maipatana.me

U-Value คืออะไร?

uvalueenergy

U-Value คืออะไร? จริงๆแล้วคำตอบของคำถามนี้ รวมไปถึงวิธีคำนวณค่า U-Value ผมเคยเขียนไว้คร่าวๆแล้วใน วิธีคำนวณค่า OTTV ภาคทฤษฎี ตอนที่ 2: U-Value และ TDeq แต่พอดีว่าวันนี้มีน้องที่เรียนปี 2 มาถามเรื่องนี้กับผมที่คณะ เห็นเค้าว่าในวิชาออกแบบจะต้องออกแบบให้ค่า U-Value ได้ตามมาตรฐานด้วย น่าสนใจดี อยู่ปี 2 ก็ต้องคำนึงถึงค่า U-Value กันแล้วในงานออกแบบ ฉะนั้นผมเลยอยากเขียนอธิบายให้ละเอียดกว่าเดิมอีกสักหน่อยว่า U-Value คืออะไร ผมคงไม่สามารถอธิบายได้ทุกมุม แต่คิดว่าหลักๆก็น่าจะครบนะครับ

U-Value คืออะไร?

หากต้องการเข้าใจแบบทางลัด ก็ให้ดูที่หน่วยของ U-Value ซึ่งก็คือ W/m2·°K (หรือ W/m2·°C) เมื่อเห็นหน่วยแล้วเราย่อมบอกได้ว่าค่า U-Value คือค่าที่บอกว่า

พลังงานถ่ายเทกี่วัตต์ บนพื้นที่ 1 ตารางเมตร โดยมีความต่างอุณหภูมิ 1 องศาเคลวิน หรือ 1 องศาเซลเซียส

โดย 1 ตารางเมตรที่กำลังถูกอ้างถึงนั้นๆ คือ 1 ตารางเมตรของผนัง หรือพื้น หรือหลังคา หรือใดๆ ที่มีชั้นของวัสดุต่างๆ เช่นผนังที่มีชั้นของปูนฉาบ + อิฐมวลเบา + ปูนฉาบ หรือพื้นที่มีชั้นของคอนกรีต + กระเบื้อง เป็นต้น โดยค่า U-Value นี้ไม่ใช่ค่าของชั้นวัสดุแต่ละชั้นแยกจากนั้น แต่คือค่าของ construction ทั้งชิ้นที่รวมวัสดุทุกชั้นเอาไว้แล้ว

Note: ตรงนี้สำคัญมากๆนะครับ เพราะสมัยผมทำงาน พบว่าบางคนที่ไม่เข้าใจจะคิดว่าค่า U-Value นี้เป็นค่าของวัสดุแต่ละชิ้นแล้วสามารถเอามาบวกกันได้ เราทำแบบนั้นไม่ได้นะครับ เพราะ (ย้ำอีกครั้ง) ค่า U-Value นี้เป็นค่าของ construction ทั้งชิ้นนะครับ รวมทุกชั้นของ construction ชิ้นนั้นๆเข้าด้วยกันแล้ว ไม่ได้แยกเป็นชั้นๆ

หากมีการเพิ่มชั้นวัสดุเข้าไป ไม่สามารถบวกเพิ่มเข้าไปตรงๆกับ U-Value ได้นะครับ จะต้องทำให้เป็นค่า R ก่อนแล้วค่อยบวก ซึ่งผมจะอธิายวิธีในตอนต่อไป

พื้นฐานของการนำ

ข้างบนเป็นความเข้าใจแบบทางลัด คราวนี้มาทำความเข้าใจค่า U-Value แบบทางธรรมดาบ้างนะครับ :D

ความร้อน หรือพลังงาน มีการถ่ายเทอยู่ 3 แบบ คือการนำ (Conduction) การพา (Convection) และการแผ่ (Radiation) โดยเรื่องของ U-Value นี้จะเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทแบบการนำ (Conduction) เท่านั้น ฉะนั้นการพา กับการแผ่ จะไม่ถูกอธิบายในตอนนี้นะครับ

เพื่อทำความเข้าใจการถ่ายเทความร้อนแบบการนำ ให้ลองนึกภาพลูกบอลหลายๆลูกที่เชื่อมต่อกันด้วยสปริงนะครับ แล้วพอลูกบอลลูกหนึ่งมันสั่น ลูกบอลลูกอื่นๆก็จะสั่นตามไปด้วย (ดูรูปที่ 1) เพราะมันเชื่อมกันด้วยสปริงนั่นเอง โดยลูกบอลที่อยู่ไกลจากจุดที่เกิดการสั่นที่จะก็จะสั่นเบาที่สุด

