K-Value, U-Value, R-Value, C-Value

Nella maggior parte delle applicazioni, la caratteristica principale di un materiale isolante termico è la sua capacità di ridurre lo scambio termico tra una superficie e l’ambiente, o tra una superficie e un’altra superficie. Questo è noto come avere un basso valore per la conducibilità termica. Generalmente, minore è la conducibilità termica di un materiale, maggiore è la sua capacità di isolare per un determinato spessore del materiale e insieme di condizioni.

Se è davvero così semplice, allora perché ci sono così tanti termini diversi, come K-value, U-value, R-value e C-value? Ecco una panoramica con definizioni relativamente semplici.

K-value

K-value è semplicemente una scorciatoia per la conducibilità termica. Lo standard ASTM C168, sulla Terminologia, definisce il termine come segue:

Conducibilità termica, n: la velocità temporale del flusso di calore allo stato stazionario attraverso un’area unitaria di un materiale omogeneo indotta da un gradiente di temperatura unitario in una direzione perpendicolare a tale area unitaria.

Questa definizione non è poi così complessa. Diamo un’occhiata più da vicino, frase per frase.

La velocità temporale del flusso di calore può essere paragonata alla portata dell’acqua, ad esempio, l’acqua che scorre attraverso un soffione a così tanti galloni al minuto. È la quantità di energia, generalmente misurata negli Stati Uniti in BTU, che scorre su una superficie in un certo periodo di tempo, solitamente misurata in ore. Quindi, la velocità temporale del flusso di calore è espressa in unità di BTU all’ora.

Stato stazionario significa semplicemente che le condizioni sono stabili, come l’acqua che scorre fuori di un soffione a una velocità costante.

Il materiale omogeneo si riferisce semplicemente a un materiale, non a due o tre, che ha una composizione coerente in tutto. In altre parole, esiste un solo tipo di isolamento, al contrario di uno strato di un tipo e un secondo strato di un secondo tipo. Inoltre, ai fini di questa discussione, non ci sono perni di saldatura o viti, o qualsiasi metallo strutturale che passa attraverso l’isolamento; e non ci sono lacune.

Che dire attraverso un’area unitaria? Questo si riferisce a un’area della sezione trasversale standard. Per il flusso di calore negli Stati Uniti, un piede quadrato viene generalmente utilizzato come area unitaria. Quindi, abbiamo unità in BTU all’ora, per piedi quadrati di area(per visualizzare, immaginare l’acqua che scorre a un certo numero di galloni al minuto, colpendo una scheda da 1 ft x 1 ft).

Infine, c’è la frase da un gradiente di temperatura unitario. Se due elementi hanno la stessa temperatura e sono riuniti in modo da toccare, nessun calore fluirà da uno all’altro perché hanno la stessa temperatura. Per avere un flusso di calore per conduzione da un oggetto all’altro, dove entrambi si toccano, deve esserci una differenza di temperatura o un gradiente. Non appena c’è un gradiente di temperatura tra due oggetti toccanti, il calore inizierà a fluire. Se c’è isolamento termico tra questi due oggetti, il calore fluirà ad una velocità minore.

A questo punto, abbiamo tasso di flusso di calore per unità di superficie, per differenza di temperatura di grado con unità di Btu all’ora, per piede quadrato, per grado F.

La conducibilità termica è indipendente dallo spessore del materiale. In teoria, ogni fetta di isolamento è la stessa della sua fetta vicina. Le fette dovrebbero essere di uno spessore standard. Negli Stati Uniti, le unità di pollici sono tipicamente utilizzate per lo spessore dell’isolamento termico. Quindi dobbiamo pensare in termini di BTU del flusso di calore, per un pollice di spessore del materiale, per ora, per piede quadrato di area, per grado F di differenza di temperatura.

Dopo aver separato la definizione ASTM C168 per la conduttività termica, abbiamo unità di Btu-inch / hour per piede quadrato per grado F. Questo è lo stesso del termine K-value.

C-value

C-value è semplicemente abbreviazione per conduttanza termica. Per un tipo di isolamento termico, il valore C dipende dallo spessore del materiale; il valore K generalmente non dipende dallo spessore (ci sono alcune eccezioni non nell’ambito di questo articolo). In che modo ASTM C168 definisce la conduttanza termica?

Conduttanza, termica, n: la velocità temporale del flusso di calore allo stato stazionario attraverso un’area unitaria di un materiale o di una costruzione indotta da una differenza di temperatura unitaria tra le superfici del corpo.

ASTM C168 fornisce quindi una semplice equazione e unità. Nelle unità pollici-libbra utilizzati negli Stati Uniti, tali unità sono Btu/ora per piede quadrato per grado F di differenza di temperatura.

Le parole sono abbastanza simili a quelle nella definizione per la conduttività termica. Ciò che manca è le unità pollici nel numeratore perché il C-valore per un pannello isolante da 2 pollici di spessore è la metà del valore come lo è per lo stesso materiale pannello isolante da 1 pollice di spessore. Più spesso è l’isolamento, minore è il suo valore C.

Equazione 1:C-value = K-value / thickness

R-value

In genere, questo termine è usato per descrivere la valutazione delle prestazioni etichettata dell’isolamento degli edifici che si può acquistare in un cantiere di legname. È usato meno frequentemente per l’isolamento meccanico, ma è ancora un termine utile da capire. La sua designazione ufficiale è la resistenza termica. Questo è il modo in cui ASTM C168 lo definisce:

Resistenza, termica, n: la quantità determinata dalla differenza di temperatura, allo stato stazionario, tra due superfici definite di un materiale o costruzione che induce un flusso di calore unitario attraverso un’area unitaria.

