Vákuumpanel hőszigetelés tulajdonságai, alkalmazása
Fogalma
A vákuumpanel hőszigetelő termékeket elsőként hűtőszekrények és járművek szigetelésére használták, az elmúlt két évtizedben viszont megjelentek az építő anyagok piacán is, mint különlegesen kis hővezetési tényezőjű hőszigetelő anyag, kül- és beltéri hőszigetelőként egyaránt. Felépítésében és megjelenésében nagyon hasonlít a vákuumcsomagolt darált kávéhoz. Maga a technológia azon alapszik, hogy egy légtömör köpeny belsejében evakuálás útján léghiányos állapotot, azaz vákuumot hoznak létre.
Története
1930-ban Németországban jelent meg az első szabadalom, amely gumiból készült vákuumcsomagolásba helyezett porózus anyagot. 20 évvel később az Egyesült Államokban állítottak elő olyan hőszigetelő terméket, amelynek anyaga acélfóliába töltött üveggyapot mag. Az első, nanostruktúrájú anyaggal töltött vákuumpanelt 1963-ban állították elő. A következő évtizedek kísérletei arra irányultak, hogy megtalálják a megfelelő maganyagot és légzárási technológiát.
Maganyag és bevonóanyag tekintetében alapvetően háromféle technológia alakult ki, közülük az első kettő már az 1970-es években elterjedt. Az egyik technológia szerint a szálas maganyagot 75 pm vastag acélfóliába csomagolták. A másiknál kovaföld töltőanyagot használtak, amelyet 100 pm acélfóliába csomagoltak. Az előbbi a hűtőgépiparban, az utóbbi pedig a gépiparban terjedt el, és leginkább fűtéscsövek szigetelésére használatos.
A harmadik technológia az 1990-es években alakult ki. Itt töltőanyagnak nanoszilikaport használtak, amelyeket műanyag fóliába csomagoltak, majd többrétegű, 12 pm vastagságú alu-míniumbevonattal láttak el. Utóbbi termék terjedt el építőipari szigetelőanyagként.
Gyártása
Nanoszilika-kristályok érintkezési felületei olyan kicsik, hogy a hővezetés nem tud létrejönni akadálymentesen. Ezenkívül azzal, hogy a nanokristályok közti térben vákuumhoz közeli állapotot hoznak létre (0,05 bar), a levegőrészecskék nagy százalékát eliminálják. Mivel a közel légüres térben nagyon kevés levegőmolekula marad, nem tudják ütközés révén a mozgási energiát átadni, így a konvekció által történő hőenergia szállítás is minimálisra csökken.
A vákuumpanel hőszigetelők maganyagból és az azt borító membránrétegből állnak. A maganyag kis hővezetési képességű, nyomásálló és evakuálható. A különböző töltőanyagok közül a leghatékonyabb alapanyag a pirogén kovasavpor, ami nanoméretű pórusokat tartalmaz. Ezen nanoporózus anyag pórusszerkezete ugyanis azonos nagyságrendben van az atmoszferikus nyomás alatti levegőmolekula méretével. A préselés során a nanogolyók közötti pórusok olyan kicsikké válnak, hogy a levegőmolekulák mozgását jelentősen gátolják. Hővezetési tényezője így evakuálás nélkül is kétszer kisebb, mint a hagyományos hőszigetelő anyagoké (A = 0,019 W/m-K).
A teljes rendszer működésében nagy szerepet játszik a szigetelőfólia, amely a töltőanyagot körbeveszi. Nem csupán a vákuum – a rendszer élettartama alatt történő – megtartását biztosítja, hanem ez a tulajdonképpeni kapcsolat a környezet és a panel között, és így a vákuumpanel teljes szerkezetbe történő integrációjáért is felelős. A külső membránborítás, egy többrétegű műanyag – polietilén-tereftalát (PET) vagy polietilén – fóliából álló mechanikai védőréteg, amelyre általában 2-3 rétegben 30 nm vastagságú pára- és légzáró alumíniumfólia kerül.
A vákuumpanel felépítése
A fólia szélét széles sávban összeragasztják. Ez a ragasztási vonal jelenti a rendszer legkritikusabb pontját, mert itt a ragasztórétegen keresztül behatoló molekulák a vákuum értékét lerontják. A magas vákuumérték minél hosszabb ideig való megtartása érdekében bizonyos termékeknél „getter” anyagot is elhelyeztek a panel belsejében, hogy az időközben bejutó molekulákat (főként vízgőzt, oxigént és nitrogént) megkössék.
Az evakuálást és a burkolóköpeny lezárását követően a vákuumpanel elnyeri végső formáját és hővezető képességét.
Tulajdonságai
Az elkészült, átlagosan 5 mbar belső nyomású panelek hővezetési tényezője (a felhasznált anyagok függvényében) 0,005-1,010 W/m-K közötti, ami megközelítően 5-10-szerese a széles körben használt, hagyományos hőszigetelő anyagokénak. Fontos azonban tudni, hogy a hővezetési tényezője nagyban függ az anyagban kialakult vákuum mértékétől, ami az idő múlásával változik.
