مقدمة
عادةً ما يتم إنتاج مواد العزل المعروفة مثل الصوف المعدني أو رغاوي البوليمر بسماكة عالية (عدة سنتيمترات) لتلبية قيمة U المطلوبة للعزل الحراري للمباني. ومن أجهزة القياس المناسبة لتحديد الموصلية الحرارية (λ) جهاز قياس مناسب لتحديد الموصلية الحرارية (λ) هو جهاز HFM 446 LambdaMedium (الشكل 1). ومع ذلك، يتم تطبيق مواد العزل أيضًا في مجالات أخرى بسماكات أخرى، على سبيل المثال، في العزل الحراري والصوتي للأرضيات. وغالبًا ما يكون سمك هذه المواد العازلة في الغالب بضعة ملليمترات فقط. توضح القياسات التالية كيف يمكن فحص هذه المواد الرقيقة بنجاح باستخدام جهاز HFM 446 LambdaMedium.
قيمة U-Value
تعكس قيمة U-value التدفق الحراري خلال مكوّن ما اعتمادًا على تدرج درجة الحرارة بين الجانب البارد والبارد من الوحدة [W/(m2-K)]. تصف الوحدة الطاقة التي تتدفق عبر متر مربع واحد بسبب فرق في درجة الحرارة قدره 1 كلفن. تميز هذه القيمة خصائص العزل للمكون؛ وهذا يعني عمليًا أنه كلما انخفضت قيمة U، كان تأثير العزل أفضل. وكلما ارتفعت قيمة U، كان تأثير العزل أضعف. ومن ثم يفقد المبنى المزيد من الحرارة في أيام الشتاء الباردة.
طريقة القياس
يتم تحديد تدرج درجة الحرارة بين لوحين بواسطة مادة يراد قياسها. وبواسطة جهازي استشعار عالي الدقة لتدفق الحرارة في اللوحين، يتم قياس تدفق الحرارة إلى داخل المادة وخارجها على التوالي. وبمجرد الوصول إلى توازن النظام وثبات التدفق الحراري، يمكن حساب الموصلية الحرارية بمساعدة معادلة فورييه ومعرفة مساحة القياس وسمك العينة (انظر الشكل التخطيطي 2).
λ الموصلية الحرارية [واط/(م ∙ كلفن)]
د السماكة [مم]
R = د/ λ المقاومة الحرارية [م2 ∙ كلفن/ثانية]
U = 1/R معامل انتقال الحرارة [W/(م2/ك)]
شروط القياس
تم فحص لوح عازل من الألياف الطبيعية بسُمك 4 مم. تمثل المقاومة الحرارية (R = d/λ) لهذه العينات الرقيقة تحديًا للقياس. لا يمكن قياس العينات التي تقل مقاومتها الحرارية عن 0.5 متر مربع تقريبًا ∙ كلفن/ثانية باستخدام جهاز HFM كقياس قياسي (DIN EN 12667). لم تعد مقاومة التلامس بين الألواح والعينة مهملة وستؤثر على النتيجة. للتغلب على مشكلة المقاومة الحرارية المنخفضة، تم إجراء قياسات بطريقتين مختلفتين:
- تكديس العينات، المذكورة في DIN EN 12667
- قياس عينة واحدة مع مزدوج حراري خارجي إضافي وطبقات واجهة (= مجموعة أدوات القياس)، الموصوفة في DIN EN 12664 للعينات ذات المقاومة الحرارية < 0.5 م2 ∙ كلفن/ثانية.
تم إجراء القياسات عند درجة حرارة متوسطة للعينة تبلغ 25 درجة مئوية. كان الفرق في درجة الحرارة بين اللوحين 20 كلفن. كان الضغط على العينة حوالي 2 كيلو باسكال.
تكديس العينات
يوضح الشكل 3 الموصلية الحرارية مقابل السُمك الكلي للعينات المكدسة (من 1 إلى 8 طبقات). ويرد ملخص لبيانات القياس في الجدول 1.
في نطاق السُمك المنخفض، تُظهر الموصلية الحرارية اعتمادًا على السُمك. تؤثر مقاومة التلامس بين العينة وألواح HFM على النتيجة (انخفاض التوصيل الحراري).
عندما تكون السماكة أعلى من 20 إلى 24 مم (5 إلى 6 طبقات)، تكون الموصلية الحرارية ثابتة ولا تعتمد على السماكة. هذه هي المنطقة التي تكون فيها مقاومة التلامس ضئيلة ويمكن اعتبار القياسات موثوقة. تكون المقاومة الحرارية للعينة أعلى من 0.5 (م² ● كلفن) / وات تقريبًا.
الجدول 1: نتائج قياس العينات المكدسة من ألواح الألياف العازلة بسُمك 4 مم
عدد الطبقات | السماكة [مم] | الموصلية الحرارية* [واط/(م ∙ كلفن)] | المقاومة الحرارية [(م2∙ كلفن) / وات] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.04214 | 0.0958 |
| 2 | 8 | 0.04447 | 0.1812 |
| 3 | 12 | 0.04565 | 0.2582 |
| 4 | 16 | 0.04697 | 0.3387 |
| 5 | 20 | 0.04745 | 0.4214 |
| 6 | 24 | 0.04779 | 0.5021 |
| 7 | 28 | 0.04749 | 0.5906 |
| 8 | 32 | 0.04734 | 0.6757 |
* جميع النتائج ± 3%
يؤكد الشكل 4 (المقاومة الحرارية على السُمك) أن القياسات مع العينات المكدسة موثوقة. تزداد المقاومة الحرارية خطيًا مع زيادة السماكة. ويعطي خط الاتجاه الخطي مطابقة R² تساوي 0.99972، ويمثل الميل مؤشرًا للموصلية الحرارية (الميل m = R/d = 1/λ → → λ = 0.04855 واط/(م ∙ كلفن)). تتفق هذه القيمة جيدًا مع نتائج قياس العينة المكدسة بسُمك أعلى من 20 مم تقريبًا؛ انظر الجدول 1.
مجموعة أدوات القياس
بالنسبة للعينات ذات المقاومة الحرارية المنخفضة، يمكن أن تكون القياسات باستخدام مجموعة الأجهزة (= المزدوجات الحرارية الخارجية والطبقات البينية) حلاً جيدًا أيضًا. يتم حل مشكلة مقاومة التلامس عن طريق القياس المباشر لدرجة حرارة السطح. بالنسبة للعينات الصلبة، تعتبر مجموعة الأدوات خيارًا جيدًا. نظرًا لأن لوح العزل المصنوع من الألياف الطبيعية بسُمك 4 مم ليس صلبًا تمامًا ولكنه لا يزال مرنًا، يوجد مصدر آخر لعدم اليقين. يمكن أن تخترق المزدوجات الحرارية الخارجية أسطح العينة.
لذلك، فإن السُمك (= المسافة بين المزدوجات الحرارية الخارجية) غير معروف بدقة. ونظرًا لانخفاض السُمك الذي يبلغ 4 مم فقط، يمكن حتى لمستوى منخفض من الاختراق أن يسبب انحرافًا كبيرًا في النتيجة (الخطأ النسبي في السُمك يسبب نفس الخطأ النسبي في التوصيل الحراري).
يوضح الجدول 2 نتائج القياس باستخدام مجموعة الأدوات. ينتج عن قياس طبقة واحدة باستخدام مجموعة الأدوات قيمة أعلى بنسبة 10% تقريبًا من نتائج العينات المكدسة. هذه الزيادة بنسبة 10% في قيمة التوصيل الحراري ناتجة على الأرجح عن قيمة سمك غير صحيحة بنسبة 10% بسبب الاختراق بواسطة المزدوجة الحرارية الخارجية (200 ميكرومتر على كل جانب). تم تأكيد ذلك من خلال قياس طبقتين 1 و2 باستخدام مجموعة الأدوات وحساب الموصلية الحرارية بسماكة معدلة (= السماكة ناقص 2 × 200 ميكرومتر). تتفق الموصلية الحرارية مع السماكة المعدلة اتفاقًا جيدًا مع القيم المأخوذة من القياسات مع العينات المكدسة.
الجدول 2: نتائج قياس ألواح العزل المصنوعة من الألياف الطبيعية بسمك 4 مم مع مجموعة أدوات القياس
عدد الطبقات | السُمك [مم] | الموصلية الحرارية* [واط/(م-ك)] | السماكة المعدلة [مم] | الموصلية الحرارية مع السماكة المعدلة [واط/(م ∙ كلفن)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
الملخص
يمكن قياس الموصلية الحرارية للمواد العازلة الرقيقة والمرنة باستخدام جهاز HFM 446 LambdaMedium عن طريق تكديس عدة طبقات من المادة بسماكة كافية. يمكن أن يؤدي القياس باستخدام مجموعة أجهزة المزدوجات الحرارية الخارجية) على العينات المرنة إلى تضخيم قيم التوصيل الحراري بشكل خاطئ بسبب احتمال اختراق المزدوجات الحرارية لسطح العينة.