Globální klimatické změny, omezené množství neobnovitelných surovinových zdrojů a stále zvyšující se požadavky na snížení spotřeby energie v rámci stavebnictví, průmyslu i dopravy jsou jedny ze stále aktuálních a významných témat současné společnosti.
V oblasti stavebnictví je vytápění budov, ale také jejich chlazení v letním období, oblastí s významným množstvím spotřebované energie, a to především v oblasti občanské výstavby. Základním předpokladem pro snížení energetické náročnosti budov i energetických spotřebičů je snížení tepelných ztrát prostupem tepla obálkou budov, případně spotřebičů (například ledničky, trouby apod.). Použití tepelně izolačních materiálů při zateplení jak nových budov, tak i budov stávajících, vedlo ke snížení tepelných požadavků na jednotku podlahové plochy o 16 % ve sledovaném období od roku 1990-2004 v rámci zemí Evropské unie.
Trendem současnosti je výstavba nových pasivních, nízkoenergetických či nulových budov s možným použitím super izolačních materiálů, u kterých je požadavek na maximální hodnotu součinitele tepelné vodivosti λmax 25 mW‧m−1‧K−1.
Historie a princip vakuové izolace
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. Počátky jeho výzkumných prací sahají až do roku 1892, kdy vyrobil originální skleněnou vakuovou nádobu bez povrchové úpravy. Později přistoupil k náhradě skla za kovové materiály, avšak zde si uvědomil možné riziko degradace vakua díky absorpci plynů na kovovém povrchu, které se mohou následně uvolňovat. Tento problém řešil zabudováním dřevěného uhlí do nádoby a chladicím systémem. Dalším významným pokrokem byla barevná úprava vnitřního povrchu nádoby. Byla použita stříbrná barva, která výrazně napomáhá redukci přenosu tepla radiací.
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). Radiace je omezena vlivem snížení emisivity stěn nádoby. Vzhledem k tomu, že je nádoba uzavřena a při vysoké úrovni vakua se v nádobě nenachází prakticky žádný plyn, je také efektivně omezen přenos tepla vlivem proudění (konvekce).
Čtěte také: Efektivní pokládka velkých dlaždic
Zatímco Dewarova nádoba má cylindrický-válcovitý tvar s využitím skleněných a kovových materiálů, vakuové izolační panely jsou tvaru desky, složené z jádrového materiálu a obalu, případně dalších materiálů, jako například absorbérů plynů, vlhkosti apod.
První patent č. 516377 za vakuové izolace byl udělen v roce 1930 O. Hemmanovi a Sterchamolwerke, Dortmund v Německu. Tento patent však popisuje nepříliš jasně výhody vakuového izolačního panelu s pórovitým jádrem a gumovým obalem. Více precizním byl v roce 1955 patent č. 2700633 podaný v USA panem H. P. Bovenkerkem IGE, New York, který navazoval na patent podaný v roce 1951, č. 536788 pány H. M. Strongem a F. P. Bundym. Tyto patenty popisovaly vakuové izolační panely s jádrem na bázi skelných vláken zatavených do kovové ocelové fólie. Dalším významným bodem ve vývoji vakuových izolací byl patent č. 3151365 podaný v USA v roce 1964, který popisoval nanostrukturu jádrového materiálu. Dalšímu vývoji technologie vakuových izolačních panelů se věnovali např. L´Aire a Brown Bover & Cie (BBC) v Heidelbergu.
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. Právě uplatnění těchto materiálů hraje významné požadavky na kvalitu jednotlivých složek a také na jejich celkovou životnost. Různé aplikace vyžadují různou životnost, u obalů se jedná o řády měsíců, v případě stavebnictví spíše o více desítek let. VIP však v posledních letech zaznamenaly velmi rychlý rozvoj a jejich produkce se každým rokem zvyšuje.
Ve většině tepelných izolací tvoří většinu objemu vzduch, a proto jsou hodnoty tepelné vodivosti nakonec blízké vzduchu. Jestliže je z izolačního materiálu odčerpán vzduch, jeho dominantní vliv je potlačen a prostup tepla je řízen sálavým mechanismem. Tepelný odpor vakuové izolace pak (téměř) nezávisí na její tloušťce a součinitel tepelné vodivosti je při malých tloušťkách extrémně nízký, až 0,004 W/(mK) pro vakuovou izolaci o síle 2 cm.
Často se o vakuové izolaci říká, že jde o hi-tech výrobek. Tím se zřejmě nemyslí, že by fungovala na nějakém zvláštním principu nebo vyžadovala ovládnutí speciální technologie. Spíše jde o to, že v dosud běžné tepelné izolaci se teplo šíří převážně vedením, což je děj, který popisuje statistická fyzika, zatímco ve vakuové izolaci převládá šíření tepla sáláním, které popisuje vlnová optika. Princip této izolace je zdánlivě jednoduchý. Vezmeme běžnou izolaci, zabalíme do vzduchotěsné obálky a pak z ní odčerpáme vzduch, který zaujímá většinu objemu izolace. Jde to samozřejmě jen tehdy, jestliže tuhá složka pěny či minerální nebo rostlinné vlákno v izolaci přenesou obrovský přetlak vnější atmosféry a zachovají původní rozměry izolace. Potom docílíme mnohem lepších hodnot tepelného odporu. Výrobci dnes docilují až 99.999999 % vakua a tím tepelného odporu kolem 7,5 m2K/W pro libovolnou tloušťku.
Čtěte také: Průvodce kročejovou izolací
Jádrové materiály vakuových izolačních panelů
Vakuové izolační panely (označované zkratkou VIP) se ve většině případů skládají z jádra a obalu. 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.
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).
Čtěte také: IPA asfaltová izolace: Co potřebujete vědět
Tabulka 1: Součinitel tepelné vodivosti vybraných jádrových izolantů při vakuu
| Jádrový izolant | λ0 (mW‧m−1‧K−1) |
|---|---|
| Skleněná vlákna | 3,0 |
| Mikrosilika | 4,0 |
| Polyurethanová pěna | 6,8 |
| Melamin-formaldehydová vlákna (5 μm) | 2,3 |
Vysoce porézní a zároveň tuhá výplň panelů VIP prošla soustředěným vývojem. Prosadila se hmota zvaná pyrogenní kyselina křemičitá, což je vysoce jemně dispergovaný oxid křemičitý, který vzniká plamennou hydrolýzou tetrachlorsilanu při vysokých teplotách do 1500 °C. Výhoda této struktury vyplyne, když si uvědomíme, že střední volná dráha molekul vzduchu (mezi dvěma srážkami) je při atmosférickém tlaku také kolem 70 nm. Vedení tepla ve vzduchu se totiž děje hlavně vzájemnými srážkami molekul vzduchu, při níž si tyto vyměňují energii (přesněji kvanta vibrační energie - fonony), a tím - jako součást velkého statistického souboru všech molekul vzduchu - vedou teplo. Jenže velká část z nich zůstane izolována v buňkách nanoporézní sítě SiO2 a s volnými si může vyměňovat energii s jen malou statistickou pravděpodobností. To se makroskopicky projeví ve snížené tepelné vodivosti. Při nižším tlaku klesne hustota molekul vzduchu, četnost srážek a naopak vzroste střední volná dráha vysoko nad 70 nm. To samo o sobě sníží vodivost výplně. Ovšem molekuly, které za nízkého tlaku uvíznou v buňkách nanoporézní sítě s rozměry pórů 70 nm, mají statisticky mizivou pravděpodobnost srážky s jinou molekulou. Tento model byl zdokonalen ještě tím, že do nanometrické sítě pyrogenní kyseliny křemičité byly vpraveny absorbéry tepelného záření. Vedle potlačení vedení tepla vzduchem tím byla navíc eliminována i složka šíření tepla sáláním.
Vědečtí pracovníci z Jožef Stefan Institutu z Ljubljany popisují v příspěvku vývoj a studium nových organických, synteticky připravených vláken z melamin-formaldehydu. Tato vlákna s průměrem 5 μm prokázala velmi dobré hodnoty součinitele tepelné vodivosti při vakuu, λ0 = 2,3 mW‧m−1‧K−1. Dále byla také testována pěna na bázi melamin-formaldehydu, kdy tato nano porézní organická pěna prokázala také velmi nízkou hodnotu tepelné vodivosti a dále navíc také extrémně nízký outgassing.
