Tepelná izolace elektrických obvodů a stavebních systémů je klíčová pro jejich dlouhodobou spolehlivost, bezpečnost a energetickou účinnost. Tato problematika zahrnuje širokou škálu aspektů, od výběru správných materiálů s ohledem na dielektrické vlastnosti a teplotní odolnost, až po precizní provedení a minimalizaci chyb při instalaci.
Principy tepelné izolace
Tepelněizolační materiály jsou soustavou velmi malých pórů a skeletu. V materiálu dochází ke třem mechanismům přenosu tepla: k vedení, proudění a sálání. Vedení probíhá v pevné fázi. Vedení a proudění probíhá v pórech tepelné izolace, v kterých je uzavřený nějaký plyn, nejčastěji vzduch. Molekuly plynu se pohybují a tím přenášejí teplo. Přenos tepla sáláním je přenos energie mezi dvěma tělesy o různé teplotě šířením elektromagnetických vln. V inženýrské praxi se přenos tepla přes tepelnou izolaci modeluje jako vedení tepla. Schopnost materiálu zabraňovat přenosu tepla je charakterizována hodnotou součinitele tepelné vodivosti. Ten lze změřit jednoduchými metodami založenými na vytvoření ustáleného teplotního rozdílu.
Reflexní tepelné izolace
Na trhu s tepelně izolačními materiály lze koupit mimo obvyklé izolační výrobky i tzv. reflexní tepelné izolace. Může se například jednat o kombinaci plastové fólie s uzavřenými vzduchovými polštářky s několika vrstvami pokovené fólie. Prodejci reflexních izolací často tvrdí, že součinitel tepelné vodivosti reflexní tepelné izolace dosahuje hodnot nižších než 0,01 W/(m‧K). Pro účely výpočtu součinitele tepelné vodivosti si lze reflexní tepelnou izolaci zjednodušeně představit jako soustavu několika rovnoběžných fólií řazených za sebou (obrázek 1, vlevo). Oba povrchy fólie mají nízkou emisivitu. 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.
Tabulka níže porovnává tepelnou vodivost běžného vzduchu s některými dalšími plyny používanými v izolačních materiálech a vakuem.
| Materiál/Prostředí | Součinitel tepelné vodivosti (W/(m‧K)) | Poznámka |
|---|---|---|
| Klidný vzduch | 0,024 (pro 10 °C) | Standardní hodnota pro srovnání |
| Vakuum | ≈ 0,000 | Ideální izolant, minimální přenos tepla |
| Plyny s nižší vodivostí | < 0,024 | Např. argon, krypton, xenon používané v izolačních sklech |
Teplotní třídy a životnost izolace
Kromě zajištění dielektrické funkce musí mít izolační materiál také teplotní odolnost odpovídající podmínkám použití chráněného zařízení. Teplotní třída určuje maximální teplotu, při které si elektrický izolant zachová určitou tepelnou stabilitu s ohledem na stárnutí. Norma IEC 60085 uvádí uznávaný systém teplotních tříd pro izolace používané na elektrotechnických výrobcích. Tyto výše uvedené teploty jsou teploty skutečné a ne povolené oteplení elektrotechnického výrobku.
Čtěte také: Vše o měrné tepelné kapacitě betonu
Tabulka teplotních tříd dle IEC 60085
| Teplotní třída | Maximální teplota (°C) |
|---|---|
| Y | 90 |
| A | 105 |
| E | 120 |
| B | 130 |
| F | 155 |
| H | 180 |
| N | 200 |
| R | 220 |
| S | 250 |
Další intervaly nad 250 °C se řadí po 25 °C. Životnost izolace závisí i na vlhkosti, nečistotách a chemikáliích, které na izolace působí. Tepelná stálost se dá zvýšit použitím chemicky inertních plynů nebo tekutin. Všechny tyto použitelné materiály podle jejich třídy a opatření ke zvýšení jejich tepelné stálosti jsou v rukou výrobců elektrotechnických výrobků.
