Úvod
Tradiční izolační materiály, jako je expandovaný polypropylen a minerální vlna, se obvykle dodávají ve formě desek. Široce se však používají také foukané a sypké izolace pro podlahy a střechy.
Jedním z příkladů je izolační a vyrovnávací výplň z bituminizovaných konopných vláken. Kromě mechanických a technologických výhod hrají při výkonu materiálu rozhodující roli také jeho termofyzikální vlastnosti. 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 určuje, jak efektivně je teplo izolací přenášeno nebo v ní zadržováno, což je důležité pro energetickou účinnost a komfort bydlení. Mimo to Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita udává, kolik tepla může materiál v průběhu času akumulovat a uvolňovat. Proto je přesné pochopení těchto vlastností nezbytné pro optimální návrh podlahové konstrukce a spolehlivé splnění požadavků stavební fyziky.
Metoda
Mnohé měřicí systémy mají potíže s charakterizací termofyzikálních vlastností sypkých materiálů, jako 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 a Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita. Jednou z překážek je tvar materiálu, druhou pak jeho relativně vysoká nehomogenita.
Tepelnou vodivost izolačních materiálů lze rychle a přesně určit pomocí metody HFM (měřič tepelného toku). Při této metodě se vzorek, obvykle pevný, umístí mezi horkou a studenou desku, přičemž každá z nich je udržována na určité teplotě. Výsledný tepelný tok se měří pomocí snímačů tepelného toku. Na základě tloušťky vzorku a předem stanovených kalibračních faktorů se určuje 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 vzorku v různých teplotních bodech. Obrázek 1 znázorňuje typický teplotní profil včetně tepelné vodivosti.
Stejně jako u izolačních materiálů ve formě desek se i sypké izolační materiály měří v rámu s tenkou základnou. Základna je tak tenká, že její tepelný odpor lze považovat za zanedbatelný. Rám se nachází mimo měřenou oblast, aby neměl vliv na měření.
K určení měrné tepelné kapacity se nejčastěji používá metoda DSC (diferenciální skenovací kalorimetrie). Velikost vzorku je však relativně small, u izolačních materiálů má průměr přibližně 4 mm a tloušťku pouze 1 mm. Přesná měření navíc vyžadují vysokou počáteční hmotnost a dobrý kontakt mezi vzorkem a kelímkem. Tyto tři faktory činí měření měrné tepelné kapacity sypké izolace metodou DSC nepraktickým a obtížným. Metoda HFM nabízí pro tento typ vzorku správné řešení. Metoda HFM dokáže analyzovat large objem (např. několik litrů). Díky tomu je měření reprezentativnější. Metoda HFM je navíc založena na ustáleném stavu. Při stanovování měrné tepelné kapacity není kontakt mezi deskami a vzorkem tak kritický jako u měření metodou DSC. Pro stanoveníMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp jsou obě desky udržovány na stejné teplotě (nula ΔT), dokud není tepelný tok nulový. Poté se u obou desek spustí například teplotní skok o 10 K a systému se nechá dosáhnout konečné teploty, dokud tepelný tok opět neklesne na nulu. Množství tepla, které se při změně teploty přidá, lze použít k měření měrné tepelné kapacity vzorku. Obrázek 2 znázorňuje teplotní profil tohoto měření. ZdeQupper představuje tepelný tok procházející snímačem na horní desce,Qlower tepelný tok procházející snímačem na spodní desce aQtotal součet tepelných toků z obou snímačů. K výpočtu měrné tepelné kapacity se používá plocha podkřivkou Qtotal.
Experimentální
Izolační materiály používané pro měření HFM se obvykle dodávají ve formě desek. Tyto materiály jsou však často k dispozici i jako sypké materiály, jako je například zde zkoumaný izolační materiál na bázi bituminizovaných konopných stébel (viz obrázek 3).
Lze také stanovit tepelnou vodivost a měrnou tepelnou kapacitu těchto materiálů. Pro stanovení tepelné vodivosti se sypký materiál umístí do rámu. Tento rám se nachází mimo měřicí oblast, a je proto při měření zanedbatelný.
Kromě toho lze na základě definované geometrie určit také hustotu. HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota nebo zhutnění materiálu významně ovlivňuje tepelnou vodivost a v případě izolačních materiálů obecně by měla být vždy zaznamenána společně s výsledky, aby bylo možné provést srovnání. V případě měrné tepelné kapacity však může rám mít kvůli své hmotnosti, která se během postupného měření také zahřívá, nezanedbatelný vliv na měření. Z tohoto důvodu se sypký materiál umisťuje do velmi tenkého plastového sáčku. Hmotnost plastového sáčku je mnohonásobně menší než hmotnost vzorku, a je proto zanedbatelná. Ostatní měřicí podmínky jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření tepelné vodivosti a měrné tepelné kapacity izolační výplně z bitumenizovaných konopných stébel
| 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 | Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita | |
| Pomocné prostředky | Rám | Plastový sáček |
| HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota během měření | ~ 178 kg/m³ | k.A. |
| Vložka vzorku | ~ 693 g | ~ 693 g |
| Teplotní program | 20 °C + 35 °C, ΔT = 20 K | 20 °C + 35 °C, ΔT = 15 K |
Výsledky
Jak je znázorněno na obrázku 4, výsledky ukazují tepelnou vodivost a měrnou tepelnou kapacitu bituminizovaných konopných stébel při použití jako sypkého materiálu. 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 izolační výplně z bituminizovaných konopných stébel se s rostoucí teplotou mírně zvyšuje, což odpovídá typickému teplotnímu chování izolačních materiálů. Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita se v obou opakovaných měřeních (test 1 a test 2) trvale pohybuje v rozmezí přibližně 1 500 až 1 630 J/(g·K) a s rostoucí teplotou mírně stoupá. Hodnoty stanovené pro tyto materiály spadají do typického a očekávaného rozmezí pro biologicky odvozené bituminované sypké izolační materiály. Celkově měření potvrzují mírnou tepelnou vodivost typickou pro sypkou izolaci z přírodních vláken v kombinaci s dobrou tepelnou akumulační schopností.
Shrnutí
Provedená měření ukazují, že tato metoda HFM 706 Lambda Medium umožňuje přesné a praktické stanovení termofyzikálních vlastností izolačních materiálů, u nichž je měření obtížné, jako jsou například bituminizované konopné stonky. Na rozdíl od metody DSC ( small ), jejíž velikost vzorku není vhodná pro nehomogenní sypké materiály, umožňuje metoda HFM díky svému objemu vzorku ( large ) také reprezentativní a reprodukovatelné měření měrné tepelné kapacity. Tato metoda měření v ustáleném stavu poskytuje konzistentní výsledky pro tepelnou vodivost (0,0547 až 0,0584 W/(m·K)) a měrné tepelné kapacity (1 500 až 1 630 J/(g·K)) v závislosti na teplotě, které dobře odpovídají hodnotám očekávaným u izolačních materiálů na biologické bázi. Přístroj HFM 706 se tak ukazuje jako spolehlivá alternativa k běžným zkušebním metodám – zejména u sypkých materiálů – pro spolehlivé stanovení parametrů relevantních pro stavební fyziku.