Zwiększające się potrzeby dotyczące efektywności energetycznej budynków stymulują doskonalenie dotychczas stosowanych wyrobów do izolacji cieplnej oraz wykorzystanie nowych materiałów (np. aerożeli) i wyrobów (np. izolacji próżniowych).
Ze względu na charakterystykę energetyczną wyrobów do izolacji cieplnej istotną właściwością techniczną jest opór cieplny (lub współczynnik przewodzenia ciepła). Jego wartość, deklarowana przez producenta, powinna być zapewniona w czasie przewidywanego okresu prawidłowej eksploatacji danego wyrobu budowlanego (na ogół jest to nie mniej niż 25 lat). Większość wyrobów do izolacji cieplnej – zarówno produkowanych fabrycznie w formie płyt, mat itp., jak i materiałów sypkich do formowania na budowie – jest objęta normami europejskimi. Te wyroby to m.in.:
– z wełny mineralnej (wgPN-EN 13162);
– ze styropianu (wg PN-EN 13163);
– z polistyrenu ekstrudowanego (wg PN-EN 13164);
– z pianki poliuretanowej i poliizocyjanurowej (wg PN-EN 13165);
– z pianki fenolowej (wg PN-EN 13166);
– ze szkła piankowego (wg PN-EN 13167);
– z wełny drzewnej (wg PN-EN 13168);
– z ekspandowanego perlitu (wg PN-EN 13169);
– z ekspandowanego korka (wg PN-EN 13170);
– z włókien drzewnych (wg PN-EN 13171);
– formowane in situ z zastosowaniem:
– ekspandowanego perlitu (wg PN-EN 14316-1);
– lekkiego kruszywa z pęczniejących surowców ilastych (wg PN-EN 14063);
– wermikulitu eksfoliowanego (wg PN-EN 14317);
– wełny mineralnej w postaci niezwiązanej (wg PN-EN 14064);
– pianek poliuretanowych (wg PN-EN 14315).
Rys. 1 Orientacyjne wartości współczynnika przewodzenia ciepła różnych rodzajów izolacji cieplnych
Na inne wyroby (w tym innowacyjne, np. maty z izolacją cieplną na bazie aerożeli oraz tzw. izolacje refleksyjne) wydane były krajowe lub europejskie aprobaty techniczne (obecnie oceny techniczne). Na rys. 1 podano orientacyjne wartości współczynnika przewodzenia ciepła w odniesieniu do ww. rodzajów izolacji cieplnej stosowanej w budownictwie.
Zwiększające się wymagania i potrzeby dotyczące efektywności energetycznej budynków wytyczyły jeden z najważniejszych kierunków rozwoju nowych technologii budowlanych. Jest on związany z termoizolacjami i ich stosowaniem w przegrodach zewnętrznych budynków oraz w instalacjach grzewczych.
Postęp w tej dziedzinie techniki budowlanej realizuje się obecnie głównie przez:
– doskonalenie najczęściej stosowanych rodzajów wyrobów do izolacji cieplnej, takich jak wełna mineralna, styropian oraz różne rodzaje pianek polimerowych;
– wykorzystanie nowych materiałów dotychczas niestosowanych w budownictwie (np. aerożeli) oraz nowych rodzajów wyrobów (np. izolacji próżniowych).
Podejmuje się również próby zastosowania tzw. transparentnych izolacji cieplnych. Dzięki nim zyski słoneczne mogą być pozyskiwane przez całą obudowę budynku.
