3.4.8 Diagram izračuna toplotne prevodnosti
Glede na vse opredeljene točke, ki smo jih v času meritve pridobili, na podlagi najmanjše vsote razlik kvadratov med merjenimi signali in izračunano regresijsko premico. Računalniško podprt sistem izračuna linearno regresijsko premico. Naklon izračunane regresijske premice pa predstavlja toplotno prevodnost preizkušanca. Diagram toplotne prevodnosti (angl. calculate chart) prikazuje slika 12. Pri tem sta temperaturna prevodnost in specifična volumska toplotna kapaciteta optimizacijska faktorja pri izračunu najboljšega ujemanja. Posamezni izračuni morajo biti v diagramu prikazani kot ravne črte. V primeru večjega odstopanja točk izven premice je potrebno meritev ponoviti [14].
Slika 1: Diagram izračunov.
3.4.9 Diagram spremembe temperature senzorja
Ko se zaključi z meritvami sledi preverba spremembe temperature senzorja v določenem izbranem času meritve. Ta se nam prikaže v obliki diagrama spremembe temperature senzorja (angl. transient chart), ki je prikazan na sliki 13. Krivulja, ki je na sliki ponazarja, koliko se je senzor segrel v času meritve, ki smo jo opravljali. V tem primeru, je to zelo pomembno, saj moramo doseči povečanje temperature senzorja, v območju med 2 in 5 °C. Če so materiali, ki jih merimo prevodni, je hitrost naraščanja krivulje hitra. Pri izolacijskih materialih, tako kot v našem primer, pa je hitrost naraščanja krivulje počasnejša. V vsakem primeru mora krivulja naraščati zvezno in konstantno [14].
Slika 13: Diagram meritve spremembe temperature senzorja 3.4.10 Diagram odstopanja
Diagrami odstopanja (angl. residual chart) (slika 13) nam prikazujejo odstopanja posameznih točk od izračunane regresijske premice. Ta odstopanja morajo biti čim bolj enakomerna. Skala diagrama za temperaturo je v mili ali mikro kelvinih. Zelo je dobrodošlo, da so odstopanja čim bolj enakomerno raztresena okoli regresijske premice. Pri diagramu odstopanja je treba upoštevati tudi naslednja štiri dejstva [14]:
• toplota se na začetku meritve prenaša prek izolacijskega materiala, kar povzroči, da so v začetnem delu diagrama velika odstopanja. Zato ima program vgrajeno samodejno funkcijo, da odstrani prvih 10 meritev. Pri rezultatih se te meritve ne upoštevajo;
• če imamo primere velikih odmikov v pozitivno ali negativno stran od namišljene vodoravne premice nam to nakazuje na temperaturno nehomogenost vzorca. To pomeni, da je meritev potrebno ponoviti, ko je vzorec temperaturno stabiliziran;
• v primeru, da se pojavijo velika odstopanja v končnem delu diagrama, to pomeni in izkazuje, da se je toplotni val med analizo odbil od zunanje meje preizkušanca nazaj proti senzorju in s tem nastanejo velika odstopanja. Če takšnih točk ni veliko, se jih lahko odstrani iz izračuna.
• če imamo primer, da prihaja do večjih odstopanj v srednjem delu diagrama, to pomeni, da je velika nehomogenost materiala. Nehomogenost materiala v smislu različne gostote, poroznosti itd. Zato je za takšne materiale priporočljivo, da izvedemo večje število meritev in sicer na različnih mestih vzorca ter preračunamo povprečno vrednost toplotnih lastnosti.
Slika 14: Diagram odstopanja.
4. STANDARD ISO 22007
4.1 Standard ISO 22007-1
Standard ISO 22007-1 je bil pripravljen na tehničnem komiteju ISO/TC 61, Plastics Subcommittee SC5, Physical-chemical properties. Navedeni standard opisuje metode, na osnovi katerih se določa toplotno in temperaturno prevodnost polimernih materialov. Poleg tega se nanaša tudi na številne druge snovi. V standardu je prikazanih več različnih tehnik, ki se uporabljajo za merjenje toplotnih lastnosti različnih materialov. V splošnem nam standard ponuja širši pregled metod za uporabo ter za izvajanje meritev toplotnotehničnih lastnosti [15].
