver a 20 ° C e a cavidade do telhado a 10 ° C, a diferença de temperatura é de 10 ° C (ou 10 K). Assumindo um teto isolado para RSI 2.0 (R = 2 m 2 ⋅K / W), a energia será perdida a uma taxa de 10 K / (2 K⋅m 2 / W) = 5 watts para cada metro quadrado de teto. O valor RSI usado aqui é para a camada de isolamento real (e não por unidade de espessura de isolamento).

Relacionamentos

Espessura

O valor R não deve ser confundido com a propriedade intrínseca da resistividade térmica e seu inverso, a condutividade térmica . A unidade SI de resistividade térmica é K⋅m / W. A condutividade térmica assume que a transferência de calor do material está linearmente relacionada à sua espessura.

Múltiplas camadas

Ao calcular o valor R de uma instalação em várias camadas, os valores R das camadas individuais são adicionados:

Valor R (filme de ar externo) + valor R (tijolo) + valor R (revestimento) + valor R (isolamento) + valor R (placa de gesso) + valor R (filme de ar interno) = valor R ( total) .

Para contabilizar outros componentes em uma parede, como moldura, primeiro calcule o valor U (= 1 / valor R) de cada componente e, em seguida, o valor U médio ponderado por área. O valor R médio será 1 / (este valor U médio). Por exemplo, se 10% da área é de 4 polegadas de madeira macia (valor R 5,6) e 90% é 2 polegadas de aerogel de sílica (valor R 20), o valor U ponderado por área é 0,1 / 5,6 + 0,9 / 20 = 0,0629 e o valor de R ponderado é 1 / 0,0629 = 15,9.

Controvérsia

Condutividade térmica versus condutividade térmica aparente

A condutividade térmica é convencionalmente definida como a taxa de condução térmica através de um material por unidade de área por unidade de espessura por unidade de temperatura diferencial (ΔT). O inverso da condutividade é a resistividade (ou R por unidade de espessura). A condutância térmica é a taxa de fluxo de calor através de uma área unitária na espessura instalada e qualquer ΔT dado.

Experimentalmente, a condução térmica é medida colocando o material em contato entre duas placas condutoras e medindo o fluxo de energia necessário para manter um certo gradiente de temperatura.

Para a maior parte, o teste do valor R do isolamento é feito a uma temperatura constante, geralmente cerca de 70 ° F (21 ° C), sem movimento do ar circundante. Uma vez que essas são condições ideais, o valor R listado para isolamento será quase certamente maior do que seria em uso real, porque a maioria das situações com isolamento estão sob condições diferentes

Uma definição de valor R com base na condutividade térmica aparente foi proposta no documento C168 publicado pela American Society for Testing and Materials. Isso descreve o calor sendo transferido por todos os três mecanismos - condução, radiação e convecção.

O debate continua entre representantes de diferentes segmentos da indústria de isolamento dos EUA durante a revisão dos regulamentos da FTC dos EUA sobre a publicidade de valores-R ilustrando a complexidade das questões.

Temperatura da superfície em relação ao modo de transferência de calor

Existem pontos fracos em usar um único modelo de laboratório para avaliar simultaneamente as propriedades de um material para resistir ao aquecimento conduzido, irradiado e convectivo. A temperatura da superfície varia dependendo do modo de transferência de calor.

Se assumirmos a transferência de calor idealizada entre o ar em cada lado e a superfície do isolamento, a temperatura da superfície do isolador seria igual à temperatura do ar em cada lado.

Em resposta à radiação térmica, a temperatura da superfície depende da emissividade térmica do material. Superfícies de baixa emissividade, como folha de metal brilhante, reduzem a transferência de calor por radiação.

A convecção irá alterar a taxa de transferência de calor entre o ar e a superfície do isolador, dependendo das características de fluxo do ar (ou outro fluido) em contato com ele.

Com vários modos de transferência de calor, a temperatura final da superfície (e, portanto, o fluxo de energia observado e o valor R calculado) dependerá das contribuições relativas de radiação, condução e convecção, embora a contribuição total de energia permaneça a mesma.

