Introduktion
Kendte isoleringsmaterialer som mineraluld eller polymerskum produceres normalt med stor tykkelse (flere centimeter) for at opfylde den krævede U-værdi til varmeisolering af bygninger. Et egnet måleinstrument til bestemmelse af varmeledningsevnen (λ) er HFM 446 LambdaMedium (figur 1). Isoleringsmaterialer anvendes dog også på andre områder med andre tykkelser, f.eks. til varme- og lydisolering af gulve. Tykkelsen af sådanne isoleringsmaterialer er ofte kun nogle få millimeter. De følgende målinger viser, hvordan sådanne tynde materialer med succes kan undersøges med HFM 446 LambdaMedium .
U-værdi
U-værdien afspejler varmestrømmen gennem en komponent afhængig af temperaturgradienten mellem den varme og den kolde side af en enhed [W/(m2-K)]. Enheden beskriver den energi, der strømmer gennem 1 kvadratmeter på grund af en temperaturforskel på 1 K. Denne værdi karakteriserer en komponents isoleringsegenskaber; det betyder i praksis, at jo lavere U-værdi, jo bedre er isoleringseffekten. Jo højere U-værdi, jo dårligere er isoleringseffekten. Så mister bygningen mere varme på kolde vinterdage.
Målemetode
En temperaturgradient defineres mellem to plader af et materiale, der skal måles. Ved hjælp af to højpræcisions varmestrømssensorer i pladerne måles varmestrømmen henholdsvis ind i materialet og ud af materialet. Når der er opnået ligevægt i systemet, og varmestrømmen er konstant, kan varmeledningsevnen beregnes ved hjælp af Fourier-ligningen og viden om måleområdet og tykkelsen af prøven (se skematisk figur 2).
λ Varmeledningsevne [W/(m∙K)]
d Tykkelse [mm]
R = d/ λ Termisk modstand [m2∙K/W]
U = 1/R Varmeoverførselskoefficient [W/(m2∙K)]
Målebetingelser
En isoleringsplade af naturlige fibre med en tykkelse på 4 mm blev undersøgt. Den termiske modstand (R = d/λ) i så tynde prøver udgør en udfordring for målingen. Prøver med en termisk modstand på mindre end ca. 0,5 m²∙K/W kan ikke måles med HFM som standardmåling (DIN EN 12667). Kontaktmodstanden mellem pladerne og prøven er ikke længere ubetydelig og vil påvirke resultatet. For at overvinde problemet med lav termisk modstand blev der udført målinger med to forskellige tilgange:
- Stabling af prøver, som nævnt i DIN EN 12667
- Måling af en prøve med ekstra eksternt termoelement og grænsefladelag (=instrumenteringssæt), beskrevet i DIN EN 12664 for prøver med en termisk modstand på < 0,5m2∙K/W.
Målingerne blev udført ved en gennemsnitlig prøvetemperatur på 25 °C. Temperaturforskellen mellem pladerne var 20 K. Trykket på prøven var ca. 2 kPa.
Stabling af prøver
Figur 3 viser varmeledningsevnen i forhold til den samlede tykkelse af stablede prøver (1 til 8 lag). Måledataene er opsummeret i tabel 1.
I det lave tykkelsesområde viser varmeledningsevnen en afhængighed af tykkelsen. Kontaktmodstanden mellem prøven og HFM-pladerne påvirker resultatet (reduceret Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne).
Med en tykkelse på mere end 20 til 24 mm (5 til 6 lag) er varmeledningsevnen konstant og ikke længere afhængig af tykkelsen. Det er det område, hvor kontaktmodstanden er ubetydelig, og målingerne kan betragtes som pålidelige. Prøvens termiske modstand er højere end ca. 0,5 (m²∙K)/W.
Tabel 1: Måleresultater af de stablede prøver af en 4 mm tyk fiberplade med nateruel isolering
Antal lag | Tykkelse [mm] | [W/(m∙K)] | [(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 |
* alle resultater ± 3%
Figur 4 (termisk modstand over tykkelse) bekræfter, at målingerne med stablede prøver er pålidelige. Den termiske modstand stiger lineært med stigende tykkelse. Den lineære tendenslinje giver en R²-tilpasning på 0,99972, og hældningen er en indikator for varmeledningsevnen (hældning m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Denne værdi er i god overensstemmelse med måleresultaterne for den stablede prøve med en tykkelse på mere end ~20 mm; se tabel 1.
Instrumenteringssæt
For prøver med lav termisk modstand kan målinger med instrumenteringssættet (= eksterne termoelementer og grænsefladelag) også være en god løsning. Spørgsmålet om KontaktmodstandIfølge termodynamikkens anden lov bevæger varmeoverførsel mellem to systemer sig altid i retning fra højere til lavere temperaturer. Mængden af termisk energi, der overføres ved varmeledning, f.eks. gennem en væg i en bygning, påvirkes af betonvæggens og isoleringslagets termiske modstand.kontaktmodstand løses ved direkte måling af overfladetemperaturen. Til stive prøver er instrumenteringssættet et godt valg. Da den 4 mm tykke naturfiberisoleringsplade ikke er helt stiv, men stadig fleksibel, findes der en anden kilde til usikkerhed. De eksterne termoelementer kan trænge ind i prøvens overflade.
Derfor er tykkelsen (= afstanden mellem de eksterne termoelementer) ikke præcist kendt. På grund af den lave tykkelse på kun 4 mm kan selv et lavt niveau af indtrængning forårsage en stor afvigelse i resultatet (relativ fejl i tykkelsen forårsager den samme relative fejl i varmeledningsevnen).
Tabel 2 viser resultaterne af en måling med instrumenteringssættet. Målingen af et lag med instrumenteringssættet giver en værdi, der er ca. 10 % højere end resultaterne fra de stablede prøver. Denne stigning på 10 % i værdien for Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne skyldes sandsynligvis en tykkelsesværdi, der er forkert med 10 % på grund af indtrængning af det eksterne termoelement (200 μm på hver side). Dette bekræftes ved måling af 1 og 2 lag med instrumenteringssættet og beregning af varmeledningsevnen med justeret tykkelse (= tykkelse minus 2 x 200 μm). Varmeledningsevnen med justeret tykkelse er i god overensstemmelse med værdierne fra målingerne med stablede prøver.
Tabel 2: Måleresultater af den 4 mm tykke naturfiberisoleringsplade med instrumenteringssæt
Antal lag | Tykkelse [mm] | [W/(m-K)] | Justeret tykkelse [mm] | Justeret tykkelse [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Sammenfatning
Varmeledningsevnen for tynde og fleksible isoleringsmaterialer kan måles med HFM 446 LambdaMedium ved at stable flere lag af materialet til en tilstrækkelig tykkelse. Måling med eksterne termoelementer (instrumenteringssæt) på fleksible prøver kan resultere i falsk oppustede værdier for Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne på grund af termoelementernes mulige indtrængen i prøvens overflade.