Chanava

Tepelná izolácia

Nanotechnológie na zatepľovanie

V súčasnosti pri neustále rastúcich cenách energií sa problematika úspory nákladov na vykurovanie stáva čoraz naliehavejšia. Bežné spôsoby zateplenia (polystyrén, minerálna vata) nie vždy vyhovejú predstavám riešenia tohto problému či už z hľadiska ceny, náročnosti aplikácie, prípadne priestorových nárokov.

Dnes už na trhu energetických úspor existuje niekoľko alternatív s tenkou vrstvou, ktoré na základe rôznych prístupov sľubujú tepelné úspory. Vo väčšine prípadov ide o odraz tepla - teda izoláciu proti prestupu tepla žiarením. Najznámejším a najpoužívanejším príkladom sú rôzne hliníkové fólie.

Na podobnom princípe - odraze tepla fungujú aj čoraz známejšie nátery, ktoré obsahujú sklo-keramické guličky. Tieto odrážajú tepelné žiarenie späť do miestnosti pri zachovaní dekoračného a ochranného efektu bežných farieb. Energetický prínos týchto riešení je obmedzený pomerom tepelných strát prameniacich z prechodu tepla žiarením, ktorý sa odhaduje na 20 - 30 % z celkových tepelných strát pri bežných stavebných konštrukciách. Preto sa v stavebníctve odporúča ich použitie v kombinácii so štandardnými tepelnými izoláciami.

Aerogély - najlepšie známe izolačné materiály

Firma Industrial Nanotech, výrobca výrobkov Nansulate, zvolila iný prístup. Zamerala sa na komerčné využitie aerogélov - najlepších známych izolačných materiálov, ktoré majú 2 - 4 krát lepšiu tepelno-izolačnú schopnosť ako bežné materiály.

Aerogél je materiál známy od 30-tych rokov 20. storočia. Vyznačuje sa veľmi hustou, ale pritom veľmi jemnou vnútornou štruktúrou, pričom 95 až 99 % jeho objemu tvorí vzduch. Ak by sa jeho vnútorná štruktúra rozvinula do roviny, 1 gram tohto materiálu by pokryl plochu futbalového ihriska. Hrúbky jednotlivých stien sa pohybujú len v nanometroch (1 nanometer je 1 milióntina milimetra). Výnimočné tepelno-izolačné vlastnosti aerogélu sú vo vedeckej obci dobre známe, ale len v posledných rokoch bola zvládnutá technológia jeho výroby tak, aby sa dala použiť v masovom meradle pri rozumných obstarávacích nákladoch.

Aerogél sa môže vyrobiť z rôznych vstupných materiálov, ale najčastejšie sa na jeho výrobu používa kremík alebo uhlík. Ak sa použije kremík, získa sa aerogél s najlepšou odolnosťou voči prestupu tepla vedením. Pri použití uhlíka, materiál vyniká výbornými izolačnými vlastnosťami proti prestupu tepla žiarením.
Firma Industrial Nanotech vyvinula pre Nansulate svoj vlastný materiál s názvom Hydro-NM-Oxid, ktorý je kombináciou aerogélov na báze kremíka a uhlíka. Táto kombinácia bola zvolená tak, aby poskytovala optimálny tepelno-izolačný výkon v teplotách od - 40 až do 200 °C. Jednotlivé častice aerogélov boli následne ošetrené nanovrstvou, ktorá im dodala silné hydrofóbne (vodoodpudivé) vlastnosti a výborne ich chráni pred poveternostnými vplyvmi. To všetko sa podarilo pri dodržaní vynikajúcej paropriepustnosti materiálu. Následne boli tieto častice zmiešané spolu s akrylátovými živicami a vodou a vytvoril sa materiál, ktorý svojou konzistenciou a spôsobom nanášania pripomína farbu.
Štruktúra aerogélu je taká jemná, že ním dokáže prestúpiť svetlo. Keďže 70 % suchého filmu, ktorý vznikne po nanesení Nansulate, je tvorený aerogélmi, Nansulate je po aplikácii takisto priehľadný.

Ako funguje princíp tepelno-izolačných vlastností pri náteroch Nansulate

Prestup tepla sa uskutočňuje troma spôsobmi - vedením, prúdením a žiarením. Nansulate účinne izoluje proti všetkým trom spôsobom.

