Inleiding
Traditionele isolatiematerialen, zoals geëxpandeerd polypropyleen en steenwol, zijn doorgaans verkrijgbaar in de vorm van panelen. Ook inblaas- en losse isolatie voor vloeren en daken wordt echter op grote schaal toegepast.
Een voorbeeld hiervan is een isolatie- en egalisatiemateriaal op basis van met bitumen behandelde hennepschillen. Naast mechanische en verwerkingsvoordelen spelen ook de thermofysische eigenschappen van een materiaal een doorslaggevende rol in de prestaties ervan. 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 bepaalt hoe effectief warmte door de isolatie wordt geleid of door de isolatie wordt vastgehouden, wat belangrijk is voor energie-efficiëntie en wooncomfort. Bovendien geeft de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit aan hoeveel warmte het materiaal in de loop van de tijd kan opslaan en afgeven. Daarom is een nauwkeurig inzicht in deze eigenschappen essentieel voor het optimaal ontwerpen van de vloerconstructie en het betrouwbaar voldoen aan de bouwfysische eisen.
Methode
Veel meetsystemen hebben moeite met het karakteriseren van de thermofysische eigenschappen van bulkmaterialen, zoals de warmtegeleidingscoëfficiënt en de soortelijke warmtecapaciteit. Een van de uitdagingen is de vorm van het materiaal, en een andere is de relatief grote inhomogeniteit ervan.
De warmtegeleidbaarheid van isolatiematerialen kan snel en nauwkeurig worden bepaald met behulp van de HFM-methode (heat flow meter). Bij deze methode wordt een monster, doorgaans een vast lichaam, tussen warme en koude platen geplaatst, die elk op een specifieke temperatuur worden gehouden. De resulterende warmtestroom wordt gemeten met behulp van warmtestroomsensoren. Aan de hand van de dikte van het monster en vooraf bepaalde kalibratiefactoren wordt de warmtegeleidbaarheid van het monster op verschillende temperatuurpunten bepaald. Figuur 1 toont een typisch temperatuurprofiel, inclusief de warmtegeleidbaarheid.
Net als isolatiematerialen in paneelvorm worden losse, bulkisolatiematerialen gemeten in een frame met een dunne basis. De basis is zo dun dat de thermische weerstand ervan als verwaarloosbaar kan worden beschouwd. Het frame bevindt zich buiten het meetgebied, zodat het de meting niet beïnvloedt.
De DSC-methode (differentiële scanningcalorimetrie) wordt het meest gebruikt om de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit te bepalen. De monstergrootte is echter relatief ge small, met een diameter van ongeveer 4 mm en een dikte van slechts 1 mm voor isolatiematerialen. Bovendien vereisen nauwkeurige metingen een hoog begingewicht en goed contact tussen het monster en de smeltkroes. Deze drie factoren maken het meten van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van losse isolatie met behulp van de DSC-methode onpraktisch en moeilijk. De HFM biedt de juiste oplossing voor dit type monster. De HFM kan een v large volume analyseren (bijvoorbeeld enkele liters). Dit maakt de meting representatiever. Bovendien is de HFM-methode een steady-state-meting. Bij het bepalen van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit is het contact tussen de platen en het monster minder kritisch dan bij een DSC-meting. Voor de bepalingvan de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp worden beide platen op dezelfde temperatuur gehouden (Zero ΔT) totdat de warmteflux nul is. Vervolgens wordt voor beide platen een temperatuursprong van bijvoorbeeld 10 K geïnitieerd, en krijgt het systeem de tijd om de eindtemperatuur te bereiken totdat de warmtestroom weer nul is. De hoeveelheid warmte die wordt toegevoegd wanneer de temperatuur verandert, kan worden gebruikt om de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van het monster te meten. Figuur 2 toont het temperatuurprofiel van deze meting. Hier isQupper de warmtestroom door de sensor op de bovenste plaat,Qlower de warmtestroom door de sensor op de onderste plaat enQtotal de som van de warmtestromen van beide sensoren. De oppervlakte onderQtotal wordt gebruikt om de specifieke warmtecapaciteit te berekenen.
