Návrh tepelných izolácií do zariadení stavieb

Ťažko nájdeme iný materiál, ktorý by investorovi počas životnosti zariadenia priniesol takú finančnú návratnosť ako práve tepelná izolácia. Ing. Vít Koverdynský, PhD. Autor pôsobí v spoločnosti Isover. Straty tepla možno účinne obmedziť správnym uplatnením vhodných tepelných izolácií. Mnohé doterajšie analýzy preukázali, že práve aplikácia izolácií predstavuje medzi úspornými opatreniami jeden z najvýznamnejších, a pritom pomerne lacný a ľahko vykonateľný spôsob šetrenia.

Prudký a trvalý kvantitatívny aj kvalitatívny technický rozvoj v priemyselnej výrobe, doprave, stavebníctve a ostatných hospodárskych odvetviach, ako aj zvyšujúca sa náročnosť na komfort spotrebiteľskej sféry v celosvetovom meradle sú príčinami exponenciálne narastajúceho čerpania energie. Objem jestvujúcich zásob energie je pritom limitovaný a objavovanie nových zdrojov je nielenže stále náročnejšie, ale zároveň nedáva nádej na ich ekonomické zvýhodnenie oproti dosiaľ známym zdrojom. V tejto situácii predstavuje hlavné, ak nie jediné reálne smerovanie k čiastočnému východisku hľadanie úsporných opatrení. Teplo ako najväčší využívaný nositeľ energie sa musí dopraviť z miesta svojho zrodu do miesta spotreby. V zmysle principiálnych fyzikálnych zákonov pritom vplyvom rozdielov teplôt dochádza k jeho stratám. Ich účinné obmedzenie je možné správnym uplatnením vhodných tepelných izolácií (obr. 1). Mnohé doterajšie analýzy preukázali, že práve uplatnenie izolácií predstavuje medzi úspornými opatreniami jeden z najvýznamnejších, a pritom pomerne lacný a ľahko vykonateľný spôsob šetrenia. 

Podmienkou je dobrá úroveň odborníkov, ktorých činnosť môže ovplyvniť výrobu, uplatnenie, navrhovanie, realizáciu, ako aj údržbu tepelných izolácií. Z toho pohľadu nie je súčasná situácia na Slovensku ideálna, lebo staršia odborná literatúra nie je veľmi dostupná a v mnohom je už prekonaná a nová literatúra úplne chýba. V tejto situácii je odborná verejnosť odkázaná na prospektovú literatúru výrobcov, ktorá je, pochopiteľne, tendenčná a reklamne zameraná.  V sérii článkov na pokračovanie budeme systematicky sledovať a predkladať najpodstatnejšie informácie z odboru technických izolácií. Rýchly vývoj v oblasti technických noriem, európskej aj národnej legislatívy má často za následok stratu orientácie, čo môže viesť k používaniu starých známych požiadaviek a metód, ktoré však nie sú vždy v súlade s aktuálne platnou legislatívou. Týmto seriálom sa snáď podarí aspoň čiastočne pozdvihnúť odbornú úroveň v okruhoch, ktoré sa v poslednom čase odsunuli mimo záujmu odbornej verejnosti.

Obr. 1 Izolačné puzdrá zabraňujú nežiaducim tepelným stratám v kúrenárskej praxi

Kritériá návrhu hrúbky izolácie

Okrem voľby izolačného materiálu vhodného na danú aplikáciu je dôležité správne navrhnúť hrúbku izolácie. Tú možno určiť na základe troch hľadísk:

