Tlusté vrstvy izolují úměrně své tloušťce, kdykoliv je tzv. Nusseltovo číslo blízké 1. Toto číslo je poměrem skutečného tepelného toku (zvýšeného konvekcí) k tomu, který by probíhal bez konvekce (tj. k tomu, který je dán poměrem tloušťka/lambda).
Porézní izolační materiály proudění potlačují, kladou mu odpor. Odpor kladený proudění lze charakterizovat jediným geometrickým parametrem, permeabilitou, která má rozměr plochy a značí se obvykle K. Porézní tepelně izolační materiály ji mají v rozmezí 10-7 až 10-10 metru čtverečního, lépe se to pamatuje v milimetrech čtverečních, kdy je to od jedné desetiny do jedné desetitisíciny. Nebo ještě lépe, jako odmocnina z této hodnoty, lze si ji představit jako jakýsi průměr kanálků, to je pak od tří desetin milimetru (balíky slámy) do setiny milimetru.
Abychom získali Nusseltovo číslo Nu, vyjdeme z modifikovaného Rayleighova čísla Ram pro porézní vrstvy. Ram je úměrné výšce porézní dutiny H, teplotnímu rozdílu T a permeabilitě K. Pro obvyklou zimní teplotu v dutině a obvyklé materiály s λ = 0,04 W/(m.K) je to kolem
Ram = 0,7 (H / 1 dm) (T / 10 K) (K / 0,01 mm2)
Vodorovné vrstvy, i když v nich teplota klesá směrem vzhůru, mohou být zcela bez samovolné konvekce, pokud platí, že Ram<40 (nebo <25, je-li vrstva nahoře otevřená, což by ale být neměla už kvůli možným poryvům větru). Nad tímto limitem platí Nu = 1 + 0,04 (Ram - 40).
Ve svislých vrstvách, jimiž jde tepelný tok příčně, se konvekce odehrává vždy. Ale Nusseltovo číslo zůstává pod 1,1 je-li Ram nižší než 10.
Má-li konvektivní buňka čtvercový průřez (to může být případ stěn
z balíků slámy, vlivem nehomogenity na rozhraní balíků) pak zhruba platí,
že (jde o „zpaměti spočítatelné“ aproximace hladkého grafu
v [1]).
Nu = 1 + Ram/100 pro Ram=15,
Nu = 0,8 + Ram/36 pro 15 < Ram < 40,
Nu = 1 + Ram/45 pro 40 < Ram < 100.
Jinými slovy, Ram=20 zhoršuje izolační vlastnosti o třetinu, Ram=90 třikrát.
Jak řečeno, sláma má K = 0,1 mm2 – to je hodně. Taková hodnota vyplývá z publikovaných měření i z měření, která jsem prováděl pomocí dlouhého polyethylenového vaku, dávajícího přetlak asi 1Pa (měřené balíky měly objemovou hmotnost kolem 75 kg/m2). K tomu, že musí být řádově takto velká, lze k ní dojít ale i úvahou: reprezentuje totiž průřez typického póru. Kdyby byl čtvercový, pak by jeho hrana byla asi třetina milimetru, což je hodnota, která odpovídá stlačené vrstvě málo uspořádaných slaměných stébel. Sláma je ze všech izolačních materiálů nejhrubší, až na dřevěné štěpky (které už izolují zřetelně hůře), u všech ostatních vláknitých či vločkových materiálů, nemají-li objemové hmotnosti zvláště nízké, jsou póry tenčí.
Snížit modifikované Rayleighovo číslo lze buď snížením permeability, tedy přidáním dostatečně jemnozrnné frakce, nebo rozdělením vrstvy na menší buňky.
U vodorovné vrstvy nad vytápěnými prostorami stačí rozdělení na dvě poloviny (např. papírem, lepenkou nebo jakoukoliv starou fólií se spoustou dírek). Ram se sníží čtyřikrát. Dvě vrstvy balíků (celkové výšky 80 cm) by měly bez rozdělení Ram kolem 175, je-li teplotní spád 30 K. Po oddělení vrstev přepážkou, která proudění klade velký odpor, se Ram zmenší na přijatelných 45. Tak lze dosáhnout vynikající hodnoty U blízké 0,05 W/m2K.
Oproti tomu, pouhá jedna vodorovná vrstva standardních balíků má v takových podmínkách U velkou až 0,3W/m2K, a dvě neoddělené vrstvy asi stěží méně než 0,2!
Ve zdi to není tak jednoduché. Pouhé vodorovné oddělení balíků nemůže pomoci (možná může i vadit). 80cm dvojitá vrstva se svislou bariérou proti konvekci uprostřed dává sice hodnotu U pod 0,1, ale většina lidí dává přednost tenčím stěnám.
Při užití nasypávané izolace lze dutinu dělit vodorovně do vrstviček, jejichž výška činí nejvýše pětinu tloušťky dutiny, pak zůstává konvektivní příspěvek k vodivosti pod deseti procenty i při materiálu s permeabilitou 0,1 mm2.
Svislé bariéry proti konvekci jsou ale tepelně účinnější, ve vrstvě tloušťky 40 cm stačí vždy pouhé dvě. Ram (počítané z vodorovné tloušťky vzniklých komor místo z jejich svislého rozměru) klesá devětkrát, z mrzutých 90 na velmi přijatelných 10.
V případě obřích balíků jsou vhodné tři svislé přepážky. Bez nich nelze v mraze dosáhnout U=0,1 W/m2K, číselná hodnota měrné tepelná vodivosti se totiž tehdy také blíží 0,2. Se třemi přepážkami ale lze (při tloušťce 90 cm a rozdílu teplot v interiéru a exteriéru 30 K) dosáhnout limitu téměř nepokaženého konvekcí, pod 0,06 W/m2K (Ram<12).
Je možné, že během vytváření balíků by se do nich dal přidávat „nadzvukově rozšlehaný papír“, čili celulózové vločky dostupné u nás pod značkou Climatizer plus. Cílem by bylo snížit permeabilitu desetkrát, na potřebných 0,01 mm2. Aby z okrajů balíku nevypadával, musel by být celý balík zabalen např. do juty.
Bejan, Adrian: Convection Heat Transfer. New York John Wiley & Sons 1995 (623 pages), p 556.