为什么绝缘会起作用呢?
kurtgranroth|发布于一般的问题在
我试图学习更多关于绝缘是如何工作的，但是关于这个主题的文章往往要么太基础，要么太专业——我正在寻找一个中等水平的理解。
首先，热量从高热量区域流向低热量区域，流速与两个温度差的大小有关(增量越大，热量流动越快)。一般来说，隔热的作用是减缓热流，但不阻止它。增加r值(或降低u值)的绝热将减缓传热甚至更多。
隔热减缓传热的具体方式在很大程度上取决于隔热的类型。所有这些都减少或消除对流，并使用导热性和发射率低的材料和层。在这样做的过程中，它们都必须暂时“吸收”热能，因为热能缓慢地穿过材料。
假设有一个恒定热源对着保温层辐射。另一边是一个温度低得多的区域。如果与热源的大小相比有足够的保温层，那么较低温度区域将不会有明显的热上升(至少在开始时)，因为保温层吸收热量并且只能非常缓慢地允许它流出。
但是，让我们让它继续下去吧。隔热层减缓了热量传递，但由于它不能或不能阻止它，热量最终会进入低热量区域。事实上，如果热源是恒定的，那么热量总是流向低热量的一侧。最终，进入隔热层的热量不是100%都流入了低热量区域吗?
考虑到这一点，我想我不知道隔热是如何做有用的功的，除了在热量通过之前给你一点时间延迟，因为所有的热量最终都会通过。这听起来几乎像是在凉爽的气候中你可以完全放弃隔热，因为不管你有多少隔热材料，所有传入的热量都会进入室内!
除了……隔热绝对有效，即使在凉爽的气候下也能很好地工作。这说明我漏掉了一些非常基本的东西!我错过了什么?
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>最终
它通常是关于热传递的速率，而不是停止传递。所以时间很重要，“最终”并不重要。
好吧，但为什么不相关呢?
一个类比。假设你正站在一个水龙头下，水正倾泻到你身上。然后你拿一个有一个小洞的桶，把它放在你和水龙头之间——这样可以减少水的流量。在第一种情况下，你会很快被浸湿，而在后一种情况下，你需要更长的时间才能被浸湿……但最终，无论哪种情况，你都一样会被淋湿。
你需要意识到的是时间是有值的。你希望你的房子一直保持在21摄氏度左右。如果你失去更少的热量，它需要更少的热量来弥补损失，并保持房子在21摄氏度。目标是保持一个恒定的温度，而不是为你的房子提供X量的热量，所以减缓热量损失是非常重要的。
如果你正在洗澡，而水在漏水，那么洞越大，你就需要更多的水来保持水位不变。同样的道理，房子需要更多的热量来保持温度恒定。
热量和温度不一样。你的房子散发的热量越多，它的内部温度下降得越快，你就必须产生更多的热量来防止它下降。
换句话说，你的房子会泄漏热量，考虑到热量的特性，几乎不可能创造一个完美的传热屏障(不像试图容纳液体)。但你可以把它放慢几个数量级。
隔热减缓了热量的流动，减少了每小时或每天所需的能量，以弥补损失。
这就是为什么热和冷负荷以及设备容量通常以每小时表示。
>“好吧，但为什么不相关呢?”
