Dynamisk isolering
Dynamisk isolering är en form av isolering där kall utomhusluft som strömmar genom värmeisoleringen i en byggnads hölje tar upp värme från isoleringsfibrerna. Byggnader kan utformas för att utnyttja detta för att minska transmissionens värmeförlust ( U-värde ) och för att ge förvärmd, dragfri luft till inre utrymmen. Detta kallas dynamisk isolering eftersom U-värdet inte längre är konstant för en given vägg- eller takkonstruktion utan varierar med hastigheten på luften som strömmar genom isoleringen (klimatanpassningsbart byggnadsskal ). Dynamisk isolering skiljer sig från andningsväggar . De positiva aspekterna av dynamisk isolering måste vägas mot det mer konventionella tillvägagångssättet för byggnadsdesign som är att skapa ett lufttätt hölje och tillhandahålla lämplig ventilation med antingen naturlig ventilation eller mekanisk ventilation med värmeåtervinning. Det lufttäta tillvägagångssättet för byggnadsskalsdesign, till skillnad från dynamisk isolering, resulterar i ett byggnadsskal som ger en konsekvent prestanda i termer av värmeförlust och risk för interstitiell kondens som är oberoende av vindhastighet och vindriktning. Under vissa vindförhållanden kan en dynamiskt isolerad byggnad ha en högre värmeöverföringsförlust än en lufttät byggnad med samma tjocklek på isoleringen. Ofta kommer luften in vid Cirka 15 C°.
Introduktion
Den primära funktionen för en byggnads väggar och tak är att vara vind- och vattentäta. Beroende på byggnadens funktion kommer det också att finnas krav på att hålla insidan inom ett lämpligt temperaturområde på ett sätt som minimerar både energianvändningen och de tillhörande koldioxidutsläppen.
Dynamisk isolering genomförs normalt i trästommarväggar och i tak. Det vänder på den sedan länge accepterade visdomen hos byggnadskonstruktörer och byggnadsingenjörer att "bygga tätt och ventilera rätt" . Det kräver luftgenomsläppliga väggar och/eller tak/tak så att när byggnaden är trycklös kan luft strömma från utsidan till insidan genom isoleringen i väggen eller taket eller taket (fig 1 och 2). Följande förklaring av dynamisk isolering kommer, för enkelhetens skull, att sättas i sammanhang med tempererade eller kalla klimat där den huvudsakliga energianvändningen är för uppvärmning snarare än kylning av byggnaden. I varma klimat kan det ha användning för att öka värmeförlusten från byggnaden.
När luft strömmar in genom isoleringen tar den via isoleringsfibrerna upp värmen som leds till utsidan. Dynamisk isolering kan därmed uppnå den dubbla funktionen att minska värmeförlusten genom väggar och/eller tak samtidigt som den tillför förvärmd luft till inomhusutrymmena. Dynamisk isolering verkar därför övervinna den stora nackdelen med lufttäta höljen som är att kvaliteten på inomhusluften försämras om det inte finns naturlig eller mekanisk ventilation. Dynamisk isolering kräver dock även mekanisk ventilation med värmeåtervinning (MVHR) för att återvinna värmen i frånluften.
För att luften kontinuerligt ska kunna dras genom väggar och/eller tak/tak behövs en fläkt för att hålla byggnaden vid ett tryck på 5 till 10 Pascal under omgivningstrycket. Luften som kontinuerligt dras genom väggen eller taket behöver kontinuerligt ventileras ut. Detta representerar en värmeförlust som måste återvinnas. En luft-till-luft värmeväxlare (Fig 2) är det enklaste sättet att göra detta.
