Technické izolace detailně (III) – návrh technických izolací a využití výpočtových programů
Teplo, jako největší užívaný nositel energie, se z místa svého zrodu do místa spotřeby musí dopravit. Ve smyslu principiálních fyzikálních zákonů přitom dochází vlivem rozdílů teplot k jeho ztrátám. Jejich účinné omezení je možné správným uplatněním vhodných tepelných izolací.
Mnohé dřívější analýzy prokázaly, že mezi jinými úspornými opatřeními připadá právě na uplatnění izolací jeden z nejvýznamnějších a přitom poměrně levných a snadno proveditelných přínosů. Stěží najdeme jiný materiál, který by investorovi během životnosti zařízení přinesl takovou finanční návratnost jako právě tepelná izolace.
Návrh technických izolací dle ČSN EN ISO 12241
V České republice dlouhou dobu chyběla norma, která by projektantům pomohla řešit problematiku návrhu technických izolací. Projektanti se dočkali až v roce 2009, kdy česká verze evropské normy ČSN EN ISO 12241 byla k dispozici v češtině. Tato norma je pro návrh technických izolací klíčová, protože stanovuje pravidla výpočtu pro tepelněizolační výrobky pro zařízení budov a průmyslové instalace.
Důležitý fakt, podle kterého se posuzuje hodnota tepelné ztráty je délka potrubí, umístění potrubí (uvnitř či vně) a teplota okolí. Pro návrh je nutné správně volit okrajové podmínky výpočtu. Návrh pouze na jednu okrajovou podmínku není pro systém provozovaný celoročně dostatečný. Tepelný tok z povrchu izolace je funkcí několika proměnných, které se nevztahují přímo ke kvalitě izolace. Mezi ně patří teplota okolí, proudění vzduchu (přirozené či nucené), drsnost a emisivita povrchu izolace a výměna tepla zářením s okolními povrchy. Pro výpočet rosného bodu u chladových izolací je klíčová relativní vlhkost okolního vzduchu.
Výpočet součinitele přestupu tepla
Jedním z hlavních problémů vždy bylo správné určení součinitele přestupu tepla. Existuje totiž množství vztahů stanovených experimentálně využívajících bezrozměrová kritéria (Reynoldsovo, Nusseltovo, Prandtovo), která však jsou pro inženýrskou praxi příliš složitá, mají úzký rozsah platnosti, a jsou proto v praxi málokdy používaná.
Na obr. 1 je zobrazen průběh součinitele přestupu tepla v závislosti na typu proudění. Vždy s postupujícím vývinem mezní vrstvy, jak její tloušťka roste, tento součinitel klesá. Při přechodu do turbulentní mezní vrstvy dojde k prudkému nárůstu součinitele přestupu tepla. Ten je způsoben vznikem dodatečného přenosového mechanismu – turbulencí, tj. pohybem vírů, které zintenzivňují přenos tepla od povrchu směrem do proudu [2].
![Obr. 1 Charakter rychlostního profilu v laminární a turbulentní mezní vrstvě (vlevo) a průběh součinitele přestupu tepla [1]](/docu/clanky/0138/013879o1.jpg)
Obr. 1 Charakter rychlostního profilu v laminární a turbulentní mezní vrstvě (vlevo) a průběh součinitele přestupu tepla [1]
| Povrch izolace | ε [–] |
|---|---|
| Lesklá hliníková fólie | 0,05 |
| Hliníkový plech | 0,13 |
| Nerezový plech | 0,15 |
| Hliníkozinkový plech | 0,18 |
| Hliník, zoxidovaný | 0,25 |
| Ocel, zoxidovaná | 0,30 |
| Hliník, stucco-design | 0,40 |
| Mosaz, zoxidovaná | 0,50 |
| PVC | 0,90 |
| Plech opatřený nátěrem | 0,90 |
| vlna | 0,94 |
Norma ČSN EN ISO 12241 podle umístění potrubí (uvnitř či vně) a jeho polohy (vodorovné či svislé) uvádí vztahy pro výpočet součinitele přestupu tepla. Jediným omezením je rozdíl mezi teplotu povrchu a teplotou okolního vzduchu do 100 K (což je, při návrhu technických izolací, prakticky pokaždé).
Součinitele přestupu tepla se skládá ze dvou složek:
- radiační αr, je závislý na teplotě a emisivitě povrchu finálního opláštění izolace (viz tab. 1), emisivita je definována jako poměr mezi součinitelem sálání povrchu a součinitelem sálání černého tělesa,
- konvektivní αcv, je závislý na řadě faktorů, jako pohyb vzduchu, teplota, relativní orientace povrchu, materiál povrchu atd.
