V současném stavebnictví, kde se stále více klade důraz na energetickou efektivitu a snižování tepelných ztrát, se do popředí dostávají inovativní izolační materiály. Mezi ně patří i reflexní, neboli termoreflexní izolace, které se v praxi uplatňují stále více. Jejich základem je odrážení tepelného záření, což je klíčový rozdíl oproti konvenčním izolacím, které primárně zpomalují přenos tepla vedením a prouděním.
Způsoby šíření tepla a role sálání
Abychom pochopili účinnost tepelně reflexních izolací, je nutné nejprve porozumět způsobům, jak se teplo šíří stavebními konstrukcemi. Teplo může přecházet třemi základními mechanismy: vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) a sáláním (radiací).
- Vedení (kondukce): Při vedení se teplo šíří skrz hmotu materiálu působením teplotního spádu. Molekuly nebo atomy předávají kinetickou energii svým sousedům. Typicky k vedení dochází v pevných látkách, kde teplo prostupuje z teplejší strany na chladnější. Schopnost materiálu vést teplo je popsána součinitelem tepelné vodivosti (λ).
- Proudění (konvekce): Proudění je přenos tepla prostřednictvím pohybu tekutin, v našem případě vzduchu. Ohřátý vzduch mění svou hustotu, stoupá vzhůru a je nahrazován chladnějším vzduchem (přirozená konvekce), nebo je pohyb vyvolán mechanicky (např. větrem nebo ventilátorem). V konstrukcích se s konvekcí setkáváme ve vzduchových dutinách nebo netěsnostech.
- Sálání (radiace): Sálání je šíření tepla elektromagnetickým vlněním. Každé těleso vyzařuje tepelnou radiaci úměrně své teplotě, typicky v infračerveném spektru. Na rozdíl od vedení a proudění k sálavému přenosu nepotřebujeme prostředí (tepelné záření se šíří i vakuem). Termoreflexní izolace pracují se sálavou (zářivou) složkou sdílení tepla ve vzduchové mezeře. Její podíl na celkovém prostupu tepla činí v mezeře od 5 mm výš od 92 % do 99,7 % dle normy. Sálání jako takové potlačeno není, jeho velikost závisí jen na teplotě.
V praxi probíhá tepelný tok kombinací uvedených jevů. Úkolem tepelných izolací je co nejvíce zpomalit všechny tři mechanismy. Tradiční izolanty to dělají tím, že obsahují mnoho malých uzavřených prostor se stojatým vzduchem a povrchy pórů či vláken mohou částečně pohlcovat nebo odrážet sálání. Termoreflexní izolace kladou důraz hlavně na omezení sálavé složky toku tepla díky reflexním (odrazivým) vrstvám.
Princip reflexní tepelné izolace
Základem reflexních izolací je nosič (např. několik mm silná bublinová či pěnová vrstva), který je pokovený z jedné či obou stran velmi tenkou vrstvou hliníkové fólie. Složením několika takových jednotek vznikne vícevrstvá (termo)reflexní izolace. Světelné nebo tepelné (infračervené) záření, které dopadá na lesklý povrch fólie, se z větší části odrazí nazpět ke zdroji, zbytek je fólií pohlcen. Pohlcené záření se ve fólii změní v teplo.
Poměr intenzity odraženého záření a záření, které na povrch dopadá, je reflexivita, značíme ji symbolem r. Je to bezrozměrné číslo nabývající hodnot v intervalu (0;1), u běžných reflexních fólií mezi 0,8 až 0,9. Číslo a = 1-r vyjadřuje pohltivost záření fólií. Pro reflexní techniku je klíčový Kirchhoffův zákon, který uvádí vztah mezi emisivitou a pohltivostí tepelného záření: reflexní, tzn. nesálavý povrch s odrazivostí r má tedy pohltivost a = 1 - r, která je rovna emisivitě ε.
Čtěte také: Použití reflexní barvy na beton
Termoreflexní (tepelně reflexní) izolace jsou navrženy tak, aby snižovaly tepelné ztráty sáláním a doplňkově i vedením a prouděním v konstrukci. Základními fyzikálními vlastnostmi, které využívají, jsou nízká emisivita a vysoká reflektance (odrazivost) jejich povrchů. Aby tento princip fungoval, je nutné, aby reflexní fólie hraničila s alespoň malou vzduchovou mezerou. Kdybychom fólii nalepili přímo na chladnou stěnu, teplo by se přenášelo vedením z fólie do stěny a efekt odrazu záření by se neuplatnil. Proto se reflexní izolanty instalují tak, že mezi fólií a dalším materiálem zůstane tenká uzavřená vzduchová dutina.
Vícevrstvý reflexní systém vytváří sekvenci opakovaných tepelných odporů: střídá se nízkovyzařující povrch a tenká izolační vrstva. Emisivita nových hliníkových fólií se pohybuje kolem 0,05 (pouze 5 % emitovaného tepla oproti ideálnímu černému povrchu), tomu odpovídá reflektance okolo 95 %. Prakticky řečeno, čistá leštěná hliníková fólie odrazí zhruba 95 % dopadajícího infračerveného záření.
