3 Ch05 Thermal En

12
1 PROPERTIES OF THE ENVELOPE – I Thermal Proper,es of Materials – Thermal Capacity Thermal image of building Building Design and Thermal Comfort Wind Scoops Wind scoops capture cooling breezes EnergyConserving Building Design Units of Energy All forms of energy can be measured by the amount of heat that they produce: One calorie is the amount of heat required to raise the temperature of one gram of water by 1 degree C. One Btu (Bri,sh Thermal Unit) is the amount of heat required to raise the temperature of one pound of water by 1 degree F. One Btu = 232 Calories

Transcript of 3 Ch05 Thermal En

Page 1: 3 Ch05 Thermal En

1

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  Thermal  Capacity  

Thermal  image  of  building

Building  Design  and  Thermal  Comfort   Wind  Scoops  

•  Wind  scoops  capture  cooling  breezes  

Energy-­‐Conserving  Building  Design   Units  of  Energy  

•  All  forms  of  energy  can  be  measured  by  the  amount  of  heat  that  they  produce:  – One  calorie  is  the  amount  of  heat  required  to  raise  the  temperature  of  one  gram  of  water  by  1  degree  C.  

– One  Btu  (Bri,sh  Thermal  Unit)  is  the  amount  of  heat  required  to  raise  the  temperature  of  one  pound  of  water  by  1  degree  F.  •  One  Btu  =  232  Calories  

Page 2: 3 Ch05 Thermal En

2

Units  of  Energy  –  cont’d  

– A  joule  is  a  unit  of  measure  used  for  all  forms  of  energy.    It  is  equal  to  the  amount  of  work  done  by  a  force  one  Newton  moving  through  a  distance  of  one  meter.  • One  calorie  =  4.185  Joules  

Power  

•  Power  is  the  rate  of  energy  produc,on,  consump,on  or  conversion.  

•  Power  is  measured  over  ,me  –  1  Wa[  =  1  Joule  per  second  (1  J/s)  –  A  100  Wa[  Lamp  produces  100  Joules  of  energy  per  minute  

Energy  

•  Energy  is  the  total  amount  of  energy    consumed  in  ,me.  – Generally  measured  in  kilowa[s  per  hour  

Heat  Flow  Between  Two  Objects  

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  Conduc,on,  Convec,on,  and  Radia,on  

•  Conduc,on  –  Heat  transfer  between  molecules  in  a  solid  

•  Convec,on  –  Heat  transfer  by  bulk  mo,on  of  a  gas  or  liquid  

•  Radia,on  –  Heat  transfer  between  two  objects  in  the  form  of  electromagne,c  waves  

Modes  of  Heat  Transfer  

Page 3: 3 Ch05 Thermal En

3

Modes  of  Transfer  of  Solar  Heat  

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  R-­‐Value  of  a  Building  Component  

Thermal  Resistance  

•  Thermal  resis,vity  (ρ)  is  a  constant  property  of  a  material  represen,ng  the  ability  of  the  material  to  resist  the  flow  of  heat  through  it.  

•  R-­‐value  is  a  measure  of  the  ability  of  a  material  of  a  specified  thickness  to  resist  the  flow  of  heat  through  it.  –  A  material  with  a  high  R-­‐value  resists  the  flow  of  heat,  and  is  called  a  thermal  insulator.  

–  A  material  with  a  low  R-­‐value  allows  heat  to  flow  through  it  easily,  and  is  called  a  thermal  conductor.  

Insula,ng  Materials  

•  R-­‐11  fiberglass  insula,on  in  ba[  form.  

Insula,ng  Materials  –  cont’d  

•  R-­‐3  extruded  polystyrene  insula,on  in  board  form.  

