Izolacja termiczna w budownictwie.

Izolacja termiczna jest jednym z najskuteczniejszych sposobów oszczędzania energii na potrzeby chłodzenia i ogrzewania budynków. Dlatego określenie i wybór optymalnej grubości izolacji jest głównym przedmiotem wielu badań inżynieryjnych.

Wybór optymalnej grubości izolacji.

Wybór optymalnej grubości izolacji wymaga szczegółowej analizy energetycznej i ekonomicznej. Grubość i rodzaj izolacji termicznej ścian zewnętrznych zależy miedzy innymi od rodzaju materiału konstrukcyjnego ściany, od strefy klimatycznej i orientacji budynku względem stron świata, czasu ogrzewania i chłodzenia oraz prędkości i kierunku wiatru. Szczególnie ważny jest dobór odpowiedniego rodzaju materiału izolacyjnego i określenie optymalnej grubości izolacji. Najczęściej używanymi w świecie materiałami izolacyjnymi są: spieniony polistyren, polistyren ekstrudowany, wełna mineralna, wata szklana, spieniony poliuretan, perlit i spieniony polichlorek winylu.  Jako parametry oceny ekonomicznej izolacji termicznej ścian najczęściej przyjmuje się SPBT – Prosty Okres Zwrotu Nakładów oraz LCC- Koszt w Cyklu Życia obiektu.

Spieniony polistyren jest najbardziej ekonomicznym materiałem izolacyjnym.

Według [1] biorąc pod uwagę różne orientacje, kolory powierzchni elewacji, materiały izolacyjne i klimat, optymalna grubość izolacji termicznej w Chinach wynosi od 5,3 do 23,6 cm, a okresy zwrotu wynoszą od 1,9 do 4,7 lat. Natomiast wyniki analizy efektywności ekonomicznej zastosowania materiałów izolacyjnych pokazują, że spieniony polistyren jest najbardziej ekonomicznym materiałem izolacyjnym spośród pięciu (spieniony polistyren, polistyren ekstrudowany, spieniony poliuretan, perlit, spieniony polichlorek winylu) badanych rodzajów izolacji termicznej, ponieważ zrobiona z niego izolacja termiczna ściany charakteryzowała się najmniejszym kosztem w cyklu życia i najniższym okresem zwrotu nakładów.

Izolacja termiczna sprawdza się również w procesie chłodzenia budynku.

Z kolei w pracy [2] pokazano wyniki z których wynika, że w najcieplejszej strefie Turcji zastosowanie izolacji w ścianach budynków ma większe znaczenie w przypadku oszczędności energii w procesie chłodzenia niż ogrzewania. Biorąc pod uwagę oszczędność energii w procesie chłodzenia optymalna grubość izolacji waha się od 3,2 do 3,8 cm, a okres zwrotu nakładów  wynosi od 3,39 do 3,81 lat. Natomiast w przypadku kryterium oszczędności energii na ogrzewanie optymalna grubość izolacji waha się między 1,6 a 2,7 cm, a okresy zwrotu nakładów wynoszą od 4,15 do 5,47 lat. Natomiast dla Aten optymalna grubość izolacji wynosi od 7,1 cm do 10,1 cm.

W warunkach zimnego i umiarkowanego klimatu (Szwecja, Polska) optymalne wartości grubości izolacji cieplnej wynoszą ponad 20 cm wełny mineralnej lub styropianu. Płyty styropianowe ze względu na swoje cechy użytkowe: dużą izolacyjność i minimalny ciężar, nie powodują dodatkowego obciążenia murów, co w przypadku izolacji o grubości 30 cm ma bardzo duże znaczenie. Natomiast płyty z wełny mineralnej mają bardzo dobre właściwości w warunkach pożarowych gdyż są nie palne.

Inne pozytywne efekty.

Innym pozytywem efektem zastosowania izolacji termicznej jest poprawa klimatu akustycznego wnętrz w budynku.  Jest to dodatkowa właściwość polegająca na dużej izolacyjności akustycznej, jaką mają materiały termoizolacyjne.

