Medzi najstaršie tepelné izolácie patria prírodné materiály, napríklad seno, slama, srsť zvierat a podobne. Až neskôr sa objavili tepelné izolácie na umelej a priemyslovej báze, hlavne penové plasty alebo vláknité izolácie. Táto časť sa venuje penovým izoláciám, ktoré sú najviac rozšírené. Transport tepla tepelnými izoláciami – od teplého okraja izolácie k chladnému sa deje buď:
- difúziou,
- prúdením vzduchu,
- 3. sálaním tepla .
Cieľom tepelných izolácií je tieto príspevky znížiť, ideálne až na nulu. U penových a vláknitých izolácií, ktorých podstatnú časť objemu tvorí vzduch, je možno priblížiť sa tepelnej vodivosti vzduchu λ = 0,025 W/(mK). Výnimku predstavujú peny PUR, PIR a fenolové peny, pri ktorých výrobcovia udávajú λ až 0,020 W/(mK). V prípade izolácií z tzv. aerogelov sa uvádza až λ = 0,016 W/(mK).
Iný typ tepelných izolácií je založený na riadení sálavých tokov vo vzduchových medzerách. Vžil sa pre nich názov reflexná tepelná izolácia. Tie dokážu vo vzduchovej medzere priviesť prestup tepla sálaním a prúdením takmer k nule, ale pri bežných izolačných hrúbkach do cca 30 cm prakticky neovplyvňujú transport tepla vedením. To dokáže až špeciálny typ reflexných izolácií, tzv. vákuových, v ktorých nie je vzduch.
V tejto časti sa zameriame na penové tepelné izolácie a popis tepelnotechnických stavebných veličín, ktoré sa pri výpočtoch tepelných izolácií používajú.
V druhej, májovej časti tohto dvojdielneho príspevku, sa zameriame na vláknité izolácie a ďalej reflexné, vákuové a ďalšie špeciálne tepelné izolácie. Zároveň s tým si priblížime hlavné zákonitosti tepelného sálania a princípy difúzie vodnej pary v tepelných izoláciách.
Veličiny tepelných izolácií
Účinnosť tepelných izolácií meriame pomocou súčiniteľa tepelnej vodivostiλ (lambda) alebo pomocou tepelného odporu R . Zatiaľ čo súčiniteľ tepelnej vodivosti je materiálová (bodová) vlastnosť, tak tepelný odpor je vlastnosť konštrukčná, vzťahujúca sa ku konkrétnej hrúbke izolácie alebo k celej stene zloženej napr. z muriva a tepelnej izolácie. Ak chceme spočítať tepelný odpor obvodovej konštrukcie, musíme poznať hrúbky d jednotlivých vrstiev a ich súčinitele tepelnej vodivosti λ. Napríklad tehlová stena hrúbky d1 = 0,3 m pri súčiniteli tepelnej vodivosti λ1 = 0,7 W/(mK), ktorú zateplíme tepelnou izoláciou hrúbky d2 = 0,2 m o súčiniteli tepelnej vodivosti λ2 = 0,04 W/(mK), bude mať tepelný odpor R:
Vo vzorci sú uvedené len dve vrstvy. To nám však nebráni pripísať ďalšie vrstvy, napr. hrúbkovo tenšiu vrstvu vnútornej tepelnej izolácie, ktorá v zime zvýši vnútornú povrchovú teplotu a výrazne urýchli jej nábeh na ustálenú úroveň. Múr s tepelným odporom R potom podľa normy ČSN EN ISO 6946 bude mať tento súčiniteľ prestupu tepla:
V prípade reflexných izolácií vytvárame tepelnoizolačné konštrukcie, ktoré sú zložené zo vzduchových medzier, ohraničených reflexnými povrchmi, filmami alebo fóliami. Tieto tepelnoizolačné konštrukcie sú väčšinou zhotovené z vonkajšej strany obvodovej steny domu, kde fungujú ako izolácia tepelného odporu RS ve (m2K)/W, ktorého veľkosť vyplýva z konkrétneho konštrukčného riešenia. Odpor RS sa potom pripočíta k tepelnému odporu zatepľovaného múru RZ, čím získame celkový tepelný odpor R a z neho potom súčiniteľ prestupu tepla U = 1/(0,13+R+0,04) v jednotkách W/(m2K).
Biely fasádny penový polystyrén
Základné vlastnosti
Súčiniteľ tepelnej vodivosti pri rôznych teplotách:
- λ = 0,0313 W/(mK) pri teplote –20 °C,
- λ = 0,0331 W/(mK) pri teplote –10 °C,
- λ = 0,0350 W/(mK) pri teploteě 0 °C,
- λ = 0,0370 W/(mK) pri teplote 10 °C,
- λ = 0,0391 W/(mK) pri teplote 20 °C,
- λ = 0,0435 W/(mK) pri teplote 40 °C.
