Visokoizolacijski materiali v sodobnih stavbah, 2. del

Kot že povedano gre razvoj toplotnih izolacij v smeri toplotne prevodnosti, ki je manjša od toplotne prevodnosti zraka. Poleg toplotne prevodnosti so pričakovane lastnosti novih izolacij še trajnost, ekološka sprejemljivost, požarna obstojnost in za najširšo uporabo nizka cena. Toplotne izolacije, ki sploh lahko imajo nižjo toplotno prevodnost kot zrak, morajo biti izdelane na osnovi:

• nanopen na osnovi polimerov,
• nanopen na osnovi aerogela,
• vakuuma,
• polimerne pene z izolacijskimi plini,
• paneli z izolacijskim plinom.

V tabeli 2 je pregled različnih polnil v fasadnih sistemih. Za vsako izmed omenjenih izvedb bo v nadaljevanju predstavljeno trenutno stanje raziskav in usmeritve razvoja posamezne toplotne izolacije.

Tabela 2: Pregled polnil fasadnih sistemov s toplotno prevodnostjo boljšo od zraka:

Nanopene na osnovi polimerov

V primerjavi z izdelavo običajnih pen se nanopene izdelujejo zelo hitro iz tekočine, v kateri je snov za penjenje popolnoma raztopljena v penilnem sredstvu. Nastajanje pene mora biti tako hitro, da ni možno nastajanje večjih mehurčkov, ampak so le ti na nivoju velikosti pod 100 nm, največkrat med 10 in 100 nm. Trenutno v gradbeništvu resnično uporabnih nanopen za izolacijo ni, obstaja pa na področju splošne nanotehnike veliko komercialnih izdelkov z nanodelci za različne namene:

• zaščitni nanopremazi za vpojne in nevpojne površine,
• samočistilni premazi za stekla in druge materiale,
• anti-grafitna zaščita z nanopremazi.

Na področju nanopen je vodilni Bayer. PUR nanopene z velikostjo celic pod 150 nm so še v eksperimentalni fazi, vendar s prvimi obetajočimi rezultati, saj je toplotna prevodnost približno za polovico manjša kot pri običajni PUR peni.

Slika 7: Primerjava velikosti celic poliuretanskih pen od standardne pene do nanopene

Tabela 3: Tehnične značilnosti polimernih nanopen

Nanopene na osnovi aerogelov

Aerogeli so trdni materiali z najnižjo gostoto in zelo nizko toplotno prevodnostjo. Izdelani so neposredno iz tekočega gela, kjer tekočino nadomestimo z zrakom. Od tod tudi ime zamrznjen dim (angl. frozen smoke). Gel se mora v postopku izdelave posušiti z nadkritično ekstrakcijo tekočine, kar pomeni, da se gel lahko posuši v obstojen penast material le s povečanjem temperature in tlaka nad kritično točko gela. Prav zahtevnost in energetska potratnost pridobivanja najbolj omejujeta široko uporabo aerogelov v gradbeništvu. Aerogel je toplotni izolator, saj lahko izredno omili konvekcijo, prevajanje in sevanje, seveda odvisno od izvedbe oziroma materiala aerogela. Poznamo več vrst aerogelov:

• silikonski aerogel je dober topltni izolator, saj silicijev oksid slabo prevaja toploto,
• kovinski aerogel je na drugi strani boljši toplotni prevodnik,
• ogljikov aerogel je dober izolator, saj ogljik absorbira infrardeče sevanje,
• najboljši izolator je kremenov aerogel z dodanim ogljikom (na trgu je v obliki izolacijskih mehkih trakov.

Vodilno podjetje za gradbeništvo zanimivih produktov iz aerogelov ja Aspen Aerogels INC iz ZDA. Z izdelavo aerogelovega zdroba, kjer je lahko proces veliko hitrejši na račun neprosojnosti nastalega materiala, so nastale tržno zanimive toplotne izolacije. Pod znamko Spaceloft® tržijo trpežno in vremensko obstojno izolacijo v obliki fkesibilnih plošč za toplotno izolacijo tal, notranjih in zunanjih sten stavb. Pravzaprav je največja omejitev uporabe poleg cene (zaenkrat) dejstvo, da aerogela ni možno uporabiti samostojno. V obliki trdnih prosojnih plošč mora biti na primer med dvema stekloma, v primeru fleksibilnih toplotnih izolacij pa je lahko le kot toplotno izolacijsko polnilo, podobno kot mehka steklena volna.

