Można przypuszczać, że w najbliższych latach aerożelowe izolacje cieplne staną się jedną z głównych nowych technologii termoizolacji przegród.
Rosnące potrzeby i wymagania w zakresie efektywności energetycznej budynków wytyczyły jeden z najważniejszych kierunków rozwoju nowych technologii budowlanych, związany z termoizolacjami i ich stosowaniem w przegrodach zewnętrznych budynków oraz ich instalacjach grzewczych.
Postęp w tej dziedzinie techniki budowlanej realizuje się obecnie głównie przez:
– doskonalenie dotychczas najczęściej stosowanych rodzajów wyrobów do izolacji cieplnej, takich jak wełna mineralna, styropian oraz różne rodzaje pianek polimerowych;
– wykorzystanie nowych dotychczas niestosowanych w budownictwie materiałów, np. aerożeli, oraz nowych rodzajów wyrobów, np. izolacji próżniowych.
Podejmuje się również próby zastosowań tzw. transparentnych izolacji cieplnych, których celem jest umożliwienie wykorzystania zysków słonecznych przez całą obudowę budynku.
Podstawowym celem pozostaje jednak uzyskanie wyrobów izolacyjnych o jak najniższej wartości współczynnika przewodzenia ciepła, w celu efektywnego ograniczenia strat przez przenikanie w obudowie.Zwiększenie zapotrzebowania na takie wyroby wynika z obecnie obowiązujących wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej przegród oraz ich przewidywanego zaostrzenia (rys. 1), związanego z wdrożeniem postanowień dyrektywy 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. Ich stosowanie umożliwia spełnienie wymagań dotyczących maksymalnej dopuszczalnej wartości współczynnika przenikania ciepła U przegród, przy małych grubościach warstwy izolacji cieplnej (rys. 2).
Rys. 1 Maksymalne dopuszczalne wartości współczynnika przenikania ciepła głównych przegród budynków wg polskich przepisów z 2008 r. oraz aktualnej propozycji ich zmian w przyszłych latach
Rys. 2 Grubości izolacji cieplnej w zależności od jej współczynnika przewodzenia ciepła, przy przyjęciu których uzyskuje wartość współczynnika przenikania ciepła przegrody od 0,3 do 0,15 W/(m2•K). W obliczeniach przyjęto łączny opór cieplny pozostałej części przegrody równy 0,5 m2•K/W oraz pominięto wpływ mocowania warstwy izolacji cieplnej
W tzw. budynkach pasywnych, w których przegrody muszą charakteryzować się współczynnikami przenikania ciepła mniejszymi niż 0,15 W/(m2K), zastosowanie termoizolacji o współczynniku l < 0,03 W/mK umożliwia zastosowanie warstwy o grubości poniżej 20 cm, natomiast w przypadku zastosowania izolacji cieplnej o wartości współczynnika l > 0,04 W/mK wymagana grubość przekracza 25 cm.
Najlepsze dostępne obecnie na rynku tradycyjne wyroby do izolacji cieplnej, takie jak wełna mineralna, styropian EPS oraz polistyren ekstrudowany XPS, charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła od około 0,03 W/mK.Płyty z pianek uzyskują wartości tego współczynnika od 0,02 W/mK. Najniższe wartości współczynnika l uzyskuje się obecnie w wyrobach zawierających aerożele krzemionkowe – od około 0,015 W/mK w matach oraz od około 0,007 W/mK w panelach próżniowych.
Zastosowanie izolacji cieplnej z paneli próżniowych umożliwia uzyskanie współczynnika przenikania ciepła przegrody o wartości 0,15 W/(m2K), przy warstwie zaledwie kilkucentymetrowej.
Rys. 3 Charakterystyka zależności współczynnika przewodzenia ciepła granulatów aerożelowych od ciśnienia [1]
Izolacyjność cieplna wyrobów na bazie aerożeli krzemionkowych
Aerożel jest materiałem porowatym, który powstaje w wyniku usunięcia ciekłego składnika żelu, a tworząca strukturę faza stała stanowi mniej niż 10%.
Pierwsze badania nad tymi materiałami prowadzono już w latach 30. XX w., przy czym uzyskiwano wówczas niewielkie ilości w długotrwałym i żmudnym procesie. Brak konkretnych zastosowań spowodował, że aerożele zostały praktycznie zapomniane aż do lat 80. XX w., kiedy opracowano nowy wydajny sposób ich wytwarzania na drodze chemicznej metodą zol-żel. Obecnie znanych jest kilkadziesiąt rodzajów aerożeli, które są na ogół materiałami odpornymi na ściskanie, lecz są zwykle kruche, nieodporne na uderzenia, skręcanie i ścinanie.
Najbardziej popularny w zastosowaniach praktycznych jest aerożel krzemionkowy, który w postaci granulatu (o wielkości ziaren od około 0,01 do 4 mm) stosuje się w różnych rodzajach wyrobów do izolacji cieplnej. Nanometryczny rozmiar większości porów aerożelu krzemionkowego (przeciętnie o rozmiarze około 20 x 10-9m) znacznie utrudnia przenoszenie ciepła przez znajdujące się w materiale powietrze, co powoduje, że wyroby charakteryzują się najniższą przewodnością cieplną wśród materiałów stałych.
Granulaty aerożelu krzemionkowego stosuje się jako wypełnienie w matach z włókien, np. szklanych lub polimerowych,wykonanych z naskórkiem umożliwiającym utrzymanie w nich ziaren (fot.). Maty charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła od około 0,014 do 0,020 W/mK. Ponieważ dostępne są w grubościach od 3 do 10 mm, stosuje się również układy wielowarstwowe. Dostępne są także sztywne płyty o grubości do 50 mm.
Przenikanie ciepła przez warstwę izolacji cieplnej z samego granulatu aerożelowego jest efektem jego przewodzenia przez krzemionkę w stykających się ziarnach, powietrze w porach i między ziarnami oraz promieniowania cieplnego przenikającego przez materiał.
W celu zmniejszenia przenoszenia ciepła przez powietrze granulat można umieścić w panelach lub szybach zespolonych, w których wytwarza się podciśnienie. Charakter zmian współczynnika przewodzenia ciepła krzemionkowego granulatu aerożelowego w zależności od ciśnienia pokazano na rys. 3. Znaczny spadek przewodnictwa cieplnego w porach następuje przy zmniejszeniu ciśnienia do około 100 hPa. W celu zmniejszenia wymiany ciepła przez promieniowanie stosuje się dodatki zmniejszające jego przepuszczalność, np. grafit (podobnie jak w często obecnie stosowanych szarych płytach styropianowych).
Rys. 4 Schemat budowy panelu VIP: 1 – osłona o dużej szczelności na przenikanie powietrza utrzymująca podciśnienie, 2 – włóknina zatrzymująca granulat podczas usuwania powietrza, 3 – drobny granulat aerożelowy, najczęściej z dodatkiem grafitu
Panele próżniowe VIP
Granulaty aerożelowe w warunkach podciśnienia stosuje się w tzw. panelach próżniowych, nazywanych również panelami VIP (ang. Vacuum Insulation Panel), czyli wyrobach termoizolacyjnych składających się z rdzenia wykonanego z materiału sypkiego umieszczonego w szczelnej osłonie umożliwiającej wytworzenie i utrzymanie we wnętrzu paneli znacznego podciśnienia po usunięciu z niego powietrza (rys. 4). Wyroby te stosowane początkowo w izolacjach w chłodnictwie obecnie dostępne są również w postaci płyt do izolacji cieplnej przegród budowlanych o grubościach do 50 mm.
Wartość współczynnika przewodzenia ciepła w centralnej części panelu (poza zasięgiem mostków cieplnych na krawędziach), przy ciśnieniu wewnętrznym poniżej 5 hPa zawiera się na ogół w zakresie od 0,0035 do 0,0048 W/mK. Jest to wartość początkowa, która z czasem pogarsza się w wyniku przenikania powietrza przez osłonę i zwiększania się ciśnienia w panelu, zwykle o około 1 hPa rocznie. Najszczelniejsze dyfuzyjnie osłony wykonane są z powłoki metalowej, głównie aluminiowej o grubości od 8 do 12 mm lub stalowej nierdzewnej o grubości od 50 do 75 mm, ewentualnie stosuje się osłony z wielowarstwowych folii metalizowanych. Warstwa metalowa chroni przed stratami ciśnienia we wnętrzu paneli, ale przez swoją wysoką przewodność cieplną tworzy mostki cieplne na ich krawędziach.
Miarodajna do określania izolacyjności cieplnej przegród budowlanych projektowa wartość współczynnika przewodzenia ciepła paneli VIP, uwzględniająca zarówno efekt starzenia, jak i straty krawędziowe, wynosi zwykle od około 0,007 do 0,008 W/mK.
