Izolacja cieplne dziś i jutro

Od jakości cieplnej obudowy zależy ilość ciepła jaka musi zostać wytworzona i dostarczona do pomieszczenia tak aby wytworzy i utrzyma w nim odpowiednie warunki eksploatacji. Mówiąc pro ciej im wyższa izolacyjno cieplna ciany, dachu, podłogi, okien i drzwi, tym mniej potrzebujemy energii do ogrzania. Izolacyjność cieplna okien i drzwi jest zagadnieniem technicznie skomplikowanym. Elementy te wykonywane są w wytwórniach a projektant nie ma wła ciwie wpływu na końcową jako wytworzonego elementu.

Inaczej jest w przypadku przegród budowlanych. To projektant dobiera każdy element przegrody od konstrukcji po izolacje cieplną. Przyjrzyjmy się zatem materiałom które stosujemy do izolacji cieplnej przegród budowlanych.

Materiały do izolacji cieplnej przegród budowlanych

Jeli zajrzymy do podstawowej literatury z tego zakresu, to przeczytamy następującą definicje: materiałami do izolacji cieplnej nazywamy te materiały, które chronią pomieszczenia mieszkalne, budynki użyteczności publicznej i przemysłowe, a także różne urządzenia (np. kotły parowe, autoklawy, przewody na parę itp.) od strat ciepła [1]. Definicja ta aczkolwiek niezbyt precyzyjna technicznie, jest przystępna i łatwo zrozumiała dla przeciętnego użytkownika domu czy mieszkania. Bardziej precyzyjnie możemy powiedzie że do materiałów do izolacji cieplnych, możemy zaliczy takie które charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła X < 0,2 W/mK. Charakterystyka ta jest dobrze znana projektantom i audytorom, aczkolwiek nie zawsze doceniana przy wyborze materiału. Na poniższym wykresie zilustrowano wpływ warto ci współczynnika przewodzenia ciepła X dla trzech grubo ci warstw 10, 12 i 15 cm. Zeżność oporu cieplnego R od wspólczynnika przewodzenia ciepła X materiału izolacji cieplne

W zależności od zastosowania ważne są też inne cechy materiałów do izolacji cieplnej w tym przede wszystkim :

stopień wytrzymałości mechanicznej (na obciążenia rozłożone i punktowe),
klasa palności,
odporno na wodę,
zdolność do przewodzenia pary wodnej,
odporność na wchłanianie wody i zawilgocenie,
odporność na działanie czynników chemicznych,
odporność na działanie czynników biologicznych.

To cechy podstawowe, ich znajomo jest niezbędna projektantowi, aby mógł w sposób wiadomy kształtowa przegrodę budowlaną zgodnie z jej przeznaczeniem i usytuowaniem w budynku. Na dzień dzisiejszy wiedza z zakresu cech technicznych materiałów jest warunkiem koniecznym, ale już nie wystarczającym. Projektant stosując wybrany przez siebie materiał powinien mie na uwadze fakt, iż zastosowany przez niego materiał będzie wchodził w cykl życia całego budynku a w okresie swojego użytkowania będzie oddziaływał na budynek, jego rodowisko wewnętrzne a także rodowisko zewnętrzne.

Podział i przykłady materiałów do izolacji cieplnej

Przedstawiony podział dotyczy zasadniczo materiałów znanych i stosowanych do izolacji cieplnej używanych w budownictwie, nie ujęto w nim materiałów do izolacji cieplnych stosowanych w przemyśle w tym materiałów do izolacji wysokotemperaturowych, ponadto ograniczono podział tylko ze względu na pochodzenie materiału. Pod względem pochodzenia materiały termoizolacyjne można podzieli na :

a) materiały organiczne - składające się z różnych części rolinnych lub porowatych mas plastycznych;

b) materiały nieorganiczne - otrzymane z surowców mineralnych (skały, cementy, szkła, żużle itp.).