Esta é uma consideração importante na construção de edifícios porque a energia térmica chega em diferentes formas e proporções. A contribuição das fontes de calor radiativo e condutor também varia ao longo do ano e ambas são importantes contribuintes para o conforto térmico

Na estação quente, a radiação solar predomina como fonte de ganho de calor. De acordo com a lei de Stefan-Boltzmann , a transferência de calor por radiação está relacionada à quarta potência da temperatura absoluta (medida em kelvins : T [K] = T [° C] + 273,16). Portanto, essa transferência é mais significativa quando o objetivo é resfriar (ou seja, quando a radiação solar produziu superfícies muito quentes). Por outro lado, os modos de perda de calor por condução e convecção desempenham um papel mais significativo durante os meses mais frios. Em tais temperaturas ambientes mais baixas, os isolamentos tradicionais de fibra, plástico e celulose desempenham de longe o papel principal: o componente de transferência de calor por radiação é de muito menos importância, e a principal contribuição da barreira de radiação está em sua contribuição superior de estanqueidade. Em resumo: reivindicações de isolamento de barreira radiante são justificáveis ​​em altas temperaturas, normalmente ao minimizar a transferência de calor no verão; mas essas afirmações não são justificáveis ​​em condições tradicionais de inverno (aquecimento).

As limitações dos valores R na avaliação de barreiras radiantes

Ao contrário dos isoladores a granel, as barreiras radiantes resistem mal ao calor conduzido. Materiais como a folha refletiva têm uma alta condutividade térmica e funcionariam mal como isolantes condutores. Barreiras radiantes retardam a transferência de calor por dois meios: refletindo a energia radiante de sua superfície irradiada e reduzindo a emissão de radiação de seu lado oposto.

A questão de como quantificar o desempenho de outros sistemas, como barreiras radiantes, resultou em controvérsia e confusão na indústria da construção com o uso de valores R ou 'valores R equivalentes' para produtos que têm sistemas totalmente diferentes de inibição da transferência de calor. (Nos EUA, a regra do valor R do governo federal estabelece uma definição legal para o valor R de um material de construção; o termo 'valor R equivalente' não tem definição legal e, portanto, não tem sentido.) De acordo com os padrões atuais, R - os valores são declarados de forma mais confiável para materiais de isolamento a granel . Todos os produtos citados no final são exemplos disso.

Calcular o desempenho de barreiras radiantes é mais complexo. Com uma boa barreira radiante instalada, a maior parte do fluxo de calor é por convecção, que depende de muitos fatores além da própria barreira radiante. Embora as barreiras radiantes tenham alta refletividade (e baixa emissividade ) em uma faixa de espectros eletromagnéticos (incluindo luz visível e UV), suas vantagens térmicas estão principalmente relacionadas à emissividade na faixa do infravermelho. Os valores de emissividade são a métrica apropriada para barreiras radiantes. Sua eficácia quando empregada para resistir ao ganho de calor em aplicações limitadas é estabelecida, embora o valor R não os descreva adequadamente.

Deterioração

Envelhecimento do isolamento

Embora faltem pesquisas sobre a degradação a longo prazo do valor R no isolamento, pesquisas recentes indicam que os valores R dos produtos podem se deteriorar com o tempo. Por exemplo, a compactação de celulose de preenchimento solto cria espaços vazios que reduzem o desempenho geral; isso pode ser evitado embalando-se densamente na instalação inicial. Alguns tipos de isolamento de espuma , como poliuretano e poliisocianurato, são transformados em gases pesados, como clorofluorcarbonos (CFC) ou hidroclorofluorocarbonos (HFCs). No entanto, com o tempo, esses gases se difundem para fora da espuma e são substituídos por ar, reduzindo assim o valor R efetivo do produto. Existem outras espumas que não mudam significativamente com o envelhecimento porque são sopradas com água ou são de células abertas e não contêm CFCs ou HFCs aprisionados (por exemplo, espumas de baixa densidade de meio libra). Em certas marcas, os testes de vinte anos não mostraram nenhuma contração ou redução no valor de isolamento.

