Εισαγωγή
Τα παραδοσιακά μονωτικά υλικά, όπως το διογκωμένο πολυπροπυλένιο και ο πετροβάμβακας, διατίθενται συνήθως σε μορφή πάνελ. Ωστόσο, χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως τα μονωτικά υλικά που εμφυσώνται ή χύνονται σε χαλαρή μορφή για δάπεδα και στέγες.
Ένα παράδειγμα αποτελεί το μονωτικό και εξομαλυντικό υλικό πλήρωσης από ασφαλτοποιημένους κοτσάνους κάνναβης. Εκτός από τα μηχανικά πλεονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα επεξεργασίας, οι θερμοφυσικές ιδιότητες ενός υλικού διαδραματίζουν επίσης καθοριστικό ρόλο στην απόδοσή του. Η θερμική αγωγιμότητα καθορίζει πόσο αποτελεσματικά μεταφέρεται η θερμότητα μέσω της μόνωσης ή πόσο αποτελεσματικά συγκρατείται από αυτήν, κάτι που είναι σημαντικό για την ενεργειακή απόδοση και την άνεση διαβίωσης. Επιπλέον, η ειδική θερμοχωρητικότητα υποδεικνύει πόση θερμότητα μπορεί το υλικό να αποθηκεύσει και να απελευθερώσει με την πάροδο του χρόνου. Ως εκ τούτου, η ακριβής κατανόηση αυτών των ιδιοτήτων είναι απαραίτητη για τον βέλτιστο σχεδιασμό της δομής του δαπέδου και την αξιόπιστη κάλυψη των απαιτήσεων της οικοδομικής φυσικής.
Μέθοδος
Πολλά συστήματα μέτρησης αντιμετωπίζουν δυσκολίες στον προσδιορισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων των υλικών σε μαζική μορφή, όπως η θερμική αγωγιμότητα και η ειδική θερμοχωρητικότητα. Μία από τις προκλήσεις είναι η μορφή του υλικού, ενώ μια άλλη είναι ο σχετικά υψηλός βαθμός ανομοιογένειάς του.
Η θερμική αγωγιμότητα των μονωτικών υλικών μπορεί να προσδιοριστεί γρήγορα και με ακρίβεια χρησιμοποιώντας τη μέθοδο HFM (μετρητής ροής θερμότητας). Σε αυτή τη μέθοδο, ένα δείγμα, συνήθως στερεό, τοποθετείται μεταξύ θερμών και ψυχρών πλακών, καθεμία από τις οποίες διατηρείται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η προκύπτουσα ροή θερμότητας μετράται με τη χρήση αισθητήρων ροής θερμότητας. Με βάση το πάχος του δείγματος και τους προηγουμένως προσδιορισμένους συντελεστές βαθμονόμησης, η θερμική αγωγιμότητα του δείγματος προσδιορίζεται σε διάφορα σημεία θερμοκρασίας. Το Σχήμα 1 παρουσιάζει ένα τυπικό προφίλ θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένης της θερμικής αγωγιμότητας.
Όπως και τα μονωτικά υλικά σε μορφή πάνελ, τα χαλαρά, χύδην μονωτικά υλικά μετρώνται σε ένα πλαίσιο με λεπτή βάση. Η βάση είναι τόσο λεπτή ώστε η θερμική της αντίσταση να μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Το πλαίσιο βρίσκεται εκτός της περιοχής μέτρησης, ώστε να μην επηρεάζει τη μέτρηση.
Η μέθοδος DSC (διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης) χρησιμοποιείται συνήθως για τον προσδιορισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας. Ωστόσο, το μέγεθος του δείγματος είναι σχετικά small, με διάμετρο περίπου 4 mm και πάχος μόλις 1 mm για τα μονωτικά υλικά. Επιπλέον, οι ακριβείς μετρήσεις απαιτούν υψηλό αρχικό βάρος και καλή επαφή μεταξύ του δείγματος και του χωνευτηρίου. Αυτοί οι τρεις παράγοντες καθιστούν τη μέτρηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας της μόνωσης χαλαρής πλήρωσης με τη μέθοδο DSC μη πρακτική και δύσκολη. Η μέθοδος HFM προσφέρει τη σωστή λύση για αυτόν τον τύπο δείγματος. Η μέθοδος HFM μπορεί να αναλύσει έναν όγκο large (π.χ., αρκετά λίτρα). Αυτό καθιστά τη μέτρηση πιο αντιπροσωπευτική. Επιπλέον, η μέθοδος HFM είναι σταθερής κατάστασης. Κατά τον προσδιορισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας, η επαφή μεταξύ των πλακών και του δείγματος είναι λιγότερο κρίσιμη σε σύγκριση με μια μέτρηση DSC. Για τον προσδιορισμότης Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, και οι δύο πλάκες διατηρούνται στην ίδια θερμοκρασία (Μηδέν ΔT) έως ότου η ροή θερμότητας να είναι μηδενική. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται, για παράδειγμα, μια απότομη αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 K και στις δύο πλάκες, και το σύστημα αφήνεται να φτάσει στην τελική θερμοκρασία έως ότου η ροή θερμότητας να είναι και πάλι μηδενική. Η ποσότητα θερμότητας που προστίθεται κατά την αλλαγή της θερμοκρασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας του δείγματος. Το Σχήμα 2 παρουσιάζει το προφίλ θερμοκρασίας αυτής της μέτρησης. Εδώ,το Qupper είναι η ροή θερμότητας μέσω του αισθητήρα στην άνω πλάκα,το Qlower είναι η ροή θερμότητας μέσω του αισθητήρα στην κάτω πλάκα καιτο Qtotal είναι το άθροισμα των ροών θερμότητας και από τους δύο αισθητήρες. Η περιοχή κάτω απότο Qtotal χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας.