Slika 8: Fleksibilne toplotne izolacije iz aerogela

Tabela 4: Tehnične značilnosti aerogelov

Vakuumski paneli

Vakuumski paneli za gradbeništvo so primerni le v izvedbi z mineralnim jedrom kot nosilcem strukture panela. Vzdrževanje vakuuma zagotavlja aluminizirana folija, v katero je mineralno jedro oblečeno. Podjetje Va-Q-Tec na primer ponuja tri različne tipe vakuumskih panelov, ki se razlikujejo po strukturi jedra panela:

• Stisnjen prah silicijevega dioksida (kremen) z dodatki. Toplotna prevodnost je manj kot 0,005 W/mK, za gradbeništvo se ne uporablja zaradi požarne neobstojnosti.
• S poliesterskim filcem zaščiten stisnjen prah silicijevega dioksida in anorganskega veziva. Toplotna prevodnost je manj kot 0,0053 W/mK, primerna za toplotno izolacijo stavb (požarni razred B2).
• Anorganski oksidi, od katerih je največ (80%) pirogenega silicijevega dioksida z dodatki za odbijanje toplotnega sevanja. Toplotna prevodnost je pod 0,0035 W/mK. Izredna požarna obstojnost – požarni razred A2. Zelo pogosta uporaba v gradbeništvu v sendvič izvedbah.

V večini primerov so vakuumski paneli zaščiteni z večslojno metalizirano PET folijo, ki funkcionira pri relativni vlažnosti zraka do približno 60%, pri vlažnosti, kjer pride do kondenza, pa nastopi pospešena degradacija aluminijastega nanosa in s tem sčasoma popuščanje vakuuma. Za doseganje daljše življenjske dobe takšnih panelov je potrebna posebna izvedba vgradnje, ki pogosto precej podraži investicijo v fasadni ovoj.

Slika 9: Vakuumski paneli z mineralnim jedrom

Tabela 5: Tehnične značilnosti vakuumskih panelov

Polimerne pene z izolacijskim plinom

Poliuretanske (PUR), fenolne (PF) in poliizocianuratne (PIR) zaprtocelične pene že nekaj časa omogočajo laboratorijske začetne toplotne prevodnosti do 0,020 W/mK. Toplotno izolativnost teh pen zagotavlja penilni plin, zato je pomembno, da le tega čim dlje zadržimo v toplotno izolacijski peni. To najpogosteje izvedemo z aluminijasto folijo, ki precej podaljša dobo zadrževanja težkega izolacijskega plina v celicah. Uporaba takšnih trdnih penastih materialov je preprosta za izolacijo objektov, saj se jo da enostavno rezati.

Tabela 6: Tehnične značilnosti polimernih pen

Toplotno izolacijski paneli polnjeni z izolacijskim plinom

V bistvu so toplotno izolacijski paneli, ki so polnjeni s plinom, po zasnovi podobni izolacijskim steklom. Glede na vrsto izolacijskega plina in temperaturno razliko je potrebno določiti primerno debelino komore, da se prepreči prevelik vpliv konvektivnega prenosa toplote. Plinsko polnjeni paneli se izdelujejo iz več komor, ki so največkrat debele med 6 mm in 22 mm. Komore so med seboj ločene s stekli v primeru izolacijskih stekel in polimernimi oziroma kovinskimi - največkrat aluminijastimi pregradami v primeru netransparentnih izolacijskih panelov. Posamezne komore morajo biti trajno plinotesne. Najpogosteje uporabljani izolacijski plini so argon, CO₂, kripton in flourirani plini.

V tehnologiji izolacijskih oken je bil največji napredek v zadnjih desetletjih storjen v zagotavljanju trajne plinotesnosti, tako da je garancijska doba sodobnih izolacijskih stekel že 10 let, življenjska doba pa vsaj 50 let. Izkazalo se je, da so izolacijska stekla ekonomsko najučinkovitejša v izvedbi z eno ali dvema komorama, sistemi z več kot tremi stekli so predragi in pretežki. Najpogosteje uporabljan izolacijski plin v oknih je argon. Kripton in ksenon sta največkrat predraga za standardno izvedbo okna. Prav zaradi uspešnega zagotavljanja plinotesnosti na robovih izolacijskega stekla so lahko na notranji strani izolacijskega stekla nanosi, ki odbijajo sevanje, kar še dodatno izboljša toplotnoizolacijske lastnosti. Visokokvalitetna okna imajo toplotno prehodnost v enokomorni izvedbi le Ug=1,0 W/m2K, v najboljši dvokomorni pa le Ug=0,49 W/m²K.

V CBS Inštitutu, hčerinskem podjetju Trima d.d., smo v okviru projekta MAKSI, ki ga je delno sofinancirala EU, in sicer iz Evropskega sklada za regionalni razvoj, razvili visokoizolacijski tankoslojni panel – VITP. Gre za več komorni sistem, polnjen s toplotno izolacijskim plinom, kjer je izolacijsko jedro prilepljeno na zunanjo in notranjo ploščo.

