Flexibilní izolace tepelných solárních systémů
Materiály pro solární systémy musí z hlediska jejich životnosti vyhovovat požadavkům DIN EN 12 975 a dalším zákonným předpisům. Přesto u solárních systémů používají někteří dodavatelé nevhodné materiály nevyhovující například z hlediska dlouhodobé stálosti tepelné izolace, což prokazují laboratorní zkoušky. Při snaze najít dobré izolační materiály pro potrubí solárních okruhů, včetně napojení kolektorů, je možné se opřít o laboratorní testy, které potvrzují vysokou spolehlivost materiálu EPDM (etylen-propylen-dien kaučuk).
Při stagnaci, kdy dochází k zastavení cirkulace, vznikají v kolektorech teploty až 200 °C a v izolaci potrubí do zásobníku teploty 150 °C až 170 °C. Řada norem DIN CEN/TS 12975 "Tepelné solární systémy a jejich konstrukční díly" je však ve vztahu k těmto důležitým hodnotám, které musí solární systémy vydržet, velmi zdrženlivá. Místo toho normy popisují namáhání okrajovými meteorologickými podmínkami, jako je intenzita ozáření a okolní teplota.
Pro projektanty systémů představuje tento nedostatek normovaných a měřitelných veličin bohužel velmi svízelnou situaci. Oni totiž nesou, nezávisle na tomto nedostatku hodnot tepelné stability, kompletní zodpovědnost. Smějí totiž použít pouze vhodné konstrukční díly. Projektant musí zajistit, aby byla zaručena příslušná životnost. To znamená, že nesmí použít žádné materiály, které by mohly být teplotou při obvyklém používání solárního systému poškozeny. Takto ručí za systém po dobu pěti let, a proto se musí také seznámit s veškerými teplotami a materiály.
Pokud žádný spotřebič v domě neodebírá teplo, může vzniknout teplotní stagnace v absorbéru solárního kolektoru. Teplota se potom může vyšplhat až 200 °C a teploty opláštění chlazeného vzduchem z okolí mohou dosáhnout až 150 °C. To jsou hodnoty, při kterých se použité nevhodné materiály taví, anebo můžou být dokonce zcela zničeny.
Pro určení izolace slouží samozřejmě předpisy pro úsporu energie (EnEV, platné v Německu od roku 2002). Jejich cílem je zamezit všem možným ztrátám, a proto se snaží, aby se veškerá zachycená solární energie s vysokým stupněm účinnosti přesunula do zásobníku. Proto se přizpůsobuje tloušťka izolační vrstvy a její tepelná vodivost tak, aby při transportu tepla byly ztráty co nejmenší.
MP1 (čistý EPDM) bez zatížení MP1 po zatížení
Minimální tloušťky izolace pro solární systémy
Prioritním cílem EnEV je snižování energetické spotřeby, aby se redukovaly emise CO2 a tedy vznik skleníkových efektů. Při "výrobě" solární energie se nepředpokládá vznik žádného CO2. Proto postačuje izolovat potrubní vedení solárních systémů tak, aby se vytvořené teplo bez větších ztrát dostalo ke spotřebičům.
Příloha 5 předpisu EnEV je skoro zákonem. Vyžaduje tloušťku opláštění přibližně 50 %, popř. 100 % ve vztahu k průměru trubky, vztaženo na tepelnou vodivost λ = 0,035 W/mK. 50 % platí pro tepelnou izolaci potrubí i armatury rozdělovačů tepla a teplovodní potrubí a pro potrubí rozdělovačů chladu a studené vody. Hodnota 100 % platí, pokud potrubí rozvodu tepla a teplovodní potrubí sousedí s vnějším vzduchem, a tehdy je nutné tyto části izolovat izolací s dvojnásobnou tloušťkou. Toto pravidlo se týká všech potrubní kolektorového okruhu na střeše. Mělo by to přispívat ke zvýšení energetické účinnosti. Předpokladem však je trvalá kvalita instalované tepelné ochrany. V praxi se však ukazuje něco zcela jiného. I když většina kolektorových systémů splňuje požadavky EnEV, u laciných produktů s nízkou kvalitou se soulad s předpisy ztrácí již po několika měsících od instalace. Pro uživatele znamená chybná tepelná odolnost izolace potrubí ztráty výnosů a vznik následných nákladů. Izolace zkřehne, začne se drolit nebo se perforuje.