Heat  Transfer  by  Conduc,on  

•  Rate  of  heat  transfer  by  conduc,on  (qc)  

Page 4: 3 Ch05 Thermal En

4

Calcula,ng  R-­‐Value  

•  R  =  ρL  (Thermal  resistance  x  Thickness)  –  If  the  ρ  value  of  concrete  is  0.15  (see  Table  5.2),  what  is  the  R-­‐value  of  a  6-­‐inch  concrete  wall?  • R  =  0.15  x  6  =  .9  

–   If  the  ρ  value  of  fiberglass  insula,on  is  3.5  (see  Table  5.2),  what  is  the  R-­‐value  of  6  inch  thick  blanket  of  fiberglass  insula,on?  • R  =  3.5  x  6  =  21  

Thermal  Resistance  

• Thermal  resistance  is  influenced  by:  –   Density  –   Moisture  content  –   Entrapment  of  air  or  gas  

Cellular  Structure  of  Insula,ng  Materials  

•  Cellular  structure  of  various  plas,c  foam  insula,ons.  

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  R-­‐Value  of  a  Mul,layer  Component  

R-­‐Value  of  a  Mul,layer  Component  

Rt  =  R1  +  R2  +  R3  +  R4  +  …  

Es,ma,ng  the  R-­‐Value  of  an  Assembly  

Element   R-­‐value  

4-­‐in.-­‐thick  brick  wall   3.625(0.2)  =  .0725  

2-­‐in.-­‐thick  XPS  board  

2.0(5.0)  =  10.0  

8-­‐in.-­‐thick  brick  wall   7.625(0.2)  =  1.525  

Rt  =    0.725  +  10  +  1.525  =  12.25,  round  down  to  R-­‐12  

Page 5: 3 Ch05 Thermal En

5

Surface  Resistances  

Rt  =  Rsi  +  R1  +  R2  +  R3  +  R4  …  +  Rso  

R-­‐Value  of  an  Air  Space  in  a  Wall  (Wall  Cavity)  

•  The  R-­‐value  of  a  ver,cal  (wall)  cavity  is  approximately  equal  to  R-­‐1.  

•  Adding  an  emissive  layer  to  one  side  of  a  material  in  a  ver,cal  air  cavity  increases  R-­‐value  

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  Surface  Emissivity  

Emissivity  

•  Emissivity:  –  The  property  of  the  surface  of  an  object  that  refers  to  its  poten,al  to  emit  radia,on.  

Loca,on  of  Low-­‐Emissivity  Material  (Aluminum  Foil)  in  Air  Space   R-­‐Value  of  a  Wall  With  an  Air  Space  

Element   R-­‐Value  

Inside  Surface  Resistance     0.7  

½  in.-­‐thick  gypsum  board   0.5(0.60)  =  0.30  

3  ½  in.-­‐thick  fiberglass  insula,on  

3.5(3.5)  =  12.25  

0.5  in.-­‐thick  plywood   0.5(0.9)  =  0.45  

2  in.-­‐wide  airspace   1.0  

3  5/8-­‐in.  thick  brick  veneer  

3.625(0.2)  =  0.73  

Outside  surface  resistance  

0.2  

Rt  =    0.7  +  0.3  +  12.25  +  0.45  +  1.0  +  0.73  +  0.2  =  15.6  (round  up  to  16)  

Page 6: 3 Ch05 Thermal En

6

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  U-­‐Value  of  an  Assembly  

U-­‐Value  

•  Measure  property  of  thermal  transmi[ance  •  Inverse  of  R-­‐value  •  Used  in  heat  transfer  calcula,ons  

1  Rsi  +  R1  +  R2  +  R3+  …  +  Rso  

Overall  U-­‐Value  of  an  Assembly  

U0   =A1U1  +  A2U2  +  A3U3  +  …  

A1  +  A2  +  A3  +  …  

Example  

U0   =160(0.064)  +  20(1.0)  +25(0.7)  +  35(0.3)  

= .24  240  

R0   =  1  

= 4.2  0.24  

Thermal  Bridging  in  Building  Assemblies  

Effect  of  exterior  insula,ng  sheathing  in  metal  stud  assemblies.  

Thermal  Bridging  in  Building  Assemblies  –  cont’d  

Thermal  bridges  (shown  by  red  arrows)  in  an  insulated  metal  stud  wall.  

Thermal  bridges  (shown  by  red  arrows)  in  a  concrete  block.  