U-Value_คืออะไร_การนำ_002

รูปที่ 1 แสดงลำดับการสั่นของโมเลกุลที่เชื่อมต่อกัน: source

การถ่ายเทความร้อนแบบการนำก็เป็นแบบนั้นเลยครับ โมเลกุลในของแข็งนั้นมันเชื่อมติดกันเสียจนไม่สามารถขยับตัวเองหรือไหลไปไหนได้เหมือนของเหลวหรือแก๊ส ฉะนั้นเมื่อโมเลกุลใดสั่น (vibrate) โมเลกุลข้างๆก็จะสั่นตาม แต่ในระดับที่น้อยกว่า อันนี้ไม่งงใช่ไหมครับ เพราะว่าตัวที่มันถัดออกมาเรื่อยๆก็ต้องสั่นเบากว่าอยู่แล้วถูกไหมครับ? รูปที่ 2 จะทำให้เห็นภาพกว่ายิ่งไกลจากต้นกำเนิดการสั่น โมเลกุลจะสั่นเบาลงเรื่อยๆครับ โดยสี เหลืองสั่นแรง สีแดงก็เบาลงมา สีฟ้าคือเบาสุดครับ

U-Value_คืออะไร_การนำ_001

รูปที่ 2 แสดงการสั่นที่แตกต่างกันของโมเลกุลที่อยู่ใกล้และไกลจากแหล่งพลังงาน: source

นี่ก็คือหลักการพื้นฐานของการถ่ายเทความรู้แบบการนำนะครับ ทีนี้เจ้าตัว U-Value นี้เกี่ยวข้องกับที่ผมอธิบายไปเมื่อกี้ยังไง? ก็คือว่า ค่า U-Value จะบอกเราว่าที่ปลายสุดอีกด้านของ construction ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า มีการสั่นมากน้อยแค่ไหน (โดยเป็นหน่วยวัตต์) ใน 1 ตารางเมตร เมื่ออุณหภูมิอีกด้านต่ำกว่า 1 องศาเคลวิน หรือ 1 องศาเซลเซียส (จากนี้ไปผมจะเรียกแค่เคลวินละนะครับ)

Note: เรื่องของการสั่นนี่ไม่ใช่การอุปมานะครับ มันสั่นจริงๆครับ... ทุกๆโมเลกุลที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 องศาเคลวิน มันสั่นทั้งนั้นแหละครับ ฉะนั้นแล้วไม่ใช่ว่าอยู่ๆมีความร้อนมากระทบแล้วมันจะสั่นนะครับ อยู่เฉยๆมันก็สั่นของมันอยู่ตลอดเวลาอยู่แล้ว แต่บางทีมันอาจจะน้อยเกินกว่าที่รับรู้ได้ด้วยตาเปล่าเท่านั้นเองครับ และการสั่นนี่ก็คือพลังงาน เมื่อพลังงานมากขึ้น โมเลกุลสั่นแรงขึ้น อุณหภูมิก็สูงขึ้น มันก็เลยร้อน บางทีผมเลยเรียกพลังงานว่าความร้อนครับ

ทำไมภายในต้องอุณหภูมิต่ำกว่าภายนอก?

เป็นคำถามที่ดีมากครับ ทำไมอุณหภูมิภายในต้องต่ำกว่าด้วย? สูงกว่าไม่ได้หรอ? คำตอบคือได้ครับ จริงๆแล้วประเด็นมันอยู่ที่ความต่างอุณหภูมินี่แหละครับ คือว่าถ้าอุณหภูมิเท่ากันหมดทั้งข้างนอกอาคาร ทั้งข้างในอาคาร และข้างในตัววัสดุ หรือพูดง่ายๆว่าไม่มีความต่างอุณหภูมิเลย - มันก็ไม่มีการถ่ายเทความร้อนครับ เพราะมันเท่ากันหมด มันก็ไม่รู้จะถ่ายเทไปไหน พลังงานไหลจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงไปยังที่ที่มีอุณหภูมิต่ำนะครับ ข้างนอกบ้านเรามันร้อน เราเปิดแอร์ ความร้อนก็พยายามไหลเข้ามาในบ้านเรา เวลาเราเอาน้ำร้อนใส่แก้ว มันก็พยายามออกไปข้างนอกแก้ว เพราะข้างนอกแก้วมันแย็นกว่าน้ำในแก้ว ทิ้งไว้นานๆน้ำร้อนก็ไม่ร้อนอีกต่อไป มันเป็นแบบนี้แหละครับ

