Come misurare campioni di isolamento sottile con l'HFM

1) HFM LambdaSmall e HFM LambdaMedium

Introduzione

I materiali isolanti noti, come la lana minerale o le schiume polimeriche, sono solitamente prodotti con spessori elevati (diversi centimetri) per soddisfare il valore U richiesto per l'isolamento termico degli edifici. Uno strumento di misura adatto per la determinazione della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica (λ) è l'HFM 446 LambdaMedium (figura 1). Tuttavia, i materiali isolanti vengono applicati anche in altre aree con altri spessori, ad esempio per l'isolamento termico e acustico dei pavimenti. Lo spessore di questi materiali isolanti è spesso di pochi millimetri. Le misure che seguono mostrano come tali materiali sottili possano essere analizzati con successo con l'HFM 446 LambdaMedium .

Valore U

Il valore U riflette il flusso di calore attraverso un componente in funzione del gradiente di temperatura tra il lato caldo e quello freddo di un'unità [W/(m2-K)]. L'unità descrive l'energia che fluisce attraverso 1 metro quadrato a causa di una differenza di temperatura di 1 K. Questo valore caratterizza le proprietà isolanti di un componente; in pratica, più basso è il valore U, migliore è l'effetto isolante. Più alto è il valore U, più scarso è l'effetto isolante. L'edificio perde quindi più calore nelle fredde giornate invernali.

Metodo di misurazione

Un gradiente di temperatura è definito tra due piastre da un materiale da misurare. Per mezzo di due sensori di flusso di calore ad alta precisione nelle piastre, viene misurato il flusso di calore rispettivamente in entrata e in uscita dal materiale. Una volta raggiunto l'equilibrio del sistema e il flusso di calore è costante, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica può essere calcolata con l'aiuto dell'equazione di Fourier e la conoscenza dell'area di misura e dello spessore del campione (vedi figura 2).

λ Conducibilità termica [W/(m∙K)]

d Spessore [mm]

R = d/ λ Resistenza termica [m2∙K/W]

U = 1/R Coefficiente di trasferimento del calore [W/(m2∙K)]

2) Schema dell'HFM consegnato alibra

Condizioni di misura

È stato analizzato un pannello isolante in fibra naturale con uno spessore di 4 mm. La resistenza termica (R = d/λ) di campioni così sottili rappresenta una sfida per la misurazione. I campioni con resistenza termica inferiore a circa 0,5 m²∙K/W non possono essere misurati con l'HFM come misura standard (DIN EN 12667). La Resistenza di contattoSecondo la seconda legge della termodinamica, il trasferimento di calore tra due sistemi si muove sempre nella direzione da temperature più alte a temperature più basse. La quantità di energia termica trasferita per conduzione termica, ad esempio attraverso una parete di un edificio, è influenzata dalle resistenze termiche della parete in calcestruzzo e dello strato isolante.resistenza di contatto tra le piastre e il campione non è più trascurabile e influisce sul risultato. Per superare il problema della bassa resistenza termica, sono state eseguite misure con due approcci diversi:

  • Accatastamento dei campioni, come indicato nella norma DIN EN 12667
  • Misura di un campione con termocoppia esterna aggiuntiva e strati di interfaccia (=kit di strumentazione), descritta nella norma DIN EN 12664 per campioni con una resistenza termica < 0,5m2∙K/W.

Le misurazioni sono state effettuate a una temperatura media del campione di 25°C. La differenza di temperatura tra le piastre era di 20 K. La pressione sul campione era di circa 2 kPa.

Accatastamento dei campioni

La Figura 3 mostra la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica in funzione dello spessore complessivo dei campioni impilati (da 1 a 8 strati). I dati di misura sono riassunti nella tabella 1.

Nella gamma di bassi spessori, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica mostra una dipendenza dallo spessore. La Resistenza di contattoSecondo la seconda legge della termodinamica, il trasferimento di calore tra due sistemi si muove sempre nella direzione da temperature più alte a temperature più basse. La quantità di energia termica trasferita per conduzione termica, ad esempio attraverso una parete di un edificio, è influenzata dalle resistenze termiche della parete in calcestruzzo e dello strato isolante.resistenza di contatto tra il campione e le piastre HFM influisce sul risultato (riduzione della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica).