W przypadku uszkodzenia osłony paneli i wyrównania ciśnienia w jego wnętrzu do wartości ciśnienia atmosferycznego współczynnik przewodzenia ciepła w części centralnej paneli wzrasta do około 0,02 W/mK, czyli wartości w odniesieniu do samego granulatu. Oznacza to, że nawet w takim stanie wyroby termoizolacyjne tego rodzaju zachowują niską przewodność cieplną.
Fot. Zdjęcie mikroskopowe maty z wypełnieniem granulatem aerożelowym [1]
Obszary zastosowań aerożelowych izolacji cieplnych w budynkach
Wyroby do izolacji cieplnej na bazie aerożeli krzemionkowych (maty, płyty, panele próżniowe) są wprowadzane do stosowania w budownictwie od około pięciu lat na podstawie aprobat technicznych wydawanych w poszczególnych krajach przez upoważnione instytucje.
Jako wyroby innowacyjne charakteryzują się obecnie wysokim kosztem w porównaniu z tradycyjnymi termoizolacjami. Panele próżniowe wymagają bardzo ostrożnego transportu, składowania i postępowania w czasie wbudowania w przegrodzie. Nie dopuszcza się również jakiegokolwiek mocowania przez warstwę izolacji cieplnej. Panele próżniowe nie mogą być przycinane, w związku z czym rozkład i wymiary elementów izolacji przegrody muszą być ustalone w projekcie. Dostępne są przeznaczone do tego odpowiednie programy komputerowe.
Podstawowa zaleta tych wyrobów, czyli mały współczynnik przewodzenia ciepła, determinuje ich stosowanie np.:
– w ociepleniach od wewnątrz w budynkach użytkowanych – przede wszystkim w miejscach, w których istnieje konieczność ograniczenia grubości izolacji cieplnej i konieczność zachowania oryginalnego wyglądu elewacji (zabytki, budynki ze ścianami w postaci fugowanego muru z cegły, okładziną kamienną, znaczną liczbą detali elewacyjnych);
– na ościeżach otworów okiennych i drzwiowych;
– na płytach tarasowych nad ogrzewanymi pomieszczeniami;
– nad lub pod stropem najniższej kondygnacji ogrzewanej;
– w konstrukcjach szkieletowych;
– w części nieprzezroczystej ścian osłonowych metalowo-szklanych.
Ponadto elastyczne maty z wypełnieniem aerożelowym stosuje się w ramach okiennych i słupach oraz ryglach ścian osłonowych z kształtowników metalowych z przekładkami termicznymi oraz w płycinach drzwi zewnętrznych. Maty mogą być również stosowane jako cienkowarstwowa izolacja cieplna elementów instalacji grzewczych.
W systemach ociepleń od wewnątrz dostępne są również płyty klinowe do obwodowej izolacji cieplnej na przegrodach wewnętrznych w celu zapewnienia ochrony przed powierzchniową kondensacją pary wodnej na powierzchniach stropów i ścian wewnętrznych, w połączeniach ze ścianami zewnętrznymi (rys. 5).
Rys. 5 Obwodowa izolacja cieplna przegród wewnętrznych
W celu zapewnienia ochrony paneli próżniowych przed uszkodzeniami produkuje się wyroby wielowarstwowe składające się z rdzenia z panelu VIP w okładzinach różnego rodzaju płyt, np.: MDF, gipsowo-kartonowych, cementowych, styropianowych EPS lub z ekstrudowanej pianki polistyrenowej. Umożliwia to jednocześnie zastosowanie tradycyjnych sposobów mocowania na zaprawy klejące oraz np. tynkowania.
Oferowany na rynku europejskim asortyment ww. wyrobów i bazujących na nich systemów izolacji cieplnej stale się poszerza. Można przypuszczać, że w najbliższych latach wraz ze zwiększaniem się liczby budynków o niemal zerowym zapotrzebowaniu na energię aerożelowe izolacje cieplne staną się jedną z głównych nowych technologii termoizolacji przegród.
dr inż. Robert Geryło
Instytut Techniki Budowlanej
Zakład Fizyki Cieplnej, Instalacji Sanitarnych i Środowiska
Literatura
1. R. Geryło, B. Pietruszka, Wdrożenie nowych metod badawczych w Laboratorium Fizyki Cieplnej, Instalacji Sanitarnych i Środowiska, sprawozdanie roczne, Biblioteka ITB, 2010.