Omawiając znaczenie izolacji, nie sposób nie zwrócić uwagi na zagadnienie, które z oszczędnością energii jest związane, a więc na ochronę środowiska. Mniejsze straty oznaczają bowiem lepsze wykorzystanie mocy, mniejszą ilość spalonego paliwa, a to z kolei mniejszą emisję zanieczyszczeń do atmosfery.        

Skuteczna izolacja, czyli jaka?

Aby izolacja była w pełni skuteczna, powinna spełniać przynajmniej podstawowe wymogi, do których zalicza się:

• efektywność cieplną, zależną od właściwości zastosowanych materiałów (niski współczynnik przewodności cieplnej),
• stabilność właściwości cieplnych w czasie,
• niezależność właściwości cieplnych od położenia geograficznego,
• niską zawartość wilgoci i małą zdolność jej absorpcji z otoczenia,
• łatwość uzyskiwania próżni (dotyczy to zarówno materiałów włóknistych, jak i porowatych),
• odporność na szybkie zmiany temperatury,
• nieszkodliwość dla człowieka,
• nieszkodliwość dla środowiska.

Natomiast, aby warstwa izolacyjna mogła trwale wypełniać swoją rolę, musi być dostatecznie chroniona przed negatywnym działaniem zewnętrznych czynników mechanicznych i wilgoci. Najczęściej takim zabezpieczeniem jest tynk cienkowarstwowy lub różnego rodzaju okładziny od kamiennych począwszy na metalowych i kompozytowych skończywszy.

Temperatura to jeden z głównych parametrów dających komfort w domu.

Budynki mają zapewnić komfort życia ich użytkownikom. Jednym z podstawowych parametrów dających to poczucie komfortu jest temperatura. Zimą więc izolacja ma tę temperaturę utrzymywać poprzez ograniczenie strat ciepła, zmniejszając jego przepływ przez przegrodę oddzielającą przestrzeń mieszkalną od otoczenia, latem zaś nie pozwalać na swobodną penetrację ciepła do wnętrza budynku. Opracowanie materiału o odmiennych charakterystykach termicznych zimą i latem jest jednym z wyzwań stawianych w obszarach projektów badawczo-rozwojowych [3]. Nie wykluczone, że nastąpi powrót do tzw. przegród inteligentnych rozwijanych i badanych pod koniec ubiegłego wieku głównie pod względem pasywnego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego [3].

W większości krajów UE aktualne, a zwłaszcza przyszłe wymagania ochrony cieplnej budynków, przy założeniu standardowych rozwiązań materiałowych charakteryzują się koniecznością stosowania warstw izolacyjnych gr. od 15 cm do 35 cm, co przekłada się na poszukiwania coraz nowszych technik i sposobów montażu izolacji [3].

Wobec tego kolejnym wyzwaniem stojącym przed producentami materiałów izolacyjnych jest pokonanie granicy 0,02 W/(m·K) przy założeniu taniej, powszechnie dostępnej technologii produkcji. Pozwoliłoby to na spełnienie przyszłych standardów ochrony cieplnej przy grubości warstwy izolacji termicznej nieprzekraczającej 20 cm. Obecnie osiągnięcie tego celu możliwe jest np. dzięki zastosowaniu rozwiązań bazujących na technologii materiałów kompozytowych z wykorzystaniem aerożelu krzemionkowego [3].

Literatura

1. JinghuaYu, ChangzhiYang, LiweiTian, DanLiao, A study on optimum insulation thicknesses of external walls in hot summer and cold winter zone of China, Applied Energy Volume 86, Issue 11, November 2009, Pages 2520-2529, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.03.010
2. Ali Bolattürk, Optimum insulation thicknesses for building walls with respect to cooling and heating degree-hours in the warmest zone of Turkey, Building and Environment, Volume 43, Issue 6, June 2008, Pages 1055-1064 https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2007.02.014
3. Dariusz Heim, Charakterystyka regulacji, które będą miały wpływ na rynek materiałów izolacyjnych,  IZOLACJE 4/2015.