Vhodným výberom aj aplikáciou tepelnej izolácie ovplyvníme významným spôsobom výslednú kvalitu celého objektu. Dnes pritom pre každý účel existuje viac riešení, z ktorých vám pomôžeme si vybrať.
Stručný základný prehľad
Medzi najstaršie tepelné izolácie patria prírodné materiály, teda seno, lišajníky či slama. Špecifickou, ale účinnou tepelnou izoláciou bola aj vrstva snehu na strechách. Zastavme sa ale u tých, ktoré umelo vytvára človek. V polovici 60. rokov minulého storočia sa začali vo väčšej miere objavovať penové plasty, ktoré sa uplatnili predovšetkým v izoláciách spodných častí budov, dnes však patria aj medzi najpoužívanejšie tepelné izolácie.
Hlavnou úlohou tepelných izolácií je zabrániť prechodu tepla stenami, podlahami, stropmi či strechami. Majú nielen udržať teplo v dome, ale tiež zabrániť prehrievaniu interiéru v letnom období. Tepelné izolácie môžu niekedy fungovať aj ako akustické.
Materiálovo možno tepelné izolácie rozdeliť na penové materiály, minerálne vláknité a rastlinné materiály. Všetky sa vyznačujú veľmi nízkym súčiniteľom tepelnej vodivosti. Iným typom sú fóliové reflexné tepelné izolácie, ktoré fungujú na princípe prerušenia sálavého toku tepla vo vzduchovej medzere, ktorú ohraničujú svojou plochou.
Penové materiály
Medzi penové tepelnoizolačné materiály patria polymérne peny - polystyrény, polyuretány, PVC, PE, kaučuk, ďalej penové sklo či živica. Asi najbežnejším materiálom je expandovaný (penový) polystyrén (EPS).
Penový polystyrén, EPS
Ide o produkt polymerizácie styrénu, ktorý je následne speňovaný a narezaný do blokov. Nevyhnutné je pridanie retardérov horenia pre zaistenie samozhášavosti materiálu. Súčiniteľ tepelnej vodivosti expandovaného polystyrénu sa pre typ EPS 100 pohybuje od λ = 0,037 W/(m•K) vyššie. Číslo "100" reprezentuje pevnosť v tlaku v kPa. EPS sa vyrába v hodnotách pevnosťou 50 až 250 kPa. Pri aplikácii sa dosky EPS kotvia lepením v kombinácii s kotvením hmoždinkami. Penový polystyrén je možné aplikovať aj ako kročajovú izoláciu, nemožno ho však dlhodobo vystaviť vlhku. Medzi jeho hlavné výhody patrí predovšetkým nízka cena.
Zatiaľ najnovším typom EPS je šedý polystyrén, ktorý uzrel svetlo sveta ako Neopor®. Ďalšie značky rovnakého materiálu sú NeoFloor, GreyWall alebo Lambdapor®. Ide o novú generáciu EPS, ktorá sa od bežného EPS líši šedým vzhľadom, ale predovšetkým lepšími tepelnoizolačnými vlastnosťami. Šedý penový polystyrén s objemovou hmotnosťou 15 kg / m3 má súčiniteľ tepelnej vodivosti 0,032 W/(m•K). Táto výborná vlastnosť bola dosiahnutá prídavkom uhlíkových nanočastíc do polystyrénu pred vypenením, ktoré spôsobujú šedé zafarbenie. Hlavne ale obmedzili prechod tepla sálaním, ktorý sa deje v riedkej tuhej pene, čo viedlo k lepšej hodnote súčiniteľa tepelnej vodivosti. Pri rovnakej hrúbke má teda šedý EPS až o 15-20% lepší izolačný účinok, než biely. Iný príklad: aby sme tohto izolačného účinku dosiahli u klasického EPS, jeho objemová hmotnosť by musela byť aspoň 32 kg/m3.
Extrudovaný polystyrén
Tento druh polystyrénu, označený tiež XPS, je dodávaný najčastejšie vo forme dosiek s polodrážkou alebo hranou, využívaný je najmä pre izoláciu sokla, ďalej pri izolovaní základových dosiek alebo v skladbe striech s obráteným poradím vrstiev. Najznámejšie obchodné názvy tohto materiálu sú Styrodur, Styrofoam alebo Fibran ECO a iné. Materiál má uzavreté póry, je preto nenasiakavý a možno ho použiť vo vlhkom prostredí, kde pôsobí ako tepelná izolácia a tiež ako účinná súčasť hydroizolácie. Je veľmi pevný, na druhej strane je potrebné ho ochrániť pred UV žiarením. Dôležitou súčasťou sú aj v tomto prípade spomaľovače horenia.