Do materiałów termoizolacyjnych pochodzenia organicznego zaliczamy:

materiały torfowe (proszek torfowy, płyty torfowe),
płyty pil niowe,
płyty wiór owo - cementowe lub wiórowo - magnezjowe,
płyty ze słomy i z trzciny,
płyty pa dzierzy lnianych i konopnych,
płyty drzewne, korkowe i z kory sosnowej,
maty i płyty z wełny owczej,
materiały nasypowe z celulozy.

Do materiałów termoizolacyjnych pochodzenia nieorganicznego zaliczamy:

wełnę żużlową i wyroby z niej (praktycznie nie stosowane obecnie)
wełnę skalną i wyroby z niej,
przędzę ,watę i wełnę szklaną oraz wyroby z nich,
szkło piankowe,
wyroby azbestowe ( wycofane z użytkowania!),
wyroby termalitowe,
wyroby ze spienionego poliuretanu ( pianki PIR i PUR),
wyroby z polistyrenu spienionego, styropiany ( ekspandowane i ekstrudowane).

Na chwilę obecną podział ten jest już niewystarczający. Wchodzą nowe materiały, czasami trudne do sklasyfikowania na gruncie dotychczas stosowanych kryteriów. Materiały takie można by podzieli nieco inaczej, a mianowicie na materiały izolacyjne biodegradowalne , powstałe w wyniku mieszania materiałów pochodzenia organicznego i nieorganicznego takie jak np. płyty z konopi wzmacniane elementami z włókien sztucznych typu Bikofasern, lub materiały z włókien lnianych z dodatkami z włókien syntetycznych i skrobi (FLACHSHAUS) na materiały próżniowe typu VIP (Vacuum Insulated Panel) oraz na materiały izolacyjne pozyskujące energię słoneczna typu Solar. Materiały te nie są jeszcze obecnie powszechni stosowane i warto po wieci im chwile uwagi. Materiały izolacyjne z włókien organicznych mieszane z włóknami sztucznymi. Materiały te całkowicie biodegradalne, charakteryzują się dobrym współczynnikiem przewodzenia ciepła, od X = 0,038 h- 0,045 W/mK. Łatwe w obróbce, o bardzo dużej elastycznoci i dobrej odpornoci na ogień - B2. Bardzo dobrze przepuszczają parę wodna, nietoksyczne, odporne na działanie czynników biologicznych, regulują w niewielkim zakresie wilgotno powietrza w pomieszczeniu. Nadają się głównie jako izolacja między krokwiami, lub na powierzchnię stropu nad ostatnią kondygnacja. Konkurencyjne cenowo w odniesieniu do wyrobów wełny mineralnej i szklanej.

Izolacje próżniowe typu VIP

Materiał typu mikrokrzemionka o do skomplikowanej nanostrukturze, zwany rdzeniem, zamknięty w specjalnym opakowaniu próżniowym. Istnieje kilka rodzajów rdzeni, które są obecnie stosowane w płytach warstwowych typu VIP: polistyren, poliuretan, oraz połączenie krzemionki, tlenku tytanu i węgla. Dobra izolacja termiczna o bardzo niskiej przewodno ci cieplnej panelu jest efektem redukcji wpływu wszystkich mechanizmów wymiany ciepła. Przewodzenie ciepła przez ciało stałe zostało zmniejszone poprzez dobór odpowiednio porowatych materiałów a zmniejszenie przewodzenia ciepła przez gaz wypełniający pory uzyskano przez znaczne obniżenie ci nienia a dodatkowo zastosowano blokery (np. TiO2). Obniżenie przewodzenie przez promieniowanie zapewnia samo opakowanie panelu. Cało decyduje o wyjątkowo niskiej przewodnoci cieplnej materiału X = 0,002-h 0,008 W/mK, pod warunkiem utrzymania odpowiednio niskiego ci nienia wewnątrz panelu. Przykładowy fragment izolacji typu VIP, mającej obecnie coraz szersze zastosowanie do izolacji termicznej przegród zewnętrznych Na stronach internetowych producentów systemów izolacji typu VIP dostępne są szczegóły detali połączeń izolacji próżniowej z obudową budynku. Poniżej detale połączenia izolacji próżniowej z ciana - dach, ciana - strop. Szczegółowa budowa panelu chroniona patente.