Isso gerou polêmica sobre como avaliar o isolamento desses produtos. Muitos fabricantes avaliarão o valor R no momento da fabricação; os críticos argumentam que uma avaliação mais justa seria seu valor estabelecido. A indústria de espuma adotou o método LTTR (Long-Term Thermal Resistance), que classifica o valor R com base em uma média ponderada de 15 anos. No entanto, o LTTR fornece efetivamente apenas um valor R de oito anos, curto na escala de um edifício que pode ter uma vida útil de 50 a 100 anos.

A pesquisa foi conduzida pelo Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenheiros do Exército dos EUA sobre a degradação de materiais isolantes a longo prazo. Os valores da degradação foram obtidos a partir de testes de laboratório de curto prazo em materiais expostos a várias condições de temperatura e umidade. Os resultados indicam que a absorção de umidade e a perda de agente de expansão (em espuma de poliuretano em spray de célula fechada) foram as principais causas da perda de valor R. A fibra de vidro e o poliestireno extrudado mantiveram mais de 97% de seus valores R iniciais, enquanto os aerogéis e o poliuretano de célula fechada tiveram uma redução de 15% e 27,5%, respectivamente. Os resultados apontam para a conclusão de que uma lei de decaimento exponencial pode ser aplicada à redução nos valores de R ao longo do tempo para poliuretanos de células fechadas e mantas de aerogel.

Infiltração

A atenção correta às medidas de vedação do ar e a consideração dos mecanismos de transferência de vapor são importantes para o funcionamento ideal dos isoladores a granel. A infiltração de ar pode permitir a transferência de calor por convecção ou a formação de condensação, ambas as quais podem degradar o desempenho de um isolamento.

Um dos principais valores do isolamento de espuma spray é sua capacidade de criar uma vedação hermética (e em alguns casos, à prova d'água) diretamente contra o substrato para reduzir os efeitos indesejáveis ​​do vazamento de ar.

Medições de valor R in-situ

A deterioração dos valores de R é especialmente um problema ao definir a eficiência energética de um edifício existente. Especialmente em edifícios mais antigos ou históricos, os valores R definidos antes da construção podem ser muito diferentes dos valores reais. Isso afeta muito a análise de eficiência energética. Para obter dados confiáveis, os valores R são, portanto, frequentemente determinados por meio de medições do valor U no local específico (in situ). Existem vários métodos possíveis para isso, cada um com suas compensações específicas: termografia, medições de temperatura múltiplas e o método do fluxo de calor.

Termografia

A termografia é aplicada no setor da construção para avaliar a qualidade do isolamento térmico de uma divisão ou edifício. Por meio de uma câmera termográfica, podem ser identificadas pontes térmicas e peças de isolamento não homogêneas. No entanto, não produz quaisquer dados quantitativos. Este método só pode ser usado para aproximar o valor U ou o valor R inverso.

Configuração de medição de fluxo de calor
Resultados da medição do fluxo de calor

Múltiplas medições de temperatura

Esta abordagem é baseada em três ou mais medições de temperatura dentro e fora de um elemento de construção. Ao sincronizar essas medições e fazer algumas suposições básicas, é possível calcular o fluxo de calor indiretamente e, assim, derivar o valor U de um elemento de construção. Os seguintes requisitos devem ser cumpridos para resultados confiáveis:

  • Diferença entre temperatura interna e externa, ideal> 15 K
  • Condições constantes
  • Sem radiação solar
  • Sem radiação de calor nas medições próximas

Método de fluxo de calor

O valor R de um elemento de construção pode ser determinado usando um sensor de fluxo de calor em combinação com dois sensores de temperatura. Medindo o calor que flui através de um elemento de construção e combinando-o com a temperatura interna e externa, é possível definir o valor R com precisão. Uma medição que dure pelo menos 72 horas com uma diferença de temperatura de pelo menos 5 ° C é necessária para um resultado confiável de acordo com as normas ISO 9869, mas durações de medição mais curtas fornecem uma indicação confiável do valor R também. O progresso da medição pode ser visualizado no laptop por meio do software correspondente e os dados obtidos podem ser usados ​​para cálculos adicionais. Dispositivos de medição para tais medições de fluxo de calor são oferecidos por empresas como FluxTeq, Ahlborn, greenTEG e Hukseflux.