因为能量传递是一个带有时间成分的速率。如果你的隔热材料能减缓50%的热量传递，那么你的热量损失就会从(举个例子)50,000 BTU/小时减少到25,000 BTU/小时。这就意味着单位时间内你用了一半的能量来补偿损失的热量。
因为你不断地输入热量来补充失去的热量，所以减慢热量散失的速度也减少了单位时间内损失的热量总量。你需要用离散的时间单位来思考。这里有两种情况:
1-稳定状态，热量输入保持空间内温度恒定。如果你有一个典型的开/关循环热源，循环将更短和/或更少的频率，以取代损失的热量，以保持恒定的内部温度。通过调制热源，总热量输出将减少到与通过隔热墙的损失率相匹配。在这两种情况下，维持约束内部温度所需的输入能量都减少了。
2-无输入能量。在这种情况下，内部温度被允许下降，直到与外部温度达到平衡。能量总是从浓度较高的区域向浓度较低的区域移动，因此内部空间会逐渐冷却。在这种情况下，隔热层起到减缓热损失率的作用，但现在它减慢了与外部温度达到平衡所需的时间。在任何给定的单位时间内，能量损失较少，这意味着内部温度下降得更慢。
你一直在思考无限的时间。在这种情况下，你要么消耗无限的能量，要么内部温度下降以适应外部温度。实际上，无限的时间尺度并不重要——我们关心的是有限的时间尺度。在有限的时间尺度内，由于隔热导致的热损失减慢导致在有限的时间内保持恒定温度所需的能量减少。它可以归结为BTU/hr单位的PER HOUR部分。
比尔
好吧，我确实忽略了时间尺度的重要性。缺失的碎片正在拼凑起来……但我还没有完全做到。
我现在在亚利桑那州，所以我对热传递的看法与大多数人完全相反——它不是“留在里面”的东西，而是“挡在外面”的东西。我的阁楼白天温度在华氏160度左右，太阳下山时温度在华氏100度左右，一年大约有一半的时间是这样。我把空调调到80度，这样至少6个月的时间里，热流都能源源不断地进来。墙壁是相似的，但通常一天中至少有一个小时的温度处于静止状态，所以在这6个月里，每天的压力只有23个小时(明显比天花板的压力要小)。
所以，如果我在阁楼上有很多隔热材料，那么我就会看到进入房子的热量更低，(谢天谢地)，我的空调可以花更少的能量把热量抽出来。我越能降低热传递速率，我冷却房子所用的能量就越少。好了。
但是，虽然这种热压不是无限的，但它在几个月的时间里是恒定的。如果所有的能量都被暂时吸收到隔热层中并且以低速率转移，那么这就意味着隔热层在供暖季节结束时将包含大量的热能所有的热量仍然需要去某个地方。
这里有两个想法。首先，也许隔热层确实有那么多“储存”的热能，但当我们进入冬季时，这种流动有时会逆转，也许它最终可以将春/夏/秋的能量转移出去，但转移到外面而不是内部?
其次，也许没有我想象的那么多的热能被“储存”在绝缘材料中?也就是说，我想象热量进入隔热层并停留在那里，直到它慢慢消失。这可能需要一种具有非常高的“热质量”(热容?)的材料，而大多数传统的绝缘材料都不具备这一点。那么在这种情况下，即使保温材料上的热压力在很长一段时间内相对恒定，它进入保温材料的速度也很慢所以保温材料中在任何给定时间内能够通过的热量相对较低?
