Lambda 0,006 se nenaměřila, fólie však mohou plnit očekávání

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.

Za mrzutou chybu v určení a výkladu součinitele lambda vícevrstvých izolací s reflexními fóliemi se čtenářům a celé stavební obci především omlouvám.

Jak k ní došlo? Z původních firemních textů jsem neuváženě převzal tvrzení, že vícefóliová izolace má součinitel tepelné vodivosti (lambdu) 0,006 W/(mK). A jal se to vysvětlovat. Jak se později ukázalo, organizace Normapme, začleněná do institucí EU, nic takového netvrdila, nejmenovala žádnou lambdu ani součinitel U. Pouze vyhlásila, že podle výsledků komparativních měření in situ cca 3 cm silná vícefoliová reflexní izolace v totožných experimentálních domcích izoluje dům lépe, než 20 cm minerální izolace. Čtenář výsledky tohoto měření najde v tabulce na obr. 1.

Jenže to neznamená, že samotná 3 cm silná vícevrstvá reflexní fólie má součinitel lambda sedm krát nižší, než cca sedm krát silnější (20 cm) minerální izolace. V testovaných stavbách byla reflexní fólie nejspíš vložena do mezery namísto 20 cm silné minerální vlny, a takto zateplená konstrukce se pak chovala lépe. Konstrukce mohla mít jako celek hodnotu U ≈ 0,2 W/(m²K), což při tloušťce 0,2 m dává (bez započtení krajových přestupových odporů) λ ≈ 0,04 W/(mK). Po stranách fólie asi byly vzduchové mezery s konstrukčními překážkami, které bránily proudění vzduchu. Nositeli izolace zde tedy byly i vzduchové mezery v konstrukcích, takže odvození součinitele lambda z pouhé tloušťky reflexní izolace 0,03 m bylo chybné.

Z toho důvodu je parametr r_K přehnaně nadsazen. Položíme-li (ve smyslu tvrzení pana Smrčka, viz níže) r_K = 0, vyjde pro vícevrstvou reflexní fólii z článku λ = 0,026 W/(mK) a to je hodnota vedení tepla ve vzduchu (bez příspěvku radiace a proudění). Teorie je vadná v určení parametru.

Kritikům, kteří se mnou komunikovali prostřednictvím internetových diskusí nebo e-mailové pošty, chci poděkovat. Diskuse na téma reflexních izolací je pro stavebnictví nezbytná. Jmenovitě musím uvést pana Ing. Františka Smrčka a Ing. Pavola Sedláka, Ph.D. kteří se pustili i do analýzy problému. Stojí za to z obou příspěvků vybrat pro čtenáře podstatné myšlenky:

Pan Smrček mj. říká, že: „teplotní průběh na rozhraní stěna-vzduch není skokový, teplota vzduchu v rovině rozhraní sdílí hodnotu teploty stěny. V dostatečně velké vzdálenosti od stěny může být teplota vzduchu naprosto odlišná (třeba v místnosti). V těsné blízkosti rozhraní se ale teplota vzduchu se zvětšující se vzdáleností od stěny postupně mění z hodnoty teploty stěny až na hodnotu vzdáleného vzdušného prostředí. Této »těsné vzdálenosti« se obvykle říká mezní vrstva, vzduch zde je bez pohybu a teplotní gradient odpovídá tepelnému toku ve vzduchu (lambda 0,0256 při 20 stupních). ... Praktickým zjednodušením tohoto jevu je tolik diskutovaný přestupový odpor, jeho hodnota je odvozena právě z tloušťky mezní vrstvy (je prakticky měřitelná). Například při zmíněné hodnotě R_p=0,13 je tedy 0,13×0,0256=0,003328 m.”

Pavol Sedlák poskytl na problém tento pohled: „Pan Smrcek ma uplnu pravdu ohladom prestupovych odporov a prebratie tychto normovych hodnot v diskutovanom vypocte je nerealny predpoklad. ... Podla inych, aj mojich doterajsich skusenosti z merani na Slovensku v oblasti reflexnych folii a v Irsku (www.insidehousing.co.uk/story.aspx?storycode=6500817), je zisto vanie tepelnej vodivosti in-situ mera nim prakticky nemozne. Tento fakt je v dosledku dynamickych podmienok pri takomto merani, a fazovemu posunu tepelneho toku prechadzajuceho snimacom a meniacimi sa okrajovymi podmienkmi in-situ. Su bezne snahy o meranie U-hodnot (a nasledne odvodenie tep. vodivosti) na zaklade takychto merani, s pouzitim »primeranych« predpokladov a upravovanim datovych suborov. Toto sa deje s pouzitim komplikovanych fyzikalnych modelov dynamiky prenosu, kde je ale nemozne tieto overit a realita sa iba zjednodusuje. Konecnym vysledkom su niekedy uplne nerealne hodnoty.”

