Metody badania właściwości cieplnych materiałów budowlanych

Coraz częściej wznoszone są budynki nZEB (o niemal zerowym zużyciu energii), które w Polsce są definiowane przez izolacyjność cieplną przegród oraz przez wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej EP. Aby nadążać za tymi zmianami, a wręcz je stymulować, od 1 stycznia 2021 r. zostały wprowadzone w Polsce nowe, bardziej restrykcyjne wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej budynków. Wymagania te definiują polski standard budynków o niemal zerowym zapotrzebowaniu na energię.

Maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] przedstawione zostały w TABELI. Wymagania te są obowiązkowe dla budynków nowo projektowanych, jak również poddawanych renowacji. W tabeli przedstawiono również wymagania izolacyjności cieplnej dla budynków pasywnych, które są coraz popularniejsze w Europie i na świecie.

Takie wymagania izolacyjności cieplnej dla budynków nZEB wiążą się z koniecznością projektowania przegród zewnętrznych o bardzo dobrych parametrach cieplnych. Na rynku materiałów budowlanych pojawiają się nowe rozwiązania i technologie. Laboratoria badawczo-rozwojowe prowadzą badania nad innowacyjnymi produktami, które zapewnią jeszcze lepsze parametry cieplne przegród budowlanych. Producenci i naukowcy wykorzystują takie zjawiska jak refleksyjność, nanocząsteczki, pochłanianie i emisja promieniowania, aby uzyskać lepsze parametry termiczne.

W artykule przedstawiono metody badawcze, które są stosowane w trakcie badania właściwości cieplnych w nowoczesnym Małopolskim Laboratorium Budownictwa Energooszczędnego (MLBE) (FOT. 1). MLBE to budynek przeznaczony do badań innowacyjnych technologii w warunkach laboratoryjnych oraz in situ, wyposażony w najwyższej jakości aparaturę badawczą.

Laboratorium powstało w 2014 r. na Politechnice Krakowskiej. Autorami projektu byli dr hab. inż. arch. Marcin Furtak, prof. PK (architektura, założenia funkcjonalne) oraz dr inż. Małgorzata Fedorczak-Cisak (fizyka budowli, komfort). Laboratorium zostało wyposażone w aparaturę badawczą najnowszej generacji.

Na parterze budynku zostały zlokalizowane komory klimatyczne: komora UV do badania paneli słonecznych oraz badań starzeniowych, komora izotermiczna do pomiaru współczynnika przenikania ciepła oraz aparat płytowy do pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła, jednego z ważniejszych parametrów materiałów budowlanych, szczególnie istotnym w budownictwie energooszczędnym.

Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] jest jednym z podstawowych parametrów określających właściwości materiałów stosowanych w budownictwie, ze szczególnym uwzględnieniem budownictwa energooszczędnego. Określa on zdolność materiału do przewodzenia ciepła [1].

Przewodność cieplna materiałów budowlanych w aspekcie zaostrzających się przepisów ochrony cieplnej może być kluczowym elementem wyboru materiałów przeznaczonych do budowy czy termomodernizacji budynków. Im mniejszą wartością współczynnika λ charakteryzują się materiały budowlane, tym jest lepiej z punktu widzenia ochrony cieplnej.

Na rynku materiałów budowlanych obserwujemy starania producentów, aby osiągnąć jak najniższe wartości współczynnika λ dla swoich produktów. W obszarze materiałów termoizolacyjnych przeważają materiały o współczynniku λ wynoszącym od 0,022 do 0,040 W/(m·K), ale pojawiają się również materiały, które osiągają wartość 0,014 W/(m·K), jak na przykład aerożele.

Producenci materiałów konstrukcyjnych, takich jak beton komórkowy czy ceramika poryzowana, również wprowadzają materiały o bardzo niskim współczynniku przewodzenia ciepła [przykładowo beton komórkowy o gęstości 300 kg/m³ może charakteryzować się współczynnikiem λ o wartości 0,075 W/(m·K)].

Im niższa jest wartość współczynnika λ , tym cieńsza może być przegroda, która musi osiągnąć odpowiednie wartości określone w Warunkach Technicznych [2, 3]. Ma to duży wpływ na koszt budowy.

Dla inwestorów może też mieć znaczenie sprawdzenie, czy deklarowana wartość współczynnika przewodzenia ciepła jest w rzeczywistości taka, jaką podaje producent. Gorsze parametry to zwiększone w stosunku do zakładanych straty ciepła, a przez to wyższe koszty eksploatacji budynku.

