Podlahová fólie Sunflex Floor s izolační deskou EPS – výsledky měření

Termoreflexní fólie, jejímž příkladem je Sunflex Floor od firmy TART, se používají v kombinaci s pěnovým polystyrénem jako tepelná izolace podlah, zejména pod podlahovým vytápěním. Naše redakce provedla na unikátním zařízení sérii měření, která ukazují, že termoreflexní fólie při správném uspořádání a provedení významně zlepší termoizolační účinky pěnového polystyrénu.

Použití reflexních fólií v podlahách je někdy považováno za netradiční, dokonce až za nesmyslné. Argumentuje se, že když není vedle reflexního povrchu vzduchová mezera, nemůže reflexe tepelného záření účinkovat, protože záření pevnou fází neprochází. A skutečně, kdyby vlastní, tj. mikroskopicky silná hliníková reflexní vrstva byla z obou stran zalita betonem, jeho tepelněizolační vlastnosti by neovlivnila.

Pěnový polystyrén z pohledu tepelné vodivosti

Termoizolační pěnový polystyrén je ovšem tak napěněn, že vlastní polystyrén zaujímá 1,5 až 2 % objemu pěny, zbytek – až 98,5 % – je vzduch. Musíme tedy počítat s tím, že na celkovém transportu tepla se v tomto prostředí bude kromě difúzního vedení tepla vzduchem významně podílet i sálání.

O jaký podíl jde, ukazuje obr. 1, který vychází z modelu pěnového polystyrénu s buňkami ve tvaru dutých krychlí o hraně 2 mm, poskládaných pravidelně „na střih” do krychlové prostorové sítě. Stěny krychlí jsou tak tenké, že se na celkové vodivosti podílejí zanedbatelně. Rozměr 2 mm možná převyšuje skutečné rozměry buněk, což má důvod: Tenké stěny skutečných malých buněk částečně propouštějí sálání. Zvětšíme-li buňky a budeme zároveň požadovat, aby jejich stěny sálání zcela pohlcovaly, bude výsledné chování izolace stejné. Podstatně to ale usnadní výpočty.

Výpočty a jejich grafická reprezentace na obr. 1 ukazuje na podstatné důsledky:

a) sálání – nedifúzní mechanismus sdílení tepla, jehož intenzita roste se 4. mocninou teploty – je v pěnovém polystyrénu podstatné,

b) součinitel celkové tepelné vodivosti, který zahrnuje vedení tepla i sálání, roste s teplotou.

Napadne nás, že umístěním termoreflexní vrstvy mezi polystyrénové izolační desky nebo na jejich okraje můžeme sálavou složku odclonit, podobně jako tomu je u vzduchových mezer, a tím zlepšit termoizolační vlastnosti izolace. A pokud bude tento nápad správný, pak je jisté, že termoreflexní fólie vylepší tepelněizolační chování pěnového polystyrénu zejména při vyšších teplotách.

Dodejme, že šíření tepla v pěnovém polystyrénu ve významné míře bylo prokázáno již dávno, příkladem může být třeba vynález šedého polystyrénu (např. Neopor), ve kterém je sálavá složka odstíněna grafitem, který absorbuje (a zároveň sálá) tepelné záření. V uvedené krychlové síti by to znamenalo zmenšit buňky. Výsledkem bylo zlepšení součinitele tepelné vodivosti z 0,037 na 0,032 W/(mK).

Jedna z možných aplikací termoreflexních fólií může být v podlahách, kde mohou zlepšit tepelněizolační účinek polystyrénových desek. Není bez významu, že jde o aplikaci, kde bývá málo místa pro tlusté desky a kde je např. pod otopnými rozvody vysoká teplota. Inteligentní návrh by s pomocí termoreflexních fólií mohl nemálo tepelných ztrát ušetřit. Vedle teoretických či nepřímých předpovědí však dosud chybělo praktické ověření.

Sunflex Floor a EPS – měření

Základem vždy je, aby termoreflexní (odrazná) vrstva mířila vždy tam, kde dochází ke transportu tepla sáláním. To je samozřejmě vzduchová mezera, ale také, jak víme, polystyrénová termoizolační deska. Pokud termoreflexní fólie obsahuje odraznou vrstvu jen na jedné straně, což je Sunflex Floor, je nutné ji volně přiložit (bez lepidla či jiné mezivrstvy) touto vrstvou k izolační desce.