绝缘不储存热量，它只是减缓导热损失。你把热质量和隔热弄混了。如果你想储存热量，你需要的是像混凝土墙一样的热质量。
“但是，虽然这种热压不是无限的，但它在几个月的时间里是恒定的。如果所有这些能量都被暂时吸收到隔热层中，并且以较低的速度转移，那么这就表明，在供暖季节结束时，隔热层将包含大量的热能，所有的热量仍然需要去某个地方。”
“热压”甚至不是一天不变的，更不用说一个季节了。160华氏度的峰值温度比100华氏度的夜间温度“压力”小得多。
Alexqc关于隔热层的蓄热能力几乎是正确的。不同的隔热材料有不同的“比热”(查一下)，这会影响它的“热扩散率”(也查一下)，但在稳态热流下，隔热材料或其他材料的净热质量(存储容量)并不重要。
隔热的作用是阻止热量以较低的速率传递，而不是储存热量以供以后重新释放。但当阁楼内存在(160F - 100F) 60F的昼夜温差时，保温材料的热扩散系数可以降低通过该材料的峰值热流密度和平均热流密度，并在阁楼温度峰值和天花板温度峰值之间插入一个有用的时滞。纤维素具有比玻璃纤维或岩棉高得多的比热，并且由于有利的热扩散效应，在高r下可以明显优于这些材料。
这些随时间变化的顶部温度的热质量/扩散效应(在非技术水平上的理解)在木纤维板绝缘制造商的这一点营销废话中得到解释:
https://gutex.de/en/product-range/product-properties/insulation-in-summer/
>“类比。假设你正站在一个水龙头下，水正倾泻到你身上。然后你拿一个有一个小洞的桶，把它放在你和水龙头之间——这样可以减少水的流量。在第一种情况下，你会很快被浸湿，而在后一种情况下，你需要更长的时间才能被浸湿……但最终，无论哪种情况，你都一样会被淋湿。”
如果滴水的速度减慢到你可以蒸发水分的速度，从而防止你被淋湿，就不会。
所以想象一下桶上不同大小的洞，以及保持干燥所需的条件。如果有一个大洞，你需要一个非常强大的烘干机，因为你会有大量的水倾泻在你身上。如果你需要一个小点的洞，比如吹风机。有一个很小很小的洞，几乎不会滴水，你可能会用白炽灯泡来保持干燥。现在把孔的大小想象成绝缘等级(小孔=高绝缘)，把烘干机想象成空调(灯泡=更小的空调，耗电量更少)。
我不明白你的比喻。记住，如果你加入相变(蒸发)，那么你做的不仅仅是改变热流速率。
在一个典型的系统中，隔热的作用是减缓热流从隔热外壳的热侧到冷侧的速度。为了简单起见，让我们只考虑在外部寒冷时加热内部以保持恒定温度的情况-就像冬天的房子一样。空调的情况完全相同，只是相反。
每隔一小时，你就会补充通过外壳散发到外部的热量。你输入了足够的能量来维持你的目标温度。隔热的作用是减缓热量的损失，这意味着每小时需要投入更少的能量来保持目标温度，因为损失的能量更少。通过这种方式，隔热层减少了维持目标温度所消耗的能量。
无限的时间尺度在这里不重要，只有有限的时间尺度(一小时，一天等)才重要。我想这就是你困惑的来源。在实验室装置中进行实验演示很简单，每个人都可以在自己的家中看到现实生活。在冬天打开一堆窗户，你的炉子会运行更多来补充失去的热量，导致更多的能源消耗和月末更高的账单。关上窗户就像增加了更多的隔热层，减缓了热量的流失，减少了炉子的运行量，减少了月末的能源账单。
比尔
好了，根据很多精彩的回答，我可以说我的想法中有一个基本的错误，那就是隔热层本质上是暂时储存热能，只是以较慢的速度散发出来。然而，大多数隔热材料的热质量或热容量都很小，所以认为隔热材料“储存”热量是错误的。一种更好的思考方式，也许是，把隔热层想象成一个热管道，它简单地阻止任何热量通过——但一开始并没有多少热量进入隔热层，因为即使是隔热层的入口也被限制了。
让我们再看看我的超热阁楼。据我所知，阁楼里高达80%的热量来自辐射热(剩下的大部分来自对流)。这种能量辐射到绝缘体中，然后……怎么啦？如果隔热层由于其低热容量而不能储存很多热量，那么这些热量会发生什么呢?能量是不能被摧毁的，所以它一定在某个地方，但是在哪里呢?
我想这就是为什么我一直认为隔热层必须吸收热量——它还能去哪里呢?
能量不会直接辐射到你阁楼的隔热层，而是进入你的屋顶和护套，然后再辐射到你阁楼的空气中。从那里一点点将通过传导和对流转移到你的房子里。它的速度取决于你阁楼地板上的绝缘材料的数量和你房子天花板的密闭性。如果你的阁楼有通风口，其余的热量将主要通过对流散发到室外。你可以把外面想象成一个无限的散热器。
热空气上升，因此冷空气将取代热空气在你的阁楼通过你的软垫，在这个过程中，将热量排出。这种流动被称为自然对流。
我喜欢你考虑这件事的方式。
“这种能量辐射到绝缘体中，然后……怎么啦？如果隔热层由于其低热容量而不能储存很多热量，那么这些热量会发生什么呢?能量是不能被摧毁的，所以它一定存在于某个地方，但在哪里呢?”
