Tepelné izolace aneb Posun od slámy přes pěnu až po aerogel

Díky nadprůměrně teplé zimě nelze letos jaro považovat za počátek stavební sezóny. Můžeme směle konstatovat, že „budování“ je v plném proudu. Řeč je zejména o tom svépomocném, pro které byl mimo jiné vytvořen prostor i vyhlášeným nouzovým stavem a „uvržením“ mnohých pracujících do domácí karantény. Pokud uvažujete, že volný čas využijete pro zateplení vašeho objektu, nabízíme detailní přehled druhů tepelných izolací.

Vhodným výběrem i aplikací tepelné izolace ovlivníme významným způsobem výslednou kvalitu celého objektu. Dnes přitom pro každý účel existuje více řešení, z nichž vám pomůžeme si vybrat.

Stručný základní přehled

Mezi nejstarší tepelné izolace patří přírodní materiály, tedy seno, lišejníky či sláma. Specifickou, ale účinnou tepelnou izolací byla i vrstva sněhu na střechách. Zastavme se ale u těch, které uměle vytváří člověk. V polovině 60. let minulého století se začaly ve větší míře objevovat pěnové plasty, které se uplatnily především v izolacích spodních částí budov, dnes ovšem patří i mezi nejpoužívanější tepelné izolace.

Hlavním úkolem tepelných izolací je zabránit prostupu tepla stěnami, podlahami, stropy či střechami. Mají nejen udržet teplo v domě, ale také zabránit přehřívání interiéru v letním období. Tepelné izolace mohou někdy fungovat i jako akustické.

Materiálově lze tepelné izolace rozdělit na pěnové materiály, minerální vláknité a rostlinné materiály. Všechny se vyznačují velmi nízkým součinitelem tepelné vodivosti. Jiným typem jsou fóliové reflexní tepelné izolace, které fungují na principu přerušení sálavého toku tepla ve vzduchové mezeře, kterou ohraničují svou plochou.

Pěnové materiály

Mezi pěnové tepelně izolační materiály patří polymerní pěny – polystyreny, polyuretany, PVC, PE, kaučuk, dále pěnové sklo či pryskyřice. Asi nejběžnějším materiálem je expandovaný (pěnový) polystyren (EPS).

Pěnový polystyren, EPS

Jde o produkt polymerace styrenu, který je následně zpěňován a nařezán do bloků. Nezbytné je přidání retardérů hoření pro zajištění samozhášivosti materiálu. Součinitel tepelné vodivosti expandovaného polystyrenu se pro typ EPS 100 pohybuje od λ = 0,037 W/(m·K) výše. Číslo "100" reprezentuje pevnost v tlaku v kPa. EPS se vyrábí v hodnotách pevností 50 až 250 kPa. Při aplikaci se desky EPS kotví lepením v kombinaci s kotvením hmoždinkami. Pěnový polystyren lze aplikovat i jako kročejovou izolaci, nelze ho však dlouhodobě vystavit vlhku. Mezi výhody patří nízká cena.

Zatím nejnovějším typem EPS je šedý polystyrén, který spatřil světlo světa jako Neopor®. Další značky téhož materiálu jsou NeoFloor, GreyWall nebo Lambdapor®. Jde o novou generaci EPS, která se od běžného EPS liší šedivým vzhledem, ale především lepšími tepelněizolačními vlastnostmi. Šedý pěnový polystyrén s objemovou hmotností 15 kg/m³ má součinitel tepelné vodivosti 0,032 W/(m·K). Této výborné vlastnosti bylo dosaženo přídavkem uhlíkových nanočástic do polystyrenu před vypěněním, které způsobují šedé zabarvení. Hlavně ale omezily prostup tepla sáláním, který se děje v řídké tuhé pěně, což vedlo k lepší hodnotě součinitele tepelné vodivosti. Při stejné tloušťce má tedy šedý EPS až o 15–20 % lepší izolační účinek, než bílý. Jiný příklad: abychom tohoto izolačního účinku dosáhli u klasického EPS, jeho objemová hmotnost by musela být aspoň 32 kg/m³.

