Introduction
Les matériaux isolants connus tels que la laine minérale ou les mousses polymères sont généralement produits avec une épaisseur élevée (plusieurs centimètres) afin de respecter la valeur U requise pour l'isolation thermique des bâtiments. Un appareil de mesure approprié pour déterminer la conductivité thermique (λ) est le HFM 446 Lambda Medium (figure 1). Cependant, les matériaux d'isolation sont également utilisés dans d'autres domaines avec d'autres épaisseurs, par exemple pour l'isolation thermique et acoustique des sols. L'épaisseur de ces matériaux isolants n'est souvent que de quelques millimètres. Les mesures suivantes montrent comment de tels matériaux minces peuvent être étudiés avec succès avec le HFM 446 Lambda Medium .
Valeur U
La valeur U reflète le flux de chaleur à travers un composant en fonction du gradient de température entre le côté chaud et le côté froid d'une unité [W/(m2-K)]. L'unité décrit l'énergie qui traverse un mètre carré en raison d'une différence de température de 1 K. Cette valeur caractérise les propriétés d'isolation d'un composant ; en pratique, plus la valeur U est faible, meilleur est l'effet isolant. Plus la valeur U est élevée, plus l'effet isolant est faible. Le bâtiment perd alors plus de chaleur lors des froides journées d'hiver.
Méthode de mesure
Un gradient de température est défini entre deux plaques par un matériau à mesurer. Au moyen de deux capteurs de flux thermique de haute précision dans les plaques, le flux de chaleur entrant dans le matériau et sortant du matériau, respectivement, est mesuré. Une fois que l'équilibre du système est atteint et que le flux de chaleur est constant, la conductivité thermique peut être calculée à l'aide de l'équation de Fourier et de la connaissance de la zone de mesure et de l'épaisseur de l'échantillon (voir schéma de la figure 2).
λ Conductivité thermique [W/(m∙K)]
d Épaisseur [mm]
R = d/ λ Résistance thermique [m2∙K/W]
U = 1/R Coefficient de transfert thermique [W/(m2∙K)]
Conditions de mesure
Un panneau isolant en fibres naturelles d'une épaisseur de 4 mm a été étudié. La résistance thermique (R = d/λ) d'échantillons aussi minces constitue un défi pour la mesure. Les échantillons dont la résistance thermique est inférieure à environ 0,5 m²∙K/W ne peuvent pas être mesurés avec le HFM en tant que mesure standard (DIN EN 12667). La résistance de contact entre les plaques et l'échantillon n'est plus négligeable et affecte le résultat. Pour résoudre le problème de la faible résistance thermique, des mesures ont été effectuées selon deux approches différentes :
- Empilement d'échantillons, mentionné dans la norme DIN EN 12667
- Mesure d'un échantillon avec thermocouple externe supplémentaire et couches d'interface (= kit d'instrumentation), décrite dans la norme DIN EN 12664 pour les échantillons ayant une résistance thermique < 0,5m2∙K/W.
Les mesures ont été effectuées à une température moyenne de l'échantillon de 25°C. La différence de température entre les plaques était de 20 K. La pression sur l'échantillon était d'environ 2 kPa.
Empilement d'échantillons
La figure 3 montre la conductivité thermique en fonction de l'épaisseur totale des échantillons empilés (1 à 8 couches). Les données de mesure sont résumées dans le tableau 1.
Dans la gamme des faibles épaisseurs, la conductivité thermique dépend de l'épaisseur. La résistance de contact entre l'échantillon et les plaques HFM affecte le résultat (conductivité thermique réduite).
Avec une épaisseur supérieure à 20 à 24 mm (5 à 6 couches), la conductivité thermique est constante et ne dépend plus de l'épaisseur. C'est dans cette zone que la résistance de contact est négligeable et que les mesures peuvent être considérées comme fiables. La résistance thermique de l'échantillon est supérieure à environ 0,5 (m²∙K)/W.
Tableau 1 : Résultats des mesures des échantillons empilés d'un panneau de fibres isolantes naturelles de 4 mm d'épaisseur
Nombre de couches | Épaisseur [mm] | Conductivité thermique* [W/(m∙K)] | Résistance thermique [(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 |
* tous les résultats ± 3%
La figure 4 (résistance thermique en fonction de l'épaisseur) confirme que les mesures effectuées avec des échantillons empilés sont fiables. La résistance thermique augmente linéairement avec l'épaisseur. La ligne de tendance linéaire donne un ajustement R² de 0,99972 et la pente est un indicateur de la conductivité thermique (pente m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Cette valeur est en bon accord avec les résultats de mesure de l'échantillon empilé d'une épaisseur supérieure à ~20 mm ; voir tableau 1.
Kit d'instrumentation
Pour les échantillons à faible résistance thermique, les mesures avec le kit d'instrumentation (= thermocouples externes et couches d'interface) peuvent également constituer une bonne solution. La question de la résistance de contact est résolue par la mesure directe de la température de surface. Pour les échantillons rigides, le kit d'instrumentation est un bon choix. Comme le panneau isolant en fibres naturelles de 4 mm d'épaisseur n'est pas complètement rigide mais reste flexible, il existe une autre source d'incertitude. Les thermocouples externes peuvent pénétrer dans les surfaces de l'échantillon.
Par conséquent, l'épaisseur (= distance entre les thermocouples externes) n'est pas connue avec précision. En raison de la faible épaisseur de seulement 4 mm, même un faible niveau de pénétration peut entraîner un écart important dans le résultat (une erreur relative dans l'épaisseur entraîne la même erreur relative dans la conductivité thermique).
Le tableau 2 présente les résultats d'une mesure effectuée à l'aide du kit d'instrumentation. La mesure d'une couche avec le kit d'instrumentation donne une valeur supérieure d'environ 10 % aux résultats des échantillons empilés. Cette augmentation de 10 % de la valeur de conductivité thermique est très probablement causée par une valeur d'épaisseur incorrecte de 10 % en raison de l'enetration par le thermocouple externe (200 μm de chaque côté). Ceci est confirmé par la mesure de 1 et 2 couches avec le kit d'instrumentation et le calcul de la conductivité thermique avec épaisseur ajustée (= épaisseur moins 2 x 200 μm). La conductivité thermique avec l'épaisseur ajustée est en bon accord avec les valeurs des mesures avec des échantillons empilés.
Tableau 2 : Résultats des mesures du panneau isolant en fibres naturelles de 4 mm d'épaisseur avec le kit d'instrumentation
Nombre de couches | Épaisseur [mm] | Conductivité thermique* [W/(m-K)] | Épaisseur ajustée [mm] | Conductivité thermique avec Épaisseur ajustée [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Résumé
La conductivité thermique des matériaux isolants minces et flexibles peut être mesurée avec le HFM 446 Lambda Medium en empilant plusieurs couches du matériau jusqu'à une épaisseur suffisante. La mesure avec des thermocouples externes (kit d'instrumentation) sur des échantillons flexibles peut donner des valeurs de conductivité thermique faussement gonflées en raison de la pénétration possible des thermocouples dans la surface de l'échantillon.