Izolacje solarne i próżniowe. Nowoczesne technologie termoizolacyjne przegród pionowych budynków niskoenergetycznych

Budownictwo energetyczne to nie tylko aspekt ekonomicz­ny, ale również ekologiczny. Szczególny potencjał drzemie w wykorzystaniu surowców naturalnych – przykładem wykorzystania energii sło­necznej jest system solarny. Ponadto udoskonalane są tradycyjne metody dociepleniowe, np. przez uzyskiwanie lepszych właściwości cieplnych, oraz stosowanie coraz cieńszych materia­łów, czego przykładem są ultracienkie panele próżniowe – tzw. panele VIP.

System solarny

Tradycyjne izolacje termiczne stoso­wane w Polsce wykonane są w zasa­dzie z materiałów nieprzepuszczalnych dla promieniowania słonecznego. Ideą izolacji solarnych jest wykorzystanie ciepła padającego na przegrodę, tj. przekazanie go do wewnątrz budynku i wykorzystanie na cele ogrzewania.

W tradycyjnych systemach dociepleniowych (rys. 1) promieniowanie słoneczne:

– ulega częściowemu odbiciu,

– w zdecydowanej części oddawane jest do otoczenia na drodze konwek­cji i promieniowania długofalowego,

– w bardzo małej ilości przekazywane jest do wewnątrz budynku.

Z kolei idea wykorzystania izolacji transparentnych zakłada, że padające na przegrodę promieniowanie (rys. 2):

– ulega częściowemu odbiciu i rozpro­szeniu,

– w przeważającej części jest absorbo­wane przez masywną przegrodę i dalej przekazywane do wnętrza budynku,

– w niewielkiej części jest oddawane do otoczenia.

Stosując zatem tradycyjne izolacje termiczne, przeciwdziałamy zyskom ciepła od nasłonecznienia zewnętrz­nych powierzchni budynku.

Rys. 1 Wymiana ciepła na powierzchni przegrody nieprzezroczystej (opracowanie własne)

Rys. 2 Wymiana ciepła na powierzchni przegrody z izolacją transparentną (opracowanie własne)

Odpowiedzią na to jest system solar­ny. Parametry systemu podane w dal­szej części artykułu oparte są na pro­dukcie Sto Solar do ocieplania ścian zewnętrznych budynków. System tworzą kompozytowe panele elewacyjne wykonane z poliwęglanowej pły­ty, przyklejonej do podłoża mineralną zaprawą (systemową). Panele pokryte są z jednej strony powłoką soczew­kową (czyli przezroczystym tynkiem), z drugiej zaś przyklejone do czarnej powłoki absorpcyjnej. Powierzchnia pa­neli mająca kontakt ze środowiskiem zewnętrznym jest fabrycznie wykoń­czona tynkiem szklanym odpornym na czynniki atmosferyczne. Przewodność cieplna paneli kształtuje się na pozio­mie λ = 0,09 W/(m²•K). Promieniowanie słoneczne pada na przegrodę, po przejściu przez izolację transparentną jest pochłaniane przez absorber. Dalej ciepło przekazywane jest do masywnej ściany o gęstości nie mniejszej niż 1200 kg/m³. Przegro­da w zależności od materiału, z jakie­go została wykonana (np. cegła cera­miczna, silikatowa), oraz jej grubości (od 12 do 25 cm) posiada określone właściwości magazynowania ciepła. Ściana akumulująca ciepło działa jak grzejnik płaszczyznowy, oddając zma­gazynowane ciepło w czasie od kilku do 48 godzin. Optymalna kumulacja ciepła następuje na ogół w godzinach od 10.00 do 14.00. Co ważne, kiedy słońce nie pada na przegrodę (tj. w po­rze nocnej), panele solarne działają jak typowa termoizolacja, przyczyniając się do ograniczenia strat ciepła.

Idea stosowania systemu opiera się na połączeniu z tradycyjnym sys­temem dociepleniowym. Udział po­wierzchniowy części półprzezroczy­stej wynosi od 10 do 30% powierzchni przegrody. Montaż jest stosunkowo prosty i opiera się na bezspoinowym wmontowaniu transparentnych pa­neli (klejenie metodą mokrą). Jedyny stawiany wymóg to uszczelnienie po­łączenia ze standardowym systemem dociepleniowym.

