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HFM으로 얇은 절연 샘플을 측정하는 방법

1) HFM Lambda Small 및 HFM Lambda Medium

소개

미네랄 울 또는 폴리머 폼과 같은 알려진 단열재는 일반적으로 건물의 단열에 필요한 U값을 충족하기 위해 높은 두께(수 센티미터)로 생산됩니다. 열전도율(λ)을 측정하는 데 적합한 측정 장치는 HFM 446 Lambda Medium (그림 1)입니다. 그러나 단열재는 예를 들어 바닥의 단열 및 방음과 같이 다른 두께의 다른 영역에도 적용됩니다. 이러한 단열재의 두께는 종종 몇 밀리미터에 불과합니다. 다음 측정값은 이러한 얇은 재료를 HFM 446 Lambda Medium 으로 어떻게 성공적으로 조사할 수 있는지 보여줍니다.

U-가치

U값은 단위의 따뜻한 면과 차가운 면 사이의 온도 구배에 따라 구성 요소를 통과하는 열 흐름을 반영합니다[W/(m2-K)]. 이 단위는 1K의 온도 차이로 인해 1제곱미터를 통과하는 에너지를 나타냅니다. 이 값은 구성 요소의 단열 특성을 나타내므로 실제로는 U값이 낮을수록 단열 효과가 더 좋습니다. U값이 높을수록 단열 효과가 떨어집니다. 따라서 추운 겨울날에는 건물이 더 많은 열을 잃게 됩니다.

측정 방법

온도 구배는 측정할 재료에 따라 두 플레이트 사이에 정의됩니다. 플레이트에 있는 두 개의 고정밀 열 흐름 센서를 통해 각각 재료 내부와 재료 외부로의 열 흐름이 측정됩니다. 시스템의 평형 상태에 도달하고 열 흐름이 일정해지면 푸리에 방정식과 시료의 측정 면적 및 두께에 대한 지식을 사용하여 열전도율을 계산할 수 있습니다(개략도 그림 2 참조).

λ 열전도율 [W/(m∙K)]]

d 두께 [mm]

R = d/ λ 열 저항 [m2∙K/W]

U = 1/R 열전달 계수 [W/(m2∙K)]]

2) 보정된 상태로 배송되는 HFM의 개략도

측정 조건

두께가 4mm인 천연 섬유 단열 보드를 조사했습니다. 이렇게 얇은 시료의 열 저항(R = d/λ)은 측정에 어려움을 줍니다. 열 저항이 약 0.5 m²∙K/W보다 낮은 시료는 표준 측정(DIN EN 12667)으로 HFM으로 측정할 수 없습니다. 플레이트와 시료 사이의 접촉 저항은 더 이상 무시할 수 없는 수준이며 결과에 영향을 미칩니다. 낮은 열 저항 문제를 극복하기 위해 두 가지 다른 접근 방식으로 측정을 수행했습니다:

  • DIN EN 12667에 언급된 시료 적층 방법
  • 열 저항이 0.5m2∙K/W미만인 샘플에 대해 DIN EN 12664에 설명된 추가 외부 열전대 및 인터페이스 레이어(=계측 키트)를 사용하여 하나의 샘플을 측정했습니다.

측정은 평균 샘플 온도 25°C에서 수행되었습니다. 플레이트 사이의 온도 차이는 20°C, 시료에 가해진 압력은 약 2kPa였습니다.

샘플 스태킹

그림 3은 적층된 샘플(1~8층)의 전체 두께 대비 열전도도를 보여줍니다. 측정 데이터는 표 1에 요약되어 있습니다.

낮은 두께 범위에서 열전도도는 두께에 대한 의존성을 보여줍니다. 시료와 HFM 플레이트 사이의 접촉 저항이 결과에 영향을 미칩니다(열전도율 감소).

두께가 20~24mm(5~6층) 이상인 경우 열전도도는 일정하며 더 이상 두께에 의존하지 않습니다. 이 영역은 접촉 저항이 무시할 수 있는 수준이며 측정값을 신뢰할 수 있는 것으로 간주할 수 있습니다. 시료의 열 저항은 약 0.5(m²∙K)/W보다 높습니다.

3) 천연 섬유 단열 보드의 열전도율 대 두께(= 층 수)

표 1: 4mm 두께의 천연 단열 섬유판의 적층 샘플 측정 결과

레이어 수

두께 [mm]

열 전도성*

[W/(m∙K)]

열 저항

[(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

* 모든 결과 ± 3%

그림 4(두께에 따른 열 저항)는 적층된 샘플을 사용한 측정이 신뢰할 수 있음을 확인시켜 줍니다. 열 저항은 두께가 증가함에 따라 선형적으로 증가합니다. 선형 추세선은 0.99972의 R² 적합도를 제공하며 기울기는 열 전도성을 나타내는 지표입니다(기울기 m = R/d = 1/λ → λ = 0.04855 W/(m∙K)). 이 값은 두께가 ~20mm 이상인 적층 샘플의 측정 결과와 잘 일치합니다(표 1 참조).

4) 천연 섬유판의 열 저항과 두께(= 레이어 수) 비교

계측 키트

열 저항이 낮은 시료의 경우, 계측 키트(= 외부 열전대 및 인터페이스 레이어)를 사용한 측정도 좋은 해결책이 될 수 있습니다. 접촉 저항 문제는 표면 온도를 직접 측정하여 해결할 수 있습니다. 딱딱한 시료의 경우 계측 키트가 좋은 선택입니다. 4mm 두께의 천연 섬유 단열판은 완전히 단단하지는 않지만 여전히 유연하기 때문에 또 다른 불확실성의 원인이 존재합니다. 외부 열전대는 시료의 표면을 관통할 수 있습니다.

따라서 두께(=외부 열전대 사이의 거리)를 정확하게 알 수 없습니다. 두께가 4mm에 불과하기 때문에 침투 수준이 낮더라도 결과에 큰 편차가 발생할 수 있습니다(두께의 상대 오차는 열전도율의 상대 오차를 유발합니다).

표 2는 계측 키트를 사용한 측정 결과를 보여줍니다. 계측 키트로 한 층을 측정하면 적층된 샘플의 결과보다 약 10% 더 높은 값이 나옵니다. 이 10%의 열전도율 값 증가는 외부 열전대(양쪽 200μm)에 의한 침투로 인해 두께 값이 10% 정도 부정확하기 때문일 가능성이 높습니다. 이는 계측 키트를 사용하여 1 및 2 층을 측정하고 조정된 두께(= 두께에서 2 x 200 μm를 뺀 값)로 열전도도를 계산하여 확인됩니다. 두께를 조정한 열전도율은 샘플을 쌓아 놓고 측정한 값과 잘 일치합니다.

표 2: 계측 키트를 사용한 4mm 두께의 천연 섬유 단열 보드 측정 결과

레이어 수

두께

[mm]

열 전도성*

[W/(m-K)]

조정된 두께

[mm]

열 전도성

조정된 두께

[W/(m∙K)]

140.052813.60.04753
280.050717.60.04817

요약

얇고 유연한 단열재의 열전도도는 여러 층의 단열재를 충분한 두께로 쌓아 HFM 446 Lambda Medium 으로 측정할 수 있습니다. 외부 열전대 계측 키트를 사용하여 유연한 시료에서 측정하면 열전대가 시료 표면으로 침투할 수 있기 때문에 열전도도 값이 잘못 부풀려질 수 있습니다.