Tepelnoizolačné kompozitné materiály na báze druhotných surovín

Podstatou funkčnosti stavebného detailu je dosiahnutie celistvosti tepelnoizolačnej obalovej konštrukcie. V prípade murovanej atiky to predstavuje častý problém. Výsledok správnosti realizácie zateplenia celej strechy závisí od kvality konštrukčných detailov s obmedzením vplyvu tepelných mostov. Ak tieto požiadavky nie sú náležite splnené, tepelnoizolačné vlastnosti plochých striech sa zhoršujú a dochádza k zvyšovaniu tepelných strát, ako aj k prípadným chybám a poruchám.

Konštrukčný detail predstavuje vo všeobecnosti základné spojenie medzi architektonickým a konštrukčným riešením stavebného diela. Predpokladom správneho fungovania je rešpektovanie statického, architektonického a rovnako tepelnotechnického hľadiska pri jeho návrhu. V súčasnosti je neoddeliteľnou súčasťou komplexného projektového riešenia väčšiny stavebných objektov, a predovšetkým tých, ktoré patria do kategórie pasívnej a nízkoenergetickej výstavby.

Návrh detailov napojenia, pripojenia, prechodov a prienikov s cieľom vylúčiť alebo obmedziť vplyv tepelných mostov má podstatne väčší význam ako v predchádzajúcom období (v súlade s STN 73 0540-2: 2002: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 2: Funkčné požiadavky). Správne vyriešeným detailom možno totiž predísť neskoršiemu výskytu tepelných mostov v čase užívania stavby.

Murovaná atika plochej strechy
Jeden z najproblematickejších konštrukčných detailov predstavuje detail atiky plochej strechy. Nakoľko ploché strechy umožňujú plnohodnotné využitie posledného podlažia v podobe terás alebo plôch na iné prevádzkové účely, tvoria početnú súčasť výstavby. Dôležitým faktorom pri ich návrhu je výber vhodného tepelnoizolačného materiálu.

V súčasnosti sa prerušenie tepelného mosta konštrukcie murovanej atiky plochej strechy rieši spravidla tradične dostupnými tepelnoizolačnými materiálmi. Ide o expandovaný polystyrén, výnimočne extrudovaný polystyrén a penové sklo. Pre kvalitný projekt zateplenia strešnej konštrukcie je správny výber tepelnej izolácie v závislosti od účelu strechy a typu konštrukcie zásadný.

Ak sa projektant rozhodne pre použitie penového skla, musí počítať s malou variabilitou rozmerových dimenzií. Takto obmedzená variabilita spôsobuje často nutnosť prvky z tohto materiálu upravovať na požadované rozmery. Aby nedochádzalo k prieniku vlhkosti do neuzatvorených pórov, treba hrany, ktoré úpravou vzniknú, ošetriť asfaltovým náterom. Vzhľadom na to, že je penové sklo krehké, môže pri jeho dodatočnej úprave a zabudovaní prísť k porušeniu štruktúry, a tým k zhoršeniu fyzikálnych (predovšetkým tepelnotechnických) a mechanických (pevnosť v tlaku) vlastností. Popri týchto nevýhodách má penové sklo aj nesporné výhody, ktorými sú nízka tepelná vodivosť, nenasiakavosť a únosnosť. Použitie penového skla patrí k štandardným riešeniam. Nepatrí k alternatívnym materiálom používaným v riešeniach s moderným prístupom. Takýto typ materiálu predstavuje tepelná izolácia na báze druhotných surovín.

Porovnanie troch rozličných typov riešenia konštrukčného detailu
Za účelom zistenia vhodnosti použitia tepelnej izolácie na báze druhotných surovín sa realizovala analýza troch typov konštrukčného riešenia detailu murovanej atiky. Porovnával sa variant konštrukcie atiky bez tepelnotechnického opatrenia V1 (obr. 2) a dva varianty zateplených detailov, variant V2 s využitím tepelnoizolačného materiálu polystyrénu EPS a variant V3 so zabudovaným kompozitným materiálom na báze druhotných surovín. Kritériami na vyhodnotenie analýzy boli normové veličiny napríklad lineárny stratový súčiniteľ a teplotný faktor vnútorného povrchu.

Definícia lineárneho stratového súčiniteľa ψ (W/m . K) sa uvádza v norme STN EN ISO 14683: 2008 (Tepelné mosty v stavebných konštrukciách. Lineárny stratový súčiniteľ. Zjednodušené metódy a orientačné hodnoty (ISO 14683: 2007)). Vyjadruje rozdiel medzi výpočtom prechodu tepla klasickým jednoduchým približným postupom a prechodom tepla jednotlivými konštrukciami (STN 73 0540-2). Presnejší výpočet možno získať po zohľadnení tepelných väzieb medzi stavebnými konštrukciami (ich stykov), ktorých vplyv sa zisťuje riešením dvojrozmerných a trojrozmerných teplotných polí. Na zjednodušenie práce sa jednotlivé tepelné väzby stanovujú samostatne, môžu sa preto aj samostatne hodnotiť (STN 73 0540-2). Na opis lineárneho stratového súčiniteľa ψ existujú tri hodnoty – ψe (vonkajšia), ψi (vnútorná) a ψoi (celková vnútorná). Najdôležitejší je súčiniteľ ψe, ktorý sa stanovuje z vonkajších rozmerov konštrukcií. Pre konštrukčný detail, na ktorý majú vplyv výlučne dve okrajové teploty, sa lineárny stratový súčiniteľ určí ako:

ψ = L – ∑Uj . bj

kde    L    je    vypočítaná tepelná priepustnosť (W/(m . K))
    Uj    –    súčiniteľ prechodu tepla j-tej konštrukcie (W/(m² . K))
    bj    –    šírka j-tej konštrukcie (m).

Na pomerné vyjadrenie povrchovej teploty v kritických detailoch slúži bezrozmerná tepelnotechnická veličina – teplotný faktor vnútorného povrchu fRsi.

Na analýzu sa použila metóda konečných prvkov, ktorá je súčasťou počítačovej aplikácie Ansys. Pri hodnotení konštrukcií boli vstupné okrajové podmienky teploty vonkajšieho vzduchu θe = –15 °C a teplota vnútorného vzduchu θai = 26 °C. Aby bolo možné výsledky porovnať, aplikovali sa jednotlivé tepelnoizolačné materiály vždy v jednotnej hrúbke 100 mm. Konštrukčná schéma je uvedená na obr. 1. Konštrukciu steny na obr. 1, v oblasti A tvoria murovacie tvarovky Heluz THERMO STI 44 (247/440/249) s tepelnou vodivosťou v smeroch x a y λx = 0,102 W/m . K  a λy = 0,674 W/m . K.

Obr. 1  Konštrukčná schéma analyzovanej atikovej konštrukcie so zabudovaným tepelnoizolačným kompozitným materiálom na báze druhotných surovín

Obr. 2  Analýza konštrukcie atiky bez eliminácie tepelného mostu – variant V1

Obr. 3  Analýza konštrukčného detailu s využitím tepelnoizolačného materiálu – polystyrén EPS, variant V2

Prerušenie tepelného mostu – Variant V2
V prípade použitia expandovaného polystyrénu EPS (obr. 3) sa minimalizácia tepelného mostu realizuje plošným kontaktným zateplením po celom (rezovom) obvode konštrukcie. Takto realizovaná tepelná izolácia sa nesmie končiť na nadmurovke (obr. 1, oblasť C), ale je nutné ju predĺžiť cez hornú stranu (obr. 1, oblasť D) a vnútornú časť atiky (obr. 1, oblasť F). V prípade prevádzkovej strechy dochádza v tejto časti konštrukcie k väčšiemu mechanickému namáhaniu a je nutné použiť rozličné obkladové materiály alebo iné alternatívne riešenia, aby nedochádzalo k znižovaniu životnosti tepelnoizolačnej vrstvy. Ďalším nedostatkom polystyrénu ako tepelnoizolačného materiálu, je nutnosť realizovať stavebný detail takým spôsobom, aby polystyrén nedochádzal do kontaktu s fóliovými mPVC hydroizoláciami. Táto nevýhoda je spôsobená nízkou odolnosťou polystyrénu proti organickým rozpúšťadlám. Z pohľadu súčasnej architektúry uprednostňujúcej štíhle konštrukcie, pôsobí zateplenie stavebného detailu po celom obvode robustne a nie príliš esteticky.Ďalšou nevýhodou je nutnosť použiť väčšie množstvo tepelnoizolačného materiálu a klampiarskych prvkov.

Nemenej dôležitá je aj otázka životnosti materiálov. V jednotnej európskej smernici ETAG 004, v ktorej sú určené riadiace pokyny pre technické schvaľovanie výrobkov vonkajšieho tepelnoizolačného kontaktného systému (ETICS), sa stanovuje minimálna životnosť len 25 rokov.

V modeli dvojrozmerného teplotného poľa sa nezohľadňujú ďalšie možné tepelné mosty, ktoré by mohli vzniknúť zhotovením klampiarskych konštrukcií (oplechovanie a podobne), prípadne kotvením zábradlia, bleskozvodov, upevňovacích prvkov telekomunikačných systémov a podobne. V matematickom modeli sa počítalo s ďalším zateplením z vnútornej strany atiky (obr. 1, oblasť F), ktoré sa bežne realizuje.

