Wyznaczanie i sprawdzanie deklarowanego współczynnika przewodzenia cieplnego wyrobów do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych

Opisane w artykule działania generalnie dotyczą producenta bądź upoważnionego przedstawiciela wprowadzającego wyrób do obrotu i zapewniającego stałość jego właściwości użytkowych. 

W przypadku odbiorców wyrobu dostępnego na rynku czy też projektantów określających potencjalne oszczędności inwestycji termomodernizacyjnej sprawdzenie deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła jest w praktyce ograniczone do wykonania badań wyrobu w odpowiednio wyposażonym laboratorium lub analizy i potwierdzenia deklaracji własności cieplnych wyrobu na podstawie dostępnych informacji od producenta. Informacje te to przede wszystkim deklaracja właściwości użytkowych oraz raporty i sprawozdania z badań udostępniane przez producentów na firmowych stronach internetowych (dostępność powyższych danych jest, zdaniem autorów, dobrą praktyką). 

Czym jest płyta fundamentowa i jakie są jej zalety >>

Jeśli wyniki pomiarowe zostały udostępnione, ich analiza pozwoli ocenić, czy deklarowane parametry są opracowane z wykorzystaniem poprawki statystycznej/bezpieczeństwa (więcej – w dalszej części artykułu), czy też bez uwzględnienia zagrożeń związanych np. z niejednorodnością produkcji. Z analizy informacji prezentowanych przez producentów wynika, że pewna ich część traktuje zmierzone wartości współczynnika przewodzenia ciepła jako wartości deklarowane i na tej podstawie wyznacza krzywą deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła (jej definicja poniżej), bez uwzględnienia ww. poprawki. Jest to postępowanie, które w praktyce może skutkować zaaplikowaniem wyrobu o parametrach niespełniających założeń inwestorskich. Inną dość częstą praktyką jest podawanie wartości maksymalnej temperatury stosowania wyrobu wyższej niż maksymalna wartość temperatury, w której został określony deklarowany współczynnik przewodzenia ciepła – nie odpowiada to postanowieniom norm wyrobów, zgodnie z którymi krzywa deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła powinna być określona w całym zakresie temperatur stosowania, a nie tylko w jego pewnej części.

Producenci wyrobów do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych (np. wełny mineralnej, pianek poliuretanowych, pianek kauczukowych, polipropylenowych wg odpowiednich norm wyrobów [1–5]) zobowiązani są do przedstawienia krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła dla danego wyrobu [6]. Krzywa ta, określona jako zależność współczynnika przewodzenia ciepła wyrobu od temperatury, powinna charakteryzować własności cieplne w całym temperaturowym zakresie stosowania izolacji. Krzywa deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła (podobnie jak pozostałe deklarowane właściwości określone przez odpowiednie specyfikacje wyrobów) jest deklarowana na odpowiedzialność producenta i powinna być zakomunikowana odbiorcy wyrobu (np. określona w deklaracji właściwości użytkowych, umieszczona na etykiecie wyrobu). Producent powinien ustanowić efektywny nadzór nad dotrzymywaniem deklarowanych właściwości cieplnych poprzez objęcie ich systemem zakładowej kontroli produkcji, czyli m.in. periodycznym sprawdzaniem krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła.

Wyznaczanie i weryfikacja krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła

W zależności od rodzaju materiału korelacja współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury ma różny przebieg (rys. 1).

W celu wyznaczenia krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła zgodnie z PN-EN ISO 13787 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Określanie deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła [7] pierwszym etapem postępowania jest przedstawienie przez producenta proponowanej krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła. Kolejnym etapem działań jest wykonanie badań na reprezentatywnej próbce (próbkach) wyrobu w celu weryfikacji proponowanej krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła [8]. Producenci powinni w tym momencie wziąć pod uwagę zagadnienia formalne wprowadzania wyrobu do obrotu (Załącznik ZA do norm [1–5]) i zdaniem autorów powyższe badania powinny być przeprowadzone w laboratoriach notyfikowanych.