Slika 10: VITP panel (levo) in primerjava s klasično izvedbo stene (desno)

Toplotna prevodnost izolacijskega jedra je v primeru ogljikovega dioksida kot polnilnega plina na primer le 0,017 W/mK. Zunanja plošča je lahko kaljeno in emajlirano steklo ali visokotlačni laminat s plinsko/parno zaporo. Nanjo je s strukturnim lepilom v osnovni izvedbi prilepljeno pet komorno jedro (komor je lahko med 2 in 7). Posamezne komore podpirajo hibridni distančniki (polimer in nerjavno jeklo), podobno kot v primeru najboljših izolacijskih stekel. Komore so podprte z distančniki višine 20 mm (za 5 komorno izvedbo) in med sabo ločene z aluminijasto folijo debeline 20 mm, kar uspešno preprečuje prenos toplote s konvekcijo in sevanjem. Izolacijski plin v komorah je v osnovni izvedbi ogljikov dioksid ali argon, možne pa so tudi posebne mešanice še bolj izolacijskih fluoriranih plinov. Notranja plošča, z vlakni ojačena mavčna plošča, je prav tako prilepljena na izolacijsko jedro. VITP elementi so v celoti predfabricirani, kar omogoča večjo kakovost in hitrost montaže.

Slika 11: Visokoizolacijski tankoslojni panel (VITP) – primer gradnje (levo) in vizualizacija (desno)

VITP panel v osnovni izvedbi sestavlja 8 mm kaljeno steklo za zunanjo ploščo, 100 mm toplotno izolacijsko jedro (5 komor po 20 mm) in 15 mm mavčna plošča na notranji strani. Ob straneh so ojačitveni poliamidni profili, v katerih so jeklene cevi, ki dodatno povečajo togost panela in omogočajo motažo po principu obešenih fasadnih sistemov. Po montaži VITP panelov se z notranje strani fugo (20 mm) med paneli zatesni s protipožarno poliuretansko peno. Nato se notranjo stran pokrije s še eno mavčno kartonsko ploščo debeline 10 mm. V takšni izvedbi omogoča zelo dobre tehnične karakteristike: toplotno prehodnost sistema U=0,24 W/m2K, zvočno izolacijo Rw=48 dB, vodotesnost >900 Pa, požarno obstojnost EI60 in nosilnost 1,5 kPa.

Tabela 7: Tehnične značilnosti plinsko polnjenih panelov

Zaključek

Stanje na trgu in čedalje višje zahteve po učinkoviti energetsko varčni in trajnostni gradnji sodobnih objektov so razlog, da se bo na področju izolacij marsikaj zgodilo. To po eni strani pomeni investicije v razvoj novih materialov, po drugi pa vlaganje v pocenitev izdelave obstoječih. Če povzamemo trenutno situacijo na trgu izolacij lahko zaključimo:

• mineralna volna je učinkovita in trajna toplotna izolacija, večjega napredka v izolativnosti ne gre pričakovati,
• polistiren bo še nekaj časa prevladoval na področju klasičnih sistemov gradnje, saj za nizko ceno ponuja dobro toplotno izolativnost, razvoj je šel v smeri izboljšanja toplotne izolativnosti z dodajanjem delcev, ki blokirajo sevanje, 
• polimerne pene (PUR, PIR in PF) so ravno tako cenene in dobro izolirajo toploto. Razvoj gre v smeri večje požarne obstojnosti in zagotavljanja plinotesnosti penilnih plinov,
• na področju nanopen se vlaga predvsem v pocenitev postopka izdelave, saj so s stališča uporabnosti za izolacijo izjemne,  
• vakuumski paneli imajo izredno toplotno izolativnost, ki pa za sedaj ni trajna. Zagotavljanje obstoja vakuuma na dolgi rok je izredno zahtevna naloga, ki jo je težko ekonomsko upravičeno rešiti,
• plinsko polnjeni paneli so v kombinaciji z nosilnima ploščama na notranji in zunanji strani trenutno najbolj optimalni s stališča zelo dobrih toplotno in zvočnoizolativnih lastnosti ta relativno nizko ceno. Razvoj gre v smeri popolne predfabrikacije panelov in s tem zagotavljanja maksimalne kakovosti. To velja tako za okna kot tudi netransparentne plinsko polnjene panele (VITP).

VIRI:

1.  http://www.decibel.si/osnhrup.htm
   
2. http://www.kvalitetna-okna.info/category/okna/http://www.nanosvet.com/Nanotehnologija/nanoporozni-materiali.htm
3. A. Kralj, T. Šinkovec: Napredni izolacijski fasadni panel – VITP panel, CBS inštitut, Trimo d.d., Predlog poslovnega načrta, avgust 2008
4. A. Kralj, R. Hajdinjak: GAS FILLED INSULATION CONSTRUCTION PANEL, PCT/SI2010/000017
5. Bayer AG: Double the insulating performance, reduced energy consumption, Polyurethane Nanofoams for Thermal Insulation, http://www.press.bayer.com/, oktober 2010
6. NanoPore Incorporated: NanoPoreTM, Vacuum Insulation Panels and Inserts, http://www.nanopore.com
7. Aspen Aerogels, INC: Ultra Thin Spaceloft® Insulation, http://www.aerogel.com/, http://www.aerogel.si/1_aspen_aerogels.ht
8. Airglass aerogel, http://www.airglass.se/
9. Va-Q-Tec, AG Vakuumisolationspaneele (VIP), http://www.va-q-tec.com/downloadcenter_de,17685.html

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