1. Ochrana osôb pred kontaktom s horúcim povrchom
Hrúbku izolácie navrhujeme podľa kritéria maximálnej povrchovej teploty (obr. 2). Podľa normy STN 070620 (Konštrukcie a výstroj kotlov) je maximálna povrchová teplota 50 °C pri teplote ovzdušia 25 °C. Pri inej teplote okolitého vzduchu je maximálne prípustný rozdiel medzi teplotou vonkajšieho povrchu izolácie a okolitého vzduchu 25 °C.  Ak netreba návrh izolácie podriadiť z nejakých dôvodov iným požiadavkám a povrchová teplota je jediným kritériom, vykonáva sa výpočet v prevažnej väčšine prípadov na letné obdobie. Na návrh zariadenia v exteriéri slúžia miestne klimatické dáta založené na ročných extrémoch – napríklad typická letná výpočtová teplota v našich zemepisných šírkach je 30 °C. Výpočet sa v tomto prípade musí vykonať na stav bezvetria (vysvetlíme ďalej, pričom bezvetrie ≠ 0 m/s).  Pri návrhu izolácie na povrch v interiéri sa vychádza z vnútorných návrhových teplôt (ak je budova vybavená vzduchotechnikou) alebo je nevyhnutné vykonať odhad týchto vnútorných teplôt. Najväčšia hrúbka izolácie bude vždy vychádzať v priestoroch, kde je najvyššia teplota. Pri strojovniach a kotolniach treba v letnom období počítať s minimálnou teplotou v miestnosti 35 °C. Správny odhad teploty okolitého vzduchu je pri návrhu hrúbky izolácie vzhľadom na kritérium povrchovej teploty rozhodujúci.  

Obr. 2 Pri návrhu hrúbky izolácie z pohľadu kritéria maximálnej povrchovej teploty je kľúčová správna voľba emisivity povrchu opláštenia (rozdiel až 9 K  pri emisivite 0,1 a 0,9); výpočet sa vykonal pri DN 200, teplote média 180 °C, izolácii z MW, v lete pri teplote 35 °C s prirodzenou konvekciou, v zime pri –15 °C a rýchlosti vetra 3 m/s

2. Zamedzenie kondenzácie
Ide o zamedzenie kondenzácie pri povrchoch s nižšou teplotou, než je teplota rosného bodu. Pri tepelných izoláciách chladiacich rozvodov a zariadení (pri tzv. chladových izoláciách) musí byť povrchová teplota vyššia, než je teplota rosného bodu okolitého vzduchu. Inak vodná para z okolitého vzduchu, ktorá sa dostane k chladnému povrchu zariadení či potrubí, skondenzuje a spôsobí odkvapkávanie z povrchu izolácie. Stále kvapkajúci kondenzát je veľmi vážnym problémom, pretože môže narušiť pracovné režimy, spôsobiť stavebné chyby, koróziu atď. Pri chladiacich zariadeniach je teda výber druhu izolačného materiálu a výpočet jeho správnej hrúbky dôležitou prácou projektanta. Pri návrhu z hľadiska zamedzenia kondenzácie sa volí kombinácia najvyššej teploty vzduchu a najvyššej relatívnej vlhkosti, ktorá sa v priestore môže vyskytnúť. Volí sa tá kombinácia, pri ktorej vychádza najvyšší parciálny tlak.

3. Úspora energie (minimalizácia tepelných strát)
Hrúbku izolácie počítame podľa kritéria maximálnej tepelnej straty s prihliadnutím na nežiaduce otepľovanie alebo chladnutie teplonosnej látky či zaistenie funkčnosti technologických procesov v prípadoch, kde je udržanie predpísanej teploty rozhodujúcou podmienkou a pod. Podľa technológie sa kontrolným výpočtom overuje, či je skutočná tepelná strata nižšia ako očakávaná.