Niektoré nevhodné riešenia spočívajúce v lokálnom zateplení môžu často spôsobiť trhliny vo vonkajšej omietke. Možným riešením je využitie komplexného zateplenia celého obvodového plášťa objektu. Tým však dochádza k potlačeniu efektivity tepelnoizolačných vlastností špeciálnych termoizolačných murovacích prvkov, vhodných na realizáciu jednovrstvového muriva.

Prerušenie tepelného mosta – variant V3
Moderné riešenie vychádza z potrieb trvalo udržateľného rozvoja a stále sa sprísňujúcich nárokov technických noriem. Je preto vhodné jednotlivé konštrukčné detaily stavebných objektov zostavovať a optimalizovať použitím vhodných alternatívnych materiálov.

Izolácia použitá v konštrukčnom detaile na obr. 4 je navrhnutá z kompozitného polymérneho materiálu, ktorý tvorí matricu a z plniva – prvkov skla získaných recykláciou odpadu. Z kompozitného materiálu možno vytvoriť izolačné dosky, ktoré sa podľa potreby spájajú na pero a drážku [1]. Vlastnosti takto vytvoreného materiálu umožňujú jeho použitie priamo na exponovanom mieste najväčších tepelných tokov v plnom priereze stavebnej konštrukcie (obr. 1, oblasť G). Tým sa efektívne eliminuje tepelný most a znižujú sa celkové tepelné straty.

Aby sa mohli omietkové systémy spoľahlivo aplikovať, treba dať na vonkajší povrch izolačného bloku armovaciu výstužnú tkaninu (obr. 1, oblasť H). Použitím materiá­lov s vysokou trvanlivosťou možno týmto variantom riešenia dosiahnuť väčšiu životnosť ako v prípade kontaktného tepelnoizolačného systému.

Obr. 4  Štruktúra kompozitného materiálu na báze druhotných surovín v reze (fotodokumentácia z vývoja materiálu)

Vyhodnotenie analyzovaných variantov
Hodnoty tepelnotechnických veličín vrátane vstupného parametra súčiniteľa tepelnej vodivosti λ sú uvedené v tabuľke. Z prehľadu je zrejmé, že súčiniteľ tepelnej vodivosti nie je jediným určujúcim kritériom na rozhodnutie o tom, aký tepelnoizolačný materiál použiť. Veľkou výhodou kompozitného materiálu je možnosť jeho zabudovania priamo do konštrukcie na mieste, v ktorom dochádza k najväčším tepelným tokom. Tým možno dosiahnuť najefektívnejšie zateplenie konštrukcie. Lineárny stratový súčiniteľ dosahuje takmer dvojnásobne lepšie hodnoty ako vo variante V2 – aplikácia polystyrénu EPS.

Tab.  Výsledky analýzy jednotlivých variantov a vstupné parametre súčiniteľa tepelnej vodivosti λ

Záver
Pri voľbe tepelnoizolačného materiálu je nutné zvážiť jeho požadované vlastnosti, ktoré sa pri jednotlivých typoch zásadne líšia. Kritériom takéhoto výberu okrem fyzikálnych vlastností a finančných nákladov môže byť aj ekologické hľadisko. Pokiaľ ide o tepelnotechnické vlastnosti, tradičným materiálom v špecifickom prostredí sú schopné konkurovať aj materiály na báze druhotných surovín. Ich aplikáciou možno zároveň prispieť k zníženiu negatívneho vplyvu stavebného priemyslu na životné prostredie.

Výhodou kvalitne vyriešených konštrukčných detailov je nielen zníženie tepelných strát odstránením typických tepelných mostov, ale aj zníženie rizika tvorby plesní a prípadného porušenia vlastností konštrukcie zo statického hľadiska.

Z porovnania vyplýva, že použitím kompozitného materiálu na báze druhotných surovín možno splniť požiadavky na fyzikálne a mechanické vlastnosti konštrukčného detailu rovnako dobre ako použitím tradičných stavebných materiálov. Nedochádza pritom k zhoršeniu kvalitatívnych vlastností a životnosti konštrukčného riešenia. Zistené výsledky sú dobrým príkladom využitia recyklovaného materiálu v stavebníctve s cieľom ušetriť množstvo energie a chrániť životné prostredie.

TEXT: Ing. Libor Matějka, CSc., PhD., MBA
Ing. Libor Matějka, DiS.
OBRÁZKY: archív autora

Ing. Libor Matějka, CSc., PhD., MBA, pôsobí na Stavebnej fakulte VUT v Brne.
Ing. Libor Matějka, DiS. je doktorandom na Stavebnej fakulte VUT v Brne.

Recenzoval prof. Ing. Ivan Chmúrny, ktorý pôsobí na Katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra:
1.    Matějka L. – Pěnčík J.: Tepelně izolační kompozitní plast. Brno: VUT, Úrad priemyselného vlastníctva. Patentový spis 20388., Česká republika, 2009.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.