W PN-EN ISO 13787 nie zostały wyraźnie sprecyzowane wytyczne, na jakiej podstawie producent powinien określić proponowaną krzywą. Zdaniem autorów podstawą, do jej określenia mogą być wyniki pomiarów bezpośrednich bądź pośrednich czy też wartości szacowane na podstawie innych znanych wyrobów producenta.

Aby prawidłowo przeprowadzić badania w celu weryfikacji proponowanej krzywej, należy [8]:

• uzyskać co najmniej trzy wyniki pomiarowe współczynnika przewodzenia ciepła w różnych temperaturach (różnica pomiędzy kolejnymi temperaturami pomiaru nie powinna przekroczyć 100 K w zakresie do 500°C, a powyżej tej temperatury nie powinna być większa niż 200 K),         
• uzyskać pomiary w całym zakresie stosowania wyrobu (maksymalna temperatura stosowania [10] powinna być górną granicą zakresu temperatur badania, ponieważ nie jest dopuszczalne ekstrapolowanie wyników badań poza zakres temperatur badania współczynnika przewodzenia ciepła),         
• wykonać pomiary przy różnicy temperatur strony zimnej i ciepłej aparatów do badań dobranej tak, aby uzyskać maksymalną dokładność pomiaru (jednak nie mniejszej niż 10 K),   
• wykonać pomiary na próbkach poddanych procesowi starzenia (jeżeli proces starzenia jest istotny z punktu widzenia właściwości cieplnych).

Warto w tym momencie podkreślić, że zgodnie z zapisami przywołanych wcześniej norm [1–5] za reprezentatywne mogą zostać uznane:   

• dla wyrobów płaskich – badania na jednej próbce (aczkolwiek normy zalecają uwzględnienie sytuacji, gdy dla całego zakresu grubości deklarowana jest jedna wartość współczynnika przewodzenia ciepła),   
• dla otulin – badania na czterech próbkach (dla dwóch różnych średnic wewnętrznych, najmniejszej i największej grubości dla każdej ze średnic wewnętrznych).

W przypadku gdy wyniki badań współczynnika przewodzenia ciepła wyrobu w całym zakresie temperatur stosowania znajdują się poniżej proponowanej krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła, proponowana krzywa staje się krzywą deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła dla danego wyrobu (zamiast krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła dopuszczalne jest prezentowanie wartości deklarowanych w postaci tabeli).

Jeżeli natomiast jedna zmierzona wartość (lub więcej) przekracza o co najmniej 10% wartość współczynnika przewodzenia ciepła z proponowanej krzywej, wówczas nie może być ona przyjęta jako krzywa deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła.

W przypadku gdy wartości pomiarowe są wyższe od odpowiadających im współczynników przewodzenia ciepła z proponowanej krzywej, ale żadna z nich nie przekracza proponowanej wartości o 10%, możliwe jest podjęcie działań zmierzających do podtrzymania pierwotnie proponowanej krzywej. Wymagane jest w tym celu przeprowadzenie badań na dwóch kolejnych próbach materiałowych:

• jeżeli istnieją wyniki pomiarów przekraczające o co najmniej 10% wartość współczynnika przewodzenia ciepła z proponowanej krzywej, należy ją definitywnie odrzucić (nie może być ona przyjęta jako krzywa deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła),         
• jeżeli żaden z nowych wyników pomiarów nie przekracza o 10% wartość współczynnika przewodzenia ciepła z proponowanej krzywej, następuje obliczenie wartości średniej z trzech pomiarów dla danej temperatury i porównanie z wartością z proponowanej krzywej (proponowana krzywa staje się krzywą deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła dla danego wyrobu, jeżeli wszystkie wyliczone wartości średnie są równe lub mniejsze od wartości z proponowanej krzywej).

Jednym z częściej występujących braków przy określaniu krzywej deklarowanej jest nieuwzględnienie podejścia statystycznego (bądź innego) dającego wysokie prawdopodobieństwo, że wartości współczynnika przewodzenia ciepła produkowanych materiałów będą leżały poniżej krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła. Ustalenie krzywej bez uwzględnienia „poprawki statystycznej/bezpieczeństwa” może skutkować tym, że niewielka zmiana w wyrobie, np. w zakresie gęstości, może spowodować niespełnienie deklaracji producenta. Co więcej, brak poprawki fałszuje parametry cieplne, wprowadzając w błąd potencjalnych klientów.

