Izolacja chłodnicza: nowe wyniki badań - harmonizacja przepisów technicznych

W ciągu ostatnich pięciu lat w literaturze europejskiej pojawiło się wiele publikacji na temat naukowych i praktycznych aspektów dyfuzji pary wodnej w izolacji instalacji chłodniczych. Wciąż jednak nie odpowiedziano na wiele pytań, mających związek z jakością produktów używanych do konkretnych zastosowań.

Po uważnym zapoznaniu się z niektórymi publikacjami i z niniejszym artykułem projektant, wykonawca lub inwestor powinien być w stanie ocenić, jaka ma być jakość materiałów izolacyjnych wykorzystywanych do konkretnego zastosowania.
Izolacja instalacji chłodniczych – koncepcja
Głównym celem izolowania instalacji chłodniczych jest zapewnienie, że zewnętrzna powierzchnia materiału izolacyjnego będzie zawsze sucha. Oznacza to, że w żadnych warunkach nie powinna tam zachodzić kondensacja pary wodnej.
Kondensacja i/lub tworzenie się lodu może zachodzić w chłodniach, w systemach wody lodowej, systemach klimatyzacyjnych (kanałach wentylacyjnych) i w zwykłych rurociągach, jeśli temperatura medium jest niższa od temperatury otoczenia.
By uniknąć kondensacji, należy przez cały czas eksploatacji systemu utrzymywać temperaturę na powierzchni izolacji na poziomie równym lub wyższym od punktu rosy.
Do obliczenia wymaganej grubości izolacji potrzebne są następujące dane techniczne:
• współczynnik przewodzenia ciepła (λ) jako funkcja średniej temperatury,
• współczynnik przenikania ciepła przez powierzchnię (α), który zależy głównie od pochłaniania energii lub od własności odbicia energii od powierzchni izolacji oraz od cech przepływu powietrza nad powierzchnią izolacji w normalnych warunkach,
• warunki panujące w otoczeniu (maksymalna temperatura i wilgotność w ciągu całego okresu funkcjonowania systemu); im większa wilgotność, tym większa wymagana grubość izolacji; projektant i inwestor powinni uzgodnić maksymalną wilgotność (%) dla określonych obliczeń i określonych zastosowań, by uniknąć problemów na dalszym etapie prac izolacyjnych. W normalnych warunkach w klimacie europejskim wartość wilgotności wprowadzana do obliczeń nie powinna przekraczać 85%,
• temperatura medium.
Natomiast podkreślić trzeba ponownie, że do tych obliczeń potrzebna jest tylko jedna z danych technicznych - przewodzenie ciepła.
Z tego powodu niektóre państwa europejskie wymagają sprecyzowania procedur określania współczynnika λ jaki stosować mają producenci materiałów izolacyjnych. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła wprowadzana do obliczeń musi być statystycznie „bezpieczna".
Tylko wtedy obliczona grubość izolacji będzie wystarczająca, by zapewnić minimalne przenikanie energii systemu chłodniczego. Pamiętać trzeba, że koszty chłodzenia są wyższe od kosztów ogrzewania.
DYFUZJA PARY WODNEJ, czy też przepływ pary do systemu w związku z różnicą koncentracji pary wodnej w powietrzu wewnątrz systemu i w otoczeniu, wynika z określonych różnic temperatur.
Kondensacji pary wodnej w systemie należy unikać za wszelką cenę, ze względu na:
• ryzyko korozji,
• niekorzystne oddziaływanie na skuteczność izolacji.
Ryzyko korozji związane jest najbardziej z agresywnymi substancjami (pochodzenia przemysłowego) obecnymi w powietrzu i przenoszonymi do systemu wraz z parą wodną np. NOx, H2SO4, SO2, chlorowce). Poza tym substancje powodujące korozję mogą być przenoszone z izolacji na zewnętrzne powierzchnie metalowe.
Współczynnik przewodzenia ciepła dla wody jest 25 razy większy niż dla powietrza. Dla lodu natomiast jest wyższy nawet 100-krotnie. Współczynnik przewodzenia ciepła dla zawilgoconej izolacji wzrośnie po kondensacji pary wodnej w izolacji.
Takim skutkom dyfuzji pary wodnej można zapobiegać na dwa sposoby:
• stosować szczelną okładzinę wokół izolacji z materiału tak o otwartych, jak i o zamkniętych porach. ale a stosunkowo niskiej odporności na dyfuzję pary wodnej (np. włókno mineralne, polistyren, poliuretan itd.) stosować izolację z pianki kauczukowej o porach zamkniętych i o sprawdzonych poziomach odporności na dyfuzję pary wodnej (μ) (tabela 1).
Tabela 1: Wzorcowe wartości współczynnika odporności na dyfuzję pary wodnej (µ)