4.2 Standard ISO 22007-2
Standard ISO 22007-2:2008 se nanaša na predhodno opisan standard ISO 22007-1. Standard ISO22007-2 je bil razvit na tehničnem komiteju ISO/TC 61 »plastics« pod okriljem International Organization for Standardization (ISO). Tehnični komite CEN/TC 249, ki spada pod organizacijo NBN, pa je prevzel standard in ga ovrednotil kot standard EN ISO 22007-2:2012 [15].
4.3 Področja uporabe standarda
Pri našem eksperimentalnem delu smo uporabili TPS metodo, na katero se prikazan standard tudi nanaša. TPS metoda nam omogoča merjenje toplotne prevodnosti, specifične toplote in temperaturne prevodnosti. Atmosfere kjer se izvajajo meritve so lahko različne in sicer na temperaturnem območju med –50 °C in 750 °C. Meritve se lahko izvajajo na zraku, v vakuumu ali v atmosferi zaščitnega plina [15].
Standard se uporablja se za analizo homogenih, izotropnih in tudi anizotropnih materialov z enoosno usmerjeno strukturo. Delovanje metode je v območju toplotne prevodnosti od 0,01 <
λ < 500 W/(m K) ter vrednosti temperaturne prevodnosti a v območju 5 × 10-8 ≤ a ≤ 10-4 m2/s in v temperaturnem območju med 50 K < T < 1000 K [15].
5. MERITVE
Delo je potekalo v laboratoriju Katedre za toplotno tehniko, Oddelka za materiale in metalurgijo, Naravoslovnotehniške fakultete, Univerze v Ljubljani.
Senzor Kapton 5501 (R = 6,4 mm) smo vstavili med pripravljene vzorce in zagotovili dobro prileganje s pomočjo vijaka (slika 15). Pred začetkom meritve smo počakali nekaj minut, da se je temperatura ponovno stabilizirala. Naprava sama kalibrira Wheatstonov mostiček. Izvedli smo meritve za pet različnih izolativnih materialov in sicer za:
• Stirodur Fragmat - siv
• Stiropor S100 – RÖFIX
• Stirodur XPS 400 – Fragmat
• Steklena volna Tervol - Knauf Insulation
• Stirodur XPS 300 – Fragmat.
Slika 2: Izvedba meritev toplotnotehničnih lastnosti z napravo Hot Disk ® TPS 2200.
V računalniški sistem je treba vnesti izbrane parametre:
• senzor: Kapton 5501, s polmerom 6,403 mm,
• material vzorca: različne vrste toplotnih izolacij (stirodur Fragmat siv, Rofix stiropor, stirodur S400, tervol – trda plošča, stirofur S300),
• temperatura prostora: 25 °C,
• razpoložljiva vdorna globina toplote: minimalno 2 cm,
• čas merjenja: 20 s, 40 s, 80 s,
• grelna moč: od 10 do 20 mW. Senzor se mora segreti za 2 do 5 °C.
V tabelah od 1 do 5 so prikazani parametri za posamezni izolativni material. V tabeli 1 imamo vpisane parametre meritev za izolativni material – Stirodur Fragmat – siv. Izvedli smo štiri
meritve, kjer smo spreminjali dva parametra in sicer moč in čas merjenja. Prav tako smo izbrali različne parametre moči in časa merjenja za ostale štiri izolativne materiale.
Tabela 1: Meritve izolativnega materiala - Stirodur Fragmat – siv.
Meritev Moč [mW] Čas merjenja [s] Temperatura
[°C]
1 20 40 25
2 20 20 25
3 10 80 25
4 10 40 25
Tabela 2: Meritve izolativnega materiala - Stiropor S100 – RÖFIX.
