فهرست مطالب
تبدیل ضریب انتقال حرارت با این ابزار، میان پنج یکا انجام می‌شود: وات بر متر مربع کلوین، کیلووات بر متر مربع کلوین، کیلوکالری بر ساعت متر مربع درجه، کالری بر ثانیه سانتی‌متر مربع درجه و BTU بر ساعت فوت مربع فارنهایت. عدد را بنویسید و یکای مبدأ و مقصد را انتخاب کنید؛ پیش‌فرض، یکای آمریکایی BTU به وات بر متر مربع کلوین است و یک BTU بر ساعت فوت مربع فارنهایت، حدود ۵٫۶۷۸ وات بر متر مربع کلوین نشان داده می‌شود. هر کدام از دو کادر را پر کنید، دیگری حساب می‌شود. جدول‌های بازشوی پایین، معادل ضریب شما را در همهٔ یکاها نشان می‌دهند.
راهنمای استفاده از تبدیل ضریب انتقال حرارت
- مقدار و واحد مبدأ را وارد کنید.
- واحد مقصد را انتخاب کنید.
- معادل در همهٔ واحدها را ببینید.
تبدیل ضریب انتقال حرارت؛ این ضریب چه می‌گوید؟
ضریب انتقال حرارت، می‌گوید از هر متر مربع یک سطح، به ازای هر یک درجه اختلاف دمای دو طرف، در هر ثانیه چند ژول گرما، یعنی چند وات، میگذرد. یکای آن در دستگاه بین‌المللی، وات بر متر مربع کلوین است. دیواری با ضریب ۰٫۵، اگر داخل ۲۰ درجه و بیرون صفر درجه باشد، از هر متر مربع، ۱۰ وات گرما از دست می‌دهد. هرچه این ضریب کمتر باشد، سطح عایق‌تر است و گرمای کمتری از آن میگذرد.
این ضریب در دو زمینهٔ اصلی به کار میرود. در ساختمان، ضریب انتقال حرارت کلی دیوار، سقف و پنجره، که به آن ضریب U می‌گویند، تعیین می‌کند خانه چقدر گرما یا سرما را نگه می‌دارد. در صنعت و مبدل‌های حرارتی، ضریب انتقال حرارت همرفتی، که با h نشان داده می‌شود، می‌گوید گرما چقدر سریع میان یک سطح و سیال کنارش جابه‌جا می‌شود.
اتلاف حرارت؛ حساب ساده
اتلاف حرارت از یک سطح، ضریب U ضرب در مساحت ضرب در اختلاف دما است. دیواری ۲۰ متر مربعی با ضریب ۰٫۵ وات بر متر مربع کلوین و اختلاف دمای ۲۰ درجه، ۲۰۰ وات گرما از دست می‌دهد. پنجره‌ای ۲ متر مربعی با ضریب ۵٫۷، که نزدیک به شیشهٔ یک‌جداره است، با همان اختلاف دما، حدود ۲۲۸ وات؛ یعنی پنجره‌ای کوچک، بیشتر از کل دیوار گرما هدر می‌دهد. همین حساب ساده نشان می‌دهد چرا تعویض پنجره‌های یک‌جداره، از اثربخش‌ترین کارهای صرفه‌جویی انرژی است.
برای کل ساختمان، اتلاف همهٔ سطح‌ها را جمع می‌زنند و اتلاف تعویض هوا را هم اضافه می‌کنند تا ظرفیت گرمایش لازم به دست آید. این حساب، پایهٔ انتخاب پکیج و رادیاتور است؛ برای تبدیل توان، تبدیل توان را ببینید.
ضریب U و مقاومت حرارتی R
مقاومت حرارتی، وارون ضریب انتقال حرارت است: R برابر یک تقسیم بر U. هرچه R بیشتر، عایق بهتر. مزیت R این است که برای لایه‌های پشت سر هم، مقاومت‌ها جمع می‌شوند؛ مقاومت دیوار، جمع مقاومت آجر، عایق، گچ و لایه‌های هوای دو طرف است. پس از جمع زدن R ها، U کل، یک تقسیم بر R کل است. یکای R در دستگاه بین‌المللی، متر مربع کلوین بر وات است.
در آمریکا، R با یکاهای انگلیسی بیان می‌شود و روی عایق‌ها با عددهایی مثل R-13 یا R-30 نوشته می‌شود. R-13 آمریکایی، یعنی ۱۳ فوت مربع فارنهایت ساعت بر BTU، که حدود ۲٫۲۹ متر مربع کلوین بر وات است. برای تبدیل، از این ابزار استفاده کنید: یک تقسیم بر R آمریکایی را در حالت BTU وارد کنید تا U متریک به دست آید و وارون آن، R متریک است. یا ساده‌تر، R آمریکایی را بر حدود ۵٫۶۸ تقسیم کنید.
