Johdanto
Tunnettuja eristysmateriaaleja, kuten mineraalivillaa tai polymeerivaahtoja, valmistetaan yleensä suurella paksuudella (useita senttimetrejä), jotta ne täyttäisivät rakennusten lämmöneristykseen vaaditun U-arvon. Lämmönjohtavuuden (λ) määrittämiseen soveltuva mittauslaite on HFM 446 Lambda Medium (kuva 1). Eristysmateriaaleja käytetään kuitenkin myös muilla alueilla muilla paksuuksilla, esimerkiksi lattioiden lämpö- ja äänieristyksessä. Tällaisten eristemateriaalien paksuus on usein vain muutamia millimetrejä. Seuraavat mittaukset osoittavat, miten tällaisia ohuita materiaaleja voidaan menestyksekkäästi tutkia HFM 446 -laitteella Lambda Medium .
U-arvo
U-arvo kuvastaa lämpövirtaa komponentin läpi, joka riippuu yksikön lämpimän ja kylmän puolen välisestä lämpötilagradientista [W/(m2-K)]. Yksikkö kuvaa 1 neliömetrin läpi virtaavaa energiaa, joka johtuu 1 K:n lämpötilaerosta. Tämä arvo kuvaa komponentin eristysominaisuuksia; käytännössä tämä tarkoittaa, että mitä pienempi U-arvo on, sitä parempi on eristysvaikutus. Mitä suurempi U-arvo, sitä huonompi eristysvaikutus. Rakennus menettää tällöin enemmän lämpöä kylminä talvipäivinä.
Mittausmenetelmä
Mitattavan materiaalin avulla määritellään lämpötilagradientti kahden levyn välille. Levyissä olevien kahden erittäin tarkan lämpövirta-anturin avulla mitataan lämpövirta materiaaliin ja materiaalista ulos. Kun järjestelmän tasapaino on saavutettu ja lämpövirta on vakio, 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 laskea Fourierin yhtälön avulla ja kun tunnetaan mittausalue ja näytteen paksuus (ks. kaavamainen kuva 2).
d Paksuus [mm]
R = d/ λ Lämmönvastus [m2∙K/W]
U = 1/R Lämmönsiirtokerroin [W/(m2∙K)]
Mittausolosuhteet
Luonnonkuituista eristelevyä, jonka paksuus on 4 mm, tutkittiin. Näin ohuiden näytteiden lämpöresistanssi (R = d/λ) on haaste mittaukselle. Näytteitä, joiden lämpövastus on alle noin 0,5 m²∙K/W, ei voida mitata HFM:llä standardimittauksena (DIN EN 12667). Levyjen ja näytteen välinen kosketusresistanssi ei ole enää mitätön ja vaikuttaa tulokseen. Alhaisen lämpöresistanssin ongelman ratkaisemiseksi suoritettiin mittauksia kahdella eri lähestymistavalla:
- Näytteiden pinoaminen, joka mainitaan standardissa DIN EN 12667
- Yhden näytteen mittaus, jossa on ylimääräinen ulkoinen termoelementti ja rajapintakerrokset (=instrumenttisarja), kuvattu DIN EN 12664:ssä näytteille, joiden lämpövastus on < 0,5m2∙K/W.
Mittaukset suoritettiin näytteen keskilämpötilassa 25 °C. Levyjen välinen lämpötilaero oli 20 K. Näytteeseen kohdistuva paine oli noin 2 kPa.
Näytteiden pinoaminen
Kuvassa 3 esitetään 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 pinottujen näytteiden (1-8 kerrosta) kokonaispaksuuden suhteen. Taulukossa 1 on yhteenveto mittaustiedoista.
Pienellä paksuusalueella 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 on riippuvainen paksuudesta. Näytteen ja HFM-levyjen välinen kosketusresistanssi vaikuttaa tulokseen (alentunut 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).