Colocar o sensor de fluxo de calor na superfície interna ou externa do elemento de construção permite determinar o fluxo de calor através do sensor de fluxo de calor como um valor representativo para o fluxo de calor através do elemento de construção. O fluxo de calor através do sensor de fluxo de calor é a taxa de fluxo de calor através do sensor de fluxo de calor dividido pela área de superfície do sensor de fluxo de calor . Colocar os sensores de temperatura nas superfícies interna e externa do elemento de construção permite determinar a temperatura da superfície interna, a temperatura da superfície externa e a diferença de temperatura entre elas. Em alguns casos, o próprio sensor de fluxo de calor pode servir como um dos sensores de temperatura. O valor R para o elemento de construção é a diferença de temperatura entre os dois sensores de temperatura dividida pelo fluxo de calor através do sensor de fluxo de calor . A fórmula matemática é:

Onde:

  • é o valor R ( KW −1m 2 ),
  • é o fluxo de calor ( Wm −2 ),
  • é a área de superfície do sensor de fluxo térmico ( m 2 ),
  • é a taxa de fluxo de calor ( W ),
  • é a temperatura da superfície interna ( K ),
  • é a temperatura da superfície externa ( K ), e
  • é a diferença de temperatura ( K ) entre as superfícies interna e externa.

O valor U também pode ser calculado tomando o recíproco do valor R. Isso é,

onde é o valor U ( Wm −2K −1 ).

O valor R e o valor U derivados podem ser precisos na medida em que o fluxo de calor através do sensor de fluxo de calor é igual ao fluxo de calor através do elemento de construção. O registro de todos os dados disponíveis permite estudar a dependência do valor R e do valor U de fatores como a temperatura interna, externa ou posição do sensor de fluxo de calor . Na medida em que todos os processos de transferência de calor (condução, convecção e radiação) contribuem para as medições, o valor R derivado representa um valor R aparente.

Valores de exemplo

Os painéis isolados a vácuo têm o valor R mais alto, aproximadamente R-45 (em unidades dos EUA) por polegada; O aerogel tem o próximo valor R mais alto (cerca de R-10 a R-30 por polegada), seguido por poliuretano (PUR) e isolamentos de espuma fenólica com R-7 por polegada. Eles são seguidos de perto por poliisocianurato (PIR) em R-5.8, poliestireno expandido impregnado de grafite em R-5 e poliestireno expandido (EPS) em R-4 por polegada. Celulose solta, fibra de vidro (tanto soprada como em mantas) e lã de rocha (ambas sopradas e em mantas) possuem um valor R de aproximadamente R-2,5 a R-4 por polegada.

Os fardos de palha têm um desempenho de cerca de R-2,38 a 2,68 por polegada, dependendo da orientação dos fardos. No entanto, as casas de fardos de palha típicas têm paredes muito grossas e, portanto, são bem isoladas. A neve é ​​aproximadamente R-1 por polegada. O tijolo tem uma capacidade de isolamento muito pobre em apenas R-0,2 por polegada; no entanto, tem uma massa térmica relativamente boa .

Observe que todos os exemplos acima usam a definição dos EUA (não SI) para o valor R.

