العزل الحراري

عزل حراري

Thermal insulation - Isolation thermique

العزل الحراري

يعرف العزل الحراري thermal insulation بأنه الوسيلة التي يتم بوساطتها حفظ الطاقة وتوفيرها من خلال تخفيض قيمة الكسب الحراري heat gain، أو الضياع الحراري heat loss من الأبنية والتجهيزات والأنابيب الناقلة للموائع الساخنة أو الباردة، وذلك باسـتخدام المواد العازلة  التي توضع بين الوسط الساخن والوسط البارد، وتتمتع هذه المواد بناقلية حرارية صغيرة جداً، فهي رديئة التوصيل الحراري heat conduction، ويعود ذلك لاحتوائها على كمية كبيرة من الهواء والغازات في تركيبها قد تصل نسبتها إلى أكثر من 95% من حجمها.

مبادئ العزل الحراري

تعرّف الحرارة بأنها الطاقة المنتقلة من وسط لآخر نتيجة فرق في درجتي حرارة هذين الوسطين، وتنتقل الحرارة عادة من الوسط الساخن إلى البارد بثلاث طرائق مختلفة، وهي: التوصيل الحراري، والحمل الحراري heat convection، والإشعاع الحراري heat radiation. ويقلل العزل الحراري إسهام هذه الطرائق مجتمعة أو كل طريقةٍ منها على حدة في عملية انتقال الحرارة  من الوسط الساخن إلى الوسط البارد على النحو الآتي:

1ـ التوصيل الحراري

يعد التوصيل الحراري الطريقة الرئيسة في انتقال الحرارة عبر جدار صلب مستوٍ سطحاه الداخلي والخارجي بدرجتي حرارة مختلفتين. يُعْطَى التدفق الحراري من السطح الساخن للجدار إلى السطح البارد وفق محور معّين x عمودي على الجدار بالعلاقة:

تنص هذه المعادلة على أن قيمة التدفق الحراري بالتوصيل qx تتناسب طرداً ومساحة سطح الجدار S، والفرق بين درجتي حرارة سطحي الجدار، وكذلك مع معامل التوصيل الحراري thermal conductivity لمادة الجدار. تختلف قيمة المعامل من مادة لأخرى؛ فمثلاً بالنسبة للنحاس تبلغ قيمته k370(W.m^-1.K^-1)k؛ في حين تقدر قيمته لمادة الصوف الصخري المستخدم كعازل حراري بـ k0.04(W.m^-1.K^-1)k من جهة أخرى تتعلق قيمة التدفق الحراري بالتوصيل عكساً مع سماكة الجدار. يتم التقليل من قيمة التدفق الحراري، عبر الجدار باستخدام العازل الحراري، الذي تؤدي زيادة سماكته بمقدار الضعف إلى تخفيض قيمة التدفق الحراري بالتوصيل عبر الجدار المسطح إلى النصف.

2ـ الحمل الحراري

من المعلوم أن الهواء الملامس لسطحٍ بارد تنخفض درجة حرارته، وتزداد كثافته نحو الأسفل؛ ويحدث العكس عندما يلامس الهواء سطحاً ساخناً فترتفع درجة حرارته، وتقل كثافته، فتتولد تيارات هوائية صاعدة إلى الأعلى تسمى تيارات الحمل الحراري. وتُحْسَبُ قيمة التدفق الحراري بالحمل الحراري بالعلاقة:

 q _conv=h.S.(T_s-T_¥ )k

توضح هذه المعادلة أن قيمة انتقال الحرارة بالحمل الحراري qconv تتناسب طرداً مع السطح S ومعامل الحمل الحراري h (W.m^-2.K^-1) الذي يتعلق بسرعة الهواء الملامس للجدار، ومن ثمَّ سيكون انتقال الحرارة عبر الجدار ذا قيمة أكبر من تلك الحالة التي يكون فيها الهواء الملامس للجدار ساكناً، ولذلك فإن وضع طبقة من العازل الحراري المسامي على الجدار سيؤدي إلى تخامد حركة الهواء، ومن ثمَّ ستؤدي إلى تقليل قيمة انتقال الحرارة بالحمل الحراري، كما أن كمية الحرارة المنتقلة بالتوصيل عبر مادة العازل ستكون منخفضة لصغر ناقليته الحرارية.