隔热层会变得更热，然后它会通过所有可用的传递机制(包括“通过”隔热层到另一侧)散发热量。
因此，如果太阳直接照射到一块泡沫板上，例如，泡沫在太阳一侧的温度会增加，这将产生更大的温度梯度，从而增加总能量吞吐量。
但是，与高导电性材料相比，该吞吐量的速率仍然会降低。
那么，由于速率降低而没有“通过”的多余能量会发生什么呢?它通过所有可用的传热机制被拒绝和/或消散:通过重新辐射热量(隔热材料，现在更热，将以更高的能量状态辐射)，通过对流冷却(空气现在将比具有更高温度的隔热材料相对更冷)和传导。根据绝缘表面的不同，辐射最初也可以被拒绝(反射)。
“那么，由于速率降低而没有‘传递’的多余能量会发生什么呢?”它通过所有可用的传热机制被拒绝和/或消散:通过重新辐射热量(隔热材料，现在更热，将以更高的能量状态辐射)，通过对流冷却(空气现在将比具有更高温度的隔热材料相对更冷)和传导。根据绝缘体表面的不同，辐射最初也可以被拒绝(反射)。
“多余的能量”既没有被隔热层吸收，也没有通过隔热层，就留在了阁楼里。其中一些被对流到室外(在通风的阁楼里)，或者通过屋顶甲板被(更冷的)室外空气对流，还有一些从屋顶重新辐射回天空。干燥晴朗的天空的辐射温度比室外屋顶的温度要冷得多，当太阳没有照射在屋顶上时，屋顶的温度会低于室外空气的温度(在非常晴朗的夜晚，通常会降到室外空气的露点)。
戴娜，我举的例子是一块泡沫板放在太阳下，暴露在大量的辐射中。我不知道你写的是和你引用的不一致，还是只是在澄清?它不是一个稳定的状态，也许是你的观点?
我的主要观点是:温度会寻求平衡。绝缘减缓了能量通过特定路径传递的速率。但平衡总是被寻求，通过所有可用的传热机制(这仍然包括绝缘路径，至少在我们发明“完美”绝缘之前);
在向系统中添加能量的情况下，只要某些传递路径被限制，能量就会“积聚”(或“过剩”)，减缓了向平衡的行进(但行进仍在继续)。
我将把水容器类比如下:不要使用玻璃，而是使用具有一定渗透性和吸收率的物质。容器的渗透性类似于热传递。吸收率类似于热容。它们都有时间效应，但不是绝对效应。如果流出的流量被控制在水龙头流入的流量以下，水最终会溢出来。
一个思想实验:如果我们有一个恒定的热源，周围是一个气密的硬泡沫盒子，那么这个隔热层最终传递能量的速度难道不会和一个同样大小的、导电性更强的气密盒子一样吗?很明显，隔热盒获得热量时会有一个滞后，但最终，它会变得足够热，使得δ t能够以相同的速率传递能量。就像水容器最终溢出和溢出水的速度与水龙头本身一样。
从这个意义上说，绝缘只有在地球自转时才能起作用。,)
>“Dana，我的例子是一块泡沫板坐在阳光下，暴露在大量的辐射中。我不知道你写的是和你引用的不一致，还是只是在澄清?它不是一个稳定的状态，也许你的意思是?”