Vysoká teplotní odolnost
Skoro všechny příručky o solárních systémech doporučují izolační látku EPDM pro izolování potrubní, a to zvláště ve venkovním prostředí. Izolace kolektorového okruhu musí ve venkovním prostředí odolávat ultrafialovému záření, zatížení ozónem a povětrnostním vlivům. Z materiálů zde proto připadají v úvahu pouze minerální vlna s vodotěsným plechovým opláštěním a vysokým teplotám odolná vypěněná EPDM izolace. Pěnové izolační materiály z oblasti konvenční techniky vytápění nelze zpravidla používat na žádných místech v solárních systémech. Tato nevhodnost od kolektorů až do oblasti zásobníku je způsobena již uvedenými vysokými teplotami. Pokud nedochází při plném slunečním záření k žádnému odběru tepla, dosáhnou solární kolektory tzv. stagnační teploty. Na tuto teplotu tedy musí být dimenzovány všechny komponenty kolektorového okruhu. V dnes obvyklých plošných kolektorech se dosahují stagnační teploty i přes 200 °C. Zodpovědní výrobci používají pouze etylen-propylen-dienkaučuk, zkráceně EPDM. Literatura z oblasti zpracování plastů o EPDM říká: "Velmi dobrá odolnost vůči stárnutí, i při zatížení UV zářením a ozónem, proto je tento materiál vhodný pro použití v exteriéru. Normální teploty použití leží podle směsi pryže mezi -30 °C a +120 °C, speciální směsi EPDM mohou být vystaveny teplotám až 200 °C." Většina předních výrobců proto využívá materiál EPDM z hlediska bezpečného použití a doporučuje jej výslovně jako izolační materiál pro solární systémy.
Jak vznikají cenové rozdíly
Řadě montážních firem a výrobců komponentů solárních systémů se často na stůl dostávají konkurenční produkty, které jsou někdy i na první pohled velmi podobné, ale s atraktivními cenovými rozdíly. Trendy úspor neznamenající nepřijatelné ovlivnění výkonu stojí jistě za úvahu. Kromě toho také prodejci pociťují od svých zákazníků značný cenový tlak a ptají se: "Proč mohou konkurenti dávat nižší ceny?" Při analýze nákladů na solární systém se totiž zjišťuje, že opláštění trubek je velmi drahé. Konkurence izoluje cenově daleko výhodněji. Specialisté na izolace nad těmito cenovými rozdíly, se kterými jsou trvale konfrontováni při obchodních schůzkách s dodavateli, jen kroutí hlavou. Pro tyto značné cenové rozdíly neexistuje žádné racionální vysvětlení. Vysoce kvalitní a teplotně odolný EPDM má pevnou nákupní cenu. Jak tyto cenové rozdíly vznikají?
Sedmidenní tvrdý test
S cílem odhalit příčiny neracionálních cenových rozdílů se spojily společnosti Kaimann a MEIBES, nakoupily izolaci dvou hlavních konkurentů na trhu a otestovaly tuto izolaci v laboratorních zkouškách. Přitom byly stanoveny následující úlohy: Porovnání tří izolací z hlediska použitelnosti pro solárně tepelné systémy. Izolace budou vystaveny konstantním teplotám 150 °C po dobu sedmi dnů (to odpovídá přibližně přerušovanému zatěžování v průběhu jednoho roku). Hodnoceny budou odpor při průchodu tepla, proudová hustota tepla a po zatížení také vzhled a ztvrdnutí materiálů. V první řadě se porovnávalo EPDM s NBR (Akrylnitril-butadien-kaučuk).
Pryž NBR byla vyhodnocena jako ničitel cen. NBR má nepopíratelně své oprávnění v oblasti hydraulických a pneumatických systémů, protože je to materiál mimořádně odolný vůči živočišným a rostlinným olejům, benzínu, topným olejům, vodě a fluoridům. Jeho tepelná odolnost však sahá pouze k 70 až 90 °C, ve výjimečných případech snad krátkodobě až do 110 °C. Někteří prodejci kromě toho výslovně varují před použitím v exteriéru. Materiál NBR má velmi špatnou odolnost vůči ozónu a povětrnostním vlivům.
MP2 (spojení EPDM s jiným elastomerem) na počátku pokusu | MP2 po teplotním zatížení
Tento citlivý materiál na střeše není vystaven přímému slunečnímu světlu. Všichni výrobci potahují svoji izolaci přídavnou plastovou fólií. Fólie slouží jako mechanická ochrana, aby se citlivá pěna nenatrhla, také jako ochrana proti složitým povětrnostním podmínkám (bouřky, kroupy), které by mohly buněčnou strukturu izolace poškodit nebo zničit. Fólie pochopitelně také zajišťuje ochranu proti UV záření. Tato tenká ochranná vrstva je pro pod ní umístěný NBR materiál jedinou pojistkou proti jejímu rozkládání vlivem slunečního záření. Pokud se opláštění poškodí, začne se poškozovat i podklad. Proto by tato ochranná vrstva měla být co nejtlustší a upevněna tak, aby se nemohla uvolnit.
Pro investory a realizační firmy je zcela jasné, že NBR nepředstavuje seriozní alternativu. Teploty v kolektoru nepřipouštějí používat pěnu NBR. Na rozdíl od toho však lze používat materiál složený z drahého EPDM a méně drahého kopolymeru. Pro tyto účely nasunuli technici na zkušební topnou patronu tři materiály. Materiál MP1, který zaručeně obsahuje 100 % EPDM (Kaiflex Solar Duo CO+, rovněž izolace Kaimann-Meibes). Pro porovnání byly použity další materiály MP2 a MP3. U konkurenčního materiálu MP2 testovací pracovníci předpokládali spojení EPDM s jiným elastomerem. U MP3 si byli jisti, že se jedná výhradně o NBR.
Výsledky testu
Obrázky říkají více než desítky čísel. Po sedmi dnech v kontaktu s topnou patronou o teplotě 150 °C dojde sice k nepatrnému smrštění u čistého EPDM (MP1). Izolace však zůstává upotřebitelná a mimořádně flexibilní. Aktivní tloušťka stěny činí ještě 10,9 mm z původních 12,6 mm.
Materiály MP2 a MP3 však byly tímto procesem značně poškozeny. U MP2 (kompozitní směs EPDM a jiného elastomeru) došlo ke zničení buněk, což lze zjistit v polovině tloušťky izolační vrstvy. Původně elastická pěna ztvrdla. V této vytvrzené oblasti jsou trhliny a kompozitní směs již nemá počáteční izolační vlastnosti. Laboratorní pracovníci naměřili ztenčení tloušťky izolační stěny na pouhých 7 mm z původních 12,1 mm.
Ještě více na teplotní zatížení reagoval materiál MP3 (čistý NBR). U něj došlo k extrémnímu smrštění, vytvrzení a zbytková tloušťka izolační vrstvy byla pouze 6 mm místo původních 18,1 mm. To nikoho nepřekvapilo, dokonce to bylo očekáváno na základě obecných znalostí chování materiálu NBR.
Z hlediska tepelného odporu kladeného izolací průchodu tepla (tlumící účinek vrstvy) to znamená, že:
- u MP1 došlo k velmi malé změně o -7 %,
- u MP2 došlo ke změně o -34 %
- a u MP3 se zjistil pokles dokonce o -54 %.
Souhrnně lze tedy říci: U plošných solárních kolektorových systémů vznikají teploty až 150 °C. Testované izolační materiály se používají pro izolaci náběhového a zpětného potrubí ke kolektoru. Pouze materiál MP1 na bázi elastomeru EPDM vyhovuje těmto teplotám. Materiály MP2 a MP3 nejsou schopné dlouhodobě udržet požadovaný izolační účinek, jak dokázal pokus. Materiál MP3 je produkt NBR. Elastomer NBR je dimenzován pro teploty maximálně 120 °C. Závěrem lze konstatovat, že procedury v laboratoři zrcadlí reálné poměry v praxi a zpráva o výsledcích jasně prokázala, že materiály MP2 a MP3 jsou pro použití v solárních systémech zcela nevhodné.
MP3 (NBR) na počátku pokusu | MP3 po teplotním zatížení
Skrytý chaos
Z cenových důvodů směšují někteří výrobci vysoce hodnotné produkty s méně hodnotnými, a chtějí tak dosahovat stejných izolačních vlastností, jako by tomu bylo u čistého materiálu EPDM. Pokusy však jasně ukazují, že tomu tak není. Plášť z kašírované fólie by měl vlastně sloužit pouze jako mechanická ochrana, ale má u některých výrobců také funkci ochrany před UV zářením a bohužel jej ničí vysoké teploty po určité době provozu. Zvyšující se tepelné ztráty izolací jsou pro uživatele, bez nákladově náročného měření, neviditelné. Fólie používané na opláštění izolací sice nebyly předmětem zkoušek, ale také mezi nimi existují značné rozdíly z hlediska zpracování a tloušťky. Někteří výrobci lepí tuto ochranu jednoduše s překrytím, ale tak neodborně, že se spoj může v důsledku vlhkosti uvolnit a někdy jsou na povrchu zhotovených izolací dokonce patrné i puchýřky, místa, kde není fólie dobře přilepena. Když se fólie ve spoji uvolní, dostane se vlhkost do pěny, a snižuje její izolační vlastnosti. Lepší dodavatelé neupevňují fólie následně, ale zajišťují jejich pevné spojení s izolací extrudováním v jednom pracovním kroku současně, a proto jsou fólie bezešvě umístěny na povrchu pěnové izolace. Při výrobě jsou na pěnovou izolaci nanášeny jako kapalný materiál v přibližně dvojnásobné tloušťce oproti konkurenci. Proto také instalační technici nemusí být při práci s těmito materiály tak opatrní při jejich instalaci na stavbách.
