Badania izolacyjnych wyrobów refleksyjnych oraz ich zastosowanie w przegrodach budowlanych

W normie PN-EN 16012+A1:2015-04 [1] opisano zestaw procedur z wykorzystaniem istniejących, znormalizowanych w CEN oraz ISO, metod badania i obliczania do określenia deklarowanych cieplnych właściwości użytkowych wyrobów izolacji refleksyjnej.

Normę stosuje się dla wszystkich wyrobów do izolacji cieplnej, których wartość wymaganych właściwości cieplnych pochodzi z obecności jednej lub kilku powierzchni refleksyjnych lub powierzchni o niskich emisyjnościach łącznie z wszelkimi towarzyszącymi przestrzeniami powietrznymi. Norma nie zastępuje istniejących procedur określania cieplnych właściwości użytkowych wyrobów objętych już istniejącymi zharmonizowanymi normami wyrobu.

Badania wyrobów czy systemów izolacji najlepiej powinny być wykonywane metodą in situ w warunkach najbardziej zbliżonych do warunków eksploatacji budynku. Badania takie w pełnej skali są dość czasochłonne i kosztowne, dlatego sugerowane są metody uproszczone. Według ekspertów ITB obecnie stosowane są głównie 3 metody badawcze:

• metoda obliczeniowa, która bazuje na zmierzonej wartości emisyjności powierzchni izolacji refleksyjnej i wykorzystuje uproszczoną metodę określania oporu cieplnego szczeliny powietrznej, podaną w normie PN-EN ISO 6946:2008 [2] (dość prosta i tania, ale zawyża wyniki oraz bazuje na założonych parametrach wyrobów);
• metoda pomiarowa, w której najbardziej wiarygodne wyniki daje określanie oporu cieplnego wielowarstwowych układów szczelin powietrznych i powłok niskoemisyjnych w skrzynce grzejnej (dokładna, ale kosztowna i czasochłonna - badanie trwa kilka dni);
• metoda na podstawie badań oporu cieplnego w aparacie płytowym (tania, dość szybka, uproszczona, mniej dokładna od metody skrzynki grzejnej).

Właściwości techniczne wyrobów refleksyjnych

Izolacje refleksyjne (FOT. 1 - zdjęcie główne) są coraz częściej wykorzystywane w przegrodach budowlanych ze względu na zalety związane ze zwiększeniem oporu cieplnego, a tym samym obniżeniem wartości współczynnika przenikania ciepła ścian. Poprawiają także szczelność powietrzną izolowanej przestrzeni. Dzięki małej grubości bardzo często znajdują zastosowanie w przegrodach budowlanych, poddaszach, a także coraz częściej w lekkich konstrukcjach szkieletowych.

Materiały te działają na zasadzie odbicia promieniowania cieplnego. Ich cechą charakterystyczną jest to, że składają się ze szczelin powietrznych oraz z jednej lub dwóch powierzchni odbijających promieniowanie cieplne.

Istotą izolacji refleksyjnych jest znaczne ograniczenie wymiany ciepła przez promieniowanie, a także zwiększenie oporu cieplnego przegrody budowlanej. Ze względu na to, że promieniowanie podczerwone stanowi 70-90% całkowitej energii cieplnej w budynku, opłacalne jest zatrzymanie tego promieniowania wewnątrz pomieszczeń w okresie grzewczym.

Izolacje refleksyjne zazwyczaj charakteryzują się niewielkimi grubościami od 10 mm do 70 mm, dzięki czemu można je stosować praktycznie w każdym rozwiązaniu technicznym przegród budynku. Najczęściej zastosowanie znajdują do izolacji dachów, poddaszy, podłóg oraz przegród budowlanych, również w budownictwie szkieletowym oraz w konstrukcjach modułowych. Można je podzielić na następujące grupy:

• folie bąbelkowe w obustronnych okładzinach z folii aluminiowej,
• materiały o małej grubości, z jedną okładziną lub dwiema z folii aluminiowych,
• multifolie, tj. kilka folii aluminiowych rozdzielonych cienkimi warstwami wykonanymi z pianki polietylenowej lub polipropylenowej itp.

Powłoki odbijające cechują się wysokimi wartościami współczynnika odbicia, a jednocześnie niskimi wartościami emisyjności w zakresie promieniowania podczerwonego cieplnego.

Należy zauważyć, że powierzchnie dobrze odbijające światło widzialne nie muszą być refleksyjne dla promieniowania podczerwonego i nie muszą mieć niskiej emisyjności w tym zakresie długości fali.

Izolacje refleksyjne występują w postaci rulonów, arkuszy lub płyt. Wyroby te bywają stosowane jako:

• zewnętrzne warstwy odbijające,
• oprawiające izolacyjność cieplną wyrobów znajdujących się pod nimi, lub w połączeniu ze szczelinami powietrznymi znajdującymi się z jednej lub obu stron izolacji refleksyjnej
• oraz jako paroizolacje lub wiatroizolacje.

W przypadku izolacji refleksyjnych podstawowym parametrem charakteryzującym wyrób, mającym decydujący wpływ na wynik obliczeń oporu cieplnego, jest jego emisyjność w podczerwieni.

Badanie pomiaru emisyjności powierzchni wymaga wykorzystania spektrometru. W Polsce badania tych materiałów nie są częste, a wykonuje się głównie pomiary emisyjności powierzchni szyb, według normy PN-EN 12898:2004 [3].

Dodatkowym problemem badawczym dotyczącym tych wyrobów jest starzenie się powłok niskoemisyjnych, tzn. zmiana ich emisyjności w czasie na skutek procesu utleniania. Zjawisko to powinno być uwzględnione przy określaniu wartości obliczeniowej emisyjności.

Badania wyrobów i systemów wykorzystujących niskoemisyjne materiały refleksyjne

Zakład Fizyki Cieplnej Instalacji Sanitarnych i Środowiska ITB wykonywał w ostatnich latach badania wyrobów i systemów izolacyjnych wykorzystujących niskoemisyjne materiały refleksyjne [4, 5, 6], w tym szereg badań fizycznych mat termoizolacyjnych dostępnych na rynku.

Badania były prowadzone w oparciu o wymienione metody badawcze i obliczeniowe.

Badania miały na celu m.in.:

• określenie oporu cieplnego,
• oszacowanie wpływu tych wyrobów na opór cieplny niewentylowanych szczelin powietrznych i ich układów
• oraz ocenę możliwości stosowania metody obliczeniowej zgodnej z normą PN-EN ISO 6946:2008 [2] do określania ich izolacyjności cieplnej.

Opór cieplny wyrobów, szczelin i ich układów badano w stanie ustalonym, w aparacie płytowym działającym w skali mikro na podobnej zasadzie jak skrzynka grzejna, również wykorzystywana w badaniach ITB.

Do badań w aparacie płytowym potrzebne są znacznie mniejsze próbki badawcze, a czas badania jest znacznie krótszy.

Szczeliny powietrzne w formie kwadratowych otworów wycina się w cienkich płytach styropianowych i umieszcza się między płytą grzejną i płytą chłodzącą aparatu. Aparat daje możliwość wytworzenia zarówno pionowego, jak i poziomego strumienia cieplnego przez szczelinę.

Badanie samych wyrobów (mat izolacyjnych) zostało przeprowadzone w następujących etapach:

• etap I dotyczył określenia oporu cieplnego maty termoizolacyjnej;
• etap II dotyczył pomiaru maty w dwóch układach, tj. mata/szczelina powietrzna i szczelina powietrza/mata/szczelina powietrzna.

Pomiary oporu cieplnego układów wykonano przy średniej temperaturze 10°C w dwóch kierunkach ruchu przepływu ciepła.

Wyznaczenie oporu cieplnego przeprowadzono w stanie ustalonym, przy użyciu jednopróbkowego aparatu płytowego z osłoniętą płytą grzejną (FOT. 2), zgodnie z normą PN-EN 12667:2002 [7] i własną procedurą badawczą.

W normie tej opisano zasady i procedury badania do określania oporu cieplnego z użyciem metod aparatu osłoniętej płyty grzejnej i czujnika strumienia cieplnego dla suchych i wilgotnych wyrobów o dużym i średnim oporze cieplnym, stosowanych w odniesieniu do wszystkich zakresów średniej temperatury.

Deklarowaną wartość oporu cieplnego maty termoizolacyjnej określono według normy PN-EN ISO 10456:2009 [8].

W normie tej podano metody określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych dla jednorodnych cieplnie materiałów i wyrobów budowlanych łącznie z procedurami konwersji wartości otrzymanych w jednych warunkach na wartości stosowane w innych warunkach.

Do badań przyjęto dwa przypadki układu:

• "mata termoizolacyjna - szczelina powietrzna"
• oraz "szczelina powietrzna/mata termoizolacyjna/szczelina powietrzna”.

Uzyskano wartość deklarowaną R_D maty termoizolacyjnej na poziomie 0,25 (m2·K)/W, natomiast wyniki badań oporu cieplnego układów podano w TABELI 1.

W innym badaniu jako powłoki niskoemisyjne zastosowano: folię aluminiową o emisyjności ε = 0,09, matę z pianki polietylenowej o gr. 5 mm, obustronnie pokrytą aluminizowaną folią o emisyjności ε = 0,25 [4].

Badane układy to pojedyncza szczelina powietrzna bez powłoki niskoemisyjnej oraz z powłoką od strony płyty grzejnej, układ dwóch szczelin powietrznych przedzielonych folią lub matą, w obu przypadkach przy dwóch kierunkach strumienia cieplnego: poziomym i pionowym w górę. We wszystkich przypadkach drugą powierzchnię ograniczającą szczelinę powietrzną stanowiła płyta aparatu. Przyjęto, że emisyjność tej powierzchni wynosi 0,9.

Porównano wyniki badań oporu cieplnego pojedynczej szczeliny powietrznej, której obie powierzchnie charakteryzują się emisyjnością 0,9, oraz takiej samej szczeliny, której jedną z powierzchni stanowi powłoka niskoemisyjna, przy dwóch kierunkach przepływu ciepła. Grubość szczeliny wynosiła 24 mm.

W TABELI 2 podano stosunek wartości oporu cieplnego szczeliny z powłoką niskoemisyjną do oporu szczeliny bez powłoki niskoemisyjnej.

Z analizy uzyskanych wyników można wnioskować, że opór cieplny szczelin powietrznych przy poziomym ruchu ciepła jest nieco większy niż przy ruchu ciepła pionowo w górę. Wynika to z tego, że w poziomej szczelinie większą rolę odgrywa transport ciepła na drodze konwekcji.

Pokrycie jednej z powierzchni szczeliny (tej od strony ciepłej) powłoką niskoemisyjną powoduje znaczący wzrost oporu cieplnego szczeliny powietrznej, tym większy, im mniejsza jest emisyjność powłoki.

Prowadzono też badania układu dwóch szczelin powietrznych przedzielonych matą. Układ dwóch szczelin powietrznych, o grubości 24 mm każda, przedzielono matą, której obie powierzchnie stanowiły powłoki niskoemisyjne o emisyjności ε = 0,25. Badania prowadzono przy różnicy temperatury na grubości układu wynoszącej 20 K.

Opór cieplny samej maty wyznaczono wcześniej, również w aparacie płytowym, a jego wartość wyniosła 0,14 (m2·K)/W. Dla tego samego układu obliczono całkowity opór cieplny jako sumę oporów cieplnych dwóch szczelin oraz maty, stosując normowe wartości współczynnika przejmowania ciepła przez przewodzenie/konwekcję.

Wartość współczynnika przejmowania ciepła przez promieniowanie na powierzchni ciała czarnego przyjęto równą 5,1 W/(m2·K), odpowiadającą średniej temperaturze układu 10°C.

W TABELI 3 przedstawiono porównanie wyników badań i obliczeń, zgodnie z normą PN-EN ISO 6946:2008 [2], dla dwóch kierunków strumienia cieplnego. Względną różnicę wyników określono w stosunku do wartości uzyskanych w badaniach.

Wyniki z badań i obliczeń są zgodne w przypadku przepływu ciepła w kierunku poziomym. Przy pionowym ruchu ciepła obliczenia normowe dają wynik rozbieżny, zawyżony.

Większe różnice stwierdzono w przypadku szczelin powietrznych przedzielonych folią aluminiową, zarówno przy poziomym, jak i pionowym ruchu ciepła. Przy czym obliczenia według normy również dawały większe wyniki. Istnieje więc prawdopodobieństwo, że normowa obliczeniowa metoda będzie dawała zawyżone wyniki.

Obliczenia oporu cieplnego przegród budowlanych z zastosowaniem izolacji refleksyjnej

W ramach prac badawczych przeprowadzono obliczenia cieplnych izolacji refleksyjnych wbudowanych w przegrody budowlane w programie 2D Bisco Physibel.

Obliczenia pozwoliły uzyskać wartości współczynnika przenikania ciepła U przegród budowlanych przy zastosowaniu tradycyjnej izolacji cieplnej w połączeniu z izolacją refleksyjną oraz porównać je z wynikami otrzymanymi bez zastosowania izolacji refleksyjnej w typowych rozwiązaniach [5].

Do obliczeń wartości współczynnika przenikania ciepła przyjęto grubość izolacji refleksyjnej 10 mm. Do obliczeń przyjęto najbardziej popularne rozwiązania przegród budowlanych, które przedstawiono na RYS. 1, RYS. 2, RYS. 3, RYS. 4 i RYS. 5 [5, 6].

Wartości współczynnika przenikania ciepła przegród budowlanych określono na podstawie wyników obliczeń dwuwymiarowego przepływu ciepła przez przegrodę w stanie ustalonym przy użyciu programu komputerowego. W TABELI 4 podano wyniki obliczeń oporu cieplnego R oraz współczynnika przenikania ciepła U analizowanych przegród budowlanych.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń wartości współczynnika przenikania ciepła przegród budowlanych wskazują jednoznacznie, że zastosowanie izolacji refleksyjnej w połączeniu z materiałami tradycyjnymi do izolacji cieplnej zwiększyły istotnie opór cieplny przegrody. Pozwala to na zmniejszenie wartości współczynnika przenikania ciepła U przegrody przy jednoczesnym znikomym zwiększeniu grubości przegrody.

Obniżenie wartości współczynnika przenikania ciepła ma znaczenie w kontekście zmian w wymagań wartości tych współczynników dla ścian, dachów stropów i stropodachów po 2017 r. [9].

Omówienie wyników badań i wnioski

Badania w skrzynce grzejnej wykonywane przez ITB są czasochłonne. Na tym tle atrakcyjna wydaje się zaprezentowana w artykule metoda badań układów materiałów w aparacie płytowym.

• Niewielkie rozmiary próbek oraz relatywnie niski koszt i czas pojedynczego badania pozwalają na łatwe uzyskanie statystycznie reprezentatywnej próby kilku lub kilkunastu wyników.
• Zarówno z badań, jak i z obliczeń wynika, że zastosowanie powłok niskoemisyjnych może mieć znaczący wpływ na opór cieplny szczelin powietrznych i ich układów.
• Wartości oporu cieplnego układu materiałów uzyskiwane z obliczeń według normy PN-EN ISO 6946:2008 [2] są nieco zawyżone.
• Postuluje się ocenę izolacyjności cieplnej szczelin powietrznych z refleksyjnymi powłokami niskoemisyjnymi na podstawie badań oporu cieplnego w aparacie płytowym. Są to badania w małej skali, pozwalające na stosunkowo szybkie określenie oporu cieplnego różnych, nawet kilkuwarstwowych układów szczelin i izolacji refleksyjnych.
• W Zakładzie Fizyki Cieplnej, Akustyki i Środowiska ITB jest możliwość prowadzenia badań oporu cieplnego przy różnym kierunku przepływu ciepła, a także różnych wartościach różnicy temperatury na grubości układu.

Literatura

1. PN-EN 16012+A1:2015-04, "Izolacja cieplna budynków. Wyroby izolacji refleksyjnej. Określanie deklarowanych cieplnych właściwości użytkowych".
2. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i element budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
3. PN-EN 12898:2004, "Szkło w budownictwie. Określanie emisyjności".
4. K. Firkowicz-Pogorzelska i in., "Opór cieplny systemów izolacji refleksyjnych", "Materiały Budowlane", nr 449/2010.
5. Opracowania badawcze ITB (2014–2015) w programie Bisco Physibel.
6. M. Piasecki, M. Pilarski, "Izolacje refleksyjne w przegrodach budowlanych", "Materiały Budowlane", nr 8/2016.
7. PN-EN 12667:2002, "Właściwości cieplne materiałów i wyrobów budowlanych. Określanie oporu cieplnego metodami osłoniętej płyty grzejnej i czujnika strumienia cieplnego. Wyroby o dużym i średnim oporze cieplnym".
8. PN-EN ISO 10456:2009, "Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych".
9. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU poz. 926 z 13.08.2013 r.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!