1. Độ phát xạ E (Emittance/Emissivity): là đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ nhiệt và toả nhiệt (dạng bức xạ) của một bề mặt. Tất cả các vật liệu đều có độ phát xạ trong khoảng 0 đến 1 (0% đến 100%). Chỉ số phát xạ càng thấp, bức xạ nhiệt mà bề mặt đó nhận vào và phát ra càng thấp. Màng nhôm có chỉ số phát xạ rất thấp (3%), và người ta áp dụng đặc trưng đó của màng nhôm để chế tạo các vật liệu cách nhiệt phản xạ.
2. Độ phản xạ R (Reflectance/Reflectivity): đặc trưng cho khả năng chống lại sự thâm nhập của các tia bức xạ. Đây chính là tỉ lệ năng lượng phản xạ ngược lại sau khi chạm vào một bề mặt. Màng nhôm có độ phản xạ là 97%. Độ phản xạ và độ phát xạ là phần bù của nhau và có tổng bằng một. Nghĩa là một bề mặt có độ phát xạ càng thấp thì có độ phản xạ càng cao.

Tham khảo:
Emissivity Coefficients of some common Materials
Emissivity Values Page
Table of Emissivity

1. Màng nhôm tinh khiết: phát xạ E = 0.03-0.05, phản xạ nhiệt 95%-97%.
2. Màng Metalized, còn là màng (xi) mạ nhôm: là một lớp mỏng phân tử nhôm được kết dính vào màng pôlymer (PET, OPP, PP, PE) qua quá trình xử lí chân không. Các màng MPET có chỉ số phát xạ E = 0.40-0.75 (Phản xạ nhiệt 25%-60%) tùy vào công nghệ và chất lượng lớp mạ phân tử nhôm.

Màng Metalized có giá thành rẻ hơn hẳn so với màng nhôm nhưng lại bóng, đẹp hơn màng nhôm, nên thường tạo cho người dùng cảm giác phản xạ tốt hơn. Thực tế, số liệu kỹ thuật cho thấy:

Màng Metalized phản xạ nhiệt kém xa màng nhôm.

Tuy nhiên, màng Metalized (thực chất là màng nhựa) có khả năng chịu ăn mòn điện hóa tương đối tốt hơn màng nhôm nên được ứng dụng ở những môi trường có chất ăn mòn như chuồng trại, cơ sở sản xuất hóa chất, xà phòng … Người ta hy sinh tính năng chống nóng, và ngược lại nhận được độ bền hóa học.

Dĩ nhiên, trong những môi trường có độ ăn mòn cao như cơ sở sản xuất ắc-quy, phân bón… màng Metalized cũng bị xuống cấp nhanh chóng.

Hiệp hội các nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt phản xạ quy định: một vật liệu chỉ được công nhận là cách nhiệt phản xạ khi ngăn chặn tối thiểu 90% bức xạ nhiệt (Độ phát xạ E tối đa 0.10). Điều này đồng nghĩa với:

Cách nhiệt phản xạ đạt chuẩn phải có ít nhất một màng nhôm.

Mặt phản xạ được cán nóng (bằng hỗn hợp polime hoặc nhựa đường) hoặc dán (bằng keo gốc nước) lên các chất liệu nền khác nhau như giấy bìa, tấm dệt polimer, tấm túi (bóng) khí, xốp, vải/bông thủy tinh… Vì thế, mặc dù dựa trên cùng một nguyên lý hoạt động, vật liệu chắn bức xạ có rất nhiều dạng khác nhau.

CHẤT LIỆU NỀN:
Tùy theo chất liệu nền, người ta phân loại cách nhiệt phản xạ như sau:

• Foil nền giấy (Foil/Scrim/Kraft – FSK foil): màng nhôm cán ghép lên giấy bìa, gia cố bằng sợ thủy tinh. Giá rẻ, nhưng dễ rách và rã do thấm nước, hoặc ẩm.
• Foil nền túi khí (bubble foil): màng nhôm được cán ghép lên tấm polimer chứa các túi khí. Không bị ảnh hưởng bởi nước hoặc hơi ẩm. Tính năng cơ học trung bình.
• Foil nền xốp (foil laminated to foam): màng nhôm được cán ghép lên các vật liệu xốp như EPS, XPS, PE foam. Foil nền xốp thường ở dạng tấm vì không uốn được, nên thường áp dụng cho tấm trần (la-phông)
• Foil nền sợi dệt (woven foil): màng nhôm được cán ghép lên tấm dệt bằng sợi polymer (PE/PP). Chất lượng cơ học rất tốt, chống xé, chống rách, và không hỏng do thấm nước hay hơi ẩm.

