Návrh tepelných izolací pro chladicí rozvody

Výběr izolačního materiálu a výpočet jeho správné tloušťky patří mezi důležité práce projektanta. Pod pojmem chladová izolace se rozumí tepelná izolace chladicích rozvodů, chladicích zařízení, chladíren a mrazíren. Do této skupiny patří i VZT potrubí, která slouží v zimě k nasávání čerstvého vzduchu z exteriéru do VZT jednotky v případě, že potrubí prochází vytápěnou místností. Článek se zabývá problematikou návrhu v oboru izolací, který je obvykle záležitostí několika specializovaných odborníků a má při navrhování a realizaci svá specifika.

Izolace pro zabránění povrchové kondenzace je nutná všude tam, kde je povrchová teplota potrubí (vzduchovodu, plochy) pod teplotou rosného bodu okolního vzduchu. Za těchto podmínek vodní pára z okolního vzduchu kondenzuje na chladném povrchu, což může způsobit okapávání kondenzátu z povrchu izolace. Stále kapající kondenzát je velmi vážným problémem, protože může narušit pracovní režimy, způsobit stavební chyby, korozi atd. Z tohoto důvodu je výběr druhu izolačního materiálu pro chladicí zařízení a výpočet jeho správné tloušťky důležitou prací projektanta. Chladicí potrubí či zařízení je nutné izolovat minimálně tak, aby se zvýšila teplota na jeho vnějším povrchu nad teplotu rosného bodu okolního vzduchu. I při tomto stavu však stále dochází k prostupu vodní páry izolací směrem k chladnému povrchu. To vede – v závislosti na vlastnostech izolace – k větší či menší akumulaci vlhkosti v izolaci.

Kondenzace ve vztahu k chladovým izolacím

Vznik kondenzátu

Vzduch, který nás obklopuje, se skládá z různých plynů, souhrnně označovaných jako suchý vzduch, a též z vodní páry. Tuto dvou­složkovou směs potom označujeme jako vlhký vzduch. Směs s různým poměrem suchého vzduchu a vodní páry má různý parciální tlak (čím vyšší teplota a vyšší vlhkost vzduchu, tím vyšší parciální tlak). Schopnost vzduchu absorbovat vlhkost ve formě vodní páry je však omezená. Čím je vzduch teplejší, tím je schopen vstřebat více vody. To v praxi znamená, že vzduch s určitou teplotou a určitým obsahem vodní páry se v blízkosti potrubí, které má povrchovou teplotu nižší, než je teplota okolního vzduchu, ochlazuje. Při ochlazování neklesá obsah přítomné vodní páry (měrná vlhkost x je konstantní). Ihned, když se dosáhne teploty, kdy je vzduch stoprocentně nasycen vodní párou, dojde ke kondenzaci. Tuto teplotu potom nazýváme teplota rosného bodu. Při dalším ochlazování vzduchu se už část vody nebude absorbovat ve formě vodní páry a stane se z ní kapalná voda. Tak se vytváří kondenzát (obr. 1).

Obr. 1 Vzduch není schopen absorbovat nekonečné množství vodní páry. [1]

Přenos vlhkosti pomocí propustnosti vodní páry

Když dvě strany stěny vykazují různé teploty a relativní vlhkosti, je výsledkem rozdíl v tlaku vodních par. A protože tlaky se snaží vyrovnat, je tento tlakový rozdíl hnací silou pronikání molekul vodní páry přes stavební a izolační materiály (obr. 2). Difuze probíhá směrem z místa s vyšším parciálním tlakem na místo s nižším parciálním tlakem. U chladicích potrubí směřuje difuzní tok do izolovaného objektu. Klesne-li teplota procházející vodní páry pod teplotu rosného bodu, voda kondenzuje a vytváří v izolačním materiálu vlhkost, která zvyšuje tepelnou vodivost izolace. Každý izolační materiál má různou odolnost proti pronikání vodních par, kterou můžeme vyjádřit třemi způsoby:

• součinitelem difuzní vodivosti δp (kg/(m . s . Pa)),
• faktorem difuzního odporu m (–),
• ekvivalentní difuzní tloušťkou vzduchové vrstvy sd (m).

