Grubości termoizolacji w instalacjach technicznych i przemysłowych

Kryterium doboru grubości izolacji w instalacjach technicznych i przemysłowych sprowadza się generalnie do dwóch aspektów – spełniania wymagań określonych przepisami prawnymi (minimalna grubość izolacji) oraz doboru grubości izolacji termicznej pod względem kosztów jej wykonania i przyszłych kosztów zaoszczędzonej energii (ekonomiczna grubość izolacji).

Określanie ekonomicznej grubości izolacji jest ze wszech miar słuszne i kosztowo uzasadnione [1], ale spełnienie minimalnych wymagań dotyczących grubości termoizolacji jest konieczne i obecnie najczęściej wykorzystywane przy projektowaniu instalacji.

W zależności od rodzaju instalacji (techniczna czy przemysłowa) w trakcie projektowania brane są pod uwagę różne kryteria, jednak podstawowym, wyjściowym wymaganiem jest zapis mówiący o zapewnieniu bezpiecznej temperatury na płaszczu ochronnym izolacji: "Urządzenia i instalacje pracujące z czynnikiem o temperaturze wyższej niż 60°C powinny być wyposażone w izolację termiczną tak zaprojektowaną i utrzymaną, aby temperatura zewnętrzna na jej powierzchni w miejscach dostępnych nie przekraczała 60°C" pochodzący z § 33 rozporządzenia w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach energetycznych z 1999 r. [2].

Powyższy przepis jest jednak nieaktualny. Rozporządzenie z 2013 r. [3], które uchyliło poprzednie, nie zawiera już ścisłych wymagań dotyczących temperatury na powierzchni urządzeń i instalacji.

Dla instalacji ogrzewczych w budynkach ma zastosowanie wymaganie zawarte w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4]: w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi zabrania się stosowania ogrzewania parowego oraz wodnych instalacji ogrzewczych o temperaturze czynnika grzejnego przekraczającego 90°C.

Grubość izolacji technicznych

Dokumentem ustanawiającym wymagania dotyczące grubości izolacji cieplnej przewodów i komponentów armatury, ogrzewania centralnego, ogrzewania powietrznego oraz instalacji wody lodowej jest również rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [4, 5]. W Załączniku nr 2 do rozporządzenia określono minimalne wymagane grubości izolacji cieplnej przewodów i komponentów przy założeniu wartości współczynnika przewodzenia ciepła na poziomie λ40= 0,035 W/(m·K) (TAB. 1).

W przypadku wyrobów o innym współczynniku przewodzenia ciepła λ₄₀ grubość termoizolacji należy przeliczyć zgodnie z PN-B-02421:2000 [6]:

(1)

gdzie:

e - grubość warstwy izolacji właściwej dla materiału izolacyjnego o λ₄₀ = 0,035 W/(m·K), mm,

D - średnica zewnętrzna izolowanego przewodu, mm,

λ₄₀ - wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału izolacyjnego w temperaturze 40°C, W/(m·K).

W zależności od średnicy zewnętrznej przewodu wymagana grubości izolacji o λ₄₀ = 0,035 W/(m·K) może zmieniać się od 20 do 100 mm.

Występująca na rynku izolacji technicznych szeroka gama wyrobów pozwala na dobór odpowiednich materiałów o znanym parametrze izolacyjności.

W TAB. 2, zgodnie z powyższym wzorem, przedstawione zostały zakresy wymaganej minimalnej grubości izolacji w zależności od współczynnika przewodzenia ciepła λ₄₀ zastosowanego wyrobu (λ₄₀ = 0,025 W/(m·K) - np. przykładowy wyrób z poliuretanu, λ₄₀ = 0,045 W/(m·K) - np. przykładowy wyrób z wełny mineralnej lub pianki kauczukowej).

Zgodnie z Załącznikiem nr 2 do rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [5] (TAB. 1) możemy rozważyć dwa przypadki:

• przewody i armatura przechodzące przez ściany lub stropy, skrzyżowania przewodów oraz przewody ogrzewań centralnych ułożone w komponentach budowlanych między ogrzewanymi pomieszczeniami różnych użytkowników, czyli zasadniczo miejsca, w których nie ma dużych przestrzeni na odpowiednią izolację - wymagania dotyczące minimalnej grubości izolacji cieplnej stanowią połowę grubości określonej w punktach od 1 do 4 w TAB. 1,

• przewody i komponenty przechodzące przez pozostałe miejsca (gdzie istnieje przestrzeń do odpowiedniego izolowania cieplnego), w tym nieogrzewane pomieszczenia - wymagania dotyczące minimalnej grubości izolacji cieplnej przedstawiono w punktach od 1 do 4 w TAB. 1.

W TAB. 3, TAB. 4 i TAB. 5 porównano wymagania rozporządzenia warunków technicznych [5] oraz specyfikacji PN-B-02421 [6].

Rozważając wymieniony powyżej pierwszy przypadek, czyli przewody i armatura przechodzące przez ściany lub stropy, skrzyżowania przewodów oraz przewody ogrzewania centralnego ułożone w komponentach budowlanych między ogrzewanymi pomieszczeniami różnych użytkowników, można zauważyć, że istnieje obszar niespójności dotyczący grubości izolacji (w TAB. 3, TAB. 4 i TAB. 5 -kolor ciemnobrązowy), jednak zapis w PN-B-02421 [6] dopuszczający zastosowanie mniejszych grubości izolacji w przypadku instalacji prowadzonych w bruzdach ściennych i podłogowych pozwala na zastosowanie izolacji o nieokreślonej wymaganiami normowymi grubości (co jednak wymusza stosowanie wymagań z rozporządzenia [5]).

W przypadku drugim, dotyczącym instalacji nieograniczonej komponentami budowlanymi, ścianami, stropami itp., obszar braku spójności pomiędzy wymaganiami rozporządzenia [5] i PN-B-02421 [6] jest znaczny (w TAB. 3, TAB. 4 i TAB. 5 - kolor jasnobrązowy).

W TAB. 6, TAB. 7 i TAB. 8 zaproponowano ­kompilację wymagań dotyczących grubości dla izolacji cieplnej przewodów i komponentów.

Warto zwrócić uwagę, że powyższe rozważania na temat określania grubości izolacji termicznej wykorzystują parametr izolacyjności cieplnej materiału (współczynnik przewodzenia ciepła) określony tylko w jednej temperaturze, w 40°C (λ₄₀ [W/(m·K)]) zgodnie z PN-EN ISO 8497:1999 [7], co oczywiście nie charakteryzuje dokładnie danego materiału izolacyjnego w całym temperaturowym zakresie stosowania [8].

Instalacje przemysłowe

Wymagania odnośnie do projektowania, wykonania, odbioru wykonanej izolacji ciepłochronnej i zimnochronnej montowanej na urządzeniach i obiektach przemysłowych oraz energetycznych, takich jak: rurociągi, aparaty, zbiorniki technologiczne i magazynowe stosowane w przemyśle, zawarte są w normie PN-B-20105:2014-09 [9].

Dodatkowo norma ta (normatywny Załącznik A) ustala dopuszczalną maksymalną temperaturę powierzchni zewnętrznej płaszcza ochronnego izolacji na poziomie 50°C, a także, w zakresie określania grubości izolacji, odsyła do normy PN-EN ISO 12241:2010 [10], która zawiera szczegółowe zasady obliczania właściwości wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych związanych z przeno­szeniem ciepła, przeważnie w warunkach ustalonych.

Oprócz szczegółowych zasad obliczania szeregu parametrów istotnych przy projektowaniu instalacji przemysłowych, takich jak:

• obliczanie zmian temperatury w rurach,
• naczyniach i zbiornikach,
• czasów chłodzenia i zamarzania,
• określania wpływu mostków cieplnych
• oraz strat ciepła,

norma przedstawia również sposób określania grubości izolacji termicznej przy zakładanej docelowej temperaturze płaszcza zewnętrznego.

W celu sprawdzenia wymagań dotyczących bezpieczeństwa związanego z temperaturą na płaszczu zewnętrznym można określić tę temperaturę, korzystając z danych z rozporządzenia [5] bądź PN-B-02421 [6], wykorzystując zależności (2) i (3) przedstawione w PN-B-20105 [9]:

(2)

oraz

(3)

gdzie:

q_l - liniowy strumień ciepła, W/m,

t_medium - temperatura medium gorącego, °C,

t_otoczenia - temperatura otoczenia, °C,

t_zewn - temperatura płaszcza zewnętrznego rury, °C,

D_zewn - średnica zewnętrzna, m,

D_wew - średnica wewnętrzna rury, m,

h_se - współczynnik przejmowania ciepła po powierzchni zewnętrznej, W/(m2·K),

λ_izolacja - współczynnik przewodzenia ciepła izolacji w szacowanej średniej temperaturze t_średnia = t_zewn – t_medium, W/(m·K),

R_se - opór przejmowania ciepła po powierzchni zewnętrznej, (m2·K)/W,

R_l - liniowy opór ciepła, (m·K)/W.

Okazuje się, że wymagania odnośnie do grubości izolacji zawarte w rozporządzeniu [5] i PN-B-02421 [6] spełniają wymóg dotyczący temperatury na płaszczu zewnętrznym rury t_zewn = 50°C.

Korzystając z powyższych wzorów, można również oszacować wymaganą grubość izolacji, przy danych wszystkich parametrach, czyli również współczynnika przewodzenia ciepła λ_izolacja [W/(m·K)] w szacowanej średniej temperaturze pracy izolacji instalacji przemysłowej.

Deklaracja własności cieplnych materiału izolacyjnego

W celu określania grubości izolacji instalacji przemysłowych istotne jest posiadanie informacji o wartościach współczynnika przewodzenia ciepła w całym zakresie temperaturowym.

W przypadku gdy wyrób do izolacji przemysłowych jest deklarowany do temperatury np.: 700°C (odpowiednia metoda określania maksymalnej temperatury stosowania wyrobu została opisana w PN-EN 14706:2013-04 [11]), w całym zakresie, czyli włączenie do 700 0C należy określić współczynnik przewodzenia ciepła w postaci deklarowanej krzywej zależności od temperatury.

Prozaicznym problemem może okazać się znalezienie odpowiednio wyposażonego i posiadającego doświadczony personel laboratorium do wykonania pomiarów w żądanym, szerokim zakresie temperaturowym.

Prócz znajdujących się m.in. w Niemczech (FIW, MPA-NRW), Danii (DTI, EFiC) i Francji (LNE) laboratoriów posiadających zdolności pomiarowe w wysokich temperaturach, jedynym w Europie Środkowej tego typu jest Laboratorium Materiałów Budowlanych "IZOLACJA" w IMBiGS, Oddział w Katowicach. Posiadając wyposażenie do pomiarów w zakresie od –160°C do 700°C dla wyrobów płaskich [8] oraz od –40°C do 600°C dla wyrobów rurowych jest w stanie wyznaczyć krzywą lambdy deklarowanej - krzywą zależności współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury, która jest wymagana w każdej z norm wyrobu do izolacji instalacji przemysłowych (pakiet norm PN-EN 14303 do PN-EN 14315), a co za tym idzie jest niezbędna do wprowadzenia wyrobu na rynek (niezbędne informacje dotyczące zmienności parametru izolacyjnego od temperatury powinny być zawarte w Deklaracji własności użytkowych wyrobu).

Problematyka określania deklarowanej krzywej zależności współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury została opisana w PN-EN ISO 13787:2005 [8, 12].

Podsumowanie

• Projektowanie instalacji przemysłowych wiąże się m.in. z określeniem wymaganej grubości izolacji, która stanowić ma zabezpieczenie w obszarze ochrony cieplnej.
• Dobór odpowiedniej grubości izolacji w instalacjach przemysłowych jest przede wszystkim związany ze spełnieniem wymagań prawnych.
• Wymagania zawarte w przedstawionych aktach prawnych, mimo pewnych niespójności, spełniają wymagania dotyczące odpowiedniej temperatury na płaszczu instalacji rurowej.
• Innym, o wiele szerszym zagadnieniem jest opłacalność zwiększania grubości izolacji, która może być szacowana za pomocą zasad określonych w PN-B-20105:2014-09 [9].

Literatura

1. Z. Plutecki, P. Sattler, K. Ryszczyk, E. Krupa, P. Gajewski, "Wzrost efektywności energetycznej instalacji przemysłowych dzięki poprawie izolacyjności", "IZOLACJE" nr 9/2015, s. 18-21.
2. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 17 września 1999 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach energetycznych (DzU nr 80/1999, poz. 912).
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 marca 2013 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach energetycznych (DzU 2013, poz. 492).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
5. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2015, poz. 1422).
6. PN-B-02421:2000, "Ogrzewnictwo i ciepłownictwo Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń. Wymagania i badania odbiorcze”.
7. PN-EN ISO 8497:1999, "Izolacja cieplna. Określanie właściwości w zakresie przepływu ciepła w stanie ustalonym przez izolacje cieplne przewodów rurowych".
8. A. Miros, "Wyroby płaskie do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych", "IZOLACJE" nr 9/2012, s. 42-45.
9. PN-B-20105:2014-09, "Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wymagania dotyczące projektowania, wykonania i odbioru robót".
10. PN-EN ISO 12241:2010, "Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Zasady obliczania".
11. PN-EN 14706:2013-04, "Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budowli i instalacji przemysłowych. Określanie maksymalnej temperatury stosowania".
12. PN-EN ISO 13787:2005, "Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Określanie deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!