Powietrze
Materiały budowlane
µ
l
Materiały
izolacyjne

betonowe elementy montażowe
wraz z betonem
70 do 150
ekspandowana pianka polistyrenowa
(gęstość pozorna > 15 kg/m²)
20 do 100
beton lekki o dużych porach
5 do 15
wytłaczana pianka polistyrenowa
80 do 250
mury z pełnej i perforowanej cegły
cegła silikatowa
5 do 15
sztywna pianka poliuretanowa
30 do 100

sztywna pianka fenolowa
10 do 50
tynk, zaprawa
10 do 35
spieniony materiał kauczukowy
1000 do 15 000
płyty cementowo-wiórowe
20 do 50
spieniony materiał polietylenowy
1000 do 7000
suche tynki gipsowe
8 do 10
szkło piankowe
praktycznie
nieprzepuszczalne
(sd > 1500 m)
drewno
10 do 40
szkło piankowe
praktycznie
nieprzepuszczalne
(sd > 1500 m)
płyty wiórowe z twardego drewna
30 do 70
szkło piankowe
praktycznie
nieprzepuszczalne
(sd > 1500 m)
Poza większą odpornością na dyfuzję pary-wodnej, izolacje kauczukowe o zamkniętych porach mają dwie ważne zalety:
• stosunkowo „bezpieczne" możliwości instalacji, tj. łatwość zapobiegania powstawaniu mostów termicznych,
• eliminacja efektu „pompowania", tj. przesuwania się wilgotności z powodu zmiany ciśnienia powietrza. Skutki tego zjawiska często są ignorowane, a w rzeczywistości są groźniejsze od dyfuzji pary wodnej.
Proces dyfuzji - zasady, obliczenia i wnioski
Bardziej współczesne studia i doświadczenia prowadzone przez FORSCHUNGSINSTITUT FÜR WÄRMSCHUTZ e.V. – MÜNCHEN systematycznie przyczyniają się do lepszego rozumienia procesu dyfuzji w piankach kauczukowych o zamkniętych porach. Ponadto opracowuje się odpowiednie metody obliczeń pozwalające na kwantyfikację ilości pary wodnej, która ulega dyfuzji w systemie w określonym czasie.
Niektóre badania i publikacje uwzględniają nawet zmiany przewodzenia ciepła w systemie izolacji po dyfuzji pary wodnej, a więc i kondensację wody w tym systemie. Poznanie tych procesów pozwala na przewidywanie skuteczności izolacji i jej trwałości.
Wszystkie te prace nie informują niestety czytelnika ani użytkownika końcowego produktów izolacyjnych, jaka jest optymalna wartość współczynnika odporności na dyfuzję pary wodnej dla określonych zastosowań w związku z kondensacją wody w systemie.
Pierwszą próbą zaproponowania konkretnych wartości była publikacja autora niniejszego artykułu w ramach Isoliertechnik.
Zakładając, że współczynnik dyfuzji pary wodnej 8 jest niezależny od temperatury, ilość wody rozprzestrzeniającej się w systemie w określonym czasie można obliczyć w przybliżeniu za pomocą prawa Ficka:
G = - δ * dP / ds [kg / m²*h] (1)
δ = δL / μ
1 / δL ~ 1,5*106 [m*h*Pa / kg]
Gp = - (PL - Pi) / Zp [kg / m²*h] (2)
Zp = 1 / 2*π*δL * μ * 1n d0/d1 [m*h*Pa / kg] (3)
Zp = 1 / π*δL * S / d0 [m*h*Pa / kg] (4)
gdzie:
G- gęstość przepływającej pary wodnej,
dP - różnica cząstkowego ciśnienia pary wodnej,
ds - grubość strefy dyfuzji,
PL - cząstkowe ciśnienie pary wodnej, powietrze atmosferyczne,
Pi - ciśnienie nasycenia, instalacja chłodnicza,
Zp - odporność na dyfuzję pary wodnej,
s - grubość izolacji,
d0 - średnica izolowanej rury,
d1 - zewnętrzna średnica rury.
Trzeba zaznaczyć, że powyższe obliczenia nie uwzględniają tego, GDZIE kondensuje się para wodna. Tak jak w funkcji grubości izolacji, rozkład temperatury w głąb i różnica cząstkowego ciśnienia między „chłodną stroną" a temperaturą otoczenia wpływa na „wielkość" strefy kondensacji w piance i na to, czy kondensacja zachodzić będzie „tylko" na powierzchni instalacji chłodniczej.
Zwykle współczynnik δ określa się przy użyciu DIN 52615. Jednak przy wysokich wartościach μ (niski współczynnik dyfuzji pary wodnej) ta technika nie jest najbardziej stosowna. By osiągnąć wiarygodne dane, czas próby mógłby się bowiem wydłużyć do kilku miesięcy, a wszystkie czynności (np. ważenia) musiałyby być niezwykle dokładne. W przeciwnym razie powtarzalność wyników nie zmieści się w granicy ±10%.
Poza tym, pomiar współczynników dyfuzji jako funkcji temperatury byłby bardzo trudny, jeśli nie niemożliwy, zwłaszcza dla temperatur poniżej 20°C.
Nie znając zależności temperaturowej współczynnika dyfuzji pary wodnej, nie można obliczyć ilości wody ulegającej kondensacji w systemie zbliżonym do warunków rzeczywistych ani ustalić realistycznych tj. minimalnych wymogów dotyczących współczynników dyfuzji pary wodnej w odniesieniu do μ w rzeczywistych warunkach, które musi znać użytkownik końcowy.
