Využití vakuových izolací při sanacích problematických detailů stavebních konstrukcí
Při výstavbě i rekonstrukci se velmi často setkáváme z tepelnětechnického hlediska s problematickými detaily. Při řešení těchto detailů jsme velmi často limitováni maximální možnou tloušťkou tepelné izolace. V těchto detailech se nabízí využití tzv. superizolačních materiálů, tedy materiálů, které dosahují velmi nízkých hodnot součinitele tepelné vodivosti. Příspěvek je zaměřen na využití těchto superizolačních materiálů při sanaci tepelných mostů vznikajících v oblasti ostění výplní otvorů.
1. Úvod
Vývoj pokročilých tepelněizolačních materiálů má v současné době velký význam, a to především v oblasti snížení spotřeby energie budov, technologických zařízení apod. a snížení souvisejících emisí CO2 (viz např. Kjótský protokol/Pařížská klimatická dohoda). Jedná se především o vývoj nových pokročilých izolačních materiálů, které umožňují účinné zlepšení tepelněizolačních vlastností obálek budov, aby bylo možné splnit stále rostoucí požadavky v oblasti energetické náročnosti budov (v Evropě to spadá pod směrnici 2010/31/EU [1] o energetické náročnosti budov), bez nutnosti použití příliš silných vrstev izolačních materiálů ve skladbách stavebních konstrukcí pro dosažení potřebného tepelného odporu konstrukce.
Z materiálového hlediska je nutné v současné době hledat především nová řešení v oblasti pokročilých a inteligentních materiálů, tedy takových materiálů, které v sobě kombinují více pozitivních vlastností. V oblasti tepelných izolantů jsou již dlouhodobě zajímavé izolanty vyráběné ze snadnoobnovitelných a druhotných surovin. V některých zemích (například ve Skandinávii) je již v současné době snaha nahrazovat těmito materiály klasické izolanty na bázi minerální vlny nebo expandovaného polystyrenu. Z pohledu progresivních technologií dosahovaných tepelných vlastností jsou v současné době představitelem materiálů s nejnižší ekvivalentní hodnotou součinitele tepelné vodivosti tzv. superizolační materiály, k jejímž hlavním zástupcům patří vakuové izolační panely (VIP).
2. Vakuové izolační panely (VIP)
První vývoj a výroba VIP proběhla již v první polovině 20. století (letecký a raketový průmysl), přičemž první aplikace v oblasti stavebnictví se datují až od roku 1999 [2]. Vakuové izolační panely se skládají z obálky a jádrového izolantu a dalších doplňků výrobku. Obálka panelu má za úkol především udržet velmi nízký tlak, který je uvnitř panelu. Vnitřní jádrový izolant je tvořen izolačním materiálem s velmi jemnou pórovitou strukturou, u něhož dochází pří snížení tlaku ke snížení tepelné vodivosti cca 10× oproti stavu za tlaku normálního. Tyto výrobky dosahují celkově extrémně nízkých hodnot součinitele tepelné vodivosti, která se v praxi pohybuje na úrovni od 2 mW/(m.K) u izolantů s jádrem na vláknité bázi (např. na bázi skleněné vlny) do 5 mW/(m.K) u izolantů s jádrem na bázi jemně pórovitých matric (např. na bázi SiO2 ve formě aerogelu nebo pyrogenního SiO2). Současným problémem při využívání VIP je jejich poměrně vysoká cena, dále jejich omezená životnost, která je především problematická při využití těchto materiálů v oblasti stavebnictví [3], nemožnost dělení materiálu insitu a obtížné zabudování do stavebních konstrukcí. V posledních letech se začínají i v oblasti VIP využívat alternativní jádrové izolace například na bázi melamin-formaldehydových vláken [4], a také izolanty na bázi druhotných surovin. I přes své superizolační vlastnosti jsou dnes vakuové izolační panely ve stavebnictví stále poměrně málo využívány, avšak meziročně množství aplikovaných VIP ve stavebnictví neustále vzrůstá.
Obr. 1. Schéma řezem vakuového izolačního panelu, 1 – jádrový materiál, 2 – obálka panelu
Obr. 2. VIP – Vakuový izolační panel
3. Využití VIP ve stavebnictví
Masivní využití VIP ve stavebnictví je záležitostí posledních dvou let, přičemž v současné době existuje celosvětově řada výrobců VIP s výrobky určenými do oblasti stavebnictví (například firmy Va-Q-Tec, Porextherm, Turvac, Kingspan, a dalších). Od roku 2014 existuje také sdružení VIPA International (Vacuum Insulation Panel Global Association), které sdružuje řadu předních výrobců vakuových izolací a výzkumných institucí, které se vývojem těchto materiálů zabývají (blíže viz www.vipa-international.org). Mimo výše uvedené problémy s využitím VIP ve stavebnictví (vysoká cena, nízká životnost a komplikované zabudování do konstrukce) bylo pro výrobce doposud i poměrně problematické v rámci Evropské unie uvádění těchto výrobků na trh, protože pro tyto výrobky neexistuje prozatím harmonizovaná výrobková norma. Tato norma je aktuálně v přípravě a očekává se, že by měla vejít v platnost v roce 2019. Prozatím jedinou možností je v tomto případě certifikace ETA, aktuálně s možností certifikace dle EAD 040011-00-1201 [5].
Použití VIP ve stavebnictví je v současné době poměrně specifické, ale v praxi je možné uplatnit VIP při zateplování většiny typů stavebních konstrukcí. Při návrhu využití VIP ve stavebních konstrukcích je však nutné vždy uvážit následující skutečnosti:
- Většina VIP má oproti klasickým tepelněizolačním materiálům nižší životnost, resp. tepelněizolační vlastnosti VIP se v čase mění.
- VIP vykazují i při svém případném poškození nebo při degradaci tepelněizolačních vlastností vlivem stárnutí stále velice dobré tepelněizolační vlastnosti na úrovni těch nejlepších tepelných izolantů (většinou na úrovni 19–23 mW/(m.K).
- Skladbu stavební konstrukce je tedy vhodné navrhovat kombinovaně a VIP doplňovat primární izolaci na bázi klasických izolantů a dosáhnout tak vyššího odporu stavební konstrukce při menší tloušťce izolantu. Konstrukci je pak vhodné navrhnout tak, aby i po změně tepelné vodivosti VIP (vlivem stárnutí nebo poškození) vykazovala dostatečné tepelněizolační vlastnosti a zajistila bezchybné fungování konstrukce a splnění požadavků v oblasti tepelné ochrany budov (v ČR dle ČSN 73 0540 – 2 [6]).
Klíčové využití VIP ve stavebnictví je především v oblasti kritických detailů stavebních konstrukcí neumožňujících zabudování izolantu v dostatečné tloušťce a v oblasti dodatečného zateplení. Tato kritická místa vznikají především ze statických, prostorových či estetických důvodů. V dnešní době je stále vzrůstající tlak na řešení těchto detailů již ve fázi projektování stavby, prováděcí dokumentace. Jedná se například o následující detaily:
- napojení svislých a vodorovných konstrukcí,
- nadpraží otvorů,
- ostění otvorů,
- napojení výplní otvorů na podlahové skladby,
- statické prvky vystupující před obálku budovy.
Výše uvedené příklady využití vakuových izolačních panelů je možné realizovat již v průběhu výstavby a předejít tak nepříjemnostem spojeným s následnými tepelnými mosty. Vakuové izolační panely lze však stejně úspěšně využít také v oblasti sanací stávajících staveb.
Absence dostatečného tepelnětechnického řešení na stávajících konstrukcí – tepelné mosty – se nejčastěji projevuje výskytem zvýšené vlhkosti a následných plísní v těchto oblastech viz příklady Obr. 3 a 4. V níže uvedených případech se jedná o tepelný most v oblasti kombinace věnce, koutu místnosti a nadokenního překladu. V této oblasti je velice obtížné eliminovat dostatečně účinek tepelného mostu bez použití zateplovacího systému.
Obr. 3. Detail nadpraží s výskytem plísní v důsledku nedostatečného tepelnětechnického řešení nadpraží
Obr. 4. Termovizní snímek tepelného mostu v oblasti nadpraží
Právě oblasti výplní otvorů jsou místa, kde se nejčastěji setkáváme s tepelnými mosty. Řešení těchto vad mohou poskytnou právě vakuové izolační panely, které je možné zabudovat i do oblasti, kde se klasické izolanty vzhledem k nutné vyšší účinné tloušťce konstrukčně nedají použít.
Obr. 5. Rozložení teplotního pole při chybné osazení výplně otvoru vzhledem k poloze tepelné izolace
Další velmi častou vadou, která se objevuje na stávajících konstrukcích je chybné osazení výplní otvorů, konkrétně vzájemná poloha výplně otvoru a tepelné izolace umístěné v nadpraží otvoru (Obr. 5).
Obr. 6. Rozložení teplotního pole při použití vakuového izolačního panelu při sanaci chybné osazení výplně otvoru vzhledem k poloze tepelné izolace
V případě vady uvedené na Obr. 5 je velmi efektivní způsob sanace použití vakuového izolačního panelu v oblasti ostění okna z vnější strany (uvažovaná tloušťka 20 mm). Výsledné rozložení teplotního pole po aplikaci vakuového izolačního panelu na ostění je uvedeno na Obr. 6.
Použitím vakuového izolačního panelu při sanaci vady chybné osazení výplně otvoru vzhledem k poloze tepelné izolace došlo k podstatné změně rozložení teplotního pole tohoto detailu (celkově došlo ke zvýšení teploty v kritickém detailu o +4,5 °C). Povrchová teplota v oblasti ostění ze strany interiéru se podstatně zvýšila a je tak zamezeno možné kondenzaci vlhkosti v této oblasti a následnému vzniku plísní. Detail provedení je podrobněji na Obr. 7.
Obr. 7. Detail osazení vakuového izolačního panelu na ostění otvoru, 1 – stávající konstrukce, 2 – stávající povrchová úprava, 3 – dodatečná povrchová úprava, 4 – vakuový izolační panel, 5 – paropropustná páska, 6 – připojovací spára, 7 – rám výplně otvoru, 8 – parotěsná páska
Obr. 8. Schéma osazení vakuových izolačních panelů na ostění otvoru, 1 – VIP, 2 – minerální vata
Při sanaci tepelných mostů v oblasti ostění je vhodný následující postup. Před osazením VIP na ostění výplně otvoru je nutné nejprve odstranit stávající povrchovou úpravu v oblasti ostění ze strany interiéru i exteriéru. Následně se provede kontrola připojovací spáry, případné odstranění stávajícího materiálu a nahrazení vhodným tepelněizolačním materiálem – například výplňovou PUR pěnou. Po vytvrzení materiálu v připojovací spáře se spára utěsní ze strany interiéru parotěsnou páskou a ze strany exteriéru paropropustnou páskou (v souladu s předepsaným postupem dle ČSN 74 6077 [7]). Po aplikaci pásky se na ostění v exteriéru nalepí vakuový izolační panel šířky dle sanovaného ostění. Spára mezi panelem a rámem okna se utěsní pružným tmelem. VIP je nutné aplikovat tak, aby těsně vyplnily kouty v ostění, což jsou z pohledu tepelnětechnicky nejkritičtější místa. Schéma osazení je uvedeno na Obr. 8. Pokud po umístění VIP vznikne spára mezi panely (střed ostění a nadpraží) vyplní se vláknitým tepelněizolačním materiálem. Vzhledem k tomu, že VIP není možné na stavbě dořezávat, lze aplikaci řešit dvěma způsoby:
- Vyrobení VIP přesně na míru daného ostění okna.
- Použití modulárních velikostí VIP a doplnění VIP jiným tepelněizolačním materiálem (většinou XPS nebo PUR pěnou). Zde platí zásada, že se VIP osadí těsně ke spodní části rámu okna a izolant se doplňuje z vnější strany a v horní, případně středové části ostění, podle toho, zda je VIP v jednom nebo ve více kusech.
Posledním krokem sanace je znovuprovedení povrchové úpravy ostění ze strany interiéru i exteriéru. Pro tyto účely je vhodné využít VIP s povrchovou úpravou (například s nalepenou tenkou vrstvou jiného typu izolantu (XPS nebo PUR pěna), aby bylo možné danou povrchovou úpravu na VIP provést bez poškození VIP. Existuje celá řada řešení, jak modulárních nebo zakázkových (pro jednotlivé aplikace) u předních světových výrobců (např. firmy Kingspan Insulation - izolační panely OPTIM-R, Porextherm, Turvac, atd.).
4. Závěr
I přes své výjimečné tepelněizolační vlastnosti nejsou vakuové izolační panely ve stavebnictví příliš rozšířeny. Příčinou je jejich náchylnost k mechanickému použití a s ní související způsob aplikace vyžadující pečlivé dodržení technologických předpisů. Avšak, jak je vidět na Obr. 6., vhodnou aplikací je možné dosáhnout efektivní sanace tepelnětechnických vad konstrukcí, kdy panel je schopen nahradit při výrazně menší celkové tloušťce dnes běžně používané tepelněizolační materiály. Hlavní význam využití VIP ve stavebnictví je především v efektivní izolaci detailů, kde není možné využít izolanty o větší tloušťce, což je právě příklad energetických sanací problematických detailů. Při tomto lokálním využití VIP potom není kratší životnost VIP problémem, protože izolant je většinou osazen na dostupném místě v konstrukci a je možné provést jeho výměnu po skončení jeho životnosti v konstrukci (zhoršení tepelněizolačních vlastností).
5. Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“ a projektu GA17-00243S Studium chování izolačních materiálů při extrémně nízkém tlaku.
6. Literatura
- Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU o energetické náročnosti budov, 2010
- BRUNNER S. Vacuum insulation panels for building applications – Continuous challenges and developments, Energy and Buildings 85, 2014
- NEMANIČ V., ŽUMER M. New organic fiber-based core material for vacuum thermal insulation, Energy end Buildings 90, 2015
- CAPS R., BEYRICHEN H., KRAUS D., WEISMANN S. Quality control of vacuum insulation panels: Methods of measuring gas pressure, Vacuum 82, 2008
- EAD 040011-00-1201 Vacuum insulation panels (VIP) with factory applied protection layers, EOTA, 2017
- ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky, 2011, Z1 2012
- ČSN 74 6077 Okna a vnější dveře – Požadavky na zabudování, 2018
Construction and renovation often brings thermal-technical challenges in certain details of certain structures. These details often place strict limitations on the thickness of thermal insulations. This is where the so-called superinsulations (i.e. materials with exceptionally low thermal conductivity) can find good use. The paper focuses on the use of these superinsulation materials in the remediation of thermal bridges in door and window jambs.