مقدمه
وقتی در خانه خود، آسایش کافی در سرمای زمستان و گرمای تابستان ندارید، یا هزینه مصرف انرژی شما خیلی زیاد است، لزوم استفاده از عایق و سیستم های جلوگیری از انتقال حرارت احساس می شود. این مسئله در مورد مدارس، ادارات، بیمارستان ها و کارخانجات و غیره نیز صادق است. در این مقاله سعی شده نقش و عملکرد مهم تابش در مسئله انرژی ساختمان به زبان بسیار ساده بیان شود.
سرما
پرسش متدوال: آیا عایق کاری جلوی سرما را می گیرد؟
جواب: عایق همانند سایر مصالح ساختمانی تنها می تواند تا اندازه ای از نفوذ باد سرد جلوگیری کند.
در واقع سرما، نبود گرماست. این گرماست که به سمت سرما جریان می یابد، به جز در مواردی که مانند کولر، توسط نیرویی عکس این عمل اتفاق بیفتد. فرض کنید پنجره اتاق باز باشد و هوای بیرون نیز بسیار سرد است. در این حالت این سرما نیست که وارد اتاق می شود بلکه گرماست که خارج می شود. بخشی با همرفت، مقدار کمی با رسانش و بخش قابل توجهی با تابش، تا زمانیکه تعادل گرمایی بین دو محیط برقرار شود. حتی اگر پنجره ای باز نباشد، گرماباز از طریق همرفت،رسانش و تابش بیرون خواهد رفت البته با سرعت کمتر. بنابراین هدف از مطالعه انتقال حرارت، همان انتقال گرما می باشد.
انتقال گرما
تمامی مواد از جمله مصالح ساختمانی و عایق ها گرما را منتقل می کنند یا با روش هایی از انتقال آن جلوگیری می کنند. انتقال گرما توسط همرفت، رسانش و تابش صورت می گیرد و تفاوت ها در مقدار همرفت، شدت رسانش و نسبت بازتابش است. این تفاوت های کمیّ، توسط ساختار های مولکولی و ویژگیهای فیزیکی، چگالی، وزن، شکل، نفوذناپذیری و … ایجاد می شود. به عنوان مثال آلومینیوم دارای خاصیت ضدتابش بسیار بالایی است.
تابش
در انتقال گرما به روش تابش، نیازی به وجود ماده نیست، در این طریق گرما به صورت نور یا امواج الکترومغناطیسی از چشمه های داغ و ملتهب به اطراف گسیل می شود. یک دسته از امواج الکترومغناطیسی، پرتوهای فرو سرخ هستند این پرتوها وقتی به جسمی بتابند گرمای زیادی تولید می کنند. در تابش ماده منتقل نمی شود لذا نیازی به محیط مادی یا مولکول هایی که انرژی گرمایی را منتقل کنند نیست، یعنی می تواند در خلا نیز انجام گیرد.
نکته مهم: بازتابش فقط در صورت وجود فاصله صورت می گیرد.
جذب و بازتابش انرژی گرمایی توسط یک سطح تنها زمانی اتفاق میافتد که بین منبع تابش و سطح مورد نظر فاصله وجود داشته باشد. بدون فاصله تماس بین سطح و منبع حرارت باعث ایجاد رسانش گرمایی می شود.
فضای بازتابش
به فضای محدود شده بین منبع تابش حرارتی و یک سطح بازتاباننده گفته می شود. منظور از منبع حرارتی خود آن نیست بلکه اثر تابشی آن مد نظر می باشد. هر ورق آلومینیومی می تواند دو فضای بازتابش ایجاد کند. هر فضای بازتابشی کامل، با جریان گرمای رو به بالا، از نظر قدرت عایق بودن با عایق های معمولی به ضخامت 3 سانتیمتر برابر است. رابطه بین فضای بازتابشی و قدرت عایق، یک رابطه نمایی است به طوریکه در فاصله بیشتر از 8 اینچ مقدار رسانش گرمایی به کمترین مقدار می رسد این در حالی است که بیشترین کاهش گرمای رسانشی بین دو سطح بازتابشی در فاصله یک اینچی ایجاد می شود و برای فواصل بیشتر از دو اینچ این کاهش با نرخ کمتری صورت می گیرد.

حدود 65% الی 80% از گرمایی که در تابستان و زمستان از سمت گرم دیوار به سمت سرد منتقل می شود توسط تابش صورت می گیرد. بنابراین کاهش تابش گرمایی یک مسئله مهم محسوب می شود.

جریان گرما رو به پایین
این حالت در روزهای گرم و آفتابی تابستان از سقف به داخل اتاق یا در زمستان از کف اتاق به زیرزمین اتفاق میافتد. به دلیل نبود جریانهای همرفتی گرما (زیرا هوای گرم به دلیل چگالی کمتر نسبت به هوای سرد همواره رو به بالا حرکت می کند) اختلاف قابل توجهی در رسانش، حتی از فضای هوای خیلی معمولی برای گرمای رو به پایین، در مقایسه با حالت گرمای رو به بالا یا افقی وجود دارد.