V případě vláknitých izolací, použitých jako jádro do vakuových izolací, je důležitá výrobní technologie a výsledné vlastnosti vláken, jako je jejich délka, distribuce a tloušťka vláken, velikost pórů (v případě pórovitých vláken). Právě takový výzkum byl proveden výzkumníky z Číny, kteří se zabývali studiem tepelně izolačních vlastností jádrových materiálů na bázi 2 druhů skelných vláken (nasekaná skelná vlákna, skelná vlákna získaná tažením z taveniny), a také jejich životností v případě zabudování do vakuového izolačního panelu. Na základě tohoto výzkumu bylo zjištěno, že nasekaná skelná vlákna vykazovala nižší míru degradace tepelně izolačních vlastností v čase než vlákna tažená.
Mimo tato organická vlákna lze také použít přírodní vlákna, ať již původu rostlinného či živočišného. Výhodou těchto vláken je skutečnost, že se jedná o porézní vlákna, často tvořená svazky velmi jemných vláken o tloušťce v řádech jednotek mikrometrů. Výhodou těchto izolačních materiálů jsou nízké energetické nároky při jejich výrobě (v případě jádrového izolantu), jedná se zde o snadno obnovitelné zdroje druhotných surovin, často se jedná o zbytky ze zemědělské výroby, zbytky z odpadních textilií apod. Studie provedené na těchto izolacích při normálním tlaku ukazují, že nejlepších tepelně izolačních vlastností dosahují izolace s vlákny o nejmenší tloušťce. Při dostatečné jemnosti vlákna vykazují izolanty velmi dobré tepelně izolační vlastnosti i při nižších objemových hmotnostech. Obzvláště výhodná se jeví vlákna bavlněná, jejichž tloušťka se pohybuje okolo 10 μm v závislosti na původu bavlny. U těchto vláknitých materiálů je však nutné pamatovat na jejich teplotní a vlhkostní citlivost, která je důležitá pro vlastní životnost vakuových izolačních panelů. Poměrně problematické je zde pak, vzhledem k tomuto charakteru vláken, sušení.
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. Pro ověření možnosti izolačních materiálů na bázi organických (textilních a lýkových) vláken byly navrženy a experimentálně vyrobeny zkušební vzorky tepelně izolačních rohoží. Z výše uvedených vláken byly vyrobeny celkem tři typy zkušebních vzorků o vysoké objemové hmotnosti v rozmezí 98-120 kg‧m−3 dle typů vláken. Snahou bylo dosažení vyšší objemové hmotnosti, aby bylo u izolantů dosaženo minimálně potřebných mechanických vlastností potřebných pro zavakuování. Vzorky byly vyrobeny metodou bikomponentního pojení na výrobní lince využívající technologie tvoření rouna Airlay. Termofixace byla provedena při teplotě +145 °C. Z izolačních rohoží byly vyrobeny zkušební vzorky rozměrů 200 × 200 mm.
Na vstupních vláknech byl proveden jejich mikroskopický rozbor, přičemž bylo zjištěno, že ani v jednom případě nedošlo při základní úpravě druhotných surovin k úplnému rozvláknění až na primární vlákna. Nejprve bylo provedeno stanovení tloušťky jednotlivých zkušebních vzorků, objemové hmotnosti a napětí při 10% deformaci. Měření tloušťky a objemové hmotnosti bylo provedeno pro maximální dotlak, který umožňuje zkušební přístroj pro stanovení součinitele tepelné vodivosti. Jednalo se o dotlak 1,5 kPa. Dále bylo provedeno stanovení součinitele tepelné vodivosti u jednotlivých zkušebních vzorků za normálního tlaku a za sníženého tlaku blízkého vakuu (p < 0,1 mBar). Po zkouškách stanovení součinitele tepelné vodivosti za extrémně sníženého tlaku blízkého k vakuu byly dále provedeny stanovení součinitele tepelné vodivosti v závislosti na tlaku, který byl před každým měřením postupně zvyšován, až po hodnotu 500 mBar.
Jak bylo zjištěno 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. Problémem je však životnost těchto izolantů a postupná degradace tepelně izolačních vlastností v čase.
Obaly vakuových izolačních panelů
Kromě výplně je další důležitou součástí VIP vzduchotěsný a mechanicky tuhý obal, který umožní úplné a trvalé odčerpání vzduchu z výplně SiO2 i bezporuchovou manipulaci s panely při výstavbě.
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. V Číně při aplikaci vakuových izolačních panelů pro zateplení budov používají dokonce obálku z více vrstev (80 μm polyethylen, 15 μm polyamin, 7 μm hliníková fólie, 12 μm polyethylen tereftalát, 340-350 μm obal ze skleněných vláken). Jednotlivé vrstvy jsou spojeny pomocí polyurethanového lepidla.
Výrobci vakuové izolace věnují vysokou pozornost také obalu vakuových izolací. Ten musí být dostatečně pevný a zároveň neprodyšný. Jako nejvhodnější se ukázal plast (např. PE, PUR), který řeší pevnost a tuhost, pokovený 30 mikrometrů silnou vrstvou hliníku, která zaručí vysokou a trvalou neprodyšnost. Hliník navíc odráží tepelné záření a tím působí i jako aktivní prvek tepelné izolace vakuových izolačních panelů. To je zejména u výplně z nanometrických částic důležité, protože tepelné záření s typickou délkou vlny nad 10 mikrometrů s takto jemnou sítí (s vlákny pod 1 mikrometr) téměř neinteraguje a volně jí prochází. Kromě vnitřní strany výrobci opatřují povrchovým pokovením i vnější stranu vakuových izolací.
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.
Charakteristiky vakuových izolačních panelů
Panely VIP se vyrábějí v rozměrech stavebních izolačních desek, jejich tloušťka je malá, od 2 do 8 cm. Nejvýznamnější, a také nezvyklé je, že tepelný odpor této izolace téměř nezávisí na její tloušťce. To jednoznačně svědčí o tom, že v izolaci byla potlačena tepelná vodivost daná statistickým pohybem a vibracemi hmotných částic, tj. molekul plynů nebo atomů v krystalových mřížích nebo molekulárních řetězcích, a dominuje prostup tepla sáláním. Součinitel tepelné vodivosti nejlepších vakuových panelů dosahuje hodnoty λ = 0,004 až λ = 0,005 W/(m.K).
Kvůli velmi vysoké ceně zatím u nás nacházejí vakuové panely oproti zahraničí uplatnění především při řešení komplikovaných konstrukčních detailů, a to v souvislosti s odstraňováním tepelných mostů (např. stěn na základové desce). Výrobu tohoto materiálu nejvíce rozvinula německá firma Wacker Chemie, největší současní výrobci jsou va-Q-tec AG, Porextherm Dämmstoffe GmbH, VARIOTEC GmbH & Co.
Z environmentálního hlediska jsou v České republice jako „Ekologicky šetrné“ tepelně izolační materiály označovány (dle směrnice Technická směrnice č. 01-2016 Ministerstva životního prostředí) takové materiály, při jejichž výrobě je minimalizována spotřeba primární energie a související produkce emisí. Při hodnocení je kladen důraz na možnost recyklace výrobků po jejich dožití a související spotřebu primárních zdrojů surovin a využívání recyklovaných složek. Hodnocení je vztaženo na smluvní množství materiálu zajišťující v ploše 1 m2 dosažení tepelného odporu 4 m2‧K‧W−1.
Srovnání s jinými izolačními materiály a faktor difuzního odporu
Minerální vlna a polystyren jsou vnímány jako tradiční tepelné a zvukové izolanty, ovšem jsou nabízené i materiály méně tradiční, které nám ve skutečnosti splní to samé, ale šetrněji k životnímu prostředí - materiály z obnovitelných surovin.
Dřevovláknité foukané izolace
- V tomto případě se používají dřevní vlákna s přídavkem kyseliny borité, která funguje jako retardér hoření.
- Materiál je aplikován stejně jako ostatní rozvlákněné materiály - jsou na místo hnané vzduchem v potrubí.
- Objemová hmotnost použitého materiálu se liší podle sklonu izolovaných prostor.
- Součinitel tepelné vodivosti Lambda tohoto materiálu je 0,045-0,055 W/mK (podle objemové hmotnosti aplikace), objemová hmotnost 30-45 kg/m3, faktor difuzního odporu 1 až 2 a třída reakce na oheň E.
Izolace z ovčí vlny
- K ovčí vlně se přidávají příměsi působící proti biologické degradaci materiálu a molům. Hlodavců se bát nemusíme, jelikož pro ně je ovčí vlna nestravitelná.
- Ovčí vlna je oblíbena ve dřevostavbách, především pak srubech a roubenkách, protože je tento materiál hygroskopický - umí absorbovat a opět vydávat vzdušnou vlhkost, aniž by se zhoršil součinitel tepelné vodivosti.
- Ten je v tomto případě 0,045 W/mK, objemová hmotnost 13-30 kg/m3, faktor difuzního odporu 1 až 2 a třída reakce na oheň E.
Konopné izolace
- Izolace z technického konopí se vyrábějí z konopného pazdeří, konopného vlákna a příměsí sody, která omezuje hoření a zajišťuje ochranu před plísněmi.
- Konopné izolace se používají v podobě silných rohoží k výplním dřevěných konstrukcí krovů nebo stěn a stropů dřevostaveb. V podobě slabých rohoží se používají jako výplň mezi stavebními prvky srubů a roubenek.
- Tepelná kapacita konopných materiálů je 1600 J/kgK. Velice podobné vlastnosti mají izolace vyráběné ze lnu.
Celulózové izolace pro suchou aplikaci
- Celulózové izolace se vyrábí recyklací starého papíru z papírové cupaniny, do které se přidávají příměsi boritých solí, síranu hořečnatého a fosforečnanu amonného. Přísady zvyšují odolnost celulózové izolace vůči ohni, plísním a houbám, odpuzují hmyz a drobné hlodavce.
- Celulózové izolace jsou nejznámějším materiálem foukaných izolací vhodných do dutých prostor, které by bylo obtížné či zbytečné odkrývat a izolaci vkládat. Vyplní přitom beze zbytku každou dutinu. Potrubím s hnaným vzduchem se hmota ukládá do dutin ve stavebních konstrukcích. Tuto izolaci však lze aplikovat i jako volně loženou - především v nepochozích půdních prostorách, kde izoluje podlahu půdy.
- Celulózová izolace má obdobnou měrnou tepelnou kapacitu jako izolace z dřevitého vlákna 2000 J/kgK.
- Součinitel tepelné vodivosti celulózové izolace pro suchou aplikaci je 0,040 až 0,050 W/mK, objemová hmotnost 30-60 kg/m3, faktor difuzního odporu 1 až 3 a třída reakce na oheň C-E v závislosti na přidaných retardérech hoření.
Celulózové izolace pro mokrou aplikaci
- Jde vlastně o stejný materiál, jakým je celulózová izolace pro suchou aplikaci, ovšem odlišný je právě způsob aplikace - do stříkací trysky se k rozvlákněnému papíru přidává malé množství vody, čímž se papír stane lepivým a ulpívá na površích konstrukcí.
- Kromě vody lze navíc použít i chemická pojiva ovlivňující reakci materiálu na oheň. Mokrým způsobem se celulózová izolace aplikuje na konkrétní povrchy, nikoli do nepřístupných dutin. Vždy vidíme, jak je prostor izolantem vyplněn a můžeme podle toho reagovat.
- Materiál po aplikaci schne, ale zároveň i „tvrdne“ v řádech hodin. A právě tvrdnutí zaručí nulové sedání materiálu v čase, tvarovou stálost a též chování při požáru, jelikož materiál se prohořelou dutinou nevysype. Oproti suché aplikaci celulózové izolace je mokrý způsob časově náročnější a pracnější.
Při výběru izolačního materiálu je důležité zvážit nejen součinitel tepelné vodivosti a objemovou hmotnost, ale také faktor difuzního odporu, který ovlivňuje schopnost materiálu propouštět vodní páry. To je zvláště důležité u dřevostaveb a konstrukcí, kde je nutné zajistit správné hospodaření s vlhkostí, aby nedocházelo ke kondenzaci a následné degradaci konstrukce.
tags: #vakuova #izolace #faktor #difuzniho #odporu