Johdanto
Perinteiset eristemateriaalit, kuten paisutettu polypropeeni ja kivivilla, ovat yleensä saatavilla levyjen muodossa. Myös lattioiden ja kattojen puhallus- ja irtoeristeitä käytetään kuitenkin laajalti.
Yksi esimerkki on bitumoitujen hamppusilppujen eriste- ja tasoitusmateriaali. Mekaanisten ja käsittelyyn liittyvien etujen lisäksi materiaalin lämpöfysikaaliset ominaisuudet vaikuttavat ratkaisevasti sen suorituskykyyn. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus määrittää, kuinka tehokkaasti lämpö kulkeutuu eristeen läpi tai pysyy eristeessä, mikä on tärkeää energiatehokkuuden ja asuinmukavuuden kannalta. Lisäksi ominaislämpökapasiteetti osoittaa, kuinka paljon lämpöä materiaali voi varastoida ja vapauttaa ajan kuluessa. Siksi näiden ominaisuuksien tarkka ymmärtäminen on välttämätöntä lattiarakenteen optimaalisen suunnittelun ja rakennusfysiikan vaatimusten luotettavan täyttämisen kannalta.
Menetelmä
Monilla mittausjärjestelmillä on vaikeuksia määrittää irtomateriaalien lämpöfysikaalisia ominaisuuksia, kuten lämmönjohtavuutta ja ominaislämpökapasiteettia. Yksi haaste on materiaalin muoto, ja toinen sen suhteellisen suuri epähomogeenisuus.
Eristysmateriaalien LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus voidaan määrittää nopeasti ja tarkasti HFM-menetelmällä (lämmönvirtausmittari). Tässä menetelmässä näyte, joka on tyypillisesti kiinteä, sijoitetaan kuuman ja kylmän levyn väliin, joista kumpikin pidetään tietyssä lämpötilassa. Tuloksena syntyvä lämpövirta mitataan lämpövirtausantureilla. Näytteen paksuuden ja aiemmin määritettyjen kalibrointikertoimien avulla näytteen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus määritetään eri lämpötilapisteissä. Kuvassa 1 esitetään tyypillinen lämpötilaprofiili, joka sisältää myös lämmönjohtavuuden.
Kuten paneelimuotoiset eristemateriaalit, myös irtonaiset eristemateriaalit mitataan ohuella pohjalla varustetussa kehyksessä. Pohja on niin ohut, että sen lämpövastusta voidaan pitää merkityksettömänä. Kehys sijaitsee mittausalueen ulkopuolella, jotta se ei vaikuta mittaukseen.
Erityislämpökapasiteetin määrittämiseen käytetään yleisimmin DSC-menetelmää (differentiaalinen skannauskalorimetria). Näytteen koko on kuitenkin suhteellisen small: eristeaineiden halkaisija on noin 4 mm ja paksuus vain 1 mm. Lisäksi tarkat mittaukset edellyttävät suurta lähtöpainoa sekä hyvää kosketusta näytteen ja upokkaan välillä. Nämä kolme tekijää tekevät irtotäyteeristeen ominaislämpökapasiteetin mittaamisesta DSC-menetelmällä epäkäytännöllistä ja vaikeaa. HFM tarjoaa oikean ratkaisun tämän tyyppisille näytteille. HFM pystyy analysoimaan large tilavuuden (esim. useita litroja). Tämä tekee mittauksesta edustavamman. Lisäksi HFM-menetelmä on vakaassa tilassa tapahtuva. Erityislämpökapasiteettia määritettäessä levyjen ja näytteen välinen kosketus ei ole yhtä kriittinen kuin DSC-mittauksessa.Erityislämpökapasiteetin määrittämiseksi molempia levyjä pidetään samassa lämpötilassa (ΔT = 0), kunnes lämpövirta on nolla. Sitten molemmille levyille aiheutetaan esimerkiksi 10 K:n lämpötilahyppy, ja järjestelmän annetaan saavuttaa lopullinen lämpötila, kunnes lämpövirta on jälleen nolla. Lämpötilan muuttuessa lisätty lämmön määrä voidaan käyttää näytteen ominaislämpökapasiteetin mittaamiseen. Kuvassa 2 esitetään tämän mittauksen lämpötilaprofiili. TässäQupper on ylälevyn anturin läpi kulkeva lämpövirta,Qlower on alalevyn anturin läpi kulkeva lämpövirta jaQtotal on molempien anturien lämpövirtojen summa.Qtotal-käyrän alla olevaa aluetta käytetään ominaislämpökapasiteetin laskemiseen.
