Tepelněizolační vlastnosti bublinových termoreflexních izolací

Termoreflexní izolace se pomalu dostávají do povědomí uživatelů, ačkoliv s poptávkou po polystyrenových izolacích nebo po minerální vlně se prozatím nemohou srovnávat. Termoreflexní izolace rozdělují společnost na dvě skupiny. Do první patří ti, kteří těmto izolacím nevěří a jsou skeptičtí k vlastnostem udávaným výrobci. Na straně druhé jsou lidé, kteří věří, že termoreflexní izolace jsou „hudbou budoucnosti“. Rozporuplné názory na termoreflexní izolace nás dovedly k sepsání tohoto článku, ve kterém se snažíme posoudit jejich tepelněizolační vlastnosti podle tepelného odporu R. Pro jeho normativní určení bylo nutné sestavit měřící skříň Hot Box, ve které byly vzorky termoreflexní izolace proměřeny. Věříme, že výsledky měření vnesou jasnější pohled do problematiky termoreflexních izolací.

Požadavky na tepelné izolace`
Ceny energií v posledních letech stále rostou a výhled do dalších let nevypadá nijak lépe. Z tohoto důvodu jsou výměna starých oken za moderní dřevěná či plastová okna s trojskly nebo revitalizace paneláků pomocí zateplovacích systémů i s dalšími záchrannými kroky způsoby k úsporám. Dle směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU o energetické náročnosti budov nastává povinnost od roku 2020 stavět domy, které budou mít spotřebu energie blízkou nule. Požadavkem na tyto stavby je hodnota součinitele prostupu tepla obvodových stěn nižší než U = 0,15 W.m^–2.K^–1. 

Pokud prostudujeme trh se stavebními materiály pro výstavbu obvodových stěn, najdeme pouze několik výjimek, které tuto hodnotu splňují nebo se jí alespoň přibližují, avšak i cena těchto materiálů je podstatně vyšší. A právě tady nastupují na scénu výrobci tepelných izolantů, kteří mezi sebou svádějí boj o co nejnižší hodnotu součinitele tepelné vodivosti λ [W.m^–1.K^–1], což je obvyklá hodnoticí veličina běžných tepelných izolací. Rovněž se snaží dosáhnout co nejnižší tloušťky tepelné izolace, aniž by se zhoršily jiné vlastnosti. Toho se snaží docílit i výrobci termoreflexních bublinkových izolací. Jelikož ale tyto izolace nejsou homogenním materiálem, jako je například EPS či MW, nemohou být charakterizovány podle součinitele tepelné vodivosti λ. Jejich tepelněizolační vlastnosti charakterizuje tepelný odpor R vrstvy.

Tepelněreflexní izolace
Termoreflexní izolace fungují na principu odrazu infračerveného elektromagnetického záření, tedy tepelného záření. V chledném období odrážejí tepelné záření zpět do interiéru v chladném období a naopak v horkém letním období odrážejí sluneční záření zpět do exteriéru, čímž brání přehřátí interiéru. Termoreflexní izolace mají dvě důležité vlastnosti, které zásadně ovlivňují jejich tepelněizolační schopnosti. Jsou jimi emisivita a reflektance, jež ovlivňují složku sálání poblíž reflexního povrchu. Izolace se skládá z vrstvy hliníkové fólie a bublinkové fólie na bázi LDPE (nízkohustotní polyetylén) či na bázi HDPE (vysokohustotní polyetylén) o tloušťce několika milimetrů, popřípadě se využívají i pěnové fólie, které jsou pokovené velmi tenkou vrstvou hliníku z obou stran nebo pouze z jedné strany. Vícevrstvé izolace jsou tvořeny seskupením většího počtu hliníkových a bublinkových fólií, většinou střídavě vedle sebe. 

Termoreflexní fóliové izolace plní dvě důležité funkce, a to funkci tepelněizolační a parotěsnicí. Jsou tedy vhodné pro použití do střešních plášťů, kdy ušetří vrstvu fólie jako parozábrany. Dále mají vysokou odolnost vůči různým druhům chemikálií, škůdcům, ultrafialovému záření a nejsou navlhavé. Z ekologického hlediska se jedná o recyklovatelný materiál, který neuvolňuje žádné škodlivé látky do svého okolí. Termoreflexní izolace jsou elektricky nevodivé a jsou snadno hořlavé, dle třídy reakce na oheň podle ČSN EN 13501-1 se řadí do kategorie E až F. Reflexní hliníkové fólie s čistotou 99,9 % mají hodnotu reflektance (odrazivosti) okolo 95 % dle většiny výrobců. Malá hmotnost termoreflexních izolací je dána použitím lehkých materiálů, jedním z nich je bublinková fólie. Ta je odolná vůči vlhkosti, je pružná a díky malým vzduchovým bublinkám má příznivou tepelněizolační schopnost. Bublinky vzduchu jsou rozmístěny rovnoměrně po ploše fólie a jejich výška se pohybuje řádově od 3 do 12 mm, přičemž průměr bývá od 10 do 30 mm. Velikost vzduchových bublin je prioritní z hlediska způsobu šíření tepla. Zajištěním optimálního rozměru docílíme, že se teplo šíří převážně sáláním, nikoliv prouděním, které je v tomto případě nechtěnou složkou. Tepelný odpor termoreflexních izolací se velmi liší v závislosti na tloušťce izolace, skladebném uspořádání, vlastnostech použitých materiálů apod. Hodnoty tepelného odporu R se pohybují od 0,5 do 5 m².K.W^–1, tato hodnota však není konečná. Termoreflexní izolace se často instalují mezi dřevěný rošt, který vytvoří uzavřené vzduchové mezery a ty dále zvyšují celkovou hodnotu tepelného odporu. Předností těchto izolací je schopnost rušení elektromagnetického smogu, jako je TV, GSM a další zdroje elektromagnetického vyzařování. 

Měřidlo Hot Box podle normy EN ISO 8990
Tato metoda slouží ke stanovení hodnoty tepelného odporu termoreflexních izolací. Název Hot Box lze volně přeložit jako „chráněná teplá skříň“. Zařízení je určeno pro stanovení celkového množství tepla, které projde vzorkem termoreflexní izolace ze strany o vyšší teplotě na stranu o teplotě nižší. Je tedy nutné vytvořit určitý teplotní spád, přičemž hodnota celkového množství procházejícího tepla je nezávislá na jednotlivých způsobech šíření. 

Zařízení je plnohodnotně vybaveno tak, aby se výsledky měření těsně přiblížily skutečnosti. Materiálem měřicí skříně je extrudovaný polystyren, kvůli jeho dobrým tepelně izolačnímvlastnostem a větší pevnosti ve srovnání s klasickým pěnovým polystyrenem EPS. Měřicí zařízení se skládá z teplé a chladné části pro nastavení teplotního spádu na měřeném vzorku, což imituje podmínky prostředí. Mezi tyto dvě komory je upevněn vzorek izolace. V našem případě se chladná část skříně ochlazovala pomocí mrazáku a teplá část byla vyhřívána topnými, ohebnými a samolepicími PES fóliemi. Přesnou teplotu v jednotlivých částech skříně snímají tři velmi přesná platinová teplotní čidla Pt 1000 s počítačovým řízením.

Vzorky termoreflexních fóliových izolací
Vzorky termoreflexních izolací, které byly použity pro měření v zařízení Hot Box, byly vyrobeny z LDPE bublinkové fólie s velkými bublinkami o průměru 30 mm a výšce 10 mm v kombinaci s různými druhy hliníkové fólie. Vzorky izolací jsou v rozsahu od základní skladby ABBA (Al fólie – bublinková fólie – Al fólie) až po několik vrstev. Použité značení souvrství izolace vychází ze zkratek jednotlivých vrstev: A – hliníková fólie a BB – „big bubble“ (bublinková fólie):
– vzorek č. 1 – ABBA – klasické uspořádání, metalická Al fólie (2x Al, 1x BB),
– vzorek č. 2 – ABBABBA – vícevrstvé uspořádání (3x Al, 2x BB),
– vzorek č. 3 – ABBBBABBBBA – vícevrstvé uspořádání (3x Al, 4x BB; pozn.: bublinková fólie není natavena na hliníkovou fólii),
– vzorek č. 4 – ABBBBABBBBA – vícevrstvé uspořádání (3x Al, 4x BB; pozn.: bublinková fólie je natavena na hliníkovou fólii),
– vzorek č. 5 – ABBBBABBBBABBBBA – vícevrstvé uspořádání (4x Al, 6x BB),
– vzorek č. 6 – ABBBBABBBBABBBBABBBBA – vícevrstvé uspoř. (5x Al, 8x BB),
– vzorek č. 7 – ABBA – použití fólie se zlatým vzhledem (2x Al, 1x BB),
– vzorek č. 10 – šedý polystyren – ověření správnosti měření.

Měření tepelného odporu vzorků
Pro měření bylo vybráno sedm vzorků termoreflexních izolací a jeden referenční vzorek ze šedého polystyrenu. Jedná se o vzorky různé tloušťky a skladby, aby bylo možné co nejlépe odpozorovat chování jednotlivých vrstev, a určit tak vhodnou skladbu izolace. Byl dodržován přesný postup měření, aby byly pro všechny vzorky dodrženy stejné podmínky, a nedošlo tak k výrazné chybě. Vzorky byly měřeny v poloze svislé, kdy představovaly zateplení obvodové stěny. Dle možností rozsahu měření zařízení Hot Box byly stanoveny tři teplotní rozdíly, které simulovaly podmínky teplot v exteriéru a interiéru během zimního a letního období. 

Z grafu 1 je patrné, že všechny vzorky vykazují nejvyšší hodnoty tepelného odporu při teplotním rozdílu θ_EX = –2 °C a θ_IN = 15 °C. Čím dále postupujeme do kladných hodnot teplotního rozdílu, tím je hodnota tepelného odporu nižší, tedy tepelněizolační schopnost izolací se zhoršuje. Můžeme říci, že tyto izolace dosahují lepších hodnot tepelného odporu v zimních měsících, kdy se venkovní teploty pohybují v záporných hodnotách. Při aplikaci izolace ve stavbě by byly s těmito izolacemi velmi dobře splněny požadavky zimní tepelné ochrany budov. Naopak při letní tepelné ochraně klesne hodnota tepelného odporu u některých vzorků i o více než polovinu oproti hodnotám při teplotách simulujících chladné počasí. Dále, když porovnáme izolaci 5x Al + 8x BB (viz zelená křivka, která představuje nejširší vzorek izolace) se vzorkem 4x Al + 6x BB (viz červená křivka), vidíme, že při teplotním rozdílu θ_EX = –2 °C a θ_IN = 15 °C nedosahuje vyššího tepelného odporu vzorek izolace s největší tloušťkou 5x Al + 8x BB, jak by se dalo předpokládat, ale nejpříznivější tepelněizolační schopnost s hodnotou R_T = 2,80 m².K.W^–1 má vzorek, který má o dvě bublinkové a jednu1 hliníkovou fólii méně. Pokud ale tyto dva vzorky porovnáme při teplotním rozdílu θ_EX = 5 °C, θ_IN = 20 °C a θ_EX = 35 °C, θ_IN = 20 °C, dosahuje vyšších hodnot tepelného odporu nejširší vzorek 5x Al + 8x BB. Také vidíme rozdíl u vzorku 3x Al + 4x BB nenatavené a natavené. Za teplotního rozdílu θ_EX = –2 °C a θ_IN = 15 °C má tento vzorek s natavenými bublinkovými fóliemi hodnotu tepelného odporu téměř o 1,00 m².K.W^–1 vyšší než s nenatavenými fóliemi. Tuto skutečnost může způsobit právě natavení fólií, kdy vzorek mnohem lépe drží tvar a lze ho lépe napnout při měření v Hot Boxu. Naopak pokud fólie nejsou nataveny, vzorek se mačká a nelze ho dobře napnout, tudíž lesklé odrazové plochy hliníku neodrážejí teplo přímo nazpět do teplé skříně, ale volně do prostoru. Za kladných teplotních rozdílů jsou hodnoty tepelného odporu pro tyto dva vzorky téměř totožné. Nejhůře dopadly nejtenčí vzorky, a to metalická ABBA fólie a 2x Al + 1x BB „zlatá fólie“. Avšak vzorek s fólií zlatého vzhledu má hodnoty tepelného odporu vyšší než vzorek s metalickou fólií. Fólie zlatého vzhledu má lepší hodnoty reflektance, která byla také proměřena na všech hliníkových fóliích. Reflektance má významný vliv na výslednou hodnotu tepelného odporu, což může mít za následek právě vyšší hodnoty tepelného odporu pro tuto izolaci.

Zateplení obvodové stěny
Obvodové stěny z jakýchkoliv materiálů lze zateplit termoreflexní fóliovou izolací z venkovní i vnitřní strany. Lze ji využít jako hlavní izolaci nebo jako izolaci přídavnou, která doplní jiný typ izolace. 

Pro posouzení izolační schopnosti termoreflexní izolace uvádíme porovnání obvyklých případů zateplení obvodové stěny budovy. V prvním případě je obvodová stěna z cihelných broušených bloků Porotherm tloušťky 300 mm zateplena 40 mm fasádního EPS 70F a v druhém případě je stejná obvodová stěna zateplena s využitím termoreflexní fóliové izolace tloušťky 40 mm, jejíž schematické uspořádání je uvedeno na obrázku 1.5. Tepelněreflexní izolace se upevňuje podle návrhu výrobce na dřevěný rošt. Výrobce cihelných bloků uvádí hodnotu součinitele tepelné vodivosti λ = 0,175 W.m^–1.K^–1, pěnový polystyren EPS má λ = 0,039 W.m^–1.K^–1, přestupové tepelné odpory pro vnitřní a vnější povrch konstrukce činí R_si = 0,125 m².K.W^–1, R_se = 0,04 m².K.W^–1. Z těchto hodnot se po dosazení do vzorců vyjádří hodnota součinitele prostupu tepla konstrukce U.

Stěna zateplená 40 mm EPS dosahuje součinitele prostupu tepla U = 0,344 W.m^–2.K^–1. Stejným způsobem vypočítáme U konstrukce se zateplením termoreflexní fóliovou izolací, kde R_izolace = 1,555 m².K.W^–1 (hodnota tepelného odporu R_izolace získaná měřením v Hot Boxu), k tomu malý tepelný odpor vzduchové mezery o tloušťce 30 mm a OSB desky.

Konstrukce zateplená 40 mm termoreflexní izolace dosahuje příznivější hodnoty U než konstrukce s EPS, a to 0,255 W.m^–2.K^–1. Abychom dosáhli u konstrukce s EPS stejné hodnoty U jako u konstrukce s termoreflexní izolací, museli bychom přidat dalších 40 mm EPS. Z tohoto výpočtu vyplývá, že 40 mm termoreflexní izolace typu ABBBBABBBBA odpovídá stejným tepelněizolačním schopnostem jako 80 mm EPS.

Pokud bychom u termoreflexní izolace vynechali dřevěný rošt a OSB desku, hodnota součinitele prostupu tepla by činila U = 0,291 W.m^–2.K^–1, tedy i v tomto případě by měla konstrukce s termoreflexní izolací lepší tepelněizolační schopnosti.

Tabuka 1: Stanovení teplotních gradientů pro měření metodou Hot Box

Tabulka 2: Srovnání hodnot tepelných odporů jednotlivých vzorků v závislosti na teplotním gradientu

Závěr
Z experimentálního měření byla nově prokázána závislost zvyšujícího se tepelného odporu na klesající exteriérové teplotě do záporných hodnot. Při teplotním rozdílu θ_EX = –2 °C a θ_IN = 15 °C se hodnota tepelného odporu téměř u všech vzorků přibližně zdvojnásobila oproti hodnotám naměřených při teplotním rozdílu θ_EX = 5 °C a θ_IN = 20 °C. To znamená, že termoreflexní izolace jsou pro zimní tepelnou ochranu, kdy teploty venkovního prostředí dosahují záporných hodnot, účelným izolantem. Dále bylo zjištěno, že vzorek izolace největší tloušťky při záporných teplotách nedosahoval nejpříznivějších hodnot tepelného odporu, z čehož plyne, že se nevyplatí vyrábět zbytečně silné vzorky. Od určité tloušťky termoreflexní izolace se hodnoty tepelného odporu výrazně nezvyšují, naopak může dojít i ke zhoršení tepelně izolačních vlastností. Také způsob spojení jednotlivých vrstev izolace hraje roli v naměřeném tepelném odporu. U dvou totožných vzorků se stejným počtem vrstev s jediným rozdílem, a to že v prvním vzorku byla -LDPE bublinková fólie natavena na hliníkovou fólii a v druhém vzorku nikoliv, činil rozdíl tepelného odporu R = 1,0 m².K.W^–1 ve prospěch natavené fólie. To může být následkem lepší soudržnosti jednotlivých vrstev, kdy nedojde ke zvlnění fólií, a tím pádem ke zhoršení odrazivých schopností lesklé hliníkové fólie. Výběr materiálů pro skladbu termoreflexní izolace je také velmi důležitý, a to především volba hliníkové fólie, u které sledujeme primárně hodnotu reflektance. Nejtenčí vzorky izolací typu ABBA byly porovnány právě z hlediska vlivu reflektance na výsledný tepelný odpor. U prvního vzorku byla použita hliníková fólie zlatého vzhledu a u druhého metalická hliníková fólie. Odrazivost fólie zlatého vzhledu z vnitřní strany dosahovala vyšší hodnoty oproti metalické fólii. To se projevilo i na tepelném odporu, kdy vzorek termoreflexní izolace s hliníkovou fólií zlatého vzhledu vykazoval lepší tepelněizolační vlastnosti.

Výpočtově bylo provedeno srovnání součinitele prostupu tepla U obvodové konstrukce zateplené 40 mm silnou termoreflexní izolací a stejně silnou izolací z EPS, ze kterého vyplývá, že asi 40 mm termoreflexní izolace má stejné tepelněizolační vlastnosti jako 80 mm EPS.

Termoreflexní izolace jsou novým, ještě důkladně neprozkoumaným materiálem, který má potenciál do budoucnosti. Výhodou těchto izolací je jejich celková recyklovatelnost, jsou tedy přínosem k trvale udržitelnému rozvoji díky snížení spotřeby primárních surovin. Důležité je především vysledovat přírodní fyzikální jevy, které značně ovlivňují výsledné tepelněizolační vlastnosti, a podle toho následně provést optimalizaci skladby termoreflexních izolací.

KAROLÍNA RAUCHFUSSOVÁ, STANISLAV ŠŤASTNÍK, DAREK SKŘÍČEK, FRANTIŠEK KABELKA
foto archiv autorů

Ing. Karolína Rauchfussová (*1992) absolvovala Fakultu stavební Vysokého učení technického v Brně, pracuje ve firmě DEK jako oblastní zástupce pro stavební materiály. 

Prof. RNDr. Ing. Stanislav Šťastník, CSc., (*1953) absolvoval Fakultu stavební Vysokého učení technického v Brně a Přírodovědeckou fakultu Masarykovy univerzity v Brně, pracuje v Ústavu technologie stavebních hmot a dílců Fakulty stavební VUT v Brně.

Ing. Darek Skříček (*1961) absolvoval Fakultu stavební Vysokého učení technického v Brně, vyučuje odborné předměty na SPŠ stavební v Brně. Je jednatelem firmy DAPE, s. r. o.

Ing. arch. František Kabelka (*1958) absolvoval Fakultu architektury Vysokého učení technického v Brně, vyučuje odborné předměty na SPŠ stavební v Brně.