Lớp vật liệu nền khác nhau đó dẫn đến sự khác biệt về độ bền xé, độ bền kéo, khả năng chống cháy, khả năng chống ẩm và giá thành sản phẩm.

Tài liệu gốc (trang 21-27)

Trong khi đó, các kết quả nghiên cứu sau cho thấy điều ngược lại: Bụi bẩn làm giảm hiệu quả của cách nhiệt phản xạ không đáng kể:

Nghiên cứu của James R. Hall. (trích dẫn)

Nghiên cứu (luận án – 18MB) của Homero Luis Noboa (trích dẫn)

A.VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT TRUYỀN THỐNG (insulation) gồm:

• Cách nhiệt làm từ sợi nhân tạo: bông thủy tinh (glass wool), bông xỉ (slag wool), bông đá (rock wool).
• Cách nhiệt làm từ các loại bọt xốp: nhựa EPS (Expanded Poly-Styrene – mốp xốp), nhựa XPS (Extruded Poly-Styrene), nhựa OPP (Oriented Poly-Propylene), nhựa PU (Poly Urethane).
• Cách nhiệt làm từ Xen-lu-lô (Cellulose)

Đặc trưng của cách nhiệt truyền thống là kết cấu xốp, chứa không khí. Vì vậy, chúng ngăn chặn tốt sự dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt.

Các vật liệu này không có tác dụng ngăn chặn bức xạ nhiệt (có độ phát xạ 0.80-0.90). Bản thân các vật liệu này phát xạ cao.

Trong khi đó, 93% nhiệt lượng khiến cho ngôi nhà bị nóng là nhiệt bức xạ. Do đó, sau khi bị thấm nhiệt, các vật liệu cách nhiệt truyền thống trở thành nguồn phát xạ nhiệt.

Cách nhiệt truyền thống chống dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt,
LÀM CHẬM quá trình truyền nhiệt,
KHÔNG NGĂN CHẶN sự truyền nhiệt.

Cách nhiệt phản xạ
NGĂN CHẶN HỮU HIỆU
mọi hình thức truyền nhiệt.

B. VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT PHẢN XẠ là vật liệu có một hoặc nhiều bề mặt phát xạ thấp (phản xạ cao), thường là màng nhôm. Bề mặt nhôm, hoặc bề mặt phát xạ thấp, cùng với một khoảng không khí (hoặc lớp cách nhiệt truyền thống) tạo thành một hệ phản xạ (Radiant Barrier System – RBS).

Bề mặt nhôm phát xạ thấp, phản xạ cao ngăn chặn hữu hiệu 95%-97% năng lượng bức xạ đập vào bề mặt nó. Hệ phản xạ cô lập các khoảng không, vì vậy, chúng có khả năng chặn đối lưu. Lớp không khí bị cô lập (hoặc lớp cách nhiệt truyền thống) tạo thành một đệm khí chống đối lưu và chống dẫn nhiệt rất tốt (với cùng một độ dày, đệm không khí thường cách nhiệt tốt hơn bông thuỷ tinh 02 lần).

Hầu hết vật liệu xây dựng, bao gồm cả sợi thuỷ tinh, bọt xốp hay xen-lu-lo (những vật liệu cách nhiệt truyền thống) đều có chỉ số phát xạ E trên 80%. Trong khi đó, màng nhôm có chỉ số E là 0.03-0.05 (E càng thấp càng tốt). Vì vậy, cách nhiệt phản xạ vượt trội so với cách nhiệt thông thường đối với truyền nhiệt dạng bức xạ.

Tên gọi cách nhiệt phản xạ có thể dẫn đến nhầm lẫn rằng màng nhôm chỉ phản xạ. Thực tế nó còn đặc trưng là phát xạ nhiệt rất thấp. Do đó khi bị nóng lên qua quá trình dẫn nhiệt (do tiếp xúc với các vật nóng), thì năng lượng mà nó phát xạ ra cũng sẽ rất thấp.

Tóm lại, cách nhiệt phản xạ hiệu quả, sạch, an toàn và thân thiện với môi trường.

