第二章 建材熱傳導係數之量測儀器特性與理論分析
第二節 建材隔熱性能量測儀(Unitherm 2022)
建材隔熱性能量測儀之操作區分為儀器操作與電腦操作兩個流程。在儀 器操作流程主要是著重在將試件放置在量測平台上以及儀器運轉設定上;而 在電腦操作流程上則是著重在量測參數設定以及量測數據存取上。儀器操作 與電腦操作流程之詳細步驟分述如下:
一、Unitherm 2022 儀器操作步驟 1. 操作前恆溫槽確認:
(1) 注意量測溫度範圍為 RT-100℃時:恆溫槽(chiller)設定恆溫溫度為 0
℃,且是用銅間隔環(如圖 1-1 所示)。
圖 2-23 銅製間隔環
(2) 注意量測溫度範圍為 100-300℃時: 恆溫槽(chiller)設定恆溫溫度為 20℃,且是用 Vespel 硬樹脂間隔環(如圖 1-2 所示)。
圖 2-24 硬樹脂間隔環
註: 1. 間隔環(Spacer)的功能為減少熱向下傳至底部。
2. 恆溫槽(chiller)進水與出水口之位置圖(如圖 1-3 所示):
圖 2-25 恆溫槽進水與出水口之位置
進水口 出水口
(3) 確認恆溫槽(chiller)設定恆溫溫度,直到溫度正確,才可開始測試(如 圖1-4 所示)。
圖 2-26 溫控開關
2. 試片安裝:
(4) 將樣本之兩面塗佈熱傳導膏(Thermal Compound),並以手指輕拍(如圖 1-5 所示),確認每一點都被塗佈到(如圖 1-6 所示)。
圖 2-27 以手指輕拍試件 圖 2-28 確認均勻塗覆
(5) 以酒精擦拭試件表面與間隔環表面,放入試件(如圖 2-29 所示)。
圖 2-29 間隔環表面
(6) 按儀器上的旋鈕固定在”Move”和”Down”的位置,而將試件壓住(如 圖2-30 所示)。
圖 2-30 旋鈕固定在”Move”和”Down”的位置
(7) 按儀器上的旋鈕固定在 Free 的位置和用手調整試件 (如圖 2-31 至 圖2-32 所示)。
圖 2-31 旋鈕固定在 Free 的位置 圖 2-32 用手調整樣本
(8) 按儀器上的旋鈕固定在”Move”和”Down”的位置,而將試片完全固定(如圖 2-33 所示)。
(9) 降下防護蓋 (如圖 2-34 所示)。
圖 2-33 操控旋鈕將試片 圖 2-34 試件放置在防護蓋內
完全固定
(10)裝上防止碰觸的透明壓克力蓋,可以用酒精將壓克力外蓋清潔明亮 (如圖 2-35 所示)。
圖 2-35 試件安裝完成圖
二、Unitherm 2022 電腦軟體操作步驟
(一)軟體安裝:建材隔熱性能量測儀之軟體安裝區分為兩部分,一為控制軟體 Unitherm 2022 程式之安裝;另一部份為安裝儀器數據擷取卡之驅動程式安裝。電腦是 經由 USB 與 RS232 兩個介面與熱傳導儀 Unitherm 2022 進行控制與傳輸數 據,此兩介面之用途如下:
(1)USB--數據存取與傳輸(DATA Acquisition)。
(2)RS232--控制溫度(Temperature Control)。
(二)軟體操作步驟:
Anter 之建材隔熱性能量測儀之操作步驟一律以電腦控制模式,當試件安 裝完畢之後,接著所有參數以及測試均是在電腦上控制。
(1) 首先開啟操控軟體 Unitherm 2022
Unitherm 2022 是循序式控制軟體,在整個設定過程中程式會有問答 式視窗自動要儀器操作者進行確認動作。
圖 2-36 Unitherm 2022 主視窗
(2)選擇 Operation 開始儀器參數設定步驟
----Test Type ----試件資訊 (Sample Information) 選擇校正或是量測步驟。 輸入試件名稱、操作者、試件厚度
等相關資料。
----Temperature Program Titles ----Temperature program 設定熱傳導係數量測點數 設定欲量測熱傳導係數之溫度
----Calibration Titles ----Safety Temperature
選擇校正曲線 設定最高量測溫度,若儀器超過此溫
度,軟體會自動將量測儀器強制關機
----Start Test
選擇「是」按鈕則開始量測。
(3)檢查週邊設備
為確保儀器在進行量測之前所有周邊設備均已準備完畢,此步驟將逐一 檢查所有的周邊設備。
----Hardware Check ----Water on
----Caution ---Enable Heater Switch