پنجره‌ها و ضریب U
ضریب U پنجره‌ها، از عددهای مهم در خرید است. شیشهٔ یک‌جداره، ضریبی حدود ۵ تا ۶ وات بر متر مربع کلوین دارد. پنجرهٔ دوجدارهٔ معمولی، حدود ۲٫۵ تا ۳ و پنجره‌های دوجداره با پوشش کم‌گسیل و گاز بی‌اثر، یا سه‌جداره، بسیار کمتر، گاهی حدود یک یا کمتر. این عددها بسته به قاب، فاصلهٔ شیشه‌ها و جزئیات ساخت تغییر می‌کنند؛ عدد دقیق را از برگهٔ مشخصات سازنده بگیرید. کاتالوگهای آمریکایی، ضریب U را به BTU بر ساعت فوت مربع فارنهایت می‌دهند که عددی حدود شش برابر کوچک‌تر است؛ پنجره‌ای با U برابر ۰٫۳ آمریکایی، حدود ۱٫۷ متریک است.
| نوع پنجره، تقریبی | W/(m²·K) | BTU/(h·ft²·°F) |
|---|---|---|
| شیشهٔ یک‌جداره | حدود ۵٫۷ | حدود ۱٫۰ |
| دوجدارهٔ معمولی | حدود ۲٫۸ | حدود ۰٫۴۹ |
| دوجداره با پوشش کم‌گسیل | حدود ۱٫۶ | حدود ۰٫۲۸ |
| سه‌جداره | حدود ۰٫۸ | حدود ۰٫۱۴ |
مقررات ملی ساختمان
در ایران، مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان، به صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌پردازد و برای جدارهای ساختمان، الزام‌هایی دربارهٔ عایق‌کاری و حداکثر ضریب انتقال حرارت تعیین می‌کند که به اقلیم و نوع ساختمان بستگی دارد. مقدارهای دقیق را از متن به‌روز مقررات یا مهندس ناظر بپرسید. اگر مشخصات عایق یا پنجرهٔ وارداتی را با یکاهای آمریکایی دارید، با این ابزار آن را به وات بر متر مربع کلوین تبدیل کنید تا با الزام‌ها مقایسه شود.
همرفت؛ ضریب h
در انتقال حرارت میان سطح و سیال، ضریب همرفت به نوع جریان و سیال بستگی دارد. هوای ساکن که فقط با همرفت طبیعی جابه‌جا می‌شود، ضریبی کم، معمولا چند تا چند ده وات بر متر مربع کلوین دارد. هوای دمیده‌شده با فن، ضریب بیشتری دارد؛ برای همین، باد خنک‌کننده است. آب، ضریب بسیار بیشتری از هوا دارد و آب جوشان یا بخار در حال میعان، از این هم بیشتر؛ گاهی ده‌ها هزار. این تفاوت توضیح می‌دهد چرا دست در آب ۲۰ درجه، بسیار سریع‌تر از هوای ۲۰ درجه سرد می‌شود.
مبدل‌های حرارتی
مبدل‌های حرارتی، گرما را از یک سیال به سیال دیگر منتقل می‌کنند؛ مثل رادیاتور خودرو، کویل کولر و مبدل‌های صنعتی. برای طراحی آن‌ها، ضریب انتقال حرارت کلی، مساحت و اختلاف دمای میانگین لازم است. کاتالوگهای آمریکایی، این ضریب را به BTU بر ساعت فوت مربع فارنهایت و کاتالوگهای قدیمی‌تر اروپایی، گاهی به کیلوکالری بر ساعت متر مربع درجه می‌دهند. هر کیلوکالری بر ساعت متر مربع درجه، ۱٫۱۶۳ وات بر متر مربع کلوین است.
کلوین، سلسیوس و فارنهایت در این یکا
در یکای ضریب انتقال حرارت، دما به شکل اختلاف دما آمده است. یک درجه اختلاف در کلوین و سلسیوس، یکی است؛ پس وات بر متر مربع کلوین و وات بر متر مربع درجهٔ سلسیوس، دقیقا یک عددند. اما یک درجه اختلاف فارنهایت، پنجنهم آن است و همین، بخشی از ضریب ۵٫۶۷۸ یکای آمریکایی است. برای تبدیل دماهای مطلق، تبدیل دما را ببینید؛ اما برای اختلاف دما، فقط ضریب ۱٫۸ را به کار ببرید.