Pohlcování vlhkosti a tepelná vodivost
V této souvislosti bychom se ještě měli zmínit o tématu vlhkosti. Potrubí solárních systémů často leží na volném prostranství, kde pohlcování vlhkosti u izolačních materiálů hraje velmi důležitou roli. V suchém stavu se hodnoty tepelného odporu u jednotlivých materiálů příliš vzájemně neliší. Déšť a vlhkost zkondenzovaná v izolaci však mohou značně snížit izolační účinek, když se například u materiálu otevřou jednotlivé buňky. Jako extrémní příklad můžeme uvést minerální vlákna. Pokud nasají pouze deset procent vody, stoupne jejich tepelná vodivost o 2,5násobek. Pak tento materiál již nefunguje jako izolace. EPDM na rozdíl od nich není hydroskopický, a proto z okolí nepřijímá žádnou vlhkost. Jinými slovy, tepelná vodivost - a tím také izolační účinek - zůstávají trvale na konstantních hodnotách, pokud nedojde k jejich snížení v důsledku poškození, vniknutí kondenzátu do materiálu atd.
Pochopitelně není EPDM jako EPDM. Tolerance ve složení, které připouštějí normy, vedou k různé kvalitě. Teprve jemným přizpůsobením získáme vyšší nebo nižší teplotní hranice. Pro výrobce platí od února 2008 norma DIN EN 14 707 "Teplotně izolační materiály pro domácí techniku a provozně technické systémy - určení horních uživatelských mezních teplot u předem tvarovaných izolačních materiálů trubek". Tato norma udává zkušební zařízení a postupy pro určení hranic použití. Výpočty tepelných ztrát potrubí a zjišťování optimální tloušťky izolace se provádí na základě VDI 2055. Pokud jsou v literatuře pro produkty uvedeny konkrétní hodnoty, měl by se příslušný projektant informovat, zda tyto hodnoty u použitých výrobků byly skutečně stanoveny podle těchto pravidel techniky.
Co říkají právní experti
Jaké důsledky by mohly pro instalační techniky v případě poškození vzniknout při použití různých izolačních materiálů s nedostatečnou odolností vůči teplotám? Jak se mohou tito pracovníci ochránit použitím správného EPDM?
Renomovaní právníci radí: "Projektant a dodavatel systému by si měl nechat potvrdit, že se jedná o materiál odolný vysokým teplotám a materiál, který je vhodný pro použití v solárních systémech a pro zde vznikající teploty. Pouze tak totiž dokáže, v případě poškození solárních izolací, hodnověrně zdůvodnit své případné odmítnutí záručních nároků. Do jeho povinností v souvislosti s plněním smlouvy totiž jednoznačně patří, aby použil materiál, který je odolný známým teplotám. Pokud odborný svět vychází z hodnoty 150 °C, musí instalační technici používat materiál, který je odpovídajícím způsobem odolný. Musí se proto o těchto materiálech dostatečně informovat."
Gernot Nitsche, vedoucí prodeje společnosti MEIBES, ujišťuje, že u systému "Inoflex" se používá pouze EPDM a apeluje na své odbytové partnery: "Věřím, že všichni, kteří dávají tyto produkty na trh, musí tyto rozdíly cítit. Obchod by měl u těchto produktů také dbát na jejich jasné označení, zdůrazňovat jej a tak dávat instalačním technikům jasně najevo jistotu, kterou jim přináší jejich použití. Instalační technici často nejsou schopni v okamžiku nákupu rozhodnout o správné kvalitě, pokud k tomu nemají dostatek informací."
Článek vznikl na základě podkladů společnosti MEIBES s.r.o., která je výrobcem a dodavatelem systémů pro solární soustavy.
Skupina Aalberts hydronic flow control: značky Flamco-Meibes-Simplex pokrývají široké spektrum inovativních systémů techniky zařízení budov od instalace u zdroje tepla přes jeho distribuci až po regulaci předávání. Výrobky COMAP jsou špičkou v systémech ...