Ghi chú:

Khái niệm “cách nhiệt phản xạ” và “hệ phản xạ” không có ranh giới rõ ràng. Thực tế khi lắp đặt (không sử dụng cách nhiệt truyền thống) ta luôn có những khoảng đệm khí. Vì thế, trong đa số trường hợp, ta lắp đặt “cách nhiệt phản xạ” và thu được “hệ phản xạ”.

Ngoại lệ duy nhất là khi ta dán hẳn vật liệu phản xạ vào bề mặt tấm lợp (tiếp xúc 100% với ngói/tôn), hiệu quả khi đó chỉ đạt được 60%-70% hiệu quả của “hệ phản xạ”.

• Bức xạ nhiệt (Radiation): truyền năng lượng dạng sóng điện từ từ bề mặt nóng hơn sang bề mặt lạnh hơn. Bức xạ đi xuyên qua lớp không khí và cả chân không.
• Dẫn nhiệt (Conduction): năng lượng nhiệt truyền trong lòng chất rắn, chất lỏng, hoặc qua các bề mặt tiếp xúc thông qua dao động phân tử. Chất khí dẫn nhiệt kém & chân không không dẫn nhiệt (Do mật độ phân tử quá thưa / chân không thì không có phân tử nào cả).
• Đối lưu nhiệt (convection): thông qua dòng chuyển động của chất lỏng/ chất khí. Dạng đối lưu nhiệt gây cảm giác nóng cho con người là do sự đối lưu của dòng không khí.

Cách nhiệt, ngăn chặn hạn chế các phương thức truyền nhiệt vừa nêu, sẽ giúp người dùng cảm thấy tiện nghi hơn, đồng thời, cắt giảm được đáng kể chi phí năng lượng cho việc làm mát, làm lạnh hoặc sưởi ấm.

Mục tiêu hàng đầu của cách nhiệt phản xạ là xử lý bức xạ nhiệt.

Màng nhôm tinh khiết cán mỏng phản xạ 95%-97% bức xạ, và có chi phí sản xuất hợp lý nên được sử dụng rộng rãi để sản xuất cách nhiệt phản xạ.

Hầu hết vật liệu cách nhiệt phản xạ đều có cấu tạo ít nhất một màng nhôm, được cán ép vào vật liệu nền để tăng cường khả năng cơ học. Tùy theo chất liệu nền, người ta phân loại cách nhiệt phản xạ như sau:

• Foil nền giấy (Foil/Scrim/Kraft – FSK foil): màng nhôm cán ghép lên giấy bìa, gia cố bằng sợ thủy tinh. Giá rẻ, nhưng dễ rách và rã do thấm nước, hoặc ẩm.
• Foil nền túi khí (bubble foil): màng nhôm được cán ghép lên tấm polimer chứa các túi khí. Không bị ảnh hưởng bởi nước hoặc hơi ẩm. Tính năng cơ học trung bình.
• Foil nền xốp (foil laminated to foam): màng nhôm được cán ghép lên các vật liệu xốp như EPS, XPS, PE foam. Foil nền xốp thường ở dạng tấm vì không uốn được, nên thường áp dụng cho tấm trần (la-phông)
• Foil nền sợi dệt (woven foil): màng nhôm được cán ghép lên tấm dệt bằng sợi polymer (PE/PP). Chất lượng cơ học rất tốt, chống xé, chống rách, và không hỏng do thấm nước hay hơi ẩm.

Enviro-tuff là cách nhiệt phản xạ nền sợi dệt.

Khái niệm này có thể hình dung rõ hơn qua ví dụ sau: vào ngày nắng, nhiệt bức xạ từ mặt trời chiếu vào chiếc xe, đi xuyên qua lớp kính làm cho kính nóng lên. Ngoài ra, mặt trời cũng làm cho phần vỏ xe nóng lên và bức xạ tiếp vào bên trong xe. Hệ quả là khi ta bước vào xe, mọi thứ đều nóng hực (nóng “hầm hập”)

Bức xạ nhiệt từ mặt trời, đập vào vách và mái nhà. Các vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệt lượng đó và nóng lên. Nhiệt này truyền vào mặt trong của vách & mái nhà thông qua quá trình dẫn nhiệt và tiếp theo đó là bức xạ tiếp tục vào không gian bên trong.

Các bề mặt này tiếp tục phát xạ, và tiếp đến, làn da con người hứng chịu bức xạ nhiệt xuyên qua không khí. Chính bức xạ thứ cấp này là nguyên nhân gây ra sự “nóng hầm” trong nhà và đem lại sự nóng bức khó chịu cho con người.