Πειραματικό
Τα μονωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις HFM διατίθενται συνήθως σε μορφή πλακών. Ωστόσο, τα υλικά αυτά διατίθενται συχνά και ως χύμα υλικά, όπως το μονωτικό υλικό με βάση ασφαλτοποιημένα κοτσάνια κάνναβης που εξετάζεται εδώ (βλ. Εικόνα 3).
Μπορούν επίσης να προσδιοριστούν η θερμική αγωγιμότητα και η ειδική θερμοχωρητικότητα αυτών των υλικών. Για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας, το υλικό σε χύδην μορφή τοποθετείται σε ένα πλαίσιο. Το πλαίσιο αυτό βρίσκεται εκτός της περιοχής μέτρησης και, ως εκ τούτου, η επίδρασή του κατά τη διάρκεια της μέτρησης είναι αμελητέα.
Επιπλέον, η πυκνότητα μπορεί επίσης να προσδιοριστεί με βάση την καθορισμένη γεωμετρία. Η πυκνότητα ή η συμπύκνωση του υλικού επηρεάζει σημαντικά τη θερμική αγωγιμότητα και, στην περίπτωση των μονωτικών υλικών γενικά, θα πρέπει πάντα να καταγράφεται παράλληλα με τα αποτελέσματα, ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση. Στην περίπτωση της ειδικής θερμοχωρητικότητας, ωστόσο, ένα πλαίσιο μπορεί να έχει μη αμελητέα επίδραση στη μέτρηση λόγω της μάζας του, η οποία επίσης θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της σταδιακής μέτρησης. Για τον λόγο αυτό, το χύδην υλικό τοποθετείται σε μια πολύ λεπτή πλαστική σακούλα. Η μάζα της πλαστικής σακούλας είναι πολλές φορές μικρότερη από τη μάζα του δείγματος και, ως εκ τούτου, είναι αμελητέα. Οι υπόλοιπες συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης της θερμικής αγωγιμότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας του μονωτικού υλικού από θρυμματισμένα κλαδιά κάνναβης
| Θερμική αγωγιμότητα | Ειδική θερμοχωρητικότητα | |
| Βοηθητικά μέσα | Πλαίσιο | Πλαστική σακούλα |
| Πυκνότητα κατά τη διάρκεια της μέτρησης | ~ 178 kg/m³ | δεν αναφέρεται |
| Εισαγωγή δείγματος | ~ 693 g | ~ 693 g |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας | 20 °C + 35 °C, ΔT = 20 K | 20 °C + 35 °C, ΔT = 15 K |
Αποτελέσματα
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τη θερμική αγωγιμότητα και την ειδική θερμοχωρητικότητα των ασφαλτοποιημένων κοτσάνων κάνναβης όταν χρησιμοποιούνται ως χύδην υλικό. Η θερμική αγωγιμότητα του μονωτικού υλικού από ασφαλτοποιημένα κοτσάνια κάνναβης αυξάνεται ελαφρώς με την άνοδο της θερμοκρασίας, κάτι που συνάδει με τη χαρακτηριστική θερμοκρασιακή συμπεριφορά των μονωτικών υλικών. Η ειδική θερμοχωρητικότητα κυμαίνεται σταθερά στο εύρος περίπου 1.500 έως 1.630 J/(g·K) και στις δύο επαναληπτικές μετρήσεις (Δοκιμή 1 και Δοκιμή 2), παρουσιάζοντας μια ελαφρά αύξηση με την αύξηση της θερμοκρασίας. Οι τιμές που προσδιορίστηκαν για αυτά τα υλικά εμπίπτουν στο τυπικό και αναμενόμενο εύρος για βιολογικής προέλευσης, ασφαλτοποιημένα μονωτικά υλικά χαλαρής πλήρωσης. Συνολικά, οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν τη μέτρια θερμική αγωγιμότητα που είναι χαρακτηριστική των μονωτικών υλικών χαλαρής πλήρωσης από φυσικές ίνες, σε συνδυασμό με καλή θερμική ικανότητα αποθήκευσης.
Περίληψη
Οι παρούσες μετρήσεις καταδεικνύουν ότι η HFM 706 Lambda Medium επιτρέπει τον ακριβή και πρακτικό προσδιορισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων μονωτικών υλικών που είναι δύσκολο να μετρηθούν, όπως οι ασφαλτοποιημένοι κοτσάνες κάνναβης. Σε αντίθεση με τη μέθοδο DSC, small το μέγεθος του δείγματος της οποίας είναι ακατάλληλο για ανομοιογενή χύδην υλικά, η μέθοδος HFM, με τον όγκο δείγματος large, επιτρέπει επίσης μια αντιπροσωπευτική και αναπαραγώγιμη μέτρηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας. Αυτή η μέθοδος μέτρησης σε σταθερή κατάσταση παρέχει συνεπή αποτελέσματα για τη θερμική αγωγιμότητα (0,0547 έως 0,0584 W/(m·K)) και της ειδικής θερμοχωρητικότητας (1.500 έως 1.630 J/(g·K)) ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, τα οποία συμφωνούν σε μεγάλο βαθμό με τις τιμές που αναμένονται για τα βιολογικής προέλευσης μονωτικά υλικά. Το HFM 706 αποδεικνύεται έτσι μια αξιόπιστη εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών μεθόδων δοκιμών – ιδίως για χύδην υλικά – για τον αξιόπιστο προσδιορισμό παραμέτρων που σχετίζονται με τη φυσική των κτιρίων.