Poznamenajme ešte, že v článku Nasiakavosť penových materiálov z 12/01/2019 autor opisuje, ako po mnohých rokoch prevádzky v tzv. obrátenej streche vykazovala izolácia XPS taký stupeň nasiaknutia, že dvaja montéri sotva zdvihli jedinú dosku".
Penový polyuretán PUR a polyizokyanurát PIR
Najznámejší je takzvaný molitan, ale v stavebníctve sa používa skôr tvrdá polyuretánová pena s názvom PUR, isto aj polyizokyanurátová pena PIR. Jedná sa o veľmi účinnú tepelnú izoláciu so súčiniteľom tepelnej vodivosti na úrovni až λ = 0,023 W /(m•K). To je vynikajúca hodnota, za ktorou stojí podstatné obmedzenie sálavej, teda infračervenej zložky šírenia tepla penou, veľmi jemná štruktúra pórov a vysoká hustota prechodových rozhraní medzi tuhou fázou PUR / PIR a vzduchom, cez ktoré sa deje difúzny (tzn. nesálavý) prechod tepla. Materiál v konkrétnych aplikáciách býva vybavený Al-fóliou (napr. produkt firmy BACHL, Linzmeier alebo Bramac). Peny PUR a PIR je potrebné chrániť pred UV žiarením.
Polyuretánové dosky sa v súčasnosti kvôli nízkemu súčiniteľu tepelnej vodivosti používajú tiež na izolovanie obvodových múrov. Podobne ako pri polystyréne, existujú aj tu ucelené PUR zatepľovacie systémy zahŕňajúce aj súvisiace komponenty (omietky, tmely, tkaniny, kotvy).
Penové sklo
Zaujímavé možnosti ponúka penové sklo známe ako FOAMGLAS. Vyrába sa zo špeciálneho hlinitosilikátového skla, rozomletého na prášok a zmiešaného s veľmi jemným uhlíkovým prachom. Zmes je v oceľových formách v tunelovej peci zohriata na cca 1000 ° C. Pri tomto procese je sklo roztavené, súčasne dochádza k oxidácii uhlíka na plyn CO2, ktorý následne vytvorí z taveniny penu a zvýši jej objem. Konečný rozmer sa ustáli až po schladení na obvyklú teplotu okolo 20 ° C. Nový materiál obsahuje drobné uzavreté bublinky, vďaka tejto štruktúre je hmota úplne nehorľavá a parotesná. FOAMGLAS sa využíva predovšetkým v energeticky úsporných či pasívnych domoch pre izoláciu spodnej stavby a pre prerušenie tepelného mostu, napríklad pri päte nosných stien. Ďalšou aplikáciou sú izolácie podláh alebo pojazdných a pochôdznych striech s veľmi vysokým tlakovým namáhaním v priemyselných prevádzkach, občianskych stavbách, obchodných domoch ap. Súčiniteľ tepelnej vodivosti penového skla je 0,04 až 0,048 W/(m•K).
Reflexná tepelná izolácia
Táto izolácia pracuje s tepelným žiarením, ktoré sa šíri priestorom a obmedzene aj riedkou hmotou. Sálavá zložka napr. prispieva k tepelnej vodivosti penového polystyrénu, minerálnej vlny, aerogélovej výplne vákuových izolácií ap. Reflexná tepelná izolácia je účinná alebo nezastupiteľná, ak chceme od seba tepelne oddeliť napr. konštrukciu strechy a podkrovia, chladnú a vykurovanú miestnosť, všeobecne potom chladnú a teplú stranu vzduchových medzier. Princíp fungovania býva aj pre odborníkov záhadou, matematický popis správania tejto izolácie je relatívne jednoduchý.
Príklad: Keď slnko ohreje strešnú krytinu na 70 °C, bude poistná hydroizolácia ohriata na 30 °C sáláním absorbovať energiu v intenzite 307 W/m2. Predstavme si teraz, že spodnú plochu krytiny natrieme farbou (= striebrenkou), ktorá zníži emisivitu spodnej plochy krytiny z pôvodnej hodnoty ε = 1 na desatinu, tzn. na úroveň ε = 0,1. Na poistnú izoláciu bude potom krytiny sálať len s intenzitou 30,7 W/m2. Sálavá zložka rastie/klesá jednak s teplotou povrchov, tak aj s rozdielom ich teplôt.