Měřicí aparatura

Naše redakce přibližně před dvěma lety navrhla a sestrojila jednoduché zařízení pro měření tepelněizolačních vlastností tenkých ohebných nebo tuhých, předem vytvarovaných materiálů (do tvaru rozpůlené trubky). Zařízení nese název Lambda-válec.

Jde o trubku definované délky a vnějšího průměru, na kterou se v jedné či více vrstvách navine termoizolační fólie či nasadí vytvarovaný polystyrénový plášť konstantní tloušťky. Trubka je zevnitř elektricky vytápěna s konstantním příkonem, jehož velikost lze různě nastavit.

Princip měření

Teplo se od trubky šíří návinem měřené fólie či polystyrénovým pláštěm a přechází do prostoru s konstantní teplotou. Z hodnoty ustálené povrchové teploty uvnitř Lambda-válce (vytápěné trubky) a dodávaného příkonu (po odečtení ztrát coby přístrojové konstanty) se spočítá prostup tepla navinutou izolací. Ustálené podmínky nastanou na tomto zařízení zhruba za 4 hodiny.

Provedeme-li měření pro více návinů (nebo různé tloušťky EPS pláště), dostaneme soustavu rovnic s neznámým součinitelem tepelné vodivosti a součinitelem přestupu tepla na vnějším okraji pro celé měřené souvrství na válci. Obě veličiny ze soustavy určíme. Základní rovnice, která se pro vyhodnocení jednotlivého měření používá, je:

kde
X je tepelný odpor návinu v K/W,
l je délka válce,
r je poloměr válce bez návinu,
t je tloušťka návinu,
R_P je odpor při přestupu tepla na povrchu návinu v m²K/W a λ je součinitel tepelné vodivosti návinu ve W/(mK).

Z (1) je vidět, že první člen s rostoucí tloušťkou vzorku klesá, zatímco druhý roste. Vedle toho, že tato měřicí metoda stanovuje součinitel λ (u nehomogenních vrstev její efektivní hodnotu), je takřka unikátním a přitom jednoduchým nástrojem pro měření přestupových odporů R_P povrchů s různou emisivitou.

Ukažme si nyní výsledky některých měření fólie Tart Sunflex Floor. Jde o měření v rámci testování Lambda-válce, které ještě stále probíhá. Níže uvedené hodnoty mohou být ještě zpřesněny.

Sunflex Floor

Měřením jednoho a dvou návinů termoreflexní fólie Tart Sunflex Floor byly stanoveny při tloušťce návinu 4 mm hodnoty:

• Součinitel tepelné vodivosti λ =0,029 W/(mK) při střední teplotě 23,0 °C;
• Odpor při přestupu tepla na reflexním povrchu R_P = 0,238 m²K/W při střední teplotě 21 °C.

Stejná hodnota byla naměřena přímo, tzn. návinem samostatné reflexní vrstvy na válec; jde o polyethylenovou fólii tloušťky cca 20 mikrometrů, která je vakuově naprášená hliníkovým prachem nanometrických rozměrů o plošné hustotě 2 g Al/m². Pokud by nesálavá složka tohoto odporu byla stejná, jako u normového přestupového odporu 0,13 m²K/W, byla by emisivita termoreflexní fólie Tart Sunflex Floor na úrovni 0,11.

Fasádní polystyrén

Společnost Penopol CZ s.r.o., známý český výrobce pěnového polystyrénu, zhotovila pro Lambda-válec dva polystyrénové pláště tloušťky 20 a 30 mm, každý ve tvaru trubice s vnitřním průměrem a délkou odpovídajícími geometrii. Obě trubice byly podélně rozpůlené, aby je bylo možno nasadit na Lambda-válec; při nasazení se obě vnitřní plochy polystyrénových polotrubic dotýkaly povrchu Lambda-válce, štěrbina mezi oběma polovinami trubice byla „na sraz”.

Obě trubice z fasádního polystyrénu byly podrobeny samostatným měřením a porovnáním výsledků byly zjištěny tyto hodnoty:

• Součinitel tepelné vodivosti λ = = 0,0412 W/(mK) při střední teplotě 27,4 °C;
• Odpor při přestupu tepla na povrchu EPS byl R_P,EPS = 0,0915 m²K/W při střední teplotě 21 °C.

Vyšší součinitel tepelné vodivosti – oproti deklarované hodnotě 0,037 W/(mK) – je v relaci s tím, že tento součinitel roste s rostoucí teplotou. V tomto případě byla střední teplota 27,4 °C. Tento růst je dán sálavým mechanismem prostupu tepla uvnitř polystyrénové pěny, který roste s teplotou očividně výrazněji, než „obyčejná” difúze tepla podle rovnice vedení tepla (tzn. vzduchem uvnitř EPS).