Bức xạ nhiệt có hai chỉ số đặc trưng:

1. Độ phát xạ E (Emittance/Emissivity): là đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ nhiệt và toả nhiệt (dạng bức xạ) của một bề mặt. Tất cả các vật liệu đều có độ phát xạ trong khoảng 0 đến 1 (0% đến 100%). Chỉ số phát xạ càng thấp, bức xạ nhiệt mà bề mặt đó nhận vào và phát ra càng thấp. Màng nhôm có chỉ số phát xạ rất thấp (3%), và người ta áp dụng đặc trưng đó của màng nhôm để chế tạo các vật liệu cách nhiệt phản xạ.
2. Độ phản xạ R (Reflectance/Reflectivity): đặc trưng cho khả năng chống lại sự thâm nhập của các tia bức xạ. Đây chính là tỉ lệ năng lượng phản xạ ngược lại sau khi chạm vào một bề mặt. Màng nhôm có độ phản xạ là 97%. Độ phản xạ và độ phát xạ là phần bù của nhau và có tổng bằng một. Nghĩa là một bề mặt có độ phát xạ càng thấp thì có độ phản xạ càng cao.

Tham khảo độ phát xạ và độ phản xạ của một số bề mặt thông dụng tại đây.

Một số ví dụ thông thường về đối lưu nhiệt:

1. Khí nóng đi ra từ cửa quạt hút (cưỡng bức)
2. Khí nóng thoát lên qua hệ thống tản nhiệt (Sau khi tiếp xúc & nóng lên qua sự tiếp xúc với bề mặt tản nhiệt)
3. Khi nóng bốc lên từ ống khói (tự nhiên)

Quá trình truyền nhiệt từ vật thể rắn sang không khí, qua các quan sát & đo đạc, không chỉ đơn thuần do tác động của sự dẫn nhiệt. Thay vào đó, sự truyền nhiệt đó là tác động tổng hợp của dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt & bức xạ nhiệt.

Về nguyên tắc không thể tính toán khả năng cách nhiệt của vật liệu bằng cách sự dụng duy nhất hệ số dẫn nhiệt. Ngược lại, các thông số cách nhiệt phải được tính toán trên cơ sở tổng hợp các hình thức truyền nhiệt.

Độ cách nhiệt tổng hợp được ký hiệu là “R-Value” (Đơn vị hr.ft².^oF/Btu) thường được sử dụng cho các vật liệu cách nhiệt.

Một ví dụ đơn giản về sự dẫn nhiệt: nhiệt nóng từ cà phê trong cốc, dẫn qua cốc, và đến bàn tay. Một ví dụ khác, nhiệt từ bếp điện, dẫn sang ấm kim loại, đun sôi nước trong ấm.

Nhiệt truyền thông qua dẫn nhiệt được tính toán thông qua định luật Fourier.

Nhiệt lượng này tỉ lệ thuận với hệ số dẫn nhiệt k và tỉ lệ nghịch với độ dày d của mỗi loại vật liệu. (xem Chi tiết về định luật Fourier  & bảng trị số dẫn nhiệt/cách nhiệt của một số loại vật liệu quen thuộc.)

Q=k·A·(T_hot-T_cold)·t/d

Trong đó:

Hệ số dẫn nhiệt k là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của các vật liệu.

Đơn vị tính Btu.in/ft²·hr·^oF. Ngoài ra, chỉ số k còn có đơn vị tính theo hệ SI là: W/(m.K). Công thức quy đổi:

• 1 W/(m K) = 0.1442 Btu.in/ft²·hr·^oF
• 1 Btu.in/ft²·hr·^oF = 6.9352 W/(m K)

Hệ số cách nhiệt R per inch là nghịch đảo của hệ số dẫn nhiệt k.

Một vật liệu có chỉ số  k càng nhỏ (R per inch càng lớn) cách nhiệt càng tốt.

R per inch là đại lượng đặc trưng cho khả năng chống dẫn nhiệt của một vật liệu, ứng với độ dày 1 inch.

Ví dụ:

Lớp sợi thủy tinh (12kg/m³) dày 6 inch (~15cm) có chỉ số R = 6 X 3.2 = 19.2
Vì thế, người ta thường gọi là “cách nhiệt sợi thủy tinh R-19“.

