Hőszigetelő anyagok

Páratechnikai alapfogalmak, hőtranszport folyamatok és hőhidak

Páradiffúzió

A pára tulajdonképpen vízgőz, ami nem más, mint gáz-halmazállapotú víz. Mivel gázként viselkedik, így képes nyomást kifejteni. A nagyobb hőmérsékletű levegő nagyobb mennyiségű vízgőzt képes megtartani, így annak páratartalma is magasabb. Ebből következik, hogy a meleg levegő nyomása is nagyobb.

Ha a meleg levegőt lehűtjük, csökken a vízmegtartó képessége, nem tudja a benne lévő pára egy részét megtartani, ami pedig kicsapódik. Amikor a levegő egy adott hőmérsékleten már nem tud több vízgőzt felvenni, telített levegőnek nevezzük. Az adott levegő tényleges páratartalmának és a vele megegyező hőmérsékletű telített levegő páratartalmának arányát relatív nedvességtartalomnak nevezzük. Ezt a két páratartalom-érték százalékos arányában fejezzük ki.

Azt a hőmérsékletet, amelyen az adott hőmérsékletű és nedvességtartalmú levegő telítetté válik, harmatpontnak nevezzük. Az épülethatároló szerkezetek állagvédelmének szempontjából a harmatponti hőmérséklet nagyon fontos. Ha a szerkezet belső felülete vagy valamelyik szerkezeti rétege a harmatpont alá hűl, akkor a belső felületeken páralecsapódás, a szerkezeten belül pedig párakicsapódás következik be.

Páradiffúziós tényező

A páradiffúziós tényező egy olyan anyagjellemző, amely megmutatja, hogy egységnyi parciális nyomáskülönbség hatására egységnyi idő alatt mennyi vízgőz halad át egységnyi vastagságú anyag egységnyi felületén. A páradiffúziós tényező egy adott anyag esetén azt a páramennyiséget adja meg kilogrammban, amely az anyag két, egymással párhuzamos, egymástól 1 m távolságra lévő sík rétege között 1 Pa nyomáskülönbség hatására a réteg felületének 1 m2-én 1 perc alatt áthatol.

Páradiffúziós ellenállási szám

A páradiffúziós ellenállási szám egy viszonyszám a levegő (Ievegő) és az anyag páradiffúziós tényezője között. Tulajdonképpen egy mértékegység nélküli szám, ami megmutatja, hogy milyen vastag anyag páradiffúziós ellenállása egyenlő 1 m vastag levegő ellenállásával. Jó páradiffúzióról akkor beszélhetünk, ha a páradiffúziós ellenállási szám kicsi.

Páradiffúziós ellenállás

A páradiffúziós ellenállás nem az adott anyagra, hanem a belőle készített szerkezeti egységre vagy szerkezeti rétegre vonatkozik. Az adott vastagságú réteg párazáró képességére utal, a diffúzióval szembeni ellenállást adja meg.

A páradiffúziós ellenállás mértékét befolyásolja:

  • az anyag nedvességtartalma (csökkenti a pórustartalmat),
  • az anyag pórustartalma (sűrűsége),
  • a porozitás Fajtája (nyílt vagy zárt pórusú) és
  • az anyag hőmérséklete.

Hőtranszport folyamatok épületszerkezetekben

A magyarországi klimatikus viszonyok között télen, a Fűtési idényben a külső légtér hőmérséklete általában alacsonyabb, mint az épületek helyiségeinek léghőmérséklete, ezért egy kiegyenlítetlen folyamat következik be, amelynek során a levegő az épülethatároló szerkezeteken keresztül a külső (hidegebb) légtér felé vándorol.

Ez a Folyamat télen lényegében folyamatos, de a külső hőmérséklet változása révén nem egyenletes. Az épülethatároló szerkezeteken keresztül télen mindhárom hővándorlási forma szerepet játszik, de hőtechnikai szempontból meg kell különböztetni a tömör és az átlátszó szerkezeteket, valamint a tömör szerkezeteken belül a hőhidakat és a talajon fekvő padlókat.

2.1. ábra.

2.1. ábra. Épülethatároló szerkezetek csoportosítása hőtechnikai szempontból

2.2. ábra.

2.2. ábra. Az épületszerkezeten keresztüli transzmissziós hőveszteség összetevői

A tömör épülethatároló szerkezeteket hőtechniai szempontból meg kell különböztetnünk az eltérő külső-belső hőmérséklet-különbségek, ill. az eltérő hővándorlási mód miatt.

Így megkülönböztetünk:

  • a külső légtérrel közvetlenül érintkező szerkezeteket (külső fal, lapostető, árkádfödém, tetőtérbeépítést határoló fal, lábazati fal, külső térdfal),
  • a külső légtérrel közvetve érintkező szerkezeteket (padlásfödém, belső térdfal),
  • a fűtött és fűtetlen helyiségeket elválasztó szerkezeteket (belső fal, pincefödém) és
  • a talajjal érintkező szerkezeteket (pincefal, talajon fekvő padló).