Obr. 2  Vyrovnávání obsahu vlhkosti difuzí přes vrstvu izolačního materiálu, hybnou silou je rozdíl parciálních tlaků. [1]

Součinitel difuzní vodivosti

Součinitel difuze vodních par udává množství vody v kg, které za jednu hodinu pronikne vrstvou materiálu s tloušťkou 1 m na ploše 1 m² při rozdílu parciálního tlaku vodní páry 1 Pa (obr. 3).

Obr. 3  Difuzní vodivost [1]

Faktor difuzního odporu

Tento faktor představuje podíl difuzní vodivosti vzduchu a předmětného materiálu. Hodnota udává, kolikrát je daný materiál méně propustný pro vodní páru než nehybná vrstva vzduchu stejné tloušťky. Faktor difuzního odporu je měřítkem parotěsnosti.

kde    δp    je    součinitel difuzní vodivosti
(součinitel difuze vodní páry) (kg/(m . s. Pa)) = (s),
   δa – součinitel difuzní vodivosti vzduchu,
   sd – ekvivalentní difuzní tloušťka (m),
   d – tloušťka vrstvy (m).

Ekvivalentní difuzní tloušťka vzduchové vrstvy

Tloušťka ekvivalentní nehybné vrstvy vzduchu (m) je taková tloušťka, která vykazuje týž odpor proti pronikání vodní páry jako stavební materiál s tloušťkou d a hodnotou difuzního odporu µ. Pro ekvivalentní difuzní tloušťku stavebního materiálu platí

Jak ukazuje tab. 1, nehybná vrstva vzduchu by musela mít tloušťku 133 m, aby vykázala tentýž difuzní odpor jako izolační vrstva ze syntetického kaučuku s tloušťkou 19 mm.

Návrh chladové izolace

V normě ČSN EN 14114 (platné do 1. 12. 2014 pozn. red.) se uvádějí tyto tři základní typy opatření pro minimalizaci akumulace vlhkosti v izolaci:

1. instalace parozábrany na vnějším povrchu izolace,
2. použití izolačního materiálu s vysokým faktorem difuzního odporu (izolace s nízkou paropropustností) – elastomerová izolace (syntetický kaučuk), pěnové sklo,
3. kombinace parozábrany a kapilární vodivé tkaniny pro nepřetržité odvádění zkondenzované vodní páry z povrchu potrubí do okolního prostředí [2, 3].

Pokud je použita samostatná izolace z minerální vlny (podle bodu 1) a ČSN EN 14114), musí být použita dokonale těsná parozábrana (hliníková fólie). Je to proto, že izolace z minerální plsti je difuzně propustná. Parozábrana musí izolační vrstvu pevně obe­pnout. Přelepování spojů musí být provedeno tak, aby parozábrana plnila svou funkci. Také všechny spoje, konce a prostupy je nutné pořádně parotěsně přelepit. Před instalací opláštění je třeba chránit parozábranu na izolaci před poškozením, k němuž by mohlo dojít při sešroubování. Parozábrana musí zůstat nepoškozená po celou dobu navržené životnosti izolace.

Už z výpočtu uvedených opatření je zřejmé, že v praxi lze těsnost této vrstvy jen těžko zabezpečit. Proto se izolace z minerální vlny na chladicí rozvody může používat jen v kombinaci s kapilárně vodivou tkaninou – ve Skandinávii používanou izolací HygroWick. U syntetických kaučuků (a dalších pěnových plastů s uzavřenou pórovou strukturou) se vlhkost v izolaci během životnosti shromažďuje, proto narůstá tepelná vodivost. Výsledky jsou jednak rostoucí energetická ztráta, jednak také pokles povrchové teploty izolace, a tím zvýšené riziko vzniku kondenzace. Jisté zabránění kondenzaci během celé životnosti izolace zabezpečují dva faktory: nízká tepelná vodivost λ vedoucí k menším tloušťkám izolace už od začátku provozu a vysoký faktor difuzního odporu μ, který zaručuje dlouhodobě nízkou hodnotu tepelné vodivosti.