سه راه انتقال گرما
گرما به سه روش منتقل می‌شود: هدایت، همرفت و تابش. در هدایت، گرما از درون یک جسم جامد، مثل دیوار یا قابلمه، از ذره به ذره میگذرد. در همرفت، سیالی مثل هوا یا آب، گرما را با جابه‌جا شدن خود می‌برد. در تابش، گرما به شکل امواج الکترومغناطیسی، بدون نیاز به ماده، منتقل می‌شود؛ مثل گرمای آفتاب یا بخاری برقی. ضریب U کلی یک دیوار، اثر هر سه را با هم دارد: همرفت و تابش در دو سطح، و هدایت در لایه‌های میانی. برای هدایت در یک لایه، رسانندگی گرمایی ماده تقسیم بر ضخامت لایه، سهم آن در ضریب کلی را می‌دهد.
عایق‌ها و ضخامت
مقاومت حرارتی یک لایهٔ عایق، ضخامت آن تقسیم بر رسانندگی گرمایی ماده است. عایق‌های رایج، مثل پشم سنگ، پشم شیشه و پلی‌استایرن، رسانندگی‌ای حدود چند صدم وات بر متر کلوین دارند. لایه‌ای ۵ سانتی‌متری از عایقی با رسانندگی ۰٫۰۴، مقاومتی حدود ۱٫۲۵ متر مربع کلوین بر وات می‌سازد. دو برابر کردن ضخامت، مقاومت را دو برابر می‌کند، اما اثرش بر اتلاف کل، به‌تدریج کمتر می‌شود؛ چون بخش‌های دیگر ساختمان، مثل پنجره‌ها و نشت هوا، سهم بیشتری پیدا می‌کنند.
نمونهٔ کامل؛ عایق‌کاری یک دیوار
فرض کنید دیواری آجری بدون عایق، ضریب U حدود ۱٫۸ وات بر متر مربع کلوین دارد. مقاومت آن یک تقسیم بر ۱٫۸، حدود ۰٫۵۶ است. با افزودن لایهٔ عایق ۵ سانتی‌متری با مقاومت ۱٫۲۵، مقاومت کل حدود ۱٫۸۱ و ضریب U جدید حدود ۰٫۵۵ می‌شود. برای دیواری ۴۰ متر مربعی با اختلاف دمای ۲۰ درجه، اتلاف از حدود ۱۴۴۰ وات به حدود ۴۴۰ وات می‌رسد؛ یعنی حدود ۷۰ درصد کمتر. این عددها فرضی و نمونه‌اند؛ برای طراحی واقعی، مشخصات مصالح و جزئیات اجرا را از مهندس بگیرید.
ضریب انتقال حرارت در لوازم خانگی
لوازم خانگی هم با همین مفهوم طراحی می‌شوند. دیوارهٔ یخچال و فریزر، عایق ضخیمی دارد تا ضریب انتقال حرارت پایینی داشته باشد و کمپرسور کمتر کار کند. فلاسک‌ها، با لایهٔ خلأ میان دو دیواره، هدایت و همرفت را تقریبا حذف می‌کنند و با سطح‌های براق، تابش را کم. قابلمه‌های ته‌ضخیم، با رسانندگی خوب، گرما را یکنواخت پخش می‌کنند. در همهٔ این‌ها، هدف یا کم کردن ضریب انتقال حرارت است یا زیاد کردن آن.
ضریب انتقال حرارت و هزینهٔ انرژی
کم کردن ضریب انتقال حرارت جدارهای ساختمان، مستقیم هزینهٔ گرمایش و سرمایش را کم می‌کند. اتلاف حرارت در طول یک فصل، اتلاف لحظه‌ای ضرب در ساعت‌های فصل و اختلاف دمای میانگین است. مهندسان برای این حساب، از شاخصی به نام درجه‌روز استفاده می‌کنند که جمع اختلاف دمای داخل و بیرون در روزهای فصل است و برای هر شهر، در جدول‌ها آمده. با ضرب ضریب U در مساحت و درجه‌روز و ۲۴ ساعت، انرژی فصلی به وات‌ساعت به دست می‌آید. برای تبدیل آن به کیلووات‌ساعت یا متر مکعب گاز، تبدیل انرژی را ببینید.
سقف و کف
در ساختمان‌ها، سقف آخرین طبقه و کف روی پیلوت یا زمین، سهم بزرگی در اتلاف گرما دارند. هوای گرم بالا میرود و سقف بدون عایق، گرمای زیادی را در زمستان هدر می‌دهد؛ در تابستان هم، سقفی که آفتاب مستقیم می‌خورد، گرمای زیادی به داخل می‌فرستد. عایق‌کاری سقف، معمولا از کم‌هزینه‌ترین و اثربخش‌ترین کارهاست. ضریب U سقف را مثل دیوار حساب کنید و با مساحت سقف، اتلاف آن را تخمین بزنید.
