Tepelné izolace potrubí a rozvodů chlazení: Optimalizace a úspory

Tepelné izolace potrubí rozvodů topení a vody tvoří nedílnou součást distribučních systémů vytápění nebo chladírenských zařízení. Při návrhu a rekonstrukci rozvodů teplé (studené) vody a vytápění je prvořadým úkolem minimalizovat spotřebu energie.

Význam a cíle tepelné izolace

Tepelná izolace je primárně určena pro snížení intenzity tepelného toku. Mimo rozsáhlé uplatnění při izolování obvodového a střešního pláště budov může mít tato obecná vlastnost izolace různá praktická využití. Výběr správného izolačního materiálu a jeho vhodné uplatnění, včetně návrhu tloušťky izolace, nabývá zejména v posledních desetiletích na důležitosti úměrně s rostoucí náročností a vzácností energetických zdrojů.

Důsledné hledání ekonomického minima musí respektovat i takové vlivy jako je hodnota peněz ve sledovaném časovém období, prognóza cenového vývoje, náročnost údržby izolace a její životnost a další.

Kritériem pro návrh tloušťky izolace, zejména pro vyšší provozní teploty vyskytující se v průmyslových aplikacích, je kritérium povrchové teploty. Nebezpečí popálení lidské pokožky nezávisí jen na maximální povrchové teplotě, ale i povrchovém materiálu a délce styku pokožky s horkým nebo studeným povrchem. Pro snížení rizika úrazu je nutné navrhnout správný typ a dostatečnou tloušťku tepelné izolace.

Zamezení kondenzace

Hlavním úkolem izolací v chladírenské technice je spolehlivě zabránit kondenzaci na vnějším povrchu izolované soustavy. V potravinářském, v textilním průmyslu, u klimatizačních zařízení, apod. se vhodným uplatněním izolace zvýší povrchová teplota zařízení nad teplotu rosného bodu. Dosáhne se tím požadovaného účinku - zabránění kondenzace na studeném povrchu. Kondenzace na takovém povrchu je jev nežádoucí, protože způsobuje odkapávání z oroseného povrchu. Stále kapající kondenzát je velmi vážným problémem, protože může narušit pracovní režimy, způsobit stavební vady, korozi, atd. Proto je výběr druhu izolačního materiálu pro chladicí zařízení a výpočet jeho správné tloušťky důležitou prací projektanta.

Čtěte také: Průvodce montáží rozvodů rekuperace svépomocí

Izolování rozvodů chladu je spojeno s řešením problematiky kondenzace vodní páry. Povrchová teplota potrubí je nižší než teplota rosného bodu okolního vzduchu. Za těchto podmínek vodní pára z okolního vzduchu, která se dostane k chladnému povrchu potrubí, zkondenzuje. Srážení vlhkosti je velmi vážným problémem, protože způsobuje odkapávání z povrchu izolace. I za tohoto stavu však stále dochází k prostupu vodní páry izolací směrem k chladnému potrubí.

Ochrana proti zamrznutí a udržení teploty

Pokud není možné zajistit ochranu proti zamrznutí izolací nebo minimálním průtokem kapaliny potrubím, omotává se potrubí topným kabelem. I zde sehrává izolace důležitou úlohu. Její provedení bude záviset na kombinaci jejího účinku s výkonem topného kabelu, který musí být navržen na tepelnou ztrátu předávanou do prostoru. Někdy se ještě tyto funkce kombinují s předpokladem, který připouští částečnou skupenskou přeměnu vody na led.

Problémy nestacionárních tepelných dějů řeší tepelné izolace u cisteren, nádob a nádrží, které mají dlouhodobě uchovávat látky, jejichž aktuální použitelnost je limitována teplotou. Jedná se např. o oleje, ropné nebo bituminézní produkty, které mohou být dopravovány či zpracovávány pouze tehdy, nestoupne-li jejich viskozita nad přípustnou míru. Také u vodních emulsí a potravin nesmí teplota při jejich skladování klesnout pod určitou mez.

Kromě snižování tepelných ztrát je u technologických rozvodů nutný návrh takového typu a takové tloušťky izolace, aby byla udržena požadovaná teplota pracovní látky při transportu z jednoho místa technologického zařízení do druhého.

