Vliv vlhkosti na tepelné izolace pro kontaktní zateplovací systémy

V dnešní době se klade co největší důraz na zateplení a celkovou energetickou náročnost budov bez rozdílu toho, jestli se jedná o navrhování novostaveb nebo provádění rekonstrukcí. Chceme dosáhnout tepelné pohody v interiéru a co nejnižších energetických ztrát. Cílem je minimalizovat náklady na energie a zároveň chránit životní prostředí. V souvislosti s tímto trendem rostou tepelně technické požadavky na jednotlivé konstrukce domů. Výrobci tepelněizolačních materiálů se snaží v rámci konkurenčního boje dosáhnout co nejlepších parametrů u svých výrobků. Následně uvádějí jakési deklarované hodnoty součinitelů tepelné vodivost stanovené na základě určitých postupů v normách. Kde je ale pak v praxi skutečná tepelná vodivost materiálu? Je všeobecně známo, že tepelněizolační vlastnost se s vlhkostí materiálu zhoršuje. Na tepelnou izolaci působí během její životnosti mnoho faktorů, kterými se do materiálu může vlhkost dostat. Tato skutečnost byla hlavní motivací pro zpracování mé diplomové práce s jejíž výsledky v rámci experimentální části bych Vás chtěl seznámit. Bylo vybráno celkem 7 tepelněizolačních materiálů pro vnější kontaktní zateplovací systémy. V experimentální části došlo u těchto materiálů k ověření některých parametrů deklarovaných výrobci a zjištění vlivu vlhkosti na ně. 

Přehled zkoumaných materiálů v daných tloušťkách 
• pěnový polystyren – Isover EPS 70F, tl. 100 mm 
• pěnový polystyren s příměsí grafitu – Isover EPS Greywall Plus, tl. 100 mm 
• minerální vlna s podélným vláknem k rovině desky – Isover TF Profi tl. 100 mm 
• minerální vlna s kolmým vláknem k rovině desky – Isover NF 333 tl. 100 mm 
• polyuretanové desky – TPD – PUR 30/40 tl. 100 mm 
• fenolická pěna – Kingspan Kooltherm K5 tl. 80 mm 
• pěnové sklo – Foamglas T4+ tl. 80 mm  

 Obr. 1: Přehled vzorků vybraných materiálů 
obr.1.jpg

Popis experimentu 
Jedním z experimentů bylo zjišťování vlivu absorbované vlhkosti z vlhkého prostředí na tepelnou vodivost materiálu. Pro tyto zkoušky byly připraveny tři vzorky od každého materiálu o rozměrech 100 × 100 mm a výšce odpovídající tloušťce konkrétní tepelné izolace. Vzorky byly umísťovány do exsikátorů, kde byly ponechány v různě vlhkých prostředích nad roztoky solí do doby, než se ustálila jejich hmotnostní vlhkost. Následně se na materiálech stanovovala tepelná vodivost pomocí přístroje Isomet. 

Výsledky práce 
Tepelná vodivost vzduchu je přibližně dvacetkrát menší nežli tepelná vodivost vody, tudíž je zřejmé, že i tepelná vodivost suchých materiálů s pórovitou strukturou bude nižší než u materiálů s obsahem vlhkosti. Výrobci tepelněizolačních materiálů udávají pouze deklarovanou hodnotu součinitele tepelné vodivosti v jednom určitém stavu, která má sloužit zejména pro porovnání materiálů mezi sebou a je stanovována na základě určitých postupů měření. Tato hodnota ve své podstatě ale nevypovídá o vlastnostech materiálu při zabudování do konstrukce. Právě v praxi působí na materiály z různých zdrojů vlhkost, která může tepelněizolační schopnost materiálů zhoršovat. Z tohoto důvodu bylo předmětem experimentální části také zjištění vlivu vlhkosti tepelných izolací na jejich tepelnou vodivost. Na základě výše uvedeného postupu byly naměřeny hodnoty hmotnostních vlhkostí a tepelných vodivostí v závislosti na stavu prostředí. Stanovené hodnoty jsou uvedeny v následujících tabulkách jako průměrné hodnoty z naměřených hodnot u jednotlivých vzorků. 

