Optimering af varmeisoleringsevnen i husmure / Optimization of thermal insulation in construction walls

Transkript

1 3. januar 2011 / 3 rd of January 2011 Optimering af varmeisoleringsevnen i husmure / Optimization of thermal insulation in construction walls Udarbejdet af / Prepared by Hans Christian Munch Koefoed, s Anders Faaberg, s Studerende ved DTU / Students at DTU

2 Forord Denne rapport skrives som det primære og endelige resultat til bedømmelse af undertegnede gruppes afgangsprojekt på DTU s diplomingeniøruddannelse på retningen bygning. Afgangsprojektet har en værdi af 20 ECTS point, og har til opgave at behandle et omfattende problemkompleks ingeniørmæssigt. Arbejdet kan enten bestå af en dybdegående behandling af et specifikt fagområde eller et bredere problemkompleks, der kombinerer flere fagområder. Der er i undertegnede gruppe lagt fokus på et specifikt fagområde, som behandles i samarbejde med vejleder og professor Carsten Rode ved instituttet for byggeri og anlæg. Det valgte afgangsprojekt går under titlen Optimering af varmeisoleringsevnen i husmure/ Optimization of thermal insulation in construction walls. Se baggrund for valg af projektemne i afsnit 2. Der vil i projektet lægges særligt vægt på diverse eksperimentelle undersøgelser som udføres i samarbejde med DTU på universitetets campusområde. Rapporten opbygges således, at de valgte tests forklares separat med henblik på det teoretiske baggrundsvalg, de angivne materialer og deres egenskaber samt den givne forsøgsopstilling. Resultater og målinger vil efterfølgende blive diskuteret. Det er ønsket, at illustrere de angivne forsøgsopstillinger og de teoretiske skitser på bedst mulig vis, således at læseren nemmest muligt kan forholde sig til rapportens indhold. Derfor suppleres teksten løbende med billeder og skitser. Endvidere vedlægges der til rapporten en cd-rom med diverse bilag. Hans Christian Munch Koefoed, s Anders Faaberg, s Side 2 af 58

3 Resumé Dette resumé har til formål at give læseren en mulighed for hurtigt at få et indblik i rapportens indhold fra start til slut. Projektet går under navnet Optimering af varmeisoleringsevnen i husmure og har til formål at reducere den samlede ydervægs tykkelse uden at gå på kompromis med U-værdien. Gruppen har arbejdet med en cirkulær arbejdsproces, som i korte træk går ud på at gennemgå den nødvendige teori, anvende denne til at udforme en forsøgsidé, regne på kombinationen og udtænke et forsøgsdesign. En række idéer har i løbet af projektet været oppe og vende, men i sidste ende er valget faldet på at sammenligne en grundtest, der simulerer en standard ydervæg (100 mm tegl, 10 mm hulrum, 150 mm mineraluld og 100 mm porebeton) med en alternativ test der består af 100 mm lecategl, 108 mm hulrum adskilt af refleksive folier pr. 4 mm samt 100 mm porebeton. Idéen med den alternative test bygger på teorien om at tvinge luften i hulrummene til at blive så stillestående som muligt samt reducere varmestrålingen ved de refleksive overflader. Teorien angiver at ydervæggen reduceres med ca. 15 % uden at U-værdien stiger nævneværdigt. Da gruppen ikke har haft midler til at simulere den faktiske teoretiske vægmodel, arbejdes der med en praktisk model, der matcher de vægforhold, der eksisterer i det valgte forsøgshus, hvor de praktiske målinger finder sted. Såfremt at de målte resultater stemmer acceptabelt overens med de teoretiske beregninger, kan den praktiske model overføres til den valgte teoretiske model. Forsøgsdesignene er konstrueret af gruppen selv med de økonomiske midler, der har været til rådighed, 100 kr. pr. point pr. studerende. Forsøgene udføres i forsøgskasser opbygget af MDF-plader. Hver kasse er cm. Formålet ved at udføre forsøgene i disse kasser er at de nemt kan implementeres i den eksisterende væg samt nemt kan nedtages igen ved eventuelle justeringer. Ved grundtesten placeres 150 mm mineraluld i forsøgskassen med plads til 10 mm hulrum. Ved den alternative test udskæres refleksive folier manuelt hvorefter de implementeres i forsøgskassen med 4 mm mellemrum. Folierne strammes og sættes fast med 4 mm trælister. Ved de praktiske målinger måles der en varmestrømstæthed og diverse temperaturer. Varmestrømstætheden måles med en Hukseflux mens temperaturerne måles med termoelementer. Disse forbindes til en Grant datalogger, der registrerer en måling hvert femte minut efter gruppens eget ønske. De første målinger viste en afvigelse på den alternative test på 32 % mens grundtesten ramte inden for ca. 5 %, hvilket synes acceptabelt da den absolutte måleusikkerhed er beregnet til 5,3 %. Den alternative test blev derimod nedtaget for at undersøge eventuelle problemer. Her sås det hvorledes der var muligheder for luftstrømninger i kassens ydersider, hvilket blev imødekommet med eftertætning ved fugemasse. De nye resultater viste en afvigelse på ca. 5 %. Grundet disse resultater vurderes det at der forefindes et grundlag for at videreudvikle idéen med henblik på en fremtidig produktion. Dette indebærer bl.a. brandundersøgelser og implementeringen af et andet refleksivt materiale, da det anvendte optræder som dampspærre, og derfor ikke må anvendes så hyppigt i en sådan konstruktion. Side 3 af 58

4 Abstract The purpose of this abstract is to give the reader a quick insight in the content of this report from start to finish. The project title is Optimization of thermal insulation in construction walls and aims to reduce the thickness of the total outer wall without compromising with the U-value. The group has worked with a circular workflow. In this process, the theory is reviewed to construct an idea for future experiments, then calculated and finally a design is discussed. A number of ideas have been discussed during the process of this project, but the final decision is to compare a main test that simulates a standard outer wall (100 mm bricks, 10 mm air, 150 mm mineral wool and 100 mm concrete) with an alternative test that consists of 100 mm leca bricks, 108 mm air separated by reflexive foils each 4 mm and 100 mm concrete. The idea in this alternative test is to force the air to become as stagnant as possible and to reduce the heat radiation with the reflexive foils. The theory concludes that the outer wall should be reduced by 15 % without the U-value increases. Due to the lack of funds, the group cannot simulate the theoretic model for the alternative test. Instead the group works with a practical model, which matches the outer wall in the chosen experiment house, where the practical measurements will take place. If the measured results match the theoretic calculations, the practical model can be transferred to the chosen theoretical model. The experiment designs are constructed by the group itself with the economical funds available, 100 DKK per point per student. The experiments are conducted in boxes build by MDF plates. Each box is cm. The purpose of constructing the experiments in these boxes is to implement the experiments in the existing outer wall as easy as possible. Also if there should be any adjustments to the experiments, the box can easily be taken down again. In the main test, the 150 mm mineral wool is placed in the box with room for the 10 mm air. In the alternative test, the reflexive foils are manually sliced and implemented in the box with 4 mm interval. The foils are tightened and nailed with 4 mm tree lists. In the practical experiments, a heat flow density and miscellaneous temperatures are measured. The heat flow density is measured with a Hukseflux while the temperatures are measured with thermocouples. These are combined to a Grant data logger that registers a measurement each five minutes. The early measurements showed a deviation of 32 % in the alternative test and 5 % in the main test. The main test is therefore acceptable due to the total calculated insecurity of 5.30 %. The box containing the alternative test was taken down and it was realized that there were airflows in the exterior sides of the box. To prevent this from happening, the box was sealed with sealant. The new results showed a deviation of 5 %. Due do these results, the group concludes that there is a basis for further development of this idea. This includes fire studies and the implementation of another reflexive material because the used reflexive material is a vapor barrier and therefore cannot be used this often in an outer wall construction. Side 4 af 58

5 Indholdsfortegnelse Side 1. Projektformulering Projektindledning Arbejdsgang Grundlæggende teori bag projektet Varmeledning Konvektion Varmestråling Fugt Forsøgspræsentation Indledende tanker til materialevalg Udvalgte forsøg Forsøgsrammer Forsøgsdesign Måleudstyr- og teknik Grant datalogger Hukseflux varmestrømsmåler Temperaturmåling ved termoelementer Dataopsætning Fejlkilder ved måleudstyr Resultater og måleusikkerhed Diskussion Konklusion Kildehenvisninger Oversigt over indhold på vedlagt cd-rom Microsoft Excel regneark Modelberegning vejledning Modelberegning polykraft Modelberegning polykraft praktisk Modelberegning grundtest Modelberegning grundtest praktisk Side 5 af 58

6 Modelberegning 2 mm Modelberegning 2 mm + plastic Modelberegning 2 mm + aluzink Modelberegning 5 mm Modelberegning 5 mm + plastic Modelberegning 5 mm + aluzink Fugtberegning grundtest Fugtberegning polykraft Måleresultater 19. november 2010 Måleresultater 26. november 2010 PDF dokumenter Håndregningseksempel Skitse af grundtest fuld model Skitse af alternativ test fuld model Billeder Diverse billeder fra forsøgsopbygning og måling Side 6 af 58

7 1. Projektformulering Gruppens projektformulering angives som det overordnede spørgsmål, der ønskes besvaret i forbindelse med projektet. Gruppens besvarelse af projektformuleringen inddrages senere i rapportens konklusion. Hvorledes kan det lade sig gøre at reducere en ydervægs samlede tykkelse uden at gå på kompromis med dens U-værdi? Side 7 af 58

8 2. Projektindledning Den globale klimadebat fylder meget i hverdagen, og ofte mindes vi om hvordan og hvorledes vi hver især har et ansvar for at mindske udledningen af CO 2. Hver dag forskes der verden over i nye teknologiske metoder samt alternative måder at få reduceret det stadigt stigende energiforbrug. Samtidig lægges der op til at hver enkelt borger gør sit for at huske at slukke for kontakterne rundt omkring i hjemmet. Med baggrund i et tidligere gennemført kursus på DTU, Projektering af bygningsenergi, finder gruppen det interessant at udarbejde et dybdegående projekt, der muligvis kan formindske energiforbruget. Som bygningsingeniørstuderende er det fundet naturligt at fokusere dette afgangsprojekt på muligheden for at optimere varmeisoleringsevnen i konstruktioner, nærmere betegnet i ydervægge. Denne inspiration stammer ligeledes fra tidligere eksperimenter målt i demonstrationsprojektet i Borup Seniorby. Formålet med dette projekt er således som følgende: At tilstræbe en reducering af den samlede ydervægs tykkelse uden at gå på kompromis med de tilladte U-værdier. At tilstræbe ovenstående formål ved at implementere alternative forslag til vægreducering. Gruppen ønsker således at optimere på ydervæggen ved evt. at kombinere nye tiltag i en standard ydervægs totale lagkonstruktion. Der lægges derfor op til både at undersøge mulighederne i en ydervægs tegllag, isoleringslag og betonlag i henhold til gruppens valgte grundtest. En sådan grundtest er introduceret i et senere afsnit. Endvidere skal der i projektet tages højde for de givne forsøgsrammer, der arbejdes med. Det kan således ikke forventes at gruppen har midler til at kunne opstille en virkelig vægmodel i praksis til de respektive målinger. Derfor forefindes en naturlig adskillelse mellem de teoretiske idéer og de praktisk udførte målinger. Der vil i praksis blive målt på gruppens forslag til en forbedring af selve isoleringslaget, da dette anses for at være det mest interessante. Det skal dog gøres klart at gruppens teoretiske model, til reducering af ydervæggens tykkelse, svarer til den model, gruppen ville anvende såfremt væggen skulle produceres. Det skal samtidig nævnes, at der ikke undersøges brandtekniske forhold i dette projekt. Samtidig er det en forhåbning, at gruppens arbejde og måleresultater kan ligge til grundlag for senere praktiske eksperimenter under andre rammer. Det ønskes derfor også at rapporten anses for at være en vejledning og inspiration til en videreudvikling af gruppens idéer senere hen. Slutteligt vil gruppen gerne gøre opmærksom på, at denne rapport er udarbejdet i fuldt partnerskab gennem hele projektperioden. Side 8 af 58