Extrudovaný polystyren

Tento druh polystyrenu, značený také XPS, je dodáván nejčastěji ve formě desek s polodrážkou nebo hranou, využíván je zejména pro izolaci soklu, dále při izolování základových desek nebo ve skladbě střech s obráceným pořadím vrstev. Nejznámější obchodní názvy tohoto materiálu jsou Styrodur, Styrofoam nebo Fibran ECO aj. Materiál má uzavřené póry, je proto nenasákavý a lze ho použít ve vlhkém prostředí, kde působí jako tepelná izolace, a také jako účinná součást hydroizolace. Je velmi pevný, na druhé straně je nutné ho chránit před UV zářením. Důležitou součástí jsou i v tomto případě zpomalovače hoření.

Poznamenejme ještě, že v článku Nasákavost pěnových materiálů ze 12/01/2019 autor popisuje, jak po mnoha letech provozu v tzv. obrácené střeše vykazovala izolace XPS takový stupeň nasáknutí, že dva montéři sotva zvedli jedinou desku."

Pěnový polyuretan PUR a polyizokyanurát PIR

Nejznámější je takzvaný molitan, ale ve stavebnictví se používá spíše tvrdá polyuretanová pěna s názvem PUR, nověji také polyizokyanurátová pěna PIR. Jedná se o velmi účinnou tepelnou izolaci se součinitelem tepelné vodivosti na úrovni až λ = 0,023 W/(m·K). To je vynikající hodnota, za níž stojí podstatné omezení sálavé, tedy infračervené složky šíření tepla pěnou, velmi jemná struktura pórů a vysoká hustota přestupových rozhraní mezi tuhou fází PUR/PIR a vzduchem, přes které se děje difúzní (tzn. nesálavý) prostup tepla. Materiál v konkrétních aplikacích bývá opatřen Al-fólií (např. produkt firmy BACHL, Linzmeier nebo Bramac). Pěny PUR a PIR je nutné jej chránit před UV zářením.

Polyuretanové desky se v současnosti kvůli nízkému součiniteli tepelné vodivosti používají též k izolování obvodových zdí. Podobně jako u polystyrenu existují i zde ucelené PUR zateplovací systémy zahrnující i související komponenty (omítky, tmely, tkaniny, kotvy).

Pěnové sklo

Zajímavé možnosti nabízí pěnové sklo známé jako FOAMGLAS. Vyrábí se ze speciálního hlinitosilikátového skla, rozemletého na prášek a smíchaného s velmi jemným uhlíkovým prachem. Směs je v ocelových formách v tunelové peci zahřáta na cca 1000 °C. Při tomto procesu je sklo roztaveno, současně dochází k oxidaci uhlíku na plyn CO₂, který následně vytvoří z taveniny pěnu a zvýší její objem. Konečný rozměr se ustálí až po zchlazení na obvyklou teplotu kolem 20 °C. Nový materiál obsahuje drobné uzavřené bublinky, díky této struktuře je hmota zcela nehořlavá a parotěsná. Foamglas se využívá především v energeticky úsporných či pasivních domech pro izolaci spodní stavby a pro přerušení tepelného mostu, například u paty nosných stěn. Další aplikací jsou izolace podlah nebo pojízdných a pochozích střech s velmi vysokým tlakovým namáháním v průmyslových provozech, občanských stavbách, obchodních domech ap. Součinitel tepelné vodivosti pěnového skla je 0,04 až 0,048 W/(m·K).

Reflexní tepelná izolace

Tato izolace pracuje s tepelným zářením, které se šíří prostorem a omezeně i řídkou hmotou. Sálavá složka např. přispívá k tepelné vodivosti pěnového polystyrenu, minerální vlny, aerogelové výplně vakuových izolací ap. Reflexní tepelná izolace je účinná nebo nezastupitelná, chceme-li od sebe tepelně oddělit např. konstrukci střechy a podkroví, chladnou a vytápěnou místnost, obecně pak chladnou a teplou stranu vzduchových mezer. Princip fungování bývá i pro odborníky záhadou, matematický popis chováni této izolace je relativně jednoduchý.

Téma: reflexní tepelné izolace

Příklad: Když slunce ohřeje střešní krytinu na 70 °C, bude pojistná hydroizolace ohřátá na 30 °C sáláním absorbovat energii o intenzitě 307 W/m². Představme si nyní, že spodní plochu krytiny natřeme barvou (= stříbřenkou), která sníží emisivitu spodní plochy krytiny z původní hodnoty ε = 1 na desetinu, tzn. na úroveň ε = 0,1. Na pojistnou izolaci pak bude krytina sálat jen s intenzitou 30,7 W/m^². Sálavá složka roste/klesá jednak s teplotou povrchů, tak i s rozdílem jejich teplot.

Vakuová izolace

Princip této izolace je zdánlivě jednoduchý. Ve většině tepelných izolací se na celkovém prostupu tepla totiž významně podílí vzduch. Materiál sám, tzn. tuhá část pěny nebo minerální či rostlinná vlákna, je dobrou tepelnou izolací, ale v kombinaci se vzduchem, který zaujímá většinu objemu izolace, jsou hodnoty vodivosti nakonec blízké vzduchu – přibližně 0,03 W/(m·K). Lepších hodnot lze docílit, když z izolačního materiálu odčerpáme vzduch, čímž je potlačen dominantní vliv tepelné vodivosti plynu. Výrobci docilují až 99.999999 % vakua a tím tepelného odporu 250 m²K/W pro libovolnou tloušťku. Panel vakuové izolace lze zjednodušeně připodobnit k pytlíku mleté vakuované kávy.

Vakuové izolační panely (označované zkratkou VIP) však obsahují jako výplň tuhou síťovou strukturu složenou z klastrů (shluků) částic oxidu křemičitého (SiO₂) nanometrických rozměrů. Tato prostorová, velmi jemná síť je známá pod názvem aerogel. Další důležitou součástí VIP je vzduchotěsný a mechanicky tuhý obal s vysokou termoreflexí (a téměř nulovou emisivitou). Ten umožní úplné a trvalé odčerpání vzduchu z výplně SiO₂, dále trvalé téměř úplné odstínění sálavé složky sdílení tepla a konečně i bezporuchovou manipulaci s panely při výstavbě. Panely VIP se vyrábějí v rozměrech stavebních izolačních desek, jejich tloušťka je malá, od 2 do 8 cm. Dosahují součinitele tepelné vodivosti od λ = 0,004 W/(m.K), což je desetina návrhové hodnoty běžných izolací.

Vysoce a jemně porézní a zároveň tuhá výplň panelů VIP, známá i pod názvem aerogel (nebo také ztuhlý dým) prošla soustředěným vývojem. Prosadila se hmota zvaná pyrogenní kyselina křemičitá, což je vysoce jemně dispergovaný oxid křemičitý, který vzniká plamennou hydrolýzou tetrachlorsilanu při vysokých teplotách do 1500 °C. Hmota má velmi jemnou mikrostrukturu připomínající prostorovou síť s oky o střední velikosti asi 70 nm (nanometrů).

Výhoda této struktury vyplyne, když si uvědomíme, že střední volná dráha molekul vzduchu (mezi dvěma srážkami) je při atmosférickém tlaku také kolem 70 nm. Vedení tepla ve vzduchu se totiž děje hlavně vzájemnými srážkami molekul vzduchu, při níž si tyto vyměňují energii (přesněji kvanta vibrační energie – fonony), a tím – jako součást velkého statistického souboru všech molekul vzduchu – vedou teplo. Jenže velká část z nich zůstane izolována v buňkách nanoporézní sítě SiO₂ a s volnými si může vyměňovat energii s jen malou statistickou pravděpodobností.

Aerogelové izolace - výzva budoucnosti

To se makroskopicky projeví ve snížené tepelné vodivosti i při normálním tlaku. Konkrétně nanoporézní síť SiO₂, neboli aerogel aplikovaný jako nevakuovaná, tzn. běžná vzdušná izolace, dosahuje hodnot λ až 0,016 W/(mK), u uhlíkatých aerogelů jen na 0,012 W/(mK)! To je velká výzva i pro technologii vzdušných izolací.

Při nižším tlaku klesne hustota molekul vzduchu, četnost srážek a naopak vzroste střední volná dráha vysoko nad 70 nm. To samo o sobě sníží vodivost výplně. Ovšem molekuly, které za nízkého tlaku uvíznou v buňkách nanoporézní sítě s rozměry pórů 70 nm, mají statisticky mizivou pravděpodobnost srážky s jinou molekulou. Tím ještě víc klesne tepelná vodivost výplně, a sice až na úroveň λ = 0,004 W/(mK). To je základem extrémně nízké vodivosti vakuových izolací.

Tento model byl zdokonalen ještě tím, že do nanometrické sítě pyrogenní kyseliny křemičité byly vpraveny absorbéry tepelného záření, podobně jako v případě Neoporu®, který jsme zmínili výše. Vedle potlačení vedení tepla vzduchem tím byla navíc eliminována i složka šíření tepla sáláním. Sálavou složku významně eliminuje také tepelně reflexní hliníková obálka.

Výrobci vakuové izolace věnují vysokou pozornost také obalu vakuových izolací. Ten musí být dostatečně pevný a zároveň neprodyšný. Jako nejvhodnější se ukázal plast (např. PE, PUR), který řeší pevnost a tuhost, pokovený 30 mikrometrů silnou vrstvou hliníku, která zaručí vysokou a trvalou neprodyšnost. Hliník navíc odráží tepelné záření a tím působí i jako aktivní prvek tepelné izolace vakuových izolačních panelů. To je důležité zejména u výplně z nanometrických částic, protože tepelné záření s typickou délkou vlny nad 10 mikrometrů s takto jemnou sítí (s vlákny pod 1 mikrometr) téměř neinteraguje a volně jí prochází. (Elektromagnetické vlny se odrážejí a rozptylují na částicích větších, než je délka vlny). Kromě vnitřní strany výrobci opatřují povrchovým pokovením i vnější stranu vakuových izolací.

Práce s touto izolací včetně navrhování má odlišná pravidla. Nejvýznamnější, a také nezvyklé je, že tepelný odpor této izolace téměř nezávisí na její tloušťce. To jednoznačně svědčí o tom, že v izolaci byla potlačena tepelná vodivost daná statistickým pohybem a vibracemi hmotných částic, tj. molekul plynů nebo atomů v krystalových mřížích nebo molekulárních řetězcích, a dominuje prostup tepla sáláním. I ten je ale díky hliníkem pokovenému obalu aerogelové izolace silně omezen. Jinými slovy, i když je materiál průzračný pro tepelné záření, reflexní okraje desky toto záření odrážejí zpět do aerogelové izolace, aniž by energie záření unikala do okolí izolace. Tok tepla skrze izolaci lze tak jednoduše popsat jako sdílení sálavého tepla mezi rovnoběžnými deskami s velmi vysokou vysokou reflexí (=nízkou emisivitou); energie tepelného záření neuniká ven (přesněji: jen velmi málo) a relativně obrovský tepelný odpor této izolace nezávisí na vzdálenosti desek, tzn. na tloušťce izolace.

Součinitel tepelné vodivosti nejlepších vakuových panelů dosahuje hodnoty λ = 0,004 až λ = 0,005 W/(m.K). Doporučuje se uvažovat s vyšší hodnotou s ohledem na stárnutí materiálu, tedy λ = 0,008 W/(m.K).

Kvůli velmi vysoké ceně zatím u nás nacházejí vakuové panely oproti zahraničí uplatnění především při řešení komplikovaných konstrukčních detailů, a to v souvislosti s odstraňováním tep. mostů pomocí izolace malé tloušťky.

Výrobu tohoto materiálu nejvíce rozvinula německá firma Wacker Chemie, největší současní výrobci jsou va-Q-tec AG, Porextherm Dämmstoffe GmbH, VARIOTEC GmbH & Co. KG, Vaku-Isotherm GmbH, Microtherm a další.

Nerosty zdrojem

Minerální vlna

Poměr ceny, vlastností a výsledného efektu řadí minerální vlnu mezi nejpoužívanější tepelné izolace. Vyrábí se tavením hornin, nejčastěji jde o čedič nebo křemen, podle výchozích surovin se pak jedná o kamennou či skelnou vlnu. Kamenná vlna vzniká tavením čediče, do jemných vláken jsou vstřikována pojiva, hydrofobizační oleje, protiplísňové přísady a podobně. Po tepelném vytvrzení a ochlazení je materiál nařezán na potřebné rozměry, dodává se v rolích nebo deskách. Díky čediči má kamenná vlna vysoký bod tání, odolává proto ohni. Neměla by však být dlouhodobě vystavována vlhku. Podobně je vyráběna i skelná vlna, díky příbuznosti výchozího materiálu má také podobné vlastnosti, jako vlna kamenná. Významnou předností minerálních tepelných izolací je i nízký difúzní odpor, a tím vysoká paropropustnost, dům může dýchat, což konkrétně znamená, že se zejména případná zkondenzovaná vlhkost v obvodové zdi může odpařovat ven. Díky této vlastnosti se minerální vlna často úspěšně používá v difúzně otevřených konstrukcích nebo u dvouplášťových střech. Součinitel tepelné vodivosti tohoto materiálu je od 0,035 W/(m.K).

Přírodní cesta

Konopí

Konopí patří mezi velmi využívané technické rostliny. Jeho největší předností je rychlá obnovitelnost – roste mnohem rychleji, než dřevo, navíc nevyžaduje žádnou velkou péči ani ošetřování chemickými látkami. Při růstu odbourává CO₂, půda je po sklizni kvalitní. Z vláken této rostliny jsou vyráběny konstrukční desky i tepelně–izolační materiály ve formě desek či rouna. Pro izolaci těžce přístupných nebo nepravidelných míst je používána konopná foukaná sypká izolace. Díky srovnatelným vlastnostem (λ ≈ 0,04 W/(m.K)) mohou konopné materiály nahradit minerální vlnu. Uchovávají si dlouhodobě své vlastnosti, jsou pevné, odolné proti vlhkosti, nehrozí ani napadení škůdci či hnilobou. Zaručují zdravé mikroklima, a tedy příjemné bydlení. Obdobné vlastnosti, ale zatím menší rozšíření, mají izolační materiály z dřevitých vláken a technického lnu. Všechny tyto výrobky lze považovat za čistě ekologické, neboť při jejich výrobě nejsou používána žádná lepidla. Mají vysokou tepelnou kapacitu (c = 2100 J/(kg·K)), díky níž se v horkých letních měsících nepřehřívají, účinkují současně jako tepelně–akumulační materiál, jsou paropropustné, v konstrukci navíc fungují jako savý papír – vlhkost pohltí a rozšíří, aniž by byly mokré.

Celulóza

Celulózové tepelně–izolační materiály se vyrábějí z recyklovaného novinového papíru, základní surovinou je tedy v prvopočátku dřevo. Roztrhaný novinový papír je smíchán s přísadami, zpravidla boritany, které zajišťují jeho odolnost proti škůdcům, plísním, hnilobám a ohni. Poté je směs rozemleta. V prodejní síti je nabízena pod obchodními názvy Climatizer či Isocell, v zahraničí častěji jako Isofloc nebo Thermofloc, ap. Izolace je aplikována foukáním, lze jí vyplnit jakékoli, i obtížně dostupné dutiny.

Při použití tohoto materiálu je nutné počítat s takzvaným „sedáním”, při aplikaci je proto nutné hmotu zhutnit, a to především v šikmých nebo svislých částech stavby. Celulózová izolace se stejně jako ostatní přírodní materiály chová v konstrukci jako savý papír, to znamená, že na sebe naváže vlhkost ze zdiva a rovnoměrně ji předá dál. Tento typ izolace je zatím více využíván v zahraničí, a to především v dřevostavbách a obecně v pasivních domech. Součinitel tepelné vodivosti je přibližně 0,039 W/(m.K).

Téma: reflexní tepelné izolace

Sláma

Sláma je jeden z nejobvyklejších stavebních i tepelně–izolačních materiálů našich předků a její obliba v současnosti opět roste. A ke slovu přichází zase ve všech oblastech – jako součást zdících materiálů – nepálených cihel, případně hliněných omítek, jako střešní krytina, tepelná izolace, případně i součást nábytku.

V konkrétní stavbě může být sláma použita jako nosný konstrukční materiál nebo jako doplnění nosného systému. Překvapivě má slaměná izolace ve spojení s hliněnou omítkou vysokou požární odolnost, může to být až 90 minut, vyhovuje proto všem typům konstrukcí. Podstatnou nevýhodou je ovšem nízká odolnost proti vlhkosti, slaměnou izolaci je proto nutné před ní dobře chránit, například omítkou či obkladem. Součinitel tepelné vodivosti slaměných izolací je je přibližně 0,1 W/(m.K).