(3) 在系統 Run 前再確認冰水機開關是否全開(Pump、溫控、壓縮機三個 開關是否打開),Unitherm 2022 熱傳導儀是否打開(兩個開關 : 一個 在背面是主電源開關,一個在前板為Heater 的開關) (如圖 2-37 至圖 2-41 所示)。
圖 2-37 冰水壓縮機開關
圖 2-38 恆溫水槽溫控開關 圖 2-39 恆溫水槽泵浦
圖 2-40 Unitherm 2022 主電源開關
圖 2-41 Unitherm 2022 加熱器開關
(5)在量測中 Unitherm 2022 程式會自動將即使的量測結果顯示 在主視窗 上,同時會記錄所有的量測參數與資料。
圖 2-42 即使量測記錄
三、標準試件量測
為驗證本儀器之準確度,利用原廠所附之 Borosilicate Glass、 Stainless Steel 、Vespel 及 Ceramic 六種標準試片進行量測,並與之原廠測試報告進行 比對,以驗證此儀器是否符合規範。以下為六種標準試片之量測與比對結果:
1. 試片一:
(Borosilicate Glass,試片厚度:0.6400 cm)
圖 2-43 試片一 Borosilicate Glass
表 2-5 試片一(Borosilicate Glass)量測與比對結果
設定溫度( )℃與結果
標準件熱傳導
(W/mK) 試件溫度( )℃ 熱傳導
(W/mK) 誤差(%) 25 1.095 27.55 1.051 4.4 50 1.14 52.34 1.058 7.4 75 1.175 76.74 1.099 6.4 100 1.21 101.31 1.127 6.8
圖 2-44 試片一(Borosilicate Glass)原廠測試報告
圖 2-45 試片一(Borosilicate Glass)量測結果比對
2. 試片二:(Stainless Steel,試片厚度:0.6400 cm)
圖 2-46 試片二(Stainless Steel)
表 2-6 試片二(Stainless Steel)量測與比對結果
設定溫度( )℃與結果
標準件熱傳導
(W/mK) 試件溫度( )℃ 熱傳導
(W/mK) 誤差(%) 25 原廠未提供測
試數據 34.99 18.667 50 14.68 58.31 17.195 15.9 75 15.145 82.63 17.232 12.8 100 15.61 107.49 17.354 15.7
註 : 因實驗室電壓不穩,造成誤差偏大
圖 2-47 試片二 (Stainless Steel)原廠測試報告
圖 2-48 試片二(Stainless Steel)量測結果比對
3. 試片三:(Vespel,試片厚度:0.3175 cm)
圖 2-49 試片三 Vespel
表 2-7 試片三(Vespel)量測與比對結果
設定溫度( )℃與結果
標準件熱傳導
(W/mK) 試件溫度( )℃ 熱傳導
(W/mK) 誤差(%) 25 原廠未提供測
試數據 27.74 0.369
50 0.384 51.89 0.366 4.8 75 0.389 76.1 0.36 7.4 100 0.394 100.21 0.372 5.5
圖 2-50 試片三(Vespel)原廠測試報告
4. 試片四:(Vespel,試片厚度:0.4191 cm)
圖 2-52 試片四(Vespel)
表 2-8 試片四(Vespel)量測與比對結果
設定溫度( )℃與結果
標準件熱傳導
(W/mK) 試件溫度( )℃ 熱傳導
(W/mK) 誤差(%) 25 原廠未提供測
試數據 25.64 0.366
50 0.384 50.74 0.364 5.2 75 0.389 76.13 0.366 5.9 100 0.394 101.18 0.38 3.5
圖 2-53 試片四(Vespel)原廠測試報告
5. 試片五:(Ceramic,試片厚度:1.2700 cm)
圖 2-54 試片五(Ceramic)
表 2-9 試片五(Ceramic)量測與比對結果
設定溫度( )℃與結果
標準件熱傳導
(W/mK) 試件溫度( )℃ 熱傳導
(W/mK) 誤差(%)
25 4.04 30.08 3.727 6.1 50 3.8875 54.25 3.615 8.8
75 3.8 78.84 3.43 9.5
100 3.725 103.1 3.473 6.5
圖 2-55 試片五(Ceramic)原廠測試報告
6. 試片六:(Ceramic,試片厚度:0.6400 cm)
圖 2-57 試片六(Ceramic)
表 2-10 試片六(Ceramic)量測與比對結果
設定溫度( )℃與結果
標準件熱傳導
(W/mK) 試件溫度( )℃ 熱傳導(W/mK) 誤差(%)