Vákuová izolácia
Princíp tejto izolácie je zdanlivo jednoduchý. Vo väčšine tepelných izolácií sa na celkovom prechode tepla totiž významne podieľa vzduch. Samotný materiál, tzn. tuhá časť peny alebo minerálne či rastlinné vlákna, sú dobrou tepelnou izoláciou, ale v kombinácii so vzduchom, ktorý zaujíma väčšinu objemu izolácie, sú hodnoty vodivosti nakoniec blízke vzduchu - približne 0,03 W /(m•K). Lepšie hodnoty je možné dosiahnuť, keď z izolačného materiálu odčerpáme vzduch, čím je potlačený dominantný vplyv tepelnej vodivosti plynu. Výrobcovia docieľujú až 99.999999% vákua a tým tepelného odporu 250 m2K/W pre ľubovoľnú hrúbku. Panel vákuovej izolácie možno zjednodušene pripodobniť k vrecku mletej vákuovanej kávy.
Vákuové izolačné panely (označované skratkou VIP) však obsahujú ako výplň tuhú sieťovú štruktúru zloženú z klastrov (zhlukov) častíc oxidu kremičitého (SiO2) nanometrických rozmerov. Táto priestorová, veľmi jemná sieť je známa pod názvom aerogel. Ďalšou dôležitou súčasťou VIP je vzduchotesný a mechanicky tuhý obal s vysokou termoreflexiou (a takmer nulovou emisivitou). Ten umožní úplné a trvalé odčerpanie vzduchu z výplne SiO2, ďalej trvalé, takmer úplné odtienenie sálavej zložky zdieľania tepla a konečne aj bezporuchovú manipuláciu s panelmi pri výstavbe. Panely VIP sa vyrábajú v rozmeroch stavebných izolačných dosiek, ich hrúbka je malá, od 2 do 8 cm. Dosahujú súčiniteľa tepelnej vodivosti od λ = 0,004 W/(m.K), čo je desatina návrhovej hodnoty bežných izolácií.
Vysoko a jemne porézna a zároveň tuhá výplň panelov VIP, známa aj pod názvom aerogel (alebo tiež stuhnutý dym) prešla sústredeným vývojom. Presadila sa hmota nazývaná pyrogénna kyselina kremičitá, čo je veľmi jemne dispergovaný oxid kremičitý, ktorý vzniká plamennou hydrolýzou tetrachlorsilanu pri vysokých teplotách do 1500 ° C. Hmota má veľmi jemnú mikroštruktúru pripomínajúcu priestorovú sieť s okami v strednej veľkosti asi 70 nm (nanometrov).
Výhoda tejto štruktúry vyplynie, keď si uvedomíme, že stredná voľná dráha molekúl vzduchu (medzi dvoma zrážkami) je pri atmosférickom tlaku tiež okolo 70 nm. Vedenie tepla vo vzduchu sa totiž deje hlavne vzájomnými zrážkami molekúl vzduchu, pri ktorej si tieto vymieňajú energiu (presnejšie kvantá vibračnej energie – fonóny) a tým - ako súčasť veľkého štatistického súboru všetkých molekúl vzduchu - vedú teplo. Lenže veľká časť z nich zostane izolovaná v bunkách nanoporéznej siete SiO2 a s voľnými si môže vymieňať energiu len s malou štatistickou pravdepodobnosťou.
Aerogelové izolácie - výzva budúcnosti
To sa makroskopicky prejaví v zníženej tepelnej vodivosti aj pri normálnom tlaku. Konkrétne nanoporézna sieť SiO2, alebo aerogel aplikovaný ako nevakuovaná, tzn. bežná vzdušná izolácia, dosahuje hodnôt λ až 0,016 W/(mK), u uhlíkatých aerogelov len na 0,012 W/(mK)! To je veľká výzva aj pre technológiu vzdušných izolácií.
Pri nižšom tlaku klesne hustota molekúl vzduchu, početnosť zrážok a naopak vzrastie stredná voľná dráha vysoko nad 70 nm. To samo o sebe zníži vodivosť výplne. Avšak molekuly, ktoré za nízkeho tlaku uviaznu v bunkách nanoporéznej siete s rozmermi pórov 70 nm, majú štatisticky minimálnu pravdepodobnosť zrážky s inou molekulou. Tým ešte viac klesne tepelná vodivosť výplne a síce až na úroveň λ = 0,004 W/(mK). To je základom extrémne nízkej vodivosti vákuových izolácií.