Bảng dưới đây liệt kê chỉ số dẫn nhiệt và chỉ số cách nhiệt của một số vật liệu thông dụng. (Nguồn: Geogia State University)

Trời lạnh

Trời nóng

Các số liệu thống kê cho thấy cơ thể thu nhiệu và mất nhiệt chủ yếu qua cơ chế bức xạ nhiệt: 109w thu vào &133w toả ra (Nguồn: Geogia State University).

Môi trường nóng bức thì cơ thể đổ mồ hôi nhiều. Cơ thể mất nước, làm cho con người cảm thấy khó chịu, và hơn hết là giảm năng suất lao động. Để duy trì sự cân bằng nhiệt, cơ thể phải điều chỉnh lượng tiết mồ hôi.

Việc cách nhiệt có nhiều mục đích. Tuy nhiên, nếu xét mục đích đem lại sự tiện nghi cho cơ thể con người, kết quả nghiên cứu trên cho thấy:

chống nóng (& giữ ấm) bằng cách ngăn chặn bức xạ nhiệt là cách tốt nhất.

Vật liệu cách nhiệt thông thường không ngăn chặn hiệu quả bức xạ nhiệt trong khi vật liệu phản xạ (các loại rào chắn bức xạ) giải quyết vấn đề nhiệt bức xạ một cách hoàn hảo.

Hàng loạt công trình nghiên cứu và thống kê được thực hiện ở các khu vực khác nhau cho thấy cách nhiệt phản xạ cho hiệu quả rõ rệt, đem lại sự tiện nghi cho con người và tiết kiệm được đáng kể năng lượng cho các hệ thống điều hoà nhiệt độ.

Do đó, nhiệm vụ cơ bản của các vật liệu cách nhiệt truyền thống là ngăn chặn quá trình dẫn nhiệt.

Tiêu biểu nhất là các loại sợi nhân tạo: sợi a-mi-ăng, sợi thủy tinh (glasswool), sợi đá (rockwool), sợ xỉ (slagwool), sợi silicat…

Kế đến là các loại xốp: EPS, XPS, PE, PE, styrofoam ….

Nguyên lý hoạt động của các loại cách nhiệt này là cấu trúc của chúng chứa không khí, vì thế chống lại quá trình dẫn nhiệt rất tốt.

Hơn nữa, không khí trong các vật liệu này không di chuyển. Vì thế, các vật liệu này cũng ngăn chặn truyền nhiệt do đối lưu.

Tóm lại, cách nhiệt truyền thống là các vật liệu cách nhiệt dạng sợi, hoặc xốp. Cách nhiệt truyền thống có hiệu quả đối với dẫn nhiệt và đối lưu.

truyền nhiệt = dẫn nhiệt
cách nhiệt = chống dẫn nhiệt.

THỰC TẾ:
Sự truyền nhiệt diễn ra dưới ba hình thức: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, và bức xạ nhiệt.

Xét ở khía cạnh dẫn nhiệt: Hiển nhiên, các chất khí, có mật độ phân tử thấp, dẫn nhiệt kém.

1. Đứng đầu là: chân không (không có phân tử) không dẫn nhiệt.
2. Khí Các-bô-níc.
3. Một số khí hiếm.
4. Không khí

Trong đó, không khí là vật liệu dẫn nhiệt kém, luôn có sẵn và hoàn toàn không mất tiền mua.

Chỉ số cách nhiệt của không khí tốt hơn các loại sợi nhân tạo (glasswool, rockwool…) từ 1.5 đến 2 lần, và các loại foam (EPS, XPS, PE …) từ 1,1 đến 1,8 lần. Thực chất các loại sợi & foam đều dựa vào cấu trúc xốp chứa không khí (hoặc các khí đặc biệt) để cách nhiệt.

Tuy nhiên, không khí không ngăn chặn được đối lưu nhiệt, và bức xạ nhiệt.

Để ngăn chặn đối lưu nhiệt, không khí phải được cô lập.

Không khí (kể cả chân không) không thể ngăn cản bức xạ nhiệt. Để ngăn chặn bức xạ nhiệt, cần phải sử dụng các vật liệu có khả năng chắn (phản lại) bức xạ.

Như vậy:
HỆ PHẢN XẠ (Không khí, hoặc vật liệu có cấu trúc xốp chứa không khí, bị cô lập giữa các bề mặt chắn bức xạ) là vật liệu cách nhiệt tốt nhất.