Výběr elektrického izolantu: 4 klíčová kritéria
Ideální elektrický izolátor je především ten, který splní zadání.
- Dielektrické vlastnosti: Izolační materiály musí mít samozřejmě dielektrické vlastnosti umožňující účinnou ochranu zařízení. V některých případech je však nezbytné, aby zvolená elektrická izolace odolávala vysokým teplotám. Proto se nemusí nutně hledat nejlepší dielektrické vlastnosti a musí se hledat kompromisy, zejména pokud jde o mechanickou pevnost.
- Teplota použití: Výběr izolace úzce souvisí s tepelnými podmínkami, kterým bude během své životnosti vystavena. Izolátor totiž může na jedné straně degradovat působením tepla a na druhé straně se jeho dielektrická pevnost mění s teplotou. Při výběru izolace je proto třeba dbát na respektování tepelné třídy zařízení.
- Ekonomické kritérium: Ekonomické hledisko je důležitým kritériem, které je třeba zohlednit při výběru izolantu, protože rozdíly v nákladech mohou být mezi dvěma materiály velké. Náklady na vysoce výkonný izolátor mohou napomoci spolehlivosti izolovaného zařízení a mohou tak umožnit dosáhnout významných zisků na ostatních stanicích tvořících systém.
- Výběr uznávaných materiálů: Je třeba mít na paměti, že ne všechny materiály jsou stejné, i když je jejich chemické složení a priori totožné. Kromě normy IEC 60085 existují i další normy pro klasifikaci izolačních materiálů, které mohou vydávat certifikační orgány. V této oblasti je jednou z nejprestižnějších značek shody výrobků a celosvětově uznávanou bezpečnostní značkou certifikace UL, kterou vydává společnost Underwriters Laboratories®.
4 typy elektrických izolátorů s tepelnou odolností
Schopnost elektrického izolantu odolávat teplu závisí na několika faktorech, například na chemickém složení materiálu. Pro výběr správného elektrického izolantu je třeba znát tepelnou třídu zařízení, které má být chráněno. Výběr je pak otázkou kompromisu mezi ekonomickými, tepelnými a elektrickými kritérii.
- Polyestery: Samotné polyestery snesou provoz až do teploty 160 °C nebo i více v závislosti na délce expozice. Normy uvádějí 130 °C pro IEC a 105 °C pro UL. Například polyester PET funguje dobře až do 105 °C a PEN lze používat i při 160 °C.
- Polyethylen: Polyethylen je dobrý izolant, ale nelze jej použít při teplotách nad 60 °C/RTI UL continuous nebo 130 °C/IEC.
- Polyimid: Polyimid je nejúčinnějším polymerem při hledání dobré elektrické izolace při vysokých teplotách, protože je schopen odolávat více než 400 °C po dobu několika hodin. Nejznámější značkou polyimidu je Kapton, který je k dispozici ve formě lepidel nebo rolí fólie. Polyimidy tak mají teplotní odolnost až 400 °C při teplotním maximu.
- Tuhé nebo pružné materiály (kombinace): Pro zlepšení tepelných vlastností je také možné kombinovat výhody několika materiálů. Nokamex Duplex je tedy tvořen sestavou dvou materiálů: polyimidová fólie Kapton pro teplotní odolnost a izolaci a aramidový papír Nomex pro zvýšení mechanické pevnosti. Získaný materiál je tak vynikajícím izolantem použitelným při vysokých teplotách a s vysokou mechanickou odolností.
Vnější kontaktní zateplovací systémy (ETICS)
Vnější kontaktní zateplovací systém, mezinárodně označovaný zkratkou ETICS (external thermal insulation composite system), je stavební výrobek složený z jednotlivých komponentů, přesně definovaná sestava, která se kupuje v rámci jedné obchodní transakce u jednoho dodavatele - tzv. „kit“. ETICS je složený z lepicí hmoty, tepelné izolace, kotevních prvků, základní vrstvy (složené ze stěrkové hmoty a skleněné síťoviny), tenkovrstvé omítky a případně fasádní barvy. ETICS je k podkladu připevněný lepením nebo mechanicky pomocí kotvicích prvků, nebo nejčastěji pomocí obou způsobů připevnění. Návrh ETICS ovlivňují i požadavky na požární bezpečnost. Vliv mají zejména na volbu materiálu tepelné izolace a kombinaci různých izolantů v ETICS.
Legislativní požadavky a certifikace
Dle zák.22/1997 Sb. je povinnost umísťovat do stavby pouze certifikované výrobky s „Prohlášením o shodě“. Ke každému výrobku, tj. i k sestavě „kit“ se předává prohlášení o shodě a návod k užívání a údržbě. V ČR lze provést posouzení shody ETICS buď podle evropského modulu shody, tj. dle NV č. 190/2002 Sb. - Evropské technické schválení (ETA), nebo podle národního systému, tj. dle NV č. 163/2002 Sb. ve znění 312/2005 Sb. Při zpracování ETA se postupuje dle pokynů ETAG 004, při zpracování STO se postupuje dle technických návodů, do kterých jsou zapracovány pokyny ETAG 004 s drobnými zjednodušeními. „Výrobce ETICS“ musí mít zavedený systém řízení výroby - při certifikaci a při dohledu 1 x ročně se zavedenost SŘV prověřuje. Pro ETICS se doporučuje respektovat ČSN 73 2901 Provádění vnějších tepelně izolačních kompozitních systémů, ČSN 73 2902 Vnější tepelně izolační kompozitní systémy (ETICS) - Navrhování a použití mechanického upevnění pro spojení s podkladem, dále pravidla Cechu pro zateplování budov.
Čtěte také: Význam tepelné vodivosti betonu ve stavebnictví
Příprava podkladu pro ETICS
V první řadě před výkladem samotné technologie provádění je třeba zdůraznit, že zateplení by měl předcházet stavebně-technický průzkum objektu a studie, která hodnotí objekt jako celek. Z takovéto studie vzejdou návrhy optimálních řešení pro snížení spotřeby energie na vytápění. Zateplení by mělo být součástí celkové rozvahy o revitalizaci objektu. Pro dosažení očekávaných úspor musí být součástí zateplení i nová regulace otopné soustavy. Před zhotovením vnějšího tepelně izolačního kontaktního systému je třeba důkladně připravit podklad. Podklad pro ETICS musí být vyzrálý, bez prachu, mastnot, odbedňovacích přípravků, výkvětů, puchýřů a odlupujících se míst, biotického napadení a aktivních trhlin. Minimálně se doporučuje průměrná soudržnost podkladu 200 kPa a nejmenší z hodnot 80 kPa. Rozsah a četnost průzkumu podkladu by měla odpovídat zejména druhu podkladu a úrovni jeho degradace. Další požadavky jsou kladeny na teplotu podkladu a vzduchu pro aplikaci ETICS, obvykle je požadován interval +5 až +30 °C. Zateplovací systém v žádném případě nemá funkci sanačního opatření pro železobetonové i jiné nosné konstrukce. Poruchy a vady nosných konstrukcí nesmí být zakrývány zateplovacím systémem bez předchozí sanace. Před zateplením se musí odstranit zjevná příčina poruchy, železobetonová konstrukce musí být očištěna, případná odhalená výztuž rovněž a opatřena antikorozním nátěrem. Betonový povrch pak musí být reprofilován vhodným postupem. I u novostaveb je třeba před zateplením dbát na vhodný podklad. Problematická bývá zejména vlhkost podkladu způsobená obvykle smáčením srážkovou vodou z důvodu nedokončených klempířských konstrukcí a jiných detailů. Staré zvětralé omítky se musí v prvním kroku bezpodmínečně odstranit a ve druhém kroku upravit na požadovaný tvar. Je důležité, aby byly všechny vnitřní práce, které jsou spojeny s mokrými procesy, již dokončeny. Realizační firma by měla mít položku úpravy povrchu před zateplováním již v nabídkové ceně, a to včetně likvidace odpadu. Podklad se čistí tlakovou vodou popř. s vhodným čisticím prostředkem. Pokud se použije čisticí prostředek, je třeba nakonec povrch omýt pitnou tlakovou vodou. Řasy na původním povrchu před zateplením je rovněž třeba odstranit vhodným biocidem. Zároveň je třeba před lepením tepelné izolace posoudit vhodnost podkladových vrstev, ať už vizuální nebo měřením povrchových pevností samotného podkladu, případně přilnavost doporučeného systémového lepidla na daný podklad. Zdivo, na které se tepelná izolace lepí, musí být dostatečně rovné. Na nevhodných površích je třeba podklad opravit, přičemž musí být použity vhodné malty s vysokou přilnavostí na podklad, nízkým modulem pružnosti a s vysokou pevností v tahu při ohybu. Výhodou doporučené malty je rychlé vytvrzování, což umožňuje následné lepení polystyrenu nebo minerální vlny již po jednom dni.
Zakládání systému ETICS
Zateplovací systém se obvykle zakládá na tzv. zakládací lištu. Jednotlivé díly zakládací lišty se spojují plastovými spojkami. Pro vyrovnání případných nerovností se zakládací lišta v místech kotvení podkládá speciálními podložkami. Zakládací lišta se nenapojuje přeložením. Soklové profily se připevní na zdivo šrouby s malou mezerou (přibližně 2 až 3 mm), přičemž je vhodné použít plastové dilatační spojky. Šířka profilu musí odpovídat použité tloušťce tepelné izolace. Na vyrovnání nerovnosti pod profily se použijí vyrovnávací podložky. Variantou založení zateplovacího systému na zakládací lištu je založení na montážní lať (pokud to výrobce zateplovacího systému připouští). Na připravený podklad se do vrstvy lepicí hmoty vtlačí pruh skleněné síťoviny s volným dolním okrajem odpovídajícím tloušťce tepelné izolace a přesahu siťoviny na líc ETICS (obvykle 15 cm). Na podklad se následně připevní montážní lať s horním lícem v místě založení ETICS. Po nalepení první řady desek tepelné izolace se lať odstraní a volný pruh skleněné síťoviny se vtlačí do předem nanesené stěrkové hmoty na spodním a předním líci první řady desek tepelné izolace. Detail se následně ještě opatřuje rohovým profilem s okapničkou. Založením bez zakládací lišty se zvyšuje požární odolnost založení systému a eliminuje se tepelný most v místě založení. I zde však platí, že se skleněná síťovina vtlačuje do vrstvy stěrkové hmoty. Dodatečné zatírání skleněné síťoviny připevněné k tepelné izolaci bez stěrkové hmoty je chybné řešení. V místě založení systému je třeba dbát na volbu správné tepelné izolace. Pokud k použití desek z minerálních vláken nevedou jiné důvody, doporučuje se u soklů, kde se očekává větší mechanické a vlhkostní namáhání, použít jiný, méně nasákavý a více mechanicky odolný materiál tepelné izolace. Vždy je třeba ale volit desky určené do zateplovacího systému, nikoliv například hladké desky extrudovaného polystyrenu.
Lepení a kotvení tepelné izolace
Na podklad se pomocí válečku, rozprašovače nebo štětce nanese penetrační nátěr. Lepicí hmota se na desku tepelné izolace nanáší po obvodě desky v šířce 50 až 80 mm a jako terče velikosti dlaně v podélné ose desky. Celoplošné lepení je povinné u lamel z minerálních vláken (vlákna orientovaná kolmo ke stěně; využívají se zejména k zateplování zakřivených stěn). Jedině tyto dva způsoby lepení zajistí rovinnost a celistvost vrstvy tepelné izolace. Lepicí malta se nanese přímo na rubovou stranu tepelně izolační desky v nepřerušovaném pásu po jeho obvodu v tloušťce 20 až 30 mm a v několika bodech (nejčastěji ve třech) po jeho ploše. Malta musí pokrývat více než 40 % plochy desky. Po nalepení se deska důkladně přitlačí na podklad. Lepidlo se při nanášení nesmí dostat na boky izolace a vytlačovat se přes spáry mezi deskami. První řada desek se aplikuje do soklového profilu. Desky je třeba lepit ve směru zdola nahoru na vazbu a těsně vedle sebe. Spáry musí mít šířku <2 mm. Spára mezi deskami tepelné izolace nesmí být umístěna do spáry zakládací lišty. Pak se prakticky nelze - i při jinak dokonalém provedení základní vrstvy v tomto detailu - vyhnout prasklinám v místě spár. Desky tepelné izolace se lepí na vazbu, a to se vzájemným posunutím minimálně 150 mm. Desky je třeba lepit bez mezer. Mezery jsou tepelnými mosty v ETICS. Je chyba případné mezery vyplňovat lepicí hmotou. Výjimečně lze úzké mezery v pěnovém polystyrenu vyplnit nízkoexpanzní polyuretanovou pěnou. Pokud je spára, která vznikne mezi nalepenými tepelně izolační deskami, větší než 2 mm (povolená je max. 4mm spára), lze ji vyplnit polyuretanovou pěnou. Větší mezery by se po nalepení tepelné izolace neměly vyskytovat. Pokud se vyskytují, je výjimečně možné vyplnit je vtlačením přířezu tepelné izolace. Je nepřípustné desky tepelné izolace vzájemně lepit mezi sebou. K tomu může být tendence zejména v detailech. Tepelněizolační desku z plochy fasády se doporučuje klást s přesahem do plochy otvoru o více než tloušťku budoucího zateplení ostění a nadpraží. Až teprve takto vzniklý prostor v ostění a nadpraží se doplní tepelněizolační deskou rozměrově upravenou pro tento detail. Desky se kotví obvykle po 1 až 3 dnech po nalepení desek, a to v rozích, ve spárách desek a v ploše desek. Minimálně se používá 6 ks kotevních prvků/m2, to je při rozměru desky 1 x 0,5 m kotevní prvek v každém T spoji desek a jedna kotva v ploše desky. V každém případě se kotví tam, kde je na rubu desky lepicí hmota. Používají se plastové hmoždinky, pro desky tepelné izolace z pěnového polystyrenu obvykle s plastovým popř. Talíře kotevních prostředků nesmí být příliš zamáčknuté do tepelné izolace a desky tak poškozovat a nesmí z povrchu ani vylézat. Pokud je tepelná izolace z pěnového polystyrenu nalepena na stěně delší dobu, obvykle více než 14 dní, dochází k její degradaci UV zářením. Je třeba pamatovat na to, že v rámci broušení tepelné izolace před nanášením základní vrstvy musí být tato degradovaná vrstva odstraněna. Broušením se rovněž odstraní i případné nerovnosti na tepelné izolaci.
Základní vrstva a povrchová úprava
Před prováděním základní vrstvy se osazují ukončovací a rohové prvky a zesilovací přířezy skleněné síťoviny (diagonálně v rozích otvorů, na styku dvou různých izolantů apod.). Skleněná síťovina v ploše se pak zatlačuje do předem nanesené stěrky. Skleněná síťovina se pokládá s předepsanými přesahy, min. 100 mm. Hladítkem se vložená skleněná síťovina zatlačuje do stěrkové hmoty, která prostoupí jejímy oky. Obvyklá tloušťka základní vrstvy je 2 až 6 mm, optimální tloušťka je 3 až 4 mm. Při riziku zvýšeného mechanického namáhání fasády je možné provést základní vrstvu se dvěma vrstvami skleněné síťoviny nebo s jednou vrstvou tzv. pancéřové skleněné síťoviny. Pokud se skleněná síťovina dává ve dvou vrstvách, dává se bez přesahů. Při aplikaci vyrovnávací vrstvy na výztužnou mřížku nesmí vzniknout puchýře ani záhyby. Pokud se vyztužení detailů neprovede nebo se provede chybně, s velkou pravděpodobností se v detailech objeví trhliny. Základní vrstva včetně skleněné síťoviny musí být přetažena přes zakládací lištu. I v detailech platí, že výztužná skleněná síťovina se natahuje do již nanesené stěrkové hmoty. Výztužná vrstva na tepelně izolačních deskách v soklové části se zatahuje min. 300 mm pod úroveň terénu, aby byly izolační desky dostatečně chráněny proti mechanickému poškození. Typ penetrace musí odpovídat typu konečné povrchové úpravy. V rámci strukturování omítky již nelze vyrovnávat nerovnosti podkladu. Snahy o vyrovnání podkladu v této fázi obvykle vedou k ještě horšímu výsledku. Kvalita struktury konečné povrchové úpravy závisí na kvalitě podkladu. Maximální nerovnost podkladu (základní vrstvy) by měla být (0,5 mm + tl. zrna)/m. Zatíraná konečná povrchová úprava musí mít v ploše rovnoměrnou strukturu, nesmí se v ní nacházet místa bez zrn, rýhy a jinak zabarvené plochy. Nejednotná struktura se může projevit ve větším měřítku také až po demontáži lešení, obvykle jsou hranice rozdílných struktur na hranicích podlaží a v místech napojování záběrů dvou part fasádníků. Tomu je třeba předcházet kontinuálním nanášením konečné povrchové úpravy ve všech podlažích přes celou šířku objektu ve stejný čas, ale tak, aby parta z vyššího podlaží nešpinila hotovou práci níže. Pokud je podezření, že se na fasádě mohou tvořit řasy (tvořily se i na původním povrchu nebo jsou na sousedních domech), je třeba vhodným způsobem tuto možnost minimalizovat, a to volbou vhodné struktury, zrnitosti, frekvencí čištění líce hotového ETICS a volbou povrchové úpravy s větší odolností vůči usazování a růstu řas. Dle zkušeností je třeba volit omítku s minimální nasákavostí, s maximálním pH a s minimálním obsahem organických látek. Uvedená kritéria však úplně nesplňuje žádná materiálová báze. Při volbě báze omítkoviny pro ETICS se preferuje hledisko povrchové nasákavosti. Pro omezení růstu řas na fasádě je třeba navrhnout celý systém tak, aby maximálně omezila kondenzace na vnějším nebo vnitřním líci konečné povrchové úpravy, a tak, aby co nejméně zachycoval srážkovou vodu.
Řešení detailů a ochrana konstrukcí
Již před návrhem zateplovacího systému je třeba vytipovat, zda je vhodné realizovat systém s větší mechanickou odolností nebo počítat s ochranou proti graffiti. Již v rámci přípravy projektu je třeba správně vyřešit veškeré detaily. Pokud jsou na fasádě nechráněné vodorovné nebo téměř vodorovné plochy, např. římsy, je třeba je vhodným způsobem oplechovat. Nedodržení tohoto pravidla může způsobit zejména usazování a růst řas, případně jiné poruchy. Dané jsou rovněž postupy pro opracování klempířských konstrukcí. Je chybné přes ohyby klempířské konstrukce finální vrstvu přetáhnout. Nepřípustné je ignorování detailů ve fázi návrhu a jejich pouhé obcházení zateplovacím systémem. Také rám okna se při natahování konečné povrchové úpravy chrání páskou, která se po jejím dokončení strhne. Veškeré konstrukce je třeba při zateplování zakrývat, např. jde o klempířské konstrukce, střešní krytinu apod.
Čtěte také: Jak správně izolovat betonovou podlahu?
tags: #tepelna #izolace #elektrickeho #obvodu #principy