Fot. 1 Próbka izolacji transparentnej opracowanej przez firmę Sto [5]

Istotnym parametrem jest kąt pa­dania promieni słonecznych na prze­grodę. W praktyce największe zy­ski od promieniowania słonecznego otrzymuje się zimą, kiedy kąt nachy­lenia jest niski i wynosi ok. 15 stop­ni, a najniższe latem (kąt nachylenia ok. 65 stopni). Latem większa część promieni słonecznych jest odbijana od warstwy absorbującej, co przeciw­działa przegrzaniu się systemu. Zbadany został wpływ strony świa­ta na zyski energetyczne wynikające z zastosowania systemu (rys. 5). We­dług producentów systemu najwięk­szy zysk cieplny można otrzymać na elewacjach południowych, wschodnich i zachodnich: roczny zysk od 80 do 120 kWh/m² w przeliczeniu na metr kwadratowy systemu.

Naturalnym ograniczeniem stosowa­nia systemu solarnego są czynniki mające wpływ na nasłonecznienie ele­wacji – zadrzewienie i ukształtowanie terenu bądź gęsta zabudowa.

Izolacje próżniowe

Powstanie pod koniec XIX w. termo­su przyczyniło się do rozwinięcia za­stosowań próżni w różnych gałęziach przemysłu, nie tylko w chłodnictwie. Powstały izolacje próżniowe wykorzy­stywane z powodzeniem jako termo- izolacja podczas budowy nowych budynków oraz przy termomodernizacji budynków już istniejących. Próżnia we­wnątrz panelu VIP (Vacuum Insulated Panel) znacznie zmniejsza przewod­nictwo ciepła i konwekcji. Konstrukcja panelu oparta jest na wykorzystaniu właściwości próżni, podobnie jak kon­strukcja termosu. Obecnie panele VIP znalazły zastosowanie nie tylko w izo­lacji ścian, ale również tarasów, nadproży, krokwi dachowych na dachach pochyłych itp.

Fot. 2 Elewacja budynku jednorodzinnego z zastosowaniem systemu Sto Solar (Stuhlingen, Niemcy) [4]

Na system izolacji próżniowych skła­dają się panele wypełnione materiałem o nanoporowatej strukturze zamknię­tej pod ciśnieniem w szczelnej osło­nie. Materiał wypełniający pozwala na wytworzenie próżni i utrzymanie jej parametrów, chroni przed zewnętrz­nymi obciążeniami. Jednym z obecnie najczęściej stosowanych wypełnień paneli jest krzemionka pirogeniczna w postaci proszku.

Innym istotnym elementem jest membrana – osłona pozwalająca na stworzenie wewnątrz panelu próżni. Z reguły stosowane są powłoki me­talowe wykonane głównie z aluminium oraz stalowe nierdzewne.

Dodatkowo w panelach VIP stosowane są dodatki do materiału wypełniającego mające na celu absorpcję pary wodnej (osuszacz) bądź gazów (pochłaniacz), które przedostały się do wnętrza ze środowiska zewnętrznego.

Rys. 3 Zyski ciepła do pomieszczenia w zależności od orientacji elewacji (wg danych firmy Sto) [9]

Należy pamiętać o konieczności ochrony paneli przed uszkodzeniami mechanicznymi podczas transpor­tu, przechowywania oraz montażu. Z tego powodu produkowane są pane­le obłożone dodatkowymi okładzinami, tj. styropianem, płytami MdF, gipsowo-kartonowymi itd. Rozwiązanie to umożliwia również montaż metodą mokrą i tynkowanie powierzchni. Wy­korzystanie łączników mechanicznych niewątpliwie mogłoby doprowadzić do uszkodzenia osłony oraz obniżenia ciśnienia wewnątrz.

Parametry panelu podane w dalszej części oparte są na produktach firmy va-Q-tec – panelu va-Q-vip F W przypadku paneli rozróżnia się war­tość początkową i użytkową współ­czynnika przewodzenia ciepła. Ponadto jego współczynnik zależny jest od grubości panelu i na przykład dla grubości 20 mm wartość początkowa wynosi λ < 0,0043 [W/(m•K)], a użytkowa λ< 0,0070 [W/(m•K)]. Zróżnicowanie tych wartości wynika ze zmniejszają­cej się w wyniku eksploatacji wielkości ciśnienia wewnątrz panelu - z reguły o 1 hPa rocznie.

Rys. 4 Schematyczny układ panelu izolacji VIP [6]

Mimo że panele są uważane za dość delikatne elementy, ich zdecydowanym atutem jest fakt, że w wyniku zerwa­nia membrany i wyrównania ciśnienia wewnątrz współczynnik przewodzenia ciepła w centralnej części wzrasta je­dynie do 0,02 W/m²•K, tj. równowar­tość parametru dla samego rdzenia. Mimo uszkodzenia zachowana jest za­tem niska przewodność cieplna.

Do głównych zalet produktu należą możliwość uzyskania wysokiej efektyw­ności energetycznej oraz małego cię­żaru objętościowego przy jednoczesnej małej grubości paneli. Ponadto charak­teryzuje je wysoka trwałość – nawet do 60 lat – oraz możliwość stosowa­nia również wewnątrz budynków.