Anteckning för lufttät timmerkonstruktion
Element | Beskrivning | |
---|---|---|
1 | tegelbeklädnad | |
2 | ventilerad hålighet | |
3 | mantelbräda med andningsmembran på utsidan | |
4 | isolering | |
5 | gipsskivor ( ångkontrollskikt tillval) |
Anteckning för luftgenomsläpplig väggkonstruktion
Element | Beskrivning | |
---|---|---|
1 | tegelbeklädnad | |
2 | ventilerat hålrum | |
3 | mantelbräda (luftgenomsläpplig) | |
4 | isolering (luftgenomsläpplig) | |
5 | luftkontrollskikt | |
6 | ventilerat hålrum | |
7 | gipsskivor |
Vetenskapen om dynamisk isolering
Alla huvuddragen hos dynamisk isolering kan förstås genom att överväga det ideala fallet med endimensionell värmeledning i stabilt tillstånd och luftflöde genom ett enhetligt prov av luftgenomsläpplig isolering. Ekvation ( 1 ), som bestämmer temperaturen T på ett avstånd x mätt från den kalla sidan av isoleringen, härleds från det totala nettoflödet av ledning och konvektiv värme över ett litet element av isolering som är konstant.
-
()
var
u lufthastighet genom isoleringen (m/s)
c en specifik luftvärme (J/kg K)
ρ en densitet av luft (kg/m 3 )
λ en värmeledningsförmåga hos isoleringen (W/m K)
För två- och tredimensionella geometrier krävs CFD-verktyg ( Computational Fluid Dynamics) för att samtidigt lösa ekvationerna för vätskeflödet och värmeöverföringen genom porösa medier. Den idealiserade 1D-modellen av dynamisk isolering ger en hel del fysisk insikt i de ledande och konvektiva värmeöverföringsprocesserna, vilket ger ett sätt att testa giltigheten av resultaten av CFD-beräkningar. Dessutom, precis som ett enkelt 1D stationärt värmeflöde antas vid beräkningen av värmeöverföringskoefficienterna (U-värden) som används vid design, godkännande och byggnadsenergiklassificering av byggnader, så är den enkla 1D stationära modellen för dynamisk isolering. är lämplig för att utforma och bedöma prestandan hos en dynamiskt isolerad byggnad eller byggnadselement.
Isoleringar som polyuretanskivor (PUR) som på grund av sin mikrostruktur inte är luftgenomsläppliga är inte lämpliga för dynamisk isolering. Isoleringar som stenull , glasull, fårull, cellulosa är alla luftgenomsläppliga och kan därför användas i ett dynamiskt isolerat hölje. I ekvation ( 1 ) tas lufthastigheten genom isoleringen u som positiv när luftflödet är i motsatt riktning mot det ledande värmeflödet (kontraflöde). Ekvation ( 1 ) gäller även för stationärt värmeflöde i flerskiktiga väggar.
Ekvation ( 1 ) har en analytisk lösning
-
()
För randvillkoren:
T(x) = To vid x = 0
T(x) = TL vid x = L
där parametern A, med längddimensioner, definieras av:
-
()
Temperaturprofilen beräknad med hjälp av ekvation ( 2 ) för luft som strömmar genom en platta av cellulosaisolering 0,2 m tjock där ena sidan har en temperatur på 20 °C och den andra har en temperatur på 0 °C visas i figur 3. Den termiska ledningsförmågan hos cellulosaisolering antogs vara 0,04 W/m 2 K.
Kontraflöde
Fig. 3 visar det typiska beteendet för temperaturprofilen genom dynamisk isolering där luften strömmar i motsatt riktning mot värmeflödet. När luftflödet ökar från noll blir temperaturprofilen allt mer krökt. På den kalla sidan av isoleringen (x/L = 0) blir temperaturgradienten allt mer horisontell. Eftersom ledningsvärmeflödet är proportionellt mot temperaturgradienten är temperaturprofilens lutning på den kalla sidan en direkt indikation på ledningsvärmeförlusten genom en vägg eller tak. På den kalla sidan av isoleringen är temperaturgradienten nära noll vilket är grunden för det ofta påståendet att dynamisk isolering kan uppnå ett U-värde på noll W/m 2 K.