A tömör épülethatároló szerkezeteken keresztül lejátszódó hővándorlás értelemszerűen hőveszteséget okoz, amit fűtési energiával kell pótolni. Ezt transzmissziós hőveszteségnek nevezzük, ez (a külső fal példájából kiindulva) három tényezőből tevődik össze.

Ezek:

  • hőátadás a belső levegőből a falszerkezetre,
  • „hővezetés” a szerkezeten keresztül, és
  • hőátadás a szerkezet külső felületéről a külső légtérbe.

Hőátadás

A hőátadás egyik összetevője a hőáramlás, amikor a hőt mozgó anyagrészecskék (jelen esetben levegőrészecskék) közvetítik. Valójában tehát ez nem más, mint mozgási energiaközlés. A hőenergia egy szilárd test (falszerkezet) és egy gáz (levegő) érintkezési felületén adódik át.

A nyugalomban lévő levegőnek nincs hőátadó képessége. A külső térelhatároló szerkezetek felületei mentén azonban a gravitáció, ill. (a külső térben) a turbulens levegőmozgások (azaz a szélhatások) által alakul ki hőátadás. Minél nagyobb a légmozgás, annál több az átadott hőmennyiség. A külső oldali hőátadás mindig nagyobb, mivel itt szélhatás is van.

A jelenség és mértéke a konvektív hőtáadási tényezővel jellemezhető. Ez megmutatja, hogy a szerkezet és a levegő egységnyi hőmérséklet-különbsége hatására, egységnyi idő alatt, a szerkezet egységnyi felületére vonatkoztatva mennyi hő adódik át a belső levegőből a szerkezet felületére, ill. a szerkezet külső felületéről a külső légtérbe. Ennek megfelelően a tényezők mértékegysége:

A konvekcióból adódó hőátadási tényezőket a számításoknál konstans értékként vesszük figyelembe. Az értékek nagysága attól is függ, hogy a levegő áramlási iránya milyen viszonyban van az adott szerkezet síkjával. Ha arra merőleges (pl. tetőfödémnél), a tényező értéke is nagyobb, ha ellentétes (pl. árkádfödémnél), akkor kisebb, míg ha párhuzamos (pl. külső falnál), akkor középértéket veszünk figyelembe. A szél hatását a fűtési időszakban jellemző átlagos szélsebességgel számítjuk.

A hőátadás másik összetevője a hősugárzás. Ilyenkor a molekulák mozgási energiája elektromágneses sugárzás formájában távozik a melegebb testről (felületről) a hidegebb felé. A jelenséget idegen szóval emissziónak nevezzük. Minden eltérő hőmérsékletű test ilyen sugárzási kapcsolatban van egymással, amíg a hőmérséklet-különbségük fennáll, és ki nem egyenlítődik.

Ha tehát épületünk felületi hőmérséklete azonos a szomszédos épületével (mert ugyanúgy fűtött), nincs sugárzási hőveszteség. Minden egyéb esetben -ha a környezetben lévő tárgyak, épületek, növények felülete kisebb hőmérsékletű – azonban van. Különösen nagymértékű az emisszió tetők esetében, hiszen ebben ekkor lényegében csak egyirányú sugárzás (kisugárzás) jön létre.

Hőátadási tényező

A jelenség és mértéke a sugárzási hőátadási tényezővel jellemezhető. Ez megmutatja, hogy a belső térben lévő tárgyakról az épülethatároló szerkezetre, ill. arról a vele sugárzásos kapcsolatban álló kisebb hőmérsékletű külső tárgyakra mekkora a kisugárzott hőenergia egységnyi hőmérséklet-különbség hatására egységnyi idő alatt, a szerkezet egységnyi felületére vonatkoztatva.

Ennek megfelelően a tényezők mértékegysége:

2.3. ábra.

A hőtechnikai számításokban vagy a hőátadási tényezőt, vagy pedig a hőátadási ellenállások értékeit vesszük figyelembe. Utóbbiak a hőátadási tényezők reciprok értékei, vagyis:

Hőátadási tényezők

A sugárzás által a levegő – lévén sugárzást el nem nyelő közeg – nem melegszik fel. Sugárzásos kapcsolat (hőmérséklet-kiegyenlítődés) természetesen az épületen belül is létrejön a különböző hőmérsékletű épületszerkezetek, berendezési tárgyak stb. között. Az emberi test, és az annál kisebb hőmérsékletű épületszerkezetek közötti egyoldalú sugárzásos kapcsolat.

