Vývoj pokročilých tepelněizolačních materiálů má v současné době velký význam, a to především v oblasti snížení spotřeby energie budov, technologických zařízení apod. a snížení souvisejících emisí CO2. Z materiálového hlediska je nutné v současné době hledat především nová řešení v oblasti pokročilých a inteligentních materiálů, tedy takových materiálů, které v sobě kombinují více pozitivních vlastností.
V oblasti tepelných izolantů jsou již dlouhodobě zajímavé izolanty vyráběné ze snadnoobnovitelných a druhotných surovin. Z pohledu progresivních technologií dosahovaných tepelných vlastností jsou v současné době představitelem materiálů s nejnižší ekvivalentní hodnotou součinitele tepelné vodivosti tzv. vakuové izolační panely (VIP).
Co je vakuová izolace (VIP)?
Vakuová izolace patří mezi takzvané high-tech izolační materiály. Jedná se o sendvičový tepelně izolační panel, který je až 10x (!) účinnější než všechny dosud známé tepelné izolanty. To znamená, že místo 300mm standardní tepelné izolace lze aplikovat pouze 30mm vakuované.
Počátky vývoje vakuových izolací jsou přisuzovány vynálezu profesora Jamese Dewara, který vynalezl Dewarovu nádobu, známou jako termosku, která je na trhu již od roku 1904. Právě on řešil problematiku redukce přenosu tepla ve vakuové nádobě. Výsledkem jeho výzkumu byla dvojitá vnitřní nádoba s dvojitými lesklými stěnami, mezi nimiž je vakuum. Díky vakuu tak nedochází prakticky k přenosu tepla vedením (kondukcí).
První vývoj a výroba VIP proběhla již v první polovině 20. století (letecký a raketový průmysl), přičemž první aplikace v oblasti stavebnictví se datují až od roku 1999. První komerční využití vakuových izolačních panelů bylo zaznamenáno v roce 1970, kdy byly tyto materiály využity především jako izolace u lednic, mrazáků a chladicích boxů. V současné době 60 % vakuových izolačních panelů nalézá uplatnění v mrazírenském a chladírenském průmyslu, dalších 30 % je využíváno jako izolace přepravních boxů a zbývajících 10 % se využívá ve stavebnictví, jako tepelná izolace.
Čtěte také: Asfaltové vozovky – skladba a konstrukce
Složení vakuových izolačních panelů
Vakuové izolační panely se skládají z obálky a jádrového izolantu a dalších doplňků výrobku. Obálka panelu má za úkol především udržet velmi nízký tlak, který je uvnitř panelu. Vnitřní jádrový izolant je tvořen izolačním materiálem s velmi jemnou pórovitou strukturou, u něhož dochází při snížení tlaku ke snížení tepelné vodivosti cca 10× oproti stavu za tlaku normálního.
Tyto výrobky dosahují celkově extrémně nízkých hodnot součinitele tepelné vodivosti, která se v praxi pohybuje na úrovni od 2 mW/(m.K) u izolantů s jádrem na vláknité bázi (např. na bázi skleněné vlny) do 5 mW/(m.K) u izolantů s jádrem na bázi jemně pórovitých matric (např. na bázi SiO2 ve formě aerogelu nebo pyrogenního SiO2). Součinitel tepelné vodivosti u jader vakuových izolačních panelů se obvykle pohybují od 3 do 7 mW‧m−1‧K−1 při vakuu (typicky při iniciačním tlaku 5-10 Pa), např. skleněná vlákna vykazují hodnotu λ0 = 3,0 mW‧m−1‧K−1, mikrosilika λ0 = 4,0 mW‧m−1‧K−1, polyurethanová pěna λ0 = 6,8 mW‧m−1‧K−1.
Jádrový materiál
Základem každé vakuové izolace ve formě VIP je jádrový tzv. „core“ izolant. Tento izolant se vyznačuje velmi jemnou pórovitou strukturou. Dnes běžně užívanými jádrovými izolanty jsou zejména anorganické materiály na bázi aerogelu nebo práškovitého oxidu křemičitého - mikrosiliky, práškového perlitu, případně různé druhy materiálů na bázi skleněných vláken. Jejich výhodou je výrazně nižší projev „outgassingu“ - unikání plynů z jádrového materiálu.