25 4.04 35.2 3.738 5.2
50 3.8875 59.18 3.636 5.7
75 3.8 83.56 3.502 7.3
100 3.725 108.45 3.435 7.1
圖 2-58 試片六(Ceramic)原廠測試報告
第三節 固定式熱傳導係數與體積熱容量量測儀—APT-P01
Thermal conductivity: 0.1W/m.K …4.0W/m.K Volume heat capacity: 1.5*10 J/6
m .K …4.0*
3 10 J/6m .K
3 Temperature inside themeasurement chamber: From room temperature up to 200℃
Maximum force developed by
Expansion of specimen: 215KN Maximum pressure of steam 3.0MPa
三、特色與功能
(5)測試室
(6)測試室絕緣罩 (7)昇降手臂 (8)荷重感應器
(9)數值顯示與控制器:量測熱物理性質,溫度與力量。包括電源開關 (MAINS SWITCH) , START 及 STOP 按鈕,上蓋移動開關(CAP MOVEMENT),及兩個執行按鈕,START 指示器,LED 力量指示 (FORCE LED),HEATER lever 開關,加熱控制器(HEATER CONTROL) 及評估測試器。
圖 2-61 APT-P01 外觀構造圖
APT-P01 操作按鈕之功能說明如下:
HEATER CONTROL (TLK43)在控制測試室溫度,有兩行顯示,第一行 為目前所測得之室溫,第二行為操作者所設定之溫度,均以℃表示,控
下鍵選擇”OFF”按”P”鈕即停止執行。
六、操作步驟說明:
(1)
開始設定APT-P01 主機 (2)接上電源
圖 2-62 APT-P01 主機之外觀圖 圖 2-63 電源連接線
(3) 以 RS232 線與電腦連接 (4)開啟電源圖 2-64 APT-P01 與電腦連線 圖 2-65 開啟 APT-P01 主機之電源
(5)設定測試室溫度 (6)將試片放置測試室
圖 2-66 設定測試室溫度
圖 2-67 試片放置於測試室
(7)移動測試室頂蓋 (8) 測試室頂蓋下降至測試室底部
圖 2-68 旋轉開關至下方 圖 2-69 將頂蓋下降至底部
(9) 按 F2 鍵開始量測 (10)與電腦連線讀取結果
圖 2-70 APT-P01 量測數據顯示 圖 2-71 電腦擷取量測結果
十、程式執行操作步驟說明 1.將 APT-P01 及關機。
2.選擇 COM1 或 COM2 使用 9 針式介面 cable 連接 APT-P01 至 PC。
3.將 APT-P01 及 PC 開機,約 12 秒後 EU 之 Main Menu 將顯示。
4.選擇顯示中的 Main Menu。
5.RUN”ISOHIS2.EXE”或”ISOHIS2_W95.EXE”執行。
6.RUN”ISOHIS2.EXE”,經 PC 按[F9]即可讀出測試結果或由主機同時按 [Alt]+[I]選擇讀出結果項目而取得。當測試結果寫出後,軟體將要求你指 定一檔案名稱將結果記錄,並將之編列至檔案裡。檔案進入後依選定之 COM1 或 COM2 連接,此時 baud rate 會顯示,本機型均設定為 19200,基
本上baud rate 無須修改,萬一需更改時數字可減少,但 PC 與 APT-P01 須 同時改為相同數字(在 Service Menu 中按[F5],COM1 或 COM2 選定後按 [ENTER]進入對話匣,資料將從 APT-P01 傳輸出 PC 螢幕,可使用上下鍵 閱覽測試結果。如欲關閉測試結果,同時按[Alt][X]鍵;程式 ISOHIS2 退出 按[Alt][X],或經由鍵盤按[Alt][I]選擇 EXIT 退出。
7.若使用”ISOHIS2_W95.EXE”程式,按[F4]或使用”Data”’Upload”項目。資 料傳輸前須於設定項目中設定傳輸埠。
十一、標準試片量測
為驗證本儀器之準確度,利用原廠所附之 Mineral M22、Glass G09 及 PMM acrylate 三種標準試片進行量測,並與之原廠測試報告進行比對,以驗 證此儀器是否符合規範。
圖 2-72 標準試片(Glass G09、Mineral M22、PMM acrylate)
以下為三種標準試片之量測與比對結果:
1. 試片一:(Glass G09)
圖 2-73 試片一
