Vakuová izolace

Ve většině tepelných izolací tvoří většinu objemu vzduch, a proto jsou hodnoty tepelné vodivosti nakonec blízké vzduchu. Jestliže je z izolačního materiálu odčerpán vzduch, jeho dominantní vliv je potlačen a prostup tepla je řízen sálavým mechanismem. Tepelný odpor vakuové izolace pak (téměř) nezávisí na její tloušťce a součinitel tepelné vodivosti je při malých tloušťkách extrémně nízký, až 0,004 W/(mK) pro vakuovou izolaci o síle 2 cm.

Často se o vakuové izolaci říká, že jde o hi-tech výrobek. Tím se zřejmě nemyslí, že by fungovala na nějakém zvláštním principu nebo vyžadovala ovládnutí speciální technologie. Spíše jde o to, že v dosud běžné tepelné izolaci se teplo šíří převážně vedením, což je děj, který popisuje statistická fyzika, zatímco ve vakuové izolaci převládá šíření tepla sáláním, které popisuje vlnová optika. A zatímco statistický režim vede k závislosti tepelného odporu na tloušťce izolantu, přestup tepla, které přenášejí elektromagnetické vlny, na tloušťce nezavisí.

Princip této izolace je zdánlivě jednoduchý. Vezmeme běžnou izolaci, zabalíme do vzduchotěsné obálky a pak z ní odčerpáme vzduch, který zaujímá většinu objemu izolace. Jde to samozřejmě jen tehdy, jestliže tuhá složka pěny či minerální nebo rostlinné vlákno v izolaci přenesou obrovský přetlak vnější atmosféry a zachovají původní rozměry izolace. Potom docílíme mnohem lepších hodnot tepelného odporu. Výrobci dnes docilují až 99.999999 % vakua a tím tepelného odporu kolem 7,5 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 místo kávy tuhou síťovou strukturu složenou z klastrů (shluků) částic oxidu křemičitého (SiO₂) nanometrických rozměrů viz obr. 1. Další důležitou součástí VIP je vzduchotěsný a mechanicky tuhý obal, který umožní úplné a trvalé odčerpání vzduchu z výplně SiO₂ 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 porézní a zároveň tuhá výplň panelů VIP 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. To se makroskopicky projeví ve snížené tepelné vodivosti. I při normálním tlaku tak nanoporézní síť SiO₂ vykazuje lepší tepelné vlastnosti, než běžná výplň.

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 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, jak dále popíšeme.

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 tepelní záření a tím působí i jako aktivní prvek tepelné izolace vakuových izolačních panelů. To je zejména u výplně z nanometrických částic důležité, 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, viz ukázka průmyslově vyrobeného panelu VIP na obr. 2.

Práce s touto izolací včetně navrhování má odlišná pravidla. Tomu se budeme věnovat v některém z dalších článků. 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. Jinými slovy, materiál je průzračný pro tepelné záření a tok tepla skrze něj může být jednoduše popsán jako sdílení sálavého tepla mezi rovnoběžnými deskami; zářivý tepelný tok zde překonává zdánlivý odpor, který nezávisí na vzdálenosti desek, tedy 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.