Katedra materiálového inženýrství a chemie MATERIÁLY PRO TEPELNÉ IZOLACE I
Materiály pro tepelné izolace - tepelně izolační funkci mají v podstatě v jisté míře všechny stavební materiály - jako tepelně-izolační materiály považujeme materiály, které výrazně zvyšují tepelný odpor konstrukce součinitel tepelné vodivosti v suchém stavu je menší než 0.17 Wm -1 K -1 Pozn.: tepelná vodivost je silně ovlivněna stoupající vlhkostí je tedy nezbytné, aby tepelně-izolační vrstva byla co nejsušší - výhodné je využití nenasákavých materiálů, které ani během výroby, zabudování ani v průběhu životnosti nepřijímají vlhkost - nutné počítat s tzv. praktickou vlhkostí materiálů (viz. ČSN 730540) 2
Normy definující tepelné vlastnosti stavebních materiálů a požadavky na tepelně izolační funkci stavebních konstrukcí: ČSN 73 0540-1 Tepelná ochrana budov. Část 1: Termíny, definice a veličiny pro navrhování a ověřování. (červen 2005), nahrazení normy z roku 1994. ČSN EN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky. (duben 2007) nahrazení stávajících norem z let 1994, 2002, 2005. ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov. Část 3: Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování. (listopad 2005), nahrazení normy z roku 1994. ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov. Část 4: Výpočtové metody. (červen 2005), nahrazení normy z roku 1994. ČSN EN 12524 Stavební materiály a výrobky Tepelné a vlhkostní vlastnosti Tabulkové návrhové hodnoty (2001). 3
ČSN EN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky. (duben 2007) - norma stanovuje požadavky na měrnou spotřebu energie pro vytápění a celkovou spotřebu energie v budově a to včetně spotřeby energie pro osvětlení vyjma technologického vybavení Energetický druh budovy Jednotka Spotřeba energie v domě Pro vytápění Celková Pasivní dům [kwh.m -2.h -1 ] 15 42 Nízkoenergetický dům Běžná novostavba [kwh.m -2.h -1 ] 50 130 [kwh.m -2.h -1 ] 115 170 Starý dům [kwh.m -2.h -1 ] 220 280 4
Třídění tepelně izolačních materiálů a) podle druhu základní hmoty: - organické - anorganické b) podle struktury: - vláknité - pórovité (pěnové) -zrnité c) obsahu pojiva: pojivo obsahující, pojivo neobsahující d) tvaru výrobku: - volný (zásyp, vlna), plochý (deska, rohož, plst), plochý (deska, rohož, plst), tvarový (skruže, segmenty), šňůrový (těsnící provazce) 5
e) hořlavosti - nehořlavé (stupeň A) - nesnadno hořlavé (stupeň B) -hořlavé (stupeň C) f) dělení podle materiálu: - lehké silikátové výrobky lehká kameniva a lehké betony - pěnové anorganické hmoty pěnové sklo - pěnové organické hmoty pěnové plasty - vláknité anorganické materiály skleněná a minerální vlákna - hmoty z organických materiálů korek, dřevěná vlna, papír, sláma Pozn.: Často jsou tepelně izolační výrobky vyráběny jako kombinace více druhů materiálů, díky čemuž se dosahuje kvalitních výrobků s vysokými užitnými vlastnostmi. 6
Základní požadavky kladené na tepelně izolační materiály I 7
Základní požadavky kladené na tepelně izolační materiály II 8
Faktory ovlivňující spotřebu energie Způsob vytápění - volba zdroje tepla a topného média Regulace vytápění Prostup tepla otvorovými výplněmi - kvalita oken Infiltrace spárami výplní - těsnění spár Poměr otvorových výplní a zdiva Existence zádveří Orientace otvorových výplní ke světovým stranám Zvolený systém zateplení a tloušťka použitého izolantu 9
Graf roční průměrné spotřeby tepla na m 2 obytné plochy u průměrného obytného domu a u domu odpovídajícího doporučení ČSN 73 05 40 (1m 3 zemního plynu stojí cca 14,73,- Kč. 10
Termovizní snímek zatepleného a nezatepleného domu. 11
Způsoby zateplení objektů Tepelné mosty ve zdivu nezatepleném, zatepleném zevnitř a ve zdivu zatepleném zvenčí. 12
Průběhy teplot ve zdivu nezatepleném, zatepleném zevnitř a ve zdivu zatepleném zvenčí. 13
Vnitřní zateplení Tento způsob izolace s sebou přináší řadu úskalí: Velké teplotní rozdíly ve zdivu, které není zvenčí chráněno proti výkyvům počasí zateplovacím systémem. Při tomto způsobu může být zdivo podstatně rychleji narušováno než při zateplení zvenčí. Nebezpečí kondenzace vlhkosti v tepelné izolaci, nebo v samotné konstrukci. U dřevěných staveb a dřevěných trámových stropů hrozí kondenzace v úrovni zhlaví trámů! Nelze zcela odstranit tepelné mosty. Jsou izolovány pouze dílčí části budov, proto má tento systém většinou menší účinnost. Nutnost využití pečlivě provedených parotěsných vrstev na vnitřní straně izolace. Zmenšení akumulace tepla v obvodovém plášti - místnosti rychleji chladnou. Zmenšení vnitřního prostoru 14
Pozn.: Zateplení zevnitř nachází své uplatnění pouze tam, kde nelze zateplení zvenčí z jakýchkoli důvodů provést, například u historických objektů nutnost zachování původního vzhledu, komplikovaná struktura povrchových úprav (možnost aplikace hydrofilních minerálních vln, kapilárně aktivních materiálů atd.) 15
Vnější zateplení Vnější zateplovací systémy jsou nejčastějším způsobem tepelné izolace objektů. Jejich obrovskou výhodou je celistvost izolační vrstvy. Izolace chrání objekt jako celek, nejen jeho oddělené části. Použitím vnějšího zateplovacího systému se také podstatnou měrou snižuje namáhání obvodové konstrukce - zejména jejich spojů - výkyvy teplot a povětrnostními vlivy. Pro trvalé obývání je také důležité zachování masivního zdiva uvnitř izolačního systému, což zaručuje dostatečnou tepelnou setrvačnost vnitřního prostoru. 16
Způsoby vnějšího zateplení Zateplení zvenčí se provádí buď formou provětrávaných zateplovacích systémů, nebo se používají takzvané kontaktní zateplovací systémy. U provětrávaných zateplovacích systémů se vkládá tepelná izolace mezi nosné prvky roštu, který nese povrch fasády. Povrch fasády může tvořit sklo, kov, dřevo, vláknocementové šablony i keramika a podobně. Kontaktní zateplovací systémy tvoří jednolitý celek jednotlivých vrstev systému. Tepelná izolace působí v tomto případě jako nosný prvek povrchových vrstev. Povrch fasády tvoří většinou omítka, v ojedinělých případech lepený obklad. 17
Příklad řešení kontaktního tepelně-izolačního systému 18
Příklad řešení kontaktního tepelně-izolačního systému 19
Příklad řešení provětrávaného tepelně-izolačního systému 20
Příklad řešení provětrávaného tepelně-izolačního systému 21
Řešení provětrávaného zateplení střech 22
23
24
Tepelně izolační materiály Materiály na bázi minerální vlny: velmi dobré tepelně (i zvukově) izolační vlastnosti jako nehořlavý materiál je vlna neocenitelná pro požární odolnost objektu dlouhodobá objemová stálost (zachování tvaru, vlastností) nepodléhají působení plísní, hmyzu a hlodavců (biologická degradace) vlna je snadno tvarovatelná a oddělitelná 25
Minerální vlna -tvořena množstvím jemných vláken a malých dutinek, ve kterých je uzavřen vzduch (vzduchu 0,026 Wm -1 K -1 ) - vzduch bez pohybu je vynikajícím tepelným izolantem - schopnost minerální vlny tepelně izolovat je tím vyšší, čím jsou vzduchové dutiny v izolační hmotě menší, čím je jejich počet větší a čím jemnější jsou vlákna, která minerální vlnu tvoří Srovnání součinitele tepelné vodivosti (λ) stavebních materiálů Součinitel tepelné vodivosti λ vybraných materiálů [W/mK] Tloušťka materiálu se stejným tepelným odporem R jako 1 cm kamenné vlny Železobeton 1,40 W/mK 35 cm Plná cihla 0,80 W/mK 20 cm Děrovaná cihla 0,35 W/mK 9 cm Dřevo 0,15 W/mK 4 cm Kamenná vlna 0,04 W/mK 1 cm 26
Izolační desky na bázi minerální vlny se v ČR často využívají při zateplování budov a pro akustické izolace výplně příček, dveřních křídel, izolace dvouplášťových střech, vložky do akustických obkladů, izolace podlah, zateplování fasád, sendvičové betonové panely, kompletizované prefabrikované prvky. - pro tak široký sortiment je nutné rozdělení izolačních materiálů podle způsobu zateplení a typu stavby -izolační desky jsou rozděleny do těchto skupin: DESKA I univerzální desky určené pro tepelnou, zvukovou a protipožární izolaci v oblasti šikmých střech, podkroví stropů, dělících stěn, podhledů a jiných konstrukcí, u kterých nejsou nároky na zatížení izolačních desek 27
DESKA II lehkéizolační desky určené jako vnější izolace provětrávaných fasád, bez omezení výšky budov DESKA III velmi tuhé desky do provětrávaných fasád a sendvičových zdí DESKA IV lamelové desky určené pro izolaci v kontaktních omítkových systémech zateplení objektů - orientace vláken kolmo k povrchu desky zaručuje vysokou pevnost v tahu a ohebnost umožňující zateplení křivkových ploch 28
Parametr Jednotka DESKA I DESKA II Charakteristický součinitel tepelné vodivosti λ κ Objemová hmotnost Stupeň hořlavosti Stupeň hořlavosti W.m -1.K -1 0,035 0,037 0,035 DESKA III 0,035 0,039 DESKA IV 0,039 0,042 kg/m 3 40-60 35 150 100 - - B - nesnadno hořlavé A1 - nehořlavé B - nesnadno hořlavé A1 - nehořlavé B - nesnadno hořlavé A1 - nehořlavé B - nesnadno hořlavé A1 - nehořlavé Měrná tepelná kapacita J.kg -1.K -1 840 840 840 840 Bod tání C > 1000 > 1000 > 1000 > 1000 Faktor difúzního odporu μ 1,4-2 2 2 1,6-3 29
Nezatepleno 5 cm Rockwool spotřeba plynu: 6500 m 3 spotřeba uhlí: 8600 Kg/rok spotřeba oleje: 6000 Kg 10 cm Rockwool spotřeba plynu: 3530 m 3 ušetřeno: 2970 m 3 spotřeba uhlí: 4680 Kg/rok ušetřeno: 3920 kg/rok spotřeba oleje: 3280 Kg ušetřeno: 2720 kg 20 cm Rockwool spotřeba plynu: 2530 m 3 ušetřeno: 3970 m 3 spotřeba uhlí: 3360 Kg/rok ušetřeno: 5240 kg/rok spotřeba oleje: 2360 Kg ušetřeno: 3640 kg spotřeba plynu: 1850 m 3 ušetřeno: 4650 m 3 spotřeba uhlí: 2540 Kg/rok ušetřeno: 6150 kg/rok spotřeba oleje: 1720 Kg ušetřeno: 4280 kg Úspory při vytápění rodinného domu s užitnou plochou 120 m 2 30
Parametry transportu vodní páry I - výrobky z minerální vlny jsou tvořeny vlákny, mezi nimiž je velké množství vzduchových mezer vysoká paropropustnost -měření paropropustnosti se provádí podle evropské normy ČSN EN 13162:2002 "Tepelně izolační výrobky pro stavebnictví - Průmyslově vyráběné výrobky z minerální vlny (zkušební metoda EN 12086) - paropropustnost konkrétního materiálu můžeme vyjádřit např. faktorem difúzního odporu μ - ten spolu s tloušťkou konstrukce určuje celkový difúzní odpor R d 31
Parametry transportu vodní páry II R d = d μ - R d difúzní odpor [m] - odpor materiálu vůči průniku páry vztažený na tloušťku materiálu - d tloušťka materiálu [m] - μ faktor difúzního odporu [-] - odpor materiálu proti difúzi vodních par v porovnání s difúzí vrstvou suchého vzduchu o šířce 1 m M ateriál (100 mm) μ R d (m) Minerální vlna 1-3 0.1 0.3 Zdivo z plných cihel 8.5-9 0.85 0.9 Polystyren 40-100 4-10 Polyuretan 180-200 18-20 32
Výroba minerální vlny - nejčastěji se vyrábí tavením čediče v kupolové peci při teplotě nad 1500 C - vznikne láva, která se při vytékání na rotující válce změní odstředivou silou na malé kapky, které odlétávají do usazovací komory - kapky lávy se vlivem velké rychlosti natáhnou a tím vznikne jemné vlákno - do tohoto vlákna se vstřikuje pojivo, vodoodpudivé přísady (hydrofobizační olej), protiplísňové a další přísady - vlákno se rovnoměrně usadí na pás a pokračuje do vytvrzovací pece, kde se spolu s pojivem a všemi přísadami teplem vytvrzuje - z vytvrzovací pece vychází pás kamenné vlny přes přítlačné zařízení, které spolu s rychlostí posuvu pásu a intenzitou přísunu vláken zajišťuje požadovanou objemovou hmotnost a tloušťku konkrétního výrobku. -přes chladící komoru se nekonečný pás kamenné vlny dostává k diamantové pile, která má naprogramovány požadované rozměry konkrétního výrobku 33
34
Chemické složení minerální vlny SiO 2 44% CaO 19% Al 2 O 3 13% MgO 11% Fe 2 O 3 8% 35
Zkoušení tepelně izolačních výrobků a materiálů - technická komisí CEN/TC 88 "Tepelně izolační materiály a výrobky (sekretariát řídí DIN) - soubor evropských norem, které k 31. 12. 1997 zrušily platnost stávajících norem, které byly v rozporu s evropskými normami v tomto souboru EN 822 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení délky a šířky EN 823 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení tloušťky EN 824 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení pravoúhlosti 36
EN 825 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení rovinnosti EN 826 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Zkouška tlakem EN 1602 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení objemové hmotnosti EN 1603 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení rozměrové stability za konstantních laboratorních podmínek (23 C/50% relativní vlhkosti) EN 1604 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení rozměrové stability za určených teplotních a vlhkostních podmínek EN 1605 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení deformace při určeném zatížení tlakem a určených 37 teplotních podmínkách
EN 1606 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení dotvarování tlakem EN 1607 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení pevnosti v tahu kolmo k rovině desky EN 1608 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení pevnosti v tahu v rovině desky EN 1609 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení krátkodobé nasákavosti při částečném ponoření EN 12085 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení lineárních rozměrů zkušebních vzorků EN 12086 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení propustnosti pro vodní páru 38
EN 12087 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení dlouhodobé nasákavosti při ponoření EN 12088 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení dlouhodobé navlhavosti při difúzi EN 12089 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Zkouška ohybem EN 12090 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Zkouška smykem EN 12091 Tepelně izolační výrobky pro použití ve stavebnictví - Stanovení odolnosti při střídavém zmrazování a rozmrazování Platnost: Belgie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Irsko, Island, Itálie, Lucembursko, Německo, Nizozemsko, Norsko, Portugalsko, Rakousko, Řecko, Spojené království, Španělsko, Švédsko a Švýcarsko 39
Zásypové tepelně izolační hmoty - jako tepelně izolační zásypové hmoty se u nás využívají nejčastěji anorganická lehká kemeniva -z průmyslově vyráběných je to především expandovaný perlit, LIAPOR a SIOPOR Expandovaný perlit použití ve stavebnictví jako tepelná a zvuková izolace vyrábí se tepelným zpracováním horniny sopečného původu perlitu, jehož chemické složení a vlastnosti jsou podobné jako sklo při teplotách 950 1200 C upravená surovina expanduje, objem zrnek se až 10 x zvětší výsledný produkt je jemně zrnitý, pórovitý materiál šedobílé barvy ve formě drobných dutých kuliček 40