Vedenie.

Z bežného života tento spôsob poznáme, keď sa napríklad chytíme teplého telesa. Vtedy prestup tepla vnímame tak, že nás tento predmet v danom mieste zohrieva.

Z fyzikálneho hľadiska je prestup tepla vedením v tuhých látkach procesom odovzdávania kinetickej energie rýchlejšie kmitajúcich molekúl molekulám s nižšou kinetickou energiou - kmitaním tak, aby bola dosiahnutá rovnováha.

V prípade materiálu Nansulate bránia prestupu tepelnej energie vedením malé rozmery spojov medzi časticami materiálu, ktoré vytvárajú tepelnú cestu, a ďalej pevné častice obsiahnuté v štruktúre náterového materiálu, pozostávajúce z veľmi malých častíc prepojených v trojrozmernej sieti s veľkým množstvom "slepých uličiek". Preto sa tepelný prestup vedením uskutočňuje cez veľmi komplikované bludisko a nie je veľmi efektívny.

Prúdenie.

Ide o proces v kvapalinách a plynoch, ktorý poznáme dobre z praxe - napr. voda v hrnci sa zohreje, pretože teplá voda s nižšou hustotou zo dna nádoby prúdi navrch, a tým sa voda premiešava a zohreje podstatne skôr, ako keby dochádzalo len k prestupu tepla vedením. To isté platí pre plyny, teda aj vzduch. Prenos tepla prúdením ovplyvňuje aj tepelno-izolačné vlastnosti pevných materiálov, pretože tieto obsahujú vždy určité množstvo vzduchu. Bežné tepelné izolácie obsahujú veľmi vysoký podiel vzduchu, pretože vzduch je veľmi dobrý izolant proti prestupu tepla vedením. Problém prestupu tepla prúdením riešia tým, že sa skladajú z veľkého množstva malých "buniek", medzi ktorými je výmena vzduchu obmedzená. Nansulate rieši tento problém podobne, ale množstvo týchto buniek je podstatne väčšie a takisto medzery medzi nimi sú podstatne menšie ako u bežných izolačných materiálov. Prenos tepla prúdením je tak prakticky eliminovaný. Vďaka tomu je Nansulate podstatne lepší izolant ako by jeho tenká hrúbka nasvedčovala.

Žiarenie.

Tento spôsob prenosu tepla poznáme z praxe - napr. ako slnečné žiarenie alebo sálanie radiátorov. V tomto prípade ide o prenos energie prostredníctvom elektromagnetického vlnenia - tepelného žiarenia, ktoré sa šíri v dôsledku rozdielnych teplôt telies. Všetky objekty súčasne emitujú energiu zo svojho povrchu a absorbujú energiu zo svojho okolia. Pomer prenosu tepla žiarením prudko rastie s teplotou a môže byť v niektorých prípadoch rozhodujúcim mechanizmom prenosu tepla. Tento fakt si uvedomujú aj výrobcovia bežných izolácií a používajú pri ich výrobkoch rôzne postupy, ako zlepšiť ich izolačné vlastnosti proti prestupu tepla žiarením. Sú to predovšetkým rôzne reflexné fólie (izolácie z minerálnej vlny obalené hliníkovou fóliou) alebo sa používa pri ich výrobe do rôznej miery uhlík (sivý polystyrén od firmy BASF), ktorý je jeden z najlepších absorbentov tepelného žiarenia. Keďže Hydro-NM-Oxid je zo značnej časti tvorený uhlíkom, jeho absorpcia tepla je vynikajúca. Vďaka kombinácii izolačného efektu proti všetkým trom spôsobom prenosu tepla je Nansulate prvou izoláciou s tenkou vrstvou, ktorá získala certifikát proti prestupu tepla vedením, keď je napr. zdokumentované, že múr s koeficientom tepelnej priepustnosti k (U)= 1,62 Wm-2K-1 mal po aplikácii k (U)= 1,25 Wm-2K-1. Teda R hodnota troch vrstiev pri hrúbke 0,12mm predstavuje 0,1791.

