หลังคาประหยัดพลังงาน

หลังคา เป็นส่วนแรกและบนสุดของอาคารที่แสงแดดและความร้อนจากดวงอาทิตย์ตกกระทบ หลักเกณฑ์การประหยัดพลังงานในอาคารมุ่งเน้นการสร้างภาวะสภาบภายในอาคาร เพื่อให้มีการใช้ไฟฟ้าในการปรับอากาศต่ำที่สุด เนื่องจาก
ประเทศไทยตั้งอยู่ในเขตศูนย์สูตรซึ่งมีสภาพภูมิอากาศร้อนขึ้น อุณหภูมิเฉลี่ยในเวลากลางวัน 30 – 35 องศาเซลเซียส และมีความชื้นสัมพัทธ์เฉลี่ยร้อยละ 40-50 ส่วนกลางคืนอุณหภูมิเฉลี่ยอยู่ที่ 27-30 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพันธ์อยู่ที่ร้อยละ 80 – 90

ภาวะสบาย (themal comtort) เป็นภาวะอากาศที่ร่างกายมนุษย์รู้สึกสบาย ไม่ร้อนและไม่หนาวจนเกินไป อุณหภูมิและความชื้นขณะนั้นมีความเหมาะสมกับความรู้สึกของร่างกาย ดังนั้นภาวะสบายจึงนำมาแสดงออกเป็นค่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพันธ์ของอากาศ ในขณะที่ร่างกายรู้สึกสบาย จากการค้นคว้าเราพบว่าค่าภาวะสบายขึ้นกับปัจจัยส่วนบุคคลและสิ่งแวดล้อม แม้ว่าค่าภาวะสบายจะนำมาแสดงเป็นค่าอุณหภูมิและความชื้นแต่ก็มีความแตกต่างกันตามวัย เพศ และการสวมเสื้อผ้า ค่าภาวะสบายสำหรับคนในเขตร้อนชื้นภายในอาคารอยู่ที่อุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 23 – 29 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพันธ์เฉลี่ยร้อยละ 50 – 60

การประหยัดพลังงานไฟฟ้าจากการใช้เครื่องปรับอากาศ มีความสัมพันธ์โดยตรงกับการควบคุมอุณหภูมิภายในอาคารให้อยู่ในขอบเขตของภาวะสบาย การป้องกันความร้อนและความชื้นไม่ให้เข้าสู่อาคารจากหลังคาจะเป็นการช่วยลดภาวะการทำงานของเครื่องปรับอากาศไม่ให้เครื่องปรับอากาศต้องทำงานหนัก ทำให้ประหยัดไฟฟ้า การควบคุมการถ่ายเทปริมาณความร้อนเข้าสู่อาคารจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการประหยัดพลังงาน

ความร้อน (heat) เป็นพลังงานที่ถ่ายเทจากแหล่งหนึ่งไปสู่อีกแห่งหนึ่ง แหล่งกำเนิดความร้อนทางธรรมชาติใหญ่ที่สุดคือ ดวงอาทิตย์ 

การถ่ายเทความร้อน (Heat transfer)

การถ่ายเทความร้อน คือ การถ่ายเทพลังงานจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง ที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิเกิดขึ้น ซึ่งจะมีการถ่ายเทความร้อนจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเสมอ และการถ่ายเทความร้อนจะหยุดลงต่อเมื่อแหล่งความร้อนทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน วิธีการถ่ายเทความร้อนมี 3 วิธี ดังนี้

1. การนำความร้อน (conduction) คือ การถ่ายเทความร้อนจากจุดที่มีอุณหภูมิสูงำกว่าไปยังจุดที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าการนำความร้อนต้องอาศัยตัวกลางที่ไม่เคยเคลื่อนที่ในการนำความร้อน เช่น ของแข็ง ของไหล และก๊าซ ยกตัวอย่างการนำความร้อน การถ่ายเทความร้อนจากกำแพงด้านหนึ่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปอีกด้านหนึ่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าในกำแพงเดียวกัน