Experimenteel
Isolatiematerialen die worden gebruikt voor HFM-metingen worden doorgaans in paneelvorm geleverd. Deze materialen zijn echter ook vaak verkrijgbaar als bulkmateriaal, zoals het hier onderzochte isolatiemateriaal op basis van met bitumen geïmpregneerde hennepschillen (zie figuur 3).
Ook de warmtegeleidingscoëfficiënt en de soortelijke warmtecapaciteit van deze materialen kunnen worden bepaald. Om de warmtegeleidingscoëfficiënt te bepalen, wordt het materiaal in bulk in een frame geplaatst. Dit frame bevindt zich buiten het meetgebied en is daarom tijdens de meting verwaarloosbaar.
Bovendien kan op basis van de gedefinieerde geometrie ook de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid worden bepaald. De DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid of verdichting van het materiaal heeft een aanzienlijke invloed op de warmtegeleidbaarheid en moet, in het geval van isolatiematerialen in het algemeen, altijd samen met de resultaten worden geregistreerd om vergelijking mogelijk te maken. Wat de specifieke warmtecapaciteit betreft, kan een frame echter een niet te verwaarlozen invloed op de meting hebben vanwege zijn massa, die tijdens de stapsgewijze meting eveneens wordt verwarmd. Om deze reden wordt het bulkmateriaal in een zeer dunne plastic zak geplaatst. De massa van de plastic zak is vele malen kleiner dan de massa van het monster en is daarom verwaarloosbaar. De overige meetomstandigheden zijn samengevat in Tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden voor de warmtegeleidbaarheid en de specifieke warmtecapaciteit van de isolatievulling van gemalen hennepschillen
| Warmtegeleidingsvermogen | Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.Specifieke warmtecapaciteit | |
| Hulpmiddelen | Frame | Plastic zak |
| DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. Dichtheid tijdens de meting | ~ 178 kg/m³ | n.v.t. |
| Monsterinvoer | ~ 693 g | ~ 693 g |
| Temperatuurprogramma | 20 °C + 35 °C, ΔT = 20 K | 20 °C + 35 °C, ΔT = 15 K |
Resultaten
Zoals te zien is in figuur 4, tonen de resultaten de warmtegeleidingscoëfficiënt en de specifieke warmtecapaciteit aan van met bitumen behandelde hennepschillen bij gebruik als bulkmateriaal. De warmtegeleidingscoëfficiënt van de isolatievulling van met bitumen behandelde hennepschillen neemt licht toe bij stijgende temperatuur, wat overeenkomt met het typische temperatuurgedrag van isolatiematerialen. De specifieke warmtecapaciteit ligt bij beide herhaalde metingen (Test 1 en Test 2) consequent binnen het bereik van ongeveer 1.500 tot 1.630 J/(g·K) en vertoont een lichte stijging bij toenemende temperatuur. De voor deze materialen vastgestelde waarden vallen binnen het typische en verwachte bereik voor biogebaseerde, met bitumen geïmpregneerde losse isolatiematerialen. Over het geheel genomen bevestigen de metingen de matige 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 die kenmerkend is voor losse isolatie op basis van natuurlijke vezels, in combinatie met een goed warmteopslagvermogen.
Samenvatting
Uit de huidige metingen blijkt dat de HFM 706 Lambda Medium een nauwkeurige en praktische bepaling mogelijk maakt van de thermofysische eigenschappen van isolatiematerialen die moeilijk te meten zijn, zoals met bitumen geïmpregneerde hennepschillen. In tegenstelling tot de DSC-methode, small waarvan de monstergrootte ongeschikt is voor inhomogene bulkmaterialen, maakt de HFM, met zijn large monstervolume, ook een representatieve en reproduceerbare meting van de specifieke warmtecapaciteit mogelijk. Deze meetmethode in stabiele toestand levert consistente resultaten op 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 (0,0547 tot 0,0584 W/(m·K)) en de specifieke warmtecapaciteit (1.500 tot 1.630 J/(g·K)) als functie van de temperatuur, die goed overeenkomen met de waarden die voor bio-gebaseerde isolatiematerialen worden verwacht. De HFM 706 blijkt daarmee een betrouwbaar alternatief te zijn voor conventionele testmethoden – met name voor bulkmaterialen – voor het betrouwbaar bepalen van parameters die relevant zijn voor de bouwfysica.