آسایش در تابستان
اداره استاندارد امریکا در کتابچه “BMS 52 کارکرد عایق¬های سقف برای راحتی در تابستان” در بخش عایق های تست شده، برای افزایش جلوگیری از گرمای تابستان لیست زیر را ارائه کرده است:
1- عایق های با دو لایه آلومینیوم که هر دو طرف آن داری خاصیت بازتابشی باشد.
2- عایق های معمولی به ضخامت حداقل 5/3 اینچ (9 سانتیمتر)
حتی برخی از مهندسان برای خنک سازی و تهویه مطبوع عایق معمولی 6 اینچی توصیه می کنند. این در حالی است که در هر دو حالت 5/3 یا 6 اینچ، می توان با یک عایق آلومینیومی و ایجاد یک فضای 37/0 اینچی بین دو لایه به همان کارکرد دست یافت. طبق محاسبات انجام شده این موسسه، استفاده از عایق های آلومینیومی با نصب صحیح، در تابستان می تواند انتقال حرارت گرمایی را از Btu1900 واحد به Btu600 واحد کاهش دهد. (Btu یا British thermal Unit مقدار گرمای لازم برای افزایش یک پوند آب به اندازه یک درجه فارنهایت می باشد)
پشت بام بدون سقف بهترین عایق در برابر گرمای تابستان است اگر انرژی تابشی وجود نداشت.
برای راحتی و آسایش در تابستان باید از ورود گرمای ناخواسته جلوگیری کرد که عمده این گرما در تابستان از سقف و توسط انتقال تابشی به داخل خانه جریان می یابد و هیچ جریان همرفتی به سمت پایین وجود ندارد و رسانش بین ذرات هوا بسیار کم است. دمای در زیرشیروانی می تواند به بیش از 60 درجه سانتیگراد برسد.
آسایش در زمستان
در زمستان زمانی که دیوارها و سقف گرم هستند وکف اتاق سرد است، گرمای قابل توجهی از دست می رود. مطابق قوانین فیزیکی جریان همرفت گرما همواره رو به بالا است ولی دیوارها، مبلمان، اسباب و ساکنین خانه و حتی گرد و خاک، امواج گرما را به کف خانه بازتاب می کنند که قدرت جذب بالای 90% دارد. علاوه بر این تماس اشیا و افراد داخل خانه با کف اتاق باعث انتقال رسانشی گرما می شود. اگر عایق های آلومینیومی به طور صحیح و علمی در کف خانه نصب شود نه تنها تا 97% گرما را به داخل خانه بازتاب می کند بلکه مانع نفوذ رطوبت و بخار زیرزمین نیز به داخل فضای اتاق نیز می شود.
جریان گرمای افقی
فضای هوای لازم برای داشتن کمترین مقدار رسانش گرمایی در جریان گرمای افقی برای یک سطح بازتابشی، در حالت بهینه حدود دو سانتیمتر است. اگر فاصله مذکور کمتر از دو سانتیمتر باشد، مقدار بازتاب انرژی تابشی تغییری نمی کند و همرفت گرمایی نیز تا حدودی افزایش می یابد ولی میزان رسانش گرمایی بسیار افزایش می یابد. مطالعات انجام شده نشان می دهد برای دست یابی به بیشترین ضریب مقاومت حرارتی در عایق کاری افقی، می توان از سطوح بازتابشی چندلایه با فواصل 80 میلیمتری استفاده کرد. اگرچه قدرت عایق بودن در فاصله دو سانتیمتری یک سطح بیشتر از فاصله 80 میلیمتری است ولی برآیند قدرت عایق بودن دو سطح بازتابشی با فواصل 80 میلیمتری بیشتر از یک سطح با فاصله 2 سانتیمتر است.
جریان گرما رو به بالا
این حالت در روزهای سرد زمستانی از سقف به بیرون خانه اتفاق می افتد. در این حالت با توجه به حرکت هوای گرم رو به بالا، جریان همرفتی بیشتری اتفاق می افتد ولی در هر حال بیشترین هدر رفت انرژی به طریق تابشی صورت می گیرد. تمامی مسایل مربوط به فضای تابشی در این حالت نیز برقرار است.
نکته بسیار مهم در مورد قدرت عایقی فضای بازتابشی در هر جهت گرمای رو به بالا و پایین و جریان افقی وجود دارد، استفاده از چندین فضا با فواصل کمتر بازتابشی، به جای یک فضا با فاصله بیشتر است. زیرا همانگونه که اشاره شد رابطه فاصله با روند کاهش دما به صورت نمایی است و بیشترین کاهش در یک اینچ اول اتفاق می افتد و از دو اینچ به بعد تا 8 اینچ روند کاهش بسیار کند است. (حدود 85% کاهش دما در دو اینچ اول و 15% در دو تا 8 اینچ اتفاق می افتد).