Valores R típicos

Os valores RSI e os valores R para vários materiais normalizados para uma espessura de 25,4 milímetros (1,00 pol.). Na prática, os valores terão sido obtidos por diferentes métodos e espessuras. Os valores típicos são aproximações baseadas na média dos números disponíveis. A última coluna fornece valores RSI normalizados para uma espessura de 1 metro (3 pés e 3 pol.). Clicar na coluna de valor RSI classifica pelo valor mediano do intervalo e clicar na coluna de valor R classifica pelo valor mais baixo.
Material Valor RSI (m 2 · K / W ) Valor R (ft 2 · ° F · h / BTU ) Valor RSI (m 2 · K / W ) (por metro)
Painel isolado a vácuo 5,28-8,8 14-66 208-346
Aerogel de sílica 1,76 10,3 69
Painel rígido de poliuretano (CFC / HCFC expandido) inicial 1,23-1,41 7-8 48-56
Painel rígido de poliuretano (CFC / HCFC expandido) com idade entre 5–10 anos 1,10 6,25 43
Painel rígido de poliuretano ( pentano expandido) inicial 1,20 6,8 47
Painel rígido de poliuretano (pentano expandido) com idade de 5 a 10 anos 0,97 5,5 38
Painel rígido de poliuretano revestido de folha (pentano expandido) 1,1-1,2 45-48
Painel rígido de poliisocianurato revestido de folha (pentano expandido) inicial 1,20 6,8 55
Painel rígido de poliisocianurato revestido de folha (pentano expandido) com idade de 5 a 10 anos 0,97 5,5 38
Espuma de poliisocianurato em spray 0,76-1,46 4,3-8,3 30-57
Espuma spray de poliuretano de célula fechada 0,97-1,14 5,5-6,5 38-45
Espuma de spray fenólica 0,85-1,23 4,8-7 33-48
Isolamento de roupas Thinsulate 0,28-0,51 1,6–2,9 11-20
Painéis de uréia-formaldeído 0,88-1,06 5-6 35-42
Drywall 0,15 .9 6,2
Espuma de uréia 0,92 5,25 36,4
Poliestireno expandido extrudado (XPS) de alta densidade 0,88-0,95 5-5,4 26-40
Placa de poliestireno 0,88 5,00 35
Painel rígido fenólico 0,70-0,88 4-5 28-35
Espuma de uréia-formaldeído 0,70-0,81 4-4,6 28-32
Tapetes de fibra de vidro de alta densidade 0,63-0,88 3,6-5 25-35
Poliestireno expandido extrudado (XPS) de baixa densidade 0,63-0,82 3,6-4,7 25-32
Preenchimento solto de icynene (despeje preenchimento) 0,70 4 28
Poliestireno expandido moldado (EPS) de alta densidade 0,70 4,2 22-32
Espuma Doméstica 0,69 3,9 27,0
Cascas de arroz 0,50 3,0 24
Mantas de fibra de vidro 0,55-0,76 3,1-4,3 22-30
Tapetes de algodão (isolamento Blue Jean) 0,65 3,7 26
Poliestireno expandido moldado (EPS) de baixa densidade 0,65 3,85 26
Lã de ovelha Batt 0,65 3,7 26
Spray icynene 0,63 3,6 25
Espuma spray de poliuretano de célula aberta 0,63 3,6 25
Cartão 0,52–0,7 3-4 20-28
Tapetes de lã de rocha e escória 0,52-0,68 3-3,85 20-27
Preenchimento solto de celulose 0,52-0,67 3-3,8 20-26
Spray úmido de celulose 0,52-0,67 3-3,8 20-26
Preenchimento solto de lã de rocha e escória 0,44-0,65 2,5-3,7 17-26
Preenchimento solto de fibra de vidro 0,44-0,65 2,5-3,7 17-26
Espuma de polietileno 0,52 3 20
Espuma cimentícia 0,35-0,69 2-3,9 14-27
Perlite de preenchimento solto 0,48 2,7 19
Painéis de madeira, como revestimento 0,44 2,5 17 (9)
Painel rígido de fibra de vidro 0,44 2,5 17
Preenchimento solto de vermiculita 0,38–0,42 2,13-2,4 15–17
Vermiculita 0,38 2,13 16-17
Fardo de palha 0,26 1,45 16-22
Papercrete 2,6-3,2 18-22
Madeira macia (maioria) 0,25 1,41 7,7
Lascas de madeira e outros produtos de madeira de enchimento solto 0,18 1 7,1
Concreto aerado / celular (5% de umidade) 0,18 1 7,1
Neve 0,18 1 7,1
Madeira dura (maioria) 0,12 0,71 5,5
Tijolo 0,030 0,2 1,3-1,8
Copo 0,025 0,14 0,98
Concreto derramado 0,014 0,08 0,43-0,87

Valores R típicos para superfícies

Valores R de superfície não reflexiva para filmes de ar

Ao determinar a resistência térmica geral de um conjunto de construção, como uma parede ou telhado, o efeito isolante da película de ar de superfície é adicionado à resistência térmica dos outros materiais.