Obr. 4  Izolace s kapilárně vodivou tkaninou – jediná možnost, kdy se izolace z minerální vlny může použít na rozvod s povrchovou teplotou pod rosným bodem. [4]

Izolační systém ze syntetického kaučuku vyžaduje dokonalé slepení všech spojů nejen na rovných úsecích, ale i na všech armaturách, závěsech apod. Bohužel i na perfektně zhotoveném těsném izolačním systému se během užívání objeví netěsnosti (hlavně u průniků způsobených závěsy a konzolami), mezery ve spojích (dané dilatacemi potrubí) či mechanická poškození. V závislosti na vlastnostech okolního vzduchu se to projeví více či méně negativně.

V praxi se někdy používá kombinace minerální vlny a syntetických kaučuků. Pokud použijeme jako první vrstvu kaučuk a jako druhou vrstvu izolaci z minerálních vláken, můžeme snadno docílit efektu „vytáhnutí“ rosného bodu z kaučuku do minerální vaty. To způsobí kondenzaci vzdušné vlhkosti ve druhé vrstvě. Tento druh kombinovaných izolací nedoporučují výrobci kaučuků ani výrobci minerálních vláken, protože velmi závisí na správně provedeném výpočtu. Rosný bod musí být za každých okolností stále ve vrstvě syntetického kaučuku – potom tato kombinace bude fungovat tak dlouho, jak dlouho si kaučuk udrží své dobré tepelně­izolační vlastnosti. Izolaci z minerální vlny lze doporučit jen k izolování rozvodů studené vody s občasným odběrem (při teplotách vyšších než přibližně 12 °C) v podmínkách, v nichž relativní vlhkost nepřesahuje 50 %; samostatná minerální vlna se nesmí použít pod teplotou rosného bodu.

Kritéria při návrhu tloušťky chladové izolace

• a)    Zamezení kondenzace na povrchu potrubí. Povrchová kondenzace závisí nejen na parametrech ovlivňujících povrchovou teplotu, ale také na relativní vlhkosti okolního vzduchu, kterou projektant velmi často nemůže přesně zjistit. Čím vyšší je relativní vlhkost, tím více zvyšuje kolísání vlhkosti nebo povrchové teploty riziko povrchové kondenzace.
• b)    Minimalizace tepelných ztrát  (u chladicích zařízení se brání přijímání energie z okolního prostředí). Na toto kritérium se často nebere ohled a při návrhu se dbá „jen“ o zamezení kondenzace na povrchu. To však znamená, že bude docházet k nežádoucímu oteplování teplonosné látky dopravované potrubím. Dále musíme rozlišovat mezi dvěma účely minimalizace tepelných ztrát. Prvním je co největší tloušťka izolace jako prostředek boje proti plýtvání se světovými zásobami energie a jako způsob úspory finančních prostředků. Druhým cílem je udržet minimální teplotu teplonosné látky (např. solanky) dopravované potrubím, aby byly zachovány podmínky ve výrobních či skladovacích zařízeních (například v mrazicích boxech) nebo podmínky nutné k bezporuchovému chodu chemických procesů v tancích či reakčních nádobách. K chlazení masa, přípravě vzduchu s požadovanými kvalitami na klimatizaci apod. je třeba připravit ve strojovně teplonosnou látku s určitou teplotou. Hlavním zájmem je dostat ji neznehodnocenou (tj. neoteplenou) na místo jejího působení. Účelem co největší tloušťky izolace tedy není bojovat proti plýtvání energií, ale zachovat akceschopnost celého chladicího zařízení. Zvýšené oteplování látky se v takovém případě může projevit i v nevyhnutelnosti instalace většího výkonu chladicího zařízení (kompresoru).

Obr. 5  Kombinovaná skladba izolačního souvrství ze syntetického kaučuku a minerální vlny je funkční jen u správně provedeného návrhu – teplota rosného bodu musí zůstat v první kaučukové vrstvě.

Parametry ovlivňující návrh tloušťky chladové izolace

Tepelný tok z povrchu izolace je funkcí několika proměnných, které se nevztahují přímo na kvalitu izolace. Patří mezi ně teplota okolí, proudění vzduchu (přirozené či nucené), drsnost i emisivita povrchu izolace a výměna tepla zářením s okolními povrchy. Při výpočtu rosného bodu je důležitá i relativní vlhkost okolního vzduchu.

Parametry, které je třeba vzít v úvahu při návrhu chladových izolací, jsou:

• tepelná vodivost izolačního materiálu,
• teplota teplonosné látky,
• teplota okolního vzduchu,
• relativní vlhkost okolního vzduchu,
• součinitel prostupu tepla.

Tepelná vodivost izolace

Podstatou tepelněizolačních látek je uzavření plynu (nejčastěji vzduchu) do malých prostorů – pórů – nebo vytvoření takové prostorové struktury, která uzavírá velký objem plynu (vzduchu), nedovoluje však přitom jeho pohyb – zamezuje proudění uvnitř struktury izolace. Součástí tohoto kompozitu je potom nejčastěji vzduch s tepelnou vodivostí l10 °C = 0,025 W/(m . K), který zabírá u kvalitních izolací 92 až 96 %, a pevná substance s tepelnou vodivostí asi padesátkrát větší, zabírající zbytek prostoru izolační látky.

Pevná substance může mít formu více či méně uzavřených pórů (například u polystyrenu) nebo formu sypkého (například u perlitu) či vláknitého prostředí (u minerálněvláknitých izolací). Účinnost takových izolací je tím lepší, čím je méně pevné substance v prostoru, tedy čím jsou, zjednodušeně řečeno, stěny pórů tenčí, nebo čím je vzájemný dotek vláken u minerálních plstí méně častý a jen bodový. Když se tyto podmínky jakýmkoli způsobem naruší, má to nepříznivý vliv na výšku tepelné vodivosti látky.

Tepelněizolační látky se často využívají v prostředí, kde může souhra parciálních tlaků, resp. relativní vlhkosti vzduchu a povrchových napětí přítomných látek, vyvolat místní kondenzaci vody. Vzhledem k tomu, že tepelná vodivost vody je lvody = 0,6 W/(m . K) (což je pětadvacetkrát větší hodnota než tepelná vodivost suchého nehybného vzduchu) a že při její případné přeměně na led (u chladírenských zařízení) se dále zvětšuje na lledu = 2,3 W/(m . K), dochází k výraznému ovlivnění tepelné vodivosti látky v porovnání s jejím suchým stavem. Přítomnost vody v pórech potom vyvolává další nežádoucí přenos vlhkosti kapilárními, difuzními či jinými pochody.

Obecně se uvádí, že 1 % zvýšení vlhkosti znamená navýšení tepelné vodivosti o 4 až 6 %. Experimentálně zjištěné změny u některých látek jsou naznačeny na obr. 6. Z těchto důvodů je tedy pro zachování správné a trvalé funkce izolace nevyhnutelné předejít jejímu možnému navlhnutí. Prakticky lze provlhnutí eliminovat dvěma způsoby: zabránit difuzi vodní páry k chladnému povrchu, nebo odstranit zkondenzovanou vodní páru z povrchu potrubí či zařízení do okolního prostředí.

Obr. 6 Tepelná vodivost v závislosti na obsahu vlhkosti v izolaci z minerální vlny [8]

1. Skelná vlna (92 kg/m³, 24 °C)
2. Kamenná vlna (78 kg/m³, 10 °C)
3. Skelná vlna (62 kg/m³, 10 °C)

Teplota teplonosné látky

S narůstající teplotou narůstá i tepelná vodivost izolace λ, která se do výpočtu dosazuje v závislosti na střední teplotě. Jde o aritmetický průměr z povrchové teploty potrubí (u ocelového potrubí bude v podstatě roven teplotě látky) a povrchové teploty izolace. V praxi se vyskytuje případ, že se výpočet provádí s teplotou okolního vzduchu, ne s povrchovou teplotou izolace. U rozvodů chladu je toto zjednodušení akceptovatelné, protože rozdíl mezi teplotou povrchu a teplotou okolního vzduchu je malý, navíc je na bezpečné straně (hodnoty λ jsou vyšší).

Teplota okolního vzduchu

U okolního vzduchu nelze stanovit teplotu tak jednoznačně jako teplotu teplonosné látky. Pro návrh zařízení v exteriéru slouží místní klimatická data založená na ročních průměrech, případně ročních extrémech. V případě vnitřních prostor se vychází z návrhových teplot (je-li budova vybavena vzduchotechnikou) nebo je třeba provést odhad těchto vnitřních teplot. Při návrhu z hlediska zamezení kondenzace se volí kombinace nejvyšší teploty vzduchu a nejvyšší relativní vlhkosti, která se může vyskytnout v prostoru. Volí se ta kombinace, z níž vyjde nejvyšší parciální tlak.