泡沫板盒子不是在真空中——它也被空气包围着，空气将热量对流走，它仍然在向天空辐射。泡沫的太阳反射指数会因其类型和表面而异——它不是黑体吸收剂。
“在向系统中添加能量的情况下，只要某些传递路径被限制，能量就会‘积累’(或‘过剩’)，减缓了向平衡的进程(但进程仍在继续)。”
平衡状态是当反射、辐射、对流和(较小比例)传导的热量等于入射太阳辐射的速率时。大多数时候，天空的辐射温度接近(有时低于)水的冰点，所以即使是一个相当太阳光谱吸收(低SRI)的屋顶材料与静止空气(最小对流)也不会持续升温。它只会达到这样的温度，即辐射回到寒冷的天空，加上通过隔热层的热量等于入射太阳辐射的吸收率。当你在屋顶下隔热时，屋顶必须达到更高的温度才能达到平衡，但它将处于平衡状态。
当隔热层在阁楼地板上时，阁楼的温度上升，屋顶的温度上升，但通过天花板的热量通量下降。“额外”的热量通过阁楼和屋顶的高温被重新定向到室外，增加了屋顶甲板的对流和辐射冷却。更进一步，在椽子下面添加高红外反射材料(例如，镀铝织物辐射屏障)，但在阁楼地板上面的隔热材料会提高屋顶甲板的温度，以获得更高的天空辐射，并且椽子通道中的较高温度会增加底部屋顶甲板的对流冷却驱动，如果适当地从软肋到脊部通风。
这种RB方法降低了阁楼的空气温度，同时提高了屋顶甲板的温度，但与在阁楼地板上增加更深的隔热层相比，整体散热并不一定“值得”(除非阁楼地板隔热层上方有非隔热管道和空气处理器)。
“一个思想实验:如果我们有一个恒定的热源，周围是一个气密的硬泡沫盒子，那么隔热层最终传递能量的速度不会和一个同样大小的、导电性更强的气密盒子一样吗?”
当然，但那又怎样?
达到平衡点所需的时间是盒子r值的函数，以及盒子的总热质量和里面的东西。
你住在一个绝缘的盒子里，它与底部的地球相连(一个非常大的热质量)，温度要低得多，你用热泵(空调)把热量从盒子里抽出来。
为了保持较低的温度，热泵需要运行的BTU/hr速率被隔热盒的r值大大降低。
谢谢达纳。我几乎同意你说的每件事。
“它只会达到这样的温度，即辐射返回寒冷的天空，加上通过隔热层的热量等于入射太阳辐射的吸收率。”
是的，我同意。总是趋于平衡。我并不是想暗示不管环境能量交换如何，温度都会持续升高。恰恰相反。我的话可能有些结结巴巴。
>“当然，那又怎样?”
问得好。它不能代表建筑的运作方式，也不打算代表。这是一个试图解决Kurt提出的一个基本概念的尝试。也就是说，如果隔热减缓了热量传递，热量不会在某处积聚吗?它去了哪里?
我的思想实验是为了证明热量确实会通过隔热层，甚至可以以相同的速率通过隔热层，在更高的温度梯度下。这是一个例子，当由绝缘引起的热量“积聚”可以有一个反馈，最终导致能量通过率(更好的术语?)相当于较低的绝缘系统。
我应该进一步说明的是，这个例子并不代表建造气候控制系统。在那里，我们寻求恒定的温度，而不是提供恒定的能量来源。我知道为什么这会让人更困惑，但我觉得库尔特是这么想的。
我可能低估了，根据热力学定律，当能量通过绝缘的速度变慢时，它最终会在环境的开放系统中消散。绝缘真正改变的唯一一件事是，特定的(绝缘)路径对通过该路径的能量流造成了额外的阻碍。除了对流和通常较小程度的传导机制外，这包括你所说的对“冷天空”的辐射(实际上只是辐射，任何地方和任何东西)。你在阁楼的问题上增加了更多的细节。我说的很笼统。
“地球旋转”的评论是抽象的，但只是暗示了有关能量和熵的更大系统交换的概念。如果没有系统组件(局部地)减少熵，绝缘最终将是无用的。地球的旋转可能不是推力，而是我们与遥远的聚变球和周围寒冷的太空的整体关系。
我想我看到了不和谐。看看Kurt的问题:
“这种能量辐射到绝缘体中，然后……怎么啦？如果隔热层由于其低热容量而不能储存很多热量，那么这些热量会发生什么呢?能量是不能被摧毁的，所以它一定存在于某个地方，但在哪里呢?”
