Εισαγωγή
Τα γνωστά μονωτικά υλικά, όπως ο ορυκτοβάμβακας ή οι αφροί πολυμερών, παράγονται συνήθως με μεγάλο πάχος (μερικά εκατοστά) για να καλύψουν την απαιτούμενη τιμή U για τη θερμομόνωση των κτιρίων. Μια κατάλληλη συσκευή μέτρησης για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας (λ) είναι το HFM 446 Lambda Medium (εικόνα 1). Ωστόσο, τα μονωτικά υλικά εφαρμόζονται και σε άλλους τομείς με άλλα πάχη, για παράδειγμα στη θερμομόνωση και ηχομόνωση δαπέδων. Το πάχος αυτών των μονωτικών υλικών είναι συχνά μόνο μερικά χιλιοστά. Οι παρακάτω μετρήσεις δείχνουν πώς μπορούν να διερευνηθούν με επιτυχία τέτοια λεπτά υλικά με το HFM 446 Lambda Medium .
U-Value
Η τιμή U αντικατοπτρίζει τη ροή θερμότητας μέσω ενός στοιχείου που εξαρτάται από την κλίση της θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής και της ψυχρής πλευράς μιας μονάδας [W/(m2-K)]. Η μονάδα περιγράφει την ενέργεια που ρέει μέσω 1 τετραγωνικού μέτρου λόγω διαφοράς θερμοκρασίας 1 Κ. Η τιμή αυτή χαρακτηρίζει τις μονωτικές ιδιότητες ενός στοιχείου- αυτό σημαίνει στην πράξη ότι όσο χαμηλότερη είναι η τιμή U, τόσο καλύτερο είναι το μονωτικό αποτέλεσμα. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή U, τόσο χειρότερη είναι η μονωτική επίδραση. Το κτίριο χάνει τότε περισσότερη θερμότητα τις κρύες μέρες του χειμώνα.
Μέθοδος μέτρησης
Μια κλίση θερμοκρασίας ορίζεται μεταξύ δύο πλακών από ένα προς μέτρηση υλικό. Μέσω δύο αισθητήρων ροής θερμότητας υψηλής ακρίβειας στις πλάκες, μετράται η ροή θερμότητας μέσα στο υλικό και έξω από το υλικό, αντίστοιχα. Αφού επιτευχθεί ισορροπία του συστήματος και η ροή θερμότητας είναι σταθερή, η θερμική αγωγιμότητα μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια της εξίσωσης Fourier και τη γνώση της περιοχής μέτρησης και του πάχους του δείγματος (βλέπε σχηματικό σχήμα 2).
λ Θερμική αγωγιμότητα [W/(m∙K)]
d Πάχος [mm]
R = d/ λ Θερμική αντίσταση [m2∙K/W]
U = 1/R Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας [W/(m2∙K)]
Συνθήκες μέτρησης
Διερευνήθηκε μια μονωτική πλάκα από φυσικές ίνες πάχους 4 mm. Η θερμική αντίσταση (R = d/λ) τέτοιων λεπτών δειγμάτων αποτελεί πρόκληση για τη μέτρηση. Δείγματα με θερμική αντίσταση μικρότερη από περίπου 0,5 m²∙K/W δεν μπορούν να μετρηθούν με το HFM ως τυπική μέτρηση (DIN EN 12667). Η αντίσταση επαφής μεταξύ των πλακών και του δείγματος δεν είναι πλέον αμελητέα και επηρεάζει το αποτέλεσμα. Για να ξεπεραστεί το ζήτημα της χαμηλής θερμικής αντίστασης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις:
- Στοίβαξη δειγμάτων, όπως αναφέρεται στο DIN EN 12667
- Μέτρηση ενός δείγματος με πρόσθετο εξωτερικό θερμοστοιχείο και στρώματα διεπαφής (=κιτ οργάνων), που περιγράφεται στο DIN EN 12664 για δείγματα με θερμική αντίσταση < 0,5m2∙K/W.
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε μέση θερμοκρασία δείγματος 25°C. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των πλακών ήταν 20 K. Η πίεση στο δείγμα ήταν περίπου 2 kPa.
Στοίβαξη δειγμάτων
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η θερμική αγωγιμότητα συναρτήσει του συνολικού πάχους των στοιβαγμένων δειγμάτων (1 έως 8 στρώματα). Τα δεδομένα των μετρήσεων συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Στην περιοχή χαμηλού πάχους, η θερμική αγωγιμότητα παρουσιάζει εξάρτηση από το πάχος. Η αντίσταση επαφής μεταξύ του δείγματος και των πλακών HFM επηρεάζει το αποτέλεσμα (μειωμένη θερμική αγωγιμότητα).
Με πάχος μεγαλύτερο από 20 έως 24 mm (5 έως 6 στρώματα), η θερμική αγωγιμότητα είναι σταθερή και δεν εξαρτάται πλέον από το πάχος. Αυτή είναι η περιοχή όπου η αντίσταση επαφής είναι αμελητέα και οι μετρήσεις μπορούν να θεωρηθούν αξιόπιστες. Η θερμική αντίσταση του δείγματος είναι υψηλότερη από περίπου 0,5 (m²∙K)/W.
Πίνακας 1: Αποτελέσματα μέτρησης των στοιβαγμένων δειγμάτων μιας πλάκας ινών νάτου πάχους 4 mm
Αριθμός επιπέδων | Πάχος [mm] | Θερμική αγωγιμότητα* [W/(m∙K)] | Θερμική αντίσταση [(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 |
* όλα τα αποτελέσματα ± 3%
Το σχήμα 4 (θερμική αντίσταση σε σχέση με το πάχος) επιβεβαιώνει ότι οι μετρήσεις με στοιβαγμένα δείγματα είναι αξιόπιστες. Η θερμική αντίσταση αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση του πάχους. Η γραμμική γραμμή τάσης δίνει προσαρμογή R² 0,99972 και η κλίση είναι δείκτης για τη θερμική αγωγιμότητα (κλίση m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Η τιμή αυτή βρίσκεται σε καλή συμφωνία με τα αποτελέσματα των μετρήσεων του στοιβαγμένου δείγματος με πάχος μεγαλύτερο από ~20 mm- βλέπε πίνακα 1.
Κιτ οργάνων
Για δείγματα χαμηλής θερμικής αντίστασης, οι μετρήσεις με το κιτ οργάνων (= εξωτερικά θερμοστοιχεία και στρώματα διεπαφής) μπορεί επίσης να είναι μια καλή λύση. Το ζήτημα της αντίστασης επαφής επιλύεται με την άμεση μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας. Για δύσκαμπτα δείγματα, το κιτ οργάνων είναι μια καλή επιλογή. Δεδομένου ότι η μονωτική πλάκα από φυσικές ίνες πάχους 4 mm δεν είναι εντελώς άκαμπτη αλλά εξακολουθεί να είναι εύκαμπτη, υπάρχει μια άλλη πηγή αβεβαιότητας. Τα εξωτερικά θερμοστοιχεία μπορούν να εισχωρήσουν στις επιφάνειες του δείγματος.
Ως εκ τούτου, το πάχος (= απόσταση μεταξύ των εξωτερικών θερμοζευγών) δεν είναι επακριβώς γνωστό. Λόγω του χαμηλού πάχους μόλις 4 mm, ακόμη και ένα χαμηλό επίπεδο διείσδυσης μπορεί να προκαλέσει μεγάλη απόκλιση στο αποτέλεσμα (το σχετικό σφάλμα στο πάχος προκαλεί το ίδιο σχετικό σφάλμα στη θερμική αγωγιμότητα).
Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας μέτρησης με το κιτ οργάνων. Η μέτρηση ενός στρώματος με το κιτ οργάνων παράγει μια τιμή που είναι περίπου 10% υψηλότερη από τα αποτελέσματα από τα στοιβαγμένα δείγματα. Αυτή η αύξηση κατά 10% στην τιμή της θερμικής αγωγιμότητας οφείλεται πιθανότατα σε μια τιμή πάχους που είναι εσφαλμένη κατά 10% λόγω της διείσδυσης του εξωτερικού θερμοστοιχείου (200 μm σε κάθε πλευρά). Αυτό επιβεβαιώνεται από τη μέτρηση 1 και 2 στρώσεων με το κιτ οργάνων και τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας με προσαρμοσμένο πάχος (= πάχος μείον 2 x 200 μm). Η θερμική αγωγιμότητα με προσαρμοσμένο πάχος βρίσκεται σε καλή συμφωνία με τις τιμές από τις μετρήσεις με στοιβαγμένα δείγματα.
Πίνακας 2: Αποτελέσματα μέτρησης της μονωτικής πλάκας από φυσικές ίνες πάχους 4 mm με κιτ οργάνων
Αριθμός επιπέδων | Πάχος [mm] | Θερμική αγωγιμότητα* [W/(m-K)] | Προσαρμοσμένο πάχος [mm] | Θερμική αγωγιμότητα με Προσαρμοσμένο πάχος [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Περίληψη
Η θερμική αγωγιμότητα των λεπτών και εύκαμπτων μονωτικών υλικών μπορεί να μετρηθεί με το HFM 446 Lambda Medium με τη στοίβαξη αρκετών στρώσεων του υλικού σε επαρκές πάχος. Η μέτρηση με εξωτερικό κιτ οργάνων θερμοστοιχείων) σε εύκαμπτα δείγματα μπορεί να οδηγήσει σε ψευδώς διογκωμένες τιμές θερμικής αγωγιμότητας λόγω της πιθανής διείσδυσης των θερμοστοιχείων στην επιφάνεια του δείγματος.