Visokoizolacijski materiali v sodobnih stavbah, 1.del

Prispevek obravnava sodobne izolacijske materiale, ki se v gradbeništvu uporabljajo, pa tudi tiste, ki imajo izvrstne lastnosti, a so ekonomsko manj oziroma komaj sprejemljivi. Prikazano bo stanje tehnike izolacijskih materialov kot so mineralna volna, polistiren, fenolne pene in trendi razvoja novih izolacijskih materialov, ki se uveljavljajo kot na primer aerogel, nanopene, vakuumski panel in plinsko polnjeni panel.

Stanje tehnike toplotno izolacijskih materialov

Trajnostna gradnja sodobnih stavb zahteva učinkovito in trajno toplotno izolacijo stavbnega ovoja, ki je nujno tudi ekonomsko upravičena. V stanju tehnike obstaja potreba po izolacijskih materialih s toplotno prevodnostjo boljšo od zraka (λ=0,024 W/mK). Pravzaprav je toplotna prevodnost zraka mejnik za merilo učinkovitosti toplotno izolacijskega materiala.

Velika večina trenutno uporabljanih trdnih izolacijskih materialov na osnovi mineralne ali steklene volne (λ=0,036 do λ=0,044 W/mK) in polistirenov (λ=0,032 do λ=0,036 W/mK) se vrednosti toplotne prevodnosti 0,024W/mK ne more niti približati, saj so steklena vlakna oziroma polimerna osnova prevelik toplotni prevodnik, ki služi kot podpora izolacijskemu materialu, v katerem so ujeti zračni mehurčki. Vendar so ti materiali ceneni in zadosti trajni ter učinkoviti za standardno izvedbo izolacije stavbe.

Slika 1: Izolacijski materiali: Mineralna volna (levo), ekspandiran polistiren (na sredini)in ekspandiran polistiren z absorberji toplotnega sevanja znotraj materiala (desno)

V gradbeništvu se pogosto uporabljajo izolacijske pene na osnovi poliuretana (PUR in PIR), ki imajo zelo dobre toplotno izolacijske lastnosti (λ=0,028 do λ=0,036 W/mK), vendar so zaradi načina aplikacije najpogosteje uporabljane kot polnilo v pločevinastih panelih.

Pri trdnih toplotnih izolacijah na osnovi fenolnih pen (PF) je bil v zadnjih letih storjen velik korak naprej, saj je dosežena toplotna prevodnost (λ=0,018 do λ=0,022 W/mK) zelo konkurenčna penastim toplotnim izolacijam na osnovi poliuretana (PUR, PIR). Ob ugodni požarni obstojnosti (B1) je vprašljiva le trajnost izolacijskih sposobnosti, saj so največkrat uporabljeni penilni plini na osnovi CO₂ ali pentana. Kljub kovinskim (aluminijastim) folijam, v katere so tovrstni izolacijski materiali oblečeni, je zelo težko zagotoviti trajno plinotesnost na stikih med posameznimi ploščami. To pomeni, da se izolacijske sposobnosti v nekaj mesecih ali letih zmanjšajo na nivo, ki ga že na začetku ponujajo izolacije na osnovi polistirenov.

Slika 2: Toplotna izolacija iz poliuretana (levo) in fenolne pene (desno)

Poleg trdnih toplotno izolacijskih materialov se za primere, kjer se toplotno izolacijski material vgrajuje kot polnilo kavitet v konstrukciji stavbe v razsutem stanju, pogosto uporablja materiale v vlaknasti ali zrnati obliki: bombaž, pluta, celuloza, volna idr. (λ=0,030 do λ=0,045 W/mK).

Resnično velik preboj z vidika izjemnih toplotno izolacijskih lastnosti je bil storjen z vakuumskimi ali z aerogelom polnjenimi paneli. Slednji je primeren predvsem za prosojne rešitve. Oboji omogočajo izjemno laboratorijsko toplotno prevodnost (λ=0,004 W/mK). Praktično uporabne toplotne prevodnosti vakuumskih panelov pa so dejansko v rangu 0,012 do 0,015 W/mK predvsem zaradi izgub vakuuma ter vpliva robov nosilne konstrukcije panela. Tudi komercialni aerogel, ki je odporen na atmosfero ima toplotno prevodnost precej višjo od nazivne in sicer tudi do λ=0,020 W/mK.

Slika 3: Vakuumska izolacija (levo) in aerogel iz 99,9% SiO2 (desno)

Izolacijski fasadni paneli v gradbeništvu

V gradbeništvu so fasadni paneli plošče, s katerimi izdelamo fasadni ovoj stavbe, ki poleg funkcionalnih lastnosti zagotavlja tudi primeren estetski učinek. Sodobna gradnja poslovno trgovskih stavb temelji na predfabriciranih elementih, ki so vnaprej izdelani in vsebujejo vse potrebne elemente za vgradnjo. Izjema je gradnja stanovanjskih objektov, kjer še vedno prevladuje klasična izvedba, vendar se tudi na tem področju pričakuje še večji porast po principu montažne gradnje. S tehničnega stališča pa moramo v vseh primerih vgradnje izolacijskega materiala zadostiti zahtevam sodobne gradnje po:

• Toplotni izolativnosti,
• Zvočni izolativnosti,
• Vodotesnosti,
• Požarni obstojnosti,
• Trajnosti in življenjski dobi.

