Inledning
Kända isoleringsmaterial som mineralull eller polymerskum tillverkas vanligtvis med hög tjocklek (flera centimeter) för att uppfylla det U-värde som krävs för värmeisolering av byggnader. En lämplig mätanordning för bestämning av värmeledningsförmågan (λ) är HFM 446 LambdaMedium (bild 1). Isoleringsmaterial används dock även i andra områden med andra tjocklekar, t.ex. för värme- och ljudisolering av golv. Tjockleken på sådana isoleringsmaterial är ofta bara några millimeter. Följande mätningar visar hur sådana tunna material framgångsrikt kan undersökas med HFM 446 LambdaMedium .
U-värde
U-värdet återspeglar värmeflödet genom en komponent beroende på temperaturgradienten mellan den varma och kalla sidan av en enhet [W/(m2-K)]. Enheten beskriver den energi som flödar genom 1 kvadratmeter på grund av en temperaturskillnad på 1 K. Detta värde karakteriserar en komponents isoleringsegenskaper, vilket i praktiken innebär att ju lägre U-värde, desto bättre isoleringseffekt. Ju högre U-värde, desto sämre isolerande effekt. Byggnaden förlorar då mer värme under kalla vinterdagar.
Mätmetod
En temperaturgradient definieras mellan två plattor av ett material som ska mätas. Med hjälp av två högprecisionsvärmeflödessensorer i plattorna mäts värmeflödet in i materialet respektive ut ur materialet. När systemet har nått jämvikt och värmeflödet är konstant kan värmeledningsförmågan beräknas med hjälp av Fourier-ekvationen och kunskap om mätområdet och provets tjocklek (se schematisk figur 2).
λ Termisk ledningsförmåga [W/(m∙K)]
d Tjocklek [mm]
R = d/ λ Värmemotstånd [m2∙K/W]
U = 1/R Värmeövergångskoefficient [W/(m2∙K)]
Mätförhållanden
En isoleringsskiva av naturfiber med en tjocklek på 4 mm undersöktes. Det termiska motståndet (R = d/λ) hos sådana tunna prover utgör en utmaning för mätningen. Prover med ett värmemotstånd som är lägre än cirka 0,5 m²∙K/W kan inte mätas med HFM som standardmätning (DIN EN 12667). Kontaktmotståndet mellan plattorna och provet är inte längre försumbart och kommer att påverka resultatet. För att lösa problemet med lågt värmemotstånd utfördes mätningar med två olika tillvägagångssätt:
- Stapling av prover, som nämns i DIN EN 12667
- Mätning av ett prov med extra externt termoelement och gränssnittslager (=instrumenteringssats), som beskrivs i DIN EN 12664 för prov med ett värmemotstånd på < 0,5m2∙K/W.
Mätningarna utfördes vid en genomsnittlig provtemperatur på 25°C. Temperaturskillnaden mellan plattorna var 20 K. Trycket på provet var cirka 2 kPa.
Stapling av prover
Figur 3 visar värmeledningsförmågan mot den totala tjockleken på staplade prover (1 till 8 lager). Mätdata sammanfattas i tabell 1.
I det låga tjockleksområdet visar värmeledningsförmågan ett beroende av tjockleken. Kontaktmotståndet mellan provet och HFM-plattorna påverkar resultatet (minskad Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga).
Med en tjocklek på mer än 20 till 24 mm (5 till 6 lager) är värmeledningsförmågan konstant och inte längre beroende av tjockleken. Det är i detta område som kontaktmotståndet är försumbart och mätningarna kan anses vara tillförlitliga. Provets värmemotstånd är högre än cirka 0,5 (m²∙K)/W.
Tabell 1: Mätresultat för de staplade proverna av en 4 mm tjock fiberskiva med naterualisolering
Antal skikt | Tjocklek [mm] | [W/(m∙K)] | [(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 |
* alla resultat ± 3%
Figur 4 (värmemotstånd över tjocklek) bekräftar att mätningarna med staplade prover är tillförlitliga. Värmemotståndet ökar linjärt med ökande tjocklek. Den linjära trendlinjen ger en R²-anpassning på 0,99972 och lutningen är en indikator för värmeledningsförmågan (lutning m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Detta värde stämmer väl överens med mätresultaten för det staplade provet med en tjocklek som är större än ~20 mm, se tabell 1.
Instrumenteringssats
För prover med lågt värmemotstånd kan mätningar med instrumenteringssatsen (= externa termoelement och gränssnittslager) också vara en bra lösning. Frågan om KontaktmotståndEnligt termodynamikens andra huvudsats går värmeöverföringen mellan två system alltid i riktning från högre till lägre temperaturer. Mängden värmeenergi som överförs genom värmeledning, t.ex. genom en vägg i en byggnad, påverkas av betongväggens och isoleringsskiktets värmemotstånd.kontaktmotstånd löses genom direkt mätning av yttemperaturen. För styva prover är instrumenteringssatsen ett bra val. Eftersom den 4 mm tjocka isoleringsskivan av naturfiber inte är helt styv utan fortfarande flexibel, finns det en annan källa till osäkerhet. De externa termoelementen kan tränga in i provets ytor.
Därför är tjockleken (= avståndet mellan de externa termoelementen) inte exakt känd. På grund av den låga tjockleken på endast 4 mm kan även en låg penetrationsnivå orsaka en stor avvikelse i resultatet (ett relativt fel i tjockleken orsakar samma relativa fel i värmeledningsförmågan).
Tabell 2 visar resultaten av en mätning med instrumenteringssatsen. Mätningen av ett lager med instrumenteringssatsen ger ett värde som är ca 10% högre än resultaten från de staplade proverna. Denna ökning av värmeledningsförmågan med 10 % beror troligen på att tjockleksvärdet är felaktigt med 10 % på grund av att det externa termoelementet (200 μm på varje sida) har trängt in. Detta bekräftas genom mätning av 1 och 2 lager med instrumenteringssatsen och beräkning av värmeledningsförmågan med justerad tjocklek (= tjocklek minus 2 x 200 μm). Värmeledningsförmågan med justerad tjocklek stämmer väl överens med värdena från mätningarna med staplade prover.
Tabell 2: Mätresultat för den 4 mm tjocka isoleringsskivan av naturfiber med instrumenteringssats
Antal skikt | Tjocklek [mm] | [W/(m-K)] | Justerad tjocklek [mm] | Justerad tjocklek [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
Sammanfattning
Värmekonduktiviteten hos tunna och flexibla isoleringsmaterial kan mätas med HFM 446 LambdaMedium genom att stapla flera lager av materialet till en tillräcklig tjocklek. Mätning med externa termoelement (instrumenteringssats) på flexibla prover kan resultera i falskt förhöjda värden på värmeledningsförmågan på grund av att termoelementen kan tränga in i provets yta.