Tento model bol zdokonalený ešte tým, že do nanometrickej siete pyrogénnej kyseliny kremičitej boli pridané absorbéry tepelného žiarenia, podobne ako v prípade Neoporu®, ktorý sme spomenuli vyššie. Popri potlačení vedenia tepla vzduchom tým bola navyše eliminovaná aj zložka šírenia tepla sálaním. Sálavú zložku významne eliminuje tiež tepelnoreflexný hliníkový plášť.
Výrobcovia vákuovej izolácie venujú vysokú pozornosť tiež obalu vákuových izolácií. Ten musí byť dostatočne pevný a zároveň nepriedušný. Ako najvhodnejší sa ukázal plast (napr. PE, PUR), ktorý rieši pevnosť a tuhosť, pokovaný 30 mikrometrov hrubou vrstvou hliníka, ktorá zaručí vysokú a trvalú nepriedušnosť. Hliník navyše odráža tepelné žiarenie a tým pôsobí aj ako aktívny prvok tepelnej izolácie vákuových izolačných panelov. To je dôležité najmä u výplne z nanometrických častíc, pretože tepelné žiarenie s typickou dĺžkou vlny nad 10 mikrometrov s takto jemnou sieťou (s vláknami pod 1 mikrometer) takmer neinteraguje a voľne ňou prechádza. (Elektromagnetické vlny sa odrážajú a rozptyľujú na časticiach väčších, ako je dĺžka vlny). Okrem vnútornej strany výrobcovia vybavujú povrchovým pokovaním aj vonkajšiu stranu vákuových izolácií.
Práca s touto izoláciou, vrátane navrhovania, má odlišné pravidlá. Najvýznamnejšie a tiež nezvyklé je, že tepelný odpor tejto izolácie takmer nezávisí na jej hrúbke. To jednoznačne svedčí o tom, že v izolácii bola potlačená tepelná vodivosť daná štatistickým pohybom a vibráciami hmotných častíc, tj. molekúl plynov alebo atómov v kryštálových mrežiach alebo molekulárnych reťazcoch a dominuje prechod tepla sálaním. Aj ten je ale vďaka hliníkom pokovanom obale aerogelovej izolácie silne obmedzený. Inými slovami, aj keď je materiál priezračný pre tepelné žiarenie, reflexné okraje dosky toto žiarenie odrážajú späť do aerogelovej izolácie, bez energie žiarenia unikala do okolia izolácie. Tok tepla skrz izoláciu možno tak jednoducho opísať ako zdieľanie sálavého tepla medzi rovnobežnými doskami s veľmi vysokou reflexiou (= nízkou emisivitou); energia tepelného žiarenia neuniká von (presnejšie: len veľmi málo) a relatívne obrovský tepelný odpor tejto izolácie nezávisí od vzdialenosti dosiek, tzn. na hrúbke izolácie.
Súčiniteľ tepelnej vodivosti najlepších vákuových panelov dosahuje hodnoty λ = 0,004 až λ = 0,005 W/(m.K). Odporúča sa uvažovať s vyššou hodnotou s ohľadom na starnutie materiálu, teda λ = 0,008 W/(m.K).
Kvôli veľmi vysokej cene, si zatiaľ u nás vákuové panely nachádzajú uplatnenie (oproti zahraničiu), predovšetkým pri riešení komplikovaných konštrukčných detailov a to v súvislosti s odstraňovaním tepelných mostov pomocou izolácie malej hrúbky.
Výrobu tohto materiálu najviac rozvinula nemecká firma Wacker Chemie, najväčší súčasní výrobcovia sú va-Q-tec AG, Porextherm Dämmstoffe GmbH, VARIOTEC GmbH & Co. KG, Vaku-Isotherm GmbH, Microtherm a ďalší.
Nerasty zdrojom
Minerálna vlna
Pomer ceny, vlastností a výsledného efektu radí minerálnu vlnu medzi najpoužívanejšie tepelné izolácie. Vyrába sa tavením hornín, najčastejšie ide o čadič alebo kremeň, podľa východiskových surovín sa potom jedná o kamennú či sklenú vlnu. Kamenná vlna vzniká tavením čadiča, do jemných vlákien sú vstrekované spojivá, hydrofobizačné oleje, protiplesňové prísady a podobne. Po tepelnom vytvrdnutí a ochladení je materiál narezaný na potrebné rozmery, dodáva sa v roliach alebo doskách.