Návrh technických izolácií podľa STN EN ISO 12241

Na Slovensku chýbala dlhý čas norma, ktorá by projektantom pomohla riešiť problematiku návrhu technických izolácií. Dočkali sa až v roku 2009, keď sa objavila slovenská verzia európskej normy STN EN ISO 12241. Táto norma je pri návrhu technických izolácií kľúčová, pretože stanovuje pravidlá výpočtu pri tepelnoizolačných výrobkoch do zariadení v budovách a priemyslových inštaláciách.  Medzi dôležité faktory, podľa ktorých sa posudzuje hodnota tepelnej straty, patrí dĺžka potrubí, umiestnenie potrubí (vo vnútri či mimo) a teplota okolia. Pri návrhu je nutné správne voliť okrajové podmienky výpočtu. Návrh viazaný len na jednu okrajovú podmienku nie je pri celoročne prevádzkovanom systéme dostatočný. Tepelný tok z povrchu izolácie je funkciou niekoľkých premenných, ktoré sa nevzťahujú priamo na kvalitu izolácie. Patria medzi ne teplota okolia, prúdenie vzduchu (prirodzené či nútené), drsnosť a emisivita povrchu izolácie a výmena tepla žiarením s okolitými povrchmi. Pri výpočte rosného bodu pri chladových izoláciách je kľúčová relatívna vlhkosť okolitého vzduchu.

Obr. 3 Charakter rýchlostného profilu v laminárnej a turbulentnej medznej vrstve (vľavo) a priebeh súčiniteľa prestupu tepla [3]

Výpočet súčiniteľa prestupu tepla

Jedným z hlavných problémov bolo vždy správne určiť súčinitele prestupu tepla. Existuje totiž množstvo experimentálne stanovených vzťahov, ktoré využívajú bezrozmerové kritériá (Reynoldsove, Nusseltove, Prandtove), na uplatnenie sú však príliš zložité, majú úzky rozsah platnosti, a preto sa v inžinierskej praxi málokedy používajú. Na obr. 3 je zobrazený priebeh súčiniteľa prestupu tepla v závislosti od typu prúdenia. S postupujúcim vývinom medznej vrstvy (rastom jej hrúbky) tento súčiniteľ vždy klesá. Pri prechode do turbulentnej medznej vrstvy súčiniteľ prestupu tepla prudko narastá. Spôsobuje to vznik dodatočného prenosového mechanizmu – turbulencií, t. j. pohyb vírov, ktoré zintenzívňujú prenos tepla od povrchu smerom do prúdu [3]. Norma STN EN ISO 12241 podľa umiestnenia potrubia (vo vnútri či mimo) a jeho polohy (vodorovnej či zvislej) uvádza vzťahy na výpočet súčiniteľa prestupu tepla. Jediným obmedzením je rozdiel medzi teplotou povrchu a teplotou okolitého vzduchu do 100 K (čo je pri návrhu technických izolácií prakticky vždy).
Súčiniteľ prestupu tepla sa skladá z dvoch zložiek:

• radiačnej h_r – závisí od teploty a emisivity povrchu finálneho opláštenia izolácie (tab. 1); emisivita je pritom definovaná ako pomer medzi súčiniteľom sálania povrchu a súčiniteľom sálania čierneho telesa,
• konvektívnej h_cv – závisí od radu faktorov ako pohyb vzduchu, teplota, relatívna orientácia povrchu, materiál povrchu atď.

Platí, že:

h = h_r + h_cv    (1)

Ukážku vplyvu závislosti súčiniteľa prestupu tepla od emisivity a rýchlosti prúdenia vetra možno vidieť na grafoch na obr. 4 až 6. Pri posudzovaní povrchovej teploty pri povrchoch v exteriéri sa výpočet vykonáva na stav bezvetria. To možno definovať ako stav, pri ktorom sa vyrovnáva konvektívna zložka súčiniteľa prestupu tepla pri nútenom prúdení (spôsobenom vetrom) so súčiniteľom prestupu tepla pri prirodzenom prúdení (vznikajúcom v dôsledku rozdielnych hustôt vzduchu spôsobených teplotnými rozdielmi). Vyrovnanie veľkosti týchto dvoch súčiniteľov závisí od teploty okolitého vzduchu a hrúbky navrhnutej izolácie; vo väčšine prípadov dôjde k vyrovnaniu pri rýchlostiach vetra 0,3 až 1 m/s (čím je väčšia hrúbka izolácie a nižší rozdiel teplôt teplonosnej látky a okolitého vzduchu, tým je nižšia rýchlosť vetra, pri ktorej sa vyrovnajú súčinitele). Pri izolovanom povrchu umiestnenom v exteriéri je preto často jednoduchšie vykonať výpočet súčiniteľa prestupu tepla pri prirodzenom prúdení (interiér). Pri výpočtoch môže nastať v prechodovej oblasti medzi laminárnym a turbulentným prúdením (obr. 3) problém s výpočtom –hrúbka izolácie navrhnutá pri laminárnom prúdení sa môže líšiť od hrúbky vypočítanej pri turbulentnom prúdení. V týchto ojedinelých prípadoch odporúčame zvoliť hodnotu „medzi“, ktorá nie je normou priamo definovaná. Typické hodnoty súčiniteľa prestupu tepla konvekciou sú dané v tab. 2 [5]. Hodnoty vyššie než 100 W/(m² . K) znamenajú, že vnútorný odpor pri prestupe tepla je veľmi nízky a môže sa preto vo väčšine výpočtov zanedbať. Z toho dôvodu má význam počítať vnútorný súčiniteľ prestupu tepla len pri VZT potrubiach.

Obr. 4 Závislosť súčiniteľa prestupu tepla od emisivity – interiér v lete (θ_e = 35 °C)

Návrh hrúbky izolácie v praxi

Z dôvodu zložitosti výpočtových vzťahov sa v norme STN EN ISO 12241 opisuje aj zjednodušená graficko-výpočtová metóda výpočtu. Aj tá je však stále pomerne zložitá a v praxi sa často nepoužíva. Pri návrhu technických izolácií sa omnoho častejšie využívajú výpočtové pomôcky. Často ide o jednoduché programy vytvorené priamo koncovými užívateľmi na jednotlivé výpočtové úlohy zvlášť.  V súčasnosti sú však už k dispozícii aj profesionálne výpočtové programy na návrh technických izolácií. Najkomplexnejším je návrhový program IsoCal, ktorý možno použiť na väčšinu úloh, ktoré sa vyskytujú v praxi. Program bol vyvinutý spoločnosťou Isover na pomoc odborníkom pracujúcim v oblasti TZB (vykurovanie, chladenie, vzduchotechnika), energetiky a procesného inžinierstva, pričom česká verzia je k dispozícii už od roku 2006.  Výpočtový nástroj bol vyvinutý predovšetkým na pomoc pri použití izolačných výrobkov Isover, ako jediný ho však možno využiť aj na všeobecné výpočty pri akomkoľvek inom izolačnom materiáli. V novej verzii programu 3.0 sú v databáze navyše uvedené všetky typy izolačných materiálov, ktoré sa v TZB aplikáciách používajú – keramická vlna, penové sklo, kalciumsilikát, syntetický kaučuk, PUR/PIR, striekaná PUR pena, EPS, XPS, fenolická pena či expandovaný perlit.Priebehy tepelných vodivostí pri týchto materiáloch sú zadané polynómom 3. stupňa v rámci celého teplotného rozsahu použitia danej izolácie (tzn. od minimálnej do maximálnej prevádzkovej teploty), výpočet sa teda vykonáva s veľkou presnosťou.

Užívateľ si v novej verzii 3.0 môže aj veľmi jednoducho nadefinovať svoju vlastnú databázu zadaním štyroch hodnôt súčiniteľa tepelnej vodivosti v závislosti od teploty. Program zo zadaných hodnôt automaticky urobí výpočet polynómu, s ktorým potom pracujú jednotlivé výpočtové moduly. Program počíta podľa už spomínanej návrhovej normy STN EN ISO 12 241. Verziu v českom jazyku si možno po zaregistrovaní bezplatne stiahnuť na webových stránkach www.isover.cz/isocal. Užívatelia programu majú k dispozícii aj príručku na návrh technických izolácií [4], ktorá okrem teórie obsahuje aj vzorové príklady výpočtov a cenné prílohy s veličinami nevyhnutnými na zadávanie okrajových podmienok. Medzi ne patria napríklad tabuľka s ekvivalentnými dĺžkami na tepelné mosty, vonkajšie výpočtové teploty a priemerné teploty vzduchu podľa lokalít, teploty v susedných nevykurovaných miestnostiach, obsah vlhkosti vo vzduchu, vnútorné výpočtové teploty a relatívne vlhkosti vzduchu podľa typu miestností, dimenzie potrubí z rozličných typov materiálov, tepelné vlastnosti vody, pary, vzduchu či plynu a pod. Príručka získala Cenu Dr. Cihelku za publikáciu, ktorá priniesla najväčší prospech odborovej praxi za rok 2012.

Využitie výpočtového programu IsoCal

Výpočet tepelných strát
Teplo sa vždy prenáša z teplejšej látky do chladnejšej, ihneď ako existujú dve látky s rozličnými teplotami oddelené vrstvou materiálu (stenou). Ak je deliaca stena veľmi málo izolovaná, nastáva relatívne rýchly prenos tepla. Použitie materiálov s dobrými izolačnými vlastnosťami a zvyšovanie hrúbky izolácie značne znižuje tepelnú stratu. Pomocou programu IsoCal sa môžu riešiť výpočty potrubí, kruhových či štvorhranných vzduchovodov a plôch, a to vo vodorovnom či zvislom variante. Za kritérium návrhu možno zvoliť jeden z troch výpočtových prístupov:

• daná hrúbka izolácie,
• najvyššia povrchová teplota,
• maximálna dovolená tepelná strata.

Program spočíta tepelnú stratu a vyjadrí energetickú úsporu izolovaného potrubia. Okrem toho vyčísli vonkajší súčiniteľ prestupu tepla (možno ho aj meniť v prípade vedenia v podhľadoch, pod stropom a v kútoch, teda všade tam, kde hrozí nebezpečenstvo vytvorenia zóny s tzv. „nulovým“ prúdením), povrchovú teplotu izolácie, teplotu medzi izolačnými vrstvami, celkovú tepelnú stratu na danú dĺžku potrubia alebo danú plochu plošného povrchu. Ďalej zobrazí súčiniteľ prechodu tepla U a porovná ho s požiadavkami vyhlášky č. 193/2007 Sb. (určené tým, ktorí počítajú izolácie na uplatnenie na českom trhu). Pri kritériu najvyššej povrchovej teploty a maximálnej tepelnej straty spočíta požadovanú hrúbku izolácie a navrhne takú hrúbku, ktorá sa štandardne vyrába. Voliteľne možno zrátať aj energetickú stratu a náklady na energiu pri danej dĺžke potrubia či ploche povrchu a zohľadniť aj vplyv tepelných mostov spôsobených podkonštrukciami, závesmi, armatúrami či prírubami.

Zmena teploty v potrubí
Výpočet zmeny teploty látky pretekajúcej potrubím s určitou dĺžkou je často používaným kritériom pri návrhu izolácie. Napríklad výpočet chladnutia pary po dĺžke potrubia umiestneného v exteriéri je v zimnom období stredobodom záujmu, pretože pri správnom návrhu hrúbky izolácie na miesto spotreby dorazí para s požadovanými parametrami a zároveň sa tým zníži riziko nežiaducej kondenzácie pary v parovode pri zníženom prietoku. Týmto výpočtovým modulom sa spočíta výstupná teplota prúdiacej látky, tepelná strata, vnútorný a vonkajší súčiniteľ prestupu tepla. Ďalej možno vo výpočte zohľadniť vplyv prevádzkových nákladov.