9 3. Arbejdsgang Dette afsnit har til formål at præsentere de grundlæggende tanker bag selve projektgangen. Med dette menes det at konkretisere den valgte arbejdsgang gennem projektperioden, således at læseren kan danne sig et tidligt overblik over hvilke idéer og arbejdsmetoder der ligger bag den endelige slutrapport. Gruppen har valgt at strukturere projektgangen således at der arbejdes ud fra følgende cirkulære arbejdsproces, der gentages til enhver tid under projektperioden, når det måtte findes nødvendigt. En nærmere forklaring af nedenstående illustration følger. Figur 1. Projektstruktur Som ovenstående figur viser, lægges der særligt vægt på den grundlæggende teori, der ligger bag dette projekt. Den anvendte teori præsenteres i de følgende afsnit, og lægger til grund for de respektive forsøgsidéer og muligheder, der opstår løbende. Her kombineres de forskellige bidrag til varmetransmissionen fra ledning, konvektion og stråling til at opstille en forsøgsidé, der findes værd at teste i gruppens nyoprettede beregningsmodel. Beregningsmodellen er oprettet i Microsoft Office-programmet Excel 2007, og indeholder muligheden for at indlægge en lagdelt ydervæg med x antal lag. Basismodellen er grundlagt med udgangspunkt i en ydervæg med et givent antal lag efter brugerens eget ønske. En række eksempler på diverse beregningsmodeller er medtaget på vedlagt cd-rom. Modellen beskriver de enkelte lags materialevalg, dimension, materialeegenskaber og dets bidrag til varmetransmissionen fra førnævnte tre kilder. Endvidere indeholder modellen alle hjælpestørrelser og mellemregninger, der er nødvendige for at gennemføre de respektive beregninger samt temperaturfordelingen gennem den valgte ydervæg. Findes den valgte forsøgsidé tilfredsstillende med hensyn til U-værdi og vægtykkelse, fortsætter arbejdsprocessen, som illustreret på figuren, med at forsøgsdesigne idéen. Dette sker primært med elektroniske skitser i Autocad, i 2D og 3D, der har til formål at skitsere den valgte test bedst muligt, således det også er muligt for eventuelt andre implicerede parter Side 9 af 58

10 at forstå idéen, og hvordan den kan udføres rent byggeteknisk. Projektstrukturen gennemføres hovedsageligt i det indledende teoretiske arbejde, men så længe der kan blive brug for det, er det meningen at den følges gennem hele projektperioden. Den grundlæggende tanke bag de senere valgte test bygger på idéen om at undersøge mulighederne for at mindske ydervæggens tykkelse, og samtidig arbejde med en alternativ idé, der bryder den traditionelle isoleringsmetode i Danmark. Derfor er beregningsmodellen gennemført med et eksempel på en traditionel isoleret ydervæg samt et alternativt forslag, der bygger på muligheden for at eliminere det velkendte lag af mineraluld. En nærmere beskrivelse af testene fremgår af en senere forsøgspræsentation i afsnit 5. Da beregningsmodellen er konstrueret på baggrund af den relevante teori, er det netop hovedbestanddelen i projektet, at undersøge hvorvidt teorien bliver understøttet i praksis. Det kan næppe forventes at opnå de eksakt samme værdier, men en sammenligning mellem teori og praksis samt mellem den traditionelle og alternative test anses for at være realistisk. De respektive målinger sker i samarbejde med en parallelløbende projektgruppe, og vil finde sted på universitetets campusområde. Side 10 af 58

11 4. Grundlæggende teori bag projektet Teorien bag gruppens eksperimentelle forsøg i dette projekt er hovedsageligt baseret på viden om varmetransmission. Gruppen har derudover undersøgt eventuelle farer for fugtproblemer i de senere anvendte vægkonstruktioner. Derfor omhandler dette teoretiske afsnit også om de grundlæggende begreber, der er anvendt for at beregne på fugttransporten gennem konstruktionerne. Afsnittet behandler den teori, som gruppen har tilegnet sig for at gennemføre projektet. Varmetransmission er en varmeoverførsel mellem to områder. Varmetransmissionen vil finde sted mellem områder med forskellige temperaturer, da disse vil udveksle energi fra det varme til det kolde område. Varme transmitteres på tre måder, som vist herunder på punktform: Varmeledning Konvektion Varmestråling Figur 2. Varmetransmission på tre former 1. Teorien vedrørende konvektion, varmestråling og fugt behandles senere i dette afsnit. Første delafsnit tager hånd om den relevante teori inden for varmeledning. 4.1 Varmeledning Indholdet i nedenstående teoriafsnit er en sammenfatning af indholdet i forelæsningsnotat ved DTU.Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling side Varmeledning kan beskrives som overførsel af energi ved tilfældige stød mellem atomare partikler uden at der sker stoftransport. Når der tales om varmeledning, og 1 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s. 1 2 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s.1-23 redigeret af Cecilie Vej-Hansen og Carsten Rode Side 11 af 58

12 varmetransmission generelt for den sags skyld, må der også tales om den såkaldte isolans. Isolanser er modstande, som regneteknisk kan betegnes med et R og enheden m 2 K/W. Isolanser kan enten seriekobles eller parallelkobles. Ved varmeledning er der tale om seriekoblede isolanser, mens der ved konvektion og varmestråling er tale om parallelkoblede isolanser. En illustration af dette kan ses på figuren herunder. Regnemæssigt kan en total isolans af et element bestemmes ved følgende formel, hvis det er kendt hvilke isolanser der er seriekoblede, og hvilke der er parallelkoblede. Figur 3. Kombination af isolansbidrag fra ledning, konvektion og stråling 3. En anden parameter, der også indføres ved tale om isolanser, er overgangsisolanserne. Disse defineres som de isolanser, der forbinder en konstruktions overflade med udendørsog indendørsluft. Overgangsisolanserne markeres med følgende symbol, R se og R si, for henholdsvis udvendig og indvendig overgangsisolans. Da overgangsisolanserne primært kun vil indgå som en relativ lille del af den totale isolans, kan der anvendes tabelværdier til bestemmelse af disse. For at kunne udregne de seriekoblede isolanser for varmeledning, er det dog nødvendigt at have kendskab til det pågældende materiales tykkelse, d, og dets varmeledningsevne, λ [W/m K]. Forholdet mellem disse størrelser er lig den pågældende 3 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s. 4 Side 12 af 58

13 isolans. En anden vigtig størrelse at få indført ved den generelle tale om varmetransmission, er U-værdien. U-værdien betegnes som den samlede konstruktions varmetransmission, og benævnes derfor som varmetransmissionskoefficienten. U-værdien bestemmes som den reciprokke værdi af konstruktionens totale isolans, og har enheden W/m 2 K. Hvis en konstruktion er godt isoleret vil varmetransmissionen være lav, og dermed også kendetegnes ved en lav U-værdi. Bygningsreglementet stiller således forskellige krav til diverse bygningsdeles maksimale U-værdi efter idéen om, at de skal holdes så små som de kan inden for rimelighedens grænser. Den tilladte U-værdi for ydervægge angives ifølge BR10 til 0,30 W/m 2 K 4. Varmetransmissionen kan også betegnes som en varmestrøms effekt. En varmestrøm vil altid forekomme, når en bygningsdels to overfladers temperaturer er forskellige. Varmestrømmen gennem et fladeareal symboliseres med det græske bogstav phi, Φ, mens varmestrømmens tæthed symboliseres med et q. Nedenstående formel viser sammenhængen mellem disse to størrelser. hvor varmestrømmen angives i enheden watt, W. Beregningerne af førnævnte isolanser er også til gavn for senere brug i forbindelse med bestemmelsen af temperaturfordelingen i f.eks. en ydervæg, som testes i dette projekt. Til bestemmelse af en såkaldt temperaturfordeling gennem en ydervæg anvendes primært de teoretiske værdier 261,15 K (-12 C) som udetemperatur og 293,15 K (20 C) som indetemperatur. De angivne temperaturer anvendes, da disse meget sjældent optræder, og derfor kan anvendes som en del af en bygningsdels dimensionsgivende varmetab. Nedenstående figur skitserer et klassisk eksempel på en temperaturfordeling gennem en ydervæg bestående af 100 mm tegl, 10 mm hulrum, 150 mm mineraluld samt et lag af 100 mm beton. Figur 4. Eksempel på temperaturforløb gennem ydervæg 4 BR10 fra: Side 13 af 58

14 De angivne temperaturer i de respektive lag er beregnet ud fra følgende formel for temperaturændringen i det enkelte lag, her betegnet m. Leddet som det m te lags isolans multipliceres med betegner også varmestrømstætheden: Formlen ovenfor viser at temperaturændringen gennem lagene er proportional med lagenes isolans, da formlen gælder for samtlige lag i bygningsdelen. Temperaturændringen gennem ét lag udgør derfor den samme brøkdel af den totale temperaturforskel, som lagets isolans udgør af den totale isolans. For at opnå en god isolering kræves det derfor, at den indvendige isolans udgør så lille en del af den totale isolans som muligt. Opfyldes dette mindskes temperaturforskellen mellem indeluften og temperaturen ved indervæggen samtidig. 4.2 Konvektion Indholdet i nedenstående teoriafsnit er en sammenfatning af indholdet i forelæsningsnotat ved DTU.Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling side Definitionen på konvektion kan siges at betyde cirkulation ved strømning af en luftart eller væske, i det følgende kaldt et fluid. Der arbejdes i projektet med konvektiv varmetransport. Konvektionen opstår når et fluid medfører varme fra et varmt til et koldt område med det respektive fluid imellem. Som eksempel kan nævnes et lokale med en radiator. Den varme luft i lokalet vil stige opad mens den kolde luft vil falde ned. På denne måde opstår der en cirkulation i lokalet, og mødet mellem den varme og kolde luft vil skabe konvektion. Projektet behandler varmeisoleringsevnen i bygningers ydervægge, og i sådanne ydervægge er det almindelig kendt at have en form for hulrum blandt væggens respektive lag. I dette hulrum vil der således også opstå konvektion i og med at der strømmer kold luft fra ydervæggens udvendige flade til den indvendige flade. Konvektiv varmeoverføring finder sted i en lang række tilfælde ved byggeenergitekniske anvendelser. For dette projekt findes det dog mest relevant at beskrive strømningen mellem to parallelle flader. For at illustrere strømningen mellem de to parallelle flader, adskilt af f.eks. et hulrum, kan skitsen på næste side betragtes. 5 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s redigeret af Cecilie Vej-Hansen og Carsten Rode Side 14 af 58

15 Figur 5. Illustration af luftstrømninger ved konvektion 6. Når der tales om konvektion skelnes der mellem to former: tvungen og naturlig konvektion. Med tvungen konvektion forstås udefrakommende kræfters indvirkning på det pågældende fluid. Den tvungne form for konvektion finder typisk sted ved udvendige bygningsoverflader. Den tvungne konvektion vil hyppigst dominere over den naturlige konvektion. Den naturlige konvektion opstår når fluidet bevæges grundet temperaturforskelle. De tunge dele af fluidet presser de lette dele op. De tunge dele falder ned drevet af tyngdekraften. Det er netop denne form for konvektion, der er tale om ved strømning mellem to parallelle flader såsom førnævnte eksempel med hulrummet i ydervæggene, og derfor også den mest relevante form for konvektion i projektet. Ved tvungen og naturlig konvektion forekommer to strømningstyper: laminar og turbulent strømning. Kort fortalt betegnes strømningen som laminar ved en lav strømningshastighed og turbulent ved hurtige og mere urolige strømningshastigheder. Dette projekt beskæftiger sig primært kun med laminare strømninger, da ydervæggene hovedsageligt betragtes som en form for lukket system, og derfor ikke påvirkes udefra. Det primære mål for undertegnede gruppes beregninger, hvad angår konvektion, er at nå frem til isolansbidraget. Dette bidrag bestemmes som den reciprokke værdi af det konvektive varmeovergangstal, h k (W/m 2 K): For at bestemme det konvektive varmeovergangstal må der dog indføres en række konvektive modeltal. Inden disse præsenteres er det dog fundet relevant at opstille en tabel, der er anvendt under beregningen af isolansbidraget fra konvektionen. 6 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s. 24 Side 15 af 58

16 Tabel 1. Værdier til bidrag ved isolansberegninger ved konvektion 7. Da der i de formelle beregninger af de respektive bidrag af isolans fra varmeledning, konvektion og varmestråling er regnet med en udetemperatur på -12 C, må det forventes at lufttemperaturen ved en række lag vil befinde sig under 0 C. Ovenstående tabel angiver målte værdier for bl.a. varmeledningsevne, viskositet og Prandtl-tallet, gældende for luft. Sidstnævnte Prandtl-tal beskrives senere i dette afsnit. Som det ses i tabellen forefindes der ikke værdier for en lufttemperatur under frysepunktet. Der er derfor anvendt ekstrapolation for at bestemme en værdi ved -20 C. Det første konvektive modeltal der beskrives i dette teoretiske afsnit er Nusselt-tallet. Nusselt-tallet generaliserer størrelsen af det konvektive varmeovergangstal, h k, og kan skrives som følger: Denne formel anvendes ikke til beregning af Nusselt-tallet i dette projekt, men anvendes dog i stedet ved beregning af det konvektive varmeovergangstal. Her anvendes i stedet en formel for Nusselt-tallet ved naturlig konvektion, som der regnes med løbende i projektet. Den anvendte formel har dog et forbehold, da denne kun er gældende når længden/højden er fladerne er mindst ti gange så stor som afstanden mellem disse. Formlen gælder i øvrigt også kun ved lodrette mellemrum, men da dette er nøjagtigt hvad tilfældet er i de senere eksperimentelle forsøg, godkendes formlen til beregningerne. 7 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s. 30 Side 16 af 58

17 I ovenstående formel indgår en anden række konvektive modeltal. Først og fremmest præsenteres Prandtl-tallet. Dette modeltal betegner et fluids evne til at overføre bevægelse igennem sig ved vikose kræfter i forhold til samme fluids evne til at gennemføre en varmestrøm ved varmeledning. Prandtl-tallet er en del af et fluids materialeegenskab. For luft, som der bl.a. arbejdes med i dette projekt, ligger Prandtl-tallet som regel på ca. 0,7, og anses ikke for at være særlig temperaturafhængig. Tallet kan samtidig bestemmes ud fra en af nedenstående sammenhænge: hvor α betegner den termiske diffusivitet, ρ massefylden i kg/m 3 massespecifikke varmekapacitet i J/(kg K). og c p den Et andet konvektivt modeltal, der anvendes i senere beregninger er Grashof-tallet. Tallet anvendes ved naturlig konvektion, og er et dimensionsløst tal der angiver forholdet mellem opdriftskræfterne og viskose kræfter i fluidet: hvor g betegner tyngdeacceleration i m/s 2 og β den termiske udvidelseskoefficient i K -1. Den termiske udvidelseskoefficient skrives som regel som 1/T. Endvidere anvendes også Rayleigh-tallet, som defineres som produktet af Grashof-tallet og Prandtl-tallet. Alle beskrevne konvektive modeltal indgår i den samlede beregningsmodel af isolansbidraget fra konvektion. Dette bidrag adderes dog ikke direkte til bidraget fra varmeledning, men må indgå i et fælles bidrag med strålingsisolansen efter følgende formel: 4.3 Varmestråling Indholdet i nedenstående teoriafsnit er en sammenfatning af indholdet i forelæsningsnotat ved DTU.Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling side Ved varmetransmission ved stråling forstås elektromagnetisk stråling ved en lang række forskellige bølgelængder. Stråling er opdelt i forskellige bølgelængdeintervaller, og derved også forskellige strålingsbetegnelser. Varmestråling er defineret ved bølgelængder mellem 0,01 µm og 100 µm. Skitsen på næste side viser, at varmestrålingen består af ultraviolet stråling i intervallet 0,01 µm til 0,40 µm, synligt lys i intervallet 0,40 µm til 0,74 µm og infrarød stråling i intervallet 0,74 µm til 100 µm. 8 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s redigeret af Cecilie Vej-Hansen og Carsten Rode Side 17 af 58

18 Figur 6. Forskellige spektre af elektromagnetisk stråling 9. Effekten af et legemes udstråling afhænger af dets temperatur samt overfladeegenskaber. Udstrålingen kan betegnes som legemets emissivitet, og et helt sort legeme har emissiviteten 1. Med dette menes, at legemets udstråling kun afhænger af den absolutte temperatur. En nærmere definition af begrebet emissivitet følger. Er der tale om det førnævnte sorte legeme gælder følgende sammenhæng mellem den absolutte temperatur og udstrålingseffekten: hvor E s er legemets egenstråling [W/m 2 ] og ζ s Stefan-Boltzmann konstanten (5, W/(m 2 K 4 )). Når stråling rammer en overflade vil en del blive absorberet, en del reflekteret og en del transmitteret. Der kan nærmere beskrevet tales om en række strålingsdefinitioner, som anvendes i både den almene teoretiske forståelse samt i diverse varmestrålingsberegninger. Disse definitioner er vigtige at have på plads, og de opstilles derfor herunder på punktform. Absorptans Absorptans symboliseres med et alpha, α, og defineres som legemets evne til at omdanne strålingsenergi til varmeenergi: 9 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s. 48 Side 18 af 58

19 Reflektans Reflektans symboliseres med et rho, ρ, og defineres som den tilbagekastede energi fra et legemes overflade: Transmittans Transmittans symboliseres med et tau, η, og defineres som den transmitterede energi gennem et legeme: Emissivitet Emissivitet symboliseres med et epsilon, ε, og defineres som et legemets evne til at omdanne varmeenergi til strålingseffekt. Emissivitet går også under betegnelsen strålingsevne. Summen af disse begreber skal være lig med værdien 1, da disse er i forhold til den totale indfaldne stråling: I tilfælde hvor transmittansen og reflektansen er lig 0, udelukkes begrebets indhold i ovenstående ligning. Det er dog kun i meget sjældne tilfælde at absorptansen er lig 0, da dette kræver en meget blank overflade, og dermed en høj reflektans. I eksperimentelle forsøg som der vil forekomme i dette projekt, er det formålet at opnå en høj reflektans i de reflekterende materialer. Herved menes der også at det er mest optimalt at arbejde med materialer med lavemissionsbelægninger. Som ved førnævnte teoretiske beskrivelser af varmetransmission ved varmeledning og konvektion, er det ved strålingsberegningerne også interessant at finde frem til isolansbidraget, strålingsisolansen. Strålingsisolansen giver information om hvor strålingseffektens størrelse pr. arealenhed og temperatur. I dette projekt regnes der med strålingsudvekslingen mellem vilkårlige flader, hvilket medfører at formlen på næste side må anvendes ved strålingsisolans mellem vilkårlige flader. Formlen stammer fra udledningen af den resulterende strålingsudveksling mellem to legemer. Side 19 af 58

20 De enkelte legemers strålingstal kan udledes ved følgende kombination af dets emissivitet og Stefan-Boltzmann konstanten: Den fundne strålingsisolans kan som tidligere beskrevet, i afsnittet om konvektion, sammenkobles med isolansbidraget og bestemme et samlet bidrag fra konvektion og stråling som adderes til bidraget fra varmeledningen. Således kan en total isolans bestemmes, og derved også temperaturfordelingen gennem den pågældende ydervæg. Samtidig giver den totale isolans også anledning til at bestemme ydervæggens U-værdi med isolansbidrag fra varmeledning, konvektion og varmestråling. 4.4 Fugt Indholdet i nedenstående teoriafsnit er en sammenfatning af indholdet i Bygningsmaterialer, grundlæggende egenskaber fra Polyteknisk Forlag side Da projektet bl.a. undersøger og tester alternative isoleringskombinationer i ydervægge, er det fundet relevant at bearbejde området inden for fugttransport. Derfor udføres der fugtberegninger på såvel grundtest som alternativ test. Formålet ved følgende delafsnit er at beskrive hvilke begreber og definitioner, der er anvendt under behandlingen af eventuelle fugtproblemer i de udvalgte ydervægskonstruktioner, som præsenteres senere. Gruppens helt basale årsag til at undersøge fugtområdet nærmere skyldes de konsekvenser som fugtproblemer kan have i bygningsenergiteknikken. Fugtproblemer kan medføre en nedsættelse af et materiales isoleringsevne, dets holdbarhed, deformation og samtidig medvirke til at give et ringe indeklima til gene for den pågældende bygnings brugere. Det er før set hvorledes fugtskader påvirker en konstruktion i form af f.eks. svamp, frost, salte og byggefugt. Gruppen ønsker således ikke at præsentere en vægkonstruktion, der formindsker dimensionerne og præsterer lave U-værdier, men samtidig også forsager større fugtproblemer, der kan skade et indeklima på både kort og lang sigt. Til forebyggelse mod diverse problemer med fugt kan nøgleordet siges at være tæthed. Er en konstruktion tæt undgås en lang række problemer med indsivende vandmængder fra f.eks. regnvand. Derfor anses det også for at være af meget vigtig karakter i alment byggeri at opnå en tæt konstruktion hurtigt muligt. For at bremse vandet i f.eks. ydervægskonstruktioner kan der som forebyggelse bl.a. anvendes dampspærre og særligt fugtafvisende byggematerialer. I det følgende arbejdes der med de begreber og definitioner der er anvendt for at fuldføre diverse fugtberegninger vedr. fugttransport. Der er regnet med vandtransport som følge af damptryksforskelle. En sådan transport kan ske på flere måder. En transport af ren vanddamp forekommer udelukkende, hvor der ikke sker kapillarkondensation, hvilket 10 Bygningsmaterialer - grundlæggende egenskaber, Polyteknisk Forlag, 1. udgave, 4. oplag, Side 20 af 58

21 betyder alle relative fugtigheder, i det følgende kaldet RF, i grovporøse materialer og ved lave RF i finporøse materialer, da vandet i disse materialer vil kapillarkondensere i porerne på den side med det højeste damptryk. Kapillarkondensation defineres som et fænomen der forekommer hvis damptrykkets værdi overstiger værdien for mætningsdamptrykket over en given menisk 11. Begrebet mætningsdamptryk beskrives nærmere senere i afsnittet. Det kondenserede vand vil senere fordampe på den modsatte side grundet kapillarsugning. Ved kapillarkondensation forekommer der hermed et yderligere transportbidrag fra kapillarsugning og dampdiffusion. Disse forhold kan beskrives nærmere ved at iagttage nedenstående skitse. Figur 7. Transportformer for vand og damp gennem porøst materiale 12. Da der i projektet arbejdes med ydervægskonstruktioner vil der foruden damptryksforskelle også forekomme temperaturforskelle gennem den pågældende lagdelte konstruktion. Dette medvirker at dampen kan kondensere inde i væggen. Grundet netop disse transportforhold er det fundet relevant at foretage en fugttransportberegning for at undersøge hvorvidt der forekommer kondens eller ej i særligt den alternative test. Beregningerne sker ud fra et opstillet skema, som behandler fugttransport ved diffusion med vanddamptrykket som drivkraften. Fremgangsmetoden kaldes også Glasers metode. Skemaets indhold og begreber beskrives i det følgende. Et sådant skema kan ses på næste side. 11 En menisk betegner en krum væskeoverflade i en pore, jf. side 71 i Byggematerialers grundlæggende egenskaber af Polyteknisk forlag. 12 Byggematerialer grundlæggende egenskaber, Polyteknisk Forlag, 1.udgave, 4. oplag 2006, s. 83 Side 21 af 58

22 Figur 8. Skema til fugttransport 13. Ovenstående skema viser at før der kan forekomme en reel fugtberegning, må temperaturfordelingen i konstruktionen kendes. Til dette anvendes teorien fra afsnit 4.1. Som det første indføres mætningsdamptrykket, p s, som blev omtalt kort i ovenstående tekst. Mætningsdamptrykket navngiver det partialtryk der tilsvarer til mætningsdampindholdet, der betegner luftens maksimale mængde vanddamp ved en given temperatur og et givet tryk. Mætningsdamptrykket er desuden temperaturafhængigt, og kan aflæses i tabel 5.1, s.69 i Bygningsmaterialers grundlæggende egenskaber. Skemaet indfører også begrebet vanddamppermeabilitetskoefficienten, δ [µg/m s Pa]. Koefficienten er karakteristisk for det enkelte materiale, og er en praktisk værdi, der dækker den totale fugttransport i form af både damp og væske. Koefficienten varierer endvidere med det givne materiales fugtindhold, og er for mange materialer, såsom beton, afhængig af RF, da fugttransporten udelukkende sker i væskeform som følge af høj RF. Transporten vil derfor være større end ved diffusion. Endvidere indføres der også et fugtmodstandstal, Z [GPa m 2 s/kg]. Som navnet antyder, betegner fugtmodstandstallet den modstand, det pågældende lag i konstruktion bidrager mod fugttransporten. Fugtmodstandstallet kan findes ved opslag i tabeller, men har også følgende sammenhæng mellem det pågældende materiales tykkelse, d, og vanddamppermeabilitetskoefficienten, δ: Som ovenstående formel viser, gælder det om at opnå en stor Z-værdi for at mindske fugttransporten gennem materialelaget. 13 Forelæsningsnotat DTU Byg fra Projektering af bygningsenergi, Fugttransport af Carsten Rode, s. 50 Side 22 af 58

23 I projektet regnes der med en RF på 90 % i de ydre omgivelser og 40 % i de indre omgivelser. For en god ordens skyld skal det siges at begrebet relativ fugtighed betegner forholdet mellem damptrykket og mætningsdamptrykket. Til at bestemme damptryksfordelingen gennem den lagdelte konstruktion fordeles den samlede damptryksforskel mellem ude og inde over hvert enkelt lag, j, i forhold til det totale fugtmodstandstal, Z: Damptrykket bestemmes ved hjælp af den valgte RF-værdi og det før fundne mætningsdamptryk. Som ovenstående sammenhæng mellem RF, damptrykket p, og mætningsdamptrykket p s viser ganges den procentmæssige luftfugtighed på det fundne mætningsdamptryk for at bestemme damptrykket. På denne måde kan damptrykket for den ydre overgang bestemmes, og dernæst bestemmer damptryksfordelingen for de enkelte lag udviklingen i det aktuelle damptryk. Det aktuelle damptryk må aldrig overstige mætningsdamptrykket ved den pågældende temperatur. Skulle det ske at p = p s, skabes der kondens i det angivne lag i konstruktionen (RF = 100 %). Netop denne udvikling forsøges at undgås. Da det ikke er fysisk muligt at damptrykket overstiger mætningsdamptrykket, må damptryksfordelingen korrigeres. Beregningerne genstartes derfor med den forudsætning, at der skabes kondens i det kritiske lag i konstruktionen. Det kritiske lags damptryk sættes derfor lig med mætningsdamptrykket. Damptryksfordelingen på begge sider af det kritiske lag må herefter bestemmes igen. Til dette indføres nogle hjælpestørrelser i form af et fugtmodstandstal for hver side af kondenspunktet samt damptryksforskellen mellem henholdsvis kondenspunktet, det udvendige damptryk og det indvendige damptryk. På begge sider af kondenspunktet bestemmes damptryksfordelingen forfra med de indførte hjælpestørrelser, og beregningen kan herefter afsluttes. Ved afsluttet beregning kan der beregnes hvor stor en dampstrøm, der vil forekomme med og uden kondensation. Fremgangsmetoden er som følger på næste side. Uden kondensation: Er der forekommet kondens i konstruktion bestemmes dampstrømmen både indefra og udefra kondenspunktet. Den totale dampstrøm findes dernæst ved forskellen mellem disse. Indefra til kondenspunktet: Side 23 af 58

24 Udefra til kondenspunktet: Samlet dampstrøm: Slutteligt må der dog også angives nogle begrænsninger ved den valgte Glasers metode. Metoden arbejder med stationære forhold og medtager udelukkende diffusion. Endvidere medtages materialernes fugtkapacitet ikke, og der forudsættes konstante materialeværdier. Til projektets formål er det dog fundet tilladeligt at anvende metoden som teoretisk indsigt i fugttransporten, der måtte forekomme i testene. Side 24 af 58

25 5. Forsøgspræsentation Nedenstående afsnit omhandler projektets udvalgte test. Disse præsenteres med fremhævede beregningsværdier, skitseringer samt de grundlæggende tanker, der ligger bag udvælgelsen af det enkelte forsøg. Det forsøges at beskrive, så udførligt som muligt, hvilke rammer der omkranser projektet samt hvilke materialemuligheder, der har været oppe og vende. Gruppen har arbejdet med tidligere nævnte cirkulære arbejdsstruktur for at samle en række mulige test, der senere hen er enten blevet til- eller fravalgt. Således er det også ønsket at beskrive, hvilke materialetanker der er arbejdet med gennem det tidlige projektforløb, herunder hvorfor der er regnet på dem, og hvorfor de i sidste ende er blevet fravalgt. 5.1 Indledende tanker til materialevalg Mange materialer har i løbet af projektperioden været gennem gruppens modelberegninger. Primært er der tale om materialer, som gruppen har fundet interessante og alternative, og som er blevet set anvendt andetsteds. Nogle af materialerne anses muligvis som særligt kreative, men herunder præsenteres en række af disse samt årsagen til hvorfor de var med i overvejelserne. SikaBoom, et ekspanderede flydende materiale på dåse. SikaBoom har været blandt de indledende tanker, da produktet anses for at kunne nå ud i samtlige hjørner af vores konstruktion samt at der blev arbejdet med tanken om at udfylde hulmursten med det flydende materiale. SikaBoom er dog blevet fravalgt, da dens varmeledningsevne ikke kan konkurrere med almen mineraluld og luften i hulmursten. Derfor er det blevet ved tanken, og ikke gennemarbejdet i modelberegningen 14. Muslingeskaller kan siges at være en meget kreativ tanke, men idéen bygger på at udnytte det isolerende luftlag mellem skallerne, samt at skallerne anses for at være fugtafvisende. Idéen er sjov og alternativ, men da varmeledningsevnen er højere end for almen mineraluld, anses det ikke for muligt at dimensionsforbedre en ydervæg med et sådant materiale 15. Inddragelse af hulrum, grundet luftens høje isoleringsevne. I teorien er det svært at finde et materiale, der isolerer lige så godt som luft. Luft kan dog aldrig anses for at være stillestående hvorfor et større hulrum ikke kan anvendes. Dog kan mindre hulrum anvendes til at tvinge luften til at blive så stillestående som muligt. Ædelgasser såsom argon, der hyppigt findes i almene termoruder, virker optimalt at bruge grundet dens ekstreme lave varmeledningsevne. Konstruktionens U-værdi vil da også falde drastisk, ved indførelse af argon i modelberegningen, men da der ikke er fundet en 14 Teknisk datablad om ekspanderede brandhæmmende pistolskum B1: 15 SikaBoom fra webside:// Side 25 af 58

26 fornuftig løsning til at holde gassen indespærret ved de praktiske forsøg, er inddragelse af ædelgasser fravalgt 16. Halm og hamp er tidligere anvendt ved forsøg med alternative isoleringsmaterialer, og har derfor også været blandt overvejelserne i projektet. Dog er det ikke fundet nødvendigt at gennemføre modelberegninger med materialerne, da det ikke kan konkurrere med mineralulds varmeledningsevne og derfor ikke kan anvendes til at opfylde gruppens målsætning om en dimensionsmindskning uden at øge ydervæggens U-værdi. Løsfyldsmateriale såsom papir har også været en mulighed, men heller ikke denne materialemulighed vil kunne opfylde målsætningen 17. Refleksive materialer er siden hen blevet idé, der er arbejdet videre med. Tanken har været at kombinere et refleksivt materiale med en række mindre hulrum. Et tilgængeligt refleksivt materiale såsom aluminium anses realistisk at arbejde med. Aluminium er tilgængeligt i form af alment alufolie. Samtidig er der arbejdet med muligheden for at anvende en form for alukraft, pap/papir beklædt med alufolie, under navnet polykraft. Aluminium er samtidig et lavemissionsmateriale, som understøtter teorien om at mindske bidraget fra varmestrålingen uden at gå på kompromis med ydervæggens U-værdi Udvalgte forsøg En sammenfatning af ovenstående delafsnit afslører, at en stor del af det indledende projektarbejde har været koncentreret omkring kombinationen af hulrum og et refleksivt materiale. Der er fra gruppens side besluttet at eksperimentere med én alternativ test, der kan sammenlignes med en grundtest. Den anvendte modelberegning danner grundlag for valget. Dette afsnit vil behandle nogle af de vigtigste data, der er beregnet vha. modellen samt argumentere nærmere for det konkrete valg, der er foretaget. Skitsen på næste side illustrerer et snit i ydervæggen ved hhv. grundtesten og den valgte alternative test. Her angives den forventede vægdimension samt hvilke materialer der anvendes. En nærmere beskrivelse af særligt den alternative test følger derefter. 16 Forelæsningsnotat fra Projektering af bygningsenergi, forelæsning om vinduer, slide Rapport fra Borup Seniorby vedrørende praktiske erfaringer med alternative isoleringsmaterialer af SBI 18 Forelæsningsnotat til DTU Byg Varmetransmission ved ledning, konvektion og stråling s redigeret af Cecilie Vej-Hansen og Carsten Rode Side 26 af 58

27 Figur 9. Opstalt grundtest Figur 10. Opstalt alternativ test Grundtesten er opbygget efter idéen om at genskabe en traditionel isoleret ydervæg til sammenligning med en senere alternativ test, der har til formål at dimensionsmindske ydervæggen uden at nedsætte isoleringsevnen. Den teoretiske grundtest består af 100 mm teglsten, 10 mm hulrum, 150 mm mineraluld og 100 mm porebeton. Beregningerne foretaget på grundtesten i gruppens modelberegning, danner samtidig en række sammenligningsværdier for den udvalgte alternative test. Herunder opstilles de vigtigste materialedata der er anvendt i grundtestens modelberegning samt de relevante resultater, der senere hen kan sammenlignes med den alternative test. Anvendte teoretiske temperaturer til modelberegningen, der er angivet herunder refererer ikke til det enkelte materiale, men er blot en angivelse af de anvendte værdier. Materiale Tykkelse Varmeledningsevne Strålingstal T inde [ C] T ude [ C] [mm] [W/m K] [W/m 2 K 4 ] Tegl 100 0,35 5, Hulrum 10 Mineraluld 150 0,034 5, Porebeton 100 0,2 5, Tabel 2. Materialedata for projektets grundtest. Værdier for varmeledningsevne stammer fra Bygningsmaterialer: Grundlæggende egenskaber. Der er anvendt teoretisk laveste værdi. Side 27 af 58

28 Materiale Tykkelse [mm] R stråling [m 2 K/W] R konvektion [m 2 K/W] R ledning [m 2 K/W] R total [m 2 K/W] U-værdi [W/m 2 K] Tegl 100 0,28 Hulrum 10 0,29 0,41 Mineraluld 150 4,41 Porebeton 100 0,50 Total 360 5,53 0,1806 Tabel 3. Relevante resultater for grundtest i modelberegning. Det totale isolansbidrag indeholder også indvendig- og udvendig overgangsisolanser, der ikke indgår i ovenstående tabel. Ovenstående resultater er så at sige de konkurrerende resultater til den alternative test. Som før nævnt foreskriver bygningsreglementet et krav for U-værdier for ydervægge på 0,30 W/m 2 K, hvilket overholdes med en anstændig margin. Udfordringen i projektet, baseret på gruppens formål, er således at forsøge at fastholde den angivne U-værdi på bedst mulig vis ved samtidig at formindske vægtykkelsen. Den alternative test bygger på en af projektforløbets tidlige idéer om at gøre brug af en række hulrum. Luften i sig selv isolerer ualmindelig godt, men da luft aldrig kan siges at være fuldstændig stillestående, kan der ikke arbejdes med et større hulrum for at opfylde gruppens målsætninger. Der er i stedet arbejdet med at tvinge luften til at blive så stillestående som muligt ved at indføre en lang række hulrum adskilt af et tyndt materiale, der ikke får vægtykkelsen til at stige væsentligt. Forskellen i bidraget fra konvektion illustreres herunder i situationen med større hulrum, hhv. små hulrum. Figur 11. Konvektion i x tykkelse kontra konvektion i x/5 tykkelse. Ses der nærmere på teorien fra afsnit 4.2, er det også værd at gentage følgende formel: Side 28 af 58

29 Nusselt-tallet inddrager det pågældende fluids stillestående varmeledningsevne. Dette fluid angives som luft i den alternative test. Varmeledningsevnen for stillestående luft kan siges at være opnået ved et Nusselt-tal på 1 i dette tilfælde. Situationen kan nemt simuleres i gruppens modelberegninger. Såfremt der indsættes et hulrum på f.eks. 100 mm fås et Nusselt-tal på 2,76, altså et godt stykke over den ønskede værdi. Indsættes der i stedet et mindre hulrum på f.eks. 2 mm fås det ønskede Nusselt-tal lig 1. Af denne årsag er der valgt at arbejde med så små hulrum som muligt. Nedenstående tabel viser hvorledes Nusselt-tallet falder mod 1 ved inddragelse af mindre hulrum. Tallene er beregnet ved brug af formlen for Nusselt-tallet ved naturlig konvektion og lodrette mellemrum, jf. afsnit 4.2. Nu 100 mm Nu 50 mm Nu 40 mm Nu 2 mm 2,76 1,24 1,04 1,00 Tabel 4. Angivelse af Nusselt-tal ved en række hulrum Som før nævnt arbejdes der med idéen om at indføre et materiale med en lavemissionsbelægning som adskillelse mellem de respektive hulrum. På denne måde forøges isolansbidraget fra stråling væsentligt, hvilket også forøger det samlede isolansbidrag. Der burde på denne måde derfor være en teoretisk realistisk mulighed for at opnå en sammenlignende U-værdi i forhold til grundtesten og samtidig minimere vægtykkelsen. Grundet dets lave emissivitet er der arbejdet med at udføre forsøget med en aluminiumsbelægning. Aluminium er nemt tilgængeligt for gruppen i form af alment alufolie, der kan købes i diverse supermarkeder. Foretages en modelberegning med en række lag af alufolie til adskillelse mellem de valgte hulrum, opnås en række resultater, der er fundet tilfredsstillende og som bakker op om ovenstående teori. Se teoretiske værdier senere i dette afsnit. Ved at anvende en lang række refleksive overflader i ydervæggen, skabes samtidig en mur af strålingsbarrierer. Som nævnt i afsnit 4.3 defineres reflektans som den tilbagekastede energi fra et legemes overflade. De refleksive overflader sørger således for at reducere den givne stråling, der rammer overfladerne. Dette bidrager til et betydeligt mindre varmetab. Det kan endvidere testes hvilken betydning de refleksive overflader har, og om testen kunne udføres med overflader, der ikke besad samme refleksive egenskaber. Således henvises der til en sammenligning af Modelberegning 2 mm og Modelberegning 2 mm + plastic på vedlagt cd-rom, hvor det refleksive materiale erstattes af plastic. Her er der tale om en stigning i U-værdien på ca. 18 %, hvilket skyldes at plasticlagene ikke kan reflektere den pågældende stråling så godt som det refleksive materiale. Derimod absorberes der en større mængde stråling, hvilket resulterer i et større varmetab. Teorien støtter således op om at anvende mindre hulrum adskilt af refleksive overflader. Denne kombination har samtidig den effekt, at varmeovergangen næsten reduceres til at indeholde kun den varmeovergang, der svarer til varmeledningen for stillestående luft. Side 29 af 58

30 Samtidig optræder alufolien også som en dampspærre med et højt modstandstal, der medvirker at der ikke skabes kondens i ydervæggen, se Fugtberegning polykraft på vedlagte cd-rom. Dog foreligger der en række praktiske udfordringer ved brug af alment alufolie. En rulle alufolie, købt i et supermarked, besidder ikke en holdbarhed der findes nødvendig for at kunne eksperimentere med det. Samtidig er det ikke fundet muligt at finde en rulle med den nødvendige bredde, der skal anvendes ved udførelsen af forsøget. Nærmere detaljer omkring forsøgsrammer og design følger i et senere afsnit. For at arbejde med en teoretisk model der minder mest muligt om den senere praktiske model, er der derfor undersøgt en række muligheder for at finde et mere behandlingsvenligt produkt til forsøget. Som adskillelse mellem de respektive hulrum anvendes derfor polykraft. Polykraft består af et tyndt lag alufolie lamineret med polyethylen på kraftpapir. Materialet er derfor væsentlig mere bearbejdeligt grundet kraftpapiret. Polykraft fungerer også som dampspærre, præcis som almen alufolie, men med et højere modstandstal samt det indeholder omtrent samme materialeegenskaber. Det vurderes derfor at polykraft fungerer, både teoretisk og praktisk. En kombination af hulrum og polykraft tænkes dog ikke at kunne opnå samme resultater som grundtesten alene, såfremt væggen skal reduceres markant. Kombinationen viser at væggen reduceres, men ikke i et sådant omfang, at gruppen finder det tilstrækkeligt. Gruppen har derfor tænkt i alternative baner for at optimere yderligere på ydervæggen. For at ramme en acceptabel U-værdi erstattes den traditionelle teglstensmur fra grundtesten med lecamursten, som har en væsentlig lavere varmeledningsevne. På denne måde leges der med en alternativ version af ydervæggens isoleringslag samt af det ydre lag. Der er således tale om at kombinere refleksiv isolering med nogle højisolerende mursten. Denne model fungerer i teorien, men kan under dette projekt ikke udføres rent praktisk. Modellen med lecamursten anvendes dog som det teoretiske forslag til optimering af ydervæggen. Kombinationen er efterfølgende blevet testet i modelberegningen for at beregne de dimensioner, der er nødvendige for at opnå en acceptabel U-værdi samt en væsentlig reduktion af ydervæggen. Modelberegningerne for grundtesten og den alternative test kan findes på vedlagt cd-rom, se Modelberegning Grundtest og Modelberegning Polykraft. I nedenstående tabel præsenteres de væsentligste materialedata for den alternative test samt de mest relevante resultater, der er opnået. Der henvises desuden til vedlagt cd-rom for beregningerne af isolans og U-værdi, se Håndregningseksempel og Modelberegning vejledning. Hulrumsstørrelsen er løbende blevet justeret for at opnå det ønskede resultat. Side 30 af 58

31 Materiale Tykkelse Varmeledningsevne Strålingstal T inde [ C] T ude [ C] [mm] [W/m K] [W/m 2 K 4 ] Lecamursten 100 0,14 5, Hulrum 108 Polykraft 3 0,18 Refleksiv: Papir: 4, Porebeton 100 0,2 5, Tabel 5. Materialedata for projektets alternative test. Værdier for varmeledningsevne stammer fra Bygningsmaterialer: Grundlæggende egenskaber. Der er anvendt teoretisk laveste værdi. Materiale Tykkelse [mm] R stråling [m 2 K/W] R konvektion [m 2 K/W] R ledning [m 2 K/W] R total [m 2 K/W] U-værdi [W/m 2 K] Lecamursten 100 0,71 Hulrum ,46 4,19 Polykraft 3 5, Porebeton 100 0,50 Total 308,3 5,45 0,183 Tabel 6. Relevante resultater for alternative test i modelberegning. Det totale isolansbidrag indeholder også indvendig- og udvendig overgangsisolanser, der ikke indgår i ovenstående tabel. Der er således tale om en samlet vægtykkelse på ca. 308 mm. Indførelsen af de isolerende lecamursten samt hulrummene adskilt af polykraft, medvirker altså til en samlet reduktion af ydervæggen på omtrent 15 %. Der er tale om 27 lag hulrum adskilt af 28 lag polykraft á 0,1 mm. Hulrummene er af praktiske årsager valgt til 4 mm grundet gruppens mulige materialeindkøb. Ses der på ovenstående tabel 6, angives den beregnede U-værdi til 0,183 W/m 2 K. Kravet om en U-værdi på maksimalt 0,30 W/m 2 K for ydervægge overholdes stadig, og det vurderes at der er tale om en meget sammenlignelig værdi i forhold til grundtesten. Teoretisk set kan det derfor vurderes, at den alternative test opfylder gruppens målsætning. Det ses at den teoretiske tanke om at øge isolansbidraget fra varmestråling er lykkedes uden en negativ påvirkning på vægtykkelsen. Førnævnte beskrivelse af at tvinge luften til at blive stillestående kan ved hjælp af modelberegningen analyseres til at kunne opfyldes ved brug af hulrum på ca. 2 mm, se Modelberegning 2 mm på vedlagt cd-rom. Herved opnås et isolansbidrag fra konvektion og varmestråling, der svarer til luftens bidrag til isolansen henover samtlige hulrum. Grundet gruppens muligheder ved design af forsøgsopstilling, er det dog ikke fundet muligt at anvende hulrum af denne størrelse. Dog er det anset værd at nævne, at idéen om at tvinge luften til at agere som stillestående luft i teorien naturligvis er mulig, og kan med rette forsøges under andre forsøgsrammer, end hvad er muligt under dette projekt. Side 31 af 58

32 5.3 Forsøgsrammer Inden selve projektgangen blev indledt primo august måned 2010 var det fastlagt, at gruppens praktiske forsøg skulle forsøges at finde sted ved universitetets forsøgsområde på campus. Nedenstående afsnit beskriver de rammer, der har været stillet til rådighed under forsøgsgangen. Således præsenteres selve forsøgshuset, dets opbygning og dimensioner samt hvilke økonomiske virkemidler, der eksisterer ved et afgangsprojekt af denne art. Afsnittet suppleres med diverse billeder og skitseringer, der har til formål at give læseren et bedre indtryk af projektets praktiske del. Huset har i en længere periode været i dårlig stand, og således ikke været muligt at anvende til praktiske eksperimenter af den slags, gruppen arbejder med. Det er derfor fundet nødvendigt at lade huset gennemgå en større renovation for at opnå så gode fysiske rammer som muligt ved implementeringen af diverse praktiske eksperimenter. Således har der fra medio september løbende foregået en ydre renovering af forsøgshuset. Den ene halvdel af huset er blevet revet ned for derefter at blive genopbygget for at fremstå symmetrisk identisk med bygningens anden halvdel. Et tidligt billede fra opbygningen af den nye halvdel ses herunder. Figur 12. Forsøgshuset under renovering Forsøgshuset har fra primo november stået klart til brug. Husets ydervæg er opbygget således at den inderste beklædning består af en 10 mm krydsfinerplade. Ydervæggen er isoleret med 100 mm mineraluld, afsluttet med en yderbeklædning bestående af en 10 mm krydsfinerplade. Til adskillelse mellem isoleringslaget og den ydre træbeklædning er der endvidere indsat en dampspærre. Huset får tilført lys fra et isat vindue i den østlige ende. Husets opvarmning suppleres af indsatte radiatorer og varmeblæsere. Dette har været nødvendigt for at opnå den ønskede temperaturforskel mellem ude og inde. Side 32 af 58

33 Grundet husets vægopbygning, er det ligeledes fundet nødvendigt at gennemføre en modelberegning, der svarer til den præcise opbygning der måles på ved implementeringen af gruppens forsøg. Dette gøres for at kunne foretage en fornuftig sammenligning mellem grundtesten og den alternative test. Modelberegningen for de praktiske forsøg kan findes på vedlagt cd-rom, se Modelberegning Grundtest Praktisk og Modelberegning Polykraft Praktisk. Ved renoveringen af forsøgshuset er der ligeledes gjort klar til eksperimentelle forsøg. Således er der opdelt en række felter på husets sydlige side med en afstand á 555 mm adskilt af lodrette bjælker. Både indvendigt og udvendigt er krydsfinerpladerne fastsat med vinkelmøtrikker, hvilket gør det nemmere at afmontere pladerne ved forsøgsimplementering. Nedenstående ses et billede af det færdigt renoverede forsøgshus udvendigt. Figur 13. Forsøgshusets sydside efter færdig renovering. Ved selve forsøgsopbygningen, beskrevet nærmere i afsnit 5.4, er gruppens begrænset til at samle og opbygge på egen hånd. Ses der bort fra pladeudskæringer, er der således ikke lagt op til professionel hjælp udefra. Med andre ord kan konstruktionssamlingen siges at være amatørudført. Ved at udføre samlingen på egen hånd, lægges der samtidig op til en række fejlkilder, der formentlig kunne reduceres såfremt forsøgskonstruktionen var samlet af professionelle og/eller ved maskinel hjælp. En nærmere oversigt over diverse fejlkilder ved samling af særligt den alternative test kan ligeledes findes i afsnit 5.4. Til udførelsen af projektets eksperimentelle del, er der også brug for diverse indkøb af nødvendige materialer. Ved et afgangsprojekt som dette tillægges 100 kr. pr. point pr. studerende i en gruppe. Gruppen har således et rådighedsbeløb á 4000 kr. Det er således begrænset hvor omfangsrige forsøgskonstruktioner, der kan blive tale om. Dog vurderes det at en mindre forsøgskasse også er tilstrækkelig ved de eksperimentelle forsøg. Til de respektive indkøb har der endvidere været mulighed for at låne instituttets forbrugerkort til Johannes Fogs trælasthandel samt varevogn ved opskreven reservering. Side 33 af 58

34 5.4 Forsøgsdesign Nedenstående afsnit har til formål at belyse hvordan gruppen har arbejdet med diverse materialer og designkombinationer. Her præsenteres ligeledes det konkrete forsøgsdesign, herunder materialeoversigt, udskæringsprocesser og opbygning af selve forsøgsdesignet. Afsnittet suppleres ligeledes med diverse billeder og skitser af forsøgsopbygningen. Med relation til tidligere beskrevne forsøgsrammer arbejdes der med at konstruere en forsøgskasse til hvert forsøg, der kan implementeres i forsøgshusets eksisterende ydervæg. Som beskrevet i ovenstående afsnit er forsøgshuset opbygget således at afstanden mellem de lodrette bjælker er ca. 555 mm. Forsøgskassen skal derfor kunne implementeres i disse mellemrum, hvorfor der er valgt at arbejde med kvadratiske kasser af længden 540 mm. I henhold til gruppens økonomiske virkemidler er der indkøbt en række materialer til brug ved forsøgsopbygningen. De indkøbte materialer listes herunder: 1 stk. MDF-plade (Medium Density Fiberboard) á størrelsen 122 x 244 cm. 28 stk. almene trælister, t = 4 mm, b = 16 mm, h = 540 mm. 1 stk. polykraftrulle á 30 m. 1 pakke Flexibatts fra Rockwool á tykkelsen 145 cm. Skruer Listesøm Fugemasse fra DECO SEAL Der er valgt at indkøbe en træplade af typen MDF til forsøgsdesignets ydre ramme. MDFpladen vurderes at være af en styrkemæssig karakter, der findes acceptabel i henhold til diverse påvirkninger under forsøgssamlingen. Pladen anvendes som ydre ramme ved både grundtesten og den alternative test. Der er valgt at konstruere en forsøgskasse til grundtesten i og med der er regnet med en grundtest bestående af et isolerende mineraluldslag med en anden dimension end tilfældet er i forsøgshuset. Da der ikke skal implementeres andet end mineraluld med plads til et 10 mm hulrum i grundtesten, konstrueres forsøgskassen udelukkende med forskellige udskæringer af MDF-pladen. Toppladen undlades ved første forsøgssamling for at gøre plads til indlæggelse af mineraluld samt diverse måleudstyr. En nærmere beskrivelse af materialebrug og konstruktionssamling følger på næste side. Side 34 af 58

35 Figur 14. Materialeoversigt grundtest Forsøgskassen er samlet i DTU s forsøgshaller. Pladeudskæringerne er foretaget med hjælp fra snedkeriet. Forsøgskassens respektive pladeelementer er dernæst samlet ved brug af en boremaskine, således at kassens hulrum stemmer overens med modelberegningens lagtykkelse til mineraluld og hulrum. Til lejligheden er der i Johannes Fogs trælasthandel indkøbt en pakke Flexibatts fra Rockwool i tykkelsen 145 mm. Denne tilskæres omhyggeligt, ved brug af sav og handsker, og implementeres i forsøgskassen, således der opnås det ønskede lag á ca. 150 mm. Det færdige resultat ses herunder på skitsen samt et billede af kassens indhold inden implementering. Figur 15. Skitse af samlet konstruktionssamling ved grundtest. Side 35 af 58

36 Figur 16. Indhold af forsøgskasse til grundtest. Idéen med forsøgsdesignet for såvel grundtest som alternativ test er at det skal være muligt at indsætte og udtage forsøget uden at forsøgshusets indervægge tager mere skade end nødvendigt. Derfor samles forsøgene i en konstrueret kasse, der nemt kan udtages ved endt forsøg, hvorefter væggens oprindelige opbygning kan genskabes. Ved konstruering af forsøgskassen til den alternative test, skal der tillægges noget ekstra tid grundet forsøgets indhold af tynde folier. Såvel som grundtesten består den alternative tests yderramme af udskårede MDF-plader. En oversigt over anvendte materialer ses herunder. Figur 17. Materialeoversigt ved alternativ test. Side 36 af 58

37 Der anvendes kvadratiske stykker af polykraft á størrelsen (540-2x16) = 508 mm. Da der indgår et ekstra lag beskyttende plastic på polykraftsrullens breddeside, vælges der at skære folien i stykker á 508 x 518 mm. Det beskyttende lag plastic fraskæres herefter for at opnå de ønskede mål. Folierne er udskåret på et solidt underlag af træplader ved brug af hobbykniv. En mindre illustration af processen ses herunder. Folierne er udskåret i 28 stk. Figur 18. Princip i udskæring af refleksive folier. Ved samlingen af forsøgskassens ydre rammer, er der undladt at montere en enkelt side samt top- og bundplade for at gøre fysisk plads til implementeringen af førnævnte polykraftfolier. Det er essentielt at de indlagte folier ikke kommer i kontakt med hinanden. Ved kontakt mellem folierne forringes den ønskede strålingsisolans. Samtidig vil en sådan kontakt resultere i at de valgte hulrum på 4 mm ikke overholdes. En nærmere fremstilling af mulige fejlkilder ved den givne forsøgssamling kan ses senere i dette afsnit. Det ønskede resultat skitseres herunder. Figur 19. Skitse af samlet konstruktionssamling ved alternativ test. Side 37 af 58

38 For at undgå ovenstående kontakt forsøges det derfor at stramme folierne så meget som muligt. Ved implementering af et folie sømmes folien derfor først fast under en liste med listesøm i det der svarer til top- eller bund i forsøgskassen. Når foliet er fastsat i den ene ende anvendes en ny liste til at stramme foliet rundt om så meget som muligt. Når det vurderes at foliet er så stramt som muligt, flyttes listen til den korrekte placering hvorefter listen sømmes fast med listesøm. Processen fortsætter til og med det otteogtyvende lag, adskilt af termoelementer til senere temperaturmåling under forsøgsgangen. Nedenstående billede viser processen. Figur 20. Samling af alternativ test. Ved færdig konstruktionssamling flyttes forsøgskasserne til forsøgshuset. Der henvises i øvrigt til afsnit 6 for nærmere indblik i implementering af måleudstyr. Ved indsætning i forsøgshusets ydervæg er der således allerede sørget for opsætning af måleudstyr i og på forsøgskasserne. Ved implementeringen af forsøgskassen til forsøgshusets ydervæg afmonteres den eksisterende inderbeklædning. Således kan den eksisterende mineraluld nænsomt udtages, og lægges til side til senere genbrug efter endt forsøg. De respektive forsøgskasser kan herefter implementeres i væggen. Dette gøres ved at skrue et par ekstra skruer i siden af vægelementet til at holde på kassens vægt. Kassens yderside, bestående af 16 mm MDF-plade, fungerer således som forsøgshusets nye indre beklædning. Efter færdig dataopsætning, kan der dernæst foretages decideret målinger på forsøgene. Side 38 af 58

39 Til dette afsnit må også præsenteres en række fejlkilder, der må formodes at opstå ved samlingen af forsøgskasserne. Således opstilles de observerede fejlkilder herunder på punktform: Ved isætning af mineraluld i forsøgskasse til grundtesten, bearbejdes mineralulden manuelt. For at mineralulden skal passe præcis til den konstruerede forsøgskasse, må den tilskæres. Dette er gjort nænsomt, men det kan ikke udelukkes at den manuelle tilskæring og bearbejdning kan have en effekt på mineraluldens kvalitet. De anvendte polykraftfolier bøjer af natur. For at imødekomme dette er folierne sat i spænd to døgn inden samling af forsøgskassen til den alternative test. Folierne bøjer dog stadig lidt, hvilket i værste tilfælde kan medføre at folierne kan komme til at røre hinanden, og dermed bibeholdes de ønskede 4 mm hulrum ikke. Der kan opstå ujævnheder ved udskæring af folierne fra den indkøbte polykraftrulle. Såfremt at folierne ikke er fuldstændig lige, kan der opstå mellemrum i kassens sider, hvor der kan forekomme luftstrømninger, og dermed skabe en utæt forsøgskasse. Da materialer udvider sig ved varme temperaturer og trækker sig sammen ved kolde temperaturer, kan dette medvirke til foldninger af polykraften ud mod ydersiden. Slutteligt er det svært at vide præcis hvordan kassernes indhold reagerer, når de løftes og implementeres i forsøgshusets ydervæg. Der tilstræbes selvfølgelig en sikker og nænsom implementering. Side 39 af 58

40 6. Måleudstyr- og teknik De nedenstående afsnit har til formål at beskrive hvilket måleudstyr samt hvilken teknik der er anvendt under de praktiske eksperimenter i løbet af projektet. Der vil her lægges særlig vægt på det pågældende udstyrs virkemåde, usikkerheder samt hvorledes gruppen har arbejdet med udstyret under opsætningen ved de respektive målinger. Teksten vil løbende blive suppleret med diverse billeder og figurer for at optimere læserens forståelse. 6.1 Grant datalogger Til at kunne registrere de praktiske målinger, der ønskes foretaget, anvendes en Grant datalogger. Dataloggeren kommunikerer med softwareprogrammet Setwise 32, som omtales i et senere afsnit under måleudstyr- og teknik. Dataloggeren har således, efter korrekt opsætning i Setwise 32, været placeret i gruppens forsøgshus under de respektive målinger. Dataloggeren har mulighed for tilkobling af 24 kanaler, fordelt på 8 blokke, som konfigureres fra Setwise 32. Kanalerne har mulighed for at blive tilsluttet af f.eks. termoelementer og varmestrømsmålere, som der måles med i dette projekt. De førnævnte blokke kan hver især rumme tre kanaler, og dermed tre målinger af f.eks. temperaturer eller varmestrømstætheder. Blokkene, som kan findes på dataloggerens bagside markeret fra A-H, tilsluttes grønne samlestik med plads til fem ledninger. En sådan fordeling af ledninger til samlestik ses illustreret herunder ved en temperaturmåling. Figur 21. Tildeling af termoelementer til samlestik. Det ses på ovenstående illustration, at den femte indgang i samlestikket skal tilføres med den respektive lednings minusindgang. Dette gentager sig for samtlige ledninger, der anvendes til temperaturmåling. Derimod skal hver ledning tilkoblet plusindgangen have hver sin indgang. Endvidere skal det nævnes at den første indgang i samlestikket altid gemmes til jord. Dette gør sig også gældende for varmestrømsmålinger. Dog anvendes den femte indgang ikke ved en sådan måling, og derfor er der kun plads til to målinger i en blok. Dette er dog også tilstrækkeligt, da gruppen arbejder med to eksperimentelle forsøg. Det er desuden oplyst fra fabrikantens side, at dataloggeren ikke må blive påvirket af udefrakommende interferens såsom radiobølger og højspændingsledninger 19. Gruppen har 19 Setwise 32 brugervejledning, kapitel 1 Introduktion til Grant datalogger fra Side 40 af 58

41 på egen hånd oplevet hvorledes mindre forstyrrelser og aktivitet i forsøgshuset under konkrete målinger har kunnet påvirke målingerne. Af denne grund anses det for fornuftigt at se bort fra de første målinger, hvor aktiviteten i huset forventes at have en indvirkning på de målte værdier. Dataloggeren i sin helhed ses herunder. Figur 22. Grant datalogger 6.2 Hukseflux varmestrømsmåler Virkemåden af nedenstående måleudstyr stammer fra rapport fra DTU om måling af varmeledningsevne i Borup Seniorby 20. Til måling af vægmodellens varmestrømstæthed anvendes en Hukseflux varmestrømsmåler, der måler spændingsforskelle. Denne spændingsforskel kan omregnes til en varmestrømstæthed. Måleren består af en 5 mm oval plade. Pladen er lavet af plast, som indeholder en række små ledninger, der fungerer som termoelementer. Termoelementerne er fæstnet i en kædeform fra den ene side af varmestrømsmåleren til den anden. Derfor består varmestrømsmåleren af et målefelt og et guardfelt. I målefeltet registreres de respektive spændingsforskelle, mens guardfeltet forhindrer flerdimensionale varmestrømme i at forstyrre selve målefeltet. Billedet på næste side viser en Hukseflux, klar til montering med varmeledende pasta. 20 Rapport fra DTU Byg Varmeisoleringsevne for ydervægge målt i Borup Seniorby side 7-9 Side 41 af 58

42 Figur 23. Hukseflux varmestrømsmåler med varmeledende pasta. Spændingerne måles ved at termoelementerne registrerer pladens varme og kolde side, og dermed udgiver en spænding gennem måleren. Det er denne spænding, som omregnes til en varmestrømstæthed qua pladens individuelle kalibrering. Denne kan dog ikke aflæses direkte fra resultaterne, da der skal tages hensyn til fabrikantens førnævnte kalibreringsfaktor, som er angivet for hver enkelt måleenhed. Det afmålte tal må derfor divideres med den proportionalitetsfaktor, der står angivet på måleren. For at måleren opnår den bedst mulige termiske kontakt med den givne overflade, smøres en varmeledende pasta centralt på måleren. Side 42 af 58

43 6.3 Temperaturmåling ved termoelementer Nedenstående afsnit har til formål at belyse hvilket måleudstyr samt hvilken måleteknik, der er anvendt ved de praktiske temperaturmålinger. Gruppens modelberegninger, baseret på den anvendte teori, inddrager det teoretiske temperaturforløb gennem den ønskede ydervæg. Temperaturforløbet i sig selv fungerer, sammen med den beregnede U-værdi, som en kontrol for at den alternative test som minimum matcher grundtestens isoleringsniveau. Af denne grund placeres der måleudstyr, i førnævnte forsøgskasser, til måling af de pågældende temperaturer. Til at måle disse temperaturer anvendes termoelementer. Den teoretiske virkning af termoelementer fremgår af Danvak, varme- og klimateknik kapitel 12 21, og de væsentligste detaljer fremhæves herunder. Termoelementer består af to metaltråde, der i hver ende er loddet sammen. Metallerne kan f.eks. være henholdsvis Nikkel og Nikkelkrom. En kontakt blandt disse metaller skaber en elektromotorisk kraft. Denne elektromotoriske kraft afhænger, udover metalarten, af kontaktpunkternes temperatur. Såfremt de to loddesteder anbringes ved hver sin temperatur, frembringes en temperaturforskel svarende til spændingsforskellen mellem de to kromnikkeltråde. Temperaturforskellen kan anvendes som et konkret mål for temperaturforskellen mellem de to loddesteder. Nedenstående skitse illustrerer et målesystem ved inddragelse af et referenceloddested. Figur 24. Principiel udformning af målesystem med termoelementer 22. Da gruppen ikke har tidligere erfaring med termoelementer, må Danvaks instruktioner til målemetoden følges tæt. Spændingerne i termoelementerne er ganske små, hvilket resulterer i at der forefindes en række forholdsregler, der bør følges for at opnå rimelige måleresultater. For at undgå elektrisk støj fra omgivelserne, bør der anvendes isolerede termoelementer mellem loddested og måleudstyr. Fra tidligere afsnit vedrørende 21 Danvak grundbog, varme- og klimateknik kap. 12 s Danvak grundbog, varme- og klimateknik kap. 12 s. 370 Side 43 af 58

44 forsøgsdesignets opbygning ses det hvorledes der anvendes isolerede forbindelser, se figur 20. Da termoelementerne placeres på forsøgskassens overflader, ses der nærmere på de særlige forholdsregler vedrørende måling af overfladetemperaturer. Til dette er termoelementfølere særlig velegnet. For at opnå den bedst mulige måling, skabes en god termisk kontakt mellem føler og overflade. Den termiske kontakt er ved gruppens praktiske forsøg opnået ved at forsyne loddepunktet med et tyndt lag tape. Hertil hører det at tilledningerne til det pågældende loddested bør følge den gældende overflade i en længde af mindst 500 gange tråddiameteren. På denne måde reduceres varmeudvekslingen mellem loddestedet og den omgivende luft. Der er alt i alt valgt at arbejde med fem temperaturmålinger i de to forsøgskasser; to i grundtesten og tre i den alternative test. I grundtesten måles der på forsøgskassens indre overflader, mens der på den alternative tests forsøgskasse måles en temperatur på de indre overflader samt i midten. Endvidere er der opsat et termoelement til måling af den indvendige temperatur samt to udendørs termoelementer til måling af forsøgshusets ydre overflade samt den generelle udetemperatur. De målte temperaturer anvendes til en senere diskussion, hvor der sammenlignes med det teoretiske temperaturforløb. Nedenstående billeder angiver hvorledes termoelementer er påsat forsøgshusets yderside. Figur 25. Udendørs opsætning af termoelementer Figur 26. Måling af udetemperatur Side 44 af 58

45 6.4 Dataopsætning For at kunne udføre de ønskede praktiske målinger i løbet af projektet, er det nødvendigt at have styr på selve dataopsætningen. Med dataopsætning menes tilkoblingen mellem måleapparat og måleenheder. Nedenstående afsnit beskriver således hvorledes gruppen har arbejdet med at få førnævnte Grant datalogger til at kommunikere med det anvendte softwareprogram samt den generelle tilslutning af varmestrømsmålere og termoelementer til dataloggeren. Afsnittet suppleres af billeder for at give læseren et bedre indblik i opsætningen. Dataloggeren tilsluttes en computer via en COM-indgang. Selve målingen indledes ved softwareopsætning i programmet Setwise 32. Opsætningen forklares i korte træk i det følgende. Efter endt opsætning kan det lade sig gøre at frakoble computeren fra dataloggeren. Herved registrerer dataloggeren de pågældende målinger inden for det interval, brugeren har angivet i opsætningen i Setwise 32. Ved endt måling kan de målte værdier således downloades fra dataloggeren og overføres til f.eks. Microsoft Excel. Opsætningen i Setwise 32 sker som i det følgende. Først og fremmest vælges hvilken COM-indgang, der er tilgængelig på den givne computer ved at vælge Options og dernæst Configurations. I første faneblad, Logger, kan der vælges at tilegne målingen et særligt loggernavn. Her vælges også hvilket måleinterval, der skal køre under målingerne. Dette gøres i Sample Rates. Måleintervallet er ved gruppens målinger sat til måling hvert femte minut. I det andet faneblad, Run, vælges det at dataloggeren skal stoppe med at logge data når dennes hukommelse er fuld, således at der undervejs ikke erstattes nogle tidligere datamålinger ved opstart af ny måling. Det vigtigste faneblad forekommer ved tredje faneblad, Analogue. I dette faneblad fordeles de forskellige målinger på de respektive ledige kanaler i dataloggeren. Ved at vælge Sensor Type kan der nu vælges at måle f.eks. en varmestrøm eller en temperatur. Såfremt at der ønskes at måle en varmestrøm ved førnævnte Hukseflux, vælges sensortypen til voltage differential da det netop er en spændingsforskel, der bestemmer den beregnede varmestrømstæthed. Ønskes der at måle en temperatur, vælges Thermocouple single ended. Oversat til dansk betyder thermocouple netop termoelement. På denne måde kan de forskellige målinger tildeles de forskellige kanaler. En sådan fordeling af de respektive målinger illustreres herunder. Det kan oplyses at illustrationen på næste side stemmer fuldstændig overens med gruppens valgte opsætning. Side 45 af 58

46 Figur 27. Opsætning i Setwise 32. Endelig kan programmets sidste faneblad, Status, oplyse om målingens status. Her kan det f.eks. fremgå om dataloggeren er i gang med at logge, om målingen er stoppet eller at der ikke er korrekt forbindelse mellem computer og datalogger. Her kan der ligeledes oplyses om dataloggerens hukommelsesstatus. Såfremt at brugeren er tilfreds med dataopsætningen, og at alt er tilsluttet dataloggeren, vælges der at sende den givne opsætning til dataloggeren via kommandoen Send setup to Squirrel. Brugeren bliver dernæst spurgt om der ønskes at sætte tiden i programmet til computerens angivne tid. Når dette er valgt, kan det vælges at starte målingen ved den passende kommando Start logging. Dataloggeren måler nu, og computeren kan frakobles. Inden dette gøres er det dog også muligt at foretage en såkaldt On-line meetering der måler de aktuelle værdier. Denne måling kan således anvendes til at startkontrollere de målte værdier. Viser disse klare afvigelser fra de forventede resultater, kan dette således indikere at der bør foretages justeringer i forsøgsopsætningen. Inden brugeren dog kan starte målingen, må det kontrolleres at alle varmestrømsmålere samt termoelementer er tilsluttet korrekt til dataloggeren. De pågældende ledninger og metaltråde samles derfor i grønne samlestik, der indføres i dataloggeren ved de respektive blokke. Ved korrekt tilslutning kan der gøres klar til at påbegynde målingerne. Side 46 af 58

47 6.5 Fejlkilder ved måleudstyr Som ved samlingen af de respektive forsøgskasser, optræder der også en række fejlkilder ved at anvende måleudstyr som de ovenstående beskrevne. Derfor præsenteres der herunder en liste over diverse fejlkilder: Det skal sikres, at der er en god forbindelse mellem overfladen af materialet som der skal måles og huksefluxen. Hvis det varmeledende pasta ikke er smurt omhyggeligt ud over overfladen kan dette ændre måleresultatet. Der kan også være luftlommer i pastaen som forstyrrer målingen. Samtidig kan der være en risiko for at kalibreringen af huksefluxen ikke er fuldstændig korrekt. 23 Varmestrømme i væggens plan kan forsage ukorrekte målinger 24. Da Huksefluxen er blevet kalibreret fra fabrikantens side er det langt fra sikkert at den er blevet kalibreret på samme materiale, som anvendes under dette projekt. Således kan fejlmargen på kalibreringen være op til hele 50 %. En sammenblanding af ovenstående fejlkilder kan medvirke til en forøgelse af den kendte måleisolans og dermed en nedsættelse af varmestrømstætheden. Endvidere angives det at selv de bedste målere har vanskeligt ved i praksis at bestemme varmestrømmen med en nøjagtighed bedre end 5 procent 25. Der foreligger en række usikkerheder og fejlmuligheder ved måling med termoelementerne 26. Selve måleusikkerheden afhænger af fremstillingstolerancen. Den maksimale usikkerhed angives til 3,0 K eller 0,75 % af temperaturen i C i henhold til standarden for termoelementer, DIN for type T- og K-elementer. Dog må det antages, at målenøjagtigheden er væsentligt bedre for nye termoelementer. Endvidere skal der tages højde for usikkerheden for nulpunktskompenseringen, som typisk ligger mellem 0,1 K og 0,5 K. 23 Rapport fra DTU Byg Varmeisoleringsevne for ydervægge målt i Borup Seniorby side Rapport fra DTU Byg Varmeisoleringsevne for ydervægge målt i Borup Seniorby side Danvak grundbog i varme- og klimateknik kap. 12 side Danvak grundbog i varme- og klimateknik kap. 12 side Side 47 af 58

48 7. Resultater og måleusikkerhed Nedenstående afsnit præsenterer gruppens målte resultater ved de praktiske forsøg. Resultaterne bliver præsenteret ved de vigtigste værdier på tabelform. Hertil hører de målte værdiers afvigelser fra de teoretiske tal, som findes mest interessant. Ligeledes angives de vigtigste informationer omkring selve målingen, herunder målested og tid. Der bliver ligeledes beregnet en standardafvigelse på de målte tal samt diverse usikkerhedstal. Formlerne til beregning af dette angives herunder. Det skal oplyses at formlerne stammer fra Danvak grundbog fra Til beregning af standardafvigelse på måletal, SD måletal. Beregningen er i sig selv meget komplekse. Den senere anførte målte U-værdi angives som middeltallet af alle beregnede U-værdier i en given test baseret på de varierende temperaturer. Denne U-værdi indsættes ligeledes som middelværdi i nedenstående formel. Til beregning af usikkerhed på middeltal, U T : Til beregning af den systematiske usikkerhed, U S. Ui angiver de enkelte bidrag til den systematiske usikkerhed. Bidragene kommer fra komponenterne i udregningen af den målte U-værdi; varmestrømsmålerens usikkerhed på 5 %, indetemperatur målt ved termoelement på 0,75 % 28 og udetemperatur ligeledes målt ved termoelement på 0,75 %. Til beregning af den resulterende usikkerhed, U R : 27 Danvak grundbog i varme- og klimateknik, 3 udgave fra 2006 side Danvak grundbog i varme- og klimateknik, 3 udgave fra 2006 side 377. Side 48 af 58

49 Til beregning af den absolutte usikkerhed ved sammensatte målinger, U. Ved sammensatte målinger som i dette projekt er det vigtigt at angive den absolutte usikkerhed. Denne usikkerhed fortæller hvor stor en samlet usikkerhed, der kan regnes med at have været ved målingerne. Derfor gennemføres også en beregning af denne usikkerhed herunder. R angiver det funktionelle udtryk, som måleresultaterne er bestemt af, R = f (x, y, z) hvor x betegner varmestrømsmålerens usikkerhed, y og z termoelementernes, der måler henholdsvis ude og indetemperatur, usikkerhed. Da det målte resultat omregnes til en varmestrømstæthed, angives R som det følgende matematiske udtryk der anvendes til bestemmelse af varmestrømstætheden. Dette udtryk differentieres derfor i henhold til de forskellige usikkerheder med følgende resultat til følge: De målte tal, deres middelværdier, afvigelse fra teoretiske beregninger samt ovenstående usikkerhedstal angives i nedenstående resultattabel. Den totale måling indeholdende samtlige måleværdier kan findes på rapportens vedlagte cd-rom. Det skal nævnes at der medtages værdier fra to målinger, som kan benævnes før og efter der blev foretaget eftertætning grundet mistanke om luftstrømninger i forsøgskassen. Problematikken omkring denne mistanke diskuteres nærmere i afsnit 8. Samtidig skal det nævnes at de teoretiske tal i tabellerne stammer fra modellen, der passer til selve forsøgshuset, se Modelberegning Grundtest Praktisk og Modelberegning Polykraft Praktisk på vedlagt cd-rom, samt at en positiv afvigelse angiver et resultat der er bedre end teorien, og at en negativ afvigelse angiver et resultat, der er dårligere end teorien. Udregningen af teoretiske U-værdier i tabellerne fremkommer ved samme fremgangsmåde som i bilaget Håndregningseksempel på vedlagt cd-rom. Temperaturforløb angives også. Side 49 af 58

50 Test: Grundtest Måletidspunkt: 19/ :20-23/ :30 Måleinterval: Hvert 5. minut U-værdi teori [W/m 2 *K] U-værdi målt [W/m 2 *K] SD U T [%] U S [%] U R [%] U sammensat [%] Afvigelse teori-praksis [%] 0,20 0,21 0, ,721E-06 5,11 5,11 5,30-5,41 Test: Alternativ test Måletidspunkt: 19/ :20-23/ :30 Måleinterval: Hvert 5. minut U-værdi teori [W/m 2 *K] U-værdi målt [W/m 2 *K] SD U T [%] U S [%] U R [%] U sammensat [%] Afvigelse teori-praksis [%] 0,22 0,34 0, ,424E-06 5,11 5,11 5,30-32,78 Test: Grundtest Måletidspunkt: 26/ :45-29/ :45 Måleinterval: Hvert 5. minut U-værdi teori [W/m 2 *K] U-værdi målt [W/m 2 *K] SD U T [%] U S [%] U R [%] U sammensat [%] Afvigelse teori-praksis [%] 0,20 0,18 0, ,301E-05 5,11 5,11 5,30 8,57 Test: Alternativ test Måletidspunkt: 26/ :45-29/ :45 Måleinterval: Hvert 5. minut U-værdi teori [W/m 2 *K] U-værdi målt [W/m 2 *K] SD U T [%] U S [%] U R [%] U sammensat [%] Afvigelse teori-praksis [%] 0,22 0,24 0, ,335E-05 5,11 5,11 5,30-4,83 Side 50 af 58

51 Side 51 af 58

52 8. Diskussion Ovenstående resultater giver anledning til en nærmere diskussion. Nedenstående afsnit vil derfor koncentrere sig om de målte resultaters nøjagtighed, diverse fejlkilder og en nærmere forklaring på hvorfor visse måleresultater måske ikke ser ud som forventet. Overordnet set anser gruppen de målte resultater som tilfredsstillende, men der skal ikke lægges skjul på at der ved sådanne målinger som regel vil opstå diverse komplikationer. Disse vil således også blive diskuteret i dette afsnit samt hvilke tiltag der er taget for at imødekomme dem. Da selve forsøgsombygningerne er foretaget af gruppen selv, og således ikke professionelt, må det antages at der kan forekomme en række fejlkilder, som nævnt i afsnit 5.4. Disse tages derfor op igen for at undersøge om de har haft nogen rolle i det endelige resultat. Én af de vigtigste ting ved forsøgsopbygningen er at skabe en lufttæt konstruktion. Såfremt at de anvendte forsøgskasser indeholder selv minimale luftstrømninger, kan måleresultaterne ikke forventes at stemme overens med gruppens teoretiske beregninger. Derfor kan selv små ujævnheder i udskæringen af de anvendte folier skabe en række mindre luftstrømninger i forsøgskassens sider, og dermed have stor indflydelse på de målte værdier. Som det ses i afsnit 7, rammes der en markant afvigelse på den alternative test mellem de teoretiske beregninger og de praktiske målinger ved de første målinger foretaget i forsøgshuset. Grundet denne indledende afvigelse blev det derfor besluttet at nedtage forsøgskassen for at undersøge eventuelle fejlkilder. Gruppen fik således et indblik i hvordan folierne havde reageret efter nogle dage i husets ydervæg samt om der var grund til at mistænke eventuelle luftstrømninger i kassens sider. De primære iagttagelser ved denne inspektion var således at gruppens mistanke om luftstrømninger blev bekræftet. De enkelte foliers ujævnheder skabte uden tvivl luftstrømninger i kassens sider. Samtidig sås det hvorledes folierne ikke lå med den samme afstand mellem sig overalt i konstruktionen, hvilket medførte at de ønskede 4 mm visse steder var langt fra overholdt. Forsøgskassens indhold efter nedtagning ses på næste side. Side 52 af 58

53 Figur 29. Foliernes udbøjninger efter nedtagelse. Foliernes fremkomne udbøjninger må skyldes deres reaktion på temperaturforandringen. Producenten af polykraften oplyser desværre ikke hvilken udvidelseskoefficient, der hører til produktet. Qua de visuelle observationer er det dog tydeligt, at der er tale om en vis udvidelse af foliet. Dog forventes det ikke at have den store betydning, hvis nogle af folierne ligger med 2 eller 6 mm afstand. Samlet set forventes det at folierne har den virkning, som der har været ønsket. Imidlertid findes det dog nødvendigt at imødekomme problematikken vedrørende luftstrømningerne. Derfor blev forsøgskassen eftertætnet med alment fugemasse i hver side. Selvom fremgangsmåden muligvis ikke er den ideelle, har tætningen haft den ønskede effekt. Således har U-værdiens afvigelse ændret sig fra 32 % til 5 %, som angivet i forrige resultatafsnit. De nye værdier bekræfter således vigtigheden af en pinlig tæt konstruktion. Samtidig vurderes det at foliernes udbøjning som forventet ikke har haft en konkret betydning for det endelige resultat. Ses der på det målte temperaturforløb stiger temperaturen, i den alternative test, gennem ydervæggens isoleringslag med ca. 23 C. Temperaturstigningen kan sammenlignes med de teoretiske beregninger, der passer til en vægmodel som i forsøgshuset. Her angives temperaturstigningen i isoleringslaget til ca. 27 C. Således forefindes der er en vis difference mellem teori og praksis. Differencen kan dog evt. forklares ved de usikkerheder, der naturligt forefindes ved praktiske målinger, og i dette tilfælde ved brugen af termoelementer. Samtidig kan det diskuteres hvorvidt forsøgshusets opvarmning, ved bl.a. varmeblæsere, kan have en effekt på temperaturudviklingen tættest på indervæggen. Side 53 af 58