3ـ الإشعاع الحراري

تختلف طريقة انتقال الحرارة بالإشعاع عن الطريقتين السابقتين لانتقال الحرارة، إذ لاحاجة لوجود وسيط أو مادة لنقل الحرارة بالإشعاع، فالشمس ترسل إلى الأرض ما يقارب  k1600 (W.m^-2)، على الرغم من وجود فراغ شبه كامل بينهما، وتتعلق شدة الإشعاع الحراري بمساحة السطح المشع S، وبدرجة حرارته المطلقة T (K)، وبالمعامل، وبمعامل الانبعاثية (ε) emissivity الذي يتعلق بطبيعة السطح ولونه، وأكبر قيمة له هي الواحد، وتُعطى شدة الإشعاع الحراري بالعلاقة:

 q_rad = e.s.s.T⁴

فالسطح المعدني المصقول جيداً يبث ما يعادل k0.04 مما يبثه سطح معدني غير مصقول عند درجة الحرارة نفسها. أي إن استخدام العوازل الحرارية المصنوعة من المعادن الصقيلة في الفجوة الهوائية التي في جدران البناء سيخفض من قيمة انتقال الحرارة بالإشعاع لصغر قيمة معامل البث للسطوح المعدنية الصقيلة، إضافة إلى انخفاض قيمة انتقال الحرارة بالتوصيل نظراً لضعف التلامس بين الصفائح المعدنية المؤلفة للعازل الحراري.

مزايا العزل الحراري: يمتاز العزل الحراري بما يأتي:

1ـ التوفير في استهلاك الطاقة اللازمة لأغراض التدفئة والتكييف، وذلك بتخفيض قيمة الضياع الحراري من البناء والأنابيب والمجاري والتجهيزات.

2ـ المحافظة على درجة حرارة الجدران وأسقف البناء لتوفير راحة الإنسان طوال العام.

3ـ تسهيل عملية التحكم بدرجة حرارة البناء والتجهيزات والعمليات الكيميائية، وتقليل التكاليف التأسيسية لتجهيزات التدفئة والتكييف.

4ـ حماية الأبنية والإنشاءات والتجهيزات من أخطار الحريق والرطوبة والمؤثرات المناخية الخارجية.

5ـ تقليل التكاليف اللازمة للصيانة الدورية للأبنية الناتجة من تأثيرات الحرارة الخارجية والرطوبة.

6ـ منع تشكل البخار على السطوح ذات درجات حرارة أخفض من درجة حرارة نقطة الندى للوسط المحيط.

7ـ تخفيض مستوى الضجة والاهتزازات.

8 ـ تقوية بنية الجدران والسقوف والأرضيات في البناء وتدعيمها، والإسهام في النواحي الجمالية المعمارية للبناء.

أنواع المواد العازلة

تقسم المواد العازلة إلى قسمين رئيسين هما:

1ـ مواد عازلة عضوية organic materials: تتمتع هذه المواد بكفاءتها العالية في العزل الحراري، إلاّ أنها تحترق بسهولة؛ ومنها: البوليستيرين polystyrene بنوعيه الممدد expanded، والمشكل بالبثق extrunded؛ والبولي يوريثان polyurethane، والسللوز الخلوي، والألياف التركيبية، والفليّن وصوف الحيوانات وشعرها، والقطن، والخشب.

2ـ مواد عازلة لاعضوية (معدنية) mineral materials: تمتاز بأنها لا تحترق، ولكنها أقل كفاءة من المواد العضوية على العزل الحراري؛ ومنها الصوف الصخري rock wool، والصوف الزجاجي glass wool، والزجاج الليفي fiber glass، والفيرميكيولايت vermiculite، والبيرلايت perlite.

إضافة إلى تصنيع مواد عازلة مركبة composite materials تجمع في خواصها الميزات الجيدة لكلٍّ من النوعين السابقين.

أسس اختيار مواد العزل الحراري:

يستخدم العزل الحراري في المباني على نطاق واسع، وذلك للمزايا التي تتمتع بها المواد العازلة في توفير الطاقة لأغراض التدفئة والتكييف والتبريد[ر]، ولكي يقوم العازل الحراري بعمله في توفير الطاقة فإنه يتوجب اختيار العازل المناسب وفق الأسس العامة لاختيار المواد العازلة التي تقسم إلى العوامل الرئيسة الآتية:

1ـ نوع العازل الحراري

عند اختيار العازل الحراري يجب الأخذ في الحسبان بعض خواصه الحرارية والكيميائية مثل: معامل التوصيل الحراري، وسعة الخزن الحراري، ودرجة الحرارة التشغيلية، والتركيب الكيميائي، والمواد المضافة له، وامتصاصيته للماء وانضغاطيته، وأخطاره الصحية، وقابليته للاشتعال والاحتراق، وجودة تصنيعه.