Hőátadási tényező

2.3. ábra. A hőátadási tényező értékei (W/m2x K) különféle épülethatároló szerkezetek esetében

A hő átadási ellenállás a szerkezet felületi ellenállása az áramlással (konvekció) és a sugárzással (radiáció) közölt hőáramlással szemben.

Hővezetés

A hővezetés az építőanyagokban valójában mindhárom hőközlési forma (hővezetés, hőáramlás, hősugárzás) együttes hatását jelenti. Ez könnyen belátható, ha a hőmérsékletviszonyokat egy külső fal példáján vizsgáljuk. Ha ugyanis télen a belső és a külső léghőmérséklet között különbség van, akkor különbség van a belső és a külső falfelületek hőmérséklete között is. Ugyanez igaz az anyagban lévő pórusok, üregek, cellák belső és külső oldali felületei között. Ez a hőmérséklet-különbség hőáramlással és hősugárzással jár a pórusokba, üregekbe zárt levegőben, és ez jelentős mértékben módosítja a tömör anyag (pl. cellafalak) hővezetési tulajdonságait.

A nyugalomban lévő levegő ugyanis nagyon jó hőszigetelő, még kismértékű mozgása, áramlása esetén is jobb, mint a legtöbb építőanyag. Éppen ezért az építőanyagok hővezető képességét mérésekkel állapítják meg, és az ún. Hővezetési tényező a háromféle hőközlési módot is tartalmazza, vagyis nevezhető egyenértékű hővezetési tényezőnek is.

A hővezetési tényező anyagjellemző, amely megmutatja, hogy mekkora az egységnyi vastagságú anyag egységnyi felületén időegység alatt átáramló (átvezetett) hőmennyiség, ha a külső és belső határoló felületek hőmérséklet-különbsége is egységnyi. Az átvezetett hőmennyiség egyenesen arányos tehát a felület nagyságával, a hőmérséklet-különbséggel és az idővel, a vastagsággal pedig fordítottan arányos.

Ezt fejezzük ki a tényező mértékegységével:

Képlet

Az építőanyagok hővezető képessége, ill. a hővezetési tényező nagysága számos jellemzőtől függ, ezek közül a legfontosabbak.

Ezek:

  • Testsűrűség – Általánosságban elmondható, hogy egy építőanyag hővezető képessége a testsűrűséggel egyenesen arányos, vagyis minél kisebb az anyag testsűrűsége, annál kisebb a hővezetési tényezője is. Kivétel persze itt is van, példának okáért az expandált polisztirolhabok, amelyeknél – bizonyos testsűrűség határok között – ennek éppen ellenkezője igaz.
  • Levegőtartalom – Hatása a pórusok és az üregek össztérfogatától függ, és összefüggésben van a testsűrűséggel. Nagyobb levegőtartalom kisebb hővezetési tényezőt, azaz jobb hőszigetelő képességet jelent.
  • Pórusméret/üregméret- Minél kisebbek egy építőanyag pórusai, annál kisebb hőmérséklet-különbségek alakulnak ki a pórusok belső és külső oldala között. A kis hőmérsékletkülönbség kisebb légáramlást is eredményez.
  • Póruselrendezés – Az anyag pórusai elrendezésüket tekintve lehetnek nyíltak és zártak. A nyílt pórusú anyagoknál a pórusok egy része kapcsolatban van a szomszédos pórusokkal, miáltal a pórusméret – és ezzel együtt a levegő áramlása is – megnövekszik. Ez zárt pórusú anyagok esetében nincs így, ezért jobb a hőszigetelő képességük.
  • Nedvességtartalom – A víz hővezetési tényezője 0,58 W/m x K, vagyis közel 25-szöröse a nyugalomban lévő levegőének. Ezért, ha a pórusokba víz kerül levegő helyett, az anyag hőszigetelő képessége leromlik.
  • Szálak (rostok) iránya – A szálas hőszigetelő anyagoknál, de akár a faanyagoknál vagy más természetes hőszigetelő anyagoknál is, a szálelrendezés (szálirány, rostirány) a hőátvezetés irányához képest jelentős különbséget eredményez a hőszigetelő képességben. Az üveggyapot lemezekben például a szálirányra merőleges hővezetési tényező több mint kétszerese a száliránnyal párhuzamos hő-vezetési tényezőnek.
  • Hőmérséklet – Kristályos anyagok esetén (pl. fémek) a hőmérséklet növekedésével a hővezetési tényező csökken, míg nem kristályos, amorf anyagok esetén (pl. műanyagok) a hőmérséklet növekedésével a hővezetési tényező is növekszik. Éppen ezért az építőanyagok hővezetési tényezőjének mérése meghatározott hőmérsékleten, + 10 °C-on történik.

A hővezetési tényezőt bizonyos beépítési módok és feltételek esetén módosítani kell.

Ezek a módosítások a következő hatásokkal kapcsolatosak:

  • a hőszigetelő anyag gyártásakor nedvességhatásnