Measurement of apparent thermal conductivity of wet porous building materials by a periodic method

ISO 16957:2016 describes a method of measuring the thermal conductivity (diffusivity) of a wet porous building material and a method of evaluating the measurement uncertainty. While ISO 10051 is the current International Standard, based on a steady-state method, ISO 16957:2016 proposes a method that makes use of a non-steady-state method which uses a small temperature change with a short period as an input. Along with the measurement, an evaluation of the measurement uncertainty is described, which makes possible a simple and practical measuring method. ISO 16957:2016 intends to measure the apparent (effective) thermal conductivity, including latent heat transfer caused by vapour movement. The situation in which moisture and/or air movement occur due to convection or gravity is excluded. The application of ISO 16957:2016 to high moisture content is excluded so that the gravity effect can be neglected. ISO 16957:2016 can be applied to a porous material heavier than about 100 kg/m3, in which radiative heat transfer can be neglected. It specifies the following: a) a non-steady-state method of measuring thermal conductivity; b) an approximation formula for the measurement uncertainty caused by moisture movement and nonuniform moisture distribution (and, thus, a determination of the measuring conditions that satisfy the upper limit of measurement uncertainty); c) an estimate of the heat transfer caused by moisture (vapour) movement.

Détermination de la conductivité thermique apparente des matériaux de construction poreux et mouillés par une méthode périodique

L'ISO 16957:2016 décrit une méthode de mesure de la conductivité thermique (diffusivité) d'un matériau de construction poreux humide et une méthode d'évaluation de l'incertitude de mesure. Bien que l'ISO 10051 soit la Norme internationale actuelle, fondée sur une méthode stationnaire, l'ISO 16957:2016 propose une méthode non stationnaire (transitoire) qui utilise, comme entrée, une légčre variation de température de courte durée. En plus du mesurage, l'ISO 16957:2016 décrit une évaluation de l'incertitude de mesure qui permet de mettre en ?uvre une méthode de mesure simple et pratique. Le but de l'ISO 16957:2016 est de mesurer la conductivité thermique apparente (effective), y compris le transfert de chaleur latente dű au déplacement de la vapeur. Elle exclut la situation dans laquelle se produit un déplacement de l'humidité et/ou de l'air par convection ou par gravité. L'application de l'ISO 16957:2016 ŕ des teneurs élevées en humidité est exclue de sorte que l'effet de la gravité puisse ętre négligé. L'ISO 16957:2016 peut ętre appliquée ŕ un matériau poreux d'une masse volumique supérieure ŕ environ 100 kg/m3, dans lequel le transfert thermique radiatif peut ętre négligé. L'ISO 16957:2016 spécifie ce qui suit: a) une méthode non stationnaire de mesurage de la conductivité thermique; b) une formule d'approximation pour l'incertitude de mesure due au déplacement de l'humidité et ŕ la répartition non uniforme de l'humidité (et donc une détermination des conditions de mesurage qui respectent la limite supérieure de l'incertitude de mesure); c) une estimation du transfert de chaleur dű au déplacement d'humidité (vapeur).

General Information

Status
Published
Publication Date
15-Jun-2016
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
18-May-2016
Completion Date
16-Jun-2016
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ISO 16957:2016 - Measurement of apparent thermal conductivity of wet porous building materials by a periodic method
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16957
First edition
2016-06-15
Measurement of apparent thermal
conductivity of wet porous building
materials by a periodic method
Détermination de la conductivité thermique apparente des matériaux
de construction poreux et mouillés par une méthode périodique
Reference number
ISO 16957:2016(E)
ISO 2016
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 16957:2016(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2016, Published in Switzerland

All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form

or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior

written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

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---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 16957:2016(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and units ............................................................................................................................................................................................... 2

5 Determination of thermal conductivity of a wet porous material by non-steady-

state method (periodic method) .......................................................................................................................................................... 3

6 Measurement by periodic method ..................................................................................................................................................... 3

6.1 Test procedure ......................................................................................................................................................................................... 3

6.2 Measuring apparatus ......................................................................................................................................................................... 4

6.2.1 Overall design ..................................................................................................................................................................... 4

6.2.2 Generator of the sinusoidal or stepwise electric wave ................................................................... 4

6.2.3 Heater ........................................................................................................................................................................................ 5

6.2.4 Specimen................................................................................................................................................................................. 5

6.3 Specimen preparation and preconditioning.................................................................................................................. 5

6.3.1 Initial uniform moisture content and adiabatic and impermeable boundaries ........ 5

6.3.2 Embedding and the position of the thermocouples .......................................................................... 5

6.4 Derivation of thermal diffusivity from measured temperatures (see Annex B) ............................. 5

6.4.1 Solution for heat flow without moisture ..................................................................................................... 5

6.4.2 Solution for heat flow with moisture ............................................................................................................. 6

6.5 Estimation of measuring uncertainty due to moisture (vapour) movement .................................... 7

6.6 Thermal conductivity ........................................................................................................................................................................ 7

7 Test report ................................................................................................................................................................................................................... 7

Annex A (informative) Theoretical background ....................................................................................................................................... 9

Annex B (informative) Derivation of thermal conductivity from measured temperatures .....................11

Annex C (informative) Example of measurement by periodic method ..........................................................................17

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................20

© ISO 2016 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 16957:2016(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment,

as well as information about ISO’s adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the

Technical Barriers to Trade (TBT) see the following URL: www.iso.org/iso/foreword.html.

The committee responsible for this document is ISO/TC 163, Thermal performance and energy use in the

built environment, Subcommittee SC 1, Test and measurement methods.
iv © ISO 2016 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 16957:2016(E)
Introduction

Most building materials, with the exception of glass and metals, are porous and, thus, absorb moisture

due to condensation, rain and water uptake from the ground. The absorbed moisture may damage the

materials through, e.g. rotting or frost damage and, thus, may cause their performance to deteriorate.

In particular, an increase in the moisture content of insulation material causes a reduction of its

thermal resistance, which must be avoided as much as possible to preserve its performance. However,

infiltration of rain water into a brick wall or joints of tiles and uptake of ground water into the

foundation (footing) are very difficult to avoid. Therefore, it is important to understand the changes in

the thermal properties (thermal conductivity and heat capacity) of porous materials due to changes in

their moisture content.

ISO 10051 specifies a steady-state method for measuring the thermal conductivity of a moist building

material. In the steady-state method, a nonuniform distribution of moisture content in the test piece is

inevitable, since the imposed temperature gradient causes moisture transfer. The nonuniform moisture

distribution makes it difficult to define which moisture content the measured thermal conductivity

corresponds to. ISO 10051 categorizes the moisture distribution in the test piece into several types and

estimates the thermal conductivity corresponding to each type.

Since theoretical and experimental research has recently been performed concerning heat and moisture

transfer in porous materials (see References [5], [7], [8], [9] and [10]), along with measurements and

the construction of a database of hygrothermal properties (see Reference [6]), hygrothermal behaviour

can now be predicted with reasonable accuracy.

This International Standard describes a transient method for measuring the thermal conductivity

of a wet porous building material and a method of evaluating the measurement uncertainty, on the

basis of both theoretical developments for heat and mass transfer and the constructed database of

hygrothermal properties. The evaluation of the measurement uncertainty makes possible a simple and,

thus, practical method for measuring thermal conductivity.

NOTE Thermal conductivity is one of the necessary hygrothermal properties. Since heat transfer and mass

transfer in porous material interact with each other, an exact value of the thermal conductivity must be given in

order to examine the validity of the theoretical models. Thus, precisely speaking, the above-mentioned theoretical

models have not been validated, and the construction of the model and the measurements of the hygrothermal

properties must be carried out in parallel. Nonetheless, it seems reasonable to expect that measurement of the

thermal conductivity with an allowable accuracy is possible using a suitable measuring method. This is the basis

for the present document.
© ISO 2016 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 16957:2016(E)
Measurement of apparent thermal conductivity of wet
porous building materials by a periodic method
1 Scope

This International Standard describes a method of measuring the thermal conductivity (diffusivity) of

a wet porous building material and a method of evaluating the measurement uncertainty.

While ISO 10051 is the current International Standard, based on a steady-state method, this International

Standard proposes a method that makes use of a non-steady-state method which uses a small temperature

change with a short period as an input. Along with the measurement, an evaluation of the measurement

uncertainty is described, which makes possible a simple and practical measuring method.

This International Standard intends to measure the apparent (effective) thermal conductivity, including

latent heat transfer caused by vapour movement. The situation in which moisture and/or air movement

occur due to convection or gravity is excluded. The application of this International Standard to high

moisture content is excluded so that the gravity effect can be neglected. This International Standard

can be applied to a porous material heavier than about 100 kg/m , in which radiative heat transfer can

be neglected.
This International Standard specifies the following:
a) a non-steady-state method of measuring thermal conductivity;

b) an approximation formula for the measurement uncertainty caused by moisture movement and

nonuniform moisture distribution (and, thus, a determination of the measuring conditions that

satisfy the upper limit of measurement uncertainty);
c) an estimate of the heat transfer caused by moisture (vapour) movement.
2 Normative references

The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are

indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated

references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 9346, ISO 10051 and the

following apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— IEC Electropedia: available at http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: available at http://www.iso.org/obp
© ISO 2016 – All rights reserved 1
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ISO 16957:2016(E)
3.1
apparent thermal conductivity of a wet material

intrinsic material property dependent upon moisture content and temperature, but not on testing

conditions

Note 1 to entry: Since this value includes the influence of heat transfer due to phase change (condensation and

evaporation), it is called apparent thermal conductivity.
4 Symbols and units
Symbol Quantity Units
a thermal diffusivity of the material m /s
A, B, C, D defined in Formula (B.14) —
3 3
c porosity m /m
c′ specific heat of the material J/(kg·K)
c specific heat of the dry material J/(kg·K)
D moisture (vapour and liquid water) conductivity related to kg/(m·s·K)
temperature gradient
D Moisture (vapour and liquid water) conductivity related to water m /s
content gradient
D liquid water conductivity related to temperature gradient kg/(m·s·K)
D liquid water conductivity related to water content gradient m /s
D vapour conductivity related to temperature gradient kg/(m·s·K)
D vapour conductivity related to water content gradient m /s
E, E , E defined in Formula (B.12) —
1 2
I amplitude of the input surface temperature K
k vapour diffusivity kg/[m·s·(kg/kg′)]
R latent heat of vaporization J/kg
2 3
S specific surface area inside the material, i.e. ratio of pore surface m /m
area to the material volume
t time s
T temperature K
T initial temperature K

T , T , θ , θ the first and second terms of the perturbation solution of the K, kg/m

1 2 1 2
temperature and water content, respectively
x coordinate m
X humidity ratio of moist air in the pores of the specimen kg/kg′
X equilibrium humidity ratio with liquid or capillary water at the kg/kg′
interface in the material
U , U , Q – Q , coefficients appearing solutions θ and T —
3 7 1 6 2 2
R – R , V
1 6 18
α , α defined in Formula (B.13) —
1 2
α′ effective vapour transfer coefficient at the interface kg/(m·s·kg)/kg′
γ specific weight of dry air kg/m
γ′ density of the material kg/m
γ density of the dry material kg/m
η , ζ , β , ξ , κ , γ water content coefficients of D , D , D , D , c′ γ′, λ —
1 1 1 1 1 1 θl θv Tl Tv
η , ζ , β , ξ , γ temperature coefficients of D , D , D , D , λ —
2 2 2 2 2 θl θv Tl Tv
λ thermal conductivity without moisture movement W/(m·K)
2 © ISO 2016 – All rights reserved
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ISO 16957:2016(E)
Symbol Quantity Units
λ* thermal conductivity defined as λ* = λ + RD W/(m·K)
θ water content of material kg/m
θ initial water content of material kg/m
Θ water content by weight %
ω angular velocity of the input surface temperature rad/s
5 Determination of thermal conductivity of a wet porous material by non-
steady-state method (periodic method)

When measuring the thermal conductivity of a porous material in which moisture transfer may

occur, the nonuniformity of the water content distribution must be kept as low as possible under

the temperature gradient. In order to minimize the nonuniformity, a periodic method is adopted as

a transient method of measuring thermal conductivity (see example in Annex C). Since positive and

negative temperature gradients are generated in turn in this method, the (time-averaged) water

content distribution can be expected to remain uniform.

By measuring the temperatures at two points in the sample (usually one of them is at the sample

surface), the thermal diffusivity (not conductivity) can be determined based on the amplitude ratio or

phase difference of these two temperatures. If moisture movement does occur, a similar method can

be used to determine the thermal diffusivity if the input cyclic temperature fluctuation is kept small

enough that the change in transport properties is also small enough that the system can be regarded as

linear (see Annex B).
6 Measurement by periodic method
6.1 Test procedure

A schematic diagram of the apparatus for the periodic method is given in Figure 1. The whole system is

installed in a climate chamber whose temperature is kept at the mean temperature of the sample under

measurement. The sample is preconditioned at a certain water content, and then the whole surface is

made impermeable to moisture movement. A periodic temperature variation is imposed on the sample,

and the temperatures at (at least) two points in the sample are measured by thermocouples.

Figure 1 — Schematic diagram for measuring thermal diffusivity
© ISO 2016 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 16957:2016(E)
6.2 Measuring apparatus
6.2.1 Overall design

A detailed schematic of the measuring apparatus is shown in Figure 2. Refrigerant kept at a low constant

temperature is circulated in a metal refrigerant bath [200 mm (leng th) × 200 mm (wide) × 50mm (height)] in

order to avoid a temperature increase due to heating by the heater. A heater, a damping layer and a

sample are placed on the refrigerant bath in order, and another damping layer is placed on the sample

to reduce the influence of the temperature fluctuations of the climate chamber surrounding the

measuring apparatus. Either a sinusoidal or stepwise electric current is generated in the heater. The

stepwise wave becomes almost sinusoidal as it flows through the damping layers before arriving at

the sample surface. Thermocouples are inserted into the sample and connected to the recorders. The

output from the thermocouples is recorded by both an analogue recorder and a digital recorder. The

digital recorder is used for a long-term record for temperatures at multiple points, while the analogue

recorder is used for recording the temperature wave in a short-term measurement.
Dimensions in millimetres
Key
1 thermal insulation material 6 copper plates
2 specimen 7 refrigerant bath
3 thermocouple 8 refrigerant in
4 rubber film 9 refrigerant out
5 heater
Figure 2 — Vertical cross section of apparatus
6.2.2 Generator of the sinusoidal or stepwise electric wave

A sinusoidal electric wave is generated by an arbitrary wave generator and is sent to the heater. When

such an apparatus is not available, a cyclic stepwise electric wave is generated and input to the heater

by switching a constant electric current on and off using a relay. A cyclic on-off switching of the relay

can be realized with a combination of two timers.
4 © ISO 2016 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 16957:2016(E)
6.2.3 Heater

The lower surface of the sample is uniformly heated (with a cyclic change) by a film heater. The

refrigerant bath under the sample works to reduce any increase in the average sample temperature due

to the heating and to realize the necessary average temperature.
6.2.4 Specimen

The sample size should follow the requirement in ISO 10456 for thermal conductivity measurement,

that is, it should be 150 mm × 150 mm. However, the sample should be thick enough that the amplitude

of the temperature variation arriving at the upper surface of the sample becomes almost 0. The sample

surfaces (boundary) should be made impermeable to moisture flow by a suitable water barrier

...

DRAFT INTERNATIONAL STANDARD
ISO/DIS 16957
ISO/TC 163/SC 1 Secretariat: DIN
Voting begins on: Voting terminates on:
2015-08-11 2015-11-11
Measurement of apparent thermal conductivity of wet
porous building materials by a periodic method
Titre manque
ICS: 27.220
THIS DOCUMENT IS A DRAFT CIRCULATED
FOR COMMENT AND APPROVAL. IT IS
THEREFORE SUBJECT TO CHANGE AND MAY
NOT BE REFERRED TO AS AN INTERNATIONAL
STANDARD UNTIL PUBLISHED AS SUCH.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL,
TECHNOLOGICAL, COMMERCIAL AND
USER PURPOSES, DRAFT INTERNATIONAL
STANDARDS MAY ON OCCASION HAVE TO
BE CONSIDERED IN THE LIGHT OF THEIR
POTENTIAL TO BECOME STANDARDS TO
WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
Reference number
NATIONAL REGULATIONS.
ISO/DIS 16957:2015(E)
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED
TO SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS,
NOTIFICATION OF ANY RELEVANT PATENT
RIGHTS OF WHICH THEY ARE AWARE AND TO
PROVIDE SUPPORTING DOCUMENTATION. ISO 2015
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/DIS 16957:2015(E)
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written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

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ISO/DIS 16957
Contents Page

Foreword ............................................................................................................................................................. v

Introduction ........................................................................................................................................................ vi

1 Scope ...................................................................................................................................................... 1

2 Normative references ............................................................................................................................ 1

3 Terms and definitions ........................................................................................................................... 1

4 Symbols and units ................................................................................................................................. 2

5 Determination of thermal conductivity of a wet porous material by non-steady-state

method (periodic method) .................................................................................................................... 3

6 Measurement by periodic method ....................................................................................................... 3

6.1 Test procedure ....................................................................................................................................... 3

6.2 Measuring apparatus ............................................................................................................................ 4

6.2.1 Overall design ........................................................................................................................................ 4

6.2.2 Generator of the sinusoidal or step-wise electric wave .................................................................... 5

6.2.3 Heater ...................................................................................................................................................... 5

6.2.4 Specimen ................................................................................................................................................ 5

6.3 Specimen preparation and preconditioning ....................................................................................... 6

6.3.1 Initial uniform moisture content, and adiabatic and impermeable boundaries .............................. 6

6.3.2 Embedding and the position of the thermocouples .......................................................................... 6

6.4 Derivation of thermal diffusivity from measured temperatures (see Annex B) .............................. 6

6.4.1 Solution for heat flow without moisture .............................................................................................. 6

6.4.2 Solution for heat flow with moisture ................................................................................................... 7

6.5 Estimation of measuring uncertainty due to moisture (vapour) movement ................................... 7

6.6 Thermal conductivity ............................................................................................................................ 7

7 Test report .............................................................................................................................................. 7

Annex A (informative) Theoretical background ............................................................................................. 9

A.1 Fundamental Formulae of vapour, liquid water, and heat transfer .................................................. 9

A.2 Implication of the thermal conductivity of a wet porous material .................................................. 10

Annex B (normative) Derivation of thermal conductivity from measured temperatures ......................... 11

B.1 Measurement of thermal diffusivity by periodic method ................................................................ 11

B.1.1 Objective............................................................................................................................................... 11

B.2 Formulation .......................................................................................................................................... 11

B.2.1 Perturbation from initial conditions .................................................................................................. 11

B.2.2 Moisture content and temperature as functions of small input ..................................................... 12

B.3 Solution ................................................................................................................................................ 12

B.3.1 Solution: first order (periodic solution) ............................................................................................ 12

B.3.2 Solution: second order ....................................................................................................................... 13

B.4 Approximation of the coefficients appearing in the solution ......................................................... 13

B.4.1 Coefficients in terms of heat and moisture properties .................................................................... 13

B.5 Determination of thermal diffusivity .................................................................................................. 13

B.5.1 Solution for heat flow without moisture ............................................................................................ 13

B.5.2 Solution for heat flow with moisture ................................................................................................. 14

B.6 Observational uncertainty .................................................................................................................. 14

Annex C (informative) Example of measurement by periodic method ...................................................... 15

C.1 Thermal diffusivity and thermal conductivity of wood fibre board ................................................ 15

C.1.1 Under dry conditions .......................................................................................................................... 15

C.1.2 Under wet conditions .......................................................................................................................... 15

C.1.3 Thermal diffusivity ............................................................................................................................... 16

© ISO 2015 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/DIS 16957

C.2 Measured thermal conductivity ......................................................................................................... 16

C.3 Theoretical uncertainty ...................................................................................................................... 17

C.4 Discussion ........................................................................................................................................... 17

Bibliography ..................................................................................................................................................... 18

iv © ISO 2015 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/DIS 16957
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies

(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO

technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been

established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and

non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the

International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards

adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an

International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent

rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

ISO 16957 was prepared by Technical Committee ISO/TC 163, Thermal performance and energy use in the

built environment, Subcommittee SC 1, Test and measurement methods.
© ISO 2015 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO/DIS 16957
Introduction

Most building materials, with the exception of glass and metals, are porous and thus absorb moisture due to

condensation, rain, and water uptake from the ground. The absorbed moisture may damage the materials

through, e.g., rotting or frost damage, and thus may cause their performance to deteriorate. In particular, an

increase in the moisture content of insulation material causes a reduction of its thermal resistance, which must

be avoided as much as possible to preserve its performance. However, infiltration of rain water into a brick

wall or joints of tiles and uptake of ground water into the foundation (footing) are very difficult to avoid.

Therefore, it is important to understand the changes in the thermal properties (thermal conductivity and heat

capacity) of porous materials due to changes in their moisture content.

ISO 10051 specifies a steady-state method for measuring the thermal conductivity of a moist building material.

In the steady-state method, a nonuniform distribution of moisture content in the test piece is inevitable, since

the imposed temperature gradient causes moisture transfer. The nonuniform moisture distribution makes it

difficult to define which moisture content the measured thermal conductivity corresponds to. ISO 10051

categorizes the moisture distribution in the test piece into several types and estimates the thermal conductivity

corresponding to each type.

Since theoretical and experimental research has recently been performed concerning heat and moisture

transfer in porous materials [1], [2], [3], [4], [5] along with measurements and the construction of a database of

hygrothermal properties [6], hygrothermal behavior can now be predicted with reasonable accuracy.

This International Standard describes a transient method for measuring the thermal conductivity of a wet

porous building material and a method of evaluating the measurement uncertainty, on the basis of both

theoretical developments for heat and mass transfer and the constructed database of hygrothermal properties.

The evaluation of the measurement uncertainty makes possible a simple and thus practical method for

measuring thermal conductivity.

NOTE Thermal conductivity is one of the necessary hygrothermal properties. Since heat transfer and mass transfer

in porous material interact with each other, an exact value of the thermal conductivity must be given in order to examine

the validity of the theoretical models. Thus, precisely speaking, the above-mentioned theoretical models have not been

validated, and the construction of the model and the measurements of the hygrothermal properties must be carried out in

parallel. Nonetheless, it seems reasonable to expect that measurement of the thermal conductivity with an allowable

accuracy is possible using a suitable measuring method. This is the basis for the present document.

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DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 16957
Measurement of apparent thermal conductivity of wet porous
building materials by a periodic method
1 Scope

The International Standard describes a method of measuring the thermal conductivity (diffusivity) of a wet

porous building material and a method of evaluating the measurement uncertainty.

While ISO 10051 is the current standard, based on a steady-state method, the proposed method makes use

of a non-steady-state method that uses a small temperature change with a short period as an input. Along

with the measurement, an evaluation of the measurement uncertainty will be carried out, which makes

possible a simple and practical measuring method.

This International Standard describes intends to measure the apparent (effective) thermal conductivity

including latent heat transfer caused by vapour movement. The situation in which moisture and/or air

movement occur due convection or gravity is excluded. The application of this standard to high moisture

content is excluded so that the gravity effect can be neglected. This International Standard describes can be

applied to a porous material heavier than about 100 kg/m , in which radiative heat transfer can be neglected.

The content of this International Standard describes is as follows:
1) a non-steady-state method of measuring thermal conductivity;

2) an approximation formula for the measurement uncertainty caused by moisture movement and

nonuniform moisture distribution (and thus, a determination of the measuring conditions that satisfy

the upper limit of measurement uncertainty), and
3) an estimate of the heat transfer caused by moisture (vapour) movement.
2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.

ISO 9346:2007, Thermal insulation — Mass transfer — Physical quantities and definitions

ISO 10456:2007, Thermal insulation — Building materials and products — Determination of declared and

design thermal values

ISO 10051:1996, Thermal insulation — Moisture effects on heat transfer — Determination of thermal

transmissivity of a moist porous material
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 9346:2007, ISO 10051:1996 and

the following apply.
3.1
apparent thermal conductivity of a wet material λ*

intrinsic material property dependent upon moisture content and temperature but not on testing conditions.

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ISO/DIS 16957

Note 1 to entry: Since this value includes the influence of heat transfer due to phase change (condensation and

evaporation), it is called apparent thermal conductivity.
4 Symbols and units
Symbol Quantity Units
thermal diffusivity of the material m /s
A,B,C,D defined in Equation (B.14) -
3 3
c porosity m /m
' specific heat of the material J/(kg·K)
specific heat of the dry material J/(kg ·K)
Moisture (vapour and liquid water) conductivity related to kg/(m·s·K)
temperature gradient
Moisture (vapour and liquid water) conductivity related to water m /s
content gradient
liquid water conductivity related to temperature gradient kg/(m·s·K)
liquid water conductivity related to water content gradient m /s
vapour conductivity related to temperature gradient kg/(m·s·K)
vapour conductivity related to water content gradient m /s
defined in Formula (B.12) -
E,E ,E
1 2
amplitude of the input surface temperature K
vapour diffusivity kg/(m·s·(kg/kg’))
R latent heat of vaporization J/kg
2 3
S specific surface area inside the material, i.e., ratio of surface m /m
area to the pore volume
time s
T temperature K
initial temperature K
the first and second terms of the perturbation solution of the K, kg/m
T ,T ,θ ,θ
1 2 1 2
temperature and water content, respectively
coordinate m
X humidity ratio of moist air in the pores of the specimen kg/kg’
equilibrium humidity ratio with liquid or capillary water at the kg/kg’
interface in the material
coefficients appearing solutions and -
U ,U ,Q − Q , θ T
3 7 1 6 2 2
R − R ,V
1 6 18
defined in Formula (B.13) -
α ,α
1 2
effective vapour transfer coefficient at the interface kg/(m·s·kg)/kg’
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ISO/DIS 16957
specific weight of dry air kg/m3
' density of the material kg/m3
density of the dry material kg/m3
η ,ζ ,β ,ξ ,κ ,γ water content coefficients of D ,D ,D ,D ,c'γ ',λ
1 1 1 1 1 1 θl θv Tl Tv
temperature coefficients of -
η ,ζ ,β ,ξ ,γ D ,D ,D ,D ,λ
2 2 2 2 2 θl θv Tl Tv
λ thermal conductivity without moisture movement W/(m·K)
* *
W/(m·K)
λ thermal conductivity defined as λ = λ + RD
θ water content of material kg/m3
initial water content of material kg/m3
water content by weight %
angular velocity of the input surface temperature rad/s
5 Determination of thermal conductivity of a wet porous material by non-steady-
state method (periodic method)

When measuring the thermal conductivity of a porous material in which moisture transfer may occur, the

nonuniformity of the water content distribution must be kept as low as possible under the temperature

gradient. In order to minimize the nonuniformity, a periodic method is adopted as a transient method of

measuring thermal conductivity in this standard. Since positive and negative temperature gradients are

generated in turn in this method, the (time-averaged) water content distribution can be expected to remain

uniform.

By measuring the temperatures at two points in the sample (usually one of them is at the sample surface), the

thermal diffusivity (not conductivity) can be determined based on the amplitude ratio or phase difference of

these two temperatures. If moisture movement does occur, a similar method can be used to determine the

thermal diffusivity if the input cyclic temperature fluctuation is kept small enough that the change in transport

properties is also small enough that the system can be regarded as linear (see Annex B).

6 Measurement by periodic method
6.1 Test procedure

A schematic diagram of the apparatus for the periodic method is given in Figure 1. The whole system is

installed in a climate chamber whose temperature is kept at the mean temperature of the sample under

measurement. The sample is preconditioned at a certain water content, and then the whole surface is made

impermeable to moisture movement. A periodic temperature variation is imposed on the sample, and the

temperatures at (at least) two points in the sample are measured by thermocouples.

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ISO/DIS 16957
Figure 1 — Schematic diagram for measuring thermal diffusivity
6.2 Measuring apparatus
6.2.1 Overall design

A detailed schematic of the measuring apparatus is shown in Figure 2. Refrigerant kept at a low constant

temperature is circulated in a metal refrigerant bath (200 mm (length) × 200 mm (wide) × 50mm (height)) in

order to avoid a temperature increase due to heating by the heater. A heater, a damping layer, and a sample

are placed on the refrigerant bath in order, and another damping layer is placed on the sample to reduce the

influence of the temperature fluctuations of the climate chamber surrounding the measuring apparatus. Either

a sinusoidal or stepwise electric current is generated in the heater. The stepwise wave becomes almost

sinusoidal as it flows through the damping layers before arriving at the sample surface. Thermocouples are

inserted into the sample and connected to the recorders. The output from the thermocouples is recorded by

both an analog recorder and a digital recorder. The digital recorder is used for a long-term record for

temperatures at multiple points, while the analog recorder is used for recording the temperature wave in a

short-te
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 16957
Première édition
2016-06-15
Détermination de la conductivité
thermique apparente des matériaux
de construction poreux et mouillés
par une méthode périodique
Measurement of apparent thermal conductivity of wet porous
building materials by a periodic method
Numéro de référence
ISO 16957:2016(F)
ISO 2016
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ISO 16957:2016(F)
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sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur

l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à

l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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ISO 16957:2016(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et unités .............................................................................................................................................................................................. 2

5 Détermination de la conductivité thermique d’un matériau poreux humide par la

méthode non stationnaire (méthode périodique) ............................................................................................................ 3

6 Mesurage par la méthode périodique ............................................................................................................................................ 3

6.1 Mode opératoire d’essai .................................................................................................................................................................. 3

6.2 Appareillage de mesure ................................................................................................................................................................... 4

6.2.1 Conception globale ........................................................................................................................................... .............. 4

6.2.2 Générateur de l’onde électrique sinusoïdale ou progressive .................................................... 5

6.2.3 Réchauffeur .......................................................................................................................................................................... 5

6.2.4 Éprouvette ............................................................................................................................................................................. 5

6.3 Préparation et préconditionnement de l’éprouvette ............................................................................................. 6

6.3.1 Teneur en humidité uniforme initiale et surfaces (limites) adiabatiques

et imperméables............................................................................................................................................................... 6

6.3.2 Insertion et position des thermocouples .................................................................................................... 6

6.4 Détermination de la diffusivité thermique à partir des températures mesurées

(voir Annexe B) ....................................................................................................................................................................................... 6

6.4.1 Solution pour un flux de chaleur sans humidité ................................................................................... 6

6.4.2 Solution pour un flux de chaleur avec humidité ................................................................................... 7

6.5 Estimation de l’incertitude de mesure due au déplacement de l’humidité (vapeur) ................ 7

6.6 Conductivité thermique .................................................................................................................................................................. 8

7 Rapport d’essai ....................................................................................................................................................................................................... 8

Annexe A (informative) Aspects théoriques ..............................................................................................................................................10

Annexe B (informative) Détermination de la conductivité thermique à partir des

températures mesurées .............................................................................................................................................................................12

Annexe C (informative) Exemple de mesurage à l’aide de la méthode périodique ...........................................18

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................21

© ISO 2016 – Tous droits réservés iii
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ISO 16957:2016(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.

iso.org/directives).

L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation

de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’Organisation

mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au commerce (OTC) voir le lien

suivant: www.iso.org/iso/fr/foreword.html.

Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 163, Performance thermique et

utilisation de l’énergie en environnement bâti, sous-comité SC 1, Méthodes d’essais et de mesurage.

iv © ISO 2016 – Tous droits réservés
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ISO 16957:2016(F)
Introduction

La plupart des matériaux de construction, à l’exception du verre et des métaux, sont poreux et par

conséquent, absorbent l’humidité due à la condensation, à la pluie et l’absorption de l’eau souterraine.

L’humidité absorbée peut endommager les matériaux, par exemple en raison des dégâts dus au

pourrissement ou au gel et, par conséquent, entraîner une détérioration de leur performance. En

particulier, une augmentation de la teneur en humidité d’un matériau isolant entraîne une réduction

de sa résistance thermique, ce phénomène devant être évité autant que possible pour préserver la

performance du matériau. Toutefois, il est très difficile d’empêcher l’infiltration d’eau de pluie dans un

mur en briques ou dans des joints de tuiles et l’absorption d’eau souterraine dans la fondation (semelle).

Par conséquent, il est important de comprendre les variations des propriétés thermiques (conductivité

thermique et puissance calorifique) des matériaux poreux dues aux variations de leur teneur en

humidité.

L’ISO 10051 spécifie une méthode stationnaire pour le mesurage de la conductivité thermique d’un

matériau de construction humide. Dans la méthode stationnaire, une répartition non uniforme de la

teneur en humidité dans l’éprouvette est inévitable car le gradient de température imposé entraîne un

transfert d’humidité. En raison de la répartition non uniforme de l’humidité, il est difficile de définir

la teneur en humidité à laquelle correspond la conductivité thermique mesurée. L’ISO 10051 classe

la répartition de l’humidité dans l’éprouvette en plusieurs types et estime la conductivité thermique

correspondant à chaque type.

Grâce aux études théoriques et expérimentales réalisées récemment à propos du transfert de chaleur et

d’humidité dans les matériaux poreux (voir les Références [5], [7], [8], [9] et [10]), ainsi qu’aux mesurages

et à la constitution d’une base de données des propriétés hygrothermiques (voir la Référence [6]), il est

à présent possible de prévoir le comportement hygrothermique avec une exactitude raisonnable.

La présente Norme internationale décrit une méthode transitoire pour le mesurage de la conductivité

thermique d’un matériau de construction poreux humide et une méthode d’évaluation de l’incertitude

de mesure, sur la base des développements théoriques concernant le transfert de chaleur et de masse et

de la constitution de la base de données des propriétés hygrothermiques. L’évaluation de l’incertitude de

mesure permet d’employer une méthode simple et pratique de mesurage de la conductivité thermique.

NOTE La conductivité thermique constitue l’une des propriétés hygrothermiques nécessaires. Dans la

mesure où les transferts de chaleur et de masse dans un matériau poreux interagissent entre eux, une valeur

exacte de la conductivité thermique doit être fournie afin d’examiner la validité des modèles théoriques. Ainsi,

pour être plus précis, les modèles théoriques mentionnés ci-dessus n’ont pas été validés et la construction du

modèle et le mesurage des propriétés hygrothermiques doivent être effectués en parallèle. Toutefois, il semble

raisonnable de s’attendre à ce qu’un mesurage de la conductivité thermique avec une exactitude admissible

puisse être effectué à l’aide d’une méthode appropriée. Cela constitue la base du présent document.

© ISO 2016 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 16957:2016(F)
Détermination de la conductivité thermique apparente
des matériaux de construction poreux et mouillés par une
méthode périodique
1 Domaine d’application

La présente Norme internationale décrit une méthode de mesure de la conductivité thermique

(diffusivité) d’un matériau de construction poreux humide et une méthode d’évaluation de l’incertitude

de mesure.

Bien que l’ISO 10051 soit la Norme internationale actuelle, fondée sur une méthode stationnaire, la

présente Norme internationale propose une méthode non stationnaire (transitoire) qui utilise, comme

entrée, une légère variation de température de courte durée. En plus du mesurage, la présente Norme

internationale décrit une évaluation de l’incertitude de mesure qui permet de mettre en œuvre une

méthode de mesure simple et pratique.

Le but de la présente Norme internationale est de mesurer la conductivité thermique apparente

(effective), y compris le transfert de chaleur latente dû au déplacement de la vapeur. Elle exclut la

situation dans laquelle se produit un déplacement de l’humidité et/ou de l’air par convection ou par

gravité. L’application de la présente Norme internationale à des teneurs élevées en humidité est exclue

de sorte que l’effet de la gravité puisse être négligé. La présente Norme internationale peut être

appliquée à un matériau poreux d’une masse volumique supérieure à environ 100 kg/m , dans lequel le

transfert thermique radiatif peut être négligé.
La présente Norme internationale spécifie ce qui suit:
a) une méthode non stationnaire de mesurage de la conductivité thermique;

b) une formule d’approximation pour l’incertitude de mesure due au déplacement de l’humidité et à la

répartition non uniforme de l’humidité (et donc une détermination des conditions de mesurage qui

respectent la limite supérieure de l’incertitude de mesure);
c) une estimation du transfert de chaleur dû au déplacement d’humidité (vapeur).
2 Références normatives

Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à

l’application du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les

références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels

amendements).
Il n’y a aucune référence normative dans le présent document.
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 9346, dans l’ISO 10051

ainsi que les suivants s’appliquent.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http://www.iso.org/obp
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ISO 16957:2016(F)
3.1
conductivité thermique apparente d’un matériau humide

propriété intrinsèque d’un matériau, qui dépend de la teneur en humidité et de la température, mais

pas des conditions d’essai

Note 1 à l’article: Dans la mesure où la valeur inclut l’influence du transfert de chaleur dû au changement de

phase (condensation et évaporation), elle est désignée par le terme «conductivité thermique apparente».

4 Symboles et unités
Symbole Grandeur Unités
A diffusivité thermique du matériau m /s
A, B, C, D définies dans la Formule (B.14) —
3 3
c porosité m /m
c′ chaleur spécifique du matériau J/(kg·K)
c chaleur spécifique du matériau sec J/(kg·K)
D conductivité de l’humidité (vapeur d’eau et eau liquide) liée au kg/(m·s·K)
gradient de température
D conductivité de l’humidité (vapeur d’eau et eau liquide) liée au m /s
gradient de teneur en eau
D conductivité de l’eau liquide liée au gradient de température kg/(m·s·K)
D conductivité de l’eau liquide liée au gradient de teneur en eau m /s
D conductivité de la vapeur liée au gradient de température kg/(m·s·K)
D conductivité de la vapeur liée au gradient de teneur en eau m /s
E, E , E définies dans la Formule (B.12) —
1 2
I amplitude de la température de surface d’entrée K
k diffusivité de la vapeur kg/[m·s·(kg/kg′)]
R chaleur latente de vaporisation J/kg
2 3
S aire massique (surface spécifique) à l’intérieur du matériau, c’est- m /m
à-dire rapport de l’aire des pores au volume du matériau
t temps s
T température K
T température initiale K

T , T , θ , θ Les premier et second termes de la solution de perturbation de la K, kg/m

1 2 1 2
température et de la teneur en eau respectivement
x coordonnée m
X rapport d’humidité de l’air humide dans les pores de l’éprouvette kg/kg′
X rapport d’humidité d’équilibre avec l’eau liquide ou l’eau capillaire kg/kg′
à l’interface dans le matériau
U , U , Q – Q , coefficients θ et T apparaissant dans les solutions —
3 7 1 6 2 2
R – R , V
1 6 18
α , α définies dans la Formule (B.13) —
1 2
α′ coefficient de transfert effectif de vapeur à l’interface kg/(m·s·kg)/kg′
γ poids spécifique de l’air sec kg/m
γ′ masse volumique du matériau kg/m
γ masse volumique du matériau sec kg/m

η , ζ , β , ξ , κ , γ coefficients de teneur en eau de D , D , D , D , c′ γ′, λ —

1 1 1 1 1 1 θl θv Tl Tv
η , ζ , β , ξ , γ coefficients de température de D , D , D , D , λ —
2 2 2 2 2 θl θv Tl Tv
λ conductivité thermique sans déplacement d’humidité W/(m·K)
2 © ISO 2016 – Tous droits réservés
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ISO 16957:2016(F)
Symbole Grandeur Unités
λ* conductivité thermique définie comme λ* = λ + RD W/(m·K)
θ teneur en eau du matériau kg/m
θ teneur en eau initiale du matériau kg/m
Θ teneur en eau massique %
ω vitesse angulaire de la température de surface d’entrée rad/s
5 Détermination de la conductivité thermique d’un matériau poreux humide par
la méthode non stationnaire (méthode périodique)

Lors du mesurage de la conductivité thermique d’un matériau poreux dans lequel un transfert

d’humidité est susceptible de se produire, la non-uniformité de la répartition de la teneur en eau doit

être maintenue aussi faible que possible sous le gradient de température. Afin de réduire autant que

possible la non-uniformité, une méthode périodique est adoptée en tant que méthode transitoire

de mesurage de la conductivité thermique (voir l’exemple dans l’Annexe C). Dans la mesure où des

gradients de température négatifs et positifs sont générés à tour de rôle dans cette méthode, on peut

s’attendre à ce que la répartition de la teneur en eau (moyennée dans le temps) reste uniforme.

En mesurant les températures en deux points dans l’échantillon (en général, un de ces points se situe à

la surface de l’échantillon), la diffusivité thermique (mais pas la conductivité) peut être déterminée sur

la base du rapport d’amplitude ou de la différence de phase de ces deux températures. Si un mouvement

d’humidité se produit, une méthode similaire peut être utilisée pour déterminer la diffusivité thermique

si la fluctuation de température cyclique d’entrée est maintenue à un niveau suffisamment bas pour que

la variation des propriétés de transmission soit également faible et qu’elle permette de considérer que

le système est linéaire (voir Annexe B).
6 Mesurage par la méthode périodique
6.1 Mode opératoire d’essai

Une représentation schématique de l’appareillage utilisé pour la méthode périodique est donnée à

la Figure 1. L’ensemble du système est installé dans une enceinte climatique dont la température est

maintenue égale à la température moyenne de l’échantillon mesuré. L’échantillon est préconditionné à

une certaine teneur en eau, puis toute la surface est rendue imperméable au déplacement de l’humidité.

L’échantillon est soumis à une variation de température périodique et les températures en (au moins)

deux points dans l’échantillon sont mesurées par des thermocouples.
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ISO 16957:2016(F)

Figure 1 — Représentation schématique du montage utilisé pour le mesurage de la diffusivité

thermique
6.2 Appareillage de mesure
6.2.1 Conception globale

Une représentation schématique détaillée de l’appareillage de mesure est donnée à la Figure 2. Le

réfrigérant, maintenu à une basse température constante, circule dans un bain réfrigérant métallique

[200 mm (longueur) × 200 mm (largeur) × 50mm (hauteur)] pour éviter une augmentation de la

température due au réchauffeur. Un réchauffeur, une couche d’amortissement et un échantillon

sont placés sur le bain réfrigérant dans cet ordre, et une autre couche d’amortissement est placée

sur l’échantillon pour réduire l’influence des fluctuations de température de l’enceinte climatique

entourant l’appareillage de mesure. Un courant électrique sinusoïdal ou progressif est généré dans le

réchauffeur. L’onde progressive devient presque sinusoïdale à mesure que le courant s’écoule à travers

les couches d’amortissement avant d’atteindre la surface de l’échantillon. Les thermocouples sont

insérés dans l’échantillon et reliés aux enregistreurs. La valeur de sortie fournie par les thermocouples

est enregistrée à la fois dans un enregistreur analogique et un enregistreur numérique. L’enregistreur

numérique est utilisé pour un enregistrement à long terme des températures en des points multiples,

alors que l’enregistreur analogique est utilisé pour enregistrer l’onde thermique lors d’un mesurage de

courte durée.
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ISO 16957:2016(F)
Dimensions en millimètres
Légende
1 matériau isolant thermique 6 plaques de cuivre
2 éprouvette 7 bain réfrigérant
3 thermocouple 8 entrée du réfrigérant
4 couche de caoutchouc 9 sortie du réfrigérant
5 réchauffeur
Figure 2 — Vue en coupe verticale de l’appareillage
6.2.2 Générateur de l’onde électrique sinusoïdale ou progressive

Une onde électrique sinusoïdale est produite par un générateur d’ondes arbitraires, puis transmise

au réchauffeur. Si un tel appareillage n’est pas disponible, une onde électrique progressive cyclique

est générée puis transmise au réchauffeur par commutation (marche/arrêt) d’un courant électrique

constant à l’aide d’un relais. Une commutation (marche/arrêt) cyclique du relais peut être réalisée à

l’aide de deux temporisateurs.
6.2.3 Réchauffeur

La surface inférieure de l’échantillon est chauffée de façon uniforme (avec une variation cyclique) par

un réchauffeur. Le bain réfrigérant situé sous l’échantillon sert à réduire toute augmentation de la

température moyenne de l’échantillon due au chauffage et à maintenir la température moyenne requise.