Obr. 5 Závislosť súčiniteľa prestupu tepla od emisivity – exteriér v zime (θ_e = –15 °C, v = 3 m/s)

Teplota v nádrži

Sledovanie chladnutia skladovanej látky v akumulačných nádobách a udržiavanie požadovanej teploty je zásadné najmä pri technologických prevádzkach. Napríklad pri rope, TTO, mazute a pod. by pri poklese teploty látky na teplotu tuhnutia hrozilo nebezpečenstvo nemožnosti vypustenia dané stuhnutím látky v okolí vypúšťacích kohútov a ďalej popraskanie tanku vplyvom zväčšenia objemu skladovanej látky. Správna hrúbka izolácie a kvalifikovaný návrh tepelného výkonu vykurovacích hadov zabráni jednak stuhnutiu látky a jednak udrží vhodnú viskozitu kvapaliny na ďalšie použitie. Program počíta teplotu látky po zadanom akumulačnom čase, počiatočnú tepelnú stratu, súčiniteľ prestupu tepla zvonku, plochu, objem nádrže a prenos energie v kWh počas daného akumulačného obdobia. Časový priebeh chladnutia látky v nádrži sa znázorňuje aj graficky.

Záver

Na výber vhodného izolačného materiálu existujú rozličné požiadavky. Jednou z kľúčových je použiteľnosť v praktických prevádzkových podmienkach. Z tohto dôvodu sa pri projektovaní hodnotia jednak technické vlastnosti jednotlivých materiálov, jednak sa pozornosť venuje aj ich spracovateľnosti. Všetky potrubné vedenia, VZT kanály, plochy (vrátane závesov potrubí a ďalších doplnkov) sa musia izolovať tak, aby boli splnené bezpečnostné a funkčné požiadavky. Funkčnými požiadavkami sú maximálna tepelná strata (dosiahnutie čo najväčších ekonomických úspor optimalizačným návrhom ekonomickej hrúbky izolácie) a maximálna povrchová teplota izolovaného zariadenia. Pri chladových izoláciách je najdôležitejšou požiadavkou zamedzenie kondenzácie na vonkajšom povrchu izolácie. Pod bezpečnostnými požiadavkami sa rozumejú správanie pri horení, ekologická a zdravotná bezchybnosť materiálu. Pri výpočte súčiniteľa prestupu tepla možno zanedbať odpor pri prestupe tepla vo vnútri potrubia a pri oceľových rozvodoch aj odpor vedením tepla stenou potrubia, pretože vplyv na celkový tepelný odpor týchto dvoch častí je minimálny (rádovo 10-2 až 10-4x menší oproti Rse a Rizolácie). Pri výpočte sa tak zohľadní iba odpor pri vedení tepla vrstvou izolácie a odpor pri prestupe tepla z povrchu izolácie do okolia. Pri VZT potrubiach je nevyhnutné započítať aj vplyv odporu pri prestupe tepla vo vnútri. Súčiniteľ prestupu tepla vo vnútri vzduchovodu sa pri nízkej rýchlosti prúdenia vzduchu blíži súčiniteľu prestupu tepla zvonku. Pri prirodzenom prúdení dosahuje najčastejšie hodnoty αi = 6 až 20 W/(m2 . K), pri nútenom prúdení vo vnútri VZT potrubí je αi = 10 až 200 W/(m2∙. K).Vzhľadom na veľký rozsah nebolo možné zahrnúť do tohto článku problematiku návrhu tepelných izolácií do chladiacich rozvodov. Tými sa bude zaoberať druhý diel zo série článkov, v ktorom podrobne objasníme výber správneho typu izolačného materiálu, návrh hrúbky izolácie z hľadiska zabránenia vzniku kondenzácie a parametre, ktoré ovplyvňujú návrh hrúbky chladovej izolácie.

Foto a obrázky: archív autora
Literatúra:
1. STN 070620: 2000 Konstrukce a výstroj parních a horkovodních kotlů.
2. STN EN ISO 12241: 2009 Tepelná izolácia technických zariadení budov a priemyselných inštalácií. Výpočtové pravidlá.
3. JÍCHA M.: Přenos tepla a látky, Brno: CERM, 2001.
4. KOVERDYNSKÝ, V.: Příručka pro návrh technických izolací, Praha: Saint-Gobain Construction Products CZ, a. s., 2012, s. 60.
5. MILLS A. F., Heat and Mass Transfer, USA: RICHARD D. IRWIN, INC., 1995.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.