Použití reflexní izolace v dřevostavbách

Text popisuje srovnávací tepelné in situ testy typické konstrukce two-by-four kompozice dřevostavby a hybridní fólie složené ze střídavých vrstev vlasově tenkých polypropylenových fólií vakuově pokovených vrstvou hliníku a fólií z polyethylenové pěny. Dále je diskutována možnost použití reflexní izolace ve skladbách rámové dřevostavby a jsou představeny možné výhody a nevýhody oproti tradičním materiálům. Výsledky měření naznačují izolační schopnosti tohoto relativně tenkého izolačního materiálu a slouží jako podklad pro další dlouhodobou analýzu.

Snížení množství spotřebované energie je dnes jedním z nejvíce diskutovaných témat ve stavebnictví – spotřeba energie v obytných domech tvoří téměř 40 % celkové spotřeby energie v rámci EU a je tak jedním z největších zdrojů emisí. Největším spotřebitelem energie je rezidenční a komerční sektor [1].

Protože tepelná ztráta přes obvodový plášť budovy tvoří významnou část energetické náročnosti budov, zvyšují se také požadavky na vlastnosti tepelněizolačních materiálů. Dnešní izolační materiály a systémy již bez problému dosahují požadovaných úrovní izolačních vlastností stanovaných v národních normách po celé Evropě.

Avšak použití běžně používaných izolačních materiálů v České republice a na Slovensku, jako je například expandovaný polystyren, extrudovaný polystyren nebo minerální vlna, obvykle vede ke zvýšení celkové tloušťky stěny, což má za následek potřebu většího množství materiálu a nároků na velikost prostoru.

Pokud jde o například o rekonstrukce historických budov, mohou být z hlediska volby materiálu podstatné zvýšené požadavky na menší mocnost izolační vrstvy z důvodu nemožnosti zmenšení vnitřního nebo zvětšení vnějšího prostoru budovy.

V uplynulých letech se na trhu stavebnictví objevil nový typ tenkého reflexního izolačního materiálu. Tato vícevrstvá tepelná izolace z reflexní fólie, anglicky multi-layer reflective foil thermal insulation (MLI), se zaměřuje především na snížení tepelných ztrát tepelným zářením a skládá se z tenkých odrazných vrstev vrstvených na přeskáčku s izolačními vrstvami.

Existují tři základní způsoby přenosu tepla: vedení, proudění a záření. Vedení tepla (kondukce) je přenos tepla způsobený srážkami mikroskopických částic nebo kvazičástic a difuzí uvnitř tělesa či mezi tělesy sousedními. Nedochází přitom k přemístění částic, ale ke kmitání kolem jejich rovnovážných poloh.

V pevných materiálech jsou molekuly v kontaktu s ostatními, což vede k rychlému přenosu energie. Šíření tepla prouděním (konvekcí) je přenos tepla způsobený pohybem tekutin. Fyzikální vlastnosti tekutiny, teplotní rozdíly a například i velikost vzduchové dutiny ovlivňují vznik konvekčních proudů.

Záření je způsob přenosu tepla, který není závislý na kontaktu mezi zdrojem tepla a ohřívaným objektem. Tepelné záření je generováno pohybem nabitých částic ve hmotě s teplotou vyšší než absolutní nulou. Na rozdíl od tepelného vedení a konvekce může být teplo zářením přenášeno ve vakuu.

Povrchy s nízkou emisivitou se používají ve vesmírných aplikacích po mnoho desetiletí. Při jejich použití dochází ke snížení vlivu vodivosti a konvekce na přenos tepla v prostoru, a tak převládá záření. Materiály MLI byly testovány pro vakuové izolační panely s výsledky, které vykazují výrazný pokles radiačního tepla [2].