6.2.4 Éprouvette

Il convient que la taille de l’échantillon soit conforme à l’exigence énoncée dans l’ISO 10456 pour

le mesurage de la conductivité thermique, c’est-à-dire 150 mm × 150 mm. Toutefois, il convient que

l’échantillon soit suffisamment épais pour que l’amplitude de la variation de la température arrivant au

niveau de la surface supérieure de l’échantillon devienne presque égale à 0. Il convient que les surfaces

(limites) de l’échantillon soient rendues imperméables à l’humidité par une barrière à eau adaptée et

adiabatiques par un matériau isolant thermique.
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ISO 16957:2016(F)
6.3 Préparation et préconditionnement de l’éprouvette

6.3.1 Teneur en humidité uniforme initiale et surfaces (limites) adiabatiques et imperméables

Avant le mesurage, une quantité prédéfinie d’eau est ajoutée à l’échantillon afin d’obtenir la teneur en

humidité moyenne requise. L’échantillon est placé dans une enceinte climatique à une température

constante et maintenue dans cette enceinte pendant une durée suffisamment longue pour produire une

répartition uniforme de la teneur en humidité dans l’échantillon.
6.3.2 Insertion et position des thermocouples

Plusieurs thermocouples sont insérés dans l’échantillon par ses surfaces latérales. Il est nécessaire

d’insérer au moins deux thermocouples sur les surfaces inférieures et supérieures et un thermocouple à

une certaine profondeur dans la direction verticale. En outre, il convient de mesurer la répartition de la

température sur les surfaces inférieures et supérieures afin de vérifier son uniformité.

Les positions exactes des thermocouples sont choisies en se fondant, par exemple, sur la répartition

linéaire de la température dans des conditions stationnaires lorsque l’échantillon est sec avec une

différence de température entre les surfaces supérieures et inférieures.
6.4 Détermination de la diffusivité thermique à partir des températures mesurées
(voir Annexe B)
6.4.1 Solution pour un flux de chaleur sans humidité

Lorsqu’un échantillon est sec et que, par conséquent, les propriétés thermiques sont constantes, la

température à l’instant t et à la position x sous une onde de température de surface sinusoïdale (à x = 0)

est donnée dans la Formule (1):
   
ω ω
Tt,xI=−exps xt×−inω xT + (1)
0 m
   
22a a
   
T est la température moyenne (constante);
a est la diffusivité thermique du matériau d’échantillon;
I est l’amplitude de la variation de température de surface;
ω est la vitesse angulaire de la température d’entrée.

En utilisant cette solution, la diffusivité thermique, a, par exemple, est donnée par la Formule (2) et la

Figure 3:
 
1 ω
ax= − x (2)
 ()
ϕ  
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x et x sont deux points quelconques dans le matériau (en général, l’un de ces points est situé

1 2
sur la surface);
φ est la différence de phase entre les températures aux points x et x .
0 1 2
Figure 3 — Ondes de température en deux points
(rapport d’amplitude et différence de phase, φ)
6.4.2 Solution pour un flux de chaleur avec humidité
   
1 1

Dans la mesure où, en règle générale, α ≅ est supérieur à α ≅ , la Formule (B.11) devient

   
2 1
   
A C
   
approximativement
   
ω ω
Tt,x =−ααexps xt×−inωα x (3)
11 11
   
B 22
   

en raison de la décroissance exponentielle rapide du second terme. Dans la Formule (3), α , B, E et E

1 1
sont donnés par les Formules (B.12) et (B.13).

En se basant sur cette solution, la diffusivité thermique apparente, 1/α , en présence d’humidité, peut

être telle que donnée dans la Formule (4):
 
  2
1 BD 1 ω
≅+C 1 = xx− (4)
  ()
 
 
22 2
αϕ C   
φ est la différence de phase entre les températures aux points x et x .
1 2

6.5 Estimation de l’incertitude de mesure due au déplacement de l’humidité (vapeur)

L’incertitude associée à la diffusivité thermique calculée à l’aide de différence de phase par rapport à

celle de la Formule (2) est
11 BD
−=1 =−1 (5)
2 22
ϕα C

où une approximation, la Formule (B.17), a été utilisée. Comme prévu, la Formule (5) représente

 
∂ ∂θ
l’influence du terme R D .
 
∂x ∂x
 
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La solution de perturbation, T , peut être utilisée pour déterminer l’amplitude de la variation de

la température d’entrée, car cette température exprime l’influence de la variation non linéaire des

propriétés hygrothermiques, c’est-à-dire le degré de répartition non uniforme de la teneur en humidité.

6.6 Conductivité thermique

La conductivité thermique peut être obtenue en multipliant la capacité thermique et la masse volumique

du matériau par la diffusivité thermique obtenue. Ce produit, ainsi que sa variation due à la teneur en

humidité, peuvent être trouvés dans les références.
7 Rapport d’essai
Le rapport d’essai doit comprendre les informations suivantes:
a) une référence à la présente Norme internationale, à savoir l’ISO 16957;
b) identification du produit;
— nom du produit, usine, fabricant ou fournisseur;
— type de produit;
— numéro de code de production;
— forme sous laquelle le produit est arrivé au laboratoire;

— autres informations si nécessaire, par exemple épaisseur, masse volumique sèche;

c) appareillage de mesure;
— dispositif (unité) de chauffage cyclique et unité de refroidissement;
— mesurage de la température (emplacements et intervalle de temps);
— isolation de l’échantillon;
d) préparation de l’éprouvette (échantillon);
— isolation des parties latérales de l’échantillon;

— méthode utilisée pour s’assurer qu’aucune humidité ne traverse les surfaces de l’échantillon;

— préconditionnement de l’échantillon (température et teneur en humidité);

— mesurage de la température à l’intérieur de l’échantillon (méthode, emplacements et intervalle

de temps);
e) mode opératoire d’essai;
— date du début de l’essai et durée de l’essai;
— méthode d’échantillonnage;
— apport de chaleur (température moyenne, amplitude, etc.);
— teneur en humidité de l’échantillon;
— tout élément susceptible d’avoir influé sur les résultats;
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f) résultats;

— tableau des valeurs mesurées (moyenne et amplitude des températures en deux profondeurs

par rapport à la surface de l’échantillon, différence de phase entre les températures en deux

...

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