ASTM C168 fornisce quindi un’equazione, seguita da unità tipiche. Nelle unità pollici-libbra, la resistenza termica è misurata in gradi F volte piedi quadrati di area volte ore di tempo per Btu di flusso di calore.

La maggior parte delle persone sa che per un dato materiale isolante, più è spesso, maggiore è il valore R. Ad esempio, per un particolare tipo di pannello isolante, una scheda spessa 2 pollici avrà il doppio del valore R della scheda spessa 1 pollice.

Equazione 2: Valore R = 1 / Valore C

Se il valore C è 0,5, il valore R è 2,0. Si può calcolare dall’equazione per il valore C nell’equazione 1 sopra:

Equazione 3:R-value = thickness/K-value

Quindi, se lo spessore è di 1 pollice e il valore K è 0.25, allora il valore R è 1 diviso per 0.25, o 4 (lasciando fuori le unità per brevità).

U-value

Infine, c’è U-value, noto ufficialmente come trasmissione termica. Questo è più un termine ingegneristico usato per designare le prestazioni termiche di un sistema rispetto a un materiale omogeneo. La definizione ASTM C168 è la seguente:

Trasmittanza, termica, n: la trasmissione del calore in unità di tempo attraverso unità di superficie di una costruzione di materiale e i film d’aria di confine, indotti dalla differenza di temperatura unitaria tra gli ambienti su ciascun lato.

Ci sono alcuni nuovi termini: i film d’aria di confine e tra gli ambienti su ciascun lato. Le definizioni precedenti non si riferivano agli ambienti.

Il modo migliore per illustrare la trasmittanza termica o il valore U è attraverso un esempio. Considera il muro di una tipica casa isolata con schede nominali 2 x 4 (che in realtà misurano circa 1-1 / 2 pollici x 3-1 / 2 pollici), distanziate di 16 pollici al centro, in verticale. Si potrebbe vedere 3/8 pollici di spessore muro di gesso bordo sulla parte interna della parete, con una barriera al vapore pellicola di plastica che separa il muro di gesso bordo dai perni di legno. I batts della vetroresina possono riempire gli spazi 3-1 / 2-inch-wide fra i 2 x 4 perni. All’esterno delle borchie, potrebbero esserci pannelli isolanti in polistirene spesso 1/2-inch rivestiti con guaina esterna in legno. Questo esempio ignorerà porte e finestre, nonché il valore K e lo spessore del foglio di plastica utilizzato come barriera al vapore.

Il calcolo del valore U della parete è sufficientemente complesso per essere al di là dello scopo di questo articolo, ma i seguenti valori devono essere noti o almeno stimati per la sua trasmittanza termica da calcolare: *

• C-valore dell’aria interna, film
• K-valore di 3/8-inch in gesso parete di bordo
• K-valore del 3-1/2-inch-wide di legno borchie
• distanza tra le borchie (16 pollici, in questo caso)
• K-valore di isolamento in fibra di vetro batts, così come il loro spessore (3-1/2 pollici di spessore)
• Larghezza di fibra di vetro batts (16 pollici meno da 1-1/2 pollici di spessore del legno borchie = 14-1/2 pollici)
• K-valore di il polistirene e il loro spessore (1/2 pollici)
• K-valore e lo spessore del legno, materiali di rivestimento
• C-valore dell’aria esterna film

Minore è il valore U, minore è la velocità di flusso di calore per un dato insieme di condizioni. Un sistema di pareti per edifici ben isolato avrà un valore U molto più basso, o trasmittanza termica, rispetto a un sistema non isolato o scarsamente isolato.

Per determinare con precisione il valore U di un sistema di isolamento meccanico, è necessario tenere conto del trasferimento di calore attraverso l’isolamento omogeneo, nonché attraverso eventuali rotture e lacune di espansione con un materiale isolante diverso. C’è anche il film d’aria esterna e occasionalmente un film d’aria interna.

In realtà, molte porzioni non omogenee sono in genere disperse. Le procedure standard di prova di conducibilità termica trattano tipicamente il materiale come omogeneo. Nelle applicazioni reali, ci sono giunti e talvolta crepe nei materiali rigidi. Queste incongruenze rendono il valore U maggiore che se l’isolamento si comportasse come un materiale omogeneo.

I concetti di valore K, valore C, valore R e valore U possono essere riassunti nelle seguenti regole:

• Migliore è l’isolamento di un sistema, minore è il suo valore U.
• Maggiori sono le prestazioni di un pezzo di isolamento, maggiore è il suo valore R e minore è il suo valore C.
• Minore è il valore K di un particolare materiale isolante, maggiore è il suo valore isolante per un particolare spessore e dato insieme di condizioni.

Queste sono le proprietà da cui dipendono gli utenti dell’isolamento termico per il risparmio energetico, il controllo del processo, la protezione del personale e il controllo della condensa.

* I valori per tutto quanto sopra possono essere trovati nell’ASHRAE Handbook of Fundamentals, Capitolo 25: “Thermal and Water Vapor Transmission Data.”I capitoli da 23 a 26 dello stesso manuale ASHRAE discutono anche il calcolo del valore U del muro.