Úvod
Známé izolační materiály, jako je minerální vlna nebo polymerní pěny, se obvykle vyrábějí ve velkých tloušťkách (několik centimetrů), aby splňovaly požadovanou hodnotu U pro tepelnou izolaci budov. Vhodným měřicím přístrojem pro stanovení tepelné vodivosti (λ) je HFM 446 Lambda Medium (obr. 1). Izolační materiály se však používají i v jiných oblastech s jinými tloušťkami, například při tepelné a zvukové izolaci podlah. Tloušťka takových izolačních materiálů je často jen několik milimetrů. Následující měření ukazují, jak lze takové tenké materiály úspěšně zkoumat pomocí přístroje HFM 446 Lambda Medium .
Hodnota U
Hodnota U vyjadřuje tepelný tok skrz prvek v závislosti na teplotním gradientu mezi studenou a teplou stranou jednotky [W/(m2-K)]. Jednotka popisuje energii protékající 1 m2 v důsledku teplotního rozdílu 1 K. Tato hodnota charakterizuje izolační vlastnosti prvku; v praxi to znamená, že čím nižší je hodnota U, tím lepší je izolační účinek. Čím vyšší je hodnota U, tím horší je izolační účinek. Budova pak v chladných zimních dnech ztrácí více tepla.
Metoda měření
Teplotní gradient je definován mezi dvěma deskami měřeného materiálu. Pomocí dvou vysoce přesných snímačů tepelného toku v deskách se měří tepelný tok do materiálu a z materiálu. Jakmile je dosaženo rovnováhy systému a tepelný tok je konstantní, lze pomocí Fourierovy rovnice a znalosti měřené oblasti a tloušťky vzorku vypočítat tepelnou vodivost (viz schematický obrázek 2).
d Tloušťka [mm]
R = d/ λ Tepelný odpor [m2∙K/W]
U = 1/R Součinitel prostupu tepla [W/(m2∙K)]
Podmínky měření
Byla zkoumána izolační deska z přírodních vláken o tloušťce 4 mm. Tepelný odpor (R = d/λ) takto tenkých vzorků představuje výzvu pro měření. Vzorky s tepelným odporem nižším než přibližně 0,5 m²∙K/W nelze standardně měřit pomocí HFM (DIN EN 12667). Kontaktní odporPodle druhého termodynamického zákona se přenos tepla mezi dvěma systémy vždy pohybuje ve směru od vyšších teplot k nižším. Množství tepelné energie přenášené vedením tepla, např. stěnou budovy, je ovlivněno tepelnými odpory betonové stěny a izolační vrstvy.Kontaktní odpor mezi deskami a vzorkem již není zanedbatelný a ovlivňuje výsledek. K překonání problému nízkého tepelného odporu byla provedena měření se dvěma různými přístupy:
- Skládání vzorků na sebe, jak je uvedeno v normě DIN EN 12667
- Měření jednoho vzorku s přídavným externím termočlánkem a vrstvami rozhraní (=přístrojová sada), popsané v normě DIN EN 12664 pro vzorky s tepelným odporem < 0,5m2∙K/W.
Měření byla provedena při střední teplotě vzorku 25 °C. Teplotní rozdíl mezi deskami byl 20 K. Tlak na vzorek byl přibližně 2 kPa.
Stohování vzorků
Obrázek 3 ukazuje tepelnou vodivost v závislosti na celkové tloušťce vrstvených vzorků (1 až 8 vrstev). Údaje z měření jsou shrnuty v tabulce 1.
V nízkém rozsahu tloušťky vykazuje Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost závislost na tloušťce. Výsledek ovlivňuje Kontaktní odporPodle druhého termodynamického zákona se přenos tepla mezi dvěma systémy vždy pohybuje ve směru od vyšších teplot k nižším. Množství tepelné energie přenášené vedením tepla, např. stěnou budovy, je ovlivněno tepelnými odpory betonové stěny a izolační vrstvy.kontaktní odpor mezi vzorkem a deskami HFM (snížená Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost).
