Ocieplanie styropianem: zmienny współczynnik lambda

Trzeba wiedzieć, że pozornie identyczne materiały, których producenci podają te same parametry techniczne, wcale nie muszą tak samo się sprawdzać? Żeby to zrozumieć, musimy przyjrzeć się z bliska tajnikom przekazywania ciepła i metodom pomiaru współczynników przewodnictwa cieplnego. Różnice w technologii produkcji, oraz w pomiarach właściwości styropianu mogą mieć wpływ na to, jak będzie się on sprawował w naszym budynku.

Fizyka budowli

Wymiana ciepła jest formą przekazywania energii i zachodzi wówczas, gdy istnieje różnica temperatur. W przyrodzie spotykamy trzy rodzaje ruchu ciepła:

• konwekcja
• promieniowanie
• przewodzenie.

Konwekcja, czyli po prostu "unoszenie", polega na przenoszeniu energii cieplnej przez rozgrzane cząstki gazów lub cieczy. Np. podgrzanie powietrza przy styku z grzejnikiem powoduje jego rozrzedzenie i wypychanie ogrzanego powietrza ku górze. Zwolnione miejsce zajmują cząstki zimniejsze i w ten sposób proces ten może odbywać się ciągle, dopóki istnieje różnica temperatur. Jeśli w powietrzu znajduje się dym lub kurz, to ruchy konwekcyjne powietrza możemy z łatwością obserwować.

Promieniowanie jest to rozchodzenie się energii cieplnej w postaci fali elektromagnetycznej. Wszystkie ciała znajdujące się wokół nas są źródłem promieniowania. Zakres i intensywność promieniowania zależy od temperatury ciała. Te o bardzo wysokiej temperaturze wysyłają promieniowanie bardzo silne, którego część możemy zobaczyć gołym okiem. Mówimy wtedy np., że żelazo "jest rozgrzane do czerwoności" lub nawet do "białości". Silnie rozgrzany grzejnik jest źródłem promieniowania, którego wprawdzie nie zobaczymy, ale z łatwością poczujemy na naszej skórze. Wreszcie, słabego promieniowania wysyłanego przez ciała o niskich temperaturach ani nie zobaczymy ani nie poczujemy, ale możemy je rejestrować np. przy użyciu kamery termowizyjnej.

Przewodzenie ciepła odbywa się poprzez przekazywanie energii pomiędzy sąsiadującymi cząstkami ciała stałego. Zmiana temperatury (a więc i energii) na jednym końcu ciała, wywołana jego podgrzaniem, powoduje rozchodzenie się ciepła wewnątrz tego ciała, aż do wyrównania temperatur. Dlatego właśnie silnie rozgrzewa się srebrna łyżeczka zanurzona jednym końcem w gorącej herbacie. Wiemy jednak, że zanurzona w tej samej herbacie łyżka z drewna nie rozgrzeje się tak jak srebrna. Dzieje się tak dlatego, że różne materiały w bardzo różny sposób przewodzą ciepło, niektóre intensywnie, inne bardzo słabo. Te ostatnie mogą być izolatorami, które pozwolą nam zatrzymać ciepło tam, gdzie jest ono potrzebne. Z tego względu badanie przewodzenia ciepła jest najważniejsze przy wyborze materiału izolacyjnego, jaki najlepiej spełni swoje zadanie.

Współczynnik przewodzenia ciepła lambda

Zdolność materiału do przewodzenia ciepła jest określana przy pomocy współczynnika przewodzenia ciepła, oznaczanego grecką literą λ [lambda]. Wartość ta odpowiada ilości ciepła w dżulach, jakie jest przewodzone przez warstwę materiału grubości 1 m i powierzchni 1m², przy różnicy temperatur po obydwu stronach równej jednemu stopniowi, w czasie zaledwie jednej sekundy. Im mniejsza jest wartość współczynnika przewodzenia ciepła danego materiału, tym lepszym jest on izolatorem. Wartości lambdy dla konkretnych materiałów uzyskiwane są podczas specjalistycznych badań, w których mierzy się faktyczny strumień ciepła przewodzony przez próbkę konkretnego materiału.