Page 7: 3 Ch05 Thermal En

7

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  Where  and  How  Much  to  Insulate  

Ques,ons  about  Insula,on  

•  Where  to  insulate?  –  Building  envelope  

•  How  much  insula,on  to  use?  –  Varies  with  

•  Climate  (hea,ng  degree  days,  cooling  degree  days)  •  Economics  (return  on  investment)  •  Energy  code  

Loca,on  of  Insula,on   Climate  Zone  Map  of  the  United  States  

Climate  Zones  of  the  United  States   Energy  Use  in  the  United  States  

Page 8: 3 Ch05 Thermal En

8

Minimum  Insula,on  Requirements  (Walls)  

Minimum  insula,on  requirements  for  the  walls  and  roof  of  residen,al  buildings  (single-­‐family  and  mul,family  dwellings  of  up  to  three  stories)  constructed  of  wood  light  frame.  

Insula,on  in  Floors  

Insula,on  in  a  floor  over  a  vented  crawl  space.  

Minimum  insula,on  requirements  for  the  floors  of  residen,al  buildings  (single-­‐family  and  mul,family  dwellings  of  up  to  three  stories)  constructed  of  wood  light  frame.  

Minimum  Insula,on  Requirements  (Floors)   Example  

Minimum  insula,on  requirements  for  condi,oned  basement  and  condi,oned  crawl  space  walls  of  residen,al  buildings  (single-­‐family  and  mul,-­‐family  dwellings  of  up  to  three  stories)  constructed  of  wood  light  frame.  

Minimum  Insula,on  Requirements  (Condi,oned  Basement/Crawl  Space)  

Heat  Flow  Paths  (S.O.G.)  

•  A  simplified  visualiza,on  of  heat  loss  from  a  slab-­‐on-­‐ground  shows  that  there  are  three  possible  paths  along  which  heat  may  flow  from  the  slab:  –  Ver,cal  path  through  the  

thickness  of  the  slab  and  into  the  ground  

–  Horizontal  path  through  the  slab  

–  Through-­‐the-­‐ground  paths  (shown  by  the  curved  lines  in  the  illustra,on  )  

Various  heat  flow  paths  through  a  slab-­‐on-­‐ground  

(also  called  slab-­‐on-­‐grade  ).  

Page 9: 3 Ch05 Thermal En

9

Insula,on  of  S.O.G.  (Alterna,ves)  

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  Thermal  Proper,es  of  Materials  –  Building  Design  and  Thermal  Comfort  

Thermal  Capacity  (Thermal  Mass)  of  a  Component  

•  The  ability  of  a  component  to  store  heat  is  referred  to  as  its  thermal  capacity,  which  is  defined  as  the  amount  of  heat  needed  to  raise  the  temperature  of  1  q2  of  the  component  by  10F.  

•  The  greater  the  thermal  capacity  of  the  component,  the  greater  the  amount  of  heat  it  will  absorb  for  a  given  rise  in  its  temperature.  

Envelope  proper,es  that  govern  heat  flow  under  steady  and  dynamic  states.  

Thermal  Capacity  vs.  Insula,on  

•  Under  unidirec,onal  heat  flow,  only  the  U-­‐value  of  the  envelope  (i.e.,  the  insula,on)  determines  the  energy  consump,on  of  a  building.  

•  The  envelope’s  thermal  capacity  plays  an  insignificant  role  under  unidirec,onal  heat-­‐flow  condi,ons,  even  when  unidirec,onal  heat  flow  is  dynamic.   Envelope  proper,es  that  govern  

unidirec,onal  and  bidirec,onal  heat  flows.  

PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  

Thermal  Proper,es  of  Materials  –  The  Most  Effec,ve  Face  of  the  Envelope  for  Insula,on  

The  Most  Effec,ve  Face  of  the  Envelope  for  Insula,on  

•  The  placement  of  insula,on  on  the  outside  of  the  assembly  (compared  with  its  loca,on  in  the  middle  of  the  envelope  sec,on  or  toward  the  interior  of  the  building)  is  more  effec,ve  for  the  following  reasons:  –  It  reduces  energy  consump,on  because  it  eliminates  (or  reduces)  thermal  bridging  in  the  envelope.  