Meritev Moč [mW] Čas merjenja [s] Temperatura
[°C]
1 20 40 25
2 20 20 25
3 15 40 25
Tabela 3: Meritve izolativnega materiala - Stirodur XPS 400 – Fragmat.
Meritev Moč [mW] Čas merjenja [s] Temperatura
[°C]
1 10 40 25
2 15 40 25
Tabela 4: Meritve izolativnega materiala - Steklena volna Tervol - Knauf Insulation.
Meritev Moč [mW] Čas merjenja [s] Temperatura
[°C]
1 10 20 25
2 20 40 25
3 20 80 25
Tabela 5: Meritve izolativnega materiala - Stirodur XPS 300 – Fragmat.
Meritev Moč [mW] Čas merjenja [s] Temperatura
[°C]
1 10 40 25
2 15 40 25
6. REZULTATI IN DISKUSIJA
6.1 Rezultati meritev
Program izpiše vrednosti toplotne prevodnosti [W/m · K], specifične toplote [MJ/(m3 · K)], temperaturne prevodnosti [mm2/K], vdorne globine toplotnega vala [mm]. Izpiše se tudi končna sprememba temperature senzorja [K] povprečno odstopanje med signalom meritve in izračunano regresijsko premico [K].
Slika 16: Meritev 1: Stirodur Fragmat – siv.
Tabela 6: Rezultati meritev izolativnega materiala - Stirodur Fragmat – siv.
Meritev Toplotna
Slika 17: Meritev 2 - Stiropor S100 – RÖFIX.
Tabela 7: Rezultati meritev izolativnega materiala - Stiropor S100 – RÖFIX.
Slika 18: Meritev 3 - Stirodur XPS 400 – Fragmat.
Tabela 8: Rezultati meritev izolativnega materiala - Stirodur XPS 400 – Fragmat.
Meritev Toplotna
Slika 19: Meritev 4 - Steklena volna Tervol - Knauf Insulation.
Tabela 9: Rezultati meritev izolativnega materiala - Steklena volna Tervol - Knauf Insulation.
Slika 20: Meritev 5 - Stirodur XPS 300 – Fragmat.
Tabela 10: Rezultati meritev izolativnega materiala - Stirodur XPS 300 – Fragmat.
Meritev Toplotna
Z izvedenimi meritvami smo ugotovili, da se različni izolativni materiali med seboj po toplotni prevodnosti zelo malo razlikujejo. To pomeni, da so vsi dobri toplotni izolatorji in dobro toplotno izolirajo stavbe. Steklena volna je za malenkost slabši izolator kot na primer stiropor S100. Prednost steklene volne je pa v tem, ker je popolnoma negorljiv material in spada v razred A1. V tabeli 11 je prikazana medsebojna primerjava lastnosti med dvema izolativnima materialoma EPS stiroporjem in kameno volno. Ekspandirani polistiren, bolj poznan kot stiropor, je trenutno najcenejši material za izolacijo. Glavni razlog izbire je nizka cena.
Pomislek pa predstavlja gorljivost. Stiropor se namreč uvršča v razred gorljivosti E, kamor spadajo normalno gorljivi materiali, kamena volna pa v razred A1, kamor uvrščamo negorljive materiale. Kamena volna ima tudi boljšo zvočno izolativnost, paroprepustnost in odpornost na mikroorganizme, vendar je približno 30% dražja. EPS spada v razred gorljivosti E. Vendar je treba pri gorljivosti upoštevati fasadni sistem kot celoto. Kontaktni fasadni sistem s tankoslojnim ometom, ki je najpogosteje uporabljena rešitev, tako spada v razred B, kar pomeni stopnjo gorljivosti – težko gorljiv.