W przypadku gdy producent dysponuje większą liczbą wyników badań, zalecane jest wzięcie pod uwagę propozycji zawartej w informacyjnym załączniku B do PN-EN ISO 13787 Metoda statystyczna ustalania krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła. We wspomnianym załączniku rozważane są dwa przypadki: kiedy dostępna jest duża liczba wyników (n ≥ 50) i mała (n < 50). W pierwszym przypadku dla każdej średniej temperatury pomiaru (punktu pomiarowego) t_śr obliczamy średnią wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ_śr wraz z odchyleniem standardowym σ i korzystając z tablicy zawierającej współczynniki jednostronnego przedziału tolerancji k, wyznaczamy wartości deklarowane współczynnika przewodzenia ciepła dla danej temperatury t_śr zgodnie ze wzorem:

gdzie:

• λ_{D tśr} – deklarowana wartość współczynnika przewodzenia ciepła w danej średniej temperaturze pomiaru, W/(m K);
• λ_śr – współczynnik przewodzenia ciepła w danej średniej temperaturze pomiaru, W/(m K);
• σ_tśr – odchylenie standardowe rozkładu podstawowego, W/(m K);
• k_n – współczynnik statystyczny zależny od liczby wyników pomiarowych.

Na podstawie wyliczonych deklarowanych wartości można wykreślić zależność od średniej temperatury pomiaru, która stanowić będzie krzywą deklarowaną współczynnika przewodzenia ciepła. W miarę uzyskiwania większej liczby wyników pomiarowych krzywa deklarowana może być weryfikowana i poprawiana.

W drugim przypadku, gdy wyników pomiarowych jest mniej niż 50, procedura jest bardzo podobna, z tą różnicą, że wartość średnia λ_śr i odchylenie standardowe jest szacowane, a współczynnik statystyczny k_n ma inne wartości dla szacowanego odchylenia standardowego. Szacowanie wartości średniej λ_śr i odchylenia standardowego jest możliwe na podstawie co najmniej trzech pomiarów w średniej temperaturze t_śr.

Niestety, nie zawsze producent dysponuje co najmniej trzema wynikami dla danej średniej temperatury. Powyższa metoda nie może być wówczas zastosowana. Zdaniem autorów, jednym ze sposobów przedstawienia krzywej deklarowanego współczynnika ciepła z uwzględnieniem „poprawki statystycznej/bezpieczeństwa” na podstawie tylko jednego pomiaru w danej temperaturze może być wykorzystanie niepewności pomiarowej. Zakładając, że niepewność pomiarowa współczynnika przewodzenia ciepła dla wyrobów płaskich w zakresie od 50 do 300°C wynosi u = 3%, wartość, na podstawie której wyznaczana jest krzywa deklarowana, powinna zostać zwiększona o 3% (rys. 2).

Wartość niepewności pomiarowej została wzięta z rzeczywistej wartości niepewności pomiaru wyznaczonej dla metod pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła wyrobów płaskich (fot. 1) oraz rurowych (fot. 2) Laboratorium Materiałów Budowlanych IZOLACJA Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego (IMBiGS), Oddział w Katowicach. Wartość ta nie odbiega od wartości niepewności innych laboratoriów badających przewodność cieplną w wysokich temperaturach, zrzeszonych w Grupie Eksperckiej VDI-Keymark [9] przy CEN, do której IMBiGS należy.

Sprawdzanie deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła

Jak wspomniano wcześniej, krzywa deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła jest opracowywana i deklarowana na odpowiedzialność producenta. Deklaracja własności cieplnych (w postaci krzywej bądź tabeli) powinna zostać zakomunikowana odbiorcy wyrobu (np. określona w deklaracji właściwości użytkowych lub umieszczona na etykiecie wyrobu).