Tab. 1: Vývoj průměrných vlhkostí materiálů při uložení za daných podmínek vlhkosti prostředí 
tab.1-finale.jpg


Obr. 2: Absorpce vzdušné vlhkosti materiálů při určitém prostředí 
obr.2.jpg

V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty hmotnostních vlhkostí mH jednotlivých tepelných izolací v závislosti na prostředí, kterému byly vzorky vystaveny. Tabulka popisuje jednotlivé materiály z hlediska absorpce vzdušné vlhkosti a absorpce vody při ponoření. Znázornění absorpce u jednotlivých materiálů je na obr. 2, kde je mezi nimi viditelné srovnání.Absorpce vzdušné vlhkosti se nejvíce projevila u fenolické pěny, u které došlo k nárůstu hmotnostní vlhkosti již v prostředí s nejnižší absolutní vlhkosti (9,5 g/m3). S dalším nárůstem vlhkosti prostředí vlhkost fenolické pěny dále prudce stoupala. Poměrně výrazná absorpce vlhkosti byla zjištěna i u vzorků z tvrdého polyuretanu. Naopak materiály z minerálních vláken s ohledem na vláknitou strukturu překvapily relativně nízkou absorpcí v porovnání s polyuretanem a fenolickou pěnou. Nižší pohltivost vlhkosti lze v tomto případě opět přisuzovat hydrofobní úpravě materiálu. Z grafu je zřejmé, že orientace vláken minerální vlny nemá vliv na absorpci vzdušné vlhkosti. Hodnoty hmotnostních vlhkostí a jejich průběh v závislosti na prostředí je pro minerální vlnu s rozdílnou orientací vláken téměř totožný. Podle hmotnostní vlhkosti nasycených vzorků vodou lze pozorovat nasákavost jednotlivých materiálů při úplném ponoření do vody po 7 dnech. Pro zajímavost jsou v tab. 1 uvedeny i změny naměřené hmotnosti materiálu, opět vysušeného po předchozím plném nasycení vodou. Záporné hodnoty hmotnostních procent poukazují na úbytek hmotnosti materiálu. Vzhledem k hodnotám v řádech desetin procenta se pravděpodobně jedná pouze o úbytek materiálu v důsledku mechanického poškození při manipulaci. V případě fenolické pěny je úbytek výraznější, zde se zřejmě jedná o vyplavení některých složek z materiálu – pravděpodobně nezreagovaného fenolu.  

Tab. 2: Závislost součinitele tepelné vodivosti λm na hmotnostní vlhkosti mH 
tab.2-finale.jpg

Poznámka:
* Hodnotu pomocí přístroje Isomet s dostupnými sondami nebylo možné změřit.

V tab. 2 jsou uvedené průměrné hodnoty hmotnostních vlhkostí materiálu a k nim příslušící naměřené hodnoty součinitele tepelné vodivosti při jednotlivých vlhkostních stavech. Je celkem logické, že při vzrůstající vlhkosti materiálu dochází ke zvýšení tepelné vodivosti, a tudíž ke zhoršení tepelněizolační schopnosti. Ojediněle byl naměřen u některých materiálů pokles tepelné vodivosti i při nárůstu vlhkosti, tyto odchylky jsou způsobeny přesností měřícího přístroje. 

Obr. 3: Hmotnostní vlhkosti materiálů po úplném ponoření
obr.3.jpg


Obr. 4: Závislost součinitele tepelné vodivosti λm na hmotnostní vlhkosti materiálu mH 
obr.5.jpg

