Free Press

Och även om huvudfokus när det gäller byggnaders miljöprestanda nu ligger på koldioxidförbrukningen, finns det fortfarande ett behov av att ta hänsyn till byggnadsmaterialets termiska prestanda som en bidragande faktor. Värmeprestanda mäts i termer av värmeförlust och uttrycks vanligen i byggbranschen som U-värde eller R-värde. U-värdesberäkningar kommer alltid att krävas när man fastställer byggstrategier. Flera av termerna har subtilt likartade betydelser, och motstridiga tolkningar kan hittas på Internet. De olika terminologierna, och hur de förhåller sig till varandra, förklaras i den här artikeln.

U-värde, eller termisk transmittans (reciprok för R-värde)

Termisk transmittans, även känd som U-värde, är värmeöverföringshastigheten genom en konstruktion (som kan vara ett enskilt material eller en komposit), dividerad med skillnaden i temperatur över denna konstruktion. Måttenheterna är W/m²K. Ju bättre isolerad en konstruktion är, desto lägre blir U-värdet. Utförande och installationsstandarder kan starkt påverka värmetransmittansen. Om isoleringen är dåligt monterad, med luckor och köldbryggor, kan värmetransmittansen vara betydligt högre än önskat. Värmetransmittansen tar hänsyn till värmeförluster på grund av konduktion, konvektion och strålning.

Beräkning av U-värde

Den grundläggande U-värdesberäkningen är relativt enkel. I huvudsak kan U-värdet beräknas genom att hitta reciproken av summan av värmemotstånden för varje material som utgör byggnadselementet i fråga. Observera att förutom materialresistanserna har även de inre och yttre ytorna resistanser som måste adderas. Dessa är fasta värden.

Det finns ett antal standarder som täcker beräkningsmetoder för värmetransmittans. Dessa anges i avsnittet ”Användbara länkar och referenser” i slutet av denna artikel.

Enkla U-värdesberäkningar kan göras på följande sätt, genom att betrakta byggnadselementets konstruktion lager för lager. Observera dock att detta inte tar hänsyn till köldbryggor (t.ex. genom väggband), luftspalter runt isolering eller olika termiska egenskaper hos t.ex. murfogar. I det här exemplet behandlas en hålrumsvägg:

0.04 W/m⋅K

1.13 W/m⋅K

Material	Tjocklek	Ledningsförmåga (k-värde)	Motstånd = Tjocklek ÷ ledningsförmåga (R-värde)
Utomhusyta	–	–	–	0.040 K m²/W
Lera tegelstenar	0.100 m	0.77 W/m⋅K	0.130 K m²/W
Glasull	0.100 m	2.500 K m²/W
Betonblock	0.100 m	0.090 K m²/W
Gips	0.013 m	0.50 W/m⋅K	0.026 K m²/W
Invändig yta	–	–	0.130 K m²/W
Total			2.916 K m²/W
U-värde =		1 ÷ 2,916 =	0,343 W/m²K

Bemärk att i exemplet ovan är byggmaterialens konduktivitet (k-värden) fritt tillgängliga på nätet; i synnerhet från tillverkare. Om man använder tillverkarens uppgifter kommer noggrannheten att öka, om de specifika produkter som ska specificeras är kända vid beräkningstillfället. Även om det är möjligt att ta hänsyn till murbruksfogar i ovanstående beräkning genom att bedöma den procentuella arean av murbruk i förhållande till det murverk som är bäddat i det, bör man komma ihåg att detta är en grov teknik jämfört med den mer robusta metod som anges i BS EN ISO 6946I.

Mätning av U-värde

Och även om konstruktionsberäkningar är teoretiska, kan man också göra mätningar efter byggnationen. Dessa har den fördelen att de kan ta hänsyn till utförandet. Beräkningar av värmetransmittans för tak eller väggar kan utföras med hjälp av en värmeflödesmätare. Denna består av en termopilsensor som är fast monterad på testområdet för att övervaka värmeflödet från insidan till utsidan. Värmetransmittansen fås genom att dividera det genomsnittliga värmeflödet (flödet) med den genomsnittliga temperaturskillnaden (mellan insidan och utsidan) under en sammanhängande period på cirka två veckor (eller över ett år när det gäller en bottenplatta, på grund av värmelagring i marken).