Con uno spessore superiore a 20-24 mm (5-6 strati), la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica è costante e non dipende più dallo spessore. Questa è la regione in cui la Resistenza di contattoSecondo la seconda legge della termodinamica, il trasferimento di calore tra due sistemi si muove sempre nella direzione da temperature più alte a temperature più basse. La quantità di energia termica trasferita per conduzione termica, ad esempio attraverso una parete di un edificio, è influenzata dalle resistenze termiche della parete in calcestruzzo e dello strato isolante.resistenza di contatto è trascurabile e le misure possono essere considerate affidabili. La resistenza termica del campione è superiore a circa 0,5 (m²∙K)/W.

3) Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.Conduttività termica di un pannello isolante in fibra naturale in funzione dello spessore (= numero di strati)

Tabella 1: Risultati delle misurazioni dei campioni impilati di un pannello in fibra isolante naterno di 4 mm di spessore

Numero di strati

Spessore [mm]

Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.Conduttività termica*

[W/(m∙K)]

Resistenza termica

[(m2∙K)/W]

140.042140.0958
280.044470.1812
3120.045650.2582
4160.046970.3387
5200.047450.4214
6240.047790.5021
7280.047490.5906
8320.047340.6757

* tutti i risultati ± 3%

La Figura 4 (resistenza termica in base allo spessore) conferma che le misure con i campioni impilati sono affidabili. La resistenza termica aumenta linearmente con l'aumentare dello spessore. La linea di tendenza lineare fornisce un adattamento R² di 0,99972 e la pendenza è un indicatore della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica (pendenza m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Questo valore è in buon accordo con i risultati delle misurazioni del campione impilato con uno spessore superiore a ~20 mm; vedere tabella 1.

4) Resistenza termica di un pannello in fibra naturale in funzione dello spessore (= numero di strati)

Kit di strumentazione

Per i campioni a bassa resistenza termica, anche le misure con il kit di strumentazione (= termocoppie esterne e strati di interfaccia) possono essere una buona soluzione. Il problema della Resistenza di contattoSecondo la seconda legge della termodinamica, il trasferimento di calore tra due sistemi si muove sempre nella direzione da temperature più alte a temperature più basse. La quantità di energia termica trasferita per conduzione termica, ad esempio attraverso una parete di un edificio, è influenzata dalle resistenze termiche della parete in calcestruzzo e dello strato isolante.resistenza di contatto è risolto dalla misurazione diretta della temperatura superficiale. Per i campioni rigidi, il kit di strumentazione è una buona scelta. Poiché il pannello isolante in fibra naturale di 4 mm di spessore non è completamente rigido ma ancora flessibile, esiste un'altra fonte di incertezza. Le termocoppie esterne possono penetrare nella superficie del campione.

Pertanto, lo spessore (= distanza tra le termocoppie esterne) non è noto con precisione. A causa del basso spessore di soli 4 mm, anche un basso livello di penetrazione può causare un'elevata deviazione nel risultato (l'errore relativo nello spessore causa lo stesso errore relativo nella Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica).

La Tabella 2 mostra i risultati di una misurazione con il kit di strumentazione. La misurazione di uno strato con il kit di strumentazione produce un valore superiore di circa il 10% rispetto ai risultati ottenuti con i campioni impilati. Questo aumento del 10% del valore di Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica è probabilmente dovuto a un valore di spessore errato del 10% a causa dell'ingresso della termocoppia esterna (200 μm su ciascun lato). Ciò è confermato dalla misurazione di 1 e 2 strati con il kit di strumentazione e dal calcolo della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica con spessore corretto (= spessore meno 2 x 200 μm). La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica con lo spessore adattato è in buon accordo con i valori ottenuti dalle misurazioni con campioni impilati.

Tabella 2: Risultati della misurazione del pannello isolante in fibra naturale di 4 mm di spessore con il kit di strumentazione

Numero di strati

Spessore

[mm]

Conducibilità termica*

[W/(m-K)]

Spessore corretto

[mm]

Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.Conduttività termica con

Spessore corretto

[W/(m∙K)]

140.052813.60.04753
280.050717.60.04817

Sintesi

La conducibilità termica di materiali isolanti sottili e flessibili può essere misurata con l'HFM 446 LambdaMedium impilando diversi strati del materiale in uno spessore sufficiente. La misurazione con termocoppie esterne (kit di strumentazione) su campioni flessibili può produrre valori di conducibilità termica falsamente gonfiati a causa della possibile penetrazione delle termocoppie nella superficie del campione.