Priemerný súčiniteľ lambda dosky EPS pri teplotnom spáde na izoláciu:
- λ = 0,0350 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a –20 °C,
- λ = 0,0370 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a 0 °C,
- λ = 0,0432 W/(mK) medzi teplotami 27 °C a 50 °C.
Ďalšie vlastnosti
- faktor difúzneho odporu μ = 25,
- objemová hmotnosť ρ = 15 kg/m3,
- trieda reakcie na oheň: E.
Popis
Objemová hmotnosť tejto izolácie je do 15 kg/m2, nemala by však klesnúť pod 12 kg/m2. Súčiniteľ tepelnej vodivosti výrobcovia udávajú na úrovni λ = 0,037 W/(mK) pri teplote okolo 10 °C. Štruktúra tejto tuhej peny je tvorená uzatvorenými bunkami vyplnenými vzduchom. Hmotu tejto peny tvorí asi z 2 % polystyrén a z 98 % vzduch.
Z hodnoty λ = 0,037 W/(mK), ktorá je meraná pri hraničných teplotách 0 °C a 20 °C, je možné odvodiť, že 68% podiel na celkovom prestupe tepla (so súčiniteľom λAIR = 0,0251 W/(mK)) má vedenie tepla vzduchom a zvyšok, tj. 32 %, pripadá na sálanie. Efektívna veľkosť buniek je potom 4,61 mm. Tým sa myslí, že rovnaké vlastnosti by mal EPS zložený z planparalelných vzduchových vrstiev v hrúbke 4,61 mm, oddelených rovnakými stenami, aké obklopujú bunky EPS.
Teplotná závislosť súčiniteľa tepelnej vodivosti a tepelného odporu
S teplotou rastie či už tepelná vodivosť vzduchu v izolácii, tak aj veľkosť sálavej zložky prestupu tepla. Rastie tým jej súhrnný súčiniteľ tepelnej vodivosti a klesá tepelný odpor celej izolačnej vrstvy. Pre fasádny penový polystyrén s deklarovaným súčiniteľom λ = 0,037 W/(mK), ktorý skúšobňa zmerala na vzorke pri okrajových teplotách 0 °C a 20 °C, to popisuje graf na obr. 1 a nasledujúca rovnica:
Ak poznáme súčiniteľa tepelnej vodivosti λ(t) pri rôznych teplotách t, dokážeme s jeho pomocou spočítať tepelný odpor izolačnej vrstvy, v ktorej sa mení teplota od chladného k studenému okraju. Popisuje to rovnica:
kde
Uvedené vzorce (1) a (2) je možné napr. vložiť do tabuľkového procesora typu Excel a pomocou konštánt λ0 = 0,0350 W/(mK), A = 1,945×10–4 W/(mK2) a B = 4,820×10–7 W/(mK3) potom pre akékoľvek reálne teploty t v rozmedzí <–30 °C; +100 °C> určiť súčiniteľ tepelnej vodivosti fasádneho polystyrénu λ pre danú teplotu t a tepelný odpor R vrstvy ľubovoľnej hrúbky nad cca 1 cm.
Vplyv objemovej hmotnosti
Podlahový penový polystyrén
Základné vlastnosti
Súčiniteľ tepelnej vodivosti pri rôznych teplotách
- λ = 0,0260 W/(mK) pri teplote –20 °C
- λ = 0,0272 W/(mK) pri teplote –10 °C
- λ = 0,0296 W/(mK) pri teplote 10 °C
- λ = 0,0309 W/(mK) pri teplote 20 °C
Priemerný súčiniteľ lambda dosky EPS pri teplotnom spáde na izoláciu:
- λ = 0,0284 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a –20 °C
- λ = 0,0290 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a –10 °C
- λ = 0,0296 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a 0 °C
Ďalšie vlastnosti
- faktor difúzneho odporu μ = 20 až 100,
- objemová hmotnosť ρ = 35 kg/m3,
- trieda reakcie na oheň: E.
Popis
Tento penový polystyrén má objemovú hmotnosť cca 35 kg/m3.Väčšia „objemovka” má za následok väčšiu tuhosť izolácie a tiež vyšší tepelnoizolačný účinok, obidve sú vyvolané zmenšením efektívnej veľkosti buniek. Pri objemovej hmotnosti 40 kg/m3 je efektívna veľkosť buniek len 1,73 mm. To vedie k zníženiu súčiniteľa tepelnej vodivosti na hodnotu λ = 0,0296 W/(mK).