2. การพาความร้อน (convection) คือ การถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นผิวของของแข็งกับของไหลและก๊าซที่มีการเคลื่อนที่ จะส่งผลให้เกิดการถ่ายเทโทเมนตัมซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการพาความร้อน กล่าวคือ ของไหล เคลื่อนที่ยิ่งเร็วมากขึ้นก็จะเกิดการพาความร้อนได้มากขึ้นเท่านั้น การพาความร้อนจะแบ่งเป็น 2 กรณีคือ การพาความร้อนแบบอิสระหรือโดยธรรมชาติ (free or natural convection) และการพาความร้อนแบบบังคับ (force convection) – การพาความร้อนแบบอิสระหรือโดยธรรมชาติ เป็นการถ่ายเทความร้อนโดยอาศัยความแตกต่างของความหนาแน่นของของไหน กล่าวคือของไหลเมื่อได้รับความร้อนและมีอุณหภูมิสูงขึ้น จะมีความหนาแน่นลดลงกว่าอากาศโดยรอบ ทำให้เกิดแรงยกตัว (buoyant force) ลอยตัวขึ้น เช่น เรานำไข่ต้มร้อน ๆ ไปวางไว้บนโต๊ะที่มีอากาศโดยรอบสงบ จะเกิดการพาความร้อนขึ้นโดยที่อากาศรอบ ๆ ไข่ต้มพาให้ไข่ต้มที่ร้อนอยู่มีอุณหภูมิลดลงและทำให้อากาศรอบไข่มีอุณหภูมิสูงขึ้น – การพาความร้อนแบบบังคับ จะเป็นการถ่ายเทความร้อนโดยอาศัยแรงภายนอกเข้ามาบังคับของไหลให้มีการไหลผ่านพื้นผิว เช่นพัดลม ปั๊ม หรือลม เป็นแรงภายนอก เช่น การนำไข่ต้มร้อน ๆ มาวางไว้เฉย ๆ แล้วใช้พัดลมเป่า ทำให้เกิดการพาความร้อนแบบบังคับ

3. การแผ่รังสี (radiation) คือ พลังงานที่แผ่ออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากการถ่ายเทพลังงานโดยการนำและการพา การแผ่รังสีนั้นไม่จำเป็นต้องมีตัวกลาง การถ่ายเทพลังงานในรูปของการแผ่รังสีจะรวดเร็วที่สุดมีความเร็วเทียบเท่าความเร็วแสง ยกตัวอย่างเช่น การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มาสู่โลก วัตถุใด ๆ ก็ตามที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0 เคลวิน) จะมีการแผ่รังสีความร้อนออกมา การแผ่รังสีในที่นี้จะไม่นับรวมรังสีเอ๊กซ์ รังสีแกมม่า คลื่นไมโครเวฟ คลื่นวิทยุ และคลื่นโทรทัศน์ เพราะรังสีดังกล่าวไม่มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิ ค่าการคำนวณความร้อน (thermal conductivity) เป็นคุณสมบัติทางกายภาพด้านความร้อนของสสารที่เป็นตัวนำความร้อน เช่น โลหะเกือบทุกชนิดจะมีค่าสภาพการนำความร้อนสูง ส่วนวัสดุที่เป็นฉนวนจะมีค่าสภาพการนำความร้อนต่ำอัลลอยด์ของโลหะ เซรามิคและวัสดุสารอินทรีย์ จะมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า ค่าการนำความร้อนจะบ่งชี้ว่าผลิตภัณฑ์นั้นเป็นฉนวนกันความร้อนเมื่อมีค่าการนำความร้อนต่ำ หรือวัสดุผลิตภัณฑ์นั้นจะเป็นตัวนำความร้อนเมื่อมีค่าการนำความร้อนสูง สภาพการนำความร้อน (k) สภาพการนำความร้อน (k) เป็นตัวคงที่ขึ้นอยู่กับวัสดุแต่ละชนิด การนำความร้อนเป็นหนึ่งในกระบวนการถ่ายเทความร้อน การนำความร้อนเป็นลักษณะการถ่ายเทความร้อนผ่านโดยตรงจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งโดยการสัมผัสกันเช่น การเอามือไปจับกาน้ำร้อน จะทำให้ความร้อนจากกาน้ำถ่ายเทไปยังมือ จึงทำให้รู้สึกร้อน เป็นต้น วัสดุใดนำความร้อนได้ดีจะมีค่า k สูง วัสดุใดนำความร้อนได้ไม่ดีจะมีค่า k ต่ำ k – value หมายถึง อัตราการไหลของความร้อนผ่านวัสดุเดียวกันที่มีความหนาหนึ่งหน่วย ฉนวนกันความร้อนที่ดีมีค่า k- value ต่ำ