Inleiding
Bekende isolatiematerialen zoals minerale wol of polymeer schuim worden meestal geproduceerd met een grote dikte (enkele centimeters) om te voldoen aan de vereiste U-waarde voor de thermische isolatie van gebouwen. Een geschikt meetapparaat voor het bepalen van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (λ) is de HFM 446 LambdaMedium (afbeelding 1). Isolatiematerialen worden echter ook toegepast in andere gebieden met andere diktes, bijvoorbeeld in de thermische en geluidsisolatie van vloeren. De dikte van dergelijke isolatiematerialen is vaak maar een paar millimeter. De volgende metingen laten zien hoe zulke dunne materialen met succes kunnen worden onderzocht met de HFM 446 LambdaMedium .
U-waarde
De U-waarde weerspiegelt de warmtestroom door een component afhankelijk van de temperatuurgradiënt tussen de warme en koude zijde van een eenheid [W/(m2-K)]. De eenheid beschrijft de energie die door 1 vierkante meter stroomt als gevolg van een temperatuurverschil van 1 K. Deze waarde kenmerkt de isolatie-eigenschappen van een component; dit betekent in de praktijk: hoe lager de U-waarde, hoe beter het isolerende effect. Hoe hoger de U-waarde, hoe slechter het isolerend effect. Het gebouw verliest dan meer warmte op koude winterdagen.
Meetmethode
Tussen twee platen wordt een temperatuurgradiënt gedefinieerd door een te meten materiaal. Door middel van twee zeer nauwkeurige warmtestroomsensoren in de platen wordt de warmtestroom in het materiaal en uit het materiaal gemeten. Zodra het evenwicht van het systeem is bereikt en de warmtestroom constant is, kan de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid worden berekend met behulp van de Fourier-vergelijking en kennis van het meetgebied en de dikte van het monster (zie schematische figuur 2).
λ Warmtegeleidingsvermogen [W/(m∙K)]
d Dikte [mm]
R = d/ λ Warmteweerstand [m2∙K/W]
U = 1/R Warmteoverdrachtscoëfficiënt [W/(m2∙K)]
Meetomstandigheden
Een isolatieplaat van natuurlijke vezels met een dikte van 4 mm werd onderzocht. De thermische weerstand (R = d/λ) van zulke dunne monsters vormt een uitdaging voor de meting. Monsters met een warmteweerstand lager dan ongeveer 0,5 m²∙K/W kunnen niet worden gemeten met de HFM als standaardmeting (DIN EN 12667). De ContactweerstandVolgens de tweede wet van de thermodynamica beweegt de warmteoverdracht tussen twee systemen altijd in de richting van hogere naar lagere temperaturen. De hoeveelheid thermische energie die wordt overgedragen door warmtegeleiding, bijvoorbeeld door een muur van een gebouw, wordt beïnvloed door de thermische weerstand van de betonnen muur en de isolatielaag.contactweerstand tussen de platen en het monster is niet langer verwaarloosbaar en beïnvloedt het resultaat. Om het probleem van de lage warmteweerstand op te lossen, werden metingen met twee verschillende benaderingen uitgevoerd:
- Stapelen van monsters, vermeld in DIN EN 12667
- Meting van één proefstuk met extra extern thermokoppel en interfacelagen (=instrumentatiekit), beschreven in DIN EN 12664 voor proefstukken met een warmteweerstand van < 0,5m2∙K/W.
De metingen werden uitgevoerd bij een gemiddelde monstertemperatuur van 25°C. Het temperatuurverschil tussen de platen was 20 K. De druk op het monster was ongeveer 2 kPa.
Stapelen van monsters
Figuur 3 toont de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid versus de totale dikte van gestapelde monsters (1 tot 8 lagen). De meetgegevens zijn samengevat in tabel 1.
In het lage diktebereik vertoont de warmtegeleiding een afhankelijkheid van de dikte. De ContactweerstandVolgens de tweede wet van de thermodynamica beweegt de warmteoverdracht tussen twee systemen altijd in de richting van hogere naar lagere temperaturen. De hoeveelheid thermische energie die wordt overgedragen door warmtegeleiding, bijvoorbeeld door een muur van een gebouw, wordt beïnvloed door de thermische weerstand van de betonnen muur en de isolatielaag.contactweerstand tussen het proefstuk en de HFM-platen beïnvloedt het resultaat (verminderde warmtegeleiding).
Bij een dikte van meer dan 20 tot 24 mm (5 tot 6 lagen) is de warmtegeleiding constant en niet langer afhankelijk van de dikte. Dit is het gebied waar de ContactweerstandVolgens de tweede wet van de thermodynamica beweegt de warmteoverdracht tussen twee systemen altijd in de richting van hogere naar lagere temperaturen. De hoeveelheid thermische energie die wordt overgedragen door warmtegeleiding, bijvoorbeeld door een muur van een gebouw, wordt beïnvloed door de thermische weerstand van de betonnen muur en de isolatielaag.contactweerstand verwaarloosbaar is en de metingen als betrouwbaar kunnen worden beschouwd. De thermische weerstand van het monster is hoger dan ongeveer 0,5 (m²∙K)/W.
Tabel 1: Meetresultaten van de gestapelde monsters van een 4 mm dikke naterale isolatievezelplaat
Aantal lagen | Dikte [mm] | Warmtegeleidingsvermogen* [W/(m∙K)] | Warmteweerstand [(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 |
* alle resultaten ± 3%
Figuur 4 (warmteweerstand over de dikte) bevestigt dat de metingen met gestapelde monsters betrouwbaar zijn. De warmteweerstand neemt lineair toe met toenemende dikte. De lineaire trendlijn geeft een R² fit van 0,99972 en de helling is een indicator voor de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (helling m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Deze waarde komt goed overeen met de meetresultaten van het gestapelde monster met een dikte van meer dan ~20 mm; zie tabel 1.
Instrumentatie Kit
Voor monsters met een lage thermische weerstand kunnen metingen met de instrumentatiekit (= externe thermokoppels en interfacelagen) ook een goede oplossing zijn. Het probleem van ContactweerstandVolgens de tweede wet van de thermodynamica beweegt de warmteoverdracht tussen twee systemen altijd in de richting van hogere naar lagere temperaturen. De hoeveelheid thermische energie die wordt overgedragen door warmtegeleiding, bijvoorbeeld door een muur van een gebouw, wordt beïnvloed door de thermische weerstand van de betonnen muur en de isolatielaag.contactweerstand wordt opgelost door directe meting van de oppervlaktetemperatuur. Voor stijve monsters is de instrumentatiekit een goede keuze. Aangezien de 4 mm dikke isolatieplaat van natuurlijke vezels niet helemaal stijf is, maar wel flexibel, bestaat er nog een andere bron van onzekerheid. De externe thermokoppels kunnen in het oppervlak van het monster dringen.
Daarom is de dikte (= afstand tussen de externe thermokoppels) niet precies bekend. Door de geringe dikte van slechts 4 mm kan zelfs een geringe penetratie een grote afwijking in het resultaat veroorzaken (een relatieve fout in de dikte veroorzaakt dezelfde relatieve fout in de warmtegeleiding).
Tabel 2 toont de resultaten van een meting met de instrumentenkit. De meting van één laag met de instrumentatiekit levert een waarde op die ongeveer 10% hoger is dan de resultaten van de gestapelde monsters. Deze verhoging van 10% in de warmtegeleidingswaarde wordt hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door een diktewaarde die 10% onjuist is door enetratie van het externe thermokoppel (200 μm aan elke kant). Dit wordt bevestigd door de meting van 1 en 2 lagen met de instrumentenkit en de berekening van het warmtegeleidingsvermogen met aangepaste dikte (= dikte min 2 x 200 μm). De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid met aangepaste dikte komt goed overeen met de waarden van de metingen met gestapelde monsters.
Tabel 2: Meetresultaten van de 4 mm dikke natuurvezelisolatieplaat met instrumentatieset
Aantal lagen | Dikte [mm] | Warmtegeleidingsvermogen* [W/(m-K)] | Aangepaste dikte [mm] | Warmtegeleidingscoëfficiënt met Aangepaste dikte [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Samenvatting
De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van dunne en flexibele isolatiematerialen kan gemeten worden met de HFM 446 LambdaMedium door verschillende lagen van het materiaal op elkaar te stapelen tot voldoende dikte. Metingen met externe thermokoppels instrumentatieset) op flexibele monsters kunnen resulteren in foutief opgeblazen warmtegeleidingswaarden vanwege de mogelijke penetratie van de thermokoppels in het oppervlak van het monster.