Współczynnik przewodzenia ciepła charakteryzuje intensywność wymiany ciepła przez dany materiał. Jego wartość wpływa na ilość energii cieplnej przepływającej od strony ciepłej do strony zimnej dla danej masy próbki, w wyniku zewnętrznej różnicy temperatur. Dla ciała o kształcie prostopadłościanu, przewodzącego ciepło w warunkach stanu ustalonego, ilość przekazanego ciepła przez to ciało jest zależna od rodzaju substancji, a także jest proporcjonalna do przekroju ciała, różnicy temperatur na powierzchniach prostopadłych do kierunku przepływu ciepła oraz od czasu przepływu ciepła [1].

Można to wyrazić wzorem:

zatem współczynnik lambda może być zapisany wzorem (2)

gdzie:

λ  – współczynnik przewodzenia ciepła [W/(m·K)],
Q – ilość ciepła przepływającego przez ciało [J],
t – czas przepływu ciepła [s],
S – pole przekroju poprzecznego ciała [m²],
ΔT – różnica temperatur w kierunku przewodzenia ciepła [K],
d – grubość przegrody [m].

W przypadku pomiaru w warunkach stanu ustalonego oraz przepływu ciepła w ciągu jednej sekundy w kierunku prostopadłym do powierzchni próbki mającej kształt prostopadłościanu o boku długości 1 m, wartość współczynnika λ [W/(m·K)] można wyznaczyć z uproszczonego wzoru (3):

gdzie:

q – gęstość strumienia ciepła [W/m²].

Metody pomiaru współczynnika λ [W/(m·K)] materiału jednorodnego w warunkach stanu ustalonego określają normy PN-ISO 8301 [4], PN-ISO 8302 [5] oraz PN-EN ISO 8497 [6] i ich międzynarodowe odpowiedniki [7].

Pomiar współczynnika λ [W/(m·K)] zgodnie z normą PN-ISO 8301 [4] wykonywany jest w aparacie płytowym z czujnikami strumienia cieplnego (lambdomierzu), natomiast pomiar zgodnie z normą PN-ISO 8302 [5] wykonywany jest aparatem płytowym z osłoniętą płytą grzejną.

Norma PN-EN ISO 8497 [6] określa warunki badania aparatem z osłoniętą i kalibrowaną rurą grzejną. Badanie współczynnika przewodzenia ciepła λ w MLBE jest wykonywane za pomocą aparatu płytowego z miernikami gęstości strumienia cieplnego (FOT. 2).

Wymiary maksymalne próbki to 750×750 mm, a grubość 300 mm. Zakres pomiarowy od 0,01 W/(m·K) do 0,2 W/(m·K) (do 2,5 W/(m·K) przy zastosowaniu zewnętrznych termopar). Aparat ma głowicę obrotową, która umożliwia pomiar oporu cieplnego R [(m²·K)/W] próbki ułożonej pod kątem w zakresie od 0° do 90° [8, 9]. Aparatem tym badane było przewodnictwo cieplne betonu komórkowego, powłok PSC, aerożelu, izolacji z tworzyw sztucznych, asfaltów oraz betonów lekkich.

Alternatywną technikę pomiarową stanowi metoda niestacjonarna, bazująca na pomiarze dyfuzyjności cieplnej. Dyfuzyjność cieplna jest specyficzną własnością materiału, charakteryzującą przewodzenie ciepła w warunkach nieustalonych. Wartość ta pozwala określić, jak szybko dany materiał reaguje na zmiany temperatury [10]. Dyfuzyjność cieplna definiowana jest jako iloraz przewodności cieplnej oraz iloczynu ciepła właściwego i gęstości:

Z tej zależności można wyliczyć wartość współczynnika przewodzenia λ [W/(m·K)]:

gdzie:

λ – współczynnik przewodności cieplnej próbki [W/(m·K)],
α – dyfuzyjność cieplna [m²/s],
c_p – ciepło właściwe [J/kgK],
ρ – gęstość [kg/m³].

Zasada pomiaru metodą dynamiczną (stanu nieustalonego) polega na wykorzystaniu takiej właściwości materiałów, że po krótkim okresie przejściowym, wzrost temperatury ΔT zależy tylko od mocy grzałki oraz średniego przewodnictwa cieplnego λ [W/(m·K)].