Příspěvek [3] se zabývá modelováním a technickými vlastnostmi MLI a představuje novou metodu výzkumu radiačních a tepelných vlastností těchto materiálu pro použití v konstrukci kosmických lodí. Chování reflexních izolací v kombinaci s různými úrovněmi izolace bylo zkoumáno experimentálně i teoreticky v horkých klimatických podmínkách [4].

Výsledky ukázaly pozitivní vliv vícevrstvých izolací v případě zvyšování teploty exteriérové teploty. Studie [5] byla provedena za účelem stanovení vlivu záření v tepelněizolačním skladebním systému, ve kterém byla vícevrstvá reflexní fólie použita k rozdělení dutiny uvnitř navržené stěny.

Výsledkem bylo vytvoření tepelněizolačního systému kombinujícího hliníkové a polyethylenové fólie. Tato studie poukazuje na zlepšení izolačních schopností, kterého bylo dosaženo použitím povrchů s nízkou emisivitou. Materiály MLI, které se objevily na českém trhu, jsou však stále předmětem silné technologické a vědecké diskuse.

Někteří výrobci tvrdí, že tepelná odolnost jejich výrobků nemůže být posuzována konvenčními metodami stavební fyziky a může být prokázána pouze testem in situ. Měření se senzorem tepelného toku bylo provedeno například ve zkušebních prostorech Building Research Establishment [6], Alba Building Sciences Ltd. [7], [8] či Université de La Réunion [9].

S finanční pomocí Evropského úřadu řemesel, živností a malých středních podniků pro normalizaci bylo vystavěno několik párů stavebních objektů, pomocí kterých se porovnávají tepelné vlastnosti materiálu MLI a konvenční minerální vlny. Získané výsledky těchto měření byly inspirací pro naši současnou případovou studii.

Zkušební podmínky a materiál

Článek popisuje srovnávací tepelné in situ testy typické two-by-four kompozice dřevostavby a hybridní fólie složené ze střídavých vrstev vlasově tenkých polypropylenových fólií vakuově pokovených vrstvou hliníku a fólií z polyethylenové pěny a je diskutována možnost použití reflexní izolace ve skladbách rámové dřevostavby v klimatických podmínkách České republiky.

Toto počáteční testování bylo provedeno s cílem zjistit a popsat izolační potenciál vícevrstvé tepelné izolace a naznačit budoucí varianty zkoušení izolace, složení a uspořádání vrstev izolačního systému.

Umístění zkušebního objektu

Izolace byla zkoušena během zimního období přelomu roku 2015 a 2016 v podhůří Orlických hor v obci Nekoř v okrese Ústí nad Orlicí (obr. 1). Zkušební stavební objekt je dřevostavba postavená systémem two-by-four. Jedná se o dům pro pětičlennou rodinu navržený architektem Patrikem Zamazalem a architektonickým ateliérem Molo architekti.

Rodinný dům je samostatně stojící budova nezastíněná okolní vegetací, střecha domu je plochá a fasáda je tvořena horizontálně kladenými palubkami z modřínu. Skladba obvodové stěny je popsána v tab. 1 a vyobrazena v horizontální řezu na obr. 3.

Materiál

Vícevrstvý materiál pro počáteční testování se skládal ze šesti vlasově tenkých vrstev reflexní fólie a čtyř izolačních vrstev z polyethylenu a polypropylenu. Rozměr testovaného vzorku byl 750 × 1 400 mm. Zkušební vzorek vícevrstvé reflexní izolace byl vložen do okenního rámu bez zasklení, který slouží jako větrací otvor.

Aby se zabránilo nadměrnému pronikání vzduchu mezerami mezi větracím rámem a zkoušenou vícevrstvou tepelnou izolací, byly možné netěsnosti na krajích vzorku utěsněny těsnicí páskou na okna.

Materiál MLI (obr. 4) dodaný firmou Novostrat byl testován v dětské ložnici s jedním pevným rámovým oknem a větracím rámem orientovaným směrem na sever. Plocha místnosti je 12 m². Vzduchotechnika v budově slouží k zajištění tepelného komfortu a přijatelné kvality interiéru s požadovanou teplotou vytápění 18 °C v obytných místnostech.

Rozmístění čidel

Jak bylo uvedeno, vícevrstvá reflexní izolace byla umístěna do stávajícího otvoru sloužícího na větrání dětského pokoje pomocí vrutů do dřeva a těsnicí pásky na okna. Větrací otvor je zakryt z vnější strany dřevěnou mřížkou chránící vnitřní prostor před zvířaty a zajištující zabezpečení domácnosti.

Čtyři dotyková čidla na měření povrchové teploty byla systematicky umístěna na testovaný vzorek a část obvodové stěny pro zjištění průběhu povrchových vnitřních a vnějších teplot.

Vnitřní povrch vícevrstvé izolace byl navíc vybaven jedním přídavným teplotní čidlem umístěným uprostřed ventilačního otvoru pro měření povrchové teploty pod imaginárním stykem horizontálních a vertikálních prvků dřevěného rámu stavby (latí a kontralatí). Křížení bylo vytvořeno dvěma 200 mm dlouhými, dohromady slepenými latěmi ze dřeva s uprostřed vloženou reflexní izolací (obr. 5).

Přídavné čidlo (S5) bylo pečlivě vloženo pod vnitřní dřevěnou lať. Toto křížení reprezentuje typický detail ve skladbě stěny dřevostavby systému two-by-four, kde dochází ke styku hlavní nosné konstrukce a předsazených rámů. Schéma uspořádání zařízení a senzorů je zobrazeno na obr. 6.

Čidlo S1 bylo umístěno pod větranou fasádu (pokrytou modřínovými fasádními panely zabraňujícími dopadu přímého slunečního světla na čidlo) z vnějšku přímo na parozábranu, čidlo S2 na vnějším povrchu reflexní izolace, jejíž povrch byl stíněn dřevěnou ochrannou mřížkou. Vnitřní čidla byla umístěna na vnitřní povrch obvodové stěny a vícevrstvé reflexní izolace.

Teplota místnosti (ti) byla měřena teploměrem okolního vzduchu ve středu testovací místnosti ve výšce 1 m nad podlahou, vnější teploměr byl umístěn na stíněném místě ve vzdálenosti 100 m od objektu budovy monitoru pro zajištění měření teploty okolního prostředí (te).

Výsledky

Prvotní měření byla uskutečněna v Nekoři v období od 4. prosince do 6. prosince 2015. Cílem bylo zjistit izolační potenciál tohoto tenkého materiálu a na základě výsledků navrhnout další praktická měření a posoudit možnost použití izolace ve skladebním systému two-by-four v klimatických podmínkách střední Evropy.

Průměrný rozdíl mezi vnitřní povrchovou teplotou typické skladby stěny dřevěné rámové konstrukce (S3) a vnitřní povrchovou teplotou reflexní izolace (S4) během zkušebního měření byl 0,5 °C (vyšší teplota na stěně). Průměrný rozdíl mezi vnějšími povrchy stěny (S1) a izolace (S2) byl 1,5 °C (vyšší teplota na povrchu vícevrstvé izolace).

Průměrný teplotní rozdíl snímače S5 umístěného pod dřevěným nosníkem a průměrnou povrchovou teplotou reflexní izolace během zkušebního období byl  3,1 °C. Křivky teplot během zkušební doby jsou uvedeny na obr. 7.

Diskuse a závěr

Ačkoli byly in situ testy uskutečněny během zimního období v podhůří hor, teplota vnějšího vzduchu se pohybovala v rozmezí 3 až 6 °C. I když tento teplotní rozsah není ideální pro náležité zhodnocení izolačních schopností materiálů, výše uvedené výsledky průměrného rozdílu povrchových teplot naznačují izolační schopnosti vícevrstvých reflexních izolací.

