Wprowadzenie
Znane materiały izolacyjne, takie jak wełna mineralna lub pianki polimerowe, są zwykle produkowane z dużą grubością (kilka centymetrów), aby spełnić wymaganą wartość U dla izolacji termicznej budynków. Odpowiednim urządzeniem pomiarowym do określania przewodności cieplnej (λ) jest HFM 446 LambdaMedium (rysunek 1). Jednak materiały izolacyjne są również stosowane w innych obszarach o innych grubościach, na przykład w izolacji termicznej i akustycznej podłóg. Grubość takich materiałów izolacyjnych często wynosi zaledwie kilka milimetrów. Poniższe pomiary pokazują, jak takie cienkie materiały mogą być z powodzeniem badane za pomocą HFM 446 LambdaMedium .
Wartość U
Współczynnik U odzwierciedla przepływ ciepła przez element zależny od gradientu temperatury między ciepłą i zimną stroną urządzenia [W/(m2-K)]. Jednostka ta opisuje energię przepływającą przez 1 metr kwadratowy z powodu różnicy temperatur wynoszącej 1 K. Wartość ta charakteryzuje właściwości izolacyjne elementu; w praktyce oznacza to, że im niższa wartość U, tym lepszy efekt izolacyjny. Im wyższa wartość U, tym gorszy efekt izolacyjny. Budynek traci wtedy więcej ciepła w mroźne zimowe dni.
Metoda pomiaru
Gradient temperatury jest definiowany między dwiema płytkami przez materiał, który ma być mierzony. Za pomocą dwóch precyzyjnych czujników przepływu ciepła w płytach mierzony jest odpowiednio przepływ ciepła do materiału i z materiału. Po osiągnięciu równowagi systemu, a przepływ ciepła jest stały, przewodność cieplną można obliczyć za pomocą równania Fouriera i znajomości obszaru pomiarowego i grubości próbki (patrz schematyczny rysunek 2).
d Grubość [mm]
R = d/ λ Opór cieplny [m2∙K/W]
U = 1/R Współczynnik przenikania ciepła [W/(m2∙K)]
Warunki pomiaru
Zbadano płytę izolacyjną z włókien naturalnych o grubości 4 mm. Opór cieplny (R = d/λ) tak cienkich próbek stanowi wyzwanie pomiarowe. Próbki o rezystancji termicznej niższej niż około 0,5 m²∙K/W nie mogą być mierzone za pomocą HFM jako standardowego pomiaru (DIN EN 12667). Rezystancja stykówZgodnie z drugą zasadą termodynamiki, transfer ciepła pomiędzy dwoma systemami zawsze odbywa się w kierunku od wyższych do niższych temperatur. Ilość energii cieplnej przenoszonej przez przewodzenie ciepła, np. przez ścianę budynku, zależy od oporów cieplnych betonowej ściany i warstwy izolacyjnej.Rezystancja styku między płytkami i próbką nie jest już pomijalna i będzie miała wpływ na wynik. Aby rozwiązać problem niskiej rezystancji termicznej, przeprowadzono pomiary przy użyciu dwóch różnych podejść:
- Układanie próbek w stos, wspomniane w normie DIN EN 12667
- Pomiar jednej próbki z dodatkową zewnętrzną termoparą i warstwami interfejsu (=zestaw oprzyrządowania), opisany w normie DIN EN 12664 dla próbek o rezystancji termicznej < 0,5m2∙K/W.
Pomiary przeprowadzono przy średniej temperaturze próbki wynoszącej 25°C. Różnica temperatur między płytkami wynosiła 20 K. Ciśnienie na próbce wynosiło około 2 kPa.
Układanie próbek
Rysunek 3 przedstawia przewodność cieplną w zależności od całkowitej grubości ułożonych próbek (od 1 do 8 warstw). Dane pomiarowe podsumowano w tabeli 1.
W niskim zakresie grubości Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna wykazuje zależność od grubości. Rezystancja stykówZgodnie z drugą zasadą termodynamiki, transfer ciepła pomiędzy dwoma systemami zawsze odbywa się w kierunku od wyższych do niższych temperatur. Ilość energii cieplnej przenoszonej przez przewodzenie ciepła, np. przez ścianę budynku, zależy od oporów cieplnych betonowej ściany i warstwy izolacyjnej.Rezystancja styku między próbką a płytkami HFM wpływa na wynik (zmniejszona Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna).
Przy grubości większej niż 20 do 24 mm (5 do 6 warstw) Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna jest stała i nie zależy już od grubości. Jest to obszar, w którym Rezystancja stykówZgodnie z drugą zasadą termodynamiki, transfer ciepła pomiędzy dwoma systemami zawsze odbywa się w kierunku od wyższych do niższych temperatur. Ilość energii cieplnej przenoszonej przez przewodzenie ciepła, np. przez ścianę budynku, zależy od oporów cieplnych betonowej ściany i warstwy izolacyjnej. rezystancja styku jest pomijalna, a pomiary można uznać za wiarygodne. Opór cieplny próbki jest wyższy niż około 0,5 (m²∙K)/W.
Tabela 1: Wyniki pomiarów ułożonych w stos próbek płyty z włókien izolacyjnych o grubości 4 mm
Liczba warstw | Grubość [mm] | [W/(m∙K)] | Opór cieplny [(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 |
* wszystkie wyniki ± 3%
Rysunek 4 (rezystancja termiczna w zależności od grubości) potwierdza, że pomiary próbek ułożonych w stos są wiarygodne. Opór cieplny wzrasta liniowo wraz ze wzrostem grubości. Liniowa linia trendu daje dopasowanie R² równe 0,99972, a nachylenie jest wskaźnikiem przewodności cieplnej (nachylenie m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Wartość ta jest zgodna z wynikami pomiarów próbki ułożonej w stos o grubości większej niż ~20 mm; patrz tabela 1.
Zestaw oprzyrządowania
W przypadku próbek o niskiej rezystancji termicznej dobrym rozwiązaniem mogą być również pomiary za pomocą zestawu oprzyrządowania (= zewnętrzne termopary i warstwy interfejsu). Kwestia rezystancji styku jest rozwiązana poprzez bezpośredni pomiar temperatury powierzchni. W przypadku sztywnych próbek, zestaw oprzyrządowania jest dobrym wyborem. Ponieważ płyta izolacyjna z włókien naturalnych o grubości 4 mm nie jest całkowicie sztywna, ale nadal elastyczna, istnieje inne źródło niepewności. Zewnętrzne termopary mogą wnikać w powierzchnię próbki.
Dlatego grubość (= odległość między zewnętrznymi termoparami) nie jest dokładnie znana. Ze względu na niewielką grubość wynoszącą zaledwie 4 mm, nawet niski poziom penetracji może spowodować duże odchylenie wyniku (względny błąd grubości powoduje taki sam względny błąd przewodności cieplnej).
Tabela 2 przedstawia wyniki pomiaru za pomocą zestawu oprzyrządowania. Pomiar jednej warstwy za pomocą zestawu oprzyrządowania daje wartość o około 10% wyższą niż wyniki z próbek ułożonych w stos. Ten 10% wzrost wartości przewodności cieplnej jest najprawdopodobniej spowodowany nieprawidłową wartością grubości o 10% z powodu penetracji przez zewnętrzną termoparę (200 μm z każdej strony). Potwierdza to pomiar 1 i 2 warstwy za pomocą zestawu oprzyrządowania i obliczenie przewodności cieplnej przy skorygowanej grubości (= grubość minus 2 x 200 μm). Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna przy skorygowanej grubości jest zgodna z wartościami z pomiarów próbek ułożonych w stos.
Tabela 2: Wyniki pomiarów płyty izolacyjnej z włókna naturalnego o grubości 4 mm z zestawem oprzyrządowania
Liczba warstw | Grubość [mm] | [W/(m-K)] | Skorygowana grubość [mm] | Dostosowana grubość [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Podsumowanie
Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna cienkich i elastycznych materiałów izolacyjnych może być mierzona za pomocą urządzenia HFM 446 LambdaMedium poprzez ułożenie kilku warstw materiału o odpowiedniej grubości. Pomiar za pomocą zewnętrznych termopar (zestaw oprzyrządowania) na elastycznych próbkach może skutkować fałszywie zawyżonymi wartościami przewodności cieplnej ze względu na możliwą penetrację termopar do powierzchni próbki.