Kokeellinen
HFM-mittauksissa käytettävät eristemateriaalit toimitetaan yleensä levyjen muodossa. Näitä materiaaleja on kuitenkin usein saatavilla myös irtotavarana, kuten tässä tutkittu bitumoituihin hamppukuituihin perustuva eristemateriaali (ks. kuva 3).
Myös näiden materiaalien LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus ja ominaislämpökapasiteetti voidaan määrittää. Lämmönjohtavuuden määrittämiseksi irtomateriaali sijoitetaan kehykseen. Tämä kehys sijaitsee mittausalueen ulkopuolella, joten sen vaikutus mittauksen aikana on merkityksetön.
Lisäksi TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys voidaan määrittää määritellyn geometrian perusteella. Materiaalin TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys tai tiivistyneisyys vaikuttaa merkittävästi lämmönjohtavuuteen, ja eristemateriaalien tapauksessa se tulisi aina kirjata tulosten yhteyteen vertailun mahdollistamiseksi. Ominaislämmönkapasiteetin mittauksessa kehyksellä voi kuitenkin olla merkittävä vaikutus mittaukseen sen massan vuoksi, sillä myös kehys lämpiää vaiheittaisen mittauksen aikana. Tästä syystä irtomateriaali sijoitetaan erittäin ohueen muovipussiin. Muovipussin massa on moninkertaisesti pienempi kuin näytteen massa ja on siten merkityksetön. Muut mittausolosuhteet on koottu taulukkoon 1.
Taulukko 1: Bitumisoitujen hamppukuitujen eristystäytteen lämmönjohtavuuden ja ominaislämmönmittausolosuhteet
Tulokset
Kuten kuvassa 4 esitetään, tulokset osoittavat bitumoitujen hamppukuitujen lämmönjohtavuuden ja ominaislämpökapasiteetin, kun niitä käytetään irtomateriaalina. Bitumoitujen hamppukuitujen eristystäytteen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus kasvaa hieman lämpötilan noustessa, mikä on eristemateriaaleille tyypillisen lämpötilakäyttäytymisen mukaista. Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti pysyy johdonmukaisesti noin 1 500–1 630 J/(g·K) välillä molemmissa toistetuissa mittauksissa (koe 1 ja koe 2), ja se kasvaa hieman lämpötilan noustessa. Näille materiaaleille määritetyt arvot sijoittuvat biopohjaisten, bitumoitujen irtotäyteeristeiden tyypilliselle ja odotetulle alueelle. Kaiken kaikkiaan mittaukset vahvistavat luonnonkuituisille irtotäyteeristeille tyypillisen kohtalaisen lämmönjohtavuuden yhdistettynä hyvään lämmönvarastointikykyyn.
Yhteenveto
Nämä mittaukset osoittavat, että HFM 706 Lambda Medium menetelmä mahdollistaa vaikeasti mitattavien eristemateriaalien, kuten bitumoitujen hamppukuitujen, lämpöfysikaalisten ominaisuuksien tarkan ja käytännöllisen määrittämisen. Toisin kuin DSC-menetelmä, jonka näytteen koko ( small ) ei sovellu epähomogeenisille irtomateriaaleille, HFM-menetelmä, jossa näytteen tilavuus on large, mahdollistaa myös ominaislämmönkapasiteetin edustavan ja toistettavan mittaamisen. Tämä vakaassa tilassa suoritettava mittausmenetelmä tuottaa yhdenmukaisia tuloksia lämmönjohtavuudelle (0,0547–0,0584 W/(m·K)) ja ominaislämpökapasiteetin (1 500–1 630 J/(g·K)) suhteen lämpötilan funktiona, ja tulokset ovat hyvin yhdenmukaisia biopohjaisilta eristemateriaaleilta odotettujen arvojen kanssa. HFM 706 osoittautuu siten luotettavaksi vaihtoehdoksi perinteisille testausmenetelmille – erityisesti irtomateriaalien osalta – rakennusfysiikan kannalta merkittävien parametrien luotettavassa määrittämisessä.