ซึ่งถ้าพูดในภาพใหญ่แล้วละก็คงแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยนะครับที่ทุกๆอย่างจะไม่มีความแตกต่าง

ฉะนั้นแล้ว ไม่ว่าภายในหรือภายนอกผนังจะมีอุณหภูมิต่ำกว่า พลังงานหรือความร้อนมันก็ไหลไปทางนั่นแหละครับ ถ้าห้องเราเย็นกว่าข้างนอก ความร้อนจากข้างนอกก็พยายามถ่ายเทเข้ามา ถ้าเข้าในเราร้อนกว่า ความร้อนในห้องก็ถ่ายเทออกไปข้างนอกนั่นเอง ซึ่งไม่ว่าทางไหน ค่า U-Value ก็เป็นตัวบอกว่ามันจะไหลผ่านไปได้มากน้อยแค่ไหนนั่นเองครับ

ทำไมต้องมีกำกับว่าความต่างอุณหภูมิคือ 1 องศาเคลวิน?

อันนี้ก็เป็นคำถามที่ดี คำตอบอยู่ที่รูปที่ 2 ครับ และอย่างที่บอกเอาไว้ว่าที่ๆมีพลังงานสูงมันไหลไปหาตรงที่มีพลังงานต่ำกว่าใช่ไหมครับ และยิ่งต้นกำเนิดการสั่นสั่นแรงเท่าไหร่ ตรงปลายอีกด้านก็จะสั่นแรงขึ้นด้วยเช่นกัน ค่า U-Value ก็เลยเทียบกับความต่างอุณหภูมิที่ 1 องศาเคลวินจากแหล่งกำเนิดความร้อน หรือแหล่งพลังงาน หรือแหล่งกำเนิดการสั่น ไปยังปลายอีกด้านที่มัน (อย่างที่บอกว่าทุกอย่างมันก็สั่นตลอดเวลา) สั่นเบากว่าอยู่ 1 องศาเคลวินนั่นเองครับ

สรุป ที่มันต้องมีความต่างอุณหภูมิเพราะถ้าไม่มีความต่าง มันก็ไม่มีการถ่ายเทความร้อน และที่มันต้องต่าง 1 องศาเคลวินเพื่อให้ง่ายต่อการเอาค่าไปใช้งานต่อได้ครับ เช่นถ้ามันต่าง 10 องศา ก็คูณ 10 นั่นเองครับ

สิ่งที่ควรรู้: ค่า U-Value เป็นค่าคงที่ โดยจริงๆแล้วมันไม่คงที่

ใช่แล้วครับ มันเป็นค่าคงที่ที่จริงๆแล้วมันไม่คงที่ ที่ผมบอกว่า "จริงๆ" แปลว่าในโลกแห่งความจริงมันไม่คงที่ครับ ค่า U-Value เปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆตามอุณหภูมิของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงไป โดยปกติแล้วค่า U-Value ทั่วไปจะเป็นค่า U-Value ที่ 25 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิมาตรฐานในการวัดค่า K หรือ λ หรือ Conductivity ที่เป็นค่าที่ใช้หาค่า R ก่อนที่จะเป็นค่า U-Value (รายละเอียดการคำนวณผมจะเขียนเพิ่มในตอนหน้า หรือสามารถดูที่ วิธีคำนวณค่า OTTV ภาคทฤษฎี ตอนที่ 2: U-Value และ TDeq ก่อนได้ครับ)

ด้วยความที่ค่า U-Value ที่โดยทั่วไปอยู่ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส แต่โลกความเป็นจริงมันไม่ได้คงที่อยู่ที่ 25 องศาเซลเซียส (ถูกไหมครับ?) แปลว่าจริงๆแล้วการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นจริงๆมันไม่ได้คงที่เท่าเดิมตลอดเวลานะครับ โดยรูปที่ 3 และ 4 จะแสดงให้เห็นถึงค่า K ที่เปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป (ค่า K เปลี่ยน ค่า U-Value ก็เปลี่ยน)