På den varma sidan av isoleringen blir temperaturgradienten brantare med ökande luftflöde. Detta innebär att värme strömmar in i väggen i en högre hastighet än för konventionell isolering (lufthastighet = 0 mm/s). För det visade fallet med luft som strömmar genom isoleringen med 1 mm/s är temperaturgradienten på den varma sidan av isoleringen x/L = 1) 621 °C/m vilket kan jämföras med endast 100 °C/m för konventionell isolering. Detta innebär att med ett luftflöde på 1 mm/s absorberar den inre ytan 6 gånger så mycket värme som den för konventionell isolering.
En konsekvens av detta är att avsevärt mer värme måste sättas in i väggen om det strömmar igenom luft utifrån. Specifikt skulle ett rumsuppvärmningssystem behövas som är sex gånger större än det för ett konventionellt isolerat hus. Det sägs ofta att vid dynamisk isolering värms uteluften upp av värme som i alla fall skulle gå förlorad. Innebörden är att uteluften värms upp av "fri" värme. Det faktum att värmeflödet in i väggen ökar med lufthastigheten bevisas av den minskande temperaturen på den inre ytan (tabell 2 och fig 4 nedan). Ett dynamiskt isolerat hus kräver också en luft-till-luft värmeväxlare liksom ett lufttätt hus. Det senare har ytterligare fördelen att om det är välisolerat kommer det bara att kräva ett minimalt uppvärmningssystem.
Temperaturgradienten vid punkt i dynamisk isolering kan erhållas genom differentieringsekvation ( 2 )
-
()
Från detta ges temperaturgradienten på den kalla sidan av isoleringen (x = 0) av
-
()
och temperaturgradienten på den varma sidan av isoleringen (x = L) ges av
-
()
Från temperaturgradienten på den kalla sidan av isoleringen (ekvation ( 5 )) kan en transmissionsvärmeförlust eller U-värde för en dynamiskt isolerad vägg, U dyn beräknas (Tabell 1)
-
()
Denna definition av dynamiskt U-värde verkar överensstämma med Wallentens definition.
Förhållandet mellan det dynamiska U-värdet och det statiska U-värdet (u=0 m/s) är
-
()
Tabell 1 Dynamiskt U-värde
Lufthastighet u, (mm/s) | Temperaturgradient vid x/L=0 (°C/m) | Konduktiv värmeförlust (W/m 2 ) | U dyn (W/m 2 K) |
---|---|---|---|
0 | 100 | 4 | 0,2 |
0,25 | 41,8 | 1,672 | 0,084 |
0,5 | 14.6 | 0,584 | 0,029 |
0,75 | 4,49 | 0,1796 | 0,009 |
1.0 | 1,26 | 0,0504 | 0,003 |
Med denna definition minskar U-värdet för den dynamiska väggen exponentiellt med ökande lufthastighet.
Som nämnts ovan är det ledande värmeflödet in i isoleringen på den varma sidan mycket större än det som lämnar den kalla sidan. I detta fall är det 6,21 X 4 / 0,0504 = 493 gånger för en lufthastighet på 1 mm/s (tabell 1). Denna obalans i ledande värmeflöde höjer temperaturen på den inkommande luften.
Detta stora värmeflöde in i väggen har ytterligare en konsekvens. På ytan av en vägg, golv eller tak finns termiskt motstånd som tar hänsyn till den konvektiva och strålningsvärmeöverföringen vid dessa ytor. För en vertikal inre yta har detta termiska motstånd ett värde på 0,13 m 2 K/W. I en dynamiskt isolerad vägg ökar även temperaturfallet över detta interna termiska motstånd när ledningsvärmeflödet in i väggen ökar. Väggyttemperaturen kommer att bli allt kallare (tabell 2). Temperaturprofilerna genom dynamisk isolering med hänsyn tagen till minskningen i yttemperatur med ökande luftflöde visas i fig 4.