Egy új készítésű vákuumpanelben a nyomás értéke 1-5 mbar közötti értéket vesz fel, ami a kísérletek szerint évente átlagosan 2 mbar értékkel növekszik. Ennyi idő alatt a hővezetési tényezője 2-4-szere-se, vagyis akár 0,020 W/m-K értékre is megnőhet, ami jóval nagyobb, mint a kezdeti érték, de még mindig sokkal kisebb a hagyományos anyagokénál.
A vákuumpanel hőszigetelés fontosabb anyagjellemzői
| Tulajdonság | Jel | Mérték-egység | Érték |
|---|---|---|---|
| Testsűrűség | ρ | kg/m3 | 150-300 |
| Nyomószilárdság | σ nyomó | kPa | 140-250 |
| Húzószilárdság | σ húzó | kPa | 60 |
| Hajlítószilárdság | σ hajlító | kPa | - |
| Fajhő | Ϲ | J/kg x K | 800 |
| Lineáris hőtágulási együttható | α | l/K | - |
| Vízfelvétel (hosszú idejű) | W | V/V % | 0 |
| Hővezetési tényező | λ | W/m x K | 0,005-1,010 |
| Páradiffúziós ellenállási szám | µ | - | ∞ |
| Páradiffúziós tényező | - | mg/ Pa x h x m | - |
| Gyulladási hőmérséklet | T | °C | 80 |
| Tűzvédelmi osztály | - | - |
A vákuumpanel további előnyös tulajdonsága, hogy vízálló, semmiféle nedvességet nem vesz fel és nem enged át. Viszonylag nagy nyomószilárdsága miatt padlók, teraszok és lapostetők hőszigetelésére is alkalmas, azonban a táblák rendkívül sérülékenyek.
Alkalmazása
Az építészek napjainkban egyre gyakrabban szembesülnek azzal a problémával (pl. passzívházak tervezésekor, vagy nyílászárók körüli hőhidak megszüntetésekor), ami hagyományos hőszigetelő anyagok használata esetén túlságosan nagy vastagságot (30-40 cm) eredményez. Ilyenkor szerencsésebb esetben csak esztétikailag zavaró, rosszabb esetben kivitelezhetetlen épületszerkezeti csomópontok jönnek létre.
Olyan esetekben, amikor az épületszerkezet hőszigetelő képességének fokozására a hőszigetelés vastagságának növelése nem alkalmas (pl. helyhiány miatt), a hagyományos anyagokénál jóval kisebb hővezetési tényezőjű (0,005-0,010 W/m-K) vákuumtechnológián alapuló hőszigetelő termékek nyújthatnak megoldást.
Felhasználási területtől függően a vákuumpanel hőszigetelések készülhetnek vákuum hőszigetelő panel, vákuum szendvicspanel vagy vákuumüvegezés formájában.
A) Vákuum hőszigetelő panel
Védőréteg alkalmazása esetén a vákuum hőszigetelő panel alkalmas lapos- és magastetők, födémszerkezetek, padlók és homlokzati falak hőszigetelésére. A számos réteg (összesen akár 6-12 is lehet) ellenére a vákuum hőszigetelő panelek védő membránrétege nagyon sérülékeny.
A vákuumot egy viszonylag vékony réteg (hártya) őrzi, amely a mechanikai igénybevételekre nagyon kényes, ugyanakkor igen drága anyag. Bármilyen ütődés, karcolódás az egész panelt tönkreteszi. E magas sérülékenység miatt kivitelezése rendkívüli odafigyelést igényel. Építkezési körülmények között az ilyen finom bánásmód nemcsak a panel, hanem a beépítés költségeit is megnöveli. A beépítési helynek is biztosítania kell a sérülésmentes környezetet.
A vákuum hőszigetelő panel rögzítési módjai
Éppen ezért a vákuumpanel egy teljesen előregyártott rendszert képez, ezért még a kivitelezés megkezdése előtt, az anyagrendeléskor méretezett kiosztási tervet és elemterveket kell készíteni. A panelek előregyártva, méretre szabva érkeznek a helyszínre. A kivitelezést segítendő, a táblákat számozással, konszignációs jelekkel látják el a kiosztási terv szerint.
A panelek vastagsága általában 10-50 mm közt változik, a panelek mérete 100 x 100 mm és 1250 x 3000 mm közt változhat, alakjuk derékszögű négyszög. Fontos, hogy a levegő ne tudjon beszivárogni a panelek belsejébe, ezért szigorúan tilos a táblákat a helyszínen méretre vágni, átfúrni, átszúrni! A rögzítéshez szükséges pontokat, réseket előre elkészítik. Amennyiben mechanikai rögzítés (pl. csavarozás) nem szükséges (pl. talajon fekvő padló vagy lapostető esetén), nem szükséges külön védőréteg beiktatása.