表 2-12 試片一(Glass G09)量測結果
測試結果代號 λ Cp α 溫度
測驗次數與結
果單位 W/m.K J/m3K m2/s ℃
1 0.999 1.92×106 0.521×10-6 34.17 2 0.992 1.93×106 0.515×10-6 34.92 3 0.997 1.93×106 0.506×10-6 35.06 平均 0.996 1.92×106 0.514×10-6
標準試片原廠量測值:0.916 W/m.K 最大誤差計算:
(0.999-0.916)/0.916*100%=9.06% < 10 % of reading + 0.003Wm-1K-1
圖 2-74 試片一(Glass G09)原廠測試報告
2. 試片二:(Mineral M22)
圖 2-75 試片二(Mineral M22)
表 2-13 試片二(Mineral M22)量測結果
測試結果代號 λ Cp α 溫度
測驗次數與結
果單位 W/m.K J/m3K m2/s ℃
1 2.23 2.15×106 1.04×10-6 30.69 2 2.20 2.16×106 1.02×10-6 31.45 3 2.18 2.16×106 1.01×10-6 31.33 平均 2.2 2.156×106 10.2×10-6
標準試片原廠量測值:2.18 W/m.K 最大誤差計算:
(2.23-2.18)/2.18*100%=2.2% < 10 % of reading + 0.003Wm-1K-1
圖 2-76 試片二(Mineral M22)原廠測試報告
3. 試片三:(PMM acrylate)
圖 2-77 試片三(PMM acrylate)
表 2-14 試片三(PMM acrylate)量測結果
測試結果代號 λ Cp α 溫度
測驗次數與結
果單位 W/m.K J/m3K m2/s ℃
1 0.207 1.49×106 0.139×10-6 34.87 2 0.201 1.49×106 0.135×10-6 36.27 3 0.198 1.50×106 0.132×10-6 36.32 平均 0.202 1.493×106 0.135×10-6
標準試片原廠量測值:0.192W/m.K 最大誤差計算:
(0.207-0.192)/0.192*100%=7.8% < 10 % of reading + 0.003Wm-1K-1
圖 2-78 試片三(PMM acrylate)原廠測試報告
第四節 量測建材熱傳導係數之理論分析
一、暫態熱線量測法(Transient Hot Wire Method)
暫態熱線量測法具備便利、精確度高以及量測時間短等優點。暫態熱線
α 為熱擴散係數(thermal diffusivity) k 為熱傳導係數
r0為探針的半徑
γ 為尤拉常數Euler constant=0.5772 由上式有推導求得介質的熱傳導係數為
二、穩態熱流量測法(Steady-state Heat Flow Method)
穩態熱流量測法(Steady-state Heat Flow Method) 係根據能量守恆定律,
當系統到達穩定時,傳入系統的能量會等於傳出的能量。再利用傅立葉熱傳 導定律(Fourier’s Law)求出試件的熱傳導係數。
傅立葉熱傳導定律為Q=kA
(
T1 −T2)
/L或是Q= A(
T1 −T2)
/R 其中:Q:熱通量
ASTM E1530 標準是利用保護熱流計法(Guarded heat flow meter method)量測 物體之熱傳導係數所訂定之標準。在ASTM E1530 標準中試件是被放置在一 組可上下壓縮的平台上,上下平台的溫度可以個別被控制。當熱流由上層平 台經由試件到達下層平台,此時熱傳導現象所建立之軸向溫度梯度可以藉著 在下層平台下方之熱通量轉換器(heat flux transducer)量測出試件上下表面 之溫度差來轉換成試件之熱傳導係數。穩態熱流量測儀之量測示意圖如下圖
圖 2-79 保護熱流計法量測物體之熱傳導係數示意圖
在(2-2)式中,F 與 Rint 可在儀器的校正過程中獲得,故 (2-2)式中的 Rs與 DT/Q 之間為線性關係。因此若以 Rs為縱座標、DT/Q 為橫座標可以由 已知熱傳導係數之試件量測數據畫出一條以F 為斜率、-Rint為y 軸截距的直 線。則根據此一直線方程式以及量測待測試件的 DT/Q 值即可反推求得待測 試件之熱阻值。
圖 2-80 保護熱流計法之校正分析
第五節 實驗量測系統之校正
圖 2-82 校正曲線圖
