Innowacyjne statyczne rozwiązania termoizolacyjne

***

W artykule skupiono się na właściwościach grupy innowacyjnych statycznych materiałów termoizolacyjnych, takich jak nanoizolacje (aerożele oraz izolacje próżniowe), materiały izolacyjne wypełnione gazem, folie odblaskowe oraz cienkowarstwowe izolacje polimerowe.

Innovative static thermal insulation solutions 

The article focuses on the properties of a group of innovative static thermal insulation materials, such as nanoinsulations (aerogels and vacuum insulations), gas-filled insulation materials, reflective foils and thin-film polymer insulations.

***

Przegląd literatury wyodrębnił podział stosowanych izolacji termicznych na dwie zasadnicze grupy [1]:

• statyczne izolacje termiczne (STIs – Static Thermal Insulation Solutions),
• dynamiczne izolacje termiczne (DTIs – Dynamic Thermal Insulations).

Statyczne materiały izolacyjne charakteryzują się stałą wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ (lub oporu cieplnego R).

W niniejszym artykule skupiono się na właściwościach grupy innowacyjnych statycznych materiałów termoizolacyjnych, takich jak:

• nanoizolacje (aerożele oraz izolacje próżniowe),
• materiały izolacyjne wypełnione gazem,
• folie odblaskowe,
• cienkowarstwowe izolacje polimerowe.

Nanoizolacje

Nanoizolacje to zaawansowane materiały izolacyjne, których zasada działania opiera się na transferze energii poprzez zderzenie cząsteczek gazu. Gdy wielkość porów w danym materiale zostanie zmniejszona do 200 nm średnicy, cząsteczki zderzają się głównie ze ściankami porów, a nie z innymi cząsteczkami gazu. Ta eliminacja zderzeń międzycząsteczkowych polega zasadniczo na zmniejszeniu przewodności cieplnej i wydajności nanomateriałów izolacyjnych [2]. Dzięki unikalnym cechom wynikającym z ich nanostruktury, oferują one lepszą izolację termiczną, dźwiękową, a także mogą mieć dodatkowe właściwości, takie jak odporność na wilgoć czy zwiększona wytrzymałość mechaniczna. Wysoka izolacyjność termiczna to zasługa ograniczenia przewodzenia ciepła poprzez ograniczenie drgań fononów (czyli mikrocząsteczek, które opisują drgania sieci krystalicznej w ciałach stałych na poziomie kwantowym). Ich lekkość sprawia, że są idealne do zastosowań, gdzie ważna jest minimalizacja wagi, na przykład w przemyśle lotniczym i kosmicznym.

Niektóre nanoizolacje są zaprojektowane tak, aby były przepuszczalne dla powietrza i pary wodnej, jednocześnie zachowując swoje doskonałe właściwości izolacyjne. Dzięki bardzo dobrym właściwościom chemicznym są odporne na wysokie temperatury i ogień, co może być wykorzystywane w obiektach o podwyższonym standardzie bezpieczeństwa pożarowego. Nanoizolacje mogą być zaprojektowane tak, aby były hydrofobowe, co zapobiega przedostawaniu się wilgoci i kondensacji w materiałach budowlanych. W związku z powyższymi zaletami nanoizolacje znajdują szerokie zastosowanie w budownictwie jako elementy komponentu ścian, dachów, podłóg czy okien budynków, aby poprawić ich efektywność energetyczną. Mogą być również używane w systemach HVAC (ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja) do zwiększenia efektywności. Oprócz tego ta grupa materiałów może być wykorzystywana w wielu gałęziach przemysłu lotniczego, kosmicznego, motoryzacyjnego, a także w elektronice czy branży odzieżowej.

Produkcja nanoizolacji wiąże się z kilkoma ograniczeniami. To przede wszystkim koszty, które są wyższe w porównaniu z tradycyjnymi materiałami. Może to ograniczać ich masowe zastosowanie i spowodować, iż będą wykorzystywane jedynie w sytuacjach wyjątkowych lub miejscach newralgicznych, np. w różnego rodzaju złączach, tzw. mostkach termicznych. Niektóre nanoizolacje mogą być mniej trwałe w określonych warunkach środowiskowych, co wymaga dalszych badań i optymalizacji.

Nanoizolacje reprezentują nową generację materiałów izolacyjnych, które dzięki nanotechnologii oferują wyjątkowe właściwości, takie jak lepsza izolacyjność termiczna, niska waga i dodatkowe funkcje, np. odporność na wilgoć i ogień. Choć ich produkcja i wdrożenie mogą być kosztowne, potencjalne korzyści w zakresie efektywności energetycznej i ochrony środowiska są ogromne.