Rys. 2 Grubość izolacji cieplnej odpowiadająca wybranym wartościom współczynnika przenikania ciepła, w zależności od współczynnika przewodzenia ciepła
Podstawowym celem pozostaje jednak uzyskanie wyrobów izolacyjnych o jak najniższej wartości współczynnika przewodzenia ciepła. Jest to konieczne, aby efektywnie ograniczyć straty spowodowane przenikaniem ciepła przez obudowę. Zwiększenie zapotrzebowania na takie wyroby wynika z obecnie obowiązujących wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród oraz przewidywanego zaostrzenia tych wymagań, które jest związane z wdrożeniem postanowień dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/ UE z dnia 19 maja 2010 r w sprawie charakterystyki energetycznej budynków Stosowanie się do tych postanowień pozwala spełnić wymagania związane z maksymalną dopuszczalną wartością współczynnika przenikania ciepła U przez przegrody (przy małych grubościach warstwy izolacji cieplnej). Również w tzw. budynkach pasywnych, w których przegrody muszą mieć współczynnik przenikania ciepła mniejszy niż 0,15 W/(m2K), użycie termoizolacji o współczynniku X < 0,03 W/(mK) pozwala zastosować warstwę o grubości poniżej 20 cm. Natomiast izolacja cieplna o współczynniku X > 0,04 W/(mK) wymaga warstwy o grubości przekraczającej 25 cm.
Tradycyjne wyroby do izolacji cieplnej dostępne obecnie na rynku (takie jak wełna mineralna, styropian EPS oraz polistyren ekstrudowany XPS) charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła od ok. 0,03 W/(mK). Płyty z pianek uzyskują natomiast wartości od 0,02 W/(mK). Najniższe wartości współczynnika X uzyskuje się obecnie w wyrobach zawierających aerożele krzemionkowe: od ok. 0,015 W/(mK) w matach oraz od ok. 0,007 W/(mK) w panelach próżniowych. Zastosowanie izolacji cieplnej z paneli próżniowych umożliwia uzyskać współczynnik przenikania ciepła równy 0,15 W/(m2K), przy zaledwie kilkucentymetrowej warstwie.
Rys. 3 Zdjęcie mikroskopowe maty wypełnionej granulatem aerożelowym [2]
Rys. 4 Fragment maty z granulatem aerożelowym
Szczególną grupę wyrobów stanowią izolacje cieplne z aerożelem krzemionkowym – porowatym materiałem powstającym w wyniku usunięcia ciekłego składnika żelu. Faza stała tworząca strukturę aerożelu stanowi mniej niż 10%.
Pierwsze badania nad tym materiałem prowadzono już w latach 30. XX w., przy czym w długotrwałym i żmudnym procesie uzyskiwano wówczas niewielkie ilości aerożelu. Brak konkretnych zastosowań tego materiału spowodował, że został on praktycznie zapomniany aż do lat 80. XX w. Wtedy opracowano nowy wydajny sposób wytwarzania go na drodze chemicznej metodą zol-żel. Obecnie znanych jest kilkadziesiąt rodzajów aerożeli. Na ogół są to materiały odporne na ściskanie, jednak zwykle są też kruche oraz nieodporne na uderzenia, skręcanie i ścinanie.
Najbardziej popularny w zastosowaniach praktycznych jest aerożel krzemionkowy, który w postaci granulatu (o wielkości ziaren od ok. 0,01 do 4 mm) stosuje się w różnych rodzajach wyrobów do izolacji cieplnej. Nanometryczny rozmiar większości porów aerożelu krzemionkowego (przeciętnie o rozmiarze ok. 20 x 10'9 m) znacznie utrudnia przenoszenie ciepła przez powietrze znajdujące się w tym materiale. Dzięki temu charakteryzuje się on najniższą przewodnością cieplną wśród materiałów stałych. Granulaty aerożelu krzemionkowego stosuje się np. jako wypełnienie w matach z włókien szklanych lub polimerowych, które są wykonane z naskórkiem i umożliwiają utrzymanie w nich ziaren (rys. 3). Maty charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła od ok. 0,014 do 0,020 W/(mK). Ponieważ mają one grubość od 3 do 10 mm (rys. 4), stosuje się również układy wielowarstwowe.
W warstwie izolacji cieplnej wykonanej z granulatu aerożelowego występuje promieniowanie cieplne oraz jego przewodzenie: przez krzemionkę w stykających się ziarnach, przez powietrze w porach i między ziarnami.