Mätningarnas noggrannhet är beroende av ett antal faktorer:

• Temperaturskillnadens storlek (större = noggrannare)
• Väderförhållanden (molnigt är bättre än soligt)
• God vidhäftning av termopålar till testområdet
• Duration av övervakningen (längre varaktighet möjliggör ett noggrannare medelvärde)
• Fler testpunkter möjliggör större noggrannhet, för att minska risken för avvikelser

Två komplicerande faktorer som kan påverka materialens värmetransmittans egenskaper är bland annat:

• Ambient temperatur, bland annat på grund av latent värme
• Effekterna av konvektionsströmmar (ökad konvektion bidrar till värmeflödet)

U-värdeskalkylatorer

Då beräkning av U-värden kan vara tidskrävande och komplicerad (särskilt när till exempel köldbryggor måste beaktas) har ett flertal U-värdeskalkylatorer online släppts. Många av dessa är dock endast tillgängliga på abonnemang, och de som är gratis tenderar att vara alltför förenklade. Ett annat alternativ är att begära en beräkning från till exempel en isoleringstillverkare vars produkt specificeras.

Building Regulations Approved Documents L1A, L2A, L1B och L2B i England och Wales hänvisar alla till publikationen BR 443 Conventions for U-value calculationsII för godkända beräkningsmetoder, medan det tillhörande dokumentet U-value conventions in practice. Arbetsexempel som använder BR 443III ger användbar vägledning.

R-värde, eller termisk isolering (reciprok för U-värde)

Termisk isolering är motsatsen till värmetransmittans; med andra ord, ett materials förmåga att motstå värmeflöde. R-värden är vanligare i vissa delar av världen (t.ex. Australasien), till skillnad från Storbritanniens preferens för U-värden. Måttenheterna för värmetransmittans är m²K/W och, återigen, en högre siffra indikerar bättre prestanda (i motsats till den lägre siffra som önskas för U-värde).

K-värde, eller värmeledningsförmåga (även känd som lambda- eller λ-värde; reciprok för termisk resistivitet)

Värmeledningsförmåga är ett materials förmåga att leda värme. Följaktligen innebär en hög värmeledningsförmåga att värmeöverföring genom ett material kommer att ske med högre hastighet; observera att detta också är temperaturberoende. Enheterna för värmeledningsförmåga är W/m⋅K. Till skillnad från U-värden och R-värden är k-värden dock inte beroende av tjockleken på materialet i fråga.

Y-värde, eller termisk admittans, eller värmeöverföringskoefficient

Förmågan hos ett material att absorbera och avge värme från ett internt utrymme, när rummets temperatur förändras, benämns termisk admittans (eller värmeöverföringskoefficient), och definieras i BS EN ISO 13786:2007 Termisk prestanda hos byggnadskomponenterIV. Detta utgör också grunden för ”imple Dynamic Model” i CIBSE Guide A: Environmental designV, som används för att beräkna kylningslaster och rumstemperaturer under sommaren. Ju högre den termiska kapaciteten är, desto högre blir den termiska massan. Termisk admittans liknar termisk transmittans (och använder samma måttenheter). Den mäter dock ett materials värmelagringskapacitet, dvs. materialets förmåga att lagra och avge värme under en viss tidsperiod, vanligtvis 24 timmar. I likhet med värmetransmittans är måttenheterna W/m²K.

Observera att värmetransmittans ”Y-värde” inte ska förväxlas med köldbryggningsfaktorn ”y-värde”, som definieras i SAP:s standardbedömningsförfarande (SAP), bilaga K, som härledd från den linjära värmetransmittansen.

Psi-värde (Ψ) eller linjär värmetransmittans

Måttet på värmeförlust på grund av en köldbrygga benämns linjär värmetransmittans (i motsats till värmetransmittans ”area” som annars benämns U-värde), med måttenheterna, återigen, W/m²K. Psi-värden används för att generera y-värden (faktor för köldbryggor) i bilaga K till standardbedömningsförfarandet.

Thermisk resistivitet (reciprok för värmeledningsförmåga)

Thermisk resistivitet är ett materials förmåga att motstå värmeledning genom det. Liksom k-värdet är denna egenskap inte beroende av tjockleken på materialet i fråga. Enheterna för termisk resistivitet är K⋅m/W.

Termisk konduktivitet (reciprok för termiskt motstånd)

Detta avser den värmemängd som leds genom ett material med en given volym, i en tidsenhet dvs. ledningshastigheten. Som sådan är måttenheterna W/K.

Thermisk resistans (reciprok för värmeledningsförmåga)

Detta är ett mått på hur väl ett material kan motstå värmeledning genom det, och mäts i K/W. Liksom för värmeledning är det ett mått på överföringshastigheten för en given volym.