Při tloušťce větší než 20 až 24 mm (5 až 6 vrstev) je Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost konstantní a již nezávisí na tloušťce. V této oblasti je Kontaktní odporPodle druhého termodynamického zákona se přenos tepla mezi dvěma systémy vždy pohybuje ve směru od vyšších teplot k nižším. Množství tepelné energie přenášené vedením tepla, např. stěnou budovy, je ovlivněno tepelnými odpory betonové stěny a izolační vrstvy.kontaktní odpor zanedbatelný a měření lze považovat za spolehlivé. Tepelný odpor vzorku je vyšší než přibližně 0,5 (m²∙K)/W.
Tabulka 1: Výsledky měření naskládaných vzorků 4 mm tlusté naterální izolační vláknité desky
Počet vrstev | Tloušťka [mm] | [W/(m∙K)] | Tepelný odpor [(m2∙K)/W] |
|---|---|---|---|
| 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 |
* všechny výsledky ± 3 %
Obrázek 4 (tepelný odpor v závislosti na tloušťce) potvrzuje, že měření s naskládanými vzorky jsou spolehlivá. Tepelný odpor se lineárně zvyšuje s rostoucí tloušťkou. Lineární trendová přímka dává shodu R² 0,99972 a sklon je ukazatelem tepelné vodivosti (sklon m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Tato hodnota je v dobré shodě s výsledky měření skládaného vzorku o tloušťce větší než ~20 mm; viz tabulka 1.
Sada přístrojů
Pro vzorky s nízkým tepelným odporem může být vhodným řešením také měření pomocí sady přístrojů (= externí termočlánky a vrstvy rozhraní). Problém kontaktního odporu se řeší přímým měřením povrchové teploty. Pro tuhé vzorky je dobrou volbou přístrojová sada. Protože izolační deska z přírodních vláken o tloušťce 4 mm není zcela tuhá, ale stále pružná, existuje další zdroj nejistoty. Vnější termočlánky mohou proniknout do povrchu vzorku.
Proto není přesně známa tloušťka (= vzdálenost mezi vnějšími termočlánky). Vzhledem k malé tloušťce pouhé 4 mm může i malá úroveň průniku způsobit velkou odchylku ve výsledku (relativní chyba v tloušťce způsobuje stejnou relativní chybu v tepelné vodivosti).
V tabulce 2 jsou uvedeny výsledky měření pomocí sady přístrojů. Měření jedné vrstvy pomocí soupravy přístrojů dává hodnotu, která je přibližně o 10 % vyšší než výsledky z naskládaných vzorků. Toto 10% zvýšení hodnoty tepelné vodivosti je pravděpodobně způsobeno hodnotou tloušťky, která je o 10 % nesprávná v důsledku enetrace vnějším termočlánkem (200 μm na každé straně). To potvrzuje měření 1 a 2 vrstev pomocí sady přístrojů a výpočet tepelné vodivosti s upravenou tloušťkou (= tloušťka minus 2 x 200 μm). Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost s upravenou tloušťkou je v dobré shodě s hodnotami z měření s naskládanými vzorky.
Tabulka 2: Výsledky měření izolační desky z přírodních vláken o tloušťce 4 mm se sadou přístrojů
Počet vrstev | Tloušťka [mm] | [W/(m-K)] | Upravená tloušťka [mm] | Tepelná vodivost s Upravená tloušťka [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Souhrn
Tepelnou vodivost tenkých a pružných izolačních materiálů lze měřit pomocí přístroje HFM 446 Lambda Medium tak, že se na sebe navrství několik vrstev materiálu o dostatečné tloušťce. Měření pomocí externích termočlánků přístrojové sady) na pružných vzorcích může vést k falešně nadsazeným hodnotám tepelné vodivosti v důsledku možného proniknutí termočlánků do povrchu vzorku.