Prav tako smo vzporedno naredili izračune toplotne prevodnosti za tri različne debeline izolativnih materaialov (stiropor 10 cm, mineralna volna 20 cm in 14 cm). Izračuni so bili
narejen s programom Gradbena fizika URSA 4.0.. Prav tako je bil izdelan Elaborat gradbene fizike za področje učinkovite rabe energije v stavbah za hišo v Kamni Gorici za stavbo SH A625 s projektivnim podjetjem STP MUREN ČRNOMELJ d.o.o., Nova Loka 49, 8340 Črnomelj (priloge 1, 2, 3 in 4). Izračuni so pokazali, da je najboljši izolacijski material stiropor debeline 10 cm, ki ima najnižjo toplotno prevodnost in sicer 0,031 W/mK. Mineralna volna z debelino 20 cm ima toplotno prevodnost 0,040 W/mK. Da zadostimo normativom, pa še vedno lahko uporabimo kameno volno debeline 14 cm. Vendar to je spodnja meja debeline, ki jo dovoli pravilnik PURES (Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah).
Tabela 11: Primerjava lastnosti stiropor in kamena volna.
EPS STIROPOR KAMENA VOLNA
Struktura
materiala To je lahek izolacijski material izdelan iz drobnih kroglic
Ob stiku z ognjem se hitro začne topiti. Pri tem material, ki se topi,
oddaja nevarne pline.
Negorljiv izolacijski material, s tališčem nad 1000˚C.Preprečuje širjenje ognja in otežuje širjenje požara na druge dele stavbe.
Paroprepustnost Velja za parozaporni material, ki izoliranemu objektu ne dovoljuje verjetnost za nastanek plesni in alg.
Odpornost Manjša odpornost na udarce.
Relativno odporen na kemikalije.
Zaradi tega se poveča tudi teža materiala.
Enostavnost
vgradnje Stiropor je enostavnejši in hitrejši
za vgradnjo. Zahtevnejše vgrajevanje.
Priporočljiva je uporaba rokavic in očal, saj se kamena volna praši in
draži kožo.
Zvočna izolacija Slabše zvočno izolativen. Dober zvočni izolator. Duši zvok med prostori in preprečuje prenos
udarnega zvoka med etažami.
Učinkovito ublaži industrijski in cestni hrup.
Ker v vsaki kontaktni fasadi predstavlja volumsko največji delež materiala, so tudi fasadni sistemi s kameno volno požarno najbolj varni, in se kot celota največkrat uvrščajo v razred A2-s1, d0. Paroprepustnost materiala določa količnik difuzijskega upora prehoda vodne pare µ, ki je za fasadne plošče EPS od 20 do 60. Za različne sistemske ponudnike fasadnih sistemov proizvajamo tudi perforirani oziroma luknjičasti EPS, ki ima µ okrog 10. Luknjice omogočajo boljši prehod vodne pare. EPS je odporen na vodo in vlago, v primeru zmrzali ne spreminja svojih mehanskih lastnosti, je hidrofoben oziroma vodoodbojen. Material ne sprejema vlage iz okolice in ni higroskopičen. V materialu se ne bodo razvile plesni, alge ali kakšne druge bakterije. EPS ni nevaren zdravju, je dimenzijsko stabilen – ohranja stabilno obliko in ima izredno dolgo življenjsko dobo. Kamena volna je naraven mineralni material z nizko vsebnostjo organskih snovi. V osnovi je sterilen material, ki ni hrana za nobeno živo bitje, in je kot kamen neomejeno trajen material. V fasadnem sistemu nastopa kot trdna podlaga za sisteme armiranih ometov, ki dosegajo mehansko najboljše vrednosti točkovne trdnostni. Ob raziskavi smo ugotovili, da izolacijski materiali močno vplivajo na ohranjanje toplotne energije v stavbi.
Seznanili smo se tudi z izdelavo izolacijskih materialov, predvsem steklene volne. Kamena volna ne trohni in ne propada, ne gnije, je dimenzijsko obstojna, ne gori in je kemično nevtralna.