Charakteristické čísla pre popis podlahového polystyrénu podľa vzorcov (1) až (3) sú:
- λ0 = 0,0283 W/(mK) je súčiniteľ tepelnej vodivosti na vzorke s okrajovými teplotami <<0 °C;+20 °C>,
- A = 1,215×10–4 W/(mK2) je konštanta,
- B = 1,814×10–7 W/(m3K) je konštanta.
Z týchto konštánt, dosadených do vzorcov (1) až (3) je možné pre akékoľvek reálne teploty v rozmedzí <–30 °C; +100 °C> určiť súčiniteľ tepelnej vodivosti šedého polystyrénu a tepelný odpor R vrstvy z tejto izolácie ľubovoľnej hrúbky nad cca 1 cm.
Šedý polystyrén s prímesou grafituu
Súčiniteľ tepelnej vodivosti pri rôznych teplotách:
- λ = 0,0277 W/(mK) pri teplote –20 °C
- λ = 0,0305 W/(mK) pri teplote 0 °C
- λ = 0,0335 W/(mK) pri teplote 20 °C
- λ = 0,0384 W/(mK) pri teplote 50 °C
Priemerný súčiniteľ lambda dosky EPS pri teplotnom spáde na izoláciu:
- λ = 0,0305 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a –20 °C
- λ = 0,0320 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a 0 °C
- λ = 0,0365 W/(mK) medzi teplotami 27 °C a 50 °C
Výsledkom grafitovej dotácie do koplenu (polystyrénových perlí), ktoré sa v horúcej pare vypenujú do podoby penového polystyrénu, je niekedy až výrazné zašednutie výslednej peny a hlavne zlepšenie jej tepelnoizolačnej účinnosti až na hodnotu λ = 0,032 W/(mK), oproti λ = 0,0370 W/(mK) v prípade bielej peny v rovnakej objemovej hmotnosti – cca 12 až 15 kg/m3. Toto zlepšenie bolo veľakrát potvrdené meraním.
Grafit, ktorý pohlcuje tepelné žiarenie v polystyrénovej pene, sťaží transport tepla sálaním, špeciálne skráti dráhu, ktorou každý vyžiarený lúč prejde, než je pohltený. Efektívna veľkosť buniek peny sa tak zníži na 2,67 mm a podiel vedenia (v neprospech sálania) tepla sa zvýši.
Praktickou prednosťou je, že na zateplenie môžeme použiť tenšie vrstvy, napr. namiesto 200 mm bieleho EPS len 175 mm šedého. Charakteristické čísla pre popis šedého polystyrénu podľa vzorcov (1) až (3) sú:
- λ0 = 0,0305 W/(mK) je súčiniteľ tepelnej vodivosti na vzorke s okrajovými teplotami <<0 °C;+20 °C>,
- A = 1,451×10–4 W/(mK3) je konštanta,
- B = 2,295×10–7 W/(mK3) je konštanta,
Z týchto konštánt, dosadených do vzorcov (1) až (3) je možné pre akékoľvek reálne teploty v rozmedzí <–30 °C; +100 °C> určiť súčiniteľ tepelnej vodivosti šedého polystyrénu a tepelný odpor R vrstvy z tejto izolácie ľubovoľnej hrúbky nad cca 1 cm.
Extrudovaný polystyrén
Súčiniteľ tepelnej vodivosti pri rôznych teplotách:
- λ = 0,0309 W/(mK) pri teplote –20 °C
- λ = 0,0327 W/(mK) pri teplote –10 °C
- λ = 0,0345 W/(mK) pri teplote 0 °C
- λ = 0,0365 W/(mK) pri teplote 10 °C
- λ = 0,0385 W/(mK) pri teplote 20 °C
Priemerný súčiniteľ lambda dosky EPS pri teplotnom spáde na izoláciu:
- λ =0,0346 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a –20 °C
- λ = 0,0355 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a –10 °C
- λ = 0,0365 W/(mK) medzi teplotami 20 °C a 0 °C
Tento typ izolácie je využívaný okrem iného aj na izoláciu sokla, ďalej pri izolovaní základových dosiek alebo v skladbe striech s obráteným poradím vrstiev. Najznámejšie obchodné názvy tohto materiálu sú Styrodur, Styrofoam, Synthos XPS ap. Materiál má uzatvorené póry, je preto nenasiakavý a je možné 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 chrániť pred UV žiarením. Dôležitou súčasťou aj v tomto prípade sú spomaľovače horenia.