2、實際傳導量測 (Thermal Conductivity Measurement ) :
圖 2-83 由校正曲線求出試件熱傳導係數
註: 1. Unitherm 2022 已做三條校正曲線(Calibration line),分別於 25℃,50
℃與100℃。
2. 由於 Unitherm 2022 是採用穩態(steady state)量測法,因此Q(heat flux)不需量測。
3. 接觸介面之熱阻遠小於被測物之熱阻 ( R contact <<<R sample)。
4. 可不用 thermal compound,但是最好用(且在校正過程時中所用之 thermal compound,必須與實際量測時相同材質 )。
第三章 屋頂單一建材隔熱性能之量測結果與分析
表 3-1 厚度參數之量測結果
有6mm、8mm、10mm 三種,而類別則有清玻璃、綠玻璃、藍玻璃、茶玻璃 等四種,因ISOMET 所建議之試片厚度需達 10mm~15mm,玻璃試片單片的 厚度明顯無法符合儀器的要求,所以本研究首先以清玻璃進行試片厚度之靈並無明顯之差異。
第二節 泡沫混凝土隔熱性能量測結果與分析
表 3-3 三種泡沫混凝土之特性表
密度(g/cm
3) 發泡量
一號試件 0.5462 高
二號試件 0.5727 中
三號試件 0.6334 低
表 3-4 一號泡沫混凝土試件之熱性能量測結果表
λ Cp α 溫度
單位 W/m.K J/m3K m2/s ℃
第一次量測 0.248 0.979×106 0.254×10-6 33.29 第二次量測 0.249 0.981×106 0.253×10-6 30.31 第三次量測 0.232 0.941×106 0.247×10-6 28.78
平均值 0.243 0.967×106 0.251×10-6
表 3-5 二號泡沫混凝土試件之熱性能量測結果表
第三節 隔熱磚隔熱性能量測結果與分析
隔熱磚(如圖3-3 所示)為目前市面上廣泛使用之屋頂隔熱用建築材料,
主要以活動化、輕量化、隔熱化、美觀化、天然化為設計理念製作,現場採 用乾式組合工法,可以固定式或浮貼式兩種方法進行施工,具良好載重強度,
不透水,標榜具有低熱傳導係數。因此本研究針對其進行隔熱性能量測。首 先以攜帶式熱傳導係數與比容量測儀量測 2 種隔熱磚(如表 3-7)之隔熱性 能。每個試件均以標準程序進行3 次量測實驗,再由三次量測結果取平均求 得結果。表3-8、3-9 為隔熱磚之量測結果。
圖 3-3 隔熱磚試件之近照
表 3-7 兩種隔熱磚之特性表 水泥:隔熱膠
一號試件 1:2
二號試件 1:4
表 3-8 一號隔熱磚試件之熱性能量測結果表
第四節 發泡玻璃隔熱性能量測結果與分析
發泡玻璃(如圖 3-4 所示)為首先生產薄壁玻璃原料,並送入陶瓷球磨 機磨碎成玻璃原料後,將該原料發泡成品並進行退火,最後切割成型。此種 屋頂隔熱材料質輕,使用時需加覆強化面材以提高表面載重強度,具耐火與 不透水特性,標榜具有低熱傳導係數。本試件同樣依標準程序進行3 次量測 實驗,再由三次量測結果取平均求得結果。表3-10 為發泡玻璃之量測結果。
圖 3-4 發泡玻璃試件之近照
表 3-10 發泡玻璃試件之熱性能量測結果表
λ Cp α 溫度
單位 W/m.K J/m3K m2/s ℃
第一次量測 0.047 0.152×106 0.312×10-6 30.16 第二次量測 0.046 0.171×106 0.270×10-6 31.41 第三次量測 0.046 0.163×106 0.282×10-6 31.29
平均值 0.046 0.162×106 0.288×10-6
由結果顯示發泡玻璃之熱傳導係數為0.046 W/m.K,比熱為 0.162×106 J/m3.K,此值相當地低,若鋪設於建築物屋頂時,預期將可發揮顯著改善屋 頂隔熱效果之功效。
第五節 常用屋頂隔熱建材隔熱性能量測結果之綜合比對分析
經由上述針對泡沫混凝土、隔熱磚、發泡玻璃隔熱性能之實務量測後,分別獲得各試件之熱性能數據,在此將其綜合彙整得表3-11 之比對表,由表 中可知在主導熱傳速度快慢之熱傳導係數k 值方面,以發泡玻璃之熱傳導係 數最低,在主導材料吸收、釋放熱能速度快慢之比熱方面,以泡沫混凝土之 比熱最大,預料熱傳導係數及比熱之大小均將對各屋頂隔熱材料於實際使用
分別獲得各試件之熱性能數據,在此將其綜合彙整得表3-11 之比對表,由表 中可知在主導熱傳速度快慢之熱傳導係數k 值方面,以發泡玻璃之熱傳導係 數最低,在主導材料吸收、釋放熱能速度快慢之比熱方面,以泡沫混凝土之 比熱最大,預料熱傳導係數及比熱之大小均將對各屋頂隔熱材料於實際使用