Sodobni fasadni sistemi združujejo funkcije toplotne izolacije, zvočne izolacije in požarne varnosti obenem pa morajo s primerno izvedbo montaže zagotavljati zadostno vodotesnost. Trajnost nominalnih lastnosti naj bi bila vsaj 20 let, življenjska doba pa vsaj 50 let.

V tabeli 1 je primerjava lastnosti v gradbeništvu uporabljenih panelov z vgrajenimi trdnimi izolacijskimi materiali.

Tabela 1: Toplotne prevodnosti izolacijskih materialov

Toplotna izolacija

Uporabniško gledano pričakujemo od toplotne izolacije stavbe trajno zagotavljanje znižanja toplotnih izgub v zimskem in toplotnih dobitkov v poletnem času. Oboje seveda v smislu karseda visokega udobja bivanja ob še sprejemljivih stroških. Splošno pravilo je, da se toplotna izolacija vgradi na zunanji obod tako, da se prepreči toplotne mostove skozi betonske plošče in druge dele konstrukcije, ki so slabi uporniki prehoda toplote. Okvirne toplotne prehodnosti stavb so 0,2 W/m²K skozi stene, 0,3 W/m²K skozi tla, 0,15 W/m2K skozi strop in 1,1 W/m²K skozi okna. Vrednosti veljajo za sodobno energetsko varčno stanovanjsko gradnjo, kar pomeni betonske oziroma opečnate stene z 15 do 20 cm debelim slojem toplotne izolacije in standardno kakovostna toplotnoizolacijska okna.

S stališča toplotne prevodnosti se v gradbeništvu najpogosteje uporabljajo materiali s toplotno prevodnostjo 0,025 W/mK in več, izjema so izolacijski plini v oknih. Širša uporaba aerogelov je omejena predvsem zaradi visoke cene (cca 2000 €/m³). Uporabnost vakuumskih panelov v gradbeništvu pa je poleg cene (cca 60 €/m2 panela debeline 4 cm) omejena predvsem s trajnostjo. Problem je predvsem trajnost vakuuma v panelih, ki so zaščiteni s kovinskimi folijami. Praktično na trgu izolacijskih materialov za gradbeništvo ni vakuumskega panela, ki bi resnično vsaj 10 let zadržal izolacijske sposobnost. Zato je smiselno razvijati izloacijske materiale s sposobnostjo trajne toplotne prevodnosti vsaj okoli 0,020 W/mK ali manj. To praktično pomeni prihranek na prostoru, saj je zadostna debelina izolacijskega sloja do 15 cm, pri klasični izolaciji pa tudi ni najbolj smiselno graditi s slojem izolacije debeline 30 cm ali več. To še najbolj velja za večnadstropne poslovne in stanovanjske zgradbe v središčih mest, kjer je zemljišče še posebej drago.

V splošnem popišemo prenos toplote skozi toplotno izolacijski material z vsoto prevoda toplote, sevanja in konvekcije.

1. Prevod ali kondukcija toplote skozi pline v izolaciji in skozi nosilno strukturo izolacije. Prevod toplote vedno nastopi v vsakem materialu, če sta temperaturi na obeh straneh različni, in sicer v smeri od toplejše strani proti hladnejši.

Doprinos polnilnega plina v izolaciji je odvisen od velikosti celic. Pri izolacijah z značilno makrostrukturo je velikost celic v rangu 1mm, kar pomeni, da je prevodnost plina v taki celici enaka nazivni. Popolnoma drugačne razmere pa so pri nanoceličnih materialih, saj je toplotna prevodnost na primer zraka pri velikosti celic 50 nm samo polovična, pri 25 nm pa le še četrtina začetne toplotne prevodnosti.

Slika 4: Struktura mineralne volne (levo), zaprtocelične (na sredini) in odprtocelične izolacijske pene (desno).

Doprinos prenosa toplote skozi strukturo izolacijskega materiala ocenimo s pomočjo njegove gostote oziroma faktorja penjenja, ki znaša približno 1/(K√2). K je razmerje med začetno in končno gostoto materiala, ki ga penimo, 1/√2 pa oblikovni dejavnik velikosti celic.

2. Sevanje ali radiacija toplote med komponentami izolacije. Prenos toplote s sevanjem lahko v pretežni meri omejimo s kovinskimi ali metaliziranimi folijami v gradbenem elementu. Doprinos sevanja je v običajnih toplotno izolacijskih materialih 0,006 W/mK pri sobnih pogojih.

