KM Beta

NEOPOR - tepelná izolace nové generace

Zveřejněno: 16. 10. 2005

Pěnový polystyren je při provádění izolací hojně používán pro svou výjimečně nízkou tepelnou vodivost. Přesto se podařilo nalézt a v nedávné době i zužitkovat rezervy v dalším zlepšování jeho tepelně izolačních vlastností. Šedý polystyrén NEOPOR od firmy BASF umožní docílit požadované úrovně tepelné izolace s pomocí polovičního množství materiálu.

NEOPOR - tepelná izolace nové generace

Z řady měření vyplývá, že součinitel tepelné vodivosti bílého pevného pěnového polystyrénu (EPS) klesá s rostoucí hustotou. Například EPS o hustotě 15 kg/m3 dosahuje hodnoty λ = 0,037 W/(mK), při hustotě 35 kg/m3 ale už jen λ = 0,032 W/(mK). Znázorňuje to obr 1. Tuto skutečnost nelze vysvětlit jinak, než že uvnitř materiálu se teplo šíří radiací.


Obr. 1: Závislost součinitele tepelné vodivosti na hustotě EPS

Tepelná vodivost izolačních materiálů je výrazně ovlivněna plynem, který se nalézá v jejich materiálové struktuře. V případě EPS je celkový prostup tepla dán jednak vodivostí pevné složky pěny, vodivostí vzduchu, ale také propustností (permeabilitou) pěny pro tepelné záření. Tepelným zářením zde máme na mysli neviditelné polychromatické elektromagnetické záření, které vyzařují (sálají) tělesa ohřátá na běžné teploty. Např. při teplotě 21 °C převažuje složka s délkou vlny 9,85 µm, při teplotě -15 °C pak vlna o délce 11,5 µm.

Tepelné záření snadno prochází EPS a tím přenáší, vedle šíření tepla vedením, významnou část energie. Část tepla dokonce sálá z teplých míst pod povrchem desky EPS přímo ven za studený okraj izolantu.

Sálavý transport energie lze podstatně snížit zvýšením hustoty EPS, souběžné zvýšení (neradiační) tepelné vodivosti v pevné fázi pěny při obvyklých hustotách EPS nehraje větší roli. Nicméně vyšší hustotou materiálu lze zlepšit tepelnou izolaci pouze za vyšší cenu za materiál, což není optimální ani levná cesta.

Řešení: grafitový prášek

Cestou, kterou rozvinul koncern BASF, známý mj. značkou Styropor pro pěnový polystyrén (EPS), bylo snížení optické propustnosti ve zmíněném pásmu kolem 10 µm pomocí stopové přísady bez změny v hustotě materiálu. Jako nejvhodnější se ukázal grafit, jemně rozemletý až na nanometrové částice, kterým je rovnoměrně vyplněna pevná fáze EPS. Grafitové částice zde účinkují jako mikroskopické absorbéry a zároveň reflektory. Nanotechnologie, která dokáže „namlet“ velmi jemné částice, umožňuje, aby vzdálenost mezi části cemi grafitu byla pod 10 mikronů a zároveň aby se částice nedotýkaly. Tím se stane membrána polystyrénové vypěněné buňky obtížně prostupná pro dlouhovlnné tepelné záření (podobně jako je kovová síťka u průhledných dvířek mikrovlnné trouby s milimetrovými oky neprostupná pro mikrovlnu délky 12,5 cm). Zároveň s tím se zvýší odrazivost prostředí (grafit v podstatě vytváří z membrán polystyrénových kuliček tepelná zrcadla). Tím, že se částice nedotýkají, nezvýší se výrazně tepelná vodivost materiálu. S běžně rozemletým grafitem by odrazivou a přitom nevodivou mříž nebylo možné realizovat. Vysoká odrazivost a nízká emisivita záření snižují intenzitu sálání z povrchu izolantu, což je také žádoucí.

NEOPOR prolomil hranici nemožného

Výsledkem grafitové dotace podle BASF je šedivý expandovaný polystyrén, který při objemové hmotnosti pouhých 15 kg/m3 dosahuje součinitele celkové propustnosti tepla λsum = 0,032 W/(m·K). Stejnou hodnotu celkového součinitele tepelné vodivosti má běžný EPS s více než dvojnásobnou hustotou 35 kg/m3. Jeho použití ve výstavbě je ale neekonomické vzhledem k více než dvojnásobné ceně za materiál, nehledě na ochranu životního prostředí a urovinových zdrojů. Výsledky měření nového materiálu ilustrují obr. 2 a 3.
Do obchodní sítě (zatím ne u nás) se tento materiál dostal pod názvem NEOPOR, který je z prvovýroby dodáván ve formě tradičních expandovatelných granulí.

Model prostupu tepla vrstvou EPS

Ukážeme, že nastíněné mechanismy mají na celkový prostup tepla významný vliv a že stopová přísada částic typu absorber/reflektor může zajistit požadované vlastnosti NEOPORU. Využijeme k tomu tři známé fyzikální zákony, Beerův - Lambertův o absorpci záření, zákony Stefanův - Boltzmannův a Kirchhoffův zákon o tepelném vyzařování těles.


Obr. 2: Porovnání součinitelů tepelné vodivosti pro NEOPOR a EPS

Prochází-li záření hmotným prostředím, klesne jeho intenzita (tok výkonu jednotkovou plochou ve W/m2 ) po průchodu vrstvou o velmi malé (infinitezimální) tloušťce dx o infinitezimální hodnotu dI, úměrnou intenzitě záření I, které dopadá na vrstvu. Platí:

(1)

kde součinitel úměrnosti k je absorpční koeficient. To je velice známý Beerův - Lambertův zákon v lokálním tvaru, který budeme nyní aplikovat na prostředí expandovaného polystyrénu, kterým prochází tepelné záření o vlnových délkách okolo 10 µm. Integrací (1) dostaneme vztah, který udává intenzitu záření poté, co projde vrstvou o tloušťce x:

(2)

kde I0 je intenzita vstupujícího záření.

Vrstva nekonečně malé tloušťky dx v rovnici (1) je z pohledu teorie o tepelném vyzařování těles vrstva o pohltivosti k·dx (poměrná pohltivost dosahuje hodnoty nejvýše 1, jestliže se veškeré dopadající záření pohltí). Podle Kirchhoffova zákona musí dotyčná vrstva stejnou energii také vyzařovat, má-li se udržet v ustálených podmínkách její konstantní teplota (předpokládá se, že pohlcované záření nevyvolává chemické reakce a nekoná mechanickou práci). To znamená, že také poměrná emisivita vrstvy je (taktéž) rovna k·dx.

Je známo, že dvě rovnoběžné plochy o různých teplotách si mezi sebou vyměňují sálavé teplo. Ze Stefanova - Boltzmannova zákona lze pro intenzitu sálavé výměny tepla odvodit vztah:

(3)

kde T1 a T2 jsou termodynamické teploty ploch, σ = 5,67·10-8 je Stefanova - Boltzmannova konstanta, r1 a r2 je odrazivost vrstev (podíl odraženého záření ze záření, které vrstvou neprojde, tzn. odrazí se nebo pohltí).

Aplikujme vzorec (3) na nekonečně tenkou vrstvu v tepelně izolační desce z EPS, která má všude stejnou termodynamickou teplotu T a která si vyměňuje teplo s hmotným prostředím za studeným okrajem desky. Předpokládejme přitom, že odrazivost vnějšího prostředí je rext = 0 a jeho pohltivost pro tepelné záření je rovna 1. Intenzita sdíleného tepla potom je:

(4)

kde r je odrazivost vrstvy a Text je teplota na studené straně izolantu. Člen e-k(L-x) (L je tloušťka izolantu) představuje podíl intenzity záření od dané vrstvy, který projde nepohlcen až za okraj desky, k·dx je emisivita. Předpokládáme dále, že odrazivost materiálu za studeným okrajem desky je rext = 0 (záření, které projde za izolant, se zpět neodráží). Předpokládejme, že teplota uvnitř izolantu klesá od teplého ke studenému povrchu lineárně podle vzorce T(x) = Tintg·x (Tint je teplota na teplém povrchu, g = (Tint-Text)/L je teplotní gradient).


Obr. 3: Tepelné záření, které prochází NEOPORem, je uhlíkovými nanočásticemi jednak odráženo, jednak pohlcováno. Oba mechanismy brání volnému prostupu tepelného záření a snižují tak tepelnou vodivost NEOPORu

Integrací vzorce (4) přes všechny vrstvy, k níž přičteme výměnu, která se odehrává přímo mezi teplým a studeným prostředím po obou stranách izolační desky, spočítáme celkovou sálavou složku tepla, která prostupuje izolační deskou:

(5)

Po výpočtu a algebraických úpravách pro Is dostaneme:

(6)

UPOZORNĚNÍ: Výše uvedený vzorec (6), který je totožný se vztahem opublikovaným v tištěném článku, je zintegrován chybně. Správný vzorec (6) v jednodušším zápisu, je:





(6)


kde
σ = 5,67·10-8 W·K-4·m-2 je Stefanova - Boltzmannova konstanta,
Tint a Text jsou termodynamické teploty teplejší resp. chladnější plochy izolantu,
k (m-1) je součinitel absorpce,
L je tloušťka deskového izolantu a
A, resp.B je bezrozměrná „dolní” (teplá) resp. „horní” (studená) integrační konstanta.

Konstanty A a Bjsou dané předpisem

,
resp.
,

Ve smyslu článku se předpokládá, že izolaci ohraničuje absolutně černá deska s emisivitou rovnou jedné.

Vliv odrazivosti vrstev izolace jsme zahrnuli do jediného parametru k, tedy k(1-r) → k
Chyba v původním vzorci (6) nemá vliv na interpretaci výsledků v závěru článku, neboť ta byla vyslovena na základě správného vzorce. Více v článku Bílý a šedý pěnový polystyren a princip jeho tepelně izolační funkce


Obr. 4: Použití bednicích tvárnic systému MED z NEOPORu

Získali jsme klíčový výraz pro radiační složku Is = Is(Tint, Text, k, L, r), což je intenzita tepelného záření, které vystupuje z izolační desky EPS na chladném okraji. Radiační složka z celkového množství prostupujícího tepla Is vydělená gradientem g = (Tint - Text)/L je veličina o rozměru součinitele tepelné vodivosti, která vyjadřuje radiační příspěvek λs v celkovém součiniteli tepelné vodivosti EPS. Celkový součinitel tepelné vodivosti desky λsum, který vychází z měření, je pak součtem vlastního tj. nezářivého součinitele tepelné vodivosti λv = 0,026 W/(m·K) (přibližně součinitel tepelné vodivosti suchého vzduchu) a radiačního (sálavého) příspěvku λs = Is/g, platí tedy λsum = λv + λs.

Diskuse

Radiační příspěvek daný vztahem (6) má zřetelný vliv na měřitelný součinitel tepelné vodivosti λsum. Protože je vztah (6) ve svých proměnných silně nelineární a ještě k tomu dlouhý a komplikovaný, není na první pohled zřejmé, jak se změna proměnných, zejména hraničních teplot Tint a Text, projeví na výsledném součiniteli λsum. V dalším textu, pokud nebude uvedeno jinak, je na teplejší straně izolační desky teplota 21 °C (298,14 K), na studenější -15 °C (258,14 K), tloušťka vrstvy 0,12 m. Odrazivost r pro EPS je rovna nule. Teplotní pokles ve vrstvě budiž vždy lineární. Materiál desky je expandovaný polystyrén o hustotě 15 kg/m3.

A. Je-li vlastní tepelná vodivost λv (bez zářivého příspěvku) EPS o hustotě 15 kg/m3, který je z 98,5 % vyplněn vzduchem, rovna tepelné vodivosti vzduchu, tj. λv = 0.026 W/(m·K), potom pro požadovanou hodnotu celkového součinitele tepelné vodivosti λsum = 0,037 W/(m·K) je nutné, aby byl absorpční koeficient k = 368 m-1.

B. Z hodnoty k podle Beerova - Lambertova zákona (2) přímo plyne, že centimetrová vrstva tohoto EPS propouští 2,5 % dopadajícího tepelného záření. Milimetrová vrstva dokonce 70 %. Více než 29 % z celkového tepelného toku, který na studené straně opouští izolační desku tloušťky 0,12 m, je ve formě záření. Zářivý mechanismus se očividně podílí na celkovém prostupu tepla.

C. Zvýšením absorpčního koeficientu na dvojnásobek, což odpovídá zdvojnásobení hustoty EPS, klesne podíl radiační složky na 14,9 % a součinitel celkové tepelné vodivosti klesne na λsum = 0,0312 W/(m·K).

D. Podíl zářivé energie roste s čtvrtou mocninou termodynamické teploty. To vede k tomu, že součinitel tepelné vodivosti λsum závisí na teplotě. Při výše deklarovaných podmínkách je λsum = 0,037 W/(m·K). Jestliže se teplota studeného povrchu izolační desky zvýší na 0 °C, zvýší se podíl zářivé složky na 32 % a součinitel celkové tepelné vodivosti vzroste na λsum = 0,039 W/(m·K). Při snížení teploty studené plochy desky na -25 °C, je pak λsum = 0,036 W/(m·K).

E. V případě NEOPORU je hlavní myšlenkou minimalizovat radiační složku přenosu tepla. To zajistí stopová přísada grafitového prachu rozptýleného v pevné fázi pěny EPS v NEOPORU tím, že bez změny v hustotě materiálu zvýší koeficient absorpce a také odrazivost, která se u bílého EPS blíží nule. Konkrétně přísada, která zvýší koeficient absorpce na 560 m-1 a odrazivost z nuly na 0,20, sníží celkový součinitel vodivosti na λsum = 0,032 W/(m·K). Podobná kombinace zvýšení absorpčního koeficientu a odrazivosti vede k vlastnostem NEOPORU. Invenční potenciál u tohoto produktu spočívá v aplikaci nanotechnologie, bez níž by celá myšlenka nebyla v této kvalitě realizovatelná.

1) Čerpáno z firemní literatury koncernu BASF
Kontakty:
Vega společnost s ručením omezeným
Akad. Heyrovského 1178, 500 03 Hradec Králové 3
Tel.: +420 495 518 802
E-mail: vega (zavináč) vega (tečka) cz
http://www.vega.cz
(aktualizace kontaktu: 30. 11. -1)
Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Fotografie: Archiv BASF, Forting

Diskuze k článku

počet příspěvků: 2, poslední 27.05.2014 09:51, vstoupit do diskuze

Více článků

Izolace bez parotěsu

Izolace bez parotěsu

V dnešní době se stále více setkáváme s objekty, kde se navrhují difúzně otevřené skladby obvodových plášťů. Unikátním zástupcem těchto staveb je i…
celý článek

Tepelné izolace – část I

Tepelné izolace – část I

Izolace rozhodují o energetické účinnosti staveb, tedy o tom, jaká bude výpočtová potřeba a zejména pak skutečná spotřeba provozní energie domu; tou…
celý článek

Optimální tloušťka tepelné izolace

Optimální tloušťka tepelné izolace

Často kladenou otázkou je, jak silná má být tepelná izolace, aby byla optimální. Přepočty lze provádět různě. Pro developery bude nejlepší ta…
celý článek

CLIMAGLASS®-Y – tepelná a akustická izolace

CLIMAGLASS®-Y – tepelná a akustická izolace

Na český trh přichází nová unikátní tepelná a akustická izolace Climaglass-Y, která je vyrobena ze skelné vlny metodou rozvlákňování taveniny skla a…
celý článek

Stránky stavebnictvi3000.cz používají cookies. Používáním webu s tím vyjadřujete souhlas. (beru na vědomí)