Výrobci reflexních bublinových nebo pěnových fólií využívají faktu, že s klesající tloušťkou mezery klesá podíl sálavé složky prostupu tepla a nesálavé, čili reflexní okraje navíc sálavou složku výrazně odcloní. Při tloušťce mezery 1 cm a sálavých okrajích mezery je podíl sálavé složky 67 % a součinitel lambda má hodnotu 0,077 W/(mK). Tyto izolace, při tloušťce od 3 do 5 mm s reflexním pokovením po obou stranách, dosahují běžně součinitele lambda 0,026 až 0,028 W/(mK).
Porovnání reflexních a konvenčních izolací
Klasické způsoby zateplení (např. silné vrstvy polystyrenu či minerální vaty) spolehlivě zlepšují tepelný odpor konstrukcí, avšak často vyžadují velkou tloušťku izolantu. Tepelně reflexní izolace - tenké vícevrstvé fólie s hliníkovými vrstvami - se proto objevují jako inovativní alternativa. Výrobci je prezentují jako materiály schopné dosáhnout vysokého tepelného odporu i při minimální tloušťce. Takové izolace mohou potenciálně řešit problém „tlustých stěn“ a umožnit zlepšení tepelných vlastností budovy bez výrazného zásahu do konstrukce.
Pevné a vláknité izolační materiály zadržují maximální množství stabilního vzduchu. Zpomalují únik teplého nebo studeného vzduchu - proto mají větší tloušťku. Tenká reflexní izolace funguje na jiném principu. Sálání tepla uvnitř těchto materiálů je částečně omezeno mnohonásobným pohlcováním a opakovaným vyzařováním v pórech. Pro dosažení požadovaného tepelného odporu konstrukce se tedy u běžných izolací musí použít dostatečně tlustá vrstva.
Čtěte také: Pravda o reflexní izolaci pro podlahové topení
Příklad: ohraničíme-li vzduchovou mezeru o tloušťce 10 cm reflexními okraji, součinitel tepelné vodivosti mezery bude 0,05 W/(mK) a sálání se bude na celkovém prostupu tepla podílet 51 %. Když budou naopak oba okraje mezery sálavé, součinitel tepelné vodivosti mezery vzroste desetinásobně na 0,52 W/(mK) a sálání se bude na celkovém prostupu tepla podílet 95 %. Obecně platí, že podíl sálání na celkovém prostupu tepla ve vzduchové mezeře úměrně roste s tloušťkou mezery a s klesající emisivitou okrajů. A naopak.
Praktické aplikace a typy reflexních izolací
Mezi reprezentanty tepelněizolačních fólií patří izolace SuperFOIL. Byla vyvinuta v rámci programu NASA. Je vyrobena z několika vrstev tepelně izolační pěny, vatové vrstvy a reflexní fólie, která brání volnému prostupu tepelného záření, jež je nejsilnějším teplosměnným médiem nejen na naší planetě, ale v celém Vesmíru. SuperFOIL je tenká, lehká, flexibilní izolace, která se snadno a rychle instaluje.
SuperFOIL chrání budovu v létě i v zimě. Tato technologie poskytuje vysoce účinnou tepelnou izolaci tím, že brání prostupu tepla mezerou při vedení, proudění a sálání. Pracuje zejména s faktem, že ve stavebních vzduchových mezerách je sálání zastoupeno od 90 do 95 procent. Izolace SuperFOIL je v České republice nabízena v různých variantách určených pro tepelnou izolaci střechy, fasády a podlahy. Nejvíce poptávané jsou parotěsné izolace SF6, SF19, SF19+, SF40 a SF60, které v kombinaci s paropropustnou izolací řady SFBB tvoří kvalitní tepelnou ochranu střechy a zároveň ochranu proti UV záření.
SuperFOIL představuje na českém trhu špičkový materiál, se kterým při správné aplikaci snadno dosáhne hodnoty součinitele prostupu tepla až U = 0,1 W/(m2K) a zároveň součinitele tepelné vodivosti λ = 0,025 W/(mK) pro celé tepelněizolační souvrství. To při tloušťce tepelně izolační mezery 20 cm nabízí tepelný odpor 8 m2K/W.
Thermo Reflex je další příklad reflexní izolace, která díky kombinovanému působení reflexe a ventilace při malé tloušťce izolační vrstvy umožňuje dosáhnout vynikajících výsledků v nových stavbách i při rekonstrukcích. Thermo Reflex aplikovaný uvnitř střechy zaručuje rychlé a trvalé zlepšení pocitu pohody v podstřešním prostoru - více chladu v létě a více tepla v zimě. U staveb s neobývaným podkrovím umožňuje použití Thermo Reflexu zvýšit energetickou účinnost budovy s velmi nízkými náklady pouhým pokrytím podlahy. Thermo Reflex umožňuje účinně izolovat budovu aplikací na obvodové stěny zevnitř, zaručuje vysokou účinnost izolace bez složitých a nákladných zásahů na vnějším plášti budovy.