Za pozornost stojí naopak nižší hodnota odporu při přestupu tepla R_P,EPS , než jsme zvyklí; uvnitř interiéru bývá podle normy od 0,1 až 0,17 m²K/W s známým středem pro svislou stěnu 0,13 m²K/W, který bychom čekali i nyní.

Hlavní fyzikální příčina je nejspíš v tom, že dostatečně tenká vrstva polystyrénové pěny těsně pod povrchem se efektivně, z pohledu sdílení tepla, chová jako tenká vzduchová mezera. Ta je tak tenká, že tepelné záření jdoucí z hloubi pěny ani z opačné strany, tj. z okolního prostředí, mezera významně nepohlcuje. A zároveň ani žádné nesálá. Materiálově je vrstva ovšem součástí EPS desky, a protože má menší součinitel tepelné vodivosti, mírně zlepšuje její tepelněizolační schopnost.

Zlepšení se navenek projevuje na Lambda-válci tak, že EPS deska má nepatrně lepší lambdu (součinitele tepelné vodivosti), ale znatelně nižší přestupový odpor. Jednoduchou úvahou lze pro tloušťku d řečené podpovrchové vrstvy v EPS odvodit vztah:

kde
d je tloušťka mezery,

λ_EPS je součinitel tepelné vodivosti EPS,
λ_VZD je součinitel tepelné vodivosti vzduchu,
R_P,EPS je odpor při přestupu tepla na straně EPS a
R_P je odpor při přestupu tepla na normálním povrchu.

Z hodnoty součinitele tepelné vodivosti vzduchu, který je λ_VZD = 0,026 W/(mK) při 21 °C, normou udávaného přestupového odporu R_P = 0,13 m²K/W, který se nejčastěji vyskytuje u běžné, svislé interiérové stěny, a z naměřeného přestupového odporu R_P,EPS = 0,0915 dostaneme z (2) tloušťku přestupové vrstvy d = 2,7 mm.

Fasádní polystyrén s reflexním pláštěm

Ptejme se, jak ovlivní reflexní povrch orientovaný do pěnového polystyrénu jeho tepelněizolační vlastnosti. S tím souvisí řada reálných aplikací, mimo jiné také v podlahách. Často třeba potřebujeme pod topnými rozvody co nejvíc zvýšit izolaci, ale chybí nám prostor pro navyšování tloušťky izolace. Navíc víme, že polystyrén, který je v blízkosti zdroje tepla ohřátý na 40 °C i víc, má nezanedbatelně nižší izolační schopnost.

Následující a zároveň poslední dva zde uvedené experimenty byly uspořádány tak, že na prázdný Lambda-válec byla navinuta tenká, jen několik desítek mikrometrů silná termoreflexní fólie, která se používá jako aktivní reflexní povrch na vrstvené bublinkové fólii Tart Sunflex Floor. Následovaly polystyrénové trubice z měření výše. Kontakt mezi Lambda-válcem, termoreflexní vrstvou a polystyrénovou trubicí byl těsný, na sraz, bez vzduchových mezer. Bez přítomnosti lepidel, špíny ap., jmenovitě mezi polystyrénem a reflexním povrchem. Výsledky shrnuje tab. 1.

Zhodnocení výsledků

V rámci testování a kalibrace aparatury pro měření tepelněizolačních veličin ohebných, fóliových či speciálně tvarovaných izolačních materiálů byly stanoveny hodnoty součinitele tepelné vodivosti a tepelného odporu při přestupu tepla pro podlahovou bublinovou fólii Tart Sunflex Floor.

Měření potvrdila teoretickou předpověď, že opláštění desky polystyrénové pěnové izolace reflexními povrchy, které míří do izolace, zlepšuje výsledné tepelněizolační vlastnosti pěny. Zlepšení je větší se zmenšující se tloušťkou izolace, což je další teoretická předpověď, jež byla v souladu s měřením. Dalšího zlepšení docílíme stejným umístěním termoreflexní fólie i z druhé strany desky.

Reflexní povrch by měl být v přímém kontaktu s pěnovým polystyrenem bez tuhých mezivrstev (špína, celoplošně aplikovaná lepidla ap.)

Poděkování

Velký dík patří zaměstnancům a vedení společností Penopol CZ, s.r.o. za rychlé a přesné zhotovení polystyrénových měřicích trubic na Lambda-válec.