3. Prenos toplote s konvekcijo oziroma gibanjem fluidov – plinov ali tekočin, ki so v izolaciji. Konvekcijo lahko izredno omilimo z debelino komore, v kateri se na primer nahaja izolacijski plin. Tako je na primer tipična debelina komore v učinkovitih enoslojnih izolacijskih oknih 16 mm, če gre za izolacijski plin argon in srednjeevropske zimske razmere (do -20°C). S stališča prevoda toplote je ugodno, da pri večslojnih oknih lahko povečamo razdaljo med stekli, saj je konvektivna sila zaradi manjše temperaturne razlike med stekli ustrezno manjša.

Zvočna izolacija

Vpliv zvočne izolativnosti materiala je še najbolje pojasniti z znižanjem jakosti zvoka, ki se prebije skozi izolacijski material. Glasnost oziroma jakost zvoka merimo v decibelih (dB). Najnižja vrednost 0 dB pomeni prag slišnosti, 30 dB jakost zvočnih izvorov v naravi, 60 dB normalna jakost govorjenja na sestanku, 75 dB jakost hrupa v prometu, 90 dB ropot v tovarni, 115 dB hrup letala, 120 dB pa je že bolečinska meja. Zvočna izolacija na primer Rw=30 dB pomeni, da se za 30 dB zmanjša jakost zvoka pri prehodu skozi steno. V sodobni gradnji je v resnici nujna zvočna izolacija vsaj 30 dB, pa še to le za objekte, kjer v bližini ni večjih izvorov hrupa. Za večino stavb v strnjenih naseljih, kjer je prisoten promet in drugi izvori hrupa pa je nujna zvočna izolacija sten vsaj 50 dB, če govorimo o zaščiti pred hrupom v notranjosti stavbe.

S stališča zvočne izolacije je klasična gradnja z opeko in/ali betonom s toplotno izolirano fasado v veliki prednosti, saj že v osnovni izvedbi ponuja zvočno izolativnost 50 dB in več (npr. opečnat zid z 10 cm toplotno izolativnim fasadnim ovojem). Montažna gradnja s predfabriciranimi relativno lahkimi paneli pa omogoča le 30 do 36 dB. Zato se na področju montažne gradnje stanovanjskih stavb in tudi pri proizvajalcih predfabriciranih fasadnih sistemov kaže velika potreba po zvočni izolaciji sten iz predfabricirnih panelov, ki je podobna, kot je zvočna izolacija toplotno izolirane opečnate oziroma betonske stene, oziroma Rw≥50 dB.

Slika 5: Testiranje zvočne izolativnosti visokoizolacijskih tankoslojnih panelov, Rw=48 dB

Vprašanje je seveda, kako s čim manj materiala zagotoviti visoko zvočno izolativnost. S povečevanjem mase oziroma debeline stene je mogoče, vendar ne najbolj smotrno. Zdi se, da trenutno v tehnologiji izolacijskih oken ekonomsko najbolj učinkovito izkoriščajo materiale s stališča zvočne izolativnosti. Zvok je v resnici mehansko valovanje v območju slišnih frekvenc (20 do 20000 Hz). Udarna energija zvočnega vala skuša premakniti trdne stene stavbe. Pri tem je pomembno dejstvo, da se zvok najbolj oslabi pri prehodu skozi plasti z veliko razliko v gostoti. Plast plina v izolacijskem oknu na primer uspešno zaduši valovanje steklene plošče. Dušenje zvoka pri standardnem oknu z izolacijskim steklom (4-16-4) in polimernim okvirjem je 32 dB, že kombinacija z masivnejšim ali lepljenim steklom poveča zvočno izolativnost na 40 dB in več.

Požarna varnost

Požarno varnost stavbnega ovoja opredeljuje več dejavnikov:

• sposobnost stene z izolacijo vred pri zadrževanju napredovanja ognja od znotraj navzven in napredovanje požara po fasadi v druga nadstropja;
• količina pri gorenju sproščene energije oziroma entalpija gorenja;
• škodljivost pri gorenju nastalih dimnih plinov in drugih produktov gorenja;
• vpliv požara na konstrukcijske lastnosti fasadnega ovoja in stavbe.

Predfabricirani fasadni elementi in montažne stene izdelane iz mineralne volne in/ali mavčnih plošč so iz stališča požarne varnosti najbolj zaželeni. Mineralna volna je praktično negorljiva in zaradi dobre toplotne izolativnosti zelo dobra ovira napredovanju požara. Mavčne plošče so s stališča zaviranja požara izjemne. Mavec je kalcijev polhidrat (CaSO4x0,5H2O) in poleg tega, da za bivanje ugodno izravnava vlago v prostoru, izredno zavira napredovanje požara, saj učinkovito zavira porast temperature vse dokler vsebuje kristalno vezano vodo.

Slika 6: Testiranje požarne obstojnosti visokoizolacijskih tankoslojnih panelov, EI60

Za požarno zaščito nosilne jeklene konstrukcije stavbe se največkrat uporabljajo požarno zaščitni premazi, ki so pogosto samoekspandirajoči pri povišani temperaturi, kar upočasni napredovanje požara. Opečnata ali betonska stena imata dobro sposobnost zaviranja požara, zato posebni ukrepi največkrat niso predvideni.

Pripravil: dr. Matjaž Žnidaršič, univ. dipl. inž str.; CBS inštitut d.o.o.