ضریب انتقال حرارت در درس دانشگاه
در درس انتقال حرارت، دانشجویان با ضریب‌های همرفت، رسانندگی و مقاومت‌های حرارتی سری و موازی کار می‌کنند. مقاومت‌های سری، مثل لایه‌های دیوار، جمع می‌شوند و مقاومت‌های موازی، مثل دیوار و پنجره کنار هم، وارونشان جمع می‌شود. داده‌های جدول‌های قدیمی‌تر، گاهی به کیلوکالری بر ساعت متر مربع درجه یا یکاهای آمریکایی است؛ پیش از حل، همه را با این ابزار به وات بر متر مربع کلوین برگردانید.
نشت هوا؛ اتلافی که در ضریب U نیست
ضریب U، فقط اتلاف از راه خود جدارها را نشان می‌دهد. اما بخش قابل توجهی از اتلاف گرما در بسیاری از خانه‌ها، از راه نشت هوا، یعنی درزهای دور پنجره‌ها و درها و شکاف‌ها، رخ می‌دهد. هوای گرم داخل بیرون میرود و هوای سرد بیرون جایش را می‌گیرد. حتی بهترین پنجرهٔ دوجداره، اگر درزگیری ضعیفی داشته باشد، خانه را گرم نگه نمی‌دارد. درزگیری درها و پنجره‌ها، کاری ارزان با اثر زیاد است. در محاسبهٔ بار گرمایی، اتلاف تعویض هوا جداگانه با دبی هوا و ظرفیت گرمایی آن حساب می‌شود.
پل حرارتی
پل حرارتی، بخشی از جدار است که گرما را بسیار سریع‌تر از بقیه عبور می‌دهد؛ مثل ستون‌ها و تیرهای بتنی که از لایهٔ عایق بیرون مانده‌اند، یا قاب‌های فلزی پنجره بدون قطع حرارتی. پل‌های حرارتی، علاوه بر هدر دادن گرما، جای چگالش رطوبت و کپک‌زدگی روی دیوارهای داخلی‌اند. در دوربین‌های حرارتی، این بخش‌ها به شکل لکه‌های گرم‌تر یا سردتر دیده می‌شوند. در طراحی و اجرای عایق‌کاری، پیوستگی لایهٔ عایق، به اندازهٔ ضخامت آن مهم است.
کپی نتیجه
جملهٔ نتیجهٔ ابزار، با دکمهٔ کپی آمادهٔ چسباندن در گزارش یا برگهٔ محاسبه است. در گزارش‌ها، یکای کامل، با مساحت و دما، را بنویسید.
ترفندهای حساب ذهنی
برای تبدیل‌های سریع: ضریب U آمریکایی به متریک، ضرب در حدود ۵٫۷. متریک به آمریکایی، تقسیم بر ۵٫۷ یا ضرب در حدود ۰٫۱۸. کیلوکالری بر ساعت متر مربع درجه به وات بر متر مربع کلوین، ضرب در ۱٫۱۶. R آمریکایی به R متریک، تقسیم بر ۵٫۷؛ پس R-19 حدود ۳٫۳ و R-30 حدود ۵٫۳ متر مربع کلوین بر وات است. با این چند عدد، کاتالوگ عایق و پنجره را در چند ثانیه با الزام‌ها و پیشنهادهای دیگر مقایسه می‌کنید. برای کارهای طراحی و گزارش رسمی، عدد دقیق ابزار را به کار ببرید. تقریب‌های ذهنی برای تصمیم‌های اولیه و گفت‌وگو با فروشنده کافی‌اند، اما برای محاسبهٔ بار گرمایی و انتخاب تجهیزات، خطای چندرصدی آن‌ها در مرحله‌های مختلف جمع می‌شود و نتیجهٔ نهایی را به شکل کاملا محسوسی جابه‌جا می‌کند.
اشتباه‌های رایج
اشتباه اول، مقایسهٔ ضریب U متریک و آمریکایی بدون تبدیل، که حدود شش برابر فرق دارند. اشتباه دوم، جمع زدن ضریب‌های U لایه‌ها به جای مقاومت‌ها. اشتباه سوم، یکی گرفتن R آمریکایی و R متریک. اشتباه چهارم، استفاده از دمای مطلق به جای اختلاف دما. اشتباه پنجم، نادیده گرفتن پل‌های حرارتی، مثل ستون‌ها و تیرها، که از عایق دور می‌مانند.
ابزارهای مرتبط
برای کمیت‌های دیگر، تبدیل واحد و فهرست ابزارهای تبدیل واحد در دسترس‌اند.
آخرین بازبینی محتوا: · تیم تحریریه ابزار جیبی