Mimo anorganických izolantů se jako jádrových izolací, především v posledních letech, začínají využívat izolanty na organické bázi, a to vzhledem k jejich výrazně nižší tepelné vodivosti (oproti materiálům anorganickým). Jedná se především o izolanty na bázi pěn z polyurethanu, polyesteru, polyethylenu a polykarbonátu. Obecně je známo, že jádrový materiál musí být pórovitý za účelem snadné vakuace, ideálně by měl vykazovat otevřenou pórovitost, měl by vykazovat dlouhodobou strukturní stabilitu a musí mít minimální negativní dopad na tepelný transport kondukcí. Bylo prokázáno, že čím jsou póry menší (při velmi vysoké celkové otevřené pórovitosti), tím je dosaženo lepších tepelně izolačních vlastností finálních vakuových izolačních panelů. Právě z tohoto důvodu jsou používány materiály ve formě jemných prášků, pěn s velmi malým středním poloměrem pórů a extrémně tenkých vláken.
V posledních letech se začínají i v oblasti VIP využívat alternativní jádrové izolace například na bázi melamin-formaldehydových vláken, a také izolanty na bázi druhotných surovin. Na Fakultě stavební, Vysokého učení technického v Brně probíhá v současné době výzkum v oblasti vývoje a studia chování environmentálně úsporných jádrových izolantů pro aplikaci do vakuových izolačních panelů. Jedná se především o organické materiály na bázi přírodních či odpadních polymerních vláken.
Čtěte také: Detaily pokládky šindele
Na základě provedených měření, u vláknitých izolantů na bázi organických odpadních vláken dochází ke snížení tepelné vodivosti při sníženém tlaku až na úroveň, která je ve většině případů vhodná pro výrobu vakuových izolačních panelů. V rámci provedených výzkumných prací byl proveden počáteční vývoj potenciálních jádrových materiálů na bázi organických vláken. Jednalo se o organická vlákna ze snadno obnovitelných surovinových zdrojů (lněná vlákna) a dále o vlákna z recyklovaného oděvního textilu a technických textilií (bavlněná a PES vlákna). Počáteční experimenty ukazují, že se jedná o materiály s vysokým potenciálem, především materiály na bázi bavlny se jeví jako zajímavé, je však nutné dosáhnout vyšší jemnosti vláken a vyšší objemové hmotnosti. Výhodou je zde však jednoznačně vysoká dostupnost výchozí suroviny (odpadní textil s vysokým podílem bavlny je prakticky dostupný po celém světě), využití druhotných surovin, a také nízká energetická a finanční náročnost výroby.
Obal vakuového panelu
Obálka panelu má za úkol především udržet velmi nízký tlak, který je uvnitř panelu. Ačkoliv fólie z nerezové oceli poskytuje výborné těsnící účinky jako obal jádrového materiálu u vakuových izolačních panelů, dnes se více používají jiné, lehčí, méně drahé, více všestranné plastové filmy nebo fólie pokovené hliníkem. V praxi se v Evropě tedy můžeme spíše setkat s polymerními filmy o třech, hliníkem pokovaných, vrstvách. Problematice obalů u vakuových izolačních panelů se věnuje široká řada výzkumníků, jelikož je to jedna ze stěžejních věcí pro životnost materiálů, která úzce souvisí s problematikou outgassingu a porušení vakua vakuového izolačního panelu. Také způsob obalení jádra a zakončení obalu vakuového izolačního panelu rozhoduje o možném vzniku tepelných mostů.
Kingspan Optim-R se skládá z mikroporézního jádra, z něhož je odčerpán vzduch. Jádro je chráněno hermeticky uzavřeným obalem.
Výhody a aplikace vakuové izolace
Kingspan Optim-R je panel s vakuovou izolací (vacuum insulation panel neboli VIP), který poskytuje třikrát lepší izolační vlastnosti ve srovnání s fenolickou pěnou či PIR a až šestkrát lepší vlastnosti než minerální vlna či EPS. Vynikající hodnoty deklarovaného součinitele tepelné vodivosti (λ = 0,007 W/(m . K)) dosahuje OPTIM-R i po 25letém životním cyklu v aplikaci (ověřeno zkouškou vlivu zrychleného laboratorního stárnutí). Ihned po vyrobení činí hodnota deklarovaného součinitele tepelné vodivosti cca λ = 0,035 W/(m . K).
