Vakuová izolace: Princip, součinitel tepelné vodivosti a aplikace

Vakuová izolace představuje jednu z nejpokročilejších technologií tepelné ochrany současnosti. Její hlavní předností je extrémně nízká tepelná vodivost, díky které dokáže dosáhnout izolačních parametrů, na něž běžné materiály potřebují několikanásobně větší tloušťku. Vakuovou izolaci můžete najít pod označením VIP, což je zkratka pocházející z anglického názvu tohoto materiálu: Vacuum Insulation Panel. Český název je tedy jednoduše vakuový izolační panel. Na první pohled se jedná o trochu kosmický materiál, jednak pro jeho lesklý povrch, který tvoří ochranná fólie, za druhé pro jeho nesrovnatelně lepší vlastnosti v porovnání s ostatními izolačními materiály.

Princip fungování vakuové izolace

Princip vakuových izolačních panelů je velmi prostý. Většina tepelných izolací tvoří většinu objemu vzduch, a proto jsou hodnoty tepelné vodivosti nakonec blízké vzduchu. Jestliže je z izolačního materiálu odčerpán vzduch, jeho dominantní vliv je potlačen a prostup tepla je řízen sálavým mechanismem. Přenos tepla sáláním je méně efektivní než vedením, a vakuová izolace tak izoluje lépe než tradiční izolační materiály. Tepelný odpor vakuové izolace pak (téměř) nezávisí na její tloušťce a součinitel tepelné vodivosti je při malých tloušťkách extrémně nízký, až 0,004 W/(mK) pro vakuovou izolaci o síle 2 cm. Jde to samozřejmě jen tehdy, jestliže tuhá složka pěny či minerální nebo rostlinné vlákno v izolaci přenesou obrovský přetlak vnější atmosféry a zachovají původní rozměry izolace. Potom docílíme mnohem lepších hodnot tepelného odporu.

Často se o vakuové izolaci říká, že jde o hi-tech výrobek. Tím se zřejmě nemyslí, že by fungovala na nějakém zvláštním principu nebo vyžadovala ovládnutí speciální technologie. Spíše jde o to, že v dosud běžné tepelné izolaci se teplo šíří převážně vedením, což je děj, který popisuje statistická fyzika, zatímco ve vakuové izolaci převládá šíření tepla sáláním, které popisuje vlnová optika. První vývoj a výroba VIP proběhla již v první polovině 20. století (letecký a raketový průmysl), přičemž první aplikace v oblasti stavebnictví se datují až od roku 1999.

Složení a konstrukce vakuových izolačních panelů (VIP)

Vakuové izolační panely (VIP) jsou tenké desky tvořené jádrem z mikroporézního materiálu, který je hermeticky uzavřen do vícevrstvé fólie a zbaven vzduchu. Vakuové izolační panely se skládají z obálky a jádrového izolantu a dalších doplňků výrobku. Obálka panelu má za úkol především udržet velmi nízký tlak, který je uvnitř panelu. Vnitřní jádrový izolant je tvořen izolačním materiálem s velmi jemnou pórovitou strukturou, u něhož dochází při snížení tlaku ke snížení tepelné vodivosti cca 10× oproti stavu za tlaku normálního.

Jako výplň obsahují VIP tuhou síťovou strukturu složenou z klastrů (shluků) částic oxidu křemičitého (SiO2) nanometrických rozměrů. Další důležitou součástí VIP je vzduchotěsný a mechanicky tuhý obal, který umožní úplné a trvalé odčerpání vzduchu z výplně SiO2 i bezporuchovou manipulaci s panely při výstavbě. Panely VIP se vyrábějí v rozměrech stavebních izolačních desek, jejich tloušťka je malá, od 2 do 8 cm.

Čtěte také: jak dosáhnout maximálního tepelného komfortu podlahy

Mikrostruktura a tepelná vodivost

Vysoce porézní a zároveň tuhá výplň panelů VIP prošla soustředěným vývojem. Prosadila se hmota zvaná pyrogenní kyselina křemičitá, což je vysoce jemně dispergovaný oxid křemičitý, který vzniká plamennou hydrolýzou tetrachlorsilanu při vysokých teplotách do 1500 °C. Hmota má velmi jemnou mikrostrukturu připomínající prostorovou síť s oky o střední velikosti asi 70 nm. Výhoda této struktury vyplyne, když si uvědomíme, že střední volná dráha molekul vzduchu (mezi dvěma srážkami) je při atmosférickém tlaku také kolem 70 nm. Vedení tepla ve vzduchu se totiž děje hlavně vzájemnými srážkami molekul vzduchu, při níž si tyto vyměňují energii, a tím - jako součást velkého statistického souboru všech molekul vzduchu - vedou teplo. Jenže velká část z nich zůstane izolována v buňkách nanoporézní sítě SiO2 a s volnými si může vyměňovat energii s jen malou statistickou pravděpodobností. To se makroskopicky projeví ve snížené tepelné vodivosti.