Dosky XPS vykazujú tiež vyššiu tuhosť a pevnosť. V stavebnej tepelnej technike tuhosťou rozumieme tlak, ktorý vyvolá 10 % stlačenie tepelnoizolačných dosiek. Niekedy sa tejto tuhosti hovorí pevnosť, toto slovo ale súvisí s namáhaním, ktoré vyvolá deštrukciu dosky. Podstatné však je, že XPS s pevnosťou v tlaku 300 až 700 kPa sú preto používané v aplikáciách s tlakovým namáhaním, napr. pri riešení tepelnej izolácie spodnej stavby.
Čo sa týka tepelnoizolačnej účinnosti, aj tu záleží predovšetkým na hustote konkrétneho materiálu; s rastúcou hustotou súčiniteľ tepelnej vodivosti spočiatku klesá, avšak po dosiahnutí hustoty cca 40 kg/m3 a vyššie začne rýchlo rásť. V záhlaví tejto podkapitoly je XPS s efektívnou veľkosťou buniek 4,41 mm.
Peny PUR, PIR, resolové peny
Základné vlastnosti:
- λ = 0,022–0,075 W/mK pri teplote 10 °C – podľa konkrétneho zloženia kompozitu,
- ρ = 30–100 kg/m3 (objemová hmotnosť) –podľa konkrétneho zloženia kompozitu,
- μ = 30 až 100 (faktor difúzneho odporu) – podľa konkrétneho zloženia a objemovej hmotnosti, trieda reakcie na oheň C–E.
Známym predstaviteľom je molitan, mäkká polyuretánová pena, používaná v nábytkárstve. V stavebníctve sa používa skôr tvrdá pena s názvom PUR, novšie tiež polyizokyanurátová pena PIR. Pokiaľ ide o resolovú penu, pod týmto názvom sa myslí fenolformaldehydová polymérna pena (v nepenenej pevnej podobe známa ako bakelit). Tá vykazuje vôbec najlepšiu izolačnú schopnosť vzduchových penových izolácií, ktorú niektoré články deklarujú hodnotou λ = 0,020 W/(mK).
Uvedená hodnota je výrazne nižšia než lambda vzduchu 0,025 W/(mK). Funguje teda dej, ktorý brzdí difúziu tepla, tzn. normálne odovzdávanie kinetickej energie medzi molekulami vzduchu, prípadne aj medzi molekulami vzduchu a stenami peny. Pôvodcom tohto deja je miniatúrna veľkosť pórov peny a členitá mikroštruktúra ich povrchu. Molekuly vzduchu sú v týchto póroch do určitej miery „uvězněny”; ich stredná voľná dráha, rýchlosť a pohybová energia sú menšie, ako napríklad u veľkých pórov fasádneho EPS alebo vo voľnej atmosfére. Prenos tepla molekulami vzduchu vo fenolickej pene je tak oslabený, čo nevyrovná ani vyšší tok tepla hustou štruktúrou stien peny.
Použitie
Polyuretánová aj polyisokianurátová pena sa používa okrem liatia a striekania priamo na stavbe aj na výrobu doskových materiálov. Dosky je možné vyrábať spôsobom rezania z blokov vzniknutých voľným penením alebo vo formách.
Pokiaľ majú byť dosky pevne spojené s inými materiálmi (napríklad s hliníkovou fóliou, plechom, sklenou tkaninou) vyrábajú sa výhradne napenovaním do finálnej hrúbky. Suroviny na výrobu peny sa nalievajú medzi tenké materiály tvoriace budúci povrch dosiek. Prebehne chemická reakcia a priestor je vyplnený penou, zároveň dôjde k spojeniu peny s vloženými materiálmi.
Kompozity z PUR a PIR peny sa využívajú na izoláciu striech, podláh, stien, okenných ostení, poprípade sa vyrábajú ako hotové celostenové panely s hliníkovým plášťom (k montáži na priemyselné haly apod.). Používajú sa aj pre nadkrokevné systémy šikmých striech, kde sa využíva ich pevnosti pri zachovaní ich tepelnoizolačných charakteristík.
Materiál v konkrétnych aplikáciách býva vybavený hliníkovou fóliou. Peny PUR, PIR a tiež fenolové peny je potrebné chrániť pred UV žiarením.
Dodávatelia
Najväčšími dodávateľmi stavebných tepelných izolácií a tepelnoizolačných riešení pre Českú republiku sú spoločnosti Bachl, BASF, Baumit, Bramac, Cemex, Ciur, HPI, Isover Saint-Gobain, Kingspan, Knauf, Linzmeier, Pavatex, PROPASIV, PRVNÍ CHODSKÁ, Puren, Rockwool, Stavebniny DEK, URSA, Wienerberger, Xella a ďalšie.