W celu dotrzymania deklarowanych właściwości cieplnych producent powinien przeprowadzać periodyczne sprawdzanie krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła w ramach systemu zakładowej kontroli produkcji. Zgodnie z wymaganiami norm [1–5] Załącznik A Zakładowa kontrola produkcji, takie okresowe badania współczynnika przewodzenia ciepła według danych z krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła (a zatem w pełnym zakresie stosowania wyrobu) należy przeprowadzać co najmniej raz na dwa lata. Badaniom tym powinny towarzyszyć tzw. badania pośrednie wykonywane raz w ciągu doby (kiedy odbywa się produkcja), obejmujące gęstość wyrobu i inne według metod producenta (np. współczynnik przewodzenia ciepła w jednej temperaturze).

Należy zwrócić uwagę, aby badania współczynnika przewodzenia ciepła (metodą bezpośrednią, raz na dwa lata) przeprowadzane były w temperaturach identycznych lub zbliżonych do temperatur zastosowanych podczas wyznaczania krzywej deklarowanej (różnica temperatur nie powinna przekraczać 5 K dla pomiarów w temperaturach równych lub niższych od 100°C oraz 10 K w przypadku pomiarów w temperaturach wyższych niż 100°C). Jeśli pomiary nie były wykonane w takich samych temperaturach (t’) jak podczas wyznaczania krzywej (t), należy przeprowadzić konwersję zmierzonych wartości współczynnika przewodzenia ciepła (λ’) na wartości odpowiadające temperaturom z krzywej deklarowanej (λ), przyjmując niezmienione parametry nachylenia krzywej: gdzie:

• t’ – temperatura pomiaru próbki podczas sprawdzenia, °C;
• t – temperatura pomiaru próbki podczas ustalania krzywej deklarowanej współczynnika przewodzenia ciepła, °C;
• λ’ – wartość współczynnika przewodzenia ciepła uzyskana podczas sprawdzenia, W/(m K);
• λ – wartość współczynnika przewodzenia ciepła uzyskana podczas ustalania krzywej deklarowanej współczynnika przewodzenia ciepła, W/(m K);
• α – nachylenie krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła.

Wyniki badania powinny być porównane z krzywą deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła. Przy porównywaniu otrzymanych wartości pomiarowych, podobnie jak w opisanym wcześniej przypadku weryfikacji proponowanej krzywej, mogą wystąpić następujące sytuacje:

1. wszystkie otrzymane wyniki są równe bądź mniejsze od wartości współczynnika przewodzenia ciepła z krzywej deklarowanej współczynnika przewodzenia ciepła,
2. istnieją wartości pomiarowe wyższe od odpowiadających im współczynników przewodzenia ciepła z krzywej deklarowanej, ale żadna z nich nie przekracza odpowiedniej wartości z krzywej deklarowanej o 10%,
3. jedna lub więcej zmierzonych wartości przekracza odpowiadający jej współczynnik przewodzenia ciepła z krzywej deklarowanej o co najmniej 10%.

W sytuacjach wskazanych w pkt 1 i 3 decyzja odnośnie do jakości wyrobu jest oczywista – w przypadku pierwszym wyrób jest zgodny z deklaracją producenta w zakresie parametrów cieplnych, w drugim – nie jest zgodny. W tej drugiej sytuacji należy przeprowadzić działania polegające np. na sprawdzeniu, czy do obrotu, w okresie od ostatniego sprawdzenia krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła, nie został wprowadzony wyrób niespełniający wymagań deklaracji właściwości wyrobu i ewentualnie wycofać go ze sprzedaży czy też podjąć decyzję o zmianie krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła, co ostatecznie wiąże się ze zmianą deklaracji właściwości użytkowych.

Mniej oczywista jest sytuacja z pkt 2, ponieważ już w trakcie weryfikacji proponowanej krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła akceptowana była możliwość wykorzystania takich wyników. Zdaniem autorów, możliwe jest przyjęcie, podobnie jak w programie certyfikacji KEYMARK [9], mechanizmu przewidzianego dla procedury weryfikacji proponowanej krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła (z wszystkimi opisanymi wcześniej uwarunkowaniami) – wykonanie badania dla dwóch innych prób materiałowych oraz podjęcie decyzji o spełnieniu/niespełnieniu deklaracji producenta w zakresie parametrów cieplnych na podstawie średniej z uzyskanych trzech pomiarów.