Kameno volno se lahko vgrajuje samostojno ali pa v kombinaciji z različnimi gradbenimi materiali, ki toplotno in zvočno izolativnost konstrukcijskih sklopov le še povečajo. Toplotna prevodnost steklene volne znaša med 0,03 in 0,045 W/mK, zaradi česar spada med najbolj učinkovite toplotne izolatorje. Navkljub svoji manjši teži nudi steklena volna enake toplotne izolacijske vrednosti kot ostali materiali. Razlog za tako dobre lastnosti leži v tem, da je zrak ujet med steklena vlakna. Zaradi svoje goste, a ohlapne strukture z dolgimi vlakni, ni izmenjave zraka med zunanjostjo in notranjostjo. Takšna struktura vam statično ne obremenjuje konstrukcije hkrati pa vam omogoča bolj ekonomično oblikovanje. Enako velja tudi za zvočno izolacijske lastnosti, pri čemer je struktura steklene volne boljša od ostalih materialov. Poleg tega izolacijski sloj ne razpade, zato absorbira manj vlage kot kamena volna. Z razrezom materiala v rolah imamo manj odpadkov odlično protipožarno zaščito. že v procesu izdelave steklene volne prihaja do veliko manjšega onesnaževanja okolja kot v primeru ostalih izolacijskih materialov. Vzrok za to je v njeni glavni sestavini - odpadno steklo. Talino stekla se spusti na vrteče rotorje ter tako izdela steklena vlakna. Zaradi nižjega tališča je za taljenje potrebno manj energije kot na primer za bazaltne kamenine. Poleg tega ta postopek ne potrebuje surove nafte, ampak le čisti naravni plin. Ker je odpadno steklo na voljo povsod in se lahko končni proizvod transportira v zelo stisnjeni obliki, so izpusti CO2 nižji tudi med prevozom.
7. ZAKLJUČKI
Izolacijski materiali imajo danes vse večji pomen na praktično vseh področjih življenja, od gradbeništva, metalurgije, proizvodnih tehnologij, pa do področij energetike in ekologije.
Za izbrane izolacijske materiale, ki bodo uporabljeni pri gradnji sodobnega stanovanjskega kompleksa, smo pridobili oziroma preverili podatke o njihovih toplotnih lastnostih (toplotni prevodnosti, specifični toploti in temperaturni prevodnosti).
Pri odločanju o izbiri optimalnega materiala za toplotno zaščito stavbe upoštevamo veliko kriterijev. Ključna lastnost materiala je njegova toplotna prevodnost. Čim manjša je toplotna prevodnost, toliko boljši je toplotno izolacijski material. Pri vrednotenju in oceni razpoložljivih toplotno izolacijskih materialov je poleg toplotne prevodnosti pomembno upoštevati še druge kriterije, kot so protipožarna odpornost, difuzijska prepustnost, tlačna trdnost, stisljivost, trajnost in občutljivost na navlaževanje.
V okviru eksperimentalnega dela smo izvedli meritve toplotnih lastnosti izbranih izolacijskih materialov na napravi za določevanje toplotnih lastnosti Hot Disk TPS 2200 v skladu s standardom ISO 22007-2.
Z meritvami in izračuni smo ugotovili, da je stiropor boljši toplotno izolacijski material, kot steklena volna, vendar ima ta druge prednosti, zato se pri določenih gradnjah (zaradi protipožarnih lastnosti, je negorljiva) uporablja za izolacijo steklena volna.
Izračuni toplotne prevodnosti sten za različne debeline in toplotno izolacijske materiale (stiropor debeline 10 cm, mineralna volna debelin 20 cm oziroma 14 cm) so pokazali, da je najboljša izbira stiropor debeline 10 cm, ki ima toplotno prevodnost 0,031 W/mK. Mineralna volna ima toplotno prevodnost 0,040 W/mK.
Odločitev o izbiri materiala je povezana s predvidenim mestom in načinom vgradnje. Pogosto pa je pomemben faktor pri odločanju tudi cena materiala. V primeru, ko v prezračevani fasadi uporabimo kot toplotno izolacijo Slilber reflekst debeline 10 cm je cena fasade cca. 35 EUR/m2.
