Metody pomiaru parametrów termicznych na przykładzie sztywnej pianki PIR

Metody pomiarowe parametrów termicznych materiałów budowlanych można podzielić na dwie zasadnicze grupy – metody realizowane przy ustalonym strumieniu cieplnym (metody stacjonarne) oraz przy nieustalonym strumieniu cieplnym (niestacjonarne).

Metody stacjonarne

W tych metodach zarówno gęstość strumienia ciepła, jak i temperatura na powierzchni badanego materiału nie powinny się zmieniać. Zakłada się jednowymiarowy przepływ ciepła.

Oznacza to występowanie jednorodnego i jednowymiarowego pola temperatury w całej objętości próbki.

Wartości współczynnika przewodzenia ciepła i oporu cieplnego oblicza się z równania Fouriera:

Q = –λ grad T [W/m²],

gdzie:

λ – współczynnik przewodzenia ciepła [W/(m·K)],

T – temperatura [K].

Pomiar metodą stacjonarną można wykonać aparatem płytowym FOX 314 z czujnikami strumienia ciepła (FOT. 1). Urządzenie to dostarcza wiarygodnych i bardzo dokładnych wyników. Składa się z nieruchomej płyty górnej oraz ruchomej dolnej.

Wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału wyznacza się na podstawie pomiaru grubości próbki, wartości temperatury i strumienia ciepła na obu jej brzegach. Na powierzchni każdej z płyt zamontowane są ciepłomierze z termoparami. Obie płyty wyposażone są także w zaawansowany system chłodząco-grzewczy.

Pomiar za pomocą aparatu płytowego możliwy jest tylko w laboratorium i wymaga dostarczenia próbki badanego materiału o wymiarach 30×30 cm. Zakres pomiarowy urządzenia wynosi 0,01–0,2 W/(m·K).

Metody niestacjonarne

Metody pomiarowe oparte na nieustalonym przewodzeniu ciepła w większości przypadków sprowadzają się do wyznaczenia dyfuzyjności cieplnej na podstawie pomiaru zmiany temperatury w czasie nagrzewania lub chłodzenia próbki. Pomiar niewymagający ustalonego przepływu ciepła można wykonać w sposób dynamiczny za pomocą przenośnego urządzenia ISOMET 2114 (FOT. 2).

Niewątpliwą zaletą tego sprzętu jest możliwość wykonania szybkich pomiarów w warunkach polowych w dowolnym miejscu. Urządzenie służy do wyznaczania parametrów materiałów izotropowych, takich jak materiały izolacyjne, plastik, szkło i minerały.

Oprócz pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)], ISOMET 2114 wykonuje pomiary innych parametrów cieplnych: współczynnika dyfuzyjności cieplnej a [m²/s], objętościowej pojemności cieplnej Cq [J/(m³·K)] oraz temperatury [°C].

Pomiar polega na analizie odpowiedzi termicznej na sygnał cieplny docierający do powierzchni próbki, przy założeniu, że rozprzestrzenianie się ciepła występuje w nieograniczonym ośrodku. Strumień ciepła generowany jest przez ogrzewanie rezystorem elektrycznym, grzejnikiem, umieszczonym w sondzie pozostającej w bezpośrednim kontakcie z testowaną próbką.

Rejestrowana jest reakcja termiczna badanego materiału w funkcji czasu. Urządzenie ma dwa rodzaje sond pomiarowych: sondę igłową do pomiarów miękkich materiałów oraz sondę powierzchniową do materiałów twardych, w których nie da się wywiercić precyzyjnego otworu.

Porównanie metod

Przedmiotem pomiarów parametrów termicznych były próbki wykonane ze sztywnej pianki PIR. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła zmierzono metodą stacjonarną (w urządzeniu FOX 314) oraz niestacjonarną (za pomocą przyrządu ISOMET 2114).

Metoda dynamiczna obejmowała 20 serii pomiarowych. Pomiary wykonywano sondą igłową o zakresie pomiarowym 0,015–0,05 W/(m·K). W TABELI 1 zaprezentowano średnie wartości. Odchylenie pojedynczych wartości od uzyskanej średniej jest bardzo małe (<1%), co wskazuje na dużą zbieżność wyników.

Zakres uzyskanych wartości współczynnika przewodzenia ciepła pokrywa się z danymi prezentowanymi przez producentów. Różnica wartości współczynnika λ otrzymanego jako wynik pomiaru metodą stacjonarną i niestacjonarną jest stosunkowo niewielka (<10%).

Wyniki potwierdzają możliwość przeprowadzania pomiarów w stosunkowo krótkim czasie metodą dynamiczną. Kolejnym etapem było określenie zmiany wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiału poddanego działaniu wody.

Zwiększona zawartość wilgoci w danym materiale istotnie wpływa bowiem na pogorszenie właściwości fizycznych, w tym parametrów cieplnych. Dodatkowo niektóre parametry materiałów budowlanych mogą zmienić się w sposób nieodwracalny wskutek korozji biologicznej, korozji pod wpływem soli oraz zarysowań i pęknięć spowodowanych zmianami objętościowymi.

