KM Beta

Vícevrstvá tepelná izolace s reflexními fóliemi

3 cm fólie Lu..po.Therm B2+8 místo 20 cm klasické izolace
Zveřejněno: 16. 2. 2009

Na BAU 2009 byla představena vícevrstvá tepelná izolace Lu..po.Therm B2+8 složená z osmi polyethylenových bublinových fólií a z pěti tenkých, tepelně odrazivých polyethylenových fóĺií pokovených hliníkem. Při celkové tloušťce 3 cm je součinitel tepelné vodivosti této izolace λ = 0,006 W/(mK), což odpovídá minerální vlně o tloušťce 21 cm. Princip této izolace je popsán v článku.

Vícevrstvá tepelná izolace s reflexními fóliemi

UPOZORNĚNÍ
S politováním, a zároveň veden povinností vůči čtenářům, konstatuji, že organizace NORMAPME v září 2011 stáhla ze svých webových stran výsledky zkoušek reflexních fólií, což deklarovanou vlastnost λ = 0,006 W/(mK) zásadně zpochybňuje. K dnešnímu dni neexistují ani žádné jiné výsledky měření, které by ji potvrdily. Zakomponování vysokých přestupových odporů v teorii je chybné; ve skutečnosti se tyto odpory blíží nule (a lambda k hodnotě odpovídající vzduchu). Za chybu se velmi olouvám.
Platí však, že reflexních izolačních fólií lze sestavit termoizolační vrstvy s cca o 1/3 lepší izolační účinností, než jakou by vykázala stejně silná izolace z klasických materiálů. Autor

Konec upozornění


V technické zprávě [1] stojí, že uvedená tepelně izolační účinnost byla potvrzena měřeními in situ, které uskutečnilo ve zprávě nejmenované vědecké pracoviště na třech skutečných stavbách [2]. Výsledek měření se podle zprávy dvojnásobně liší od výpočtu podle blíže nespecifikované normy DIN. Díky lepším hodnotám součinitelů přestupu tepla, než jaké jsou výpočtové hodnoty, je skutečná docílená hodnota součinitele prostupu celé fólie U = 0,181 W/(m2K), tedy zhruba poloviční, než dává výpočet DIN. Tohoto výsledku bylo docíleno hlavně díky výborné odrazivosti hliníkové fólie až na úrovni 98 %, která tak podstatně omezuje transport sálavé složky tepla vícevrstvou fólií.

Hodnota součinitele tepelné vodivosti hybridní vícevrstvé fólie Lu..po.Therm B2+8, v níž nejsou zahrnuty odpory při přestupu tepla na jejích obou vnějších površích, je λ = 0,006 W/(mK). To je zhruba šestina hodnoty pro minerální vlnu nebo pěnový polystyrén. Tolik citace z dokumentu [1].

Fyzikální princip

Hybridní fólii Lu..po.Therm B2+8 tvoří osm bublinových fólií z HDPE – vysokohustotního polyethylenu a pět vlasově tenkých fólií taktéž z HDPE, vakuově pokovených hliníkem. Pokovoné vrstvy jsou umístěny vždy ob dvě bublinové vrstvy, viz schema na obr. 2. Z pohledu transportu tepla lze tuto sestavu přibližně popsat jako přestup tepla přes minimálně 16 vnitřních rozhraní mezi vzduchem a pevnou hmotou, z toho polovina přestupů je mezi vzduchem a reflexním povrchem hliníku, zbytek mezi vzduchem a polyethylenem. K tomu se přičítají dva přestupy na vnějších (pohledových) površích fólie. Popis vrstevnatých tenkých izolací začneme od jednoduchých příkladů.


Obr. 1: Náhradní elektrické schéma jedné vrstvy z Příkladu 1, na základě kterého je odvozen vztah (1). Odpory rS při přestupu tepla při sálání účinkují paralelně s odpory při vedení a proudění tepla.

Příklad 1: Odhadněme nyní součinitele prostupu tepla u obecné vrstevnaté sestavy, zatím bez hliníku, u níž 9 tenkých fólií, které plně pohlcují tepelné záření (emisivita ε = 1), vymezuje 8 vzduchových mezer 3,75 mm. Nechť je odpor při přestupu tepla r = 0,13 m2K/W, jak uvádějí normy ČSN 73 0540-3:2005 a ČSN EN ISO 6946.

Tento odpor má složku rK = 0,50 m2K/W, která představuje přestupový tepelný odpor při proudění a vedení, a k ní paralelní složku rS = 0,18 m2K/W představující odpor při přestupu tepla při sálání. Protože přestupový odpor rS je společný pro dvě sousedící plochy, mezi nimiž probíhá sdílení tepla sáláním, můžeme celkový odpor RI této vrstevnaté sestavy zapsat jako

kde d/λ je odpor jedné vzduchové vrstvy, v němž d = 0,0375 m je tloušťka vrstvy a λ = 0,0259 W/(mK) je součinitel tepelné vodivosti vzduchu při 20 °C. Proudění vzduchu v takto tenké vrstvě zanedbáváme. Po započítání odporů r = 0,13 m2K/W při přestupu tepla na vnějších okrajích celé sestavy je

Vydělíme-li celkovou tloušťkou 0,03 hodnotou tepelného odporu R, dostaneme součinitel tepelné vodivosti vícevrstvé fólie λI:

Tato hodnota je nižší, než je součinitel tepelné vodivosti vzduchu při 20 °C. Je to proto, že tepelnému toku stojí v cestě větší množství rozhraní vzduch – pevná hmota, z nichž každé má nenulový odpor při přestupu tepla při vedení, proudění a při sálání.

Vliv termoreflexní hliníkové fólie

Vložením hliníkových fólií vkládáme do vrstevnaté sestavy zdánlivé odpory rS při přestupu tepla při sálání, které účinkují paralelně s odpory při vedení a proudění tepla, ale mohou nabývat až extrémních hodnot.

Při výpočtu zdánlivých přestupových odporů při sálání rS vyjdeme z rovnice sdílení tepla mezi dvěma paralelními a pro tepelné sálání nepropustnými vrstvami

kde I je intenzita sálavého toku ve W/(m2K), σ = 5,67·10-8 W/(m2K4) je Stefanova – Botzmannova konstanta, T1 a T2 jsou termodynamické teploty sousedících povrchů v kelvinech, ε1 a ε2 jejich (bezrozměrné) relativní emisivity (jejich doplněk 1-ε do jedné je odrazivost). Pro blízké teploty T1T2 položíme T = (T1 +T2)/2 a vztah (4) vyjádříme s pomocí Taylorova rozvoje prvního řádu. Pro hledaný zdánlivý odpor rS při sdílení tepla sáláním mezi dvěma vrstvami platí:

Odpor rS v m2K/W závisí nepřímo úměrně na třetí mocnině termodynamické teploty a roste s klesajícími emisivitami povrchů, mezi nimiž dochází ke sdílení tepla sáláním. Nazýváme jej zdánlivým, protože sálání má jinou fyzikální podstatu než je statistická povaha tepelného odporu, který – na rozdíl od odporu rS při sálání – závisí na vzdálenosti vrstev, mezi kterými vede a proudí teplo.

Pro hodnoty ε1 = ε2 = 1, které popisují černý (plně pohltivý a neodrazivý) povrch, vychází při teplotě 20 °C (293,15 K) po dosazení do (5) rS = 0,18 m2K/W. Tuto hodnotu jsme už použili ve výpočtech podle vzorce (1). Pro emisivity teplosměnných ploch ε1 = ε2 = 0,1 je rS = 3,33 m2K/W a pro emisivity ε1 = ε2 = 0,02 dokonce rS = 17,33 m2K/W. Pro nulovou emisivitu aspoň jednoho z povrchů je rS → ∞. Další hodnoty zdánlivých odporů rS při sdílení tepla sáláním mezi dvěma radiačně nepropustnými vrstvami s různou emisivitou v závislosti na teplotě uvádí tab. 1.

Zdánlivý odpor rS při sdílení tepla sáláním v m2K/W
20 °C 10 °C ε2 = 1 ε2 = 0,5 ε2 = 0,1 ε2 = 0,02
0 °C -20 °C
ε1 = 1 0,180,19 0,35 0,39 1,75 1,94 8,75 9,71
0,22 0,27 0,43 0,54 2,16 2,72 10,82 13,59
ε1 = 0,5 0,53 0,581,932,148,939,91
0,650,822,382,9911,0313,86
ε1= 0,1 3,333,6910,3311,46
4,115,1612,7616,04
ε1 = 0,02 17,3319,23
21,4226,91

Tab. 1: Zdánlivé přestupové odpory při sdílení tepla sáláním mezi dvěma radiačně nepropustnými rovnoběžnými plochami s různou emisivitou v závislosti na teplotě. Výpočet podle rovnice (5).

Příklad 2: Nahraďme nyní každou lichou fólii z Příkladu 1 tepelně odrazivou hliníkovou fólií s odrazivostí 90 %, tedy emisivitou jen ε1 = 0,1. Na sudých pozicích ponecháme fólie s vysokou pohltivostí a tedy relativní emisivitou ε1 = 1. Tomu bude podle tab. 1 odpovídat přestupový odpor při sálání mezi sousedními fóliemi (ε1 = 0,1, ε2 = 1) rS = 1,75 m2K/W a podle vztahu (1), (2) a (3) při stále stejném rK = 0,50 m2K/W tyto tepelné vlastnosti sestavy:

RII = 5,55 m2K/W,

λII = 0,0054 W/(mK),

UII = 0,158 W/(m2K).

Částečná náhrada hliníkovými fóliemi kvalitativně vylepšila tepelně izolační vlastnosti vrstevnaté fólie: její součinitel tepelné vodivosti klesl na cca pětinovou hodnotu pro vzduch o teplotě 20 °C.


Obr. 2: Zjednodušené schematické uspořádáni hybridní fólie Lu..po.Therm B2+8 tvořené z 8 bublinových fólií (šrafované vrstvy) a z 5 Al-fólií (šedé vodorovné čáry) na lichých pozicích. Na sudých pozicích je fólie HDPE.

Lu..po.Therm B2+8

Fólii Lu..po.Therm B2+8 si lze znázornit tak, že technicky nerealizovatelné vzduchové mezery z předešlého příkladu nahradíme bublinovými fóliemi z HDPE, které jsou propustné pro tepelné záření, stejně jako fólie HDPE na sudých pozicích. To má oporu v tom, že HDPE, viz Dodatek 1 v závěru článku, má vysokou propustnost pro tepelné záření v rozmezí vlnových délek 2 až 35 mikrometrů. Hodnota tepelného odporu potom je:

Při odvození RIII se uvažuje, že každá dvojice bublinových fólií mezi hliníkovými fóliemi představuje samostatnou vrstvu, takové dvojice jsou celkem čtyři. Tzn., že paralelně k odporům rS = 3,3 m2K/W v náhradním schematu jedné vrstvy, viz obr. 2, jsou čtyři přestupové odpory rK a dva odpory při vedení a proudění tepla vzduchem d/λ. Po dosazení do (6), (2) a (3) dostaneme:

RIII = 5,44 m2K/W,

λIII = 0,0055 W/(mK),

UIII = 0,159 W/(m2K).

Odpory RII a RIII odpovídají dvěma mezním případům, kdy bublinová fólie v prvním případě nepropouští záření vůbec (protože ho zcela absorbuje), a v druhém jej naopak úplně propouští. Realita bude někde mezi oběma modely, spíš blíže k modelu Lu..po.Therm B2+8 s RIII. Oba výsledky, RIII i RII jsou však téměř totožné. Proto nebudeme vliv propustnosti bublinových fólií tloušťky 0,75 cm pro tepelné záření dále uvažovat.


Obr. 3. Zjednodušené náhradní schéma sestavy Lu..po.Therm B2+8 zahrnující odpor rPE představující tepelné ztráty vedením polyethylenem.

Vodivost bublinové fólie

Náš výsledek λIII = 0,0055 W/(mK) je poněkud lepší než λ= 0,006 W/(mK), který uvádí zpráva [1]. Je to dáno i tím, že do modelu nebyl podle rovnice (6) započten příspěvek vodivosti dvojité bublinové fólie. Ten by měl být při stejném výrobním postupu, stejných materiálech a stejné geometrii fólie přibližně stejný.

Bublinová fólie Lu..po.Therm B2+8 není jen vzduch, ale i polyethylen HDPE, který tvoří tepelný most mezi hliníkovými fóliemi. Nechť je p poměrná část celkové plochy fólie, kterou zaujímá tento tepelný most, zbývající část 1–p nechť je vzduch. V náhradním elektrickém schématu, viz obr. 3, lze tento tepelný most popsat dalším odporem rPE = 8d/λPE, v němž d = 0,0375 m je tloušťka jediné vrstvy a λPE = 0,74 W/(mK) je součinitel tepelné vodivosti HDPE. Paralelně k němu je odpor RIII/(1–p), kde RIII = 5,44 m2K/W z modelu bez HDPE mostu. Jednoduchým výpočtem (skládaní paralelních odporů) najdeme toto řešení (indexy „LT” vycházejí ze zkratky Lu..po.Therm):

p = 6,54·10-4,

RLT = 5,00 m2K/W,

λLT = 0,006 W/(mK),

ULT = 0,17 W/(m2K).

Rozbor výsledků

Je zřejmé, že základem vysokého izolačního účinku tenkých vícevrstvých folií jsou vysoké hodnoty odporů při přestupu tepla. Nejsou to jen zdánlivé odpory rS, které přísluší sálavým mechanismům, stejně významné jsou i odpory rK nesálavých mechanismů transportu tepla.

Zpráva [1] uvádí, že hliníková fólie uvnitř souvrství má odrazivost až 98 %, tzn. emisivitu ε = 0,02. Podle tab. 1 tomu odpovídá hodnota rS = 17,33 m2K/W. Výsledek rovný λLT = 0,006 W/(mK), jak říká zpráva, pak odpovídá hodnotě rK = 0,295 m2K/W.


Obr. 4: Spektrální závislost odrazivosti hliníkové fólie Lu..po. Therm B chráněné tenkým filmem z HDPE. Převzato z tiskové zprávy pro odborný tisk vydané dne 20. 10. 2008 k příležitosti veletrhu BAU 2009 v Michově, LPS GmbH, A-5144 Handenberg, Rakousko.

Na obr. 4 je výsledek měření spektrální odrazivosti hliníkové fólie chráněné lakem z HDPE v oblasti vlnových délek 2 až 35 mikrometrů, také převzatý z [1]. Tato fólie se používá pouze po obou vnějších stranách vícevrstvé sestavy a její odrazivost je od 0,8 do 0,9, což odpovídá emisivitám 0,1 nebo horším. S touto ochrannou fólií je pro celou sestavu ULT = 0,181 W/(m2K), což je v relaci k hodnotám tepelné izolace Lu..po.Therm B2+8. Nižší odrazivost, nižší emisivitu a také dva absorpční pásy v okolí vlnových délek 3,3 a 7 mikrometrů má podle výrobce na svědomí ochranný film z HDPE na hliníkové vrstvě. To dokládá měření z jiného, nezávislého zdroje, viz obr. 5, kde je vyneseno infračervené spektrum odrazivosti a propustností samostné tenké fólie HDPE se stejně situovanými hlavními dvěma absorčními pásy.

Obecně platí, že menší odrazivost hliníkové fólie lze kompenzovat vyššími přestupovými odpory rK při vedení a proudění tepla. Nebo je možné vtěsnat do vrstevnaté sestavy více přestupových odporů rK. Čtenář si jistě všiml, že v reálné fólii Lu..po.Therm B2+8 vlastně neexistuje rozhraní mezi vzduchem v bublinách a hliníkovou fólií. Přesnější model pro odvození vzorce (6) musí počítat, že místo 4 přestupových odporů rK mezi dvěma hliníkovými fóliemi jich bude minimálně 10, protože každá bublina má svůj HDPE obal. Přídavek každé tenké HDPE fólie (bez bublin) reprezentuje dva odpory rK navíc. Použijeme-li v (6) místo čísla 4 číslo 10, které vyjadřuje počet nesálavých přestupů mezi dvěma hliníkovými fóliemi, dostaneme při p = 6,54·10-4 a rS = 3,33 m2K/W požadovanou hodnotu λLT = 0,006 W/(mK) právě když je rK = 0,20 m2K/W.

Přestupové odpory

V [1] jsou přestupové odpory rK při vedení a proudění tepla ponechány trochu stranou pozornosti, přestože právě a jen díky jim je součinitel tepelné vodivosti sestavy Lu..po.Therm B2+8 nižší – a to dokonce podstatně – než u vzduchu, který je ve fólii nejúčinnějším izolantem. Nesálavý přestup tepla mezi pevnou fází (hliník nebo HDPE) a vzduchem je typický statistický děj na molekulární úrovni. Při něm si molekuly vzduchu, které narážejí na kmitající krystalovou mříž (hliníku) nebo kmitající polymerní řetězec, navzájem vyměňují energii. Molekuly vzduchu přitom změní rychlost, tedy energii translačního pohybu a víceatomové molekuly i vibrační energii. O stejnou energii, ale s opačným znaménkem, se změní vibrace krystalové mříže hliníku, resp. vibrace polymerního řetězce. Změny vibračních stavů molekul vzduchu i pevné látky jsou kvantovány, tzn. že jsou uskutečnitelné jen změny, kdy energie vzroste nebo se sníží jen o celistvý násobek minimální energie, tzv. kvanta. Ostatní energetické přechody jsou zakázány. Zejména v případě hliníku to může znamenat podstatné omezení možností výměny tepelné energie se vzduchem: případný zánik kvanta vibrační energie (fononu) krystalové mříže hliníku nemusí odpovídat energii pro vznik fononu (vyšší vibrační hladiny) při kmitání molekul vzduchu, zejména N2, O2, H2O, CO2 a naopak. Tak, jak vysoké jsou zdánlivé odpory při přestupu tepla při sálání rS u nízkoemisivní hliníkové fólie, může nabývat vysokých hodnot i odpor rK při přestupu tepla při vedení a proudění mezi tenkou vrstvou vzduchu a hliníkovou folií.


Obr. 5: V publikaci Radiative Cooling autora M. Martina (Martin cituje Conleyho, R. T.: „Infrared Spectroscopy“, Second Edition. Boston, MA: Allyn and Bacon, Inc. 1972, p.266) je graf spektrální propustnosti a odrazivosti 12,7 mikrometrů silné fólie HDPE pro tepelné elektromagnetické záření od 2 do 20 mikrometrů.

Dodatek 1

Literatura uvádí u vysokohustotního polyethylénu HDPE, z něhož je vyrobená bublinová fólie, vysokou propustnost 80 až 90 % pro tepelné záření vlnových délek 2 až 15 mikrometrů, viz obr. 5. (Podle Wienova zákona těleso o teplotě 10 °C vyzařuje nejintenzivněji elektromagnetické tepelné záření o vlnové délce 10 mikrometrů). O tento graf se opírá předpoklad, že velmi tenký polyethylen HDPE, ze kterého je vyrobena bublinová fólie, tepelné záření významně propouští, zatímco hliníková fólie jej odráží a zčásti pohlcuje. Absorpci zářivé energie v bublinových fóliích neuvažujeme, neboť součet propustnosti odrazivosti HDPE se blíží jedné, viz obr. 3, a tudíž je absorpce zanedbatelná.

Zajímavé odkazy

1) Spočítejte si on-line pomocí redakčního výpočtového programu přibližný součinitel tepelné vodivosti jednoduché základní vrstvy, ze kterých je složená vícevrstvá fólie Lu..po.therm.

Literatura:

[1] Wilfried Jung: Foliendämmstoffe = rentable Enegieeffizienz, LPS–GmbH, A-5144 Handenberg, Gewerbering 1; vydáno 21. 10. 2008.
[2] NORMAPME, an European Office of Crafts, Trades and Small and Medium sized Enterprises for Standardisation. Původní text s uveřejněnými výsledky měření byl z této webové stránky odstaněn. Čtenářům se omlouváme (redakce SI).

1 Zpracováno podle firemních informací LPS-GmbH

Tisková oprava

Výrobce a distributor fólií Lu..po.Therm, společnost LPS–GmbH, upozornil redakci na chybné informace uvedené v článku. Děkujeme za upozornění a informace upřesňujeme:

A) V článku se mluví o hliníkových fóliích. Ve skutečnosti se jedná o polypropylénové fólie 20 µm silné, které byly vakuoně pokoveny kompaktní a souvislou vrstvou hliníku.

B) Co se týče HD-PE bublinových fólií se vzduchovými polštářky, tak mezi pokovenými HD–PE fóliemi se nachází dvojice bublinových fólií, jedna vyrobená z HD–PE tloušťky 14 µm a druhá z HD–PE tloušťky 15 µm. Po vyrobení vychází celková plošná hmotnost dvojice od 34 g/m2, plošná hmostnost celé sestavy je 430 g/m2.


Prohlášení autora

Prohlášení autora (8.10.2011)

S politováním, a zároveň veden povinností vůči čtenářům, konstatuji, že organizace NORMAPME v září 2011 stáhla ze svých webových stran výsledky zkoušek reflexních fólií, což deklarovanou vlastnost λ = 0,006 W/(mK) zásadně zpochybňuje. K dnešnímu dni neexistují ani žádné jiné výsledky měření, které by ji potvrdily. Zakomponování vysokých přestupových odporů v teorii je chybné; ve skutečnosti se tyto odpory blíží nule (a lambda k hodnotě odpovídající vzduchu). Za chybu se velmi olouvám.
Platí však, že reflexních izolačních fólií lze sestavit termoizolační vrstvy s cca o 1/3 lepší izolační účinností, než jakou by vykázala stejně silná izolace z klasických materiálů.

Prohlášení autora (červen 2010)

Nové poznatky: Lambda 0,006 se nenaměřila ...
Stavební obec vzrušil článek Vícevrstvá tepelná izolace s reflexními fóliemi, který vyšel v č. 1/2009 tohoto časopisu. Kritici odmítli hodnotu součinitele lambda 0,006 W/(mK) i praktické testy od Normapme. V prvním bodě jim dávám za pravdu. Na druhé straně, testy in-situ, které měly ukázat, že fólie nahradí 7× silnější vrstvu izolační vlny, nelze smést s tím, že si je Normapme vymyslela. (Čtěte více ...)

Další články na toto téma

Nepřehlédněte zajímavý příspěvek týkající se reflexních fólií
Součnitel tepelné vodivosti vláknitých a pěnových izolací, i tepený odpor izolačních vrstev z nich, roste s teplotou. Nekomplikovaným opatřením lze pomocí reflexních fólií tuto závislost omezit a přitom celkově zlepšit tepelně izolační vlastnosti izolace. Více.


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 Hejhálek1
Fotografie: Archiv LPS GmbH

Diskuze k článku

počet příspěvků: 2, poslední 22.10.2010 18:19, 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)