Zatem do zbadania funkcji temperatury δ w odniesieniu do μ wykorzystana została metoda DIN 53122/2.
Ta metoda jest stosowana do oceny charakterystyk dyfuzji pary wodnej dla folii wykorzystywanych głównie do pakowania (np. mrożonek). Jednak tą techniką mogą być badane tylko produkty o niskich wskaźnikach dyfuzji ( 5000 do 7000, które wystarczają do standardowych zastosowań, np. do chłodzenia, przewodów wentylacyjnych, klimatyzacji czy wszelkich innych izolacji przemysłowych. Spełniają one również wymogi bezpieczeństwa i trwałości.
Nawet w warunkach wielkiej wilgotności otoczenia (np. rzeźnie, browary, magazyny żywności itd.) trwałość produktu / instalacji poprawi się znacznie, jeśli zastosuje się produkt o μ > 7000. By zagwarantować minimalną wartość μ = 7000, zwykle stosuje się produkty o rzeczywistej wartości μ = 10 000, a więc większej niż to jest konieczne, jak wynika z obliczeń.
Wspólny rynek i harmonizacja techniczna
Z DYREKTYWY dotyczącej MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH z dnia 21 grudnia 1988 (89/106/EWG) oraz z ustalonych (sześciu) istotnych wymogów i zalecanych poziomów sprawdzania zgodności z dyrektywą dotyczącą materiałów budowlanych (załącznik III), wynika, że harmonizacja techniczna, tj. standaryzacja, konieczna jest również w dziedzinie izolacji instalacji chłodniczych.
Wymogi dotyczące kontroli kondensacji i dyfuzji pary wodnej oraz ich interpretację zawarto w Nr 6 „ENERGY ECONOMY AND HEAT RETENTION" („Gospodarka energią i zatrzymywanie ciepła").
Komisja uprawniła CEN do zajmowania się wszelkimi kwestiami standaryzacji zgodnie z dyrektywą dotyczącą produktów budowlanych.
CEN TC 88 zajmuje się więc ustalaniem tzw. norm produktowych dla materiałów izolacyjnych, natomiast CEN TC 89 wszelkimi aspektami obliczeń w dziedzinie izolacji.
CEN TC 88 - WG 10 odpowiada za normy produktowe i metody sprawdzania sprzętu i izolacji przemysłowych, natomiast CEN TC 89 - WG 3 za odpowiednie aspekty obliczeń. CEN TC 89 - WG 10 zajmuje się specyficznymi potrzebami izolacji (powierzchni) instalacji chłodniczych. Ta grupa bliska jest sfinalizowania procesu wytyczania norm sprawdzania zgodnych z DIN 52615 i odpowiednich norm dla MODELOWANIA GLASERA oraz procedur obliczania ilości pary wodnej ulegającej dyfuzji w sposób podobny do specyfikacji AGI O 112.
CEN TC 89 - WG 3 zajmuje się procedurami opisanymi w deklaracji dotyczącej wartości współczynnika przewodzenia ciepła przez materiały izolacyjne do izolacji rur i przewodów wentylacyjnych oraz zasadami dokonywania odpowiednich obliczeń. W Niemczech jest to obszar kompetencji VDI 2055, natomiast w Wielkiej Brytanii BS 5422.
Standaryzacja ma na celu poprawę stanu wiedzy i bezpieczeństwa użytkowników produktu i / lub osób podejmujących odpowiednie decyzje. Celem Komisji jest uwolnić Europę od barier handlowych.
Użytkownik końcowy i/lub projektant powinien znać jakość wszelkich produktów końcowych sprzedawanych na rynku europejskim z powodów technicznych oraz ze względu na konkurencję. Tzw. znak CE nie spełniła swej roli, zatem nie będzie znakiem jakości.
Komisja nie może i nie będzie wprowadzać procedur kontroli jakości takich jak np. tzw. kontrola przez OSOBY TRZECIE, na które producent nie ma bezpośrednio wpływu. Zapewnienie to znaleźć można w decyzji Komisji z dnia 31 maja 1995 r. dotyczącej wprowadzenia w życie Artykułu 20, § 2 Dyrektywy 89/106/EWG dotyczącej obrotu produktami.
Kontroli OSÓB TRZECICH podlegać będzie tylko reakcja niektórych produktów na ogień. Odpowiedzialność za używanie „właściwego" produktu do określonych zastosowań spoczywa zatem na kliencie, użytkowniku i projektancie produktów izolacyjnych do instalacji chłodniczych. Należy więc preferować produkty o sprawdzonej jakości. Informacje na temat istniejących procedur kontroli jakości materiałów izolacyjnych w Niemczech oraz przyszłych regulacji unijnych w tej dziedzinie zawiera dokument opublikowany już w roku 1991 i ostatnio w Isoliertechnik w Niemczech.
dr H.P. Wöss
Isolante Service GmbH