Postupně také vyšlo najevo, že laboratorní testy, které byly odborně provedeny v ČR anebo které jsme si provedli sami v primitivnějších (redakčních) podmínkách, hodnotu 0,006 W/(mK) nepotvrdily. Příznivci těchto materiálů přesto nemusí být zklamáni. Dovolím si, nejen pro ně, ale i pro celou stavební veřejnost, ocitovat ze stánek www.normapme.com/english/defending.htm:

„Several notified body's laboratories coming from the EOTA circle presented during this event their results on multifoil insulation material testing which were compared to standardised tests. According to BM Trada (UK), SFIRMM (Syndicat Fran<0x00E7>ais des Isolants Reflecteurs Minces Multicouches – Associate member of NORMAPME – FR), Sheffield University (UK) and the laboratory IBP Frauenhofer Institut (Germany), thin multifoil insulation products insulate better. Their results confirm that traditional tests are applicable to conventional products but not to innovative products based on reflection and not conduction.”

(překlad redakce: Několik laboratoří notifikovaných osob z okruhu EOTA prezentovalo své výsledky testů vícefóliových izolačních materiálů, které byly porovnány se standardizovanými testy. Podle BM Trada (UK), SFIRMM (Syndicat Fran<0x00E7>ais des Isolants Reflecteurs Minces Multicouches - členů asociace NORMAPME - FR), Sheffield University (Spojené Království) a laboratoří IBP Frauenhoferova Institutu (Německo), vícefóliové izolace izolují lépe. Jejich výsledky potvrzují, že tradiční testy jsou aplikovatelné na běžné izolace, ale ne na inovativní materiály založené na reflexi, a ne na vedení tepla.)

Citovaný dokument zároveň uvádí srovnávací tabulku, která je na obr. 1. Použití vícefóliových materiálů s reflexí, namísto běžné, 200 mm silné vrstvy minerální vlny, přineslo ve spotřebě topné energie v jednom případě o 28,4 % lepší výsledek, v druhém o 5 % a ve třetím byla spotřeba totožná, přesně o 0,2 % vyšší.

Zastavme se ještě u zdánlivého protimluvu, jak je vlastně možné, že vícefóliový materiál s deklarovanou tloušťkou do 3 cm izoluje stejně nebo lépe, než 20 cm izolační vlny. Kromě vysvětlení, které jsem si dovolil nabídnout čtenářům výše, se nabízejí další vysvětlení:

a) Normapme buď výsledky zfalšovala nebo si je i s testy vymyslela.
b) Minerální vlna se chová jinak v laboratoři a jinak v reálné stavbě.
c) Dynamické podmínky in-situ dávají z hlediska tepelné ochrany u reflexních izolací mnohem lepší výsledky, než jak plyne z jejich měření součinitelů lambda v ustálených laboratorních podmínkách.

Možnost a) nemohu komentovat pro nedostatek argumentů.

Zato možnost b) a c) se vyloučit nedá, svým způsobem ji nastolil i Pavol Sedlák: „Zjišťování tepelné vodivosti měřením in-situ je prakticky nemožné v důsledku dynamických podmínek a fázového posunu tepelného toku procházejícího snímačem a měnícími se okrajovými podmínkami. Jsou snahy měřit U-hodnoty na základě takových měření, ale ... konečným výsledkem jsou někdy úplně nereálné hodnoty.”

Toto tvrzení je trochu zarážející: Samozřejmě, že z jediného okamžitého souboru prostorových a povrchových teplot in-situ hodnotu U nezjistíme. Ale kdyby i výstupy z dlouhodobých měření nevedly k reálným hodnotám z nich odvozených hodnot U, potom by nedával smysl ani opačný postup, navrhování tepelné obálky budov z hodnot U, resp. lambda zjištěných laboratorně.

Myslím, že nelze přehlížet, že lehčené izolace nemají konstantní lambdu, přestože se při navrhování pracuje s konstantou. Silně lehčená izolace, jejíž lambda je při 20 °C 0,04 W/(mK), se na stavbě může chovat takto: Je-li venku –20 °C a uvnitř, v nevytopeném, izolovaném domě –19 °C, je její λ = 0,32. Vytopíme-li, při stejné venkovní teplotě, dům na 20 °C, bude λ = 0,36. Oteplí-li se pak venku na 21 °C, lambda vzroste na uvedených 0,04. A když při vnitřní teplotě 20 °C se rozpálí střecha nad izolací na 60 °C, bude už λ = 0,05. Jde o nárůst až o 55 %. Uvedená čísla zbývá experimentálně ověřit, mj. i proto, že jejich výpočet zanedbává příspěvek vlastní vodivosti tuhé matrice izolace (stěn pěny, vláken). I tak je už známo, že sálavá složka šíření tepla je v izolacích významná, což přesvědčivě dokázal materiál NEOPOR.

Kromě toho, není-li minerální izolační vlna vzduchotěsně uzavřena ohraničujícími fóliemi nebo konstrukcemi, vítr, proudění vzduchu a jiné jevy, které vyvolávají tlakový spád na izolaci, mohou způsobit její odvětrávání, tedy ztráty či, podle klimatických okolností, nevítané zisky tepla.

Dodejme, že v českých laboratořích už byly naměřeny součinitele lambda vzdušných izolací pod hodnotou vzduchu, většinou jen o pár desítek %, dokonce existuje i oficiální protokol s hodnotou λ = 0,0075 W/(mK) pro jednoduchou reflexní fólii. Tím narážím jen na to, že mnoho kritiků považuje hodnotu λ = 0,0259 (při 20 °C – M. Rochla: Stavební tabulky 1987) za jakousi konečnou, kam lze dotáhnout lambdu u vzdušných izolací. To by znamenalo, je odpor při nesálavém přestupu tepla r_K = 0, bezpodmínečně za každé situace.

Pan Smrček říká, že „teplotní průběh na rozhraní stěna-vzduch není skokový, teplota vzduchu v rovině rozhraní sdílí hodnotu teploty stěny ... a se zvětšující se vzdáleností od stěny se postupně mění z hodnoty teploty stěny až na hodnotu vzdáleného vzdušného prostředí.” Nespojité změny teplot se v přírodě opravdu nevyskytují, jako ani nespojité změny hmotnostní nebo optické hustoty na fázových rozhraních. Abychom si nekomplikovali definici hraničních podmínek a následné výpočty, považujeme fázová rozhraní jednoduše za nespojitá (pan Smrček: „teplota vzduchu v rovině rozhraní sdílí hodnotu teploty stěny ...” Ale je to vůbec rovina nebo aspoň výpočtově »uchopitelná« hladká plocha a jakou má rovnici?). Zjednodušení pak s sebou nesou různé singularity (kdy se něco dělí nulou) a ovšem i teplotní nespojitosti, schody. Chápeme je většinou tak, že jde ve skutečnosti o vyhlazené průběhy (všude se spojitými derivacemi). Tato geometrická a početní příčina „schodů” je méně významná.

Existuje však i fyzikální příčina. Vložme běžnou izolaci kontaktně mezi dvě desky o různých teplotách a počítejme hustotu prostupujícího tepelného toku. Musíme přitom vycházet z principu kontinuity, který říká, že v ustáleném stavu musí být všude – na okrajích i v libovolné tloušťce izolace – hustota toku stejná (teplo nemůže nikde v izolaci mizet ani se hromadit). Tuto podmínku lze obecně dodržet jen tak, že v blízkosti povrchů vznikne teplotní schod, tzn. oblast s jiným teplotním průběhem, než je uvnitř izolace. V sousedství reflexního povrchu je teplotní schod znatelně větší.

Kdyby v izolaci nebyl vzduch, pak při teplotním rozdílu na deskách <<20 °C;–15 °C>, z nichž teplá má emisivitu = 1 a chladná emisivitu = 2, se v izolaci ustálí rozdíl teplot (po odečtení schodů) <<20 °C a ; –7,5 °C>. Vzniklý teplotní schod 7,5 °C na chladné straně se vejde do tenké vrstvy izolace podél desky, jejíž tloušťka odpovídá cca převrácené hodnotě součinitele absorpce k izolace pro tepelného záření, tedy 2 až 3 mm. Fyzikální příčina je v tom, že reflexní fólie na obou stranách izolace vrací 90 % tepelného sálání zpět do izolace.

Vzduch v izolaci tento „schod” (sálavého původu) sníží, řádově na desetiny stupňů, a s tím se i přiblíží strmost schodu teplotnímu průběhu v izolaci. Zůstává otázka, vzniká-li na rozhraní fází také „schod” konduktivního původu. Když ne, znamenalo by to, že vzduchové izolace lze dovést k hodnotě vodivosti ne lepší, než je pro nehybný vzduch bez vlivu sálání, což se jednoznačně říci nedá. Nicméně nezdar laboratorních testů vícevrstvých reflexních fólií ukázal, že odpor při mezifázovém přestupu tepla vedením r_K ≈ 0,40 m²K/W je přehnaný. Tento odpor bude nejspíš blízký nule.

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek Jiří: Vícevrstvá tepelná izolace s reflexními fóliemi, Stavebnictví a interier 1/2009, str. 32.

[2] Hejhálek Jiří: NEOPOR – tepelná izolace nové generace, Stavebnictví a interier č. 9/2005, str. 42.