لهذه العوامل أثرٌ مهمٌ في تحديد كفاءة العزل الحراري، فالعوازل الحرارية يجب أن تمتاز بموصلية حرارية صغيرة؛ كما أن العازل الحراري يجب أن لا يتعرض لدرجات حرارة تفوق تحمله؛ لأن ذلك يؤدي إلى تكسره ويفقده أهميته في العزل؛ وهناك علاقة وطيدة بين التركيب الكيميائي للعازل الحراري وثبوتيته للشروط الجوية، ويحّتم ذلك اختيار المادة العازلة التي تتمتع بتركيب كيميائي يزيد من ثبوتيتها وتحملها للعوامل الجوية المتقلبة من ضوء ومطر. وقد تعمل بعض المواد المضافة للعازل الحراري على تقليل كفاءته الحرارية، أو على زيادة  قدرته على امتصاص الماء أو تخفيضها، أو تقليل قابليته لتغيير حجوم الخلايا ونسبة الخلايا المغلقة فيه. تكون بعض المواد العازلة قابلة للانضغاط عادة، مما يقلل من كفاءتها في العزل الحراري، وإن اختيار العازل المقاوم للانضغاطية هو العامل المهم؛ خصوصاً إذا كانت الأحمال التي يتعرض لها العازل كبيرة ومستمرة، ومن الأمور المهمة التي يجب أخذها في الحسبان عند اختيار العازل الحراري أن يكون ذا مقاومة عالية للاحتراق وعديم السمية، ولاسيما في بعض الأماكن المزدحمة، مثل: المستشفيات وبيوت العجزة ومدارس الأطفال.

2ـ المناخ

تحدد طبيعة المناخ العام نوع العازل الحراري الأمثل المطلوب استخدامه في العزل الحراري للبناء، فالمناطق الحارة نسبياً تتطلب استخدام عازل حراري لا يقوم بوظيفة العزل الحراري في الشتاء وحسب، وإنما تقليل الحاجة إلى التكييف صيفاً؛ أي عازل حراري له سعة خزن حراري عالية، كما أن المناخ الخاص بالموقع ـ من حيث وقوع البناء على رأس جبل مثلاً أو على سفحه؛ والذي يؤثر في تعرض البناء للرياح والمطر والإشعاع الشمسي ـ له أثر مهم في تحديد نوع العازل الحرا ري من حيث ثبوتيته وتحمّله للتقلبات الجوية وإسهامه في منع تسرب الهواء الساخن من الداخل إلى الخارج في فصل الشتاء والعكس في فصل الصيف.

3ـ نوعية البناء

يؤثر توجيه البناء في قيمة أحمال التدفئة والتكييف؛ فالبناء المتجه جنوباً يمكن أن يستفيد من الأشعة الشمسية لأغراض التدفئة والإنارة مما يساعد على توفير الطاقة وكلفة العازل الحراري المستخدم، كما أن شكل المبنى يؤثر في مساحة السطوح الخارجية للبناء بما يضمه من زوايا وتعرجات، ويتمّ اختيار المادة العازلة التي تصلح لعملية العزل الحراري لتكون فعّالة في جميع السطوح الخارجية من دون ترك الزوايا بدون عزل.

4ـ طبيعة وطريقة إشغال البناء

إن طريقة إشغال البناء وعدد ساعات استخدامه تفرض اختيار مادة عازلة تلائم طبيعة استخدامه، إذ يجب الآخذ في الحسبان استبعاد إمكانية حدوث تكاثف للبخار والماء، ولاسيما في حال غياب فتحات التهوية المناسبة؛ ومن ثمّ يجب أن يكون العازل الحراري أقل تأثراً ونفاذاً للماء والبخار، كما تحدد مواد البناء في كثير من الأحيان نوعية العازل المستخدم من حيث ملاءمة مواد البناء للعازل أو إمكانية إضافة العازل إلى البناء؛ فالحجر مثلاً يصعب عزله من الخارج.

اقتصاديات العزل الحراري

تبدو أهمية العزل الحراري وجدواه الاقتصادية من خلال الوفر في كمية الطاقة المفقودة، والوفر في كلفة العازل الحراري التي تزداد بازدياد سماكته؛ أي الوفر الذي يوفره العزل الحراري في كلفة الكهرباء والوقود المستخدم في عمليتي التدفئة والتكييف بالنسبة للبناء.

فالطاقة الحرارية المفقودة من عنصر البناء من دون عزل تحسب من العلاقة:

 Q =U₁ ADt

أما في حالة استخدام العزل الحراري، فإن كمية الحرارة المفقودة تعطى بالشكل الآتي:

Q_isol =U_isol ADt

حيث إنّ:

Δt فرق درجتي الحرارة الداخلية للبناء ودرجة حرارة الوسط المحيط (ºC ) t_in - t_a.

U_t وU_isol معاملي الانتقال الحراري الإجماليين heat transfer coefficient لعنصر البناء من دون عزل، ومع وجود عزل حراري على التوالي (W.m^-2.K⁴).

تعطى عادة قيمة معامل انتقال الحراري الإجمالي في الحالتين بعلاقات رياضية معقدة:

بالنسبة للعزل الحراري للأنابيب، فإن الضياعات الحرارية تحدث بسبب وجود فرق في درجات الحرارة بين المائع الساخن (ماء ساخن، بخار، هواء.…) ضمن الأنابيب والهواء الجوي الخارجي، وتحسب الضياعات الحرارية من الأنابيب غير المعزولة والمعزولة بعلاقات رياضية محددة أيضاً.

تطبيقات العزل الحراري

تستخدم العوازل الحرارية للتحكم في التدفق الحراري في مجال درجات الحرارة القريبة من الصفر المطلق حتى أكثر من 1650 ْم؛ ففي مجال درجات الحرارة العادية، حالة العزل الحراري للأبنية، يمكن الحصول على نتائج جيدة عند استخدام المواد العازلة المسامية، وقد استعمل الفلّين في هذا المجال كثيراً؛ ولكن مع مرور الوقت استُبدل به مواد بلاستيكية كالبوليستيرين الممدد الذي يحتوي على 97% من حجمه غازاً ساكناً، إضافة إلى الصوف الزجاجي الذي يستخدم اليوم على نطاق واسع، وهناك أسلوب آخر ذو فعالية كبيرة في العزل الحراري يعتمد على استخدام جدار مضاعف للبناء يحجز كمية من الهواء على شكل طبقة رقيقة بينهما، وهذا يسمح بتقليل الضياع الحراري لدرجة كبيرة، ويمكن استخدام الأسلوب نفسه لعزل النوافذ وذلك باستخدام الزجاج المضاعف.

أما في حالة درجات الحرارة الأكثر ارتفاعاً التي قد تصل إلى حدود مئات عدة من درجات الحرارة المئوية؛ فإنه يمكن استخدام الصوف الزجاجي، مع بقاء إمكانية استخدام أسلوب الجدار المضاعف فعّالاً، ويمكن تحسين فعالية هذا الأسلوب بجعل سطوح الجدار المضاعف ذات انعكاسية كبيرة، لأن ذلك يقلِّل الضياع بالإشعاع الحراري، وفي مجال درجات الحرارة المرتفعة جداً؛ فإنه يمكن استخدام أنواع عديدة من العوازل الحرارية، من أهمها الآجر المسامي والخلائط المعدنية التي تكون على شكل بودرة كأكسيد الألمنيوم Al₂O₃، وأكسيد المغنيزيوم MgO الذي يتألف من خليط من كربونات المغنيزيوم وألياف الأسبستوس.

تعترض عملية العزل الحراري للأوعية والحاويات والأنابيب التي تحتوي الغازات المميّعة عند درجات حرارة منخفضة جداً (حالة التبريد العميق cryogenic) مشكلات حادة تعود إلى انخفاض كمية حرارة التبخر لمعظم هذه الغازات، وخاصة الهليوم السائل (الذي تبلغ درجة حرارة غليانه 4.2 (K) تحت الضغط الجوي)؛ ولعل من أهم التقنيات المستخدمة في هذا المجال: إحاطة الخزان أو الحاوية التي تحتوي على الهليوم السائل بسطح مبرّد بالآزوت السائل بدرجة حرارة تقدر بـ 77 كالفن (K) ويُترك بينهما فراغ يُخلى من الهواء، وبذلك يمكن التخلص من الضياعات الحرارية بالتوصيل والحمل الحراري، ولتقليل الضياع الحراري بالإشعاع تُستَخْدَم معادن صقيلة ذات معامل انبعاثية قريبة من 0.05 (كالفولاذ الصقيل غير القابل للصدأ). يمكن زيادة فعالية هذا الأسلوب بوضع طبقات عدة مؤلفة من عدد من صفائح الألمنيوم الرقيقة المعزولة لمنع انتقال الحرارة بالتوصيل الحراري بدرجة حرارة الآزوت السائل في المجال المفرّغ حول الأجسام المراد ع

طلال قاسم

انتقال الحرارة ـ التبريد ـ التدفئة ـ تكييف الهواء.

ـ نيكولاي ف. خارتشنكو، الطاقة وسلامة البيئة، ترجمة بسام حمود (المركز العربي للتعريب والترجمة والتأليف والنشر، دمشق، 2000).

ـ قدري أحمد فتحي وآخرون، أسس انتقال الحرارة (مركز النشر العلمي، جامعة الملك عبد العزيز، جدة 1994).

- Thermal Insulation and Vapor Retarders - Fundamentals (ASHRAE, Fundamentals Handbook, Chapters 20 & 21, 1989).

- A. SERIE, L’isolation Thermique, Chiers de la Thermique (Editions Européennes Thermique et industrie, Paris 1975).

- Thermal Insulation and Water Vapor Barriers, (ASHRAE, Handbook of Fundamentals, Chapter 17, 1975).

التصنيف : الهندسة

المجلد: المجلد الثالث عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 168

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية