Въведение
Традиционните изолационни материали, като експандиран полипропилен и минерална вата, обикновено се предлагат под формата на панели. Широко се използват обаче и изолации за впръскване и насипни изолации за подове и покриви.
Един пример е изолационно-изравнителният пълнеж, изработен от битумизирани конопени стъбла. Освен механичните и технологичните предимства, термофизичните свойства на материала също играят решаваща роля за неговите експлоатационни характеристики. Топлопроводимостта определя колко ефективно топлината се пренася през изолацията или се задържа от нея, което е важно за енергийната ефективност и жилищния комфорт. Освен това, специфичната топлинна мощност показва колко топлина материалът може да съхранява и отделя във времето. Ето защо точното разбиране на тези свойства е от съществено значение за оптималното проектиране на конструкцията на пода и за надеждното спазване на изискванията на строителната физика.
Метод
Много измервателни системи срещат затруднения при определянето на термофизичните свойства на насипни материали, като термична проводимост и специфична топлинна мощност. Едно от предизвикателствата е формата на материала, а друго – неговата относително висока степен на нееднородност.
Топлинната проводимост на изолационните материали може да бъде определена бързо и прецизно чрез метода HFM (измервател на топлинния поток). При този метод пробата, обикновено твърда, се поставя между гореща и студена плоча, като всяка от тях се поддържа на определена температура. Полученият топлинен поток се измерва с помощта на сензори за топлинен поток. Въз основа на дебелината на пробата и предварително определените калибрационни коефициенти се определя топлинната проводимост на пробата при различни температурни точки. Фигура 1 показва типичен температурен профил, включващ топлинната проводимост.
Подобно на изолационните материали под формата на панели, насипните изолационни материали се измерват в рамка с тънка основа. Основата е толкова тънка, че нейното термично съпротивление може да се счита за пренебрежимо малко. Рамката се намира извън зоната на измерване, така че да не оказва влияние върху измерването.
Методът DSC (диференциална сканираща калориметрия) се използва най-често за определяне на специфичната топлинна мощност. Размерът на пробата обаче е сравнително small, като при изолационните материали диаметърът ѝ е приблизително 4 mm, а дебелината – само 1 mm. Освен това прецизните измервания изискват голямо начално тегло и добър контакт между пробата и тигела. Тези три фактора правят измерването на специфичната топлинна мощност на насипната изолация чрез метода DSC непрактично и трудно. Методът HFM предлага подходящото решение за този тип проби. Методът HFM може да анализира обем от large (например няколко литра). Това прави измерването по-представително. Освен това методът HFM е в стационарно състояние. При определяне на специфичната топлинна способност контактът между плочите и пробата е по-малко критичен, отколкото при DSC измерване. За определяне наСпецифичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp и двете плочи се поддържат при една и съща температура (Нулево ΔT), докато топлинният поток стане нула. След това за двете пластини се инициира температурен скок, например от 10 K, и се оставя системата да достигне крайната температура, докато топлинният поток отново стане нулев. Количеството топлина, което се добавя при промяната на температурата, може да се използва за измерване на специфичната топлинна мощност на пробата. Фигура 2 показва температурния профил на това измерване. ТукQupper е топлинният поток през сензора на горната плоча,Qlower е топлинният поток през сензора на долната плоча, аQtotal е сумата от топлинните потоци от двата сензора. Площта подQtotal се използва за изчисляване на специфичната топлинна способност.
Експериментален
Изолационните материали, използвани за измервания на HFM, обикновено се доставят под формата на панели. Тези материали обаче често се предлагат и като насипни материали, като например разглежданият тук изолационен материал на базата на битумизирани конопени стъбла (вж. фигура 3).
Могат да се определят също така топлинната проводимост и специфичната топлинна мощност на тези материали. За определяне на топлинната проводимост материалът в насипно състояние се поставя в рамка. Тази рамка се намира извън зоната на измерване и поради това влиянието ѝ върху измерването е пренебрежимо малко.
Освен това, въз основа на дефинираната геометрия може да се определи и плътността. Плътността или уплътнеността на материала оказва значително влияние върху топлинната проводимост и, в случая с изолационните материали като цяло, винаги трябва да се записва заедно с резултатите, за да се даде възможност за сравнение. В случая с специфичната топлинна мощност обаче рамката може да окаже не пренебрежимо влияние върху измерването поради своята маса, която също се нагрява по време на поетапното измерване. Поради тази причина насипният материал се поставя в много тънка пластмасова торбичка. Масата на пластмасовата торбичка е многократно по-малка от масата на пробата и следователно е пренебрежима. Останалите условия на измерване са обобщени в Таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване на топлинната проводимост и специфичната топлинна мощност на изолационния пълнеж от битумизирани конопени стъбла
| Топлинна проводимост | Специфична топлинна мощност | |
| Спомагателни средства | Рамка | Пластмасова торбичка |
| Плътност по време на измерването | ~ 178 kg/m³ | н.д. |
| Входяща проба | ~ 693 g | ~ 693 g |
| Температурна програма | 20 °C + 35 °C, ΔT = 20 K | 20 °C + 35 °C, ΔT = 15 K |
Резултати
Както е показано на фигура 4, резултатите демонстрират топлинната проводимост и специфичната топлинна мощност на битумизираните конопени стъбла, когато се използват като насипни материали. Топлинната проводимост на изолационния пълнеж от битумизирани конопени стъбла се увеличава леко с повишаването на температурата, което съответства на типичното температурно поведение на изолационните материали. Специфичната топлинна мощност постоянно се намира в диапазона от приблизително 1 500 до 1 630 J/(g·K) при двете повторени измервания (Тест 1 и Тест 2), като показва леко увеличение с повишаването на температурата. Определените за тези материали стойности попадат в типичния и очакван диапазон за биобазирани, битумизирани изолационни материали за насипно пълнене. Като цяло измерванията потвърждават умерената топлопроводимост, типична за изолацията от естествени влакна за насипно пълнене, съчетана с добра топлична акумулационна способност.
Обобщение
Настоящите измервания показват, че HFM 706 Lambda Medium позволява точно и практично определяне на термофизичните свойства на изолационни материали, които са трудни за измерване, като например битумизирани конопени стъбла. За разлика от метода DSC ( small ), чийто размер на пробата е неподходящ за неоднородни насипни материали, методът HFM ( large ) с обема на пробата си позволява също така репрезентативно и възпроизводимо измерване на специфичната топлинна мощност. Този метод за измерване в стационарно състояние дава последователни резултати за топлинната проводимост (0,0547 до 0,0584 W/(m·K)) и специфичната топлинна мощност (1 500 до 1 630 J/(g·K)) като функция на температурата, които са в добро съответствие със стойностите, очаквани за изолационни материали на биологична основа. По този начин HFM 706 се оказва надеждна алтернатива на конвенционалните методи за изпитване – особено за насипни материали – за надеждно определяне на параметрите, свързани със строителната физика.