Rys. 5 Charakterystyka zależności współczynnika przewodzenia ciepła granulatów aerożelowych od ciśnienia [1]
Aby zmniejszyć przenoszenie ciepła przez powietrze, granulat można umieścić w panelach lub szybach zespolonych, w których się wytwarza podciśnienie. Zmiany współczynnika przewodzenia ciepła przez granulat aerożelowy (w zależności od ciśnienia) pokazano na rys. 5. Do znacznego spadku przewodnictwa cieplnego w porach dochodzi przy zredukowaniu ciśnienia do ok. 100 hPa. Aby zmniejszyć wymianę ciepła przez promieniowanie, stosuje się dodatki zmniejszające jego przepuszczalność, np. grafit (podobnie jak w szarych płytach styropianowych).
Granulaty aerożelowe w warunkach podciśnienia stosuje się w tzw. panelach próżniowych, nazywanych również panelami VIP (Vacuum Insulation Panel). Są to wyroby termoizolacyjne składające się z rdzenia wykonanego z materiału sypkiego umieszczonego w szczelnej osłonie, która umożliwia wytworzenie i utrzymanie znacznego podciśnienia we wnętrzu paneli po usunięciu z nich powietrza (rys. 6). Wyroby te początkowo stosowano w izolacjach w chłodnictwie, obecnie zaś dostępne są również w postaci płyt do izolacji cieplnej przegród budowlanych o grubości do ok. 50 mm.
Rys. 6 Schemat budowy panelu VIP: 1 – osłona, 2 – włóknina, 3 – granulat aerożelowy [1]
Rys. 7 Schemat ocieplenia przegród od wewnątrz
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 się pogarsza w wyniku przenikania powietrza przez osłonę i zwiększania się ciśnienia w panelu, zwykle o ok. 1 hPa rocznie. Najszczelniejsze dyfuzyjnie osłony wykonane są z powłoki metalowej: przeważnie aluminiowej o grubości od 8 do 12 pm lub stalowej nierdzewnej o grubości 5075 pm. 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.
Do określania izolacyjności cieplnej przegród budowlanych służy projektowa wartość współczynnika przewodzenia ciepła paneli VIP Jest ona miarodajna, ponieważ uwzględnia zarówno efekt starzenia, jak i straty krawędziowe. Zwykle zawiera się od ok. 0,007 do 0,008 W/(mK).
Jeśli dojdzie do uszkodzenia osłony panelu, ciśnienie w jego wnętrzu wyrówna się do wartości ciśnienia atmosferycznego. Współczynnik przewodzenia ciepła w części centralnej panelu wzrośnie wtedy do ok. 0,02 W/(mK), czyli do wartości w odniesieniu do samego granulatu. Oznacza to, że nawet w takim stanie wymienione wyroby termoizolacyjne zachowują niską przewodność cieplną.
Rys. 8 Najniższe wymagane wartości współczynnika przenikania ciepła ścian w kolejnych wydaniach Polskich Norm i przepisów
Zastosowanie aerożelowych izolacji cieplnych w budynkach
Wyroby do izolacji cieplnej na bazie aerożeli krzemionkowych (maty, płyty, panele próżniowe) są stosowane w budownictwie od blisko dziesięciu lat, przy czym ich cena jest wysoka w porównaniu z tradycyjnymi termoizolacjami. Ponadto panele próżniowe wymagają bardzo ostrożnego transportu, składowania i postępowania z nimi w czasie wbudowywania ich w przegrodę. 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 i przygotowane przez odpowiednie programy komputerowe.
Podstawową zaletą tych wyrobów jest mały współczynnik przewodzenia ciepła. Decyduje on o tym, że aerożele stosuje się przede wszystkim w miejscach, w których istnieje konieczność ograniczenia grubości izolacji cieplnej, np.:
– w ociepleniach od wewnątrz – w budynkach użytkowanych, w których istnieje konieczność zachowania oryginalnego wyglądu elewacji (zabytki, budynki ze ścianami w postaci fugowanego muru z cegły, z okładziną kamienną, znaczną liczbą detali elewacyjnych);
– na ościeżach otworów okiennych i drzwiowych;
– płytach tarasowych nad ogrzewanymi pomieszczeniami;
– nad lub pod stropem najniższej kondygnacji ogrzewanej;
– w konstrukcjach szkieletowych;
– w części nieprzezroczystej metalowo-szklanych ścian osłonowych.
