Vliv vlhkosti na účinnost 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 tepelnětechnické požadavky na jednotlivé konstrukce domů.

Výrobci tepelněizolačních materiálů se snaží v rámci konkurenčního boje dosáhnout u svých výrobků co nejlepších parametrů. 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 známé, 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 jejímiž výsledky především experimentální části vás chci seznámit.

Bylo vybráno celkem sedm 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.

Experiment
V rámci zkoumání bylo sledováno chování vybraných materiálů při různé vlhkosti prostředí. Jednalo se tedy o zjišťování absorpce vlhkosti z prostředí jako takové a dále vlivu absorbované vlhkosti na tepelnou vodivost izolací. Zkouška probíhala na třech vzorcích od každého materiálu. Nejprve byla měřením stanovena tepelná vodivost vysušených materiálů, dále byly jednotlivé vzorky umísťovány do exsikátorů a ponechávány 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. Během experimentu nešlo o přesnost měřených hodnot, ale zejména o porovnání hodnot zjištěných při různých vlhkostních stavech.

Výsledky práce
Na obr. 2 můžeme vidět znázorněný průběh hmotnostních vlhkostí materiálů stanovených v jednotlivých vlhkostních stavech. Sorpce vzdušné vlhkosti se nejvíce projevila u fenolické pěny, kde byl zjištěn nárůst hmotnosti materiálu hned v prvním připraveném prostředí s relativně nízkou vlhkostí vzduchu. S dalším nárůstem vlhkosti prostředí hmotnostní vlhkost fenolické pěny dále výrazně stoupala. V důsledku toho lze tedy v praxi předpokládat, že bude u fenolické pěny docházet k největšímu zhoršení tepelné vodivosti oproti ostatním materiálům. Obsah vlhkosti v materiálu již při relativně nízké vlhkosti vzduchu byl také ještě zaznamenán u polyuretanu. Naopak vzorky z minerální vlny s ohledem na jejich strukturu překvapily relativně nízkou absorpcí bez rozdílu na jejich orientaci vláken. Nižší pohltivost vlhkosti lze v tomto případě přisuzovat hydrofobní úpravě materiálu.

V tabulce 1 jsou uvedeny průměrné hodnoty hmotnostních vlhkostí materiálu a k nim příslušející 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 měřicího přístroje. 

Kromě vystavení jednotlivých materiálů prostředím s různou vlhkostí bylo provedeno také úplné ponoření vzorků do vody po dobu 7 dní. Na základě hmotnostních vlhkostí vodou nasycených vzorků si lze tedy udělat představu o nasákavosti materiálů. V závěru experimentu bylo zároveň provedeno jejich vysušení při teplotě cca 50 °C a po dobu, než se ustálila jejich hmotnost. 

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.

Na obr. 3 je znázorněna závislost tepelné vodivosti na vlhkosti materiálu. Pro názornost jsou hodnoty proloženy lineární spojnicí, v praxi se však dá předpokládat exponenciální průběh hodnot tepelné vodivosti s přibývající vlhkostí. Nejvíce stabilním materiálem z pohledu tepelné vodivosti je 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.

Tabulka 1: Závislost součinitele tepelné vodivosti λ_m na hmotnostní vlhkosti m_H materiálů vystavených daným podmínkám prostředí

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. U minerální vlny byla zjištěna vyšší navlhavost a nasákavost, která je doprovázena nežádoucí zvýšenou tepelnou vodivostí izolace. U polyuretanu společně s fenolickou pěnou byla naměřena v suchém stavu nejnižší tepelná vodivost. Polyuretan má poměrně nízkou nasákavost. 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 difuzně nejuzavřenější, výrobce udává, že je vodním parám nepropustné, tudíž 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.

Dále bylo 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.

ONDŘEJ PAVEL
foto autor

Ing. Ondřej Pavel (*1991)
je absolventem ČVUT, Fakulty stavební, obory Konstrukce pozemních staveb a Materiálové inženýrství. V současnosti pracuje jako projektant ve společnosti A.W.A.L.