Pro řádné a podrobné zjištění tepelného chování tohoto velice tenkého izolačního materiálu je třeba uskutečnit nejen další detailnější dlouhodobé měření in situ, ale i laboratorní testy a testy teoretické, simulační.

Počet specializovaných článků na téma využití vícevrstvých reflexních izolačních materiálů ve stavebnictví a jejich zabudování v budovách je stále relativně nízký, tudíž bychom se rádi během další fáze zkoušení těchto tenkých izolací zaměřili na dlouhodobé monitorování.

Nepřehlédněte: Vše, co potřebujete vědět před volbou dřevostavby

Tyto počáteční testy dále naznačily nutnost vytvořit v ideálním případě vzduchovou mezeru v konstrukci a potvrdily zhoršené izolační schopnosti materiálu při jeho kompresi. V roce 2018 byla vícevrstvá reflexní fólie ve spolupráci s architektonických ateliérem Molo architekti použita ve dvou stavebních objektech.

Při výstavbě novostavby ze dřeva v systému two-by-four byla izolace instalována v kombinaci s klasickou izolací z minerální vaty, v případě rekonstrukce objektu z keramických tvárnic byla tenkovrstvá izolace navržena jako izolace jediná.

Při výstavbě dřevostavby byla reflexní izolace umístěna na vnější povrch nosného rámu tak, aby docházelo co nejmenšímu překrytí s laťováním nenosné části konstrukce.

U historické budovy použití tohoto materiálu předcházel požadavek architekta a investora na omezení zvětšení tloušťky vnějších stěn. Obě tyto budovy budou dlouhodobě monitorovány pro zjištění tepelněizolačních schopností vícevrstvých reflexních fólií.

Literatura:
[1] GORDON, V. R. – HOLNESS, R. E. Improving energy efficiency in existing buildings. In: ASHRAE Journal 50, 2008, s. 12–26.
[2] KWON, J. – JANG, Ch. H. – JUNG, H. – SONG Tae-Ho. Effective thermal conductivity of various filling materials for vacuum insulation panels. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52 (23–24): 5525-5532. DOI: 0.1016/j.ijheatmasstransfer. 2009.06.029. ISSN 00179310.
[3] ALIFANOV, O. M. – NENAROKOMOV, A. V. – GONZALEZ, V. M. Study of multilayer thermal insulation by inverse problems method. Acta Astronautica, 2009, 65 (9–10): 1284-1291. DOI: 10.1016/j.actaastro.2009.03.053. ISSN 00945765.
[4] SUEHRCKE, H. – PETERSON, E. L. – SELBY, N. – SONG, Tae-Ho. Effect of roof solar reflectance on the building heat gain in a hot climate. Energy and Buildings, 2008, 40 (12): 2224-2235. DOI: 10.1016/j.enbuild.2008.06.015. ISSN 03787788.
[5] PASZTORY, Z. – PERALTA, P. N. – PESZLEN, I. – SONG, Tae-Ho. Multi-layer heat insulation system for frame construction buildings. Energy and Buildings. 2011, 43 (2–3): 713-717. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.11.016. ISSN 03787788.
[6] WARD, T. I. – DORA, S. M. The Thermal Performance of Multi-foil Insulation. Report BRE-BRE Scotland, 2005.
[7] ROONEY, G. Thermal Insulation Performance Appraisal 139b & 141b Victoria Road Torry Aberdeen, Report Number 25035, 2006.
[8] ROONEY, G. Thermal Insulation Performance Appraisal 139b Victoria Road Torry Aberdeen, Report Number 25038, Alba Building Sciences Ltd., Norham, 2006.
[9] MIRANVILLE, F. – HAMADA FAKRA, A. – GUICHARD, S. – BOYER, H. – PRAENE, J.-Ph. – BIGOT, D. Evaluation of the thermal resistance of a roof-mounted multi-reflective radiant barrier for tropical and humid conditions: experimental study from field measurements. Energy and Buildings. 2012, 48: 79–90.