Tab. 2 Zestawienie wyników obliczeń dla przedstawianych systemów [7]

Zastosowanie paneli VIP wymaga przeszkolonej i doświadczonej ekipy montażowej. Panele nie mogą być cięte na wymiar (nie ma możliwości obróbki mechanicznej na budowie), a zatem konieczne jest wykonanie do­kładnego planu montażu i przesłanie go do producenta, aby panele mogły zostać wykonane pod wymiar. Panele dość łatwo uszkodzić podczas mon­tażu, a ich koszt jest dość wysoki w porównaniu z tradycyjnymi izolacja­mi. Jednak stosując panele, nie zmie­nia się znacząco grubości przegrody, a tym samym nie ma problemów two­rzenia „okien strzelniczych”.

Fot. 3 Próżniowy panel izolacyjny pokryty z obu stron warstwą styropianu [6]

Obliczenia cieplno-wilgotnościowe

Do obliczeń cieplno-wilgotnościowych dla teoretycznych przegród (tab. 1) założono warunki klimatyczne dla re­jonu Poznania oraz miesiąca grudnia. Pominięto wpływ liniowych mostków termicznych oraz poprawki ze wzglę­du na łączniki mechaniczne. Oblicze­nia wykonano za pomocą kalkulatora internetowego stworzonego przez firmę Sto [2].

Obliczenia dla przegrody z zastoso­waniem paneli solarnych wykonano zgodnie z wymaganiami wykonawczymi systemu Sto Solar, tzn., że dla uzy­skania wiarygodnego wyniku obliczono średnią arytmetyczną współczynnika przenikania ciepła U (przy udziale 85% tradycyjnego systemu i 15% udziału systemu solarnego).

Otrzymane wyniki obliczeń (tab. 2) dowodzą, że każdy z systemów po­zwala na stworzenie przegrody o do­skonałych parametrach, spełniają­cej warunki określone w aktualnych warunkach technicznych dotyczące maksymalnej wartości współczynni­ka przenikania ciepła oraz minimalnej wartości współczynnika temperatu­rowego f_Rsi.

Fot. 4 Modernizacja z zewnątrz budynku w Monachium z 40-mm panelem VIP układanym w dwóch warstwach. Elewacja została wykończona płytami Farmacell [1]

Podsumowanie

Każde z opisanych rozwiązań jest wy­soce zaawansowane pod względem technologicznym, ale niestety obecnie dostępne jedynie dla wąskiego grona odbiorców. Można mieć tylko nadzieję, że nowoczesne systemy zyskiwać będą z czasem coraz szersze grono odbior­ców. Instytucje, takie jak Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospo­darki Wodnej, prowadzą działania ma­jące na celu zwiększenie świadomości energetycznej odbiorców oraz rozwój odnawialnych źródeł energii. Prowa­dzą również programy umożliwiające pozyskanie dofinansowania do budowy domu energetycznego.

mgr inż. Laura Zajączkowska

dr inż. Barbara Ksit

Politechnika Poznańska

Zakład Budownictwa Ogólnego

Literatura

1. P Johansson, Vacuum Panels in Buildings,2012.

2. J. Pogorzelski, Fizyka budowli, część XI Przenoszenie ciepła przez przegrody przeźroczyste(2), 2005.

3. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające roz­porządzenie w sprawie warunków tech­nicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2013 r. poz. 926).

4. „Sto Nowości” czasopismo dla wyko­nawców budowlanych, nr 1(7)/2005.

5. www. abc-izolacje.pl/index2.php?site- =artS.id=310S.dzial=S.baza= – A. Ujma, Zasady działania i materiały stosowane w strukturach izolacji transparentnych, 2008, Politechnika Częstochowska, do­stęp 21.07.2015.

6. www. izolacje.com.pl/artykul/id1669,izolacje-prozniowe-vip-wlasciwosci-i- przyklady-zastosowan-w-budownictwie – M. Bochenek, Izolacje próżniowe [VIPJ – właściwości i przykłady zasto­sowań w budownictwie, 2012, dostęp 21.07.2015.

7. www.sto.hybrid.pl – kalkulator do obliczeń cieplno-wilgotnościowych opracowany przez firmę Sto, dostęp 10.06.2015.

8. www.va-q-tec.com – strona niemieckie­go producenta va-q-tec izolacji próżnio­wych, dostęp 21.07.2015.

9. L. Zajączkowska, Porównanie nowo­czesnych rozwiązań technicznych pod względem pasywności budynku, praca magisterska, Politechnika Poznań­ska, Poznań 2015, promotor dr inż. B. Ksit.