Tabell 2 Temperaturfall över luftfilmens termiska motstånd
Lufthastighet u,(mm/s) | Temperaturfall över luftfilmen (°C) |
---|---|
0 | 0,52 |
0,25 | 1.02 |
0,5 | 1,69 |
0,75 | 2,44 |
1.0 | 3.23 |
Eftersom den operativa temperaturen i ett rum är en kombination av lufttemperaturen och medeltemperaturen på alla ytor i rummet innebär detta att människor kommer att känna sig allt svalare när luftflödet genom väggen ökar. Åkande kan frestas att skruva upp rumstermostaten för att kompensera och därmed öka värmeförlusten.
Pro-flux
Fig. 5 visar det typiska beteendet för den dynamiska isoleringstemperaturprofilen när luften strömmar i samma riktning till det ledande värmeflödet (pro-flux). När luft i rumstemperatur strömmar utåt med ökande hastighet blir temperaturprofilen allt mer krökt. På den varma sidan av isoleringen blir temperaturgradienten alltmer horisontell eftersom den varma luften förhindrar att isoleringen kyls ner på det linjära sätt som skulle ske utan luftflöde. Den ledande värmeförlusten in i väggen är mycket mindre än för konventionell isolering. Detta betyder inte att transmissionsvärmeförlusten för isoleringen är mycket låg.
På den kalla sidan av isoleringen blir temperaturgradienten brantare med ökande luftflöde utåt. Detta beror på att luften, som nu har svalnat, inte längre kan överföra värme till isoleringsfibrerna. I pro-flux-läge flödar värme ut ur väggen i en högre hastighet än vad som är fallet för konventionell isolering. Varm fuktig luft som strömmar ut genom isoleringen och kyler snabbt ökar risken för att kondens uppstår inuti isoleringen som försämrar väggens termiska prestanda och kan, om den förlängs, leda till mögeltillväxt och virkesförfall .
Hur värmeflödet (W/m 2 K) från isoleringens yttre eller kalla yta varierar med luftflödet genom isoleringen visas i Fig 6. När luften, som också är kall, strömmar inåt (lufthastigheten är positiv) då minskar värmeförlusten från den för konventionell isolering mot noll. Men när varm luft strömmar ut genom isoleringen (lufthastigheten är negativ) ökar värmeförlusterna dramatiskt. Det är därför det i en konventionellt isolerad byggnad är önskvärt att göra höljet lufttätt. I en dynamiskt isolerad vägg är det nödvändigt att säkerställa att luftflödet är inåt på alla punkter i byggnaden under alla vindhastigheter och riktningar.
Vindens inverkan
I allmänhet när vinden blåser på en byggnad så varierar lufttrycket, P w över hela byggnadsytan (Fig 7).
-
()
var
P o ett referenstryck (Pa)
C p vindtryckskoefficient (dimensionslös)
Liddament och CIBSE tillhandahåller ungefärliga data för vindtryckskoefficienter för låga byggnader (upp till 3 våningar). För en byggnad i kvadratisk plan på en exponerad plats med vinden som blåser direkt på byggnadens yta är vindtryckskoefficienterna som visas i fig 8. För en vindhastighet på 5,7 m/s på nockhöjd (sett som 8 m) finns är noll tryckskillnad över sidoväggarna när byggnaden är trycklös till -10 Pa. Isoleringen i vind- och läväggarna uppträder dynamiskt i motflödesläge med U-värden på 0,0008 W/(m 2 K) och 0,1 W/(m 2 K) respektive. Eftersom byggnaden har ett kvadratiskt fotavtryck är det genomsnittliga U-värdet för väggarna 0,1252 W/m 2 K. För andra vindhastigheter och vindriktningar blir U-värdena annorlunda.
För vindhastigheter över 5,7 m/s på nockhöjd är sidoväggarna i pro-flux-läge med ett U-värde som ökar dramatiskt med vindhastigheten (Fig 6) Vid vindhastigheter större än 9,0 m/s på nockhöjd är lä- avdelning växlar från kontraflux till pro-flux läge. Det genomsnittliga U-värdet för de fyra väggarna är nu 0,36 W/(m 2 K), vilket är betydligt högre än 0,2 W/(m 2 K) för en lufttät konstruktion. Dessa förändringar från kontraflux till pro-flux-läge kan fördröjas genom att tryckavlasta byggnaden under -10 Pa.