Homlokzatok vagy pincefödémek alsó síkjának hőszigetelésekor azonban valamiféle rögzítésre van szükség. Teljes felületi ragasztás is lehetséges, de a szerkezetben fellépő hőmozgások miatt nem teljesen biztonságos mód. Homlokzati falakra leginkább pontonkénti mechanikai rögzítéssel vagy vonal mentén, sínrendszer segítségével oldható meg. A rögzítődűbelek számára előfúrt lyukakra van szükség.
A vákuumpanel hőszigetelés alkalmas padlószerkezetek szigetelésére is. Ilyenkor elegendő a leterheléses rögzítés, előre elhelyezett rögzítési pontok nem szükségesek. Azonban a panelek sérülékenysége miatt szükséges fölötte egy teherelosztó réteg létesítése.
A vákuum hőszigetelő panelek kiválóan alkalmazhatók függönyfal parapet elemének hőszigetelésére. Ahhoz, hogy hagyományos hőszigetelő anyagból megfelelő hőszigetelő képességet biztosítsunk, túlságosan nagy vastagságokra van szükség, ami nem harmonizál a függönyfal ablakelemeinek méretével. Azonban két előnye is van annak, ha a parapetelem hőszigetelésére vákuum hőszigetelő panelt használunk.
Egyrészt jóval vékonyabb – az üvegezett ablakelem vastagságával egyező – szerkezeti vastagság is elegendő lesz, másrészt, ha a vákuumpanelt két üvegréteg közé helyezzük, elérhetjük, hogy külső megjelenésében a parapetelem ne különbözzön jelentősen a függönyfal ablakelemeitől sem.
Vákuumpanelből készült függönyfal parapetelem rajza
Vákuum hőszigetelő szendvicspanel („Lockplate”)
B) Vákuum szendvicspanel (VIS)
Az előfúrt dűbelezési pontok elkerülhetők vákuum szendvicspanel használata esetén. A „Lockplate” elnevezést viselő termék lényege, hogy egy a vákuum hőszigetelő panel mag körül 4 cm expandált polisztirolhab bevonat található. Ez egyrészt védi a magszigetelést a sérülésektől, másrészt biztosít egy olyan 4 cm széles peremet a hőszigetelő tábla számára, ahol a rögzítési pontokat nem kell előre betervezni, a helyszínen tetszőlegesen kialakíthatók a belső magszigetelés sérülése nélkül.
A vákuum szendvicspanel alkalmazási területét elsősorban könnyűszerkezetes házaknál használják, ezzel is gyorsítva az építkezés menetét. Előnye a normál vákuumpanellel szemben, hogy kevéssé sérülékeny. Ezenfelül némileg jobb a hőszigetelő képessége, mint a sima vákuum hőszigetelő panelnek, ugyanis hagyományos hőszigetelés is található mellette, ami javítja a hőszigetelő képességét.
C) Vákuumüvegezés
A vákuumüvegezés lényege, hogy a hagyományos üvegezések nemesgáztöltését vákuum váltja fel. A kivitelezése meglehetősen nehézkes, a vákuumüvegezésekben ugyanis nagyon kis (0,001-0,0001) mbar nyomást kell elérni az evakuálás során, a megfelelő hőszigetelő képesség biztosításához. Ezáltal az üvegtáblákra nehezedő hatalmas atmoszferikus nyomást pedig az átlátszóságot nem korlátozó módon, távolságtartó elemekkel kell felvenni.
A speciális távtartó elemek finom rasztere (1000 db/m2) csupán közvetlen közelről vehető észre. Fontos különbség a hagyományos üvegezésekhez képest, hogy szerkezeti vastagsága mindössze 7-9 mm. Alapelve, hogy két, egyenként 4-6 mm-es síküvegtábla közül evakuálják a levegőt. Mindkét üvegtábla belső oldalát hővisszaverő (ún. low-e) bevonattal látják el, távolságuk mindössze 0,2-1 mm.
A szerkezet gyenge pontját az üvegtáblák pereme jelenti, amelyek légtömörségét hosszú távon biztosítani kell. A peremek lezárásának leghatékonyabb módja fémlemezek segítségével történik. Bár az üveg-fém és a fém-fém kapcsolat speciális hegesztőeljárások révén a vákuumtechnológia számára megbízható módon megoldható, ez a fajta kapcsolat mégis nagymértékű hőhidakkal jár.
Homlokzati hőszigetelés általános rétegrendje vákuum szendvicspanel segítségével, PVC-sínes rögzítéssel
Vákuumüvegezés
Kísérleti fázisban van egy teljesen új eljárás, ami egy hagyományos 50 cm vastag falat próbál ugyanolyan hőátbocsátási tényezővel 11 cm falvastagsággal megoldani látszóbeton karakterrel. Új anyagok kombinálásával (textilbeton, vákuumpanel, fázisváltó anyag és üvegszál-erősített műanyag) a 11 cm vastag fal is elérheti az 0,15 W/m2-K hőátbocsátási tényező értéket.