–  It  moderates  the  temperature  of  structural  components,  reducing  their  expansion  and  contrac,on,  thereby  increasing  their  life  span.  

Page 10: 3 Ch05 Thermal En

10

The  Most  Effec,ve  Face  of  the  Envelope  for  Insula,on  –  cont’d  

•  Only  when  a  building  is  intermi[ently  heated  or  cooled,  such  as  a  church  hall,  the  interior  placement  of  insula,on  may  be  considered.  

•  The  interior  placement  of  insula,on  allows  faster  hea,ng  or  cooling  of  interior  air  because  it  reduces  energy  loss  to  heat  or  cool  the  structural  components  of  the  building.   PROPERTIES  OF  THE  ENVELOPE  –  I  

PRINCIPLES  IN  PRACTICE:  Insula,ng  Materials  

Principles  in  Prac,ce  –  Insula,ng  Materials  

•  A  classifica,on  that  is  more  suitable  for  describing  various  insula,ons  is  based  on  the  insula,on’s  physical  structure.  

•  Insula,ng  materials  may  be  divided  into  the  following  three  categories:  –  Fibrous  insula8on  –  Granular  insula8on  –  Foamed  insula8on   Graphical  nota,ons  for  rigid  and  flexible  

insula,ons  for  use  in  cross-­‐sec,ons  of  building  assemblies.  

Fibrous  Insula,on  

•  Ba[s  •  Blankets  •  Semi-­‐rigid  Boards  

Unfaced  Fiberglass  Insula,on  

Unfaced  fiberglass  insula,on  installed  between  studs.  The  insula,on  will  be  covered  with  a  vapor  retarder  before  gypsum  board  is  installed  on  the  studs.  

Unfaced  Fiberglass  Insula,on  With  Vapor  Retarder  

A  clear  polyethylene  sheet  vapor  retarder  being  installed  over  unfaced  fiberglass  insula,on  between  wood  studs.  

Page 11: 3 Ch05 Thermal En

11

Kraq  Paper  Insula,on   Granular  Insula,on  

•  In  materials  with  a  granular  structure,  the  air  voids  are  contained  inside  ,ny  hollow  beads  or  granules.  

•  Three  types  of  granules  are  in  common  use:  – Expanded  perlite  granules  – Expanded  vermiculite  granules  – Expanded  polystyrene  (EPS)  granules  

Blown-­‐in  insula,on  in  an  asc.  

Granular  Insula,on  –  cont’d  

Three  stages  of  perlite  produc,on  show  the  great  increase  in  volume  that  takes  place  on  expansion  by  hea,ng  the  perlite  rock.  

Granular  Insula,on  –  cont’d  

Manufacturing  process  of  EPS  boards.  

EPS  and  Insula,ng  Concrete  Forms  (ICF)  

EPS  and  Insula,ng  Concrete  Forms  (ICF)  

–  cont’d  

Page 12: 3 Ch05 Thermal En

12

EPS  and  Insula,ng  Concrete  Forms  (ICF)  

–  cont’d  

Insula,ng  concrete  form  (ICF)  walls  are  used  as  exterior  walls  for  residen,al  and  commercial  buildings.  The  wall’s  high  R-­‐value  makes  ICF  construc,on  an  a[rac,ve  alterna,ve  where  energy  conserva,on  is  cri,cal.  

Insula,ng  Concrete  

Cross  sec,on  through  an  insula,ng  concrete  roof  deck  with  sandwiched  EPS  boards.  

Insula,ng  Concrete  –  cont’d  

Insula,ng  concrete  being  poured  over  a  roof  deck.  

Insula,ng  Concrete  –  cont’d  

Because  EPS  boards  are  sandwiched  between  two  layers  of  concrete,  the  holes  in  the  EPS  boards  structurally  integrate  the  layers.  

Foamed  Insula,on  

Manufacturing  process  of  XPS  boards.   Manufacturing  process  of  ISO  boards.   Spraying  of  polyicynene  insula,on  in  stud  cavi,es.  The  insula,on  expands  and  cures  (hardens)  quickly  when  it  is  shaved  flush  with  the  studs.  

Foamed  Insula,on  –  cont’d