Genom att placera denna byggnad på en viss geografisk plats kan vindhastighetsdata för denna plats användas för att uppskatta hur stor del av året under vilken en eller flera av väggarna kommer att fungera i det riskabla och höga värmeförlustläget pro-flux. Från Rayleigh-fördelningen av vindhastighet på byggnadsplatsen är det möjligt att uppskatta antalet timmar på ett år under vilka vindhastigheten på en höjd av 10,0 m överstiger 7,83 m/s (uppskattad från vindhastigheten på 5,7 m/s vid nockhöjd av 8,0 m). Detta är den totala tiden under ett medelår då en byggnad med dynamiskt isolerade väggar har betydande värmeförluster.
Om till exempel byggnaden i Fig. 8 var belägen i Footdee, Aberdeen, är Ordnance Survey Land Ranger-rutnätsreferensen NJ955065. Inmatning av NJ9506 i den brittiska vindhastighetsdatabasen ger för denna plats en genomsnittlig årlig vindhastighet på 5,8 m/s på en höjd av 10 m. Rayleigh-fördelningen för denna medelvindhastighet indikerar att vindhastigheter över 8 m/s sannolikt kommer att inträffa under 2348 timmar om året eller cirka 27 % av året. Vindtryckskoefficienterna för byggnadens väggar varierar också med vindriktningen som förändras under året. Icke desto mindre indikerar ovanstående beräkningar att en fyrkantig byggnad på 2 våningar belägen i Footdee, Aberdeen, skulle kunna ha en eller flera av väggarna i drift i det riskabla och höga värmeförlustläget pro-flux under ungefär en fjärdedel av året.
Ett mer robust sätt att införa dynamisk isolering i en byggnad som undviker tryckvariationen runt byggnadsskalet är att ta tillvara på att i ett ventilerat takutrymme är trycket relativt jämnt över taket (Fig 9 ). Således skulle en byggnad med ett dynamiskt isolerat tak erbjuda en konsekvent prestanda oberoende av en varierande vindhastighet och riktning.
Luftkontrollskikt
Den maximala tryckminskningen för en dynamiskt isolerad byggnad är normalt begränsad till 10 Pa för att undvika att dörrar slår igen eller svårigheter att öppna dörrar. Dalehaug rekommenderade också att tryckskillnaden genom konstruktionen vid designat minimiluftflöde (> 0,5 m 3 /m 2 h) skulle vara ca 5 Pa. Luftregleringsskiktets funktion (Fig 1) i en dynamiskt isolerad vägg eller tak ger tillräckligt motstånd mot luftflödet för att uppnå det erforderliga tryckfallet vid designluftflödet. Luftkontrollskiktet måste ha en lämplig luftgenomsläpplighet och detta är nyckeln till att dynamisk isolering ska fungera.
Permeabiliteten för ett material till luftflöde, Φ, (m 2 /hPa) definieras som volymen luft som strömmar genom en kub av material 1m X 1m X 1m på en timme
-
()
var
Ett materialområde genom vilket luft strömmar (m 2 )
L tjocklek av material genom vilket luft strömmar (m)
V' volymflöde av luft (m 3 /h)
ΔP tryckskillnad längs längden L av materialet (Pa)
Ekvation ( 10 ) är en förenklad form av Darcys lag . I byggnadsapplikationer har luften omgivningens tryck och temperatur och små förändringar i luftens viskositet är inte signifikanta. Darcys lag kan användas för att beräkna luftpermeabiliteten för ett poröst medium om mediets permeabilitet (m 2 ) är känd.
Luftgenomsläppligheten för vissa material som skulle kunna användas i dynamiskt isolerade väggar eller tak anges i tabell 3. Luftgenomsläpplighetsdata är avgörande för valet av rätt material för luftkontrollskiktet. Ytterligare källor för luftpermeabilitetsdata inkluderar ASHRAE och Kumaran.
