Badania nad zastosowaniem mat refleksyjnych do dociepleń ścian od wewnątrz

Obecnie odnotowuje się znaczne nasilenie podaży izolacji wielowarstwowych MLI (Multilayer Insulations) zawierających powłoki refleksyjne.

Wartości zastępczego współczynnika przewodzenia ciepła materiałów składających się z dziesiątek, a nawet setek ekranów niskoemisyjnych przedzielonych włóknami szklanymi lub przekładkami wynoszą nawet poniżej 0,01 W/(m·K).

Z powodzeniem znajdują więc zastosowanie w kriogenice, a także technologiach kosmicznych. Jest to możliwe dzięki wytworzeniu w materiale próżni wysokiej (10-3 mbar), eliminującej konwekcyjne przewodzenie ciepła w fazie gazowej.

Maty oferowane na rynku budowlanym (FOT. 1) nie są poddawane próżniowaniu, co zdecydowanie wpływa na obniżenie ich ceny kosztem wyższej przewodności cieplnej.

Mimo braku próżni maty refleksyjne można zaliczyć do materiałów mających dobrą termoizolacyjność. Czy są one jednak lepsze od tradycyjnych izolacji typu styropian czy wełna mineralna i rzeczywiście umożliwiają znaczące ograniczenie grubości zastosowanego materiału?

Budowa i właściwości mat refleksyjnych

Rozwiązania wykorzystujące efekt odbijania promieniowania cieplnego są znane i stosowane od co najmniej kilku dekad. Jako materiał refleksyjny stosuje się głównie folie aluminiowe pokryte jedno- lub dwustronnie przezroczystą folią poliestrową, a także folie aluminiowe pozbawione jakichkolwiek zabezpieczeń.

Aluminium, mimo wyjątkowo dobrej wartości współczynnika przewodzenia ciepła (λ = 237 W/(m·K)), charakteryzuje się wysoką, zależną od długości fali promieniowania podczerwonego, skutecznością odbicia promieniowania podczerwonego. W przedziale fal o dł. > 2 μm odbicie doskonale wypolerowanej folii aluminiowej jest zbliżone do odbicia srebra, a nawet złota.

Oczywiście, po pokryciu ekranu przezroczystą warstwą ochronną właściwości refleksyjne znacznie się pogorszają. Współczynnik odbicia fali padającego promieniowania podczerwonego, definiowany jako stosunek natężenia fali odbitej do natężenia fali padającej, może wynosić w przypadku aluminium polerowanego nawet 97%.

Takie wyniki uzyskuje się np. podczas pomiaru gęstości strumienia ciepła przepływającego przez przegrody przy użyciu ciepłomierzy czarnych oraz pokrytych warstwą polerowanego aluminium.

Niektórzy producenci w charakterystyce wyrobu refleksyjnego podają również bezwymiarową względną zdolność emisyjną.

Wielkość ta jest odniesiona do emisji promieniowania ciała czarnego w funkcji temperatury i częstotliwości emitowanego promieniowania ε (T,v) i skrótowo bywa nazywana „emisyjnością”.

Jest to iloraz zdolności emisyjnej materiału do ciała doskonale czarnego. W przypadku aluminium wynosi on od 0,02 (czysta folia) do 0,5 (folia z warstwą ochronną).

Jako przekładki stosuje się przede wszystkim pianki polietylenowe, a także coraz częściej folie bąbelkowe (pęcherzykowe), wykorzystywane głównie do zabezpieczania towarów w czasie transportu przed uszkodzeniem mechanicznym. Folie bąbelkowe są dostępne w wersji jedno-, dwu- i trzywarstwowej z pęcherzykami o wielkości od 10 do 30 mm.

Ponadto stosuje się również przekładki charakteryzujące się dodatkowo znaczącym oporem cieplnym. Są to spienione tworzywa sztuczne, a także watolina, wełna szklana itd.

Najczęściej jest to spieniony polietylen lub neopren, charakteryzujące się znaczną odpornością na uszkodzenia mechaniczne i komprymację postępującą w czasie.

Poszczególne warstwy klejone są w całości lub punktowo za pomocą kleju lub techniką zgrzewania. Oferowane są również maty zespolone punktowo łącznikami mechanicznymi typu łopatkowego, powszechnie wykorzystywanymi do metkowania towarów pistoletami igłowymi.

Podczas oceny właściwości termoizolacyjnych konglomeratów wygodnie posługiwać się średnim zastępczym (efektywnym) współczynnikiem przewodności cieplnej. Przy założeniu prostopadłości płaszczyzny poszczególnych komponentów do kierunku przepływu ciepła wielkość ta jest zdefiniowana wzorem:

gdzie:

d1, d2... dn - grubości poszczególnych warstw [m],

λ1, λ2... λn - współczynniki przewodzenia ciepła poszczególnych warstw [W/(m·K)].

Za główną zaletę mat refleksyjnych uznaje się wysoki opór cieplny przy stosunkowo małej grubości materiału, a także odporność na korozję biologiczną, brak pylenia i łatwość montażu.

Zdarzają się również informacje sprzeczne, np. o spełnianiu funkcji paroizolacyjnej przy zachowaniu otwartości dyfuzyjnej, co z technicznego punktu widzenia jest niemożliwe. Znacznie lepszym określeniem takich produktów jest „opóźniacz przepływu pary wodnej”.

Producenci zachęcają także klientów do zastępowania tradycyjnych materiałów matami wielokrotnie cieńszymi przy zachowaniu porównywanego oporu cieplnego. W Laboratorium Fizyki Budowli UWM w Olsztynie podjęto badania służące sprawdzeniu właściwości tych materiałów.

Przebieg badania

Badania przeprowadzono z wykorzystaniem komory klimatycznej typu hot-box (FOT. 2), wyposażonej w precyzyjne ciepłomierze i rozbudowane systemy stabilizacji temperatury. Poszukiwano optymalnego zestawu różnorodnych ekranów refleksyjnych oraz przekładek na pionowych modelach wzorcowych murów w warunkach odzwierciedlających rzeczywistą wymianę ciepła.

Różnica temperatury ciepłej i zimnej strony komory wynosząca 20°C (temp. wew. 20°C oraz 0°C po stronie zimnej) odzwierciedlała w przybliżeniu średnie warunki sezonu grzewczego w Polsce.

W pierwszej kolejności przeprowadzono standardowe badania przewodzenia ciepła w aparacie płytowym. Przebadano 5 różnych zestawów odzwierciedlających w przybliżeniu ofertę rynkową. Sprawdzana przydatność do dociepleń wykonywanych od wewnątrz wymuszała przyjęcie założenia, że łączna grubość warstwy dociepleniowej nie może przekroczyć określonej grubości. Arbitralnie przyjęto, że będzie to grubość 10 cm.

W zaleceniach montażowych akcentuje się konieczność zachowania szczelin powietrznych dwustronnych lub od strony ekranu zlokalizowanego po cieplejszej stronie przegrody. Ten postulat w całości jest trudny do zrealizowania, badano zatem przypadki wpływu miejscowego braku szczelin na właściwości ciepłochronne, spowodowanych deformacją mat, przyjętym sposobem montażu, występowaniem łączników itd.

Pomiary rozpoznawcze wykonano w aparacie płytowym na próbkach o wymiarach 60×60 cm ułożonych w pozycji poziomej. Przebadano następujące układy warstw:

• mata 1 - 10 warstw folii bąbelkowej oraz 4 ekrany refleksyjne w układzie:
  - 2×folia bąbelkowa,
  - folia aluminiowa (bez osłon antykorozyjnych),
  - 2×folia bąbelkowa,
  - folia aluminiowa (bez osłon antykorozyjnych),
  - 2×folia bąbelkowa,
  - folia aluminiowa (bez osłon antykorozyjnych),
  - 2×folia bąbelkowa,
  - folia aluminiowa (bez osłon antykorozyjnych),
  - 2×folia bąbelkowa;
• mata 2 - składająca się z dwóch mat 1.

W stosowanym aparacie płytowym badany materiał można poddawać komprymacji lub pozostawiać bez obciążenia. Badania wykazały, że efektywny współczynnik badanych konglomeratów oscyluje w przedziale 10% wokół λef = 0,028 W/(m·K). Stwierdzono również, że zwiększanie liczby warstw przy jednoczesnym komprymowaniu materiału nie wpływa na poprawę właściwości ciepłochronnych.

W kolejnych badaniach określono wartości współczynnika przewodzenia ciepła mat wykonanych z ekranów refleksyjnych pokrytych ochronną folią poliestrową (w tym również zbrojoną). Dodatkowo rozszerzono zakres stosowanych przekładek o maty poliestrowe, a mianowicie:

• mata 3 (3 warstwy) gr. 5 mm:
  - folia refleksyjna z powłoką ochronną,
  - folia bąbelkowa,
  - folia refleksyjna z powłoką ochronną;
• mata 4 (5 warstw) gr. 27 mm:
  - folia refleksyjna ze zbrojoną powłoką ochronną,
  - mata poliestrowa,
  - folia refleksyjna z powłoką ochronną,
  - warstwa maty poliestrowej,
  - folia refleksyjna ze zbrojoną powłoką ochronną;
• mata 5 (9 warstw) gr. 47 mm:
  - folia refleksyjna ze zbrojoną powłoką ochronną,
  - 3 warstwy maty poliestrowej,
  - folia refleksyjna z powłoką ochronną,
  - 3 warstwy maty poliestrowej,
  - folia refleksyjna ze zbrojoną powłoką ochronną.

Przeprowadzone badania wykazały, że wyeksponowanie ekranu na zewnątrz konglomeratu poprawia właściwości ciepłochronne. Przykładowo, mata 3 charakteryzowała się najlepszą wartością efektywnego współczynnika przewodzenia ciepła λ_ef = 0,022 W/(m·K). Izolacyjność kolejnych wynosiła odpowiednio: mata 4 - λ_ef = 0,054 W/(m·K), mata 5 - λ_ef = 0,037 W/(m·K).

Maty wykorzystujące przekładki poliestrowe miały nieco gorsze właściwości ciepłochronne niż maty z przekładkami z foli bąbelkowej. Są za to nieporównywalnie odporniejsze na obciążenia mechaniczne i stabilne w czasie eksploatacji.

Najciekawsze z punku widzenia przyjętego w badaniach celu są wyniki uzyskane w komorze klimatycznej przy wykorzystaniu modelu wykonanego skali 1:1. Na murze modelowym z cegły ceramicznej pełnej na zaprawie wapienno-cementowej, jednostronnie otynkowanym wykonano warstwy dociepleniowe w postaci szczeliny wypełnianej różnymi matami osłoniętymi płytą gipsowo-kartonową.

Docieplenie muru modelowego o początkowej wartości współczynnika przenikania ciepła U = 2,18 W/(m²·K) z jednym zestawem maty 1 pozwoliło uzyskać dla całego zestawu wartość U = 0,54 W/(m²·K). Przy zastosowaniu dwóch zetkniętych ze sobą mat 1 wartość współczynnika przenikania ciepła przegrody wyniosła U = 0,34 W/(m²·K).

Dołożenie trzeciej maty (co jednak zgodnie z przyjętym założeniem wymagało skomprymowania uzyskanego konglomeratu do gr. 90 mm i rezygnacji ze szczelin) pozwoliło uzyskać wartość współczynnika przenikania ciepła U = 0,27 W/(m²·K). Jest to najlepszy wynik (dysponując przestrzenią o gr. 10 cm) przy docieplaniu modelowej ściany matami refleksyjnymi.

Rezultat jest zadawalający, odbiega jednak od niektórych informacji handlowych dotyczących możliwości kilkukrotnego ograniczenia grubości izolacji w stosunku do izolacji tradycyjnych.

Wnioski

Uzyskane wyniki nie potwierdziły informacji o możliwości zastępowania tradycyjnych izolacji wielokrotnie cieńszymi matami refleksyjnym. Określone w przeprowadzonych eksperymentach efekty ciepłochronne są porównywane z zastosowaniem np. tej samej grubości płyt poliuretanowych w osłonie aluminiowej.

W wielu przypadkach natomiast znaczące korzyści z zastosowania mat refleksyjnych można uzyskać dzięki poprawie szczelności powietrznej izolowanych przestrzeni. Dotyczy to szczególnie izolowania lekkich przegród szkieletowych, w których mogą one stanowić cenne uzupełnienie dociepleń wykonanych z tradycyjnych materiałów termoizolacyjnych.

Obecnie prowadzone są badania nad trwałością mat refleksyjnych w odniesieniu do konglomeratów, w których zastosowano ekrany z foli aluminiowej bez zabezpieczenia antykorozyjnego. Kluczowe w tych przypadkach są dyfuzja pary wodnej oraz stan wilgotnościowy docieplanej przegrody.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!