Thermisk massa

Thermisk massa (i motsats till värmekonduktans), som hittills till stor del har ignorerats i den brittiska byggbranschen, härleds från den specifika värmekapaciteten (ett materials förmåga att lagra värme i förhållande till sin massa), densitet och värmeledningsförmåga (hur lätt värme kan färdas genom ett material). Värmeledningsförmågan används i SAP 2009 i form av ”k”-värdet (eller kappa-värdet) för att beräkna parametern för termisk massa (TMP). K-värdet är värmekapaciteten per ytenhet för den ”termiskt aktiva” delen av byggnadselementet (endast de första cirka 50 mm av elementets tjocklek har en verklig inverkan på den termiska massan, eftersom den minskar med ökande djup i elementet; efter 100 mm är effekten försumbar). Det bör noteras att k-värdet är en approximation, eftersom det görs antaganden om omfattningen av de termiskt aktiva volymerna i ett material. Dessutom ignoreras effekten av värmeledningsförmågan vid beräkningen av den tidsperiod under vilken värme absorberas och avges från materialet. BS EN ISO 13786VI innehåller en effektivare metod för att bestämma termisk massa. Termisk massa bör inte förväxlas med isolering.

Den termiska massans betydelse kan inte nog betonas, vilket illustreras av dessa exempel:

Vägguppbyggnad	U-värde	Thermisk tillströmning	Thermisk massa
200mm tegel 13mm ”våt” gips	2 W/m²K	4.26 W/m²K	169 kJ/m²K
100mm tegel 150mm mineralullsfyllt hålrum 100mm gasbetongblock 13mm gipsskivor på 10mm dabs	0.19 W/m²K	1,86 W/m²K	9 kJ/m²K

Bemärk hur dålig den termiska massan i den moderna hålväggen är, jämfört med den massiva tegelväggen. Genom att byta ut 13 mm ”våt” gips mot torrfodret kan man dock öka luftgenomsläppligheten avsevärt:

Vägguppbyggnad	U-värde	Värmeupptag	Värmeupptag	Värmemassa
100mm tegelsten 150mm mineralull-fyllt hålrum 100mm block av gasbetong 13mm ”våt” gips	0.19 W/m²K	2,74 W/m²K	60 kJ/m²K

Avkoppling av gipsskivan på detta sätt kan alltså ses som att den effektiva termiska massan i ett hus som byggs enligt moderna standarder och tekniker nästan helt försvinner.

Användningen av termisk massa för att motverka sommarens överhettning diskuteras mer ingående i artikelserien Climate change adaptation in buildings: Överskottsvärme, del ettVII och tvåVIII.

Dekrement

Beskriver hur ett materials densitet, värmekapacitet och värmeledningsförmåga kan bromsa värmens passage från den ena sidan till den andra, och även minska dessa vinster när de passerar genom det. Detta har därför ett inflytande på en byggnads värmeprestanda under varmare perioder. Dessa benämns som dekrementfördröjning respektive dekrementfaktor.

Kemisk fas

När ett material ändrar tillstånd från fast till flytande form, eller från flytande form till gas, kan materialets värmeledningsförmåga förändras. Detta beror på absorption och avgivning av latent värme, och kan även ske i mindre skalor som kan vara fördelaktiga vid konstruktion.

Material blir alltmer lättillgängliga som kan ge hög termisk massa från små volymer. De kallas fasförändringsmaterial (PCM) och är ämnen som kan lagra och avge latent värme när de smälter respektive stelnar inom ett smalt temperaturområde. Dessa material kan mikrokapslas in i vissa typer av byggnadsmaterial, t.ex. gips eller lera, för att bilda antingen väggbeklädnadsplattor eller takplattor. De kan också makrokapslas in i t.ex. värmeväxlarplattor för användning i kyl- och ventilationsaggregat och undersöks för att införlivas i PU-skumskivor för tillämpningar som t.ex. metallbelagda kompositbeklädnadspaneler. Fördelen med PCM är att de kan ge betydande mängder termisk massa samtidigt som de i sig själva är mycket tunna, dvs. den termiska massan verkar oproportionerligt stor jämfört med materialets fysiska tjocklek.

PCM skulle kunna erbjuda en praktisk lösning för att återinföra termisk massa i lättviktsbyggnader, för att motverka överhettning, och diskuteras mer i detalj i artikelserien Climate change adaptation in buildings: Överskottsvärme (del två)IX.

Intresserad av mer innehåll som detta? Anmäl dig till NBS eWeekly nyhetsbrev.

Anmäl dig nu

.