8. LITERATURA
[1] CAVLOVIC A., Recounting the trials — and joys — of building a Canadian home to meets the "Passivhaus" standard, citirano 9. 4. 2018. Dostopno na svetovnem spletu :
<https://www.ecohome.net/guides/3223/passive-aggressive-house/>.
[2] Toplotnoizolacijski materiali, Zbirka informativnih listov »ZA UČINKOVITO RABO ENERGIJE«, citirano 2. 2003. Dostopno na svetovnem spletu: pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik – Ljubljana : Littera picta, 2011, str. 59, str. 245-247, str. 235-237
[5] NARANG, V. A. Heat transfer analysis in steel structures : degree of master of science.
Worcester, 2015, 157 str.
[6] Izolacija nad, med in pod škarniki, TOPDOM D.O.O., citirano 2002. Dostopno na svetovnem spletu: <https://topdom.si/streha-od-a-do-z/izolacija/>
[7] Innovations in buildings, Insulating a new house, Oak Ridge National Laboratory
citirano 2002. Dostopno na svetovnem spletu:<
https://web.ornl.gov/sci/buildings/tools/insulation/r-value/new/>.
[8] ASHBY, M., SHERCLIFF, H., CEBON, D.: Materials, engineering science, processing and design, Elsevier Ltd., 2007, 514 str.
[9] INCROPERA P. F., DEWITT D. P.: Fundamentals of Heat and Mass Transfer; 4th Ed., John Wiley & Sons, Inc., 1996.
[10] Tehnična navodila za vgrajevanje talnih izolacijskih plošč iz kamene volne knauf insulation naturboard TP, TPS in TPT pri izvedbi plavajočih estrihov[citirano 5/2021].
Dostopno na svetovnem spletu:
<https://www.knaufinsulation.si/sites/ki_si/files/images/KI-Tehnic>.
[11] Stiropor – univerzalen toplotni in zvočni izolator,VARČUJEM Z ENERGIJO citirano 11. 1. 2021. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.varcevanje-energije.si/termoizolacije/stiropor-univerzalen-toplotni-in-zvocni-izolator.html>
[12] Razlika med kameno in stekleno volno, Stireks, d.o.o. citirano 18. 3. 2018. Dostopno na svetovnem spletu: <https://stireks.si/razlika-med-kameno-in-stekleno-volno/>.
[13] Guarded hot plate method for determining thermal conductivity (GHP), TECS, citirano 8. 2. 2020. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.tec- science.com/thermodynamics/heat/guarded-hot-plate-method-for-determining-thermal-conductivity-ghp/>.
[14] Hot Disk thermal constants analyser: instruction manual. Goteborg: Hot disk AB : 2014, 135 str.
[15] International standard ISO 22007-1. Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 1: General principles. ISO 22007-1:2009(E). 7 str.
[16] Slovenski standard SIST EN ISO 22007-2:2012. Polimerni materiali – Ugotavljanje toplotne prevodnosti in toplotne razprševalnosti – 2. del: Metoda s tranzientnim ploskovnim toplotnim virom (vroči disk).ISO 22007-2:2008. 30 str.
PRILOGE
KAZALO PRILOG
Priloga 1: Elaborat izdelan za stavbo Hiša Kamna Gorica SH A625 ... 1 Priloga 2: Izračun toplotne prevodnosti za izolacijski material STIROPOR debeline 10
cm ... 2 Priloga 3: Izračun toplotne prevodnosti za izolacijski material MINERALNA VOLNA
debeline 20 cm ... 3 Priloga 4: Izračun toplotne prevodnosti za izolacijski material MINERALNA VOLNA
debeline 14 cm ... 4
Priloga 1: Elaborat izdelan za stavbo Hiša Kamna Gorica SH A625
Priloga 2: Izračun toplotne prevodnosti za izolacijski material STIROPOR debeline 10 cm
Priloga 3: Izračun toplotne prevodnosti za izolacijski material MINERALNA VOLNA debeline 20 cm
Priloga 4: Izračun toplotne prevodnosti za izolacijski material MINERALNA VOLNA debeline 14 cm