Vakuové panely se uplatní zejména v místech, kde je nedostatek prostoru pro použití jiné izolace s násobně větší tloušťkou. Vakuové panely jsou vhodné především pro podlahové systémy, střechy, balkony a terasy, pro izolaci střešních oken a vnějších stěn. Klíčové využití VIP ve stavebnictví je především v oblasti kritických detailů stavebních konstrukcí neumožňujících zabudování izolantu v dostatečné tloušťce a v oblasti dodatečného zateplení. Tato kritická místa vznikají především ze statických, prostorových či estetických důvodů.
Čtěte také: Jak realizovat extenzivní zelenou střechu
Sanace tepelných mostů
Při výstavbě i rekonstrukci se velmi často setkáváme z tepelnětechnického hlediska s problematickými detaily. Při řešení těchto detailů jsme velmi často limitováni maximální možnou tloušťkou tepelné izolace. V těchto detailech se nabízí využití tzv. superizolačních materiálů, tedy materiálů, které dosahují velmi nízkých hodnot součinitele tepelné vodivosti. Článek je zaměřen na využití těchto superizolačních materiálů při sanaci tepelných mostů vznikajících v oblasti ostění výplní otvorů.
Absence dostatečného tepelnětechnického řešení na stávajících konstrukcí - tepelné mosty - se nejčastěji projevuje výskytem zvýšené vlhkosti a následných plísní v těchto oblastech. Právě oblasti výplní otvorů jsou místa, kde se nejčastěji setkáváme s tepelnými mosty. Použitím vakuového izolačního panelu při sanaci vady chybné osazení výplně otvoru vzhledem k poloze tepelné izolace došlo k podstatné změně rozložení teplotního pole tohoto detailu (celkově došlo ke zvýšení teploty v kritickém detailu o +4,5 °C). Povrchová teplota v oblasti ostění ze strany interiéru se podstatně zvýšila a je tak zamezeno možné kondenzaci vlhkosti v této oblasti a následnému vzniku plísní.
Postup sanace tepelných mostů v oblasti ostění:
- Před osazením VIP na ostění výplně otvoru je nutné nejprve odstranit stávající povrchovou úpravu v oblasti ostění ze strany interiéru i exteriéru.
- Následně se provede kontrola připojovací spáry, případné odstranění stávajícího materiálu a nahrazení vhodným tepelněizolačním materiálem - například výplňovou PUR pěnou.
- Po vytvrzení materiálu v připojovací spáře se spára utěsní ze strany interiéru parotěsnou páskou a ze strany exteriéru paropropustnou páskou.
- Po aplikaci pásky se na ostění v exteriéru nalepí vakuový izolační panel šířky dle sanovaného ostění.
- Spára mezi panelem a rámem okna se utěsní pružným tmelem. VIP je nutné aplikovat tak, aby těsně vyplnily kouty v ostění, což jsou z pohledu tepelnětechnicky nejkritičtější místa.
- Pokud po umístění VIP vznikne spára mezi panely (střed ostění a nadpraží) vyplní se vláknitým tepelněizolačním materiálem.
- Posledním krokem sanace je znovuprovedení povrchové úpravy ostění ze strany interiéru i exteriéru. Pro tyto účely je vhodné využít VIP s povrchovou úpravou (například s nalepenou tenkou vrstvou jiného typu izolantu (XPS nebo PUR pěna), aby bylo možné danou povrchovou úpravu na VIP provést bez poškození VIP.
Kingspan Optim-R pro balkony a terasy byl navržen jako ucelený systém, umožňuje řešit i kritická místa, jako například odvodňovací žlaby. Protože vakuová izolace musí zůstat neporušena, vyvinula společnost Kingspan speciální výplňové panely, které je možné upravovat na libovolný rozměr tak, aby došlo k odizolování obtížně dostupných nebo úzkých míst.
Další možnosti využití
Mimo sanace tepelných mostů uplatníme vakuovanou izolaci například v místě oslabení pláště a vzniku typických tepelných mostů - to je například zabudování rolád žaluzií do obvodového pláště, či při rekonstrukcích budov a památkově chráněných objektů. Používá se rovněž pro neprůhledné výplně dveřních křídel a příhradových rastrů fasád, například pro pasivní domy. Vyrábí se také jako prefabrikované stavební dílce se zabudovanou izolací.
Společnost Kingspan Group se specializuje na výrobu tepelných izolací na bázi PIR, fenolických pěn a vakuových izolací. Tyto izolační desky se vyznačují vysokou tepelně-izolační schopností. Základní izolační panely Optim-R doplňují panely Optim-R flex a Optim R-fix, k výplni mezer mezi panely a konstrukcí a k upevnění vakuových panelů ke konstrukci.
Většina VIP má oproti klasickým tepelněizolačním materiálům nižší životnost, resp. Skladbu stavební konstrukce je tedy vhodné navrhovat kombinovaně a VIP doplňovat primární izolaci na bázi klasických izolantů a dosáhnout tak vyššího odporu stavební konstrukce při menší tloušťce izolantu.
Problémy a výzvy
Současným problémem při využívání VIP je jejich poměrně vysoká cena, dále jejich omezená životnost, která je především problematická při využití těchto materiálů v oblasti stavebnictví, nemožnost dělení materiálu in-situ a obtížné zabudování do stavebních konstrukcí. Mimo výše uvedené problémy s využitím VIP ve stavebnictví (vysoká cena, nízká životnost a komplikované zabudování do konstrukce) bylo pro výrobce doposud i poměrně problematické v rámci Evropské unie uvádění těchto výrobků na trh, protože pro tyto výrobky neexistuje prozatím harmonizovaná výrobková norma. Tato norma je aktuálně v přípravě a očekává se, že by měla vejít v platnost v roce 2019.
I přes své výjimečné tepelněizolační vlastnosti nejsou vakuové izolační panely ve stavebnictví příliš rozšířeny. Příčinou je jejich náchylnost k mechanickému poškození a s ní související způsob aplikace vyžadující pečlivé dodržení technologických předpisů. Nicméně, vhodnou aplikací je možné dosáhnout efektivní sanace tepelnětechnických vad konstrukcí, kdy panel je schopen nahradit při výrazně menší celkové tloušťce dnes běžně používané tepelněizolační materiály.
Problémem je však životnost těchto izolantů a postupná degradace tepelně izolačních vlastností v čase.
Přehled izolačních materiálů
Následující tabulka porovnává vakuovou izolaci s některými běžnými izolačními materiály z hlediska součinitele tepelné vodivosti (λD).
| Materiál | Typická hodnota λD [W/(m.K)] | Poznámka |
|---|---|---|
| Vakuová izolace (VIP) | 0,004 - 0,008 | Až 10x účinnější než běžné izolanty |
| Expandovaný polystyren (EPS) | 0,036 | S příměsí grafitu (šedý EPS) až 0,031 |
| Extrudovaný polystyren (XPS) | 0,029 - 0,038 | Uzavřená buněčná struktura |
| Minerální vlna | 0,035 - 0,040 | Kamenná nebo skelná vlna |
| Polyuretanová pěna | 0,023 - 0,028 | Tvrdá polyuretanová pěna |
| Pěnové sklo | 0,040 - 0,050 | Úplně nehořlavý a parotěsný |
| Celulóza | 0,035 - 0,042 | Recyklovaný papír |
| Slaměné balíky | 0,052 | Přírodní materiál |
| Dřevitá vlákna | 0,038 - 0,050 | Přírodě šetrný materiál |
| Keramzit | 0,075 - 0,085 | Lehký keramzitový beton |
| Konopí | 0,036 - 0,040 | Přírodní materiál, odolný škůdcům |
| Len | 0,038 | Nízká ekologická stopa |
| Ovčí vlna | 0,035 - 0,042 | Optimalizuje vlhkost v prostoru |
| Korek | 0,037 - 0,040 | Obnovitelný zdroj, 100% recyklovatelný |
tags: #vakuová #izolace #principy #skladba #aplikace