Jeśli ustalenie krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła odbywało się według metody statystycznej opisanej w załączniku B do PN-EN ISO 13787, możliwe jest również zastosowanie metody statystycznej analogicznej jak dla weryfikacji proponowanej krzywej. Wymagane jest wówczas przeprowadzenie kolejnych badań w danym punkcie pomiarowym, w którym zmierzone wartości są wyższe o maksymalnie 10% od wartości z krzywej. Liczba uzyskanych wartości pomiarowych powinna być nie mniejsza niż 3 (n2 ≥ 3). Po obliczeniu wartości średniej współczynnika przewodzenia ciepła z przeprowadzonych prób -λ-2 oraz uzyskanej wyższej wartości pomiarowej i odchylenia standardowego σ sprawdzenie, czy nowa wartość średnia -λ-2 spełnia deklarowaną wartość z krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła, następuje poprzez obliczenie odpowiedniego kryterium dopuszczalności (dla małej liczby danych):

gdzie: 

• n₁ – liczba pomiarów użyta do ustalenia krzywej deklarowanej;
• n₂ – liczba pomiarów w danym punkcie pomiarowym;
• ^-λ^-₁ – średnia wartość współczynnika przewodzenia ciepła z krzywej deklarowanej;
• ^-λ^-₂ – średnia wartość współczynnika przewodzenia ciepła z przeprowadzonych prób oraz uzyskanej wyższej wartości pomiarowej;
• σ₁ – odchylenie standardowe określone podczas określania wartości średniej współczynnika przewodzenia ciepła krzywej deklarowanej;
• σ₂ – odchylenie standardowe określone podczas określania średniej wartości współczynnika przewodzenia ciepła w danym punkcie pomiarowym.

Zakładając α = 10% poziom prawdopodobnego błędu, jednostronny przedział:

oraz obliczając stopnie swobody f zgodnie z:

i wykorzystując tablicę B.3 z PN-EN ISO 13787 (tabela 1) dla rozkładu t przy prawdopodobieństwie p = 90%, można sprawdzić, czy nowe zmierzone wartości są akceptowalne i mieszczą się w deklaracji zgodnie z krzywą deklarowaną współczynnika przewodzenia ciepła. Jeżeli dla danej liczby stopni swobody f obliczona wartość kryterium t jest mniejsza niż podana w tabeli 1 wartość c (t < c), można stwierdzić, że weryfikowany wyrób spełnia zakładaną deklarację parametrów cieplnych.

Podsumowanie

Prawidłowe wyznaczenie krzywej deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła jest istotne nie tylko dla końcowego odbiorcy, ale również dla producenta, któremu wspomniana zależność umożliwia kontrolę zapewnienia stałości właściwości cieplnych produkowanego wyrobu.

Sprawdzenie parametrów cieplnych wyrobów służących do izolacji cieplnej, w tym do izolacji wysokotemperaturowych, powinno być podstawowym elementem zapewnienia, że wyroby wprowadzane do obrotu są zgodne z deklarowanymi właściwościami, czego konsekwencją jest opłacalność przeprowadzanych inwestycji termomodernizacyjnych instalacji technicznych i przemysłowych.

Literatura

1. PN-EN 14303:2012 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wyroby z wełny mineralnej (MW) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.
2. PN-EN 14304+A1:2013-07 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wyroby z elastycznej pianki elastomerycznej (FEF) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.
3. PN-EN 14308+A1:2013-07 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wyroby ze sztywnej pianki poliuretanowej (PUR) i pianki poliizocyjanurowej (PIR) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.
4. N-EN 14313+A1:2013-07 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wyroby z pianki polietylenowej (PEF) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.
5. PN-EN 14314+A1:2013-07 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wyroby z pianki fenolowej (PF) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.
6. PN-EN ISO 13787:2005 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Określanie deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła.
7. Furmański P., Wiśniewski T.S., Banaszek J., Izolacje cieplne. Mechanizmy wymiany ciepła, właściwości cieplne i ich pomiary, Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska, Warszawa 2006.
8. Miros A., Wyroby płaskie do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych, „Izolacje” nr 9/2012, s. 42–45.9. www.insulation-keymark.org.
9. PN-EN 14706:2013-04 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budowli i instalacji przemysłowych. Określanie maksymalnej temperatury stosowania.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!