Energetická efektivita budov a kvalitní zateplení jsou dnes zásadním tématem ve stavebnictví. Rostoucí ceny energií a přísnější požadavky norem na tepelnou ochranu budov nutí projektanty hledat co nejúčinnější izolační řešení. Cílem je minimalizovat tepelné ztráty, snížit náklady na vytápění a chlazení a zároveň plnit legislativní kritéria pro nízkoenergetické a pasivní domy.
Na trhu s tepelně izolačními materiály lze koupit mimo obvyklé izolační výrobky i tzv. reflexní tepelné izolace. 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.
Prodejci reflexních izolací často tvrdí, že součinitel tepelné vodivosti reflexní tepelné izolace dosahuje hodnot nižších než 0,01 W/(m‧K). Jeden prodejce sděluje tuto skutečnost spotřebiteli jinou formou: tři centimetry reflexní tepelné izolace se vyrovnají dvaceti centimetrům minerální vlny. Otázkou však zůstává, nakolik jsou tyto reflexní fólie skutečně účinné v praxi a kde je jejich použití smysluplné.
Způsoby šíření tepla
Abychom pochopili účinnost tepelně reflexních izolací, je nutné nejprve porozumět způsobům, jak se teplo šíří stavebními konstrukcemi. Teplo může přecházet třemi základními mechanismy: vedením, prouděním a sáláním.
Vedení (Kondukce)
- Při vedení teplo nastává při přechodu tepla z teplejší části na chladnější část tělesa nebo při přechodu tepla mezi vzájemně se dotýkajícími tělesy.
- Teplo se šíří skrz hmotu materiálu působením teplotního spádu, kdy molekuly nebo atomy předávají kinetickou energii svým sousedům.
- Typicky k vedení dochází v pevných látkách (např. ve stěně) - teplo prostupuje z teplejší strany na chladnější.
- Každý materiál má různou schopnost vést teplo, popsanou součinitelem tepelné vodivosti (λ).
- V inženýrské praxi se přenos tepla přes tepelnou izolaci modeluje jako vedení tepla. Schopnost materiálu zabraňovat přenosu tepla je charakterizována hodnotou součinitele tepelné vodivosti.
- Zpravidla velmi dobře vedou teplo kovy, zejména měď. Špatnými vodiči tepla jsou pak vzduch nebo voda. Ideálním tepelným izolantem (pro vedení tepla) je vakuum.
- Špatné tepelné vodivosti vzduchu se využívá ve většině stavebních izolací (izolační vaty, polystyreny).
Proudění (Konvekce)
- Proudění tepla je druhý způsob šíření tepla, kdy dochází k proudění hmoty o různé teplotě.
- Šíření tepla prouděním není možné u pevných látek, uplatňuje se pouze u kapalin a plynů.
- Ohřátý vzduch mění svou hustotu, stoupá vzhůru a je nahrazován chladnějším vzduchem (přirozená konvekce), případně je pohyb vyvolán mechanicky (např. větrem nebo ventilátorem).
- V konstrukcích se s konvekcí setkáváme ve vzduchových dutinách nebo netěsnostech - teplý vzduch může unikat spárami, nebo se pohybuje v nevakuovaných dvojsklech, větraných mezerách fasád apod.
- K úniku tepla prouděním z domu dochází zejména při větrání, kdy i při úplném bezvětří ohřátý vzduch s nižší hustotou uniká horní částí okenních (dveřních) otvorů ven a spodní částí proniká do domu chladný vzduch s vyšší hustotou.
- K úniku tepla prouděním může také docházet vlivem špatně utěsněné parozábrany ve střešní konstrukci, kdy dochází k proudění ohřátého vzduchu do izolace.
- Dobrá izolace by měla omezovat i konvekční toky.
Sálání (Záření, Radiace)
- Sálání je unikátní fyzikální proces, při kterém látka emituje do prostoru energii ve formě elektromagnetického záření. Je to přenos tepla bez přímého kontaktu.
- Sáláním se teplo přenáší také ve vakuu (na rozdíl od vedení a proudění).
- Zdrojem sálavého tepla se stává každý předmět, který pohltí tepelnou energii, kterou následně rychlostí světla vyzařuje do prostoru.
- Sálání je jednoznačně nejvýznamnější složkou přenosu tepla v domě a tedy i nejvýznamnější složkou tepelných ztrát. Sálání totiž prostupuje běžnými izolacemi jako je vata nebo polystyren.
- Velmi důležitou vlastností povrchů je emisivita - schopnost vyzařovat a pohlcovat tepelné záření.
- Povrchy s vysokou emisivitou (např. tmavý beton, cihla) snadno teplo vyzařují i absorbují.
- Naopak povrchy s nízkou emisivitou (leštěný kov, hliníková fólie) tepelné záření téměř nevyzařují a většinu odrážejí zpět.
- V uzavřených konstrukcích (např. vzduchová mezera mezi vrstvami stěny) může sálání tvořit značnou část tepelných ztrát - teplá vnitřní strana vyzařuje infračervené záření směrem k chladnější vnější straně.
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.
Čtěte také: Analýza teplotního spádu pro vyšší energetickou účinnost
Typy tepelných izolací
Na trhu existuje široká škála tepelných izolací, lišících se materiálem, formou i izolačními vlastnostmi.
Minerální a skleněná vlna
- Vláknité izolace vyráběné tavením hornin nebo skla, mají podobu rohoží, rolí či desek.
- Tepelná vodivost se pohybuje kolem 0,035-0,045 W/(m·K).
- Výhodou je nehořlavost, pružnost a propustnost pro vodní páru.
- Nevýhodou může být klesající izolační schopnost při zvlhnutí a nutnost chránit vatu před navlhnutím.
Pěnové plastové izolace
- Expandovaný polystyren (EPS), extrudovaný polystyren (XPS) a tvrdé pěny typu polyuretan (PUR) či polyizokyanurát (PIR).
- EPS: Lehké bílé desky s uzavřenými póry, běžně používané na zateplení fasád nebo podlah. Má λ ~ 0,036-0,040 W/(m·K). Je nenasiakavý, ale hořlavý (třída E).
- XPS: Hustší a odolnější vůči vlhkosti i tlaku - používá se v soklech, invertovaných střechách nebo pod terénem.
- PUR/PIR: Mívají ještě o něco lepší izolační parametry (λ ~ 0,025 W/(m·K)), jsou tuhé, používají se i ve formě nástřiků nebo sendvičových panelů.
- Plastové pěny obecně nejsou propustné pro vodní páru a při hoření mohou uvolňovat toxické kouře.
Přírodní izolanty
- Zahrnují materiály jako ovčí vlna, konopné a lněné rohože, celulózová vlákna či korkové desky.
- Jejich tepelně izolační schopnost je srovnatelná s minerální vatou (λ ~ 0,04 W/(m·K)).
- Výhodou je ekologičnost, často lepší schopnost akumulace tepla a regulace vlhkosti.
Všechny výše zmíněné izolace primárně fungují tak, že brání vedení tepla materiálem s nízkou tepelnou vodivostí a omezují proudění tím, že uzavírají vzduch v malých prostorech (vláknitá či pěnová struktura). Sálání tepla uvnitř těchto materiálů je částečně omezeno mnohonásobným pohlcováním a opakovaným vyzařováním v pórech. Pro dosažení požadovaného tepelného odporu konstrukce vyžadují často velkou tloušťku.
Termoreflexní izolace
Tepelně reflexní izolace představují samostatnou kategorii, odlišnou svým složením i mechanismem účinku. Jde obvykle o tenké vícevrstvé materiály na bázi fólií. Termoreflexní izolace fungují na principu odrazu infračerveného elektromagnetického záření, tedy tepelného záření. V chladném období odrážejí tepelné záření zpět do interiéru a naopak v horkém letním období odrážejí sluneční záření zpět do exteriéru, čímž brání přehřátí interiéru. Historicky se reflexní fólie uplatnily například v kosmonautice (tepelné štíty skafandrů či družic využívají vrstvy zlatých a hliníkových fólií k odrážení záření). Do stavebnictví pronikly tyto materiály v masovějším měřítku až koncem 20. století.
Konstrukce a princip
- Typický reflexní izolant se skládá z vrstev hliníkové fólie (nebo fólie pokovené hliníkem) prokládaných vrstvami plastových bublinek nebo pěnových folií.
- Na trhu je lze najít v rolích o tloušťce jen několika milimetrů až jednotek centimetrů.
- Výrobci často zdůrazňují, že díky odrazivým (reflexním) kovovým vrstvám a uzavřeným vzduchovým mezerám dokáže tento materiál výrazně omezit sálavou složku přenosu tepla. Zároveň funguje částečně i jako klasický izolant - v bublinkových vrstvách je uvězněn vzduch, který izoluje vůči vedení tepla.
- Termoreflexní izolace mají dvě důležité vlastnosti, které zásadně ovlivňují jejich tepelněizolační schopnosti: emisivita a reflektance, jež ovlivňují složku sálání poblíž reflexního povrchu.
- 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. Ta zamezí přímému dotyku a současně omezuje pohyb vzduchu (konvekci).
- Klíčovou roli hraje kvalita reflexních povrchů. 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. Pokud je ale povrch fólie zaprášený, oxidovaný či jinak upravený, odrazivost může klesnout - běžné průmyslové hliníkové fólie mívají odrazivost kolem 85-90 %.
- Většina termoreflexních izolací kombinuje hliníkové vrstvy s polyetylénovou bublinkovou fólií či pěnovou vložkou. Například jednoduchá skladba může být: hliníková fólie - bublinková fólie - hliníková fólie.
- Tloušťka těchto izolací je překvapivě malá - běžně 4 až 30 mm podle počtu vrstev. I přes malý profil ale mohou vykazovat měřitelný tepelný odpor. Ten vzniká zejména díky reflexi tepla.
- Výrobek se pak z hlediska tepelného působení jeví, jako by měl extrémně nízkou tepelnou vodivost λ (uvádí se i ekvivalent λ kolem 0,01 W/(m·K) nebo nižší pro čistě sálavou složku).
- Je ale nutné mít na paměti, že dosažení slibovaných parametrů je podmíněno správnou montáží: uzavřené vzduchové mezery, utěsnění spojů a orientace reflexních stran do těchto mezer.
SuperFOIL
Jedním z reprezentantů tepelněizolačních fólií je izolace SuperFOIL. Byla vyvinuta v rámci programu NASA. SuperFOIL je tepelněizolační technologie, která 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, nejen ve fyzice, ale také v dnes platné normě, sálání zastoupeno od 90 do 95 procent. SuperFOIL je tenká, lehká, flexibilní izolace, která se snadno a rychle instaluje. Vyrábí se ze 40 % recyklovaného materiálu a po své životnosti nejméně 50 let je znovu recyklovatelný. V České republice je 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.
Měření tepelného odporu termoreflexních izolací (metoda Hot Box)
Účinnost termoreflexních izolací byla ověřována i laboratorně, aby se zjistilo, jaký tepelný odpor mohou ve skutečnosti poskytnout. 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. Zařízení je určeno pro stanovení celkového množství tepla, které projde vzorkem termoreflexní izolace ze strany o vyšší teplotě na stranu o teplotě nižší. Zařízení je plnohodnotně vybaveno tak, aby se výsledky měření těsně přiblížily skutečnosti. Materiálem měřicí skříně je extrudovaný polystyren, kvůli jeho dobrým tepelně izolačním vlastnostem a větší pevnosti ve srovnání s klasickým pěnovým polystyrenem EPS.
Čtěte také: Index šíření plamene: Co potřebujete vědět
Metodika měření
- Vzorky se postupně osazovaly do otvoru mezi teplou a studenou komoru Hot Boxu.
- Měřilo se při různých teplotních rozdílech (např. ΔT = 10 K a 30 K mezi interiérem a exteriérem) a v různých orientacích vzorku - vodorovné, šikmé 45° a svislé.
- Každé měření probíhalo poté, co se teploty v boxu ustálily, a opakovalo se několikrát pro zvýšení přesnosti.
- Kromě toho byly zvlášť změřeny vlastnosti povrchů fólií - konkrétně jejich odrazivost (reflektance) pomocí specializovaného reflektometru a z toho odvozená emisivita.
Výsledky měření
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. Nicméně absolutní hodnoty tepelného odporu těchto tenkých izolantů jsou stále spíše nižší či střední. I nejlepší z testovaných vzorků s mnoha vrstvami dosahoval R okolo 1-1,2 m²K/W, což odpovídá asi 5-6 cm běžné pěnové izolace.
Z experimentálního měření byla nově prokázána závislost zvyšujícího se tepelného odporu na klesající exteriérové teplotě do záporných hodnot. Při teplotním rozdílu θEX = -2 °C a θIN = 15 °C se hodnota tepelného odporu téměř u všech vzorků přibližně zdvojnásobila oproti hodnotám naměřeným při teplotním rozdílu θEX = 5 °C a θIN = 20 °C. To znamená, že termoreflexní izolace jsou pro zimní tepelnou ochranu, kdy teploty venkovního prostředí dosahují záporných hodnot, účelným izolantem.
Také způsob spojení jednotlivých vrstev izolace hraje roli v naměřeném tepelném odporu. U dvou totožných vzorků se stejným počtem vrstev s jediným rozdílem, a to že v prvním vzorku byla LDPE bublinková fólie natavena na hliníkovou fólii a v druhém vzorku nikoliv, činil rozdíl tepelného odporu R = 1,0 m²K/W ve prospěch natavené fólie. To může být následkem lepší soudržnosti jednotlivých vrstev, kdy nedojde ke zvlnění fólií, a tím pádem ke zhoršení odrazivých schopností lesklé hliníkové fólie.
Výběr materiálů pro skladbu termoreflexní izolace je také velmi důležitý, a to především volba hliníkové fólie, u které sledujeme primárně hodnotu reflektance. Nejtenčí vzorky izolací typu ABBA byly porovnány právě z hlediska vlivu reflektance na výsledný tepelný odpor. U prvního vzorku byla použita hliníková fólie zlatého vzhledu a u druhého metalická hliníková fólie. Odrazivost fólie zlatého vzhledu z vnitřní strany dosahovala vyšší hodnoty oproti metalické fólii.
Pro srovnání uvádíme tabulku s podílem sálavé a vodivostní složky prostupujícího tepla ve vzduchové mezeře a odpovídající součinitel tepelné vodivosti pro různé tloušťky a emisivity okrajů:
Čtěte také: Index šíření plamene stavebních materiálů
| Tloušťka mezery (cm) | Emisivita okrajů (ε) | Podíl sálavé složky (%) | Součinitel tepelné vodivosti (W/(mK)) |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 (sálavé) | 67 | 0,077 |
| 1 | 0,1 (nesálavé) | ~6 | ~0,027 |
| 5 | 1 (sálavé) | ~90 | ~0,15 |
| 5 | 0,1 (nesálavé) | ~25 | ~0,035 |
Reflexní fólie, která kontaktně ohraničuje vrstvu pěnového polystyrénu, přeruší sálavý tok, který vstupuje či vychází z izolace. Termoreflexní izolace se často instalují mezi dřevěný rošt, který vytvoří uzavřené vzduchové mezery a ty dále zvyšují celkovou hodnotu tepelného odporu.
Praktické aplikace termoreflexních izolací
Termoreflexní izolace si našly své místo zejména jako doplněk ke stávajícím izolacím nebo řešení pro specifické detaily staveb, kde klasické izolanty narážejí na limity.
Šikmé střechy a podkroví
- V zateplených 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.
Obvodové stěny
- Obvodové stěny z jakýchkoliv materiálů lze zateplit termoreflexní fóliovou izolací z venkovní i vnitřní strany.
- Pro zateplení obvodového pláště budov se doporučuje vytvořit uzavřenou vzduchovou dutinu mezi nosnou konstrukcí stěny a reflexní tepelnou izolací. Dodatečná vzduchová dutina zvyšuje tepelný odpor souvrství.
- Jedná se o dutinu, kdy na jedné straně je povrch s vysokou emisivitou (povrch zdiva) a na druhé povrch s nízkou emisivitou (reflexní tepelná izolace).
- Součinitel přestupu tepla sáláním v takové dutině je přibližně 0,24 W/(m2K).
- Konstrukce zateplená 40 mm termoreflexní izolace dosahuje příznivější hodnoty U než konstrukce s EPS, a to 0,255 W·m-2·K-1. Abychom dosáhli u konstrukce s EPS stejné hodnoty U jako u konstrukce s termoreflexní izolací, museli bychom přidat dalších 40 mm EPS.
Další aplikace
- Termoreflexní izolace jsou vhodné v kombinaci s podlahovým vytápěním.
- U staveb, u kterých je neobývané podkroví, umožňuje použití Thermo Reflexu zvýšit energetickou účinnost budovy s velmi nízkými náklady. Stačí pokrýt Thermo Reflexem podlahu.
- Dále mají vysokou odolnost vůči různým druhům chemikálií, škůdcům, ultrafialovému záření a nejsou navlhavé. Z ekologického hlediska se jedná o recyklovatelný materiál, který neuvolňuje žádné škodlivé látky do svého okolí.
Z fyzikálního rozboru vyplývá, že reflexní tepelná izolace se vzduchem uzavřeným mezi fóliemi nemůže dosahovat lepších hodnot, než je součinitel tepelné vodivosti samotného vzduchu (≈ 0,024 W/(m‧K)). Pro další zlepšení by bylo potřeba trvale uzavřít do dutiny mezi fóliemi plyn, který dosahuje nižšího součinitele tepelné vodivosti než vzduch. Ještě lepší by bylo vytvořit vakuum.
tags: #termoreflexní #izolace #šíření #tepla #princip