Reflexní či termoreflexní izolace se v praxi uplatňují stále víc. Jejich základem, jak neúplně napovídá název, je odrážení tepelného záření. Správný stavební návrh by měl počítat s konvenční i s reflexní tepelnou izolací a podle povahy stavby obě vhodně kombinovat.
Co je reflexní izolace a jak funguje
Pokud jde o konvenční izolace, tam se zdá být znalost základních principů lepší. Až na to, že nemalý podíl tepelných toků se v běžných, velmi lehkých a tedy vzdušných izolacích děje také sáláním. Tepelné výpočty, které jsou odvozeny z difúzní rovnice, ale sálavé děje neznají. Natož fakt, že se sálavé teplo šíří rychlostí světla a na velké vzdálenosti, zatímco vedením a proudění tepla postupuje jen pomalu a lokálně - od molekuly k molekule, bez „přeskakování“.
Tepelné izolace jsou ve výstavbě jednou ze základních součástí stavby, jejichž vhodným výběrem a správnou aplikací podstatně ovlivníme kvalitu celého objektu. Základem reflexních izolací je nosič (např. několik mm silná bublinová či pěnová vrstva), který je pokovený z jedné či obou stran velmi tenkou vrstvou hliníkové fólie. Složením několika takových jednotek vznikne vícevrstvá (termo)reflexní izolace. Méně známé je, že když reflexní povrch ohraničuje vzdušnou izolaci, např. desku pěnového polystyrénu, podstatně v ní sníží velikost sálavé složky − zejména v jejích okrajových vrstvách.
Fyzikální podstata sálavého přenosu a role reflexe
Fakticky to znamená snížení součinitele tepelné vodivosti (lambdy) izolace. Je to její tepelný odpor a "sálavé" povrchové vlastnosti - reflexivita a emisivita. Světelné nebo tepelné (infračervené) záření, které dopadá na lesklý povrch fólie, se z větší části odrazí nazpět ke zdroji, zbytek je fólií pohlcen. Pohlcené záření se ve fólii změní v teplo. Poměr intenzity odraženého záření a záření, které na povrch dopadá, je reflexivita, značíme ji symbolem r. Je to bezrozměrné číslo nabývající hodnot v intervalu (0;1), u běžných reflexních fólií mezi 0,8 až 0,9. Číslo a = 1 - r vyjadřuje pohltivost záření fólií.
Co jsou reflexní izolace? Termoreflexní izolace pracují se sálavou (zářivou) složkou sdílení tepla ve vzduchové mezeře. Její podíl na celkovém prostupu tepla činí v mezeře od 5 mm výš od 92% do 99,7 % přiznává norma. Při vhodné tloušťce mezery a vysoké termoreflexi jejích okrajů s kaskádou přestupových odporů, je potlačeno sálávé sdílení tepla mezi mezerami i vliv vedení a proudění. Sálání jako takové potlačeno není. Jeho velikost (bez ohledu na reflexe) vždy závisí jen na teplotě.
Historie a teoretické základy
Jde o málo názornou veličinu, neboť sálání těles o pokojových teplotách (a chladnějších) nedokážeme vidět a ani jinak vnímat. Tuto problematikou se v 18. a 19. století zabývali vědci Gustav Kirchhoff, Wilhelm Wien, Josef Stefan, Ludwig Boltzmann a konečně Max Planck. A právě Planck formuloval roku 1900 přesný popis tepelného záření, platný dodnes. I) Stefanův-Boltzmannův zákon, který říká, že tzv. > III) Kirchhoffův zákon, který uvádí vztah mezi emisivitou a pohltivostí tepelného záření. Černé těleso pohlcuje z definice veškerou zářivou energii, která na něho dopadne. Jeho poměrná pohltivost je jedna. Reflexní těleso pohlcuje jen část r dopadajícího záření, zbytek, tzn. poměrnou část a = 1 - r odráží. Gustav Kirchhoff své tvrzení dokázal pomocí 2. zákona termodynamiky. Pro reflexní techniku je to klíčový fakt.
Praktické důsledky pro konstrukce a výpočty
Pokud např. sluneční paprsky rozpálí střešní krytinu na 60 °C, sálá krytina do střechy s intenzitou 700 W/m². Přiložíme-li tenkou reflexní fólii kontaktně na spodní stranu krytiny tak, aby reflexní vrstva mířila do větrané mezery, potom těsný kontakt krytiny s fólií zajistí, že se i reflexní povrch fólie ohřeje také na téměř 60 °C. Protože má ale fólie emisivitu ε = 1 - r = 0,1, bude vyzařovat jen s intenzitou 700·0,1 = 70 W/m². A to už je pořádný rozdíl!
Intenzity sálání černých těles (tzn. Mějme vzduchovou mezeru tloušťky w, ohraničenou z obou stran deskami o tepelném odporu RD. Zajímavý je odpor vlastní vzduchové mezery RM. Ten se skládá z nesálavého odporu RK a k němu paralelnímu "odporu" RS, který reprezentuje sálavou složku. Použijeme-li místo tepelných odporů jejich převrácené hodnoty, tj. A) Odpor vzduchové mezery RM pro sálavé povrchy. kde λ je součinitel (čisté) tepelné vodivosti vzduchu.
Co se týče sálavé složky RM, předpokládejme, že povrch desek ohraničujících z obou stran vzduchovou mezeru má ε → 1. Běžné desky mají cca ε = 0,90 až 0,98. Sálavou složku prostupu tepla mezerou spočítáme ze Stefanova-Boltzmannova zákona. Při teplotě t1 = 20 °C sálá vnitřní deska s intenzitou I1 = σ(20 + 273,15)4 = σT14 = 419 W/m², kde T1 je termodynamická teplota povrchu vnitřní desky orientovaného do mezery. Protilehlá deska na studené, venkovní straně, veškeré toto sálání pohltí. Venkovní deska však také sálá. Je-li její teplota t2 = 0 °C, sálá pak proti vnitřní desce výkon I2 = 316 W/m². Rozdíl I2 -I1 = 103 W/m² je skutečná hustota toku sálavého tepla mezi deskami, tzn.
V klasické stavební tepelné technice, která vychází z difúzní rovnice (pro vedení tepla), se počítá tepelný odpor jako podíl R = ΔT/I. Dosazením příkladných hodnot získáme RS = 20/(419-316) = 0,194 m²K. Vidíme, že nám sálání zcela znehodnotilo příjemně vysoký konvenční tepelný odpor RK = 4 m²K/W. A) Odpor vzduchové mezery RM pro nesálavé povrchy. Pojem nesálavé povrchy budeme vztahovat na reflexní povrchy, jak je známe zejména u termoreflexních fólií. Ty, jak víme, odrážejí přibližně 9/10 dopadajícího záření a zbytek pohlcují. Stejný podíl, jaký pohlcují, fólie podle Kirchhoffova zákona také vyzařují a to z celku, kterým je intenzita sálání černého tělesa σT4. Reflexní, tzn. nesálavý povrch s odrazivostí r má tedy pohltivost a = 1 - r, která je rovna emisivitě ε.
Experimenty a praktické výsledky
Upravme vzduchovou mezeru tak, že obě okrajové desky potáhneme tenkou reflexní vrstvou o emisivitách ε1 a ε2. Odražená část se po dalším odrazu o první plochu zeslabí na (1-ε1)(1-ε2)ε1σT4 a dopadne opět na plochu 2. Ta z ní pohltí část ε2(1-ε1)(1-ε2)ε1σT4 a část (1-ε2)²(1-ε1)ε1σT4 odrazí. Atd... Znázorňuje to obr. 1. Nekonečná řada v hranaté závorce je geometrická řada s kvocientem (1-ε1)(1-ε2) < 1, jejíž součet je konečný a rovný 1/(ε1+ε2-ε1ε2). kde A = 1/(1/ε1+1/ε2-1) je součinitel vzájemného sálání.
Tepelný odpor vzduchové mezery v závislosti na její tloušťce: Ohraničení mezery je sálavé (ε1 = ε2 = 1 - modrá křivka), polosálavé (ε1 = 1; ε2 = 0,1 - červená křivka) a nesálavé (ε1 = 0,1; ε2 = 0,1 - žlutá křivka). Obr. 3: Součinitel tepelné vodivosti vzduchové mezery v závislosti na její tloušťce.
V tabulce 2 jsou uvedeny ukázky: Přibližně totéž, co platilo pro vzduchové mezery, platí i pro vrstvy vysoce lehčených tepelných izolací, jejichž příkladem je pěnový polystyrén. Sálaný paprsek v tomto materiálu ale urazí cca 2 až 3 mm a je pevnou strukturou pěny pohlcen; pěna samozřejmě, jako každá hmota, také záření emituje. Reflexní fólie, která kontaktně ohraničuje vrstvu pěnového polystyrénu, přeruší sálavý tok, který vstupuje či vychází z izolace.
Podrobné aplikace a konkrétní produkty
Reflexní izolace jsou přijímány pouze velmi malou skupinou odborné veřejnosti. RNDr. SUNFLEX Floor PRO Reflexní fólie pod podlahové vytápění. V případě použití podlahového topení dochází k vedení tepla nejen směrem k vytápěnému prostoru, ale také v opačném směru, do podlahy. Podkladová fólie SUNFLEX Floor PRO pro podlahové topení snižuje vyhřívání prostoru pod teplovodným potrubím a odráží tepelné paprsky zpět do obytného prostoru. Tato fólie zlepšuje příčné vedení tepla směrem nahoru a do stran a umožňuje tak dosáhnout rovnoměrné teploty podlahy. Může se používat jako dilatační podložka, pokud ji v rozích ohrnete směrem ke zdi.
Podkladová fólie SUNFLEX Foam Reflexní fólie pod plovoucí a dřevěné podlahy. Fólie z pěnového polyetylenu je vynikajícím řešením pro srovnání nerovných základových povrchů v případě plovoucích podlah, desek nebo pásů z tvrdého dřeva. Reflexní vrstva odráží teplo zpět k vytápěnému prostoru a výrazně snižuje tepelné ztráty podlahou.
V dnešních systémech se často využívá i reflexní či termoreflexní fólie. Pokusme se v následujícím textu zaměřit na fyzikální podstatu děje a uvést některé hodnoty získané experimentálně. Otopná plocha byla dělena na dvě poloviny, kde v jedné byla na tepelnou izolaci položena termoreflexní fólie (skladba S1) a v druhé polovině hydroizolační nereflexní PE fólie (skladba S2).
Při použití prosté reflexní fólie nemůže dojít ke změně tepelné propustnosti. Vlastní vedení tepla tenkou vrstvou fólie je zahrnuto v sumě. Reflexní fólie nemůže změnit rozhodující veličinu pro tepelný tok směrem dolů, tj. Termoreflexní fólie může teoreticky změnit tepelnou propustnost vrstvy pod rovinou trubek díky tepelnému odporu vzduchové mezery, a tak i tepelný tok sdílený do a pod vytápěný prostor.
V rámci experimentu byla volena shodná skladba otopných ploch systému. V první polovině sledované otopné plochy byla použita termoreflexní fólii (TRF) a v druhé pouze PE fólii (PEF). Obě poloviny otopné plochy byly od sebe odděleny tepelnou bariérou a napájeny vodou o stejné přívodní teplotě a stejném hmotnostním průtoku.
Výsledky ukazují, že termoreflexní fólie změnila tepelnou propustnost vrstvy pod rovinou trubek, a tak i tepelný tok sdílený především pod vytápěný prostor velmi nepatrně. V ustáleném stavu rozdíl vykazuje pouhé 1 %. Povrchové teploty se na změně tepelného výkonu předávaného do vytápěného prostoru neprojevily. Rozdíly v tepelných výkonech jsou tak vázány pouze na teplo přivedené do otopné plochy ve vodě a nikoli sdílené na povrchu otopné plochy směrem do vytápěného prostoru.
Marketing a realita na trhu
Stále více a více medializovaná honba za co největší úsporou je zneužívána marketingovými akcemi firem, které se netrápí seriózním přístupem k zákazníkovi. Nabízejí zákazníkovi „zázračné odrazové“ fólie, které ušetří 10 až 30 % tepelné energie. Využívají faktu, že zákazník se o fyziku většinou nezajímá a nemá žádnou šanci tuto úsporu změřit, natož pak eventuálně reklamovat. Pokud se navíc nechají přesvědčit, že použitím této „zázračné odrazové“ fólie ještě ušetří několik cm standardní tepelné izolace (do podkladu), kterou pak nepoužijí, paradoxně budou platit za energii více, protože budou více vytápět podloží (základovou desku, sklep, atd.).
Hliník na fólii navíc do několika dnů po zalití zmizí, protože podlehne chemické reakci se zásaditým anhydritem nebo betonovou směsí. Tím, že se tyto fólie používají hlavně v případě, kdy se trubka připevňuje pomocí sponek (cca 2 - 3 sponky na 1m trubky), nepomůže ani provedení fólie s hliníkem na spodní straně, protože se zásaditá voda dostane propíchanými otvory pod fólii, kde reaguje s hliníkovou vrstvou. Navíc tato voda nasákne do podkladové izolace, čímž sníží její izolační vlastnosti.
Jak prokázal experiment na Ústavu techniky prostředí ČVUT v Praze, ve skladbě podlahového vytápění nepomůže ani bublinková verze těchto „zázračných odrazových“ fólií. Snížení konstrukční výšky podlahového vytápění při dodržení požadovaného tepelného odporu se dá dosáhnout jen použitím velmi kvalitních tepelných izolací např. desky PIR. Z nových technologií by nejlepším řešením bylo použití vakuových izolačních desek, které budou mít při stejném tepelném odporu zhruba 1/10 výšky, ale jsou asi 6x nákladnější. Skutečnou úsporu nákladů dosáhneme jen při použití kvalitních materiálů a systémů.
tags: #termoreflexni #izolacni #folie