Izolacje termiczne – oceniamy je same, czy jako część systemu?

Przegroda budowlana oddziela dwa różne środowiska. Warunki, jakie panują zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz, stale oddziałują na materiały, tworzące przegrodę, oraz mają wpływ na ich właściwości użytkowe. Dlatego też, w celu dokonania właściwego wyboru materiału, niezbędne jest zrozumienie zasad jego funkcjonowania. Twórcami materiału są prof. Mark Bomberg z Clarkson University i dr inż. Małgorzata Fedorczak-Cisak, specjalistka fizyki budowli.

Zdjęcie autora: prof. Mark Bomberg
Zdjęcie autora: prof. Mark Bomberg

prof. Mark Bomberg

Clarkson University w Poczdamie w stanie Nowy Jork
Ocieplenie - sposoby dofinansowania, Izolacje termiczne, biomateriały

Podziel się

Podczas wybierania izolacji cieplnej, stajemy przed dwoma wyzwaniami. Po pierwsze, należy scharakteryzować czynniki mające wpływ na właściwości użytkowe materiału. Czynniki takie jak osiadanie izolacji celulozowej, starzenie się pianek napełnionych gazem cięższym niż powietrze, efekt konwekcyjnego przepływu powietrza na izolację z włókna szklanego o niskiej gęstości, wpływ zawilgocenia izolacji na ich właściwości użytkowe to typowe efekty, które muszą być uwzględniane w ocenie materiałów termoizolacji. Drugim ważnym aspektem jest stosowanie takiej metody oceny, która pozwoliłaby na otrzymanie zależności charakteryzujących sposób, w jaki funkcjonuje ta izolacja w rzeczywistych warunkach.

Naukowcy badają wpływ czynników środowiskowych na materiały, ale prace te rzadko prowadzą do praktycznych zaleceń dotyczących użytkowania. Dlaczego? Głównym powodem jest fakt, że producenci konkurują ze sobą, opierając się na standardowych systemach oceny laboratoryjnej. Większość tych metod pomiarowych została opracowana do porównywania różnych materiałów oferowanych przez różnych producentów i nie ma nic wspólnego z ich zachowaniem w konkretnych warunkach budowlanych czy charakterystyką energetyczną danej przegrody budowlanej.

Jeżeli chce się zastąpić użycie włókna szklanego przez włókno bazaltowe czy celulozowe, to nie ma problemu – nasze normy dostarczają odpowiednie właściwości porównawcze. Jeżeli chce się zastąpić użycie włókna szklanego przez natryskową piankę poliuretanową (PUR) – to nasze normy nie dają podstaw do podjęcia decyzji. Dlaczego? Przepływy ciepła, wilgoci i powietrza są nierozerwalnie ze sobą związane. Izolacja z włókna szklanego nie zmienia przepływu powietrza czy wilgoci, podczas gdy PUR z otwartymi porami zmienia zarówno przepływ powietrza, jak i wilgoci. 

Odpowiedzialność za charakterystykę cieplno-wilgotnościową budynków przejmuje projektant, chyba że zatrudni w tym celu odpowiedniego konsultanta. Projektant jednak nie otrzymuje żadnych wskazówek technicznych ze strony społeczności akademickiej.

Brak spójności pomiędzy teorią i praktyką

Metodologia długotrwałej charakterystyki energetycznej (LTTR, long term thermal resistance) została wypracowana w kanadyjskim projekcie opartym na współpracy między nauką a przemysłem materiałów izolacyjnych. Dzisiaj ta metodologia jest rzadko używana ze względu na brak formalnych wymagań dotyczących długotrwałej analizy działania izolacji termicznej.

Innym przykładem braku spójności między teorią a praktyką jest różnica w interpretacji wyników pomiarów. W Stanach Zjednoczonych, dla izolacji termicznych, kryterium opiera się na dużej ilości próbek. Kanadyjskie normy opierają się na pomiarach trzech próbek, a Europejskie uwzględniają statystykę pobierania próbek. W każdym przypadku wartość średnia z przeprowadzonych testów kwalifikujących porównywana jest z wartością deklarowaną przy sprzedaży materiału. Wszystkie te systemy pozwalają, aby poszczególne próbki były na poziomie 10% niższym niż deklarowana wartość produktu.

Nasze pytanie dotyczy różnicy, kiedy ten sam produkt jest sprzedawany w Polsce, w Kanadzie i w USA. W wyniku różnych interpretacji statystyki, różnice między kanadyjskimi i europejskimi wymaganiami są bardzo małe, w granicach 1%, a w Ameryce produkt może mieć 6–8% niższą charakterystykę termiczną niż w Europie.

Izolacje termiczne wytwarzane in situ


Obecnie, w Stanach Zjednoczonych, płyty z włókna szklanego oraz izolacje celulozowe nadal mają gęstość o połowę mniejszą niż dwie dekady temu. Ta redukcja (a w konsekwencji pogorszenie efektywności termicznej) stworzyła niszę rynkową dla innych materiałów produkowanych na miejscu budowy (takich jak natryskowa pianka poliuretanowa czy natryskowa izolacja z włókna mineralnego, czy celulozy), które wypełniają przestrzenie między elementami szkieletu, jednocześnie zapewniając wysoki poziom oporu cieplnego. Jednakże jakość produktu zależy od wiarygodności instalatora lub konieczności korekty. Na przykład, podczas aplikacji izolacji z włókna celulozowego, instalator musi dodać dodatkowe 21% materiału, ponieważ taki jest wskaźnik korekcyjny dla osiadania izolacji celulozowej.

Testy nie odnoszą się do rzeczywistych warunków eksploatacji

W Europie podjęto próbę zredukowania luki między charakterystyką materiałów budowlanych w laboratorium a ich zachowaniem w terenie, poprzez wprowadzenie dwóch mierników właściwości termicznych: deklarowanego oraz projektowego. Wartość deklarowana jest szacunkiem statystycznym i oznacza spodziewaną wartość charakterystyki termicznej materiału budowlanego lub produktu, uzyskaną poprzez pomiar wartości w temperaturze odniesienia i danej grubości, wyrażoną na określonym poziomie ufności. Wartość projektowana jest szacowaną wartością charakterystyki termicznej materiału (produktu) w warunkach odpowiadających typowej instalacji w budynkach zgodnie z klimatem oraz sposobem użytkowania.

Użycie tych dwóch koncepcji może zilustrować przykład szwedzki. Według Szwedzkiego Prawa Budowlanego (SBN), projektowana przewodność cieplna wstępnie formowanych izolacyjnych płyt pilśniowych klasy A różni się w zależności od starzenia, zawartości wilgoci oraz typowych warunków wykonania. Na przykład norma dopuszcza projektowaną przewodność cieplną na poziomie 0,038 W/(m·K) dla płyt przytwierdzonych do arkuszy nieprzepuszczających powietrza i używanych ponad poziomem gruntu; 0,040 W/(m·K) dla innych zastosowań materiału, używanych ponad poziomem gruntu; 0,042 W/(m·K) dla materiału przeznaczonego na strop na gruncie w przypadku zapewnionego drenażu powierzchniowego; oraz 0,060 W/(m·K) dla materiału na zewnątrz ściany piwnicy w przypadku zapewnionego odwodnienia fundamentów.

Podczas gdy niektóre z tych wartości mogą być kontrowersyjne, wartości te są zdecydowanie bliższe rzeczywistej charakterystyce niż wartości laboratoryjne. Co więcej, technicy nie badają charakterystyki w terenie; zajmują się jedynie szukaniem zależności między szacunkami laboratoryjnymi a danymi z pomiarów terenowych.

Sytuacja za oceanem

Podsumowując, na rynku północno-amerykańskim można zaobserwować rosnącą popularność pianek poliuretanowych aplikowanych in-situ, nawet mimo wysokiej ceny. Produkty te mogą łączyć w sobie funkcję bariery powietrznej, izolacji termicznej oraz kontroli wilgoci, a także – w przeciwieństwie do izolacji celulozowych – nie muszą być chronione przed działaniem warunków atmosferycznych (za wyjątkiem promieniowania UV). Biorąc pod uwagę ekologiczność rozwiązania, liderem są płyty izolacyjne z włókien drzewnych, wytworzone z włókien dwuskładnikowych lub spoiw polimerowych. W przeciwieństwie do płyt z włókien mineralnych, wymagających znacznej ilości włókien rozmieszczonych prostopadle, płyty z włókna drzewnego współpracują z tynkiem zewnętrznym. Dzięki właściwościom akustycznym i cieplno-wilgotnościowym, materiały te zaczynają konkurować z piankami. Nanomateriały oraz panele izolowane próżniowo, ze względu na cenę, wciąż jeszcze nie są brane pod uwagę.

W przypadku materiałów używanych w kontroli środowiskowej istnieje duży niedobór danych dotyczących ich funkcjonowania, ze względu na niewielki popyt na tego typu testy i badania. Większość uwagi projektantów pochłania bezpieczeństwo projektowanych budynków, co przyczyniło się do zmarginalizowania problemów fizyki budowli.

Efektywność izolacji termicznych

Indeks efektywności cieplnej to stosunek rzeczywistego, wielowymiarowego przepływu ciepła przez przegrodę do sumy oporów cieplnych wszystkich warstw, czyli jednowymiarowego przepływu ciepła przez wirtualną przegrodę bez żadnych mostków cieplnych. Poniżej przedstawiona jest charakterystyka termiczna typowej ściany o drewnianej konstrukcji szkieletowej, zarówno bez zewnętrznej izolacji cieplnej, jak i z nią.

Współczynnik efektywności w ścianie o drewnianej konstrukcji szkieletowej 28x89 mm bez oraz z izolacją zewnętrzną.

współczynnik przewodzenia ciepła materiału
W/mK
Opór cieplny warstwy izolacji
m2K/W
Opór cieplny ścianym2
K/W
Zastępczy opór cieplny z 2D2
K/W
Redukcja z wartości nominalnej oporu cieplnego
Indeks efektywności cieplnej
-
0,0461,942,26211,3%0,89
0,0362,473,792,3615,5%0,85
0,0243,74,023,0623,9%0,76
0,024Opór cieplny izolacji zew.4,023,0623,9%0,76
0,04613,253,017,4%0,93
0,0461,63,853,616,2%0,94

Powyższa tabela ukazuje, że redukcja współczynnika przenikalności cieplnej jest większa w przypadku zastosowania bardziej efektywnych izolacji wewnątrz ściany oraz że użycie ciągłej izolacji zewnętrznej jest prostym sposobem na poprawienie efektywności cieplnej przegrody. Przyjmuje się, że Rsi= 1, ponieważ ta wartość odpowiada grubości 1,5 cala typowej pianki EPS. Jest oczywiste, że wymaganie ciągłej zewnętrznej warstwy izolacji dla konstrukcji szkieletowych jest całkowicie uzasadnione.

Podsumowanie

Powyższy przykład wskazuje, że sprawność w warunkach polowych zależy zarówno od natury materiału, jak i od środowiska, w którym funkcjonuje. Innymi słowy, nie możemy ustalić kryteriów oceny dla systemu bez uwzględnienia warunków klimatycznych, w których on pracuje. Na przykład, obecność lub brak masy cieplnej w budynku decyduje o tym, w jakim stopniu wahania temperatury zewnętrznej oddziałują na energetyczną pracę przegrody. W rzeczywistości mamy dwa stopnie więcej niż stan ustalonego przepływu ciepła stosowany dzisiaj przez kody budowlane. Pierwszy z nich to obliczenia numeryczne efektywnego oporu cieplnego w warunkach dynamicznej zmiany pola temperatur. Drugi stopień to obliczenie energii użytej na ogrzewanie i chłodzenie w ciągu roku przez jeden metr kwadratowy ściany zewnętrznej lub dachu.

Drugi stopień będzie przedmiotem projektu, więc projektant może i powinien wymagać od producenta materiałów izolacyjnych informacji o pierwszym stopniu. Tak długo, jak kody budowlane nie wymagają rzeczywistych danych o sprawności zestawów ścian czy dachów w warunkach polowych, a także kosztów zakupu i eksploatacji przegród budowlanych, zmiana wymagań dla ekologicznego planowania środowiska wewnętrznego musi nadejść od inżynierów i projektantów budynków mieszkalnych i przemysłowych.

W podsumowaniu możemy stwierdzić, że projektant musi wymagać od producentów izolacji termicznej więcej niż laboratoryjne badania porównawcze. Musi również wymagać informacji o trwałości materiałów, odkształceniach cieplnych i wilgotnościowych, oraz danych fizycznych, takich jak przenikanie ciepła, powietrza i wilgoci w warunkach polowych.

Zobacz również