Aby zbadać tę zależność, przed pomiarem zanurzono próbki w wodzie na 48 godz. Na RYS. przedstawiono wyniki badania próbek. Wskazują one na niewielką zmianę wartości współczynnika przewodzenia ciepła – zwiększenie jej o 2,52% w stosunku do próbki suchej.

Kolejnym badanym parametrem cieplnym było ciepło właściwe materiału, określające ilość ciepła potrzebną, by podnieść temperaturę 1 kg lub 1 m3 materiału termoizolacyjnego o 1 K. Im wyższa wartość tego parametru, tym większe możliwości akumulowania energii cieplnej przy takiej samej masie bądź objętości, materiał dłużej ulega nagrzewaniu, ale również dłużej oddaje ciepło do otoczenia podczas chłodzenia.

Badanie przeprowadzono za pomocą urządzenia ISOMET 2114. W TABELI 2 podano wyniki pomiarów badanej próbki. Uwzględniono gęstość materiału i obliczono ciepło właściwe przypadające na jednostkę masy pianki. Wykonano także wstępne pomiary ciepła właściwego ośmiu innych próbek materiałów termoizolacyjnych.

Wnioski

Wyniki otrzymane za pomocą urządzenia ISOMET 2114 obarczone były błędem poniżej 10% w stosunku do pomiaru w aparacie płytowym FOX 314. To wystarczająca dokładność w większości obliczeń inżynierskich. Badanie potwierdziło także niską wartość współczynnika przewodzenia ciepła pianki PIR, co świadczy o bardzo dobrych właściwościach termoizolacyjnych tego materiału.

Ustalono, że wartość współczynnika przewodzenia ciepła pianek PIR ulega niewielkim zmianom w wyniku poddania materiału działaniu wody. Wyniki pomiaru współczynnika λ bezpośrednio po wyjęciu próbek z wody, w której przebywały przez 48 godz., tylko nieznacznie różnią się od wyników pomiaru próbek w stanie suchym (o 2,52%).

Jest to efektem bardzo niskiej nasiąkliwości pianek PIR, związanej z ich strukturą zamkniętokomórkową. Wyniki pomiarów pojemności cieplnej pianki PIR i ośmiu innych materiałów termoizolacyjnych wskazują na niższe wartości ciepła właściwego pianki PIR niż próbek styropianu w przeliczeniu na jednostkę masy. Są natomiast porównywalne z ciepłem właściwym badanych próbek wełny mineralnej.

Ze względu na bardzo dużą różnorodność materiałów termoizolacyjnych analiza porównawcza różnych materiałów termoizolacyjnych i zebranie wniosków będzie możliwe dopiero po przeprowadzeniu pomiarów na znacznie liczniejszej grupie materiałów termoizolacyjnych.

Literatura

1. L. Żabski, J. Papiński, „Pianki PIR – nowy typ izolacji typu sztywna pianka poliuretanowa”, „IZOLACJE”, nr 6/2012, s. 54–60.
2. E. Radziszewska-Zielina, „Analiza porownawcza parametrow materiałow termoizolacyjnych mających zastosowanie jako termoizolacja ścian zewnętrznych”, „Przegląd Budowlany”, nr 4/2009, s. 32–37.
3. C. Oleśkowicz-Popiel, J. Wojtkowiak, „Eksperymenty w wymianie ciepła”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.
4. W. Miękina, S. Chudzik, „Pomiary parametrow cieplnych materiałów termoizolacyjnych – przyrządy i metody”, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004.
5. J.A. Pogorzelski, „Fizyka cieplna budowli”, PWN, Warszawa 1976.
6. M. Kurek, „Zależność wspołczynnika lambda od wilgotności – praca badawcza dla materiałów termoizolacyjnych”, Politechnika Krakowska.
7. L. Żabski, J. Papiński, „Oszczędzanie energii a zastosowanie pianek poliuretanowych”, „IZOLACJE”, 2/2012, s. 37–39.
8. M. Zembrzuski, „Izolacje poliuretanowe w energetyce i przemyśle – fakty i mity”, „IZOLACJE”, nr 11/12/2011, s. 62.
9. S. Golonka, „Budynki niskoenergetyczne z izolacją z poliuretanow PIR/PUR”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2012, s. 44.
10. M. Rutowicz, „Wykonanie izolacji cieplnych z pianki poliuretanowej”, „Materiały Budowlane”, nr 7/2012, s. 107.
11. P. Cieślewicz, „Nowoczesne termoizolacje przyszłości”, „Materiały Budowlane”, nr 5/2012, s. 79.
12. P. Cieślewicz, „PIR – nowoczesne technologie termoizolacyjne”, „Materiały Budowlane”, nr 11/2012, s. 45.
13. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunkow technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690, ze zm.).
14. Instrukcja urządzenia FOX 314.
15. Instrukcja urządzenia ISOMET 2114.
16. M. Sobolewski, K. Prekiel, „Możliwości badawcze materiałów izolacyjnych w aparacie płytowym na przykładzie polistyrenu ekstradowanego”, „Czasopismo Techniczne”, 2-B/2012, s. 387.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!