Do materiałów termoizolacyjnych wykorzystujących nanotechnologie należą przede wszystkim:

• aerożele – ultralekkie, transparentne, nanoporowate materiały izolacyjne,
• izolacje próżniowe, czyli nanopróżniowe panele izolacyjne (panele VIP – Vacum Insulated Panel).

Aerożele

Aerożele należą do najlżejszych materiałów, jakie kiedykolwiek powstały. Ich gęstość waha się od kilkudziesięciu do kilkuset miligramów na centymetr sześcienny. Dzieje się tak za sprawą ich bardzo porowatej struktury. Pory tego materiału stanowią ponad 99% objętości i dlatego są bardzo lekkie i mają dużą powierzchnię właściwą. Taka struktura wpływa na ich bardzo dobre właściwości termiczne. Współczynnik przewodzenia ciepła tych materiałów mieści się w przedziale od 0,014 do 0,016 W/(m·K) [3]. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami, takimi jak styropian ekstrudowany czy wełna mineralna (λ = 0,030 do W/(m·K)), wartość ta jest o około 56% wyższa.

Na proces powstawania aerożelu składają się cztery etapy:

1. synteza Sol-Gel polegająca na rozpuszczaniu się w cieczy prekursora (najczęściej krzemionki SiO2), tworząc roztwór. Następnie dodaje się do niego katalizator, co inicjuje proces żelowania, przekształcając roztwór w sieć porowatą, zwaną żelem,
2. starzenie, podczas którego powstały żel jest pozostawiany na pewien czas, aby struktura mogła się ustabilizować i wzmocnić,
3. wymiana rozpuszczalnika, gdzie żel jest przemywany w celu usunięcia resztek reagentów, a następnie zastąpiony innym rozpuszczalnikiem, który jest bardziej odpowiedni do suszenia,
4. suszenie nadkrytyczne to ostatni i najważniejszy etap, który polega na podgrzaniu żelu do temperatury i ciśnienia powyżej punktu krytycznego używanego rozpuszczalnika. Dzięki temu możliwe jest usunięcie cieczy bez zapadnięcia się struktury porowatej. Po osiągnięciu warunków nadkrytycznych, rozpuszczalnik jest usuwany, pozostawiając za sobą suchy aerożel.

Izolacje próżniowe

Materiały izolacyjne próżniowe, znane również jako VIP (Vacuum Insulation Panels – Próżniowe Panele Izolacyjne), to zaawansowane materiały izolacyjne, które wykorzystują próżnię do zapewnienia wyjątkowo wysokiej efektywności izolacyjnej. Panele te zasadniczo składają się z dwóch elementów [4]:

• porowatego rdzenia, który może być wykonany z różnych materiałów, takich jak krzemionka, włókna szklane, aerożele czy mikroporowate materiały. Jest zaprojektowany tak, aby zapewnić maksymalną stabilność strukturalną przy minimalnej przewodności cieplnej,
• powłoki barierowej, otaczającej rdzeń, który jest w niej hermetycznie zamknięty. Wykonana jest z materiałów odpornych na przenikanie gazów, takich jak folia aluminiowa lub wielowarstwowe folie polimerowe. Powłoka ta utrzymuje próżnię wewnątrz panelu.

Innymi składnikami tych materiałów są folie ochronne i dystansowe oraz specjalne pochłaniacze gazów i wilgoci [5]. Jednym z elementów wchodzących w skład paneli mogą być również przyjazne dla środowiska materiały na bazie włókien organicznych pochodzące z recyklingu z przemysłu tekstylnego i dywanowego [5] oraz włókna kapokowe [6].

Materiały te wykorzystują próżnię do eliminacji konwekcji cieplnej i redukcji współczynnika przewodzenia ciepła λ. Próżnia jest utrzymywana wewnątrz panelu, co znacznie ogranicza transfer ciepła. Materiały rdzeniowe mają również niską przewodność cieplną, co dodatkowo zmniejsza straty.

W budownictwie stosowane są do izolacji ścian, dachów, podłóg oraz fundamentów. Są szczególnie użyteczne w projektach, gdzie przestrzeń jest ograniczona, a wymagana jest wysoka efektywność izolacyjna. Z tego powodu mają zastosowanie w renowacji budynków. Dzięki swojej wysokiej efektywności, panele mogą być wykorzystywane w cieńszych warstwach, co pozwala na zwiększenie powierzchni użytkowej [7]. Do innych zalet izolacji paneli VIP zaliczana jest znacznie wyższa efektywność izolacyjna w porównaniu z tradycyjnymi materiałami, co pozwala na uzyskanie bardzo niskich wartości współczynnika przewodzenia ciepła wynoszących nawet λ = 0,004 W/(m·K) [8]. 

Zapewniają stały poziom izolacji termicznej przez wiele lat, pod warunkiem że ich powłoka pozostaje nienaruszona [7]. Podjęto również próbę oceny starzenia się, wykorzystując badania terenowe polegające na monitorowaniu systemu dachowego budynku w Ottawie, które wykazały spadek współczynnika przewodzenia tej izolacji o około 10% w stosunku do wartości wyjściowej po pięciu latach.

Niestety, dość wysoki koszt stanowi barierę do ich powszechnego stosowania. Wadą jest również utrzymanie próżni, która jest najistotniejsza dla ich efektywności. Uszkodzenia powłoki barierowej mogą prowadzić do utraty próżni i spadku właściwości izolacyjnych. Rdzeń panelu może być kruchy, co wymaga ostrożności podczas transportu i instalacji.

Materiały izolacyjne wypełnione gazem

GFP (ang. Gas-Filled Panel) to rodzaj materiałów izolacyjnych, które wykorzystują panele wypełnione gazem szlachetnym do poprawy efektywności izolacyjnej. Składają się zazwyczaj z paneli, które są hermetycznie zamknięte i wypełnione gazem [9]. Takie materiały są projektowane w celu zapewnienia lepszej izolacji termicznej przy stosunkowo niskiej masie i grubości. Mogą być wykonane z różnych materiałów, w tym tworzyw sztucznych, metali lub kompozytów.

Panele te posiadają wielokomorową strukturę, co dodatkowo zwiększa ich właściwości izolacyjne. Gazy wypełniające panele mają mniejszą przewodność cieplną niż powietrze, co oznacza, że lepiej izolują przed przenikaniem ciepła. Struktura wielokomorowa dodatkowo utrudnia przepływ ciepła przez konwekcję i promieniowanie. GFP są stosowane w budownictwie do izolacji ścian, dachów i fundamentów. Ze względu na ich lekką strukturę są szczególnie użyteczne w budynkach, gdzie ciężar materiałów izolacyjnych jest istotny.

Dzięki zastosowaniu gazów o niskiej przewodności cieplnej, GFP oferują doskonałe właściwości izolacyjne. Wartość współczynnika przewodzenia może osiągać poziom λ = 0,01 W/(m·K) [10]. Panele są lekkie, co ułatwia ich montaż i zmniejsza obciążenie konstrukcji budowlanych. Zazwyczaj są trwałe i odporne na warunki atmosferyczne, co zapewnia długotrwałe działanie izolacyjne [11]. Stosowanie GFP może prowadzić do znacznych oszczędności energii, zarówno w budynkach mieszkalnych, jak i przemysłowych. Podobnie jak w przypadku paneli próżniowych VIP, ich szczelność jest kluczowa dla zachowania efektywności. Wszelkie uszkodzenia mogą prowadzić do utraty właściwości izolacyjnych. Wymagają precyzyjnej technologii montażu, aby zapewnić maksymalną efektywność izolacyjną.

Folie odblaskowe

Folie odblaskowe charakteryzują się zmniejszeniem zysków od ciepła słonecznego poprzez zmianę właściwości optycznych i termicznych systemów przeszkleń. W ten sposób poprawie ulega wydajność cieplna, świetlna i energetyczna budynku [12].

Folie tego typu składają się z kilku warstw cienkiej folii metalicznej lub polimerowej metalizowanej o niskim współczynniku emisji dla promieniowania długofalowego. Odległości między foliami wynoszą od 2 do 8 mm, a oddziela je od siebie materiał dystansowy, który zwykle składa się z pianki polimerowej o zamkniętych komórkach, wełny poliestrowej lub folii bąbelkowej. Cienkie warstwy polietylenu lub włókniny poliestrowej są czasami dodawane do materiałów dystansowych i folii odblaskowych. Całkowita grubość komponentu składającego się z wielu folii mieści się zwykle w przedziale od 10 do 30 mm. Ze względu na niskie współczynniki emisji folii materiał izolacyjny przepuszcza znacznie mniej promieniowania [13].

Pierwsze eksperymenty z użyciem wielu warstw stali pokrytej cyną (pełniącą funkcję powierzchni odbijającej) skierowaną w różne kierunki przestrzeni powietrznej między powierzchniami odbijającymi zostały przeprowadzone już w XIX w. [14]. Dalsze eksperymenty poszły w kierunku badań z coraz cieńszą folią aluminiową o bardzo niskiej emisji powierzchni, która miała grubość mniejszą niż 0,0127 mm.

Ważną rolę w istocie działania izolacji odblaskowych pełni zamknięta lub szczelna przestrzeń powietrzna [14]. W przeciwieństwie do konwencjonalnej izolacji termicznej, odblaskowa izolacja termiczna działa na innym poziomie fizycznym. Aby zablokować lub uniemożliwić przepływ ciepła do lub z budynku, wykorzystuje powierzchnie przylegające do przestrzeni powietrznej o wysokim współczynniku odbicia i niskiej emisyjności. Różni się to znacznie od tradycyjnej izolacji termicznej, w której wydajność odporności cieplnej zależy głównie od grubości materiału i jego współczynnika przewodzenia. Przeprowadzone badania potwierdziły, iż emisyjność powierzchni wiąże się ze znacznym spadkiem współczynnika przewodzenia ciepła nawet o 43% przy temperaturze 0°C [15].

Farby termoizolacyjne

Farby termoizolacyjne to specjalistyczne powłoki, które odbijają promieniowanie słoneczne i cieplne. Dzięki swoim właściwościom, farby te pomagają w redukcji nagrzewania powierzchni i wnętrz budynków, co może prowadzić do znacznych oszczędności energii i poprawy komfortu cieplnego wewnątrz pomieszczenia. Zawierają one pigmenty i dodatki (np. nanoilmenit [15]), które odbijają promieniowanie ultrafioletowe (UV) i podczerwone (IR), zmniejszając ilość ciepła absorbowanego przez powierzchnię. Dzięki temu zjawisku odbijają promieniowanie słoneczne, obniżając temperaturę powierzchni, na której są stosowane, nawet o kilkanaście stopni [15]. Redukcja nagrzewania powierzchni prowadzi do mniejszego zapotrzebowania na ogrzewanie, wentylację i klimatyzację wnętrz budynków nawet o 10–35% [16]. Farby refleksyjne często mają również właściwości ochronne, chroniąc powierzchnie przed uszkodzeniami spowodowanymi przez promieniowanie UV, wilgoć i inne czynniki atmosferyczne.

Powłoki tego typu stosuje się głównie na dachy w budynkach komercyjnych i mieszkalnych, aby zmniejszyć nagrzewanie się ich powierzchni. Mają zastosowanie również na zewnętrznych ścianach budynków, co pomaga w utrzymaniu niższej temperatury wewnątrz budynków, zwłaszcza w ciepłych klimatach. Stosowane na dużych powierzchniach przemysłowych, takich jak magazyny i hale produkcyjne, poprawia komfort pracy i znacząco zmniejsza zużycie energii.

Podsumowanie

Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej sprecyzowane przez Warunki Techniczne [17] zakładały zmniejszenie wartości współczynnika przenikania ciepła U pionowych, zewnętrznych przegród budowlanych na przestrzeni lat. W chwili obecnej osiągnęły maksymalny założony poziom o wartości U = 0,20 W/(m2·K) – wartość obowiązująca od 1.01.2021 r. Wymóg ten można spełnić, stosując popularne materiały stosowane do wznoszenia przegród zewnętrznych, np. pustak ceramiczny grubości 25,0 cm o λ = 0,283 W/(m·K) i styropian o λ = 0,033 W/(m·K) gr. 13,0 cm. Oczywiście grubości materiałów ulegną zmianie, w zależności od typu przegrody czy wybranej technologii rdzenia (pustak ceramiczny, beton komórkowy, bloczki silikatowe itd.). Niemniej grubość całkowita przegrody jest odwrotnie proporcjonalna do grubości stosowanej izolacji termicznej. Powoduje to, że powierzchnia użytkowa maleje wraz ze wzrostem grubości izolacji (przy tej samej powierzchni całkowitej, czy powierzchni zabudowy). Innowacyjne materiały, wykazujące stałą wartością współczynnika przewodzenia ciepła (nawet o 80% w stosunku do popularnych izolatorów), charakteryzują się ponad to bardzo niewielką grubością mieszczącą się w przedziale od kilku centymetrów do kilkudziesięciu mikrometrów. Najbardziej obiecującymi materiałami są te na bazie aerożeli oraz panele próżniowe VIP. Do wad zaliczyć można wysokie koszty produkcji i sprzedaży, dostępność, a także często niska odporność na uszkodzenia mechaniczne, co doprowadza do utraty lub spadku właściwości izolacyjnych.

Literatura

1. Y. Yang and S. Chen, „Thermal insulation solutions for opaque envelope of low-energy buildings: A systematic review of methods and applications”, Oct. 01, 2022, Elsevier Ltd. doi: 10.1016/j.rser.2022.112738.
2. J. Božić, „Nano insulation materials for energy efficient buildings”, Contemp Mater, vol. 6, no. 2, Oct. 2015, doi: 10.7251/comen1502149b.
3. Á. Lakatos and E. Lucchi, „Thermal performances of Super Insulation Materials (SIMs): A comprehensive analysis of characteristics, heat transfer mechanisms, laboratory tests, and experimental comparisons”, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 152, p. 107293, Mar. 2024, doi: 10.1016/J.ICHEATMASSTRANSFER.2024.107293.
4. W. Liang, X. Di, S. Zheng, L. Wu, and J. Zhang, „A study on thermal bridge effect of vacuum insulation panels (VIPs)”, Journal of Building Engineering, vol. 71, p. 106492, Jul. 2023, doi: 10.1016/J.JOBE.2023.106492.
5. J. Zach, J. Peterková, Z. Dufek, and T. Sekavčnik, „Development of vacuum insulating panels (VIP) with non-traditional core materials”, Energy Build, vol. 199, pp. 12–19, Sep. 2019, doi: 10.1016/J.ENBUILD.2019.06.026.
6. Q. Sun et al., „Green and sustainable kapok fibre as novel core materials for vacuum insulations panels”, Appl Energy, vol. 347, p. 121394, Oct. 2023, doi: 10.1016/J.APENERGY.2023.121394.
7. T. Voellinger, A. Bassi, and M. Heitel, „Facilitating the incorporation of VIP into precast concrete sandwich panels”, Energy Build, vol. 85, pp. 666–671, Dec. 2014, doi: 10.1016/J.ENBUILD.2014.05.038.
8. X. Li, C. Peng, and L. Liu, „Experimental study of the thermal performance of a building wall with vacuum insulation panels and extruded polystyrene foams”, Appl Therm Eng, vol. 180, p. 115801, Nov. 2020, doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2020.115801.
9. R. Baetens, B. P. Jelle, A. Gustavsen, and S. Grynning, „Gas-filled panels for building applications: A state-of-the-art review”, Energy Build, vol. 42, no. 11, pp. 1969–1975, Nov. 2010, doi: 10.1016/J.ENBUILD.2010.06.019.
10. G. L. Mills and C. M. Zeller, „The performance of gas filled multilayer insulation”, in AIP Conference Proceedings, 2008, pp. 1475–1482. doi: 10.1063/1.2908509.
11. M. Alam, H. Singh, and M. C. Limbachiya, „Vacuum Insulation Panels (VIPs) for building construction industry – A review of the contemporary developments and future directions”, Appl Energy, vol. 88, no. 11, pp. 3592–3602, Nov. 2011, doi: 10.1016/J.APENERGY.2011.04.040.
12. H. Wang, J. Hang, J. Yang, Z. Gao, J. Zhao, and F. Xu, „Reduced-scale experimental study on the cooling effect of solar control films and cool materials”, Energy Build, vol. 320, p. 114636, Oct. 2024, doi: 10.1016/J.ENBUILD.2024.114636.
13. M. J. Tenpierik and E. Hasselaar, „Reflective multi-foil insulations for buildings: A review”, Energy Build, vol. 56, pp. 233–243, Jan. 2013, doi: 10.1016/J.ENBUILD.2012.10.003.
14. S. W. Lee, C. H. Lim, and E. I. Bin Salleh, „Reflective thermal insulation systems in building: A review on radiant barrier and reflective insulation”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 65, pp. 643–661, Nov. 2016, doi: 10.1016/J.RSER.2016.07.002.
15. Z. Pásztory, T. Horváth, S. V. Glass, and S. Zelinka, „Experimental investigation of the influence of temperature on thermal conductivity of multilayer reflective thermal insulation”, Energy Build, vol. 174, pp. 26–30, Sep. 2018, doi: 10.1016/J.ENBUILD.2018.06.012.
16. I. Shah, X. Su, R. Talami, and A. Ghahramani, „Enhancing building envelopes: Parametric analysis of shading systems for opaque facades and their comparison with cool paints”, Energy and Built Environment, Apr. 2024, doi: 10.1016/J.ENBENV.2024.04.001.
17. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.