Ukázka vlivu závislosit součinitele přestupu tepla na emisivitě a rychlosti proudění větru je uvedena na následujících třech grafech.
Obr. 2 Závislost součinitele přestupu tepla na emisivitě – interiér v létě (te = 35 °C)
Obr. 3 Závislost součinitele přestupu tepla na emisivitě – exteriér v zimě (te = −15 °C, v = 3 m/s)
Obr. 4 Závislost součinitele přestupu tepla na rychlosti větru
Při výpočtech může v přechodové oblasti mezi laminárním a turbulentním prouděním (viz obr. 1) nastat problém s výpočtem – navržená tloušťka izolace pro laminární proudění se může velmi lišit od tloušťky vypočítané pro turbulentní proudění. V těchto ojedinělých případech doporučujeme zvolit hodnotu mezilehlou, která není normou přímo definovaná.
Typické hodnoty součinitele přestupu tepla konvekcí jsou dány v tab. 2 [4]. Hodnoty vyšší než 100 W/(m2∙K) znamenají, že vnitřní odpor při přestupu tepla je velice nízký a může být proto ve většině výpočtů zanedbán. Proto má význam vnitřní součinitel přestupu tepla počítat pouze u VZT potrubí.
| Typ proudění a typ teplonosné | hcv [W/(m2∙K)] |
|---|---|
| Přirozená konvekce, vzduch | 3–25 |
| Nucená konvekce, vzduch | 10–200 |
| olej, palivová nafta | 8–30 |
| Voda pod bodem varu, přirozeně proudící | 50–3 000 |
| Voda pod bodem varu, poháněná čerpadlem | 2 000–4 500 |
| Vařící voda | 2 000–7 000 |
| Studená voda nuceně proudící rychlostí 1 m/s | 4 000 |
| Studená voda nuceně proudící rychlostí 5 m/s | 16 000 |
| Nasycená vodní pára | 5 000–15 000 |
| Tekutý sodík nuceně proudící | 10 000–100 000 |
Návrh tloušťky izolace v praxi
Z důvodu složitosti výpočetních vztahů norma ČSN EN ISO 12241 popisuje také zjednodušenou graficko-početní metodu výpočtu. I tato metoda je ovšem pro praktické využití nadále poměrně složitá a v praxi ne často používaná. Pro návrh technických izolací se mnohem častěji využívají výpočtové pomůcky. Mnohdy se jedná o jednoduché programy, stvořené přímo koncovými uživateli, zvlášť pro jednotlivé výpočetní úlohy.
K dispozici jsou ovšem i profesionální výpočtové programy pro návrh technických izolací. Nejkomplexnějším je návrhový program IsoCal®, který lze použít na většinu úloh vyskytujících se v praxi. Program byl vyvinut společností Isover na pomoc odborníkům pracujícím v oblasti TZB (vytápění, chlazení, vzduchotechnika), energetiky a procesního inženýrství a česká verze je k dispozici již od roku 2006. Od letošního roku je program také nově k mání v on-line verzi pod označením IsoDim® a je možné jej spustit přímo z tohoto odkazu: www.isodim.cz
Výpočtový nástroj byl vyvinut především pro použití izolačních výrobků Isover, avšak jako jediný je možné jej využít i na všeobecné výpočty pro jakýkoliv jiný izolační materiál. Od verze programu 3.0 jsou navíc v databázi uvedeny všechny typy izolačních materiálů, které se v TZB aplikacích používají – keramická vlna, pěnové sklo, kalciumsilikát, syntetický kaučuk, PUR/PIR, stříkaná PUR pěna, EPS, XPS, fenolická pěna či expandovaný perlit. Průběhy tepelných vodivostí pro tyto materiály jsou zadány polynomem 3. stupně pro celý teplotní rozsah použití dané izolace (tzn. od minimální do maximální provozní teploty), výpočet je tedy proveden s velkou přesností. V off-line verzi programu IsoCal® si navíc uživatel může velice snadno nadefinovat svou vlastní databázi zadáním čtyř hodnot součinitele tepelné vodivosti v závislosti na teplotě. Program si ze zadaných hodnot automaticky provede výpočet polynomu, s kterým pak pracují jednotlivé výpočetní moduly.