Posição da superfície Direção da transferência de calor R U.S. (hr⋅ft 2 ⋅ ° F / Btu) R SI (K⋅m 2 / W)
Horizontal (por exemplo, um teto plano) Para cima (por exemplo, inverno) 0,61 0,11
Horizontal (por exemplo, um teto plano) Para baixo (por exemplo, verão) 0,92 0,16
Vertical (por exemplo, uma parede) Horizontal 0,68 0,12
Superfície externa, qualquer posição, ar em movimento 6,7 m / s (inverno) Qualquer direção 0,17 0,030
Superfície externa, qualquer posição, ar em movimento 3,4 m / s (verão) Qualquer direção 0,25 0,044

Na prática, os valores de superfície acima são usados ​​para pisos, tetos e paredes de um edifício, mas não são precisos para cavidades de ar fechadas, como entre painéis de vidro. A resistência térmica efetiva de uma cavidade de ar fechada é fortemente influenciada pela transferência de calor por radiação e pela distância entre as duas superfícies. Consulte vidros isolados para uma comparação dos valores R para janelas, com alguns valores R eficazes que incluem uma cavidade de ar.

Barreiras radiantes

Material Valor R aparente (Min) Valor R aparente (máx.) Referência
Isolamento reflexivo Zero (para montagem sem espaço aéreo adjacente.) R-10.7 (transferência de calor para baixo), R-6.7 (transferência de calor horizontal), R-5 (transferência de calor para cima)

Solicite os testes de valor R do fabricante para sua montagem específica.

Regra do valor R nos EUA

A Federal Trade Commission (FTC) rege as reclamações sobre os valores-R para proteger os consumidores contra reclamações de publicidade enganosas e enganosas. Ele emitiu a regra do valor R.

O objetivo principal da regra é garantir que o mercado de isolamento residencial forneça ao consumidor essas informações essenciais de pré-compra. A informação dá aos consumidores a oportunidade de comparar eficiências de isolamento relativas, para selecionar o produto com a maior eficiência e potencial para economia de energia, para fazer uma compra econômica e para considerar as principais variáveis ​​que limitam a eficácia de isolamento e realização de economia de energia reivindicada.

A regra exige que informações específicas do valor R para produtos de isolamento residencial sejam divulgadas em determinados anúncios e no ponto de venda. O objetivo do requisito de divulgação do valor R para publicidade é evitar que os consumidores sejam induzidos em erro por certas alegações que têm relação com o valor isolante. No momento da transação, alguns consumidores poderão obter as informações do valor R necessárias na etiqueta da embalagem de isolamento. No entanto, uma vez que a evidência mostra que as embalagens muitas vezes não estão disponíveis para inspeção antes da compra, nenhuma informação rotulada estaria disponível para os consumidores em muitos casos. Como resultado, a Regra exige que uma ficha técnica esteja disponível para os consumidores para inspeção antes de fazerem a compra.

Espessura

A regra do valor R especifica:

Em etiquetas, fichas técnicas, anúncios ou outros materiais promocionais, não forneça o valor R por uma polegada ou o "valor R por polegada" do seu produto. Existem duas exceções:
uma. Você pode fazer isso se sugerir usar seu produto com uma espessura de 2,5 cm.
b. Você pode fazer isso se os resultados reais dos testes provarem que os valores R por polegada de seu produto não diminuem à medida que ele fica mais espesso.

Você pode listar uma faixa de valor R por polegada. Se você fizer isso, você deve dizer exatamente quanto o valor R cai com maior espessura. Você também deve adicionar esta declaração: "O valor R por polegada deste isolamento varia com a espessura. Quanto mais espesso o isolamento, menor o valor R por polegada."

Veja também

Referências

links externos