Tabell 3: Uppmätt luftpermeabilitet för byggmaterial
Material | Densitet (kg/m 3 ) | Permeabilitet (m 2 /hPa) | Komponent | Permeans (m 3 /m 2 hPa) | Tryckfall 1 (Pa) |
---|---|---|---|---|---|
Gipsskivor | - | 1,06x10-5 | 12 mm plåt | 8,81x10-4 | 1140 |
Termiskt block | 850 | 1,6x10-5 | 100 mm block | 1,6x10-4 | 526 |
Träfiberskiva | - | 1,34x10-3 | 12 mm plåt | 0,116 | 8.6 |
"Pumalite" | 870 | 0,036 | 100 mm block | 0,36 | 2.8 |
Cellulosa / våtblåst | 47 | 0,283 | 200 mm | 1,50 | 0,67 |
Cellulosa / torrblåst | 65 | 0,25 | 150 mm | 1,67 | 0,60 |
Fårull | 28 | 1.8 | 140 mm | 13,0 | 0,08 |
(1) Tryckfall beräknat vid flödeshastighet på 1 m 3 /m 2 h
Design av en dynamisk isolerad byggnad
Tillämpningen av teorin om dynamisk isolering förklaras bäst med hjälp av ett exempel. Antag ett hus på 100 m 2 golvyta med ett dynamiskt isolerat tak. Att sätta dynamisk isolering i taket begränsar effektivt huset till en enda våning.
Det första steget är att besluta om en lämplig luftväxlingshastighet för god luftkvalitet. Eftersom detta luftflöde kommer att tillföras genom det dynamiskt isolerade taket och ett mekaniskt ventilations- och värmeåtervinningssystem (MVHR), är energiförlust inte ett större problem så 1 luftbyte per timme (ach) kommer att antas. Om höjden från golv till tak är 2,4 m innebär detta ett luftflöde på 240 m 3 /h, varav en del tillförs genom det dynamiskt isolerade taket och delvis genom MVHR.
Därefter väljs materialet för luftkontrollskiktet för att ge en lämplig luftflödeshastighet vid den valda tryckminskningen, taget som 10 Pa i detta fall. (Luftflödet kunde bestämmas från det önskade U-värdet vid trycksänkningen på 10 Pa.) Från tabell 4 har fiberskivor en lämplig luftgenomsläpplighet på 1,34x10 −3 (m 2 /hPa).
För en 12 mm tjock skiva av träfiberskiva ger detta, för den maximala tryckskillnaden på 10 Pa, ett luftflöde på 1,12 m 3 / h per m 2 tak. Detta motsvarar en lufthastighet genom taket på 1,12 m/h eller 0,31 mm/s. på 100 m 2 ger alltså 112 m 3 /h och därför kommer en luft-till-luft värmeväxlare att ge resten av 128 m 3 /h
Dynamisk isolering fungerar bäst med en bra tjocklek på isoleringen, så om man tar 200 mm cellulosaisolering (k = 0,04 W/m °C) beräknas det dynamiska U-värdet för ett luftflöde på 0,31 mm/s med hjälp av ekvation (7) ovan . 0,066 W/m2 ° C. Om ett lägre dynamiskt U-värde krävs måste ett material med lägre luftgenomsläpplighet än fiberskivor väljas för luftregleringsskiktet, så att en högre lufthastighet genom isoleringen vid 10 Pa kan uppnås.
Det sista steget skulle vara att välja en luft-till-luft värmeväxlare som hade en god värmeåtervinningseffektivitet med ett tilluftsflöde på 128 m 3 /h och ett frånluftsflöde på 240 m 3 /h.
Se även
externa länkar
- "OpenAir@RGU" Ytterligare resurser om teorin och tillämpningarna av dynamisk isolering finns på OpenAIR@RGU, Robert Gordon Universitys institutionella arkiv med öppen tillgång.