Relativní vlhkost

Relativní vlhkost představuje poměr absolutní vlhkosti vzduchu c (g/m³) a absolutní vlhkosti při nasycení cs (případně představuje poměr parciálního tlaku vodní páry pd (Pa) a parciálního tlaku vodní páry při nasycení p“d).

kde    p    je    tlak atmosférického vzduchu (Pa),
    x    –    měrná vlhkost vzduchu (g/kg),
    θ    –    teplota vzduchu a θd je teplota rosného bodu.

Vliv relativní vlhkosti se při návrhu tloušťky izolace potřebné k zabránění kondenzace často podceňuje. Čím je vyšší vlhkost, tím větší musí být tloušťka izolace, pokud všechny ostatní podmínky zůstanou beze změny. Například při teplotě teplonosné látky 6 °C, teplotě okolního vzduchu 26 °C a relativní vlhkosti 60 % by se na potrubí musela použít tloušťka izolace 7 mm, aby se zabránilo kondenzaci na vnějším povrchu. Pokud by se vlhkost zvýšila o 30 %, bylo by nezbytné tloušťku izolace zvýšit na 55 mm. Parametr relativní vlhkosti má na tloušťku izolace obrovský vliv. Často ho však nelze určit tak snadno jako jiné parametry, například teplotu chladicí látky nebo tepelnou vodivost izolačního materiálu. Proto je velmi důležité získat podrobné informace o místě, na němž se má potrubní systém používat, aby se dala co nejreálněji posoudit budoucí situace. Tloušť­ka závisí na emisivitě povrchu (tab. 2).

Součinitel prostupu tepla

Při návrhu izolace se běžně počítá jen s vnějším součinitelem prostupu tepla hse, který závisí na typu proudění okolního vzduchu (přirozené nebo nucené), rychlosti proudění a emisivitě povrchu.

Proudění

Proudění významně přispívá ke zvýšení součinitele prostupu tepla. Čím rychleji proudí okolní vzduch, tím více tepla se přenese a tím menší riziko kondenzace hrozí. V praxi je proto nutné zabezpečit dostatečné odstupové vzdálenosti potrubí mezi sebou a potrubí od stěny (min. 100 mm). Pokud nebudou dodrženy, izolace se jednak náročně instaluje a jednak hrozí nebezpečí vytvoření zóny s téměř nulovým prouděním. Tím by se výrazně snížil vnější součinitel prostupu tepla a došlo by ke zvýšenému riziku kondenzace (obr. 7).

Obr. 7 Nebezpečí vytvoření zóny s nulovým prouděním [1]

Sálání

Povrch s vysokou emisivitou (kaučuk bez opláštění) pohlcuje mnohem více tepelné energie než povrch s nízkou emisivitou (hliníková fólie). S narůstající emisivitou tedy dochází ke zvýšení povrchové teploty izolace, což znamená, že klesá nezbytná tloušťka izolace na zabránění povrchové kondenzace.
Například při devadesátiprocentní relativní vlhkosti je tloušťka izolace potřebná k zabránění rizika kondenzace (v rámci příkladu uvedeného v tab. 2) tato:
ε = 0,05 (leštěný Al)    → 77 mm
ε = 0,40 (hrubozrnný plech stucco)    → 47 mm
ε = 0,90 (syntetický kaučuk)    → 31 mm

U běžných relativních vlhkostí do 60 % je vliv emisivity téměř zanedbatelný. Při vysokých relativních vlhkostech však má emisivita na vypočítanou tloušťku izolace obrovský vliv, proto je vhodnější navrhovat finální povrchy s vysokou emisivitou.

Vhodnost izolačního materiálu

Vhodnost izolačního materiálu na ochranu rozvodů chladu závisí na posouzení těchto vlastností:

• cena izolace a její životnost,
• dobrá zpracovatelnost nebo jednoduchost montáže, protože zhodnocení praktického použití je taktéž důležitým faktorem při výběru materiálu,
• nízká tepelná vodivost λ (v závislosti na střední teplotě),
• vysoká odolnost proti průniku vodní páry – definovaná faktorem difuzního odporu μ; u izolace s kapilárně vodivou tkaninou nemá posuzování této veličiny význam, protože systém pracuje na jiném principu [3],
• reakce na oheň.

Využití výpočtového programu IsoCal

Izolace proti vnější kondenzaci

Izolace proti vnější kondenzaci je nutná všude tam, kde je povrchová teplota potrubí (vzduchovodu, plochy) pod teplotou rosného bodu okolního vzduchu. Za těchto podmínek vodní pára z okolního vzduchu kondenzuje na chladném povrchu, což může způsobit okapávání kondenzátu. Proto je nutné tento povrch izolovat. Tloušťka izolace musí být dostatečná, aby se zvýšila povrchová teplota izolace nad teplotu rosného bodu okolního vzduchu. Může tedy jít o rozvod chladu, ale například i o vzduchotechnické potrubí, které slouží k nasávání čerstvého vzduchu z exteriéru do VZT jednotky v zimě, pokud toto potrubí prochází vytápěnou místností. Program navrhne minimální tloušťku izolace, která zabrání kondenzaci na vnějším povrchu potrubí, vzduchovodu či rovinného povrchu. Kromě toho vyčíslí teplotu rosného bodu, povrchovou teplotu izolace a vnější součinitel prostupu tepla.

Izolace proti vnitřní kondenzaci

IsoCal je možné využít i k návrhu izolace na prevenci vnitřní kondenzace v potrubí. Ta může nastat například u vzduchovodu slou­žícího k přepravě teplého a vlhkého vzduchu přes chladnou místnost. Kondenzace uvnitř nastane, je-li vnitřní povrchová teplota vzduchovodu nižší než teplota rosného bodu teplého vzduchu proudícího potrubím. Často jde o odvody z kuchyní, jídelen či bazénů, které procházejí nevytápěnými prostory. K zabránění vnitřní kondenzace lze použít též izolaci s otevřenou pórovitou strukturou, například izolaci z minerální vlny – na vnějším povrchu izolace totiž z fyzikálního hlediska není nutná parozábrana (riziko kondenzace je na vnitřní straně potrubí).

Závěr

Chladová izolace by měla v co nejvyšší míře zamezit pronikání vodní páry do izolačního materiálu s následnou kondenzací na chladném potrubí. Bezpečný izolační systém musí být chráněn před nepřípustným provlhnutím. Provlhnutí, u něhož nemůže izolace správně plnit svou tepelněizolační funkci, lze prakticky eliminovat dvěma způsoby – zamezit difuzi vodní páry k chladnému potrubí, nebo odvést zkondenzovanou vodní páru z povrchu potrubí do okolního prostředí.

První a druhý díl seriálu se věnoval problematice návrhu tloušťky tepelné a chladové izolace z různých hledisek. V dalším pokračování série se budeme věnovat rozsáhlému tématu návrhu ekonomické tloušťky izolace, kterou jsme dosud nerozebírali, týká se však návrhu tepelné i chladové izolace. Ekonomická tloušťka izolace je definována jako tloušťka, u níž je součet nákladů na tepelné ztráty a investičních nákladů na izolaci minimální. Prakticky to znamená hledání účelného kompromisu mezi oběma protichůdně působícími vlivy – mezi součtem přínosů a ztrát spojených s pořízením a provozem tepelné izolace. Poměrně náročný výpočtový postup objasníme na konkrétním případu.

Text: Ing. Vít Koverdynský, PhD. Autor působí ve společnosti Isover.

Obrázky: archiv autora

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.

Literatura
1.    Technické články firmy Armacell.
2.    Koverdynský, V.: Self-Drying Insulation for Cold Piping, Ph.D. Thesis. Brno: VUT, 2007, 143 s.
3.    Koverdynský, V.: Nový přístup k chladovým izolacím – tepelná izolace s kapilárně vodivou tkaninou, In: TZB Haustechnik, Bratislava: JAGA GROUP, 3/2007, 15. ročník, s. 38 – 41.
4.    Koverdynský, V.: Příručka pro návrh technických izolací. Praha: Saint-Gobain Construction Products CZ, a. s., 2012, s. 60.