Johdanto
HFM- ja GHP-laitteilla voidaan mitata jäykkien ja korkeamman lämmönjohtavuuden (alhaisemman lämpövastuksen) omaavien rakennusmateriaalien, kuten sahatavaran, kipsilevyjen, betonin, kiven ja muiden muurattujen tuotteiden, lämpökäyttäytymistä (kuva 1 ja 2). Nämä menetelmät ovat standardoituja testitekniikoita, ja niiden soveltaminen (eristys- ja rakennusmateriaalit) liittyy vahvasti esimerkiksi seuraaviin standardeihin:
- ISO 8301:1991: Lämmöneristys - Tasaisen lämmönvastuksen ja siihen liittyvien ominaisuuksien määrittäminen - Lämpövirtamittarilaitteet.
- ISO 8302:1991: Lämmöneristys - Tasaisen lämmönvastuksen ja siihen liittyvien ominaisuuksien määrittäminen - Suojattu kuumalevylaite.
- ASTM C518: Standarditestausmenetelmä tasaisen lämpövirran ja lämmönsiirto-ominaisuuksien mittaamiseen lämpövirtausmittarilaitteistolla.
- ASTM C177: Standarditestausmenetelmä lämpövirran ja lämmönsiirto-ominaisuuksien mittaamiseksi tasaisessa tilassa suojattua kuumalevylaitteistoa käyttäen.
- DIN EN 12667/12939:2001: Rakennusmateriaalien ja -tuotteiden lämpökäyttäytyminen - Lämmönvastuksen määrittäminen suojattua kuumalevyä ja lämpövirtausmittaria käyttäen - (paksut) tuotteet, joilla on korkea ja medium lämmönvastus.
- DIN EN 13163:2001: Rakennusten lämmöneristystuotteet - Tehdasvalmisteiset paisutetusta polystyreenistä (EPS) valmistetut tuotteet - Vaatimukset.
Absoluuttisella GHP-menetelmällä voidaan saavuttaa ±2 prosentin tarkkuus. HFM-menetelmä edellyttää laitteen kalibrointia. Vertailumateriaalista riippuen voidaan saavuttaa myös ±2 prosentin tarkkuus.
Miten käsitellä jäykkiä näytteitä, joiden pinnat ovat karheita?
Molemmat menetelmät saattavat kuitenkin vaatia huolellista näytteen valmistelua ja erikoistekniikoita tarkkojen pintalämpötilamittausten suorittamiseksi. Edellä mainituissa materiaaleissa (esim. betoni) voi olla karheat pinnat, ja lämpöeristettyjen ja yhdensuuntaisten pintojen valmistaminen voi olla vaikeaa. Tämän seurauksena mittalaitteen levyjen ja näytteen pintojen välisissä ilmarakoissa voi olla merkittävä rajapinnan lämpövastus (lämpötilan lasku). Jos tästä lämpövastuksesta tulee merkittävä verrattuna näytteen lämpövastukseen, levyn pintaan asennettuja lämpötila-antureita ei voida enää käyttää näytteen lämpötilaeron mittaamiseen. Yksi tekniikka on asentaa halkaisijaltaan small olevia lisälämpöpareja näytteen pinnoille ja asettaa levyjen ja näytteen pintojen väliin sopiva rajapintalevy, kuten silikonikumi, kuten alla olevassa kuvassa 3 on esitetty.