Badania przewodności cieplnej

Badania te, chociaż proste, jeśli chodzi o zasadę, nie są łatwe w realizacji, wymagają bardzo kosztownej aparatury pomiarowej i wykwalifikowanej obsługi laboratoryjnej. Wystarczy choćby wspomnieć, że jeden lambdomierz, bez którego żadne badanie się nie obejdzie, kosztuje w zależności od modelu od 60 do 80 tysięcy złotych, a wiec tyle, co dobry samochód. Projektant lub inwestor dysponujący tylko ogólnymi danymi o materiałach izolacyjnych dowie się z nich na przykład, że lambda styropianu (o niesprecyzowanej gęstości) wynosi 0.04. Jednak taka informacja ma charakter czysto orientacyjny. Stosowne normy podają wartości, które nie powinny być przekroczone, niezależnie od producenta materiału i innych warunków ich stosowania. W praktyce może być z tym różnie. Każdy producent podaje szczegółowe dane na temat konkretnego styropianu. W takim wypadku niezwykłej wagi nabiera wiarygodność producenta. Chodzi o to, by miał on nie tylko realne możliwości zapewnienia systematycznych badań produktu, ale i ścisłego przestrzegania technologii produkcji. Tak postawione warunki z reguły spełniają tylko duże, renomowane firmy. Producent w stosunku do konkretnego rodzaju styropianu podaje deklarowaną przez siebie wartości współczynnika przewodzenia ciepła. Sposób określania tej wartości jest precyzyjnie określony w polskich i europejskich przepisach. W przypadku styropianu, producent powinien mieć co najmniej dziesięć wyników badań, przeprowadzonych w regularnych odstępach czasu, aby w rzetelny sposób wyliczyć wartość współczynnika lambda, jaka zostanie podana do wiadomości klientów. Co więcej, ze względu na zależność przewodności cieplnej od temperatury i wilgotności, wartość lambdy musi być określona dla ściśle sprecyzowanych warunków. Jeśli badania są prowadzone w innych warunkach, to ich wyniki należy skorygować, uwzględniając wpływ wilgotności i temperatury. Następnym krokiem jest obróbka statystyczna danych uzyskanych w czasie pomiarów. Dlaczego w informacji handlowej podaje się uśrednione wyniki badań? Otóż w czasie pomiarów zdarzają się próbki o lepszej i gorszych właściwościach. Producent, który wybrałby sobie tylko jeden najlepszy wynik pomiarów i podał go jako odpowiedni dla całej swojej produkcji postąpiłby nieuczciwie.
Wartość deklarowana współczynnika lambda nie może być więc przedmiotem gołosłownych obietnic i zapewnień producenta, który chce się znaleźć na rynku, ale powinna być wynikiem rygorystycznych badań i kontroli. Konsument decydujący się ma towar markowy ma znacznie większą pewność, że właśnie takie reguły zastosowano przy badaniach i produkcji.

Deklarowana wartość współczynnika lambda

Określanie deklarowanej wartości lambdy nie może być czynnością jednorazową. Zgodnie z zaleceniem polskich przepisów budowlanych wartość deklarowana lambdy dla styropianu powinna być przeliczana w odstępach czasu nie dłuższych niż trzy miesiące produkcji. Producent ma obowiązek wykazać zgodność wyrobu z wartościami deklarowanymi. Stałe badanie współczynnika lambda jest bardzo ważne. Niestety niektórzy producenci zlecają takie badanie raz na wiele miesięcy i później wyliczonym współczynnikiem posługują się bardzo długo. Tymczasem nawet drobne zakłócenie procesu produkcji może spowodować zmianę współczynnika w konkretnej partii produkcyjnej. W efekcie jej właściwości mogą odbiegać od wartości deklarowanej przez producenta. Co więcej, ze względu na zależność przewodności cieplnej od temperatury i wilgotności, wartość lambdy musi być określona dla ściśle sprecyzowanych warunków. Jeśli badania są prowadzone w innych warunkach, to wyniki tych badań należy skorygować, uwzględniając wpływ wilgotności i temperatury. Lambda dla różnych materiałów w bardzo silny sposób jest związana z ich rodzajem i budową wewnętrzną.