我知道为什么我的回答令人困惑和/或没有抓住要点。这是真的，正如亚历克斯和达纳指出的那样，并不是所有的能量都辐射到绝缘体中。它向各个方向辐射，通过通风和传导的对流被带走。
库尔特似乎把绝缘材料想象成河上的一种水坝，水在水坝后面逆流而上。在这种情况下，水最终确实会溢出来。
我的“思维实验”本质上就是一个例子。给定一个恒定的、稳定的能源(就像一条完美的河流)，控制流出的速度只会延迟，最终会发生溢出。
然而，能量不会在我们的墙后持续积累，就像一条稳定流动的河流在大坝后那样。也许把这个比喻转换成潮汐而不是河流会澄清这个问题?
当水很高，高于你的住宅水平时，绝缘材料会减缓水的通过，直到……瞧，水在减少(每天、季节和地点的减少程度各不相同)——与此同时，我们一直在用水泵把进入的水抽出来。“水坝”越防水，水泵运行的时间就越少。
从能量的角度来看，“水的消退”就是简单地消散到更大的环境中(通过对流、传导和辐射)。在绝对和最终的意义上，这意味着最终消散到太空中。
一旦阁楼内部的温度高于外部，热量就会从内部流向外部。这是因为太阳将更多的热量注入。当流出的热量与流入的热量相同，内部温度停止上升时，就会达到平衡。当太阳的能量减弱时，流出的热量多于流入的热量，内部的温度就会下降。现在t变低了，所以热流速率下降了，新的平衡建立了，直到太阳的能量再次改变。
在某些情况下(例如土壤)，某种材料是重要的绝缘体，具有重要的热容量。这导致许多人错误地分析它。
可能还值得一提的是，并非所有常见的绝缘材料相对于r值具有相同的热容量。例如，纤维素比泡沫板具有更大的热容量，这可能会微妙地影响信封的特性。它们也有不同的水分缓冲能力。
把稳态导热看作与电流流动的类比可能是有用的。电流将在给定的电压差下“流过”电阻器，其幅度与电阻器的幅度成正比。在给定温差下，热流密度与给定材料的导电性成正比。热流通过电子振动的传递而发生。和大多数气体一样，空气是不良导体(良好绝缘体;比任何普通的固体绝缘体都要好)。绝缘是通过制造小的静止空气来实现的。既然空气这么好，为什么还要用隔热材料呢?如果空气不局限于小口袋，对流成为主要的传热机制，它是非常有效的。因此，空气密封是关键。
“也就是说，如果隔热减缓了热量传递，热量不会在某处积聚吗?”它去哪儿了?”
热量“回到”它来的地方(某种程度上)。
通过阻挡/减缓热量的传递，组件的暖侧运行得更热一些，因为它没有通过。
在较高的温度下，它向寒冷的天空辐射出更多的热量。
…并将更多的热量对流到附近的大气中。
没有什么神秘或神秘的事情发生。在入射太阳辐射下，屋顶温度通常比周围空气高几十华氏度，热屋顶甲板下的阁楼温度比外部屋顶温度低几十华氏度，也高于室外空气温度。
在有空调的房子里，当阁楼地板没有隔热时，阁楼的温度会比隔热时低一到三个度，因为热量以足够高的速度转移到有空调的空间，从而显著影响阁楼的温度。将阁楼地板隔热到R30，冷却效果就会大大降低——阁楼的温度会上升几度，屋顶甲板的温度也会上升几度。与未隔热的阁楼相比，通过对流和辐射将更多的热量送回外部环境。