Požární bezpečnost a akustické vlastnosti

Při projektování a výstavbě i rekonstrukcích stavebních objektů se vyžaduje, aby tyto budovy plnily nejen užitné, ekonomické a estetické cíle, ale aby vyhovovaly též požadavkům hygienickým, bezpečnostním a protipožárním. Celkové řešení požární bezpečnosti je velmi složité a podléhá řadě velmi přísných legislativních předpisů. Velmi důležitá úloha přitom připadá tepelným izolacím a detailům jejího provedení. Poslání izolací v těchto případech není v oblastech ekonomických efektů, ale výhradně v oblasti bezpečnosti a ochrany lidského zdraví.

Čtěte také: Průvodce rozvody vody a elektřiny pro každý dům

Nádrže i potrubí, kterými protékají plyny, páry nebo kapaliny, představují často významný zdroj hluku. Potrubími mohou procházet zvuky z armatur nebo čerpadel, které se tak mohou přenášet až do vzdálených částí budov. Při projekci i realizaci je tedy důležité zajistit na všech prostupech potrubí stěnami nebo stropy utlumení šíření zvuku ve hmotě. Toho lze dosáhnout např. vyprojektováním dostatečně velkých prostupů, přičemž se volná část otvoru zvukotěsně uzavře. Potřebnou tepelnou izolaci lze v řadě případů spojit i se zlepšením akustických parametrů.

Materiály a technologie izolace

Termokeramické nátěry

O nesporných kvalitách termokeramického nátěru ClimateCoating IndustrySpecial nepochybuji, protože s ním přicházím do styku dost často. Nátěr je založen na funkci termokeramické membrány a dokáže snížit ztráty tepla, ke kterým dochází např. při transportu kapalin a plynů v potrubích nebo snižuje únik tepla v kovových konstrukcích. Díky nátěru ClimateCoating IndustrySpecial se sníží povrchová teplota potrubí (např. při transportu teplé vody) a dochází k nižším ztrátám - tím pádem se realizují okamžité úspory ve smyslu úspor nákladů (v tomto případě ohřev vody).

Při instalaci rozvodného potrubí teplé vody jsem udělal malý pokus: ještě předtím, než jsem potrubí obalil izolační pěnou Polyfoam, jsem všechny trubky natřel nátěrem ClimateCoating IndustrySpecial, ale část jsem nechal bez nátěru - abych mohl změřit povrchovou teplotu potrubí. Teploměry jsem umístil těsně vedle sebe. Povrchová teplota potrubí s nátěrem ClimateCoating IndustrySpecial se snížila cca o 5°C, oproti povrchové teplotě trubky bez nátěru. To vše díky složení nátěru - tzv.: termokeramické membráně, která dokáže „zvětšit“ svůj povrch až na 3-4 násobek. Samotný termokeramický nátěr na dokonalou izolaci potrubí (a tím i na dosažení minimálních energetických nároků) samozřejmě nestačí a je třeba jej zkombinovat s vnější izolací. Osobně se mi jako výborná možnost izolace jeví kombinace termokeramického nátěru ClimateCoating IndustrySpecial a izolační pěny Polyfoam.

Polymerní izolace (Polyfoam, polyetylen, kaučuky)

Rozvody potrubí teplé vody a topení, zařízení na ohřev vody, zásobníky a zásobní nádrže třeba izolovat proti tepelným ztrátám. Provozní, ale i výpočtová teplota ve vytápění se pohybuje do 90°C, proto se na izolaci velmi hodí novější lehké materiály z polyuretanů, polyetylen nebo kaučuků.

Osobně mám velmi dobré zkušenosti s potrubní izolací Polyfoam. Tato výborná izolace potrubí a rozvodů je vlastně chemicky zesítěna polyetylénová pěna s uzavřenou buněčnou strukturou. Při provozu topných, chladicích armatur zajistí ideální izolaci v teplotním rozsahu od -40°C do +95°C. Vlivem uzavřené buněčné struktury je nasákavost hmoty vodou minimální a samostatná polyetylénová hmota - ani při zástavbě, ani při používání není citlivá na vlhkost. Je odolná vůči louhům, kyselinám, olejům a neobsahuje zdraví škodlivé látky.

Čtěte také: vliv izolace na efektivitu chlazení

Jako izolace pro chladicí techniku se nedoporučuje ani polyethylen. I přesto, že má dostatečnou odolnost proti difuzi vodních par a přijatelnou hodnotu součinitele tepelné vodivosti λ, jako všechny nepolární plasty se polyethylen těžko lepí a spoje tohoto materiálu nezabraňují vnikání vodních par do izolace. Ani smršťování při měnících se teplotách nevyhovuje izolačnímu účelu.

Pro použití při chladících potrubích a zařízeních jsou nejvhodnější elastomery (syntetické kaučuky). Elastomery mají vysoké hodnoty faktoru difúzního odporu a zároveň nízké hodnoty součinitele tepelné vodivosti λ. I v této skupině izolací jsou však v kvalitě materiálů značné rozdíly. Některé druhy elastomerů dosahují hodnoty µ až do 7 000 a hodnota λ je snížena až na 0,036 W/m.K při 0°C. Standardně se pro rozvody chladu používají izolace ze syntetického kaučuku, které mají uzavřenou pórovou strukturu a velmi dobře odolávají průniku vodní páry k chladnému povrchu potrubí.

Minerálně vláknité materiály a HygroWick®

Pro teploty nad 100°C jsou vhodné klasické minerálně vláknité materiály. Tyto izolace jsou objemnější a mají složitější a pracnější montáž povrchové úpravy. Z tohoto důvodu minerálně vláknité izolace nejsou vhodné při aplikaci na chladící potrubí.

Alternativou k hořlavým typům izolace je nehořlavá izolace HygroWick. Jde o vinutá potrubní izolační pouzdra, která se vyrábějí ze skelné vlny. Izolační pouzdro má tvar dutého podélně děleného válce vyrobeného z jednoho segmentu. Izolační pouzdro HygroWick® má vnitřní vložku z hydrofilní tkaniny s velmi dobrými kapilárně vodivými vlastnostmi. Tkanina prochází drážkou a vyčnívá na vnější povrch izolace. Zkondenzovaná vodní pára je z povrchu potrubí absorbována tkaninou. Se vzrůstajícím množstvím absorbované vody se zaplní meziprostor tkaniny a kapilární vedení způsobí pohyb kondenzátu směrem k sušším oblastem tkaniny.

Způsob instalace izolace HygroWick® je obdobný jako při izolování topenářských rozvodů izolačními pouzdry z minerální vlny. Rozdílem je to, že u vodorovných potrubí se umisťuje pouzdro do pozice s drážkou dolů (což je pozice o 180° otočená oproti běžným zvyklostem při izolování potrubí). V této poloze gravitace podpoří kapilární vedení a odpařovací plocha je navíc chráněna proti zvýšenému znečišťování prachem.

Parotěsná vrstva

Po instalaci izolačního materiálu musí mít celý systém a spoje vysokou odolnost proti difuzi vodních par. Materiály s nízkým faktorem difúzního odporu se nesmí použít bez parotěsné vrstvy (parozábrany). V těchto případech velmi rychle absorbují vlhkost, což vede ke zhoršení jejich tepelně izolačních vlastností. Drážku v parozábraně, z které vyčnívá tkanina, lze považovat za mezeru v opláštění. Vodní pára však nemůže difundovat přes drážku, jakmile je tkanina nasycena vodou. V počátečním období, když je tkanina suchá, dojde k difuzi vodní páry z okolního vzduchu směrem k chladnému potrubí. Po cca 2-3 dnech tkanina lehce zvlhne a parciální tlak vodní páry v drážce se zvýší max. na stav nasycení při okolní teplotě, který činí 2 650 Pa. Dojde tedy k vysychání vyčnívající tkaniny do okolního vzduchu, kde je parciální tlak nižší. Vodní pára následně může do izolace difundovat pouze parozábranou a přes možné trhliny v opláštění, způsobené např. mechanickým poškozením.

Tloušťka izolace

Tloušťku izolace počítáme podle kritéria maximální tepelné ztráty, s přihlédnutím k nežádoucímu oteplování nebo chladnutí teplonosné látky, zajištění funkčnosti technologických procesů v případech, kde je udržení předepsané teploty rozhodující podmínkou, apod. Nejmenší tloušťka izolace je pro některé případy dána vyhláškou 197/2007 Sb. Pokud není třeba respektovat přednostně jiné požadavky, je vhodné při návrhu pracovat s ekonomicky optimální tloušťkou izolace. Větší tloušťka izolace snižuje tepelné ztráty, a s tím spojené výdaje.

Uvedené tloušťky tepelné izolace se vztahují na hodnotu součinitele tepelné vodivosti λ = 0,035 W/m.K.

Legislativní požadavky na tloušťku izolace

Ministerstvo průmyslu a obchodu stanoví podle § 14 odst. 5 zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění zákona č. 177/2006 Sb., (dále jen „zákon“) k provedení § 6 odst. (1) Tato vyhláška zapracovává příslušný předpis Evropských společenství.

• Minimální tloušťka tepelné izolace zásobníků teplé vody a otevřených expanzních nádob je 100 mm při použití izolačního materiálu se součinitelem tepelné vodivosti λ menším nebo rovným 0,045 W/m.K (udáváno při teplotě 0 °C).
• Minimální tloušťka tepelné izolace pasivních zásobníků (akumulačních nádob) je 100 mm při použití izolačního materiálu se součinitelem tepelné vodivosti λ menším nebo rovným 0,04 W/m.K (udáváno při teplotě 0 °C).
• Rozvody a vnitřní rozvody chladu s provozní teplotou chladicí látky +18 °C až +5 °C mají tloušťku izolace podle § 5 odst.
• Rozvody a vnitřní rozvody chladu s provozní teplotou chladicí látky nižší než +5 °C se opatřují tepelnou izolací s minimální tloušťkou danou 1,5násobkem tloušťky stanovené podle § 5 odst.
• U rozvodů se tloušťka tepelné izolace stanoví výpočtem tak, aby součinitel prostupu tepla vztažený na jednotku délky potrubí U byl menší nebo roven jak hodnoty uvedené v příloze č.
• U vnitřních rozvodů se minimální tloušťka tepelné izolace (diz - d)/2 stanoví výpočtem tak, aby součinitel prostupu tepla vztažený na jednotku délky potrubí U byl menší nebo roven hodnotě uvedené v příloze č. 3 k této vyhlášce a zároveň bylo dodrženo ustanovení odstavce 3. Výpočet se provede podle vztahu uvedeného v příloze č. 3.

Instalace a praktické aspekty

Při instalaci izolačního materiálu musí mít celý systém a spoje vysokou odolnost proti difuzi vodních par. Kolena, příruby, ventily a další armatury musí být 100 % omotány tkaninou. Tkanina by měla přesahovat minimálně 3 cm na navazující tkaninu izolačního pouzdra pro zajištění průběžné kapilární cesty s přilehlou izolací. Tloušťka izolace by měla být stejná jako u přilehlého rovného úseku. Spoj izolace armatury s izolací rovného úseku musí být přelepen hliníkovou páskou pro vytvoření těsnosti parozábrany.

Izolace armatur a přírub se provádí jako snímatelná.

Izolace potrubních závěsů

Kritickým bodem v izolaci jsou často potrubní závěsy. Neizolovaný kontakt mezi chladným objektem, například potrubím a jeho závěsem, vytváří tepelné mosty. Řetěz je jen tak silný, jako jeho nejslabší článek. to platí i na tepelně izolační systémy. Mnoho problémů a rizik koroze, která je spojena s penetrací vlhkosti, lze výrazně snížit, když jsou závěsy správně izolovány. V praxi se toto často zanedbává.

Závitové tyče nemají hladký povrch, jak je vyžadováno pro kvalitní těsný spoj. Izolace doporučuje na nich vytvořit elastomerový základ, například ze samolepicího pásu Armaflex. Velký počet výrobců tepelně izolovaných závěsných systémů využívá polyuretanových pěn (PU/PUR). I systémy z pěny PIR (polyizokyanurát) jsou běžné. Pro izolaci se používá pěna s relativně vysokou hustotou. Tato řešení mohou vést k pronikání vodní páry. Z hlediska jejich vlastností při lepení jsou pouze částečně kompatibilní s materiály PUR/PIR. Tedy včetně spojení izolovaných závěsů a izolace potrubí. K vytvoření vyhovujícího spoje lze využít metodu překrytí svorky závěsu. To zahrnuje vyrovnání tlouštěk izolace svorky a izolace potrubí a překrytí spojů.

Společnost Armacell vyvinula speciální prvky pro izolaci chladících a klimatizačních zařízení s ohledem na pravidla pro použití závěsů složených z jiného druhu izolačního materiálu. Tyto prvky jsou chráněny celoplošně přilepenými plechovými segmenty, které tvoří parozábranu. Úkolem plechových segmentů je současně rozložit namáhání ze závěsu na celou plochu izolace. Také jsou k dispozici pro vzduchovody. Lze je rychle a snadno namontovat. Jsou dodávány v kombinaci s vhodnými kovovými objímkami, kterými lze potrubí bezpečně upevnit.

Měření a hodnocení izolace

Metody měření tepelného toku

U provozních metod nejsou teploty přesně definovány a měření je závislé na možnostech měřicí metody. Přesnost naměřených hodnot, tj. tepelného toku, popř. tepelné vodivosti, je horší než 5 %. Provozní metody jsou Schmidtova, termovizní a kalorimetrická.

Schmidtova metoda

Gumový pásek je obložen sériovým termočlánkem měřícím rozdíl teplot na tloušťce pásku 2 mm. Pásek je zavulkanizován do pasu 60 x 5 x 600 mm. Pas se přikládá k měřenému povrchu, kterým prochází tepelný tok. Ten vyvolá změnu teplot na vnitřním i vnějším povrchu zavulkanizovaného pásku a sériové termočlánky násobící změnu signalizují napětí v závislosti na velikosti tepelného toku. Po ocejchování pasu se získá konstanta pasu C. Násobením odečteného napětí na svorkovnici pasu získáme hodnotu měřeného tepelného toku. Vzhledem k cejchování pasu na rovině se tepelný tok určovaný na potrubí násobí korekčním součinitelem.

Termovizní metoda

Tato metoda představuje způsob měření, při kterém se termovizní kamerou snímá povrch izolovaného zařízení. Termovizní zobrazení povrchových ploch umožňuje zaznamenat rozložení povrchových teplot zařízení a tak případné vady izolace, které se projevují jako tepelné mosty.

Kalorimetrická metoda

Metoda vycházející z kalorimetrické rovnice a umožňuje stanovit tepelné ztráty či zisky na úseku rozvodu. Měřením se stanoví rozdíl teplot teplonosné látky a průtok. Při využití fakturačních měřidel tepla dodavatele a součtových hodnot fakturačních měřidel na vstupu u odběratelů lze přibližně stanovit tepelné ztráty celé sítě.

Legislativní rámec pro izolaci TZB

Vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu stanovuje řadu podmínek pro tepelné izolace, které jsou klíčové pro energetickou účinnost a bezpečnost provozu.

Obecné požadavky na tepelnou síť

• Tepelná síť se dimenzuje tak, aby roční využití její schopnosti přenosu tepelné energie bylo co největší.
• Při navrhování nových a při rekonstrukci stávajících tepelných sítí se použije řešení, pro které má minimální hodnotu energetické náročnosti z hlediska dopravy tepelné energie ηc a maximální hodnotu účinnosti z hlediska tepelných ztrát ηz.

Parametry teplonosné látky

• Pro vytápění a přípravu teplé vody a všude tam, kde to pro daný účel postačuje, volí se přednostně pro přenos tepelné energie teplá voda do 90 °C nebo do 115 °C.
• Horká voda nad 115 °C se použije pro rozsáhlé tepelné sítě určené k zásobování rozlehlých sídlišť, obcí a vzdálených odběratelů.
• Výpočtová teplota ve vratném potrubí se volí nižší nebo rovna 70 °C.
• Tlak v teplovodní a horkovodní síti se za provozu udržuje ve výši, která zajišťuje, že v žádné části potrubí ani v připojeném odběrném tepelném zařízení nedojde k odpaření vody.
• Parametry páry se volí tak, aby s ohledem na úbytek tlaku a teploty v síti byly uspokojeny požadavky všech napojených odběratelů a aby při její dopravě byla omezena kondenzace v potrubí.

Spotřebiče tepelné energie

• Každý spotřebič tepelné energie se opatřuje armaturou s uzavírací schopností, pokud to jeho technické řešení a použití připouští.
• Každé otopné těleso se vybavuje ventilem s uzavírací a regulační schopností s regulátorem pro zajištění místní regulace.
• Každý parní spotřebič včetně parního rozvodu se opatří vhodně voleným odvaděčem kondenzátu, zabraňujícím vstupu páry do kondenzátního potrubí.
• Pro vytápění s nuceným oběhem teplonosné látky nevýrobních objektů se volí teplota teplonosné látky na vstupu do otopného tělesa do 75 °C.
• Tepelná energie předávaná do vytápěného prostoru z neizolovaného potrubí se považuje za trvalý tepelný zisk, který se uvažuje při návrhu tepelného výkonu otopných těles, jestliže projektovaná teplota teplonosné látky v rozvodu je rovna nebo vyšší než 60 °C.

Tepelná izolace rozvodů

• Část tepelné sítě, která prochází netemperovanými prostory, s teplonosnou látkou o teplotě vyšší než 40 °C nesloužící temperování prostorů, kterými prochází, se vybaví tepelnou izolací.
• Tepelná izolace se chrání před mechanickým poškozením. Vnější povrch izolovaného potrubí se upraví tak, aby byl odolný vůči vnějšímu prostředí a slunečnímu záření.
• Tepelná izolace u vnitřních rozvodů s teplonosnou látkou do 115 °C se navrhuje tak, že její povrchová teplota je o méně než 20 K vyšší oproti teplotě okolí a u vnitřních rozvodů s teplonosnou látkou nad 115 °C o méně než 25 K oproti teplotě okolí.
• Izolace armatur a přírub se provádí jako snímatelná.

Regulace systémů

• Každý zdroj tepelné energie pro ústřední vytápění se vybaví zařízením automaticky regulujícím teplotu teplonosné látky.
• Zdroje tepelné energie, které zajišťují vytápění ústřední, bytové individuální a lokální, se vybavují automatickou regulací umožňující centrálně snížit či odstavit dodávku tepelné energie.
• Spotřebiče se vybavují místní regulací tak, aby se dosáhlo zohlednění tepelných zisků z oslunění a vnitřních tepelných zisků.
• U rozvodu tepelné energie a vnitřního rozvodu vytápění a teplé vody se seřizují průtoky tak, aby odpovídaly projektovaným jmenovitým průtokům s maximální odchylkou ± 15 %.

Rozvody chladu

• Povrchy, spoje a čela tepelných izolací se opatří vhodnou nepřerušovanou parotěsnou vrstvou k zamezení pronikání vlhkosti difuzí vodních par. Pro ochranu izolací platí rovněž § 5 odst. 2.
• Pro rozvody s provozní teplotou nižší než +15 °C se vláknité izolace nepoužívají.
• Tepelná izolace se provede tak, aby jí neprocházely žádné kabely, vodovodní potrubí apod.
• Zdroje chladu se vybavují regulací umožňující centrálně snížit či odstavit dodávku chladu.
• U rozvodu chladu a vnitřního rozvodu chladu se seřizují průtoky tak, aby odpovídaly projektovaným jmenovitým průtokům s maximální odchylkou ± 12 %.

Obnova potrubí a rozvodů topení a vody by neměla být jen výměnou starého potrubí za nové. Při výměně potrubí nebo při návrhu nových rozvodů bychom měli dbát i na jeho izolaci, abychom snížili tepelné ztráty a tím ušetřili nemalé finanční prostředky za energie.

tags: #rozvody #chladiva #sila #izolace

Oblíbené příspěvky:

• Tipy pro dokonalý střih se sekačkou
• Sklon střechy a jeho vliv na využitelnost podkroví
• Keramické lišty: Kompletní průvodce výběrem
• Jak vybrat a správně namontovat venkovní obkladové palubky
• Inspirace pro skladování dřeva