Przewodnictwo cieplne może być wyliczone na podstawie dwóch pomiarów, w czasie t₁ i t₂. Ten czas powinien być nie mniejszy niż 100 s.

Do pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] metodą dynamiczną służy w MLBE przyrząd pomiarowy ISOMET 2114 (FOT. 3). Przyrząd ten jest wyposażony w sondę igłową oraz sondę powierzchniową. Sonda igłowa służy do pomiarów w materiałach sypkich albo elastycznych, takich jak piasek, glina, styropian czy wełna mineralna, a sonda powierzchniowa materiałów twardych i sztywnych – drewno, beton, cegła czy pustaki. Zakres pomiarowy wynosi od 0,015 W/(m·K) do 6,0 W/(m·K).

Przyrządem tym można wyznaczyć także dyfuzyjność termiczną α [m²/s] oraz pojemność cieplną c_p [J/(m³·K)] [11, 12]. Za pomocą tego przyrządu badane były w MLBE m.in. zawiesiny bentonitowe, styropian, wełna mineralna, beton komórkowy, betony lekkie czy próbki asfaltu.

Parametrem określającym izolacyjność przegród budynku (ścian, stropów, podłóg, okien, drzwi i innych) jest współczynnik przenikania ciepła U [W/(m²·K)]. Metoda obliczania jego wartości jest określana normą PN-EN ISO 6946 [13]. W odróżnieniu od przewodnictwa cieplnego jest cechą przegrody i zależy przede wszystkim od jej grubości, materiału i konstrukcji.

Współczynnik przenikania ciepła jest odwrotnością oporu cieplnego przegrody R [(m²·K)/W] [13]. Opór cieplny warstwy jednorodnej określany jest wzorem:

gdzie:

R – opór cieplny warstwy przegrody [(m²·K)/W],
d – grubość warstwy przegrody [m],
λ – współczynnik przewodności materiału warstwy przegrody [W/(m·K)].

Opór cieplny przegrody składającej się z kilku warstw materiałów przylegających do siebie (bez pustki powietrznej) jest sumą oporów poszczególnych warstw:

Do tego trzeba doliczyć opory przejmowania ciepła z materiału do powietrza i z powietrza do materiału. Stąd całkowity opór cieplny przegrody jest określany wzorem:

gdzie:

R_si – opór przejmowania na przestrzeni wewnętrznej [(m²·K)/W],
R_se – opór przejmowania na powierzchni zewnętrznej [(m²·K)/W].

Wartość współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] określana jest wzorem:

Do pomiaru współczynnika przenikania ciepła służy komora klimatyczna (FOT. główne).

W przypadku przegród jednorodnych i warstwowych (np. ściany) stosowana jest metoda skrzynki grzejnej z użyciem ciepłomierza [14, 15]. W przypadku przegród niejednorodnych (okna, drzwi) stosowana jest metoda kalibrowanej albo osłoniętej skrzynki grzejnej [15, 16]. Pomiar jest wykonywany po osiągnięciu warunków równowagi termicznej wewnątrz komory.

Używana w MLBE komora klimatyczna do pomiaru współczynnika przenikania ciepła ma dwie sekcje. W sekcji zimnej można uzyskać stabilną temperaturę w zakresie od –20°C do +40°C, a w sekcji ciepłej jest to zakres od 0°C do +40°C. Między te sekcje wstawiana jest ruchoma rama z badaną próbką. W przypadku badania metodą ciepłomierza na badanej próbce i w obszarze osłonowym rozmieszczane są po obu stronach termopary w celu wyznaczenia średniej temperatury powierzchni.

Za pomocą ciepłomierza wyznaczana jest gęstość strumienia cieplnego przepływającego przez próbkę.

Znając grubość przegrody, można wyliczyć opór cieplny przegrody R [(m²·K)/W] oraz wartość współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)].

W przypadku przegrody niejednorodnej (np. okna) stosowana jest metoda pośrednia. Pomiar jest dokonywany za pomocą skalibrowanej wcześniej skrzynki grzejnej. Wewnątrz skrzynki grzejnej utrzymywana jest taka sama temperatura jak w sekcji ciepłej. Z tego powodu przyjmuje się założenie, że przez ścianki skrzynki grzejnej nie przepływa ciepło. Dlatego też całe ciepło przepływa przez badaną próbkę oraz obszar osłonowy. Część strumienia ciepła przepływa, wykorzystując tzw. efekt brzegowy. Dla utrzymania temperatury wewnątrz skrzynki grzejnej zastosowane zostały grzałki elektryczne.