Čtěte také: Vše o měrné tepelné kapacitě betonu
Reflexní izolace si našly své místo zejména jako doplněk ke stávajícím izolacím nebo řešení pro specifické detaily staveb, kde klasické izolanty narážejí na limity. V šikmých střechách a podkrovích se reflexní fólie používají buď samostatně, nebo v kombinaci s minerální vatou. Často se instalují těsně pod krytinu nebo z vnitřní strany krokví. V létě odrážejí sálavé teplo od rozpálené střešní krytiny zpět ven, čímž snižují přehřívání podkroví. V zimě naopak mohou odrážet teplo zpět do interiéru.
Díky malé tloušťce nezabírají téměř žádný prostor - to je výhodné tam, kde mezi krokvemi není místo pro silnou vrstvu izolace. Montážně se fólie obvykle připevňuje sponkami nebo latěmi na krokve, přičemž se ponechá mezera mezi fólií a krytinou či podhledem. Důležité je napojení jednotlivých pásů - spoje se musí překrývat a zalepit speciální hliníkovou páskou, aby nevznikaly netěsnosti.
Fyzikální zákony a měření
Fyzikální základy tepelného záření byly položeny v 18. a 19. století vědci jako Gustav Kirchhoff, Wilhelm Wien, Josef Stefan a Ludwig Boltzmann. Max Planck pak v roce 1900 formuloval přesný popis tepelného záření, platný dodnes. I) Stefanův-Boltzmannův zákon říká, že intenzita sálání absolutně černého tělesa je úměrná čtvrté mocnině jeho termodynamické teploty. III) Kirchhoffův zákon uvádí vztah mezi emisivitou a pohltivostí tepelného záření. Pro reflexní techniku je to klíčový fakt.
Pro měření izolačních schopností se používá například metoda Hot Box - velká měřicí komora, ve které se udržuje rozdíl teplot mezi teplou a studenou stranou vzorku a měří se množství prostupujícího tepla. Laboratorní zkoušky potvrdily, že deklarovaný princip reflexních izolací funguje - správně navržené souvrství několika fólií a vrstev s uzavřeným vzduchem dokáže významně omezit sálavou složku prostupu tepla.
Výsledky ukázaly, že i velmi tenké reflexní izolace vykazují nezanedbatelný tepelný odpor, lišící se podle skladby a podmínek. Například vzorek složený ze dvou hliníkových fólií a jedné bublinkové vrstvy dosahoval tepelný odpor zhruba R = 0,85 m²K/W (pro teploty kolem 15 °C uvnitř a -2 °C vně). To je hodnota srovnatelná s cca 3-4 cm běžného polystyrenu. Složitější vícevrstvé systémy měly R ještě vyšší, blížící se nebo přesahující 1,0 m²K/W. Obecně platilo, že více reflexních vrstev znamenalo lepší izolaci - každý další „sendvič“ fólie s mezerou přidal dílčí odpor.
Zajímavým zjištěním bylo, že tepelný odpor reflexních izolací závisí na teplotním rozdílu a orientaci. Při vyšším teplotním spádu (30 K) vykazovaly některé vzorky o něco lepší R než při nižším rozdílu (10 K). To naznačuje, že při větších teplotních rozdílech se sálavá složka projeví výrazněji a reflexní prvky ji účinněji eliminují, čímž relativní přínos roste. Nejpříznivější výsledky byly u vzorků umístěných svisle (jako stěna), kde nedocházelo uvnitř vrstev téměř k žádné konvekci.
Měření rovněž potvrdila, že nové hliníkové fólie mají velmi vysokou odrazivost, často přes 90 %. Například leštěná Al fólie vykazovala reflektanci kolem 95-97 % (emisivita pouze 3-5 %). Pokud byla fólie opatřena tenkou vrstvičkou oxidu či nečistoty, odrazivost mohla klesnout k 85-90 %. Plastové fólie bez kovu (čirý polyetylén) pro srovnání téměř žádnou tepelnou reflexi neposkytují (emisivita blízká 1,0).
Tabulka: Vliv reflexní parobrzdy na součinitel prostupu tepla (U) ve skladbě šikmé střechy
Následující tabulka demonstruje vliv reflexní parobrzdy na celkový součinitel prostupu tepla (U) ve zvolené skladbě šikmé střechy, ve srovnání s konstrukcí s klasickou parobrzdou a pouze s tepelnou izolací.
| Skladba konstrukce | U [Wm-2K-1] | Vliv na zlepšení oproti běžné parobrzdě |
|---|---|---|
| Tepelná izolace v celé konstrukci tl. 290 mm | 0,136 | 111,1 % |
| Tepelná izolace v tl. 250 mm a reflexní parobrzda | 0,146 | 104,6 % |
| Tepelná izolace v tl. 250 mm a parobrzda bez reflexe | 0,153 | 100,0 % |
Z tabulky je patrné, že vliv reflexní parobrzdy oproti klasické parobrzdě zlepšuje tepelně-izolační vlastnosti konstrukce téměř o 5 % (přepočteno na celkovou tloušťku izolace).
tags: #reflexní #tepelná #izolace #princip