Izolacje transparentne

Klasyczne izolacje cieplne to materiały nieprze roczyste o niskim współczynniku przewodzenia ciepła. Ich podstawowym zadaniem jest ograniczenie strumienia ciepła, izolacja transparentna jest izolacją której zadaniem jest nie tylko ograniczenie ucieczki ciepła przez zewnętrzną przegrodę budowlaną ale również jego pozyskanie ze rodowiska.

Obecnie stosowane są trzy systemy, które można zakwalifikowa jako systemy izolacyjne z pozyskiwaniem energii słonecznej [5]:

oszklenie trzyszybowe z wypełnieniem kryptonem;
granulat z aerożelu krzemionkowego umieszczony pomiędzy dwoma taflami szklanymi zespolonymi;
struktury komórkowe, lub kapilarne z tynkiem szklanym.

Ten ostatni system w pełni pretenduje do miana izolacji transparentnej, w rozumieniu warstwy materiału układanego na powierzchni części konstrukcyjnej ciany. Izolację taką należy sytuowa od strony południowej na powierzchni nie większej niż około 25 - 30 %, całkowitej powierzchni ciany. Powierzchnię izolacji można zwiększyć jeżeli pod powierzchnią absorbera zastosuje się system odbierający ciepło np. odpowiednie maty z systemem rurek wypełnionych cieczą chłodząca, połączoną ze zbiornikiem akumulacyjnym. Dla tak zaprojektowanego fragmentu ciany obliczenie współczynnika przenikania ciepła odbiega znacznie od metody tradycyjnej. Uwzględniając pozyskiwanie ciepła z energii słonecznej można zastosowa wzór Wosa [6] (1): Dla przegród w budynkach bez systemu klimatyzacji i /lub/ wytwarzania chłodu, jako czas bilansowania przyjmuje się 9 miesięcy tj. od wrze nia do maja włacznie. Oba wzory dają bardzo zbliżone wartoci liczbowe. Poniżej wyniki obliczeń współczynnika przenikania ciepła liczone wg (1) i (2), dla izolacji transparentnej o grubo ci 10 cm i typowej ciany z cegły ceramicznej pełnej o grubo ci 38 cm. Wyniki obliczeń UTI, Ueg, nazwanego współczynnikiem pozyskania ciepła, przedstawiono w postaci graficznej na rys nr 9.

Izolacje zmiennofazowe

Od kilku lat wprowadzane są na rynek europejski izolacje zmiennofazowe, jako izolacje stosowane tylko od strony wewnętrznej. Charakteryzują się dobrym współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie A,=0,05 W/mK oraz ciekawą własnością pochłaniania i oddawania ciepła z i do otoczenia (pomieszczenia). Materiał ten wykorzystuje znane zjawisko pochłaniania i oddawania ciepła w trakcie przemiany fazowej. Z uwagi na szczupło miejsca odsyłam zainteresowane osoby do literatury fachowej [8], [9]. W obecnych czasach w budownictwie niczego nie można praktycznie zaprojektowa i zrealizowa , je li nie uwzględni się stosownych przepisów. Podstawowym dokumentem regulującym obrót materiałami budowlanymi, w tym materiałami do izolacji cieplnej, jest Dyrektywa Rady Wspólnot Europejskich w sprawie zbliżenia ustaw i aktów wykonawczych państw członkowskich, dotyczących wyrobów budowlanych (89/106/EEC). Zawarte w dyrektywie wytyczne są praktycznie realizowane w państwach członkowskich poprzez odpowiednie przepisy wewnętrzne. W Polsce takim dokumentem jest Ustawa o Wyrobach budowlanych (Dz.U. nr 92/ 2004 poz. 881). Zgodnie z Ustawą o Wyrobach budowlanych wyrób budowlany nadaje się do stosowania przy wykonywaniu robót budowlanych, jeżeli jest:

oznakowany CE, co oznacza, że dokonano oceny jego zgodno ci z normą zharmonizowaną albo europejską aprobatą techniczną;
umieszczony w okrelonym przez Komisję Europejską wykazie wyrobów mających niewielkie znaczenie dla zdrowia i bezpieczeństwa, na które producent wydał deklarację zgodno ci z uznanymi regułami sztuki budowlanej;
oznakowany znakiem budowlanym „B", co oznacza, że dokonano oceny zgodno ci z Polską Normą wyrobu albo polską aprobatą techniczną.
Stosowne dla materiałów do izolacji cieplnej normy zharmonizowane i zawarte w nich specyfikacje, regulują szczegółowo jako produkowanych wyrobów. Chcąc zapozna się szczegółowo z charakterystykami produkowanych wyrobów, dobrze jest wiedzie gdzie szuka odpowiednich danych. Poniżej przedstawiono kilka norm dla najbardziej znanych i stosowanych materiałów do izolacji cieplnej :

- PN - EN 13172 - Wyroby do izolacji Cieplnej - Ocena zgodno ci.

- PN-EN 13162:2002 - Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby z wełny mineralnej (MW) produkowane fabrycznie . Specyfikacja.

- PN-EN 13168:2002- Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby z wełny drzewnej (WW) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.

- PN - EN 13163 - Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby ze styropianu (EPS) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.

- PN - EN 13164 - Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby z polistyrenu ekstrudowanego (XPS) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.

- PN - EN 20132 - Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby ze styropianu (EPS) produkowane fabrycznie. Zastosowania.

Dla innych materiałów do izolacji cieplnej informacji należy szuka w krajowych Aprobatach Technicznych lub specyfikacjach np. dla pianki poliuretanowej w dokumencie ASTM D7425 - 08 w standardowej specyfikacji Spray pianki poliuretanowe używane do krycia dachów. Zastosowania.

Dane techniczne innych materiałów omówionych w artykule należy szuka na stronach internetowych producentów[3]i [4].

Literatura

[1] Cammerer J. S.: Izolacje ciepłochronne w przemy le, Arkady Warszawa 1967. [2] Kobyliński A. Szymański E.: Materiały budowlane, PWN Warszawa 1963. [3 ] www.glacierbaytechnology.com/category/insulation/ultra-r-thermal-insulation

[4]www.toolbase.org/Technology-Inventory/Interior-Partitions-Ceilings/vacuum-insulation-panel, oraz www.va-q-tec.com/va-q-pur_en.html.

[5] J.A. Pogorzelski. Fizyka budowli - część XI. Przenoszenie ciepła przez przegrody przezroczyste (2). Materiały Budowlane 5/2005, str.64.

[6] Kisielewicz T. Wpływ izolacyjnych i spektralnych wła ciwo ci przegród na bilans cieplny budynków energooszczędnych. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, monografie. Kraków 2008.

[7] Orlik-Kożdoń B. T.Steidl. Projektowe charakterystyki energetyczne budynków. Materiały Budowlane 1/2010, str.47-49.

[8] Jaworski M.: Zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) do zwiększenia bezwładno ci cieplnej budynków. www.izolacje.cpm.pl, 2009.

[9] Zalba B., Martyn J.M., Cabeza L.F., Mehling H.: Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering, vol. 23, No 25, 2003, pp. 251-283.

Autor: Tomasz Steid

Materiały z Forum Termomodernizacja 2010 zorganizowanego przez Zrzeszenie Audytorów Energetycznych.

Podziękowania dla organizatorów za udostępnienie materiałów.