Miarą ilości ciepła dostarczonego do układu jest ilość energii elektrycznej dostarczonej do grzałek oraz ilość ciepła wytworzonego przez elektryczne silniki napędzające wentylatory oraz wytworzona przez elektronikę. Temperatura środowiska uwzględniająca wpływ konwekcji i radiacji wyznaczana jest w obu sekcjach. Wartość współczynnika U [W/(m²·K)] wyznaczana jest w odniesieniu do wcześniej uzyskanej wartości dla próbki kalibracyjnej.c

Wnioski

• W ostatnich latach wzrastają wymagania dotyczące izolacyjności przegród budowlanych. Trwają poszukiwania materiałów budowlanych posiadających lepsze właściwości izolacyjne. Konieczna jest możliwość pomiaru i weryfikacji tych właściwości.
• Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] jest parametrem określającym właściwości izolacyjne materiału.
• Współczynnik przenikania ciepła U [W/(m²·K)] określa właściwości izolacyjne przegrody.
• Metody pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] oraz współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] w warunkach stanu ustalonego zostały znormalizowane.
• Metody pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] metodą niestacjonarną nie zostały znormalizowane.
• Wartość współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] przegród jednorodnych i warstwowych wyznaczana jest metodą ciepłomierza, a przegród niejednorodnych metodą osłoniętej skrzynki grzejnej.

Literatura

 1. „Współczynnik przewodzenia ciepła λ. Od czego zależy przewodnictwo cieplne materiałów?”, „Murator Plus” 1.01.2019, https://www.muratorplus.pl/technika/izolacje/wspolczynnik-przewodzenia-ciepla-od-czego-zalezy-przewodnictwo-cieplne-materialow-aa-ft7i-XYum-5Wij.html (dostęp 29.03.2022).
 2. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU z 1994 r., nr 89, poz. 414 wraz z późn. zm.).
 3. Obwieszczenie Ministra Inwestycji i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 7 czerwca 2019 r., poz. 1065).
 4. PN-ISO 8301, „Określanie oporu cieplnego i właściwości z nim związanych w stanie ustalonym. Aparat płytowy z czujnikami strumienia cieplnego”.
 5. PN-ISO 8302, „Określanie oporu cieplnego i właściwości z nim związanych w stanie ustalonym. Aparat płytowy z osłoniętą płytą grzejną”.
 6. PN-EN ISO 8497, „Określanie właściwości w zakresie przepływu ciepła w stanie ustalonym przez izolacje cieplne przewodów rurowych”.
 7. ASTM C518-15, „Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus”.
 8. FOX600 and FOX800 Series Instruments Manual. LaserComp, Massachusetts 2009.
 9. LaserComp FOX8xx, Instrukcja obsługi, PARSER Sp. z o.o.
10. J. Wilk, F. Wolańczyk, „Metoda pomiaru przewodności cieplnej materiałów dobrze przewodzących ciepło w aspekcie odpowiedniego doboru izolacji”, https://hnl.pl/images/konferencja/II/download/metoda-pomiaru-przewodnosci-cieplnej-materialow-dobrze-przewodzacych-cieplo-w-aspekcie-odpowiedniego-doboru-izolacji.pdf (dostęp 23.02.2022).
11. Applied Precision Ltd., ISOMET 2114 Portable system for measurement of heat transfer properties of materials.
12. Applied Precision Ltd., ISOMET 2114 Thermal properties analyzer User’s Guide.
13. PN-EN ISO 6946, „Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
14. PN-EN 1934, „Określanie oporu cieplnego metodą skrzynki grzejnej z użyciem ciepłomierza”.
15. PN-EN ISO 8990, „Określanie właściwości związanych z przenikaniem ciepła w stanie ustalonym. Metoda kalibrowanej i osłoniętej skrzynki grzejnej”.
16. PN-EN ISO 12567-1, „Cieplne właściwości użytkowe okien i drzwi. Określanie współczynnika przenikania ciepła metodą skrzynki grzejnej”.
17. NETSCH TAURUS INSTRUMENTS, Product overview, Thermal conductivity measuring devices with guarded hot pipe, https://analyzing-testing.netzsch.com/pl/training-know-how/slownik/thermal-conductivity (dostęp 30.03.2022).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!