Při nižším tlaku klesne hustota molekul vzduchu, četnost srážek a naopak vzroste střední volná dráha vysoko nad 70 nm. To samo o sobě sníží vodivost výplně. Ovšem molekuly, které za nízkého tlaku uvíznou v buňkách nanoporézní sítě s rozměry pórů 70 nm, mají statisticky mizivou pravděpodobnost srážky s jinou molekulou. Tento model byl zdokonalen ještě tím, že do nanometrické sítě pyrogenní kyseliny křemičité byly vpraveny absorbéry tepelného záření, podobně jako v případě Neoporu®. Vedle potlačení vedení tepla vzduchem tím byla navíc eliminována i složka šíření tepla sáláním.

Ochranný obal VIP

Výrobci vakuové izolace věnují vysokou pozornost také obalu vakuových izolací. Ten musí být dostatečně pevný a zároveň neprodyšný. Jako nejvhodnější se ukázal plast (např. PE, PUR), který řeší pevnost a tuhost, pokovený 30 mikrometrů silnou vrstvou hliníku, která zaručí vysokou a trvalou neprodyšnost. Hliník navíc odráží tepelné záření a tím působí i jako aktivní prvek tepelné izolace vakuových izolačních panelů. To je zejména u výplně z nanometrických částic důležité, protože tepelné záření s typickou délkou vlny nad 10 mikrometrů s takto jemnou sítí (s vlákny pod 1 mikrometr) téměř neinteraguje a volně jí prochází. Kromě vnitřní strany výrobci opatřují povrchovým pokovením i vnější stranu vakuových izolací. Vakuové panely jsou citlivé na mechanické poškození, proto se často dodávají s ochrannými nebo designovými krycími vrstvami. Většinou se dodává izolace VakuPRO® s ochrannými vrstvami z výroby, aby se minimalizovalo riziko poškození.

Součinitel tepelné vodivosti (λ) a jeho význam

Součinitel tepelné vodivosti je lokální (tj. materiálová) vlastnost o jednotce W/(mK). Hlavním přínosem vakuové izolace je velmi nízký koeficient prostupu tepla λ, který se u kvalitních panelů pohybuje okolo 0,004 W/mK. Oproti klasickým izolacím jako je polystyren nebo minerální izolace se jedná o desetkrát lepší hodnotu. Tyto výrobky dosahují celkově extrémně nízkých hodnot součinitele tepelné vodivosti, která se v praxi pohybuje na úrovni od 2 mW/(m.K) u izolantů s jádrem na vláknité bázi (např. na bázi skleněné vlny) do 5 mW/(m.K) u izolantů s jádrem na bázi jemně pórovitých matric (např. na bázi SiO2 ve formě aerogelu nebo pyrogenního SiO2). Součinitel tepelné vodivosti nejlepších vakuových panelů dosahuje hodnoty λ = 0,004 až λ = 0,005 W/(m.K). Tloušťka 20 mm = ekvivalent cca 0,35 W/m²K (běžná izolace by pro stejný výkon potřebovala 10-15 cm). S hodnotou λ = 0,007 W/m·K patří mezi nejúčinnější izolační materiály na trhu a umožňuje řešit i takové stavební detaily, kde běžná izolace selhává.

Nejvýznamnější, a také nezvyklé je, že tepelný odpor této izolace téměř nezávisí na její tloušťce. To jednoznačně svědčí o tom, že v izolaci byla potlačena tepelná vodivost daná statistickým pohybem a vibracemi hmotných částic, tj. molekul plynů nebo atomů v krystalových mřížích nebo molekulárních řetězcích, a dominuje prostup tepla sáláním.

Čtěte také: Průvodce výběrem a použitím vakuových dlah a matrací

Použití a výhody vakuové izolace ve stavebnictví

Vakuová izolace je špičková technologie pro situace, kde je potřeba dosáhnout maximální tepelné účinnosti při minimální tloušťce konstrukce. VIP panely umožňují splnit normy i tam, kde by to s běžnými materiály nebylo technicky možné. Vakuové izolační panely, vysoce účinná tepelná izolace, mají extrémně dobré tepelněizolační vlastnosti při nízké stavební výšce. Díky ušetřené izolační tloušťce je možné předcházet výškovým nerovnostem, které se vyskytují při použití tradičních tepelněizolačních materiálů. Jde o problém typický při napojování tepelné izolace na existující stavební prvky.

Masivní využití VIP ve stavebnictví je záležitostí posledních dvou let, přičemž v současné době existuje celosvětově řada výrobců VIP s výrobky určenými do oblasti stavebnictví. Klíčové využití VIP ve stavebnictví je především v oblasti kritických detailů stavebních konstrukcí neumožňujících zabudování izolantu v dostatečné tloušťce a v oblasti dodatečného zateplení. Tato kritická místa vznikají především ze statických, prostorových či estetických důvodů. V dnešní době je stále vzrůstající tlak na řešení těchto detailů již ve fázi projektování stavby, prováděcí dokumentace. Nejčastěji se s tepelnými mosty setkáváme v oblastech výplní otvorů.

Sanace tepelných mostů

Při výstavbě i rekonstrukci se velmi často setkáváme z tepelnětechnického hlediska s problematickými detaily. Při řešení těchto detailů jsme velmi často limitováni maximální možnou tloušťkou tepelné izolace. V těchto detailech se nabízí využití tzv. superizolačních materiálů, tedy materiálů, které dosahují velmi nízkých hodnot součinitele tepelné vodivosti. Příspěvek je zaměřen na využití těchto superizolačních materiálů při sanaci tepelných mostů vznikajících v oblasti ostění výplní otvorů. Absence dostatečného tepelnětechnického řešení na stávajících konstrukcích - tepelné mosty - se nejčastěji projevuje výskytem zvýšené vlhkosti a následných plísní v těchto oblastech.

Příkladem je detail nadpraží s výskytem plísní v důsledku nedostatečného tepelnětechnického řešení nadpraží. Velmi efektivní způsob sanace je použití vakuového izolačního panelu v oblasti ostění okna z vnější strany (uvažovaná tloušťka 20 mm). Použitím vakuového izolačního panelu při sanaci vady chybného osazení výplně otvoru vzhledem k poloze tepelné izolace došlo k podstatné změně rozložení teplotního pole tohoto detailu (celkově došlo ke zvýšení teploty v kritickém detailu o +4,5 °C). Povrchová teplota v oblasti ostění ze strany interiéru se podstatně zvýšila a je tak zamezeno možné kondenzaci vlhkosti v této oblasti a následnému vzniku plísní.

Postup sanace tepelných mostů v oblasti ostění

Při sanaci tepelných mostů v oblasti ostění je vhodný následující postup:

Čtěte také: Více o Kingspan OPTIM-R

1. Před osazením VIP na ostění výplně otvoru je nutné nejprve odstranit stávající povrchovou úpravu v oblasti ostění ze strany interiéru i exteriéru.
2. Následně se provede kontrola připojovací spáry, případné odstranění stávajícího materiálu a nahrazení vhodným tepelněizolačním materiálem - například výplňovou PUR pěnou.
3. Po vytvrzení materiálu v připojovací spáře se spára utěsní ze strany interiéru parotěsnou páskou a ze strany exteriéru paropropustnou páskou (v souladu s předepsaným postupem dle ČSN 74 6077).
4. Po aplikaci pásky se na ostění v exteriéru nalepí vakuový izolační panel šířky dle sanovaného ostění.
5. Spára mezi panelem a rámem okna se utěsní pružným tmelem.
6. VIP je nutné aplikovat tak, aby těsně vyplnily kouty v ostění, což jsou z pohledu tepelnětechniky nejkritičtější místa.
7. Pokud po umístění VIP vznikne spára mezi panely (střed ostění a nadpraží), vyplní se vláknitým tepelněizolačním materiálem. Doporučuje se použití modulárních velikostí VIP a doplnění VIP jiným tepelněizolačním materiálem (většinou XPS nebo PUR pěnou).
8. Posledním krokem sanace je znovuprovedení povrchové úpravy ostění ze strany interiéru i exteriéru. Pro tyto účely je vhodné využít VIP s povrchovou úpravou (například s nalepenou tenkou vrstvou jiného typu izolantu (XPS nebo PUR pěna)), aby bylo možné danou povrchovou úpravu na VIP provést bez poškození VIP.

Další aplikace VIP

• Vakuová izolace se používá zejména v chladírenském průmyslu pro uchovávání potravin v mrazicích a chladicích boxech.
• VakuPRO® se hodí pro tepelnou izolaci běžně zatěžovaných podlah. Panely se pokládají podobně jako plovoucí podlaha, tedy bez lepení, nebo se naopak lepí pomocí tmelu. Izolační panely se pokládají na suchý, rovný a čistý povrch a v případě vodorovného použití panelů je třeba použít roznášecí vrstvu (například podlahové OSB desky nebo sádrovláknité podlahové dílce).

Životnost a cena vakuové izolace

Izolace VakuPRO® má minimální životnost 50 let. Při hodnocení izolačních vlastností se bere v úvahu hodnota součinitele tepelné vodivosti po 50 letech. Pokud je materiál správně zabudován, riziko poškození je téměř nulové, ale je nutné dodržovat pravidla práce s materiálem.

Většina VIP má oproti klasickým tepelněizolačním materiálům nižší životnost, resp. Skladbu stavební konstrukce je tedy vhodné navrhovat kombinovaně a VIP doplňovat primární izolaci na bázi klasických izolantů a dosáhnout tak vyššího odporu stavební konstrukce při menší tloušťce izolantu.

Současným problémem při využívání VIP je jejich poměrně vysoká cena, dále jejich omezená životnost, která je především problematická při využití těchto materiálů v oblasti stavebnictví, nemožnost dělení materiálu in-situ a obtížné zabudování do stavebních konstrukcí. Kvůli velmi vysoké ceně zatím u nás nacházejí vakuové panely oproti zahraničí uplatnění především při řešení komplikovaných konstrukčních detailů. Ve většině dostupných zdrojů se uvádí, že cena vakuových izolačních panelů je oproti standardním izolacím podstatně vyšší. Po průzkumu dostupných (zejména zahraničních informačních zdrojů) se cena pohybuje cca 1250-1750 Kč/m² za vakuový izolační panel tloušťky 25 mm. Na českém trhu nabízí 20mm vakuový panel za cenu okolo 2500 Kč/m².

Cenu VakuPRO® počítáme na míru přímo konkrétní zakázce. Nejprve je třeba dodat podklady (rozměry prostoru k izolaci, výkres s požadovaným umístěním, apod.), na základě nichž navrhneme řešení a cenu spočítáme. Pro nabídku VakuPRO® ve skladbě podlahy/střechy zašlete půdorys plochy pro vytvoření kladečského plánu a plánovanou skladbu souvrství podlahy/střechy.

Nevýhody a omezení

I přes své výjimečné tepelněizolační vlastnosti nejsou vakuové izolační panely ve stavebnictví příliš rozšířeny. Příčinou je jejich náchylnost k mechanickému poškození a s ní související způsob aplikace vyžadující pečlivé dodržení technologických předpisů. Jako nevýhodu lze vnímat fakt, že vakuové izolační panely není možné při pokládání „zaříznout“ dle potřeby, protože každé narušení ochranné fólie panelu znamená zničení vakua a tedy jeho izolačních vlastností. Z tohoto důvodu se panely pro tyto účely vyrábí přímo na míru. Panely se vyrábí ve standardních rozměrech jako 600/1200 mm nebo 600/600 mm, ale i v případě jejich použití na větší plochu je třeba okrajové panely vyrobit na míru. Proto je třeba počítat s přesným kladečským plánem a panely pečlivě očíslovat.

V současné době je největší nevýhodou vakuových izolačních panelů jejich vysoká cena společně s chybějící možností rozměrových úprav při montáži.

Výrobci a vývoj

Výrobu tohoto materiálu nejvíce rozvinula německá firma Wacker Chemie. Největší současní výrobci jsou va-Q-tec AG, Porextherm Dämmstoffe GmbH, VARIOTEC GmbH & Co. Od roku 2014 existuje také sdružení VIPA International (Vacuum Insulation Panel Global Association), které sdružuje řadu předních výrobců vakuových izolací a výzkumných institucí, které se vývojem těchto materiálů zabývají.

tags: #vakuova #izolace #soucinitel #tepelne #vodivosti #princip

Oblíbené příspěvky:

• Obnovte dlaždice nátěrem
• Komplexní návod na zateplení železobetonového stropu
• Praktické a estetické řešení pro exteriéry
• Komplexní průvodce insolvencí
• Jak správně spárovat a vyhnout se chybám s MAPEI