Ponadto elastyczne maty z wypełnieniem aerożelowym stosuje się w ramach okiennych i słupach, w ryglach ścian osłonowych z kształtowników metalowych mających przekładki termiczne, a także w płycinach drzwi zewnętrznych. Maty mogą być również stosowane jako cienkowarstwowa izolacja cieplna elementów instalacji grzewczych.
W systemach ociepleń, które stosuje się na wewnętrznej powierzchni przegród, dostępne są również płyty klinowe do obwodowej izolacji cieplnej na przegrodach wewnętrznych. Płyty te zapewniają ochronę przed powierzchniową kondensacją pary wodnej na powierzchniach stropów i ścian wewnętrznych, a także w połączeniach ze ścianami zewnętrznymi (rys. 7). Aby zapewnić ochronę paneli próżniowych przed uszkodzeniami, produkuje się wyroby wielowarstwowe. Składają się one z rdzenia, którym jest panel VIP, i są stosowane w okładzinach płyt różnego rodzaju, np.: MDF, gipsowo-kartonowych, cementowych, styropianowych EPS lub z ekstrudowanej pianki polistyrenowej. Możliwe jest jednoczesne zastosowanie np. tynkowania oraz tradycyjnych sposobów mocowania na zaprawy klejące. Asortyment wymienionych wyrobów oferowanych na rynku europejskim i opartych 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 technologii termoizolacji przegród.
Tab. Maksymalne dopuszczalne wartości współczynnika przenikania ciepła przez przegrody
|
Temperatura ogrzewanego |
Współczynnik przenikania ciepła przez ściany, W/(m2K) |
||
|
pomieszczenia |
od 1 stycznia 2014 r. |
od 1 stycznia 2017 r. |
od 1 stycznia 2021 r.* |
|
> 16°C |
0,25 |
0,23 |
0,20 |
|
> 8°C, <16°C |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
|
< 8°C |
0,90 |
0,90 |
0,90 |
* Od 1 stycznia 2019 r. w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością.
Ściany zewnętrzne
Współczesne wymagania stawiane budynkom w zakresie izolacyjności cieplnej przegród są znacznie ostrzejsze niż w przeszłości. Historię zmian dopuszczalnych wartości współczynników przenikania ciepła przez ściany pokazano na rys. 8. Ostatecznie w 2021 r. dopuszczalne wartości tych współczynników mają być ok. sześciokrotnie niższe niż pierwotnie. Ściany zarówno nowych budynków, jak i tych podlegających przebudowie muszą się charakteryzować współczynnikiem przenikania ciepła nieprzekraczającym maksymalnych dopuszczalnych wartości, które podano w tabeli.
dr inż. Robert Geryło
Instytut Techniki Budowlanej
Uwaga: Artykuł ukazał się w nr. 4/2016 czasopisma „Budownictwo i Prawo”. Jest fragmentem książki Nowoczesny standard energetyczny budynków, Oficyna Wydawnicza POLCEN, Warszawa 2015 (więcej informacji o książce: www. polcen.com.pl.).
Bibliografia
1. R. Geryło, Nowe technologie w termoizolacjibudynków, „Inżynier Budownictwa” nr 11/2013.
2. B. Pietruszka, R. Geryło, Materiały izolacyjne na bazie aerożeli, „Materiały Budowlane” nr 1/2011.
S. Mańkowski et al., Opracowaniekońcowestrategicznego projektubadawczego pt. „Zintegrowany system zmniejszania eksploatacyjnej energochłonności budynków”, Zadanie badawcze nr 2 pt. „Opracowanie optymalnych energetycznie typowych rozwiązań strukturalno-materiałowych i instalacyjnych budynków”, NCBiR: SP/B/2/76638/10.