Na obr. 4 je pak znázorněna závislost tepelné vodivosti na vlhkosti materiálu porovnání. Pro názornost jsou hodnoty proloženy lineární spojnicí, musíme ale počítat s tím, že skutečný průběh chování materiálů bude odlišný. V praxi se dá předpokládat exponenciální průběh hodnot tepelné vodivosti s přibývající vlhkostí, pro přesnější vykreslení by bylo nutné provést více zkoušek na více vzorcích, případně volit přesnější metody měření. Z tohoto experimentu nejlépe vyšel expandovaný polystyren, který si i přes výrazný obsah vlhkosti po ponoření vzorků do vody nejlépe zachoval svou tepelněizolační schopnost. K nejvýraznějšímu nárůstu naměřených hodnot tepelné vodivosti došlo v případě fenolické pěny a minerální vlny s podélným vláknem. Hodnotu součinitele tepelné vodivosti u nasycených vzorků minerální vlny s kolmými vlákny se nepodařilo přístrojem Isomet naměřit ani jednou z dostupných sond. Z hodnot lze také vyvodit, že u materiálů, které přišly do kontaktu s vodou, nedochází po jejich vysušení k výraznému či vůbec žádnému zhoršení tepelněizolačních vlastností. Naměřené hodnoty součinitele tepelné vodivosti se jen u některých izolací nepatrně liší oproti hodnotám původního suchého vzorku dodaného od výrobce.  

Tab. 3: Naměřené průměrné hodnoty součinitele tepelné vodivosti při vlhkostních stavech, dosažených v prostředí s různou vlhkostí 
tab-3-finale.jpg


V tab. 3 jsou porovnány naměřené průměrné hodnoty součinitelů tepelné vodivosti vzorků materiálů vystaveným jednotlivým prostředím s hodnotami součinitele tepelné vodivosti deklarovanými výrobci. Závislost součinitele tepelné vodivosti materiálu na konkrétním prostředí je následně zobrazena na obr. 5. 

Obr. 5: Závislost součinitele tepelné vodivosti na vlhkosti prostředí 
obr.5.jpg


Obr. 6 srovnává hodnoty naměřené na původních suchých vzorků, hodnoty naměřené u nasycených vzorků vodou a hodnoty naměřené následně na vysušených vzorcích. Z grafu (obr. 5) je zřejmé, že polystyren a pěnové sklo si nejlépe zachovávají své tepelněizolační vlastnosti i při vysoké vlhkosti prostředí. Jedná se o materiály s uzavřenou a pro vodu nepropustnou vnitřní buněčnou strukturou, do které nepronikají vodní páry nebo pronikají jen v omezené míře. Naopak zejména u fenolické pěny dochází k výraznému nárůstu tepelné vodivosti při zvýšené vzdušné vlhkosti, což je důsledek její vysoké absorpce vodních par do vnitřní struktury materiálu. Vysoká absorpce vlhkosti a nasákavost oproti ostatním materiálům může být u fenolické pěny zapříčiněna existencí nanometrických pórů ve hmotě, obklopující větší póry. [1]. 

Obr. 6: Tepelné vodivosti materiálů při nasyceném stavu vodou a jejich porovnání s deklarovanými hodnotami, hodnotami naměřenými na původních suchých vzorcích a vzorcích následně vysušených 
obr.6.jpg

Na obr. 6 lze vidět porovnání deklarovaných hodnot tepelných vodivostí a naměřených hodnot tepelných vodivostí při jednotlivých stavech materiálů. Jak již bylo zmíněno, expandovaný polystyren a pěnové sklo vykazují nejmenší rozdíly tepelné vodivosti mezi jednotlivými stavy materiálu. Dle obsahů vlhkostí v materiálech uvedených v tab. 1, zejména pak na základě nejvyšší vlhkostní hmotnosti minerální vlny s kolmým vláknem, lze usuzovat, že hodnota tepelné vodivosti tohoto materiálu, kterou se nepodařilo změřit, by byla při vodou nasyceném stavu logicky nejvyšší. U některých materiálů jsou zřetelné menší či větší rozdíly mezi deklarovanou a naměřenou hodnotou tepelné vodivosti, tuto skutečnost lze přisuzovat přesnosti použitého měřícího přístroje. V případě polyuretanových desek a pěnového skla, kde je rozdíl opravdu výrazný, mohou vznikat pochybnosti o tom, jak a za jakých podmínek výrobce deklarované hodnoty získal. 

Závěr
Při experimentální části byly ověřeny některé vlastnosti vybraných tepelných izolací. Zároveň bylo zjištěno jejich přibližné chování v různě vlhkém prostředí. Každý materiál má své výhody a nevýhody, a proto je důležité je při jejich volbě mezi sebou porovnat a zvážit, který je při konkrétní aplikaci z hlediska vlastností vhodný více či méně. Pěnový polystyren se ukázal být výhodný z hlediska nízké nasákavosti, zároveň si nejlépe zachoval své tepelněizolační schopnosti při různých vlhkostech prostředí. Minerální vlna byla potvrzena jako difúzně nejotevřenější materiál. Zároveň u ní byla zjištěna vyšší navlhavost a nasákavost, která je doprovázena zvýšenou tepelnou vodivostí izolace. Při částečném ponoření do vody byl znatelný vliv hydrofobizace vláken materiálu, jelikož nedocházelo k viditelnému vzlínání a nasakování materiálu nad úrovní hladiny vody. Při úplném ponoření do vody se výrazně projevil vliv orientace vláken minerální vlny, jelikož hmotnostní vlhkost při úplném nasycení vodou byla u minerální vlny s kolmou orientací vláken přibližně třikrát větší než u minerální vlny s podélnou orientací vláken. U polyuretanu společně s fenolickou pěnou byla naměřena v suchém stavu nejnižší tepelná vodivost. Polyuretan má poměrně nízkou nasákavost, zejména pak při úplném ponoření. Podle provedeného měření si docela dobře zachovává tepelněizolační schopnost i při obsahu vlhkosti v materiálu. Fenolická pěna je ze všech materiálů nejvíce náchylná na vzdušnou vlhkost, a dochází u ní k výraznému nežádoucímu zvýšení tepelné vodivosti. Tato skutečnost může být riziková zejména při zateplení některých detailů, kde snížení tepelněizolační schopnosti materiálu může vést k nízkým povrchovým teplotám v interiéru a následnému vzniku plísní vlivem kondenzace vodních par. Pěnové sklo je ze zkoumaných materiálů difúzně nejuzavřenější, výrobce udává, že je vodním parám nepropustné. Ani vysoká vzdušná vlhkost tepelněizolační vlastnosti pěnového skla nezhoršila. Naměřená hmotnostní vlhkost po úplném ponoření materiálu do vody se dá přisuzovat pouze zaplnění otevřených pórů na povrchu materiálu. Pěnové sklo se vyznačuje velkou pevností v tlaku, což však platí pouze při jeho plošném zatížení. Při manipulaci se totiž ukázalo být velice křehké. Bylo také zjištěno, že po úplném vysušení vzorků nasycených vodou dochází k obnovení původní tepelněizolační schopnosti materiálu. Tepelná vodivost po vysušení nabývá téměř původních nebo zcela stejných hodnot jako před namočením. Lze tedy konstatovat, že zkoušené tepelné izolace si zachovávají v suchém stavu své tepelněizolační vlastnosti i přesto, že projdou fází plného nasycení vodou. Předpokladem je však zachování struktury materiálu, která může být například mechanicky poškozena. Zároveň je nutné vzít v úvahu, že v praxi k úplnému vysušení materiálu většinou nedojde, jelikož zajištění podmínek pro úplné vysušení je v praxi téměř nemožné. Vzhledem k hysterezi sorpční křivky u většiny materiálů bude tedy ustálená vlhkost materiálu při desorpci po plném nasycení vodou vyšší než vlhkost, dosažená v materiálu sorpcí ze suchého stavu.Vzdušná vlhkost má zásadní vliv na izolační funkci v případě tepelné izolace z fenolické pěny a minerální vlny, méně výrazný vliv byl zjištěn u polyuretanových desek a pěnového polystyrenu. Pěnové sklo z tepelněizolačního hlediska na vzdušnou vlhkost nereaguje.Z uvedených skutečností je zřejmé, že je nutno vždy zvážit vhodnost použití daného materiálu pro každý konkrétní případ zvlášť.

Anotace

Česky

Experimentální ověření vlivu vlhkosti na vybrané tepelněizolační materiály určené pro kontaktní zateplovací systémy