Najlepszymi przewodnikami ciepła są metale, a więc ciała o uporządkowanej, krystalicznej budowie wewnętrznej. Współczynnik λ dla miedzi wynosi 370 W/(mK), aluminium 200 W/(mK), a dla stali 58 W/(mK). Z tego powodu, aluminiowe ramki oddzielające szyby w nowoczesnych oknach zastępowano ramkami stalowymi, a teraz także ramkami z tworzywa sztucznego, o przewodności cieplnej kilkadziesiąt razy niższej od stali. Współczynnik przewodzenia ciepła można określić także dla cieczy i gazów, pod warunkiem, że ich cząsteczki są nieruchome, tj. nie mogą wykonywać ruchów konwekcyjnych. Znakomitym izolatorem jest powietrze. Lambda powietrza wynosi zaledwie ok. 0.025 W/(mK). Przewodność cieplna nieruchomej wody wynosi 0.58 W/(mK), a więc woda jest ponad dwadzieścia razy gorszym izolatorem niż powietrze.

Dlatego właśnie zawilgocone materiały (na przykład papier) szybko tracą swe właściwości izolacyjne. Skoro powietrze tak świetnie izoluje, to łatwo zrozumieć, dlaczego najlepszym sposobem, aby jakiś materiał stał się dobrym izolatorem, jest napowietrzenie go. Chodzi o to, by zamknąć w produkowanym materiale jak największą ilość powietrza, ale w taki sposób, aby powietrze nie mogło się poruszać. Dobre materiały izolacyjne to materiały o dużej porowatości (zawartości powietrza w objętości materiału) i zamkniętych porach.

Chociaż w tym przypadku mówimy głównie o przewodzeniu ciepła, to w rzeczywistości w porowatych izolatorach występują wszystkie trzy, wymienione na początku formy ruchu ciepła.

• Ciepło jest przewodzone przez sam izolator, przez nieruchome powietrze oraz wodę zawartą w porach materiału.
• Zamknięte w porach cząstki powietrza oraz wody mają możliwość poruszania się i przenoszą ciepło w drodze konwekcji.
• We wnętrzu materiału, miedzy ściankami powietrznych porów ciepło jest przenoszone także przez promieniowanie.

Dlatego właśnie współczynnik lambda konkretnego materiału zależy od bardzo wielu czynników. Nie tylko od jego składu chemicznego i ilości powietrza w porach, ale także od

• wielkości porów i ich połączeń. Im pory mniejsze tym lepsze od temperatury, w jakiej jest eksploatowany. Temperatura ma wpływ na intensywność zjawisk konwekcyjnych.
• od wilgotności materiału. W materiale wilgotnym woda zajmuje miejsce powietrza, i obniża jego własności izolacyjne.

Te wszystkie czynniki sprawiają, że przewodność cieplna materiałów, produkowanych nawet w oparciu o ten sam proces technologiczny, może mieć w rzeczywistości różne wartości. Zależą one choćby od rodzaju użytego surowca, konstrukcji urządzeń używanych do wyrobu izolatora, sposobu sterowania liniami produkcyjnymi itp. Wszystkie te uwagi odnoszą się do styropianu, którego własności mogą być różne w zależności od tego, jak starannie, konkretny producent, przestrzega reżimu technologicznego, a także od tego w jakich warunkach styropian jest później przechowywany i transportowany. W przypadku materiałów wbudowanych już w konkretny obiekt, różnice te mogą być dalej pogłębiane poprzez sposób składowania na placu budowy i wbudowania materiału, a dalej poprzez konkretne warunki (temperatura, wilgotność), w jakich użytkowany jest budynek.

Obliczeniowy współczynnik przewodzenia ciepła

Wiadomo, że warunki klimatyczne (wewnątrz i na zewnątrz) budynku mają wpływ na wielkość przewodzenia ciepła materiałów. Uwzględnienie wpływu konkretnych warunków klimatycznych na izolację pozwala w dokładny sposób ocenić stan izolowanej ściany, faktyczne straty ciepła czy rozkład temperatur. Określenie wartości obliczeniowej polega na uwzględnieniu różnic temperatury i wilgotności pomiędzy warunkami, dla jakich producent styropianu określił wartość deklarowaną lambdy, a warunkami, w których ten materiał faktycznie pracuje.