Program počítá podle již zmiňované návrhové normy ČSN EN ISO 12241 a je možné jej využít pro výpočty potrubí, kruhových či čtyřhranných vzduchovodů, nádrží a ploch pro všechny základní typy úloh:
- nejvyšší povrchová teplota,
- maximální tepelná ztráta,
- změna teploty v potrubí nebo v akumulační nádobě,
- izolace proti vnější kondenzaci,
- izolace proti vnitřní kondenzaci,
- protimrazová ochrana a stanovení výkonu topného kabelu,
- návrh ekonomické tloušťky izolace,
- útlum hluku ve VZT potrubí.
Verzi v českém jazyce je možné si po zaregistrování bezplatně stáhnout na webových stránkách www.isover.cz/isocal. Uživatelům programu je dále k dispozici příručka pro návrh technických izolací [3], která kromě teorie obsahuje i vzorové příklady výpočtů a tolik ceněné přílohy s veličinami nutnými pro zadávání okrajových podmínek. Patří mezi ně např. tabulka s ekvivalentními délkami pro tepelné mosty, venkovní výpočtové teploty a průměrné teploty vzduchu dle lokalit, teploty v sousedních nevytápěných místnostech, obsah vlhkosti ve vzduchu, vnitřní výpočtové teploty a relativní vlhkosti vzduchu dle typu místností, dimenze potrubí z různých typů materiálů, tepelné vlastnosti vody, páry, vzduchu či plynu, apod. Příručka byla ohodnocena cenou Dr. Cihelky za publikaci s největším prospěchem oborové praxi za rok 2012.
Závěr
Pro výběr vhodného izolačního materiálu existují různé požadavky. Jedním z klíčových je použitelnost v praktických provozních podmínkách. Z tohoto důvodu jsou při projektování hodnoceny jednak technické vlastnosti jednotlivých materiálů, jednak je věnována pozornost také jejich zpracovatelnosti. Všechna potrubní vedení, VZT kanály, plochy (včetně závěsů potrubí a dalších doplňků) musí být izolovány tak, aby byly splněny bezpečnostní a funkční požadavky. Funkčními požadavky jsou maximální tepelná ztráta (dosažení co největších ekonomických úspor optimalizačním návrhem ekonomické tloušťky izolace) a maximální povrchová teplota izolovaného zařízení. U chladových izolací je nejdůležitějším požadavkem zamezení kondenzace na vnějším povrchu izolace. Bezpečnostními požadavky se rozumí chování při hoření, ekologická nezávadnost a zdravotní nezávadnost materiálu.
Při výpočtu součinitele prostupu tepla je možné zanedbat odpor při přestupu tepla uvnitř potrubí a u ocelových rozvodů i odpor vedením tepla stěnou potrubí, protože vliv na celkový tepelný odpor těchto dvou částí je minimální (řádově 10−2 až 10−4 krát menší oproti Rse a Rizolace). Při výpočtu se tedy zohlední pouze odpor vedením tepla vrstvou izolace a odpor při přestupu tepla z povrchu izolace do okolí. U VZT potrubí je nutné započítat i vliv odporu při přestupu tepla uvnitř. Součinitel přestupu tepla uvnitř vzduchovodu se při nízké rychlosti proudění vzduchu blíží součiniteli přestupu tepla vně. Při přirozeném proudění nejčastěji nabývá hodnot αi = 6 až 20 W/(m2∙K), při nuceném proudění uvnitř VZT potrubí αi = 10 až 200 W/(m2∙K).
Pro svou rozsáhlost nebylo možno do tohoto článku zahrnout detaily návrhu tloušťky izolace podle jednotlivých kritérií. Budou se jimi zabývat další díly seriálu. V příštím dílu se zaměříme na kritérium povrchové teploty.
Použité zdroje
- [1] ČSN EN ISO 12241: 2009, Tepelně izolační výrobky pro zařízení budov a průmyslové instalace – Pravidla výpočtu
- [2] JÍCHA M., Přenos tepla a látky, Brno: CERM, 2001. ISBN 80-214-2029-4
- [3] KOVERDYNSKÝ, V., Příručka pro návrh technických izolací, Praha: Saint-Gobain Construction Products CZ a.s., 2012, s. 60.
- [4] MILLS A. F., Heat and Mass Transfer, USA: RICHARD D. IRWIN, INC., 1995. ISBN 0-256-11443-9
- [5] KOVERDYNSKÝ, V., Úskalí při návrhu technických izolací, Topenářství instalace, Praha: Technické nakladatelství Praha, 1/2008, 42. ročník, s. 34–40. ISSN 1211-0906.