Mittausparametrit
Tässä tutkimuksessa testattiin kolme paria betoninäytteitä (305 mm x 305 mm x noin 50 mm paksut) GHP-menetelmällä (kaksipuolisesti), ja sen jälkeen kukin kuudesta näytteestä testattiin HFM-menetelmällä. Kummassakin menetelmässä käytettiin näytteen pintaan asennettuja lämpöpareja ja noin 2 mm paksuja silikonikumista valmistettuja rajapintalevyjä. HFM 436 kalibroitiin käyttämällä NIST 1450b (Standard Reference Material®) -lasikuitulevyä, jonka paksuus on 25 mm. Lämpötilan mittaus toteutettiin kytkemällä näytteen termoparit levyn termopareille tarkoitettuihin tiedonkeruukanaviin, minkä jälkeen ohjelmiston automaattinen off set -säätö pystyi säätämään levyjen lämpötiloja testin aikana, jotta saatiin määritetty näytteen lämpötilaero. Tasapainoparametreiksi asetettiin 1 % (karkea) ja 0,1 % (hieno). Testit suoritettiin huoneenlämmössä (näytteen keskimääräinen lämpötila, ks. taulukko 1). Kahden GHP-levyn välinen lämpötilaero oli noin 26 K, ja lämpötilaero näytteen poikki oli 12 K. Näytteen lämpötilaero oli noin 10 K. HFM:n osalta levyjen lämpötilaero oli noin 18 K ja näytteen poikki 8 K.
Testitulokset
Tulokset esitetään taulukossa 1. 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 1,8 W/(m.K) korkeamman tiheyden betoninäytteelle C on odotetusti huomattavasti korkeampi kuin A:n ja B:n 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 1,2 - 1,3 W/(m.K). Menetelmien välinen yhteisymmärrys on melko hyvä, varsinkin kun otetaan huomioon näytteiden alhainen lämmönkestävyys ja epätäydelliset pinnat. HFM:llä yksittäisille näytteille mitattujen lämmönjohtavuuksien keskiarvo vaihtelee 4,1 %:n ja 2,4 %:n välillä verrattuna molempien näytteiden GHP-mittaukseen.
Taulukko 1: Betonin lämmönjohtavuuden mittaukset GHP:llä ja HFM:llä
Näyte | Paksuus (mm) | TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. Tiheys (kg/m3) | Keskiarvo lämpötila (°C) | Lämpötila johtavuus (W/(m.K)) | Lämpötila vastus (m.K/W) |
|---|---|---|---|---|---|
| A1, A2 (GHP) | 52.6 | 1896 | 24.1 | 1.36 | 0.0387 |
| A1 (HFM) | 53.6 | 1897 | 23.9 | 1.38 | 0.0387 |
| A2 (HFM) | 51.6 | 1895 | 23.9 | 1.23 | 0.0421 |
| A1, A2 (keskiarvo, HFM) | 52.6 | 1896 | 23.9 | 1.31 | 0.0404 |
| Muutos | -4.0% | ||||
| B1, B2 (GHP) | 51.1 | 1909 | 25.0 | 1.27 | 0.0402 |
| B1 (HFM) | 51.1 | 1935 | 23.9 | 1.23 | 0.0416 |
| B2 (HFM) | 51.0 | 1882 | 24.1 | 1.21 | 0.0423 |
| B1, B2 (keskiarvo, HFM) | 51.1 | 1909 | 24.0 | 1.22 | 0.0419 |
| Muutos | -4.1% | ||||
| C1, C2 (GHP) | 51.4 | 2297 | 25.2 | 1.76 | 0.0292 |
| C1 (HFM) | 51.7 | 2298 | 23.4 | 1.92 | 0.0269 |
| C2 (HFM) | 51.1 | 2296 | 23.8 | 1.69 | 0.0303 |
| C1, C2 (keskiarvo, HFM) | 51.4 | 2297 | 23.6 | 1.80 | 0.0286 |
| Muutos | 2.4% | ||||
Päätelmä
Sekä absoluuttinen GHP- että suhteellinen HFM-menetelmä soveltuvat jäykkien ja korkeamman lämmönjohtavuuden (>1 W/(m.K)) rakennusmateriaalien lämmönjohtavuuden ja lämmönvastuksen määrittämiseen - myös karheilla pinnoilla. Osoitettiin, että tarkat pintalämpötilamittaukset voidaan tehdä käyttämällä lisälämpöpareja ja yhteensopivia levyjä levyjen ja näytteen välissä. small GHP- ja HFM-testitulosten välinen poikkeama osoittaa jo molempien menetelmien korkean suorituskyvyn.