Vďaka čadiču má kamenná vlna vysoký bod topenia, odoláva preto ohňu. Nemala by však byť dlhodobo vystavovaná vlhku. Podobne je vyrábaná aj sklená vlna, vďaka príbuznosti východiskového materiálu má tiež podobné vlastnosti, ako vlna kamenná. Významnou prednosťou minerálnych tepelných izolácií je aj nízky difúzny odpor a tým vysoká paropriepustnosť, dom môže dýchať, čo konkrétne znamená, že sa prípadná skondenzovaná vlhkosť v obvodovej stene môže odparovať von. Vďaka tejto vlastnosti sa minerálna vlna často úspešne používa v difúzne otvorených konštrukciách alebo u dvojplášťových striech. Súčiniteľ tepelnej vodivosti tohto materiálu je od 0,035 W/(m.K).
Prírodná cesta
Konope
Konope patrí medzi veľmi využívané technické rastliny. Jeho najväčšou prednosťou je rýchla obnoviteľnosť - rastie oveľa rýchlejšie, než drevo, navyše nevyžaduje žiadnu veľkú starostlivosť ani ošetrovanie chemickými látkami. Pri raste odbúrava CO2, pôda ostáva po jeho zbere kvalitná. Z vlákien tejto rastliny sú vyrábané konštrukčné dosky aj tepelno-izolačné materiály vo forme dosiek či rúna. Pre izoláciu ťažko prístupných alebo nepravidelných miest je používaná konopná fúkaná sypká izolácia. Vďaka porovnateľným vlastnostiam (λ ≈ 0,04 W/(m.K)) môžu konopné materiály nahradiť minerálnu vlnu. Uchovávajú si dlhodobo svoje vlastnosti, sú pevné, odolné proti vlhkosti, nehrozí ani napadnutia škodcami či hnilobou. Zaručujú zdravé mikroklímu, a teda príjemné bývanie. Obdobné vlastnosti, ale zatiaľ menšie rozšírenie, majú izolačné materiály z drevitých vlákien a technického ľanu. Všetky tieto výrobky možno považovať za čisto ekologické, pretože pri ich výrobe nie sú používané žiadne lepidlá. Majú vysokú tepelnú kapacitu (c = 2100 J/(kg•K)), vďaka ktorej sa v horúcich letných mesiacoch neprehrievajú, účinkujú súčasne ako tepelno-akumulačný materiál, sú paropriepustné, v konštrukcii navyše fungujú ako sací papier – vlhkosť pohltia a rozšíria bez toho, aby boli mokré.
Celulóza
Celulózové tepelno-izolačné materiály sa vyrábajú z recyklovaného novinového papiera, základnou surovinou je teda v prvopočiatku drevo. Roztrhaný novinový papier je zmiešaný s prísadami, spravidla boritanmi, ktoré zaisťujú jeho odolnosť proti škodcom, plesniam, hnilobe a ohňu. Potom je zmes rozomletá. V predajnej sieti je ponúkaná pod obchodnými názvami CLIMATIZER či ISOCELL, v zahraničí častejšie ako Isofloc alebo Thermofloc, apod. Izolácia je aplikovaná fúkaním, možno ňou vyplniť akékoľvek, aj ťažko dostupné dutiny.
Pri použití tohto materiálu je potrebné počítať s takzvaným "sadaním", pri aplikácii je preto potrebné hmotu zhutniť a to predovšetkým v šikmých alebo zvislých častiach stavby. Celulózová izolácia sa rovnako ako ostatné prírodné materiály správa v konštrukcii ako pijavý papier, to znamená, že na seba naviaže vlhkosť z muriva a rovnomerne ju odovzdá ďalej. Tento typ izolácie je zatiaľ viac využívaný v zahraničí a to predovšetkým v drevostavbách a všeobecne v pasívnych domoch. Súčiniteľ tepelnej vodivosti je približne 0,039 W/(m.K).
Slama
Slama je jeden z najobvyklejších stavebných aj tepelno-izolačných materiálov našich predkov a jej obľuba v súčasnosti opäť rastie. A k slovu prichádza znovu vo všetkých oblastiach - ako súčasť murovacích materiálov - nepálených tehál, prípadne hlinených omietok, ako strešná krytina, tepelná izolácia, prípadne aj súčasť nábytku. V konkrétnej stavbe môže byť slama použitá ako nosný konštrukčný materiál alebo ako doplnenie nosného systému. Prekvapivo má slamená izolácia v spojení s hlinenou omietkou vysokú požiarnu odolnosť, môže to byť až 90 minút, vyhovuje preto všetkým typom konštrukcií. Podstatnou nevýhodou je však nízka odolnosť proti vlhkosti, slamenú izoláciu je preto potrebné pred ňou dobre chrániť, napríklad omietkou či obkladom. Súčiniteľ tepelnej vodivosti slamených izolácií je približne 0,1 W/(m.K).