Kun paksuus on yli 20-24 mm (5-6 kerrosta), 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 on vakio eikä enää riipu paksuudesta. Tällä alueella KosketusvastusTermodynamiikan toisen lain mukaan lämmön siirtyminen kahden järjestelmän välillä tapahtuu aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan. Lämmön johtumisen kautta esimerkiksi rakennuksen seinän läpi siirtyvän lämpöenergian määrään vaikuttavat betoniseinän ja eristekerroksen lämpövastukset.kosketusvastus on häviävän pieni ja mittauksia voidaan pitää luotettavina. Näytteen lämpövastus on suurempi kuin noin 0,5 (m²∙K)/W.
Taulukko 1: Mittaustulokset 4 mm paksun vesieristekuitulevyn pinotuista näytteistä
Kerrosten lukumäärä | Paksuus [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 |
* kaikki tulokset ± 3%
Kuva 4 (lämpöresistanssi paksuuden suhteen) vahvistaa, että pinotuilla näytteillä tehdyt mittaukset ovat luotettavia. Lämpövastus kasvaa lineaarisesti paksuuden kasvaessa. Lineaarisen trendiviivan R²-sovitus on 0,99972, ja kaltevuus on lämmönjohtavuuden indikaattori (kaltevuus m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Tämä arvo on hyvässä yhteisymmärryksessä pinotun näytteen mittaustulosten kanssa, joiden paksuus on yli ~20 mm; ks. taulukko 1.
Instrumentointipakkaus
Kun näytteiden lämpöresistanssi on alhainen, mittaukset mittalaitesarjalla (= ulkoiset termoparit ja rajapintakerrokset) voivat myös olla hyvä ratkaisu. Kosketusvastuksen ongelma ratkaistaan pintalämpötilan suoralla mittauksella. Jäykille näytteille instrumentointisarja on hyvä valinta. Koska 4 mm:n paksuinen luonnonkuitueristelevy ei ole täysin jäykkä vaan edelleen joustava, on olemassa toinen epävarmuuden lähde. Ulkoiset termoparit voivat tunkeutua näytteen pintoihin.
Siksi paksuutta (= ulkoisten termoparien välinen etäisyys) ei tunneta tarkasti. Koska paksuus on pieni, vain 4 mm, pienikin tunkeutuminen voi aiheuttaa suuren poikkeaman tulokseen (suhteellinen virhe paksuudessa aiheuttaa saman suhteellisen virheen lämmönjohtavuudessa).
Taulukossa 2 esitetään mittalaitesarjalla suoritetun mittauksen tulokset. Yhden kerroksen mittaus mittalaitesarjalla tuottaa arvon, joka on noin 10 % korkeampi kuin pinotuista näytteistä saadut tulokset. Tämä lämmönjohtavuusarvon 10 prosentin nousu johtuu todennäköisesti paksuusarvosta, joka on 10 prosenttia virheellinen ulkoisen lämpöparin tunkeutumisen vuoksi (200 μm kummallakin puolella). Tämä vahvistetaan mittaamalla 1 ja 2 kerrosta mittalaitesarjalla ja laskemalla 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 oikaistulla paksuudella (= paksuus miinus 2 x 200 μm). 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 mukautetun paksuuden kanssa on hyvässä sopusoinnussa pinotuilla näytteillä tehtyjen mittausten arvojen kanssa.
Taulukko 2: Mittaustulokset 4 mm:n paksuisesta luonnonkuitueristyslevystä, jossa on mittalaitesarja
Kerrosten lukumäärä | Paksuus [mm] | [W/(m-K)] | Säädetty paksuus [mm] | Säädetty paksuus [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Yhteenveto
Ohuiden ja joustavien eristemateriaalien 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 mitata HFM 446 Lambda Medium -mittarilla pinoamalla useita kerroksia materiaalia riittävän paksuksi. Mittaaminen ulkoisilla termopareilla (instrumentointipakkaus) taipuisista näytteistä voi johtaa virheellisesti suuriin lämmönjohtavuusarvoihin, koska termoparit saattavat tunkeutua näytteen pintaan.