Nansulate vďaka odolnej vnútornej štruktúre dokáže, na rozdiel od bežných izolácií, v závislosti od aplikácie dokonca garantovať tepelno-izolačné vlastnosti počas 5 -10 rokov. Bežné izolácie, ak nie sú dokonale chránené, svoje vlastnosti rýchlo strácajú a údaje prezentované ako výsledky meraní v laboratórnych podmienkach v praxi málokedy dosahujú, takže reálne sa nedá očakávať, že budú zhodné aj po 5 rokoch používania.

Nansulate® Energetické testy:

Dve identické oceľové rúry s priemerom 28cm a výškou 25cm sú zohrievané zvnútra halogénovými žiarovkami (Osram Halolux 250W). Jedna z týchto rúr je ošetrená jednou vrstvou Nansulate HH. Vo vnútri trubiek je teplota monitorovaná tepelnými senzormi, ktoré sú zavesené z vrchu v rovnakej 35mm vzdialenosti od žiaroviek. Neboli použité žiadne medzisteny. Maximálna teplota je nastavená na 200°C.

Nameraná suchá hrúbka filmu:
Neizolovaná rúra: 2µm
Izolovaná rúra: 17µm
Teplota povrchu pred zohrievaním:
Neizolovaná rúra: 20,1°C
Izolovaná rúra: 21,1°C
Čas trvania testu Teplota vo vnútri izolovanej rúry Teplota vo vnútri neizolovanej rúry
1:00 51,0°C 44,1°C
2:00 103,6°C 93,6°C
3:00 144,9°C 133,6°C
4:00 171,6°C 157,6°C
5:00 189,0°C 174,7°C
5:49 200,2°C teplota povrchu 100-101°C 185,4°C
7:12 200,0°C 200°C teplota povrchu 125°C
8:42 opätovne meraná teplota povr teplota povrchu 108°C teplota povrchu 128°C

Izolovaná rúra dosiahla stanovenú teplotu o 83 sekúnd skôr, čo je o 20% rýchlejšie ako pri neizolovanej rúre. Rozdiel v povrchovej teplote trubiek sa pohyboval počas testu medzi 20-25°C.

Identický test bol prevedený s rúrou izolovanou suchou hrúbkou filmu 100 µm s nasledovnými výsledkami:
Izolovaná rúra dosiahla stanovenú teplotu o 27% rýchlejšie ako neizolovaná. Rozdiel povrchovej teploty medzi izolovanou a neizolovanou rúrou pri vnútornej teplote 200°C bol okolo 30°C.

Video z testu (525 MB)

Do dvoch identických uzavretých drevených krabíc boli osadené žiarovky a teplomery na rovnakých miestach. Jedna kocka bola natretá na všetkých povrchoch zvnútra aj z vonku troma nátermi Nansulate® GP. Pri teplote okolia 13°C, boli naraz zapnuté zohrievacie telesá (žiarovky) a následne bol sledovaný rast vnútornej teploty.
Čas
Nenatretá krabica Vnútorná teplota
Natretá krabica Vnútorná teplota
Rozdiel/°C
% Energetický rozdiel
00:00:00
13°C
13°C
-
-
00:45:00
37°C
40°C
3°C
11.11111
01:05:00
39°C
42°C
3°C
10.34483
01:25:00
40°C
44°C
4°C
12.90323
01:45:00
41°C
45°C
4°C
12.5
01:52:00
41°C
45°C
4°C
12.5

V krabici ošetrenej s Nansulate bola teplota 40C dosiahnutá za 45 minút, v nenatretej krabici bola táto teplota dosiahnutá po 85 minútach.
Nenatretá krabica nedosiahla viac ako 42C

V závislosti od podmienok, ako sú hlavne:

  • kvalita pôvodnej izolácie - čím je horšia pôvodná izolácia, tým sa dosiahne väčšia úspora pridaním izolácie Nansulate
  • rozdiely teplôt medzi izolovaným a neizolovaným prostredím - čím je rozdiel väčší, tým sa dosiahne väčšia úspora pridaním izolácie Nansulate sa pri odporúčaných 3 vrstvách Nansulate so suchou hrúbkou filmu min. 115 ľµm (0,115 mm) dosahujú reálne úspory energie 20-40 %. Pridaním ďalších vrstiev sa tieto úspory zvyšujú.

Kontakt na nás