U-Value_คืออะไร_Conductivity_อุณหภูมิเปลี่ยน_อิฐ

รูปที่ 3 แสดงค่าการนำที่แตกต่างกันตามอุณหภูมิที่แตกต่างกันของอิฐ : source

U-Value_คืออะไร_Conductivity_อุณหภูมิเปลี่ยน_คอนกรีต

รูปที่ 4 แสดงค่าการนำที่แตกต่างกันตามอุณหภูมิที่แตกต่างกันของตอนกรีต: source

แต่ก็ไม่ใช่ว่าไม่ควรใช้ค่า U-Value นะครับ มันก็มีความดีในตัวของมัน มันก็พอจะบอกอะไรเราได้บ้าง แต่ผมแค่อยากจะให้รู้ว่ามันมีสิ่งที่ต้องคำนึงถึงบ้างนะครับ

สิ่งที่ควรรู้: ค่า U-Value ชี้ไปแค่ทางเดียว

"ชี้" หมายถึงทิศทางของความร้อนทึ่ส่งผ่านวัสดุนะครับ ก็คือตรงๆ ตั้งฉากกับพื้นผิว ซึ่งในโลกความเป็นจริงมันไม่ใช่นะครับ เราอยู่ในโลกที่วัตถุมี 3 มิติ ความร้อนมันไม่ได้ถ่ายเทกันตรงๆแบบนั้นหรอกครับ ให้ลองนึกถึงสายยางอะครับ เวลาน้ำพุ่งออกมา แล้วเราบีบบางส่วนให้มันเล็กลง น้ำมันก็จะเบียดไปทางอื่น มันไม่ได้พุ่งตรงๆ เจอเราบีบสายยางมันก็จะรอต่อแถวออกตรงๆไม่เบียดไปทางอื่น มันเบียดไปทางอื่นนะครับ!! ความร้อนก็เช่นกัน

ความร้อนก็แบบนั้นเลยครับ ตรงไหนมันไปง่ายกว่ามันก็ไปไว แล้วมันก็พยายามจะไปกัน ตรงไหนไปยากมันก็ไปช้า มันก็จะไม่ค่อยไป มักจะพบได้จากเวลาที่วัสดุที่แตกต่างกันมาอยู่ติดกันนะครับ เช่นปูนกับอิฐที่อยู่ติดกัน ความร้อนมันก็จะไหลออกทางปูนมากกว่า เพราะไหลไปง่ายกว่า ซึ่งจะเห็นได้ชัดเจยจากตัวอย่างในรูปที่ 5 ครับ ว่าสีแดงคือความร้อนไหลออกมามากกว่าสีเหลือง (สีแดงมีอุณหภูมิสูงกว่าสีเหลือง)

U-Value_คืออะไร_สิ่งที่ควรรู้_001

รูปที่ 5 แสดงภาพถ่าย Infrared ของผนังอาคารเพื่อแสดงการไหลของความร้อนที่ออกมาทางปูนมากกว่าอิฐ: source

โดยสิ่งที่เกิดขึ้นนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเพียงภายนอกเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นที่ภายในของ construction อีกด้วย อย่างที่เห็นได้จากรูปที่ 6 ว่าการถ่ายเทความร้อนภายในผนังนั่นไม่ได้เท่ากันตลอดเมื่อเข้าใกล้วัสดุที่แตกต่างกัน (ในรูปคือหลังคา) การไหลของความร้อนไม่ได้เป็นไปในทางตรงอย่างเดียว แต่สามารถไหลเฉียงๆไปข้างๆได้ด้วย ซึ่งในโลก 3 มิตินี้ (รูปที่แสดงเป็นแค่ 2 มิติ) ความร้อนก็ไหลไปได้ทุกทิศทาง ไม่ได้จำกัดแค่ทางตรงๆเท่านั้นครับ

U-Value_คืออะไร_สิ่งที่ควรรู้_002

รูปที่ 6 แสดงการไหลของความร้อนภายในผนัง: source

สรุปคือค่า U-Value นั่นไม่สามารถบอกการไหลของพลังงานเมื่อวัสดุที่แตกต่างกันมาชนกันได้ (ซึ่งตรงนี้เป็นเรื่องของ Thermal Bridge บอกด้วย Ψ-Value ซึ่งคงจะอธิบายรายละเอียดในครั้งต่อๆไปครับ)

ส่งท้าย

เขียนไปเขียนมาก็คิดว่ามันมีเนื้อหาเยอะแยะเหลือเกิน แต่สรุปแล้วก็น่าจะทำให้เข้าใจว่า U-Value มันคืออะไร มันบอกอะไรกับเรา และอะไรคือข้อจำกัด อะไรที่มันไม่ได้บอก ซึ่งเนื้อหามันมีเยอะกว่านี้ แต่เท่านี้ก็น่าจะพอให้ทำความเข้าใจได้บ้างในระดับนึงนะครับ