expandovaný perlit je chemicky inertní nehořlavý odolný mrazu objemově stálý a má sypnou hmotnost od 60 do 250 kg/m 3 má velmi nízký koeficient tepelné vodivosti, cca 0.05 Wm -1 K -1 faktor difúzního odporu je roven hodnotě 4,4 je vysoce nasákavý a prašný, proto nemůže být přímo použit na zásypové izolace, ale je zatavován do fóliových obalů a zabudovává se jako tepelně izolační matrace uplatnění však najde pro svou pórovitou strukturu i v zemědělství při provzdušnění zeminy, stabilizaci vlhkosti a hnojiv v půdě, při hydroponii ale i ochraně plodin před mrazem. jemné druhy experlitu s nízkou objemovou hmotností se používají jako plnivo (perlitbetony) 41
Chemické složení perlitu (minerálu): 70 75 % SiO 2 12 15 % Al 2 O 3 3 4 % Na 2 O 3 5 % K 2 O 0,5 2 % Fe 2 O 3 0,2 0,7 % MgO 0,5 1,5 % CaO 3 5 % chemicky vázané vody 42
Technické požadavky na EXPERLIT 43
LIAPOR - lehké kamenivo z pálených expandovaných jílů - ve východní Evropě se nazývá KERAMZIT - u nás se vyrábí ve Vintířově u Karlových Varů pod názvem LIAPOR CS - pro výrobu jsou výchozí surovinou třetihorní jílovce, které tvoří skrývku sokolovského hnědého uhlí - materiál se nejprve homogenizuje, poté granuluje na kulovitá zrna a v rotační peci se při teplotě cca 1100 C vypaluje -při pálení dojde k částečnému zatavení povrchu, takže plyny vzniklé hořením spalitelných látek a uvolňováním vodní páry způsobí zvětšení objemu (expandaci) zrn 44
Objemová hmotnost - porézní struktura zrn dává Liaporu velmi nízkou hmotnost - sypná hmotnost Liaporu je od 250 do 900 kg/m 3 - objemová hmotnost zrn Liaporu je od 500 do 1500 kg/m 3 - mezerovitost volně sypaného Liaporu je 40 až 50% - mezerovitost drceného Liaporu je 55 až 65% -setřesitelnost Liaporu je 2 až 13 % -setřesitelnost drceného Liaporu je 8 až 20% 45
Tepelná vodivost - díky porézní struktuře a keramické podstatě má dobré tepelně izolační schopnost při dobrých akumulačních vlastnostech - tepelná vodivost závisí na objemové hmotnosti a na typu Liaporu -součinitel tepelné vodivosti λ má hodnotu od 0,09 W.m -1 K -1 46
Pevnost v tlaku 47
LIAPOR je mechanicky odolný chemicky stabilní (odolává kyselinám i louhům) ve vodě je stabilní nerozpouští se a neuvolňuje škodlivé výluhy ani plyny je žáruodolný objemově stabilní do teploty 1050 C je nehořlavý (stupeň hořlavosti A) značně mrazuvzdorný - porézní struktura Liaporu umožňuje rozpínání zmrzlé vody v zrnech, proto Liapor odolává opakovanému zmrazování a dává vynikající mrazuvzdornost i výrobkům, ve kterých je použit - hmotnostní úbytek při 25 zmrazovacích cyklech je do 2 % nasákavost až 45% hmotnosti aplikace: zásypy stropů, tepelně izolační zásypy střech, ochranný zásyp ploché střechy, podsyp pod sádrokartonové podlahy, extenzivní a intenzivní ozelenění zelených střech (viz. web sites) 48
Technické požadavky na EXPERLIT 49
Dřevěné trámové stropy bez požadavků na kročejovou a vzduchovou neprůzvučnost 50
Strop se zásypem z Liaporu a s pružnou vložkou proti kročejovému hluku - Provedení 1 Strop se zásypem a pružnou vložkou proti kročejovému hluku - Provedení 2 51
Strop se zpevněným zásypem a pružnou vložkou proti kročejovému hluku - Provedení 1 Strop se zpevněným zásypem a pružnou vložkou proti kročejovému hluku - Provedení 2 vykazuje také vzduchovou neprůzvučnost 52
SIOPOR - tepelně izolační materiál - nehořlavý (třída hořlavosti A1) - netoxický (klasifikován jako zdraví bezpečný) - vyrábí se z křemičitého písku vhodným tepelným zpracováním upraveného křemičitého písku kolem teploty 300 C expanduje na pórovité kamenivo drobné kuličky s porézností až 95% - chemicky stálý - odolný vlhku a mrazu - jeho aktivní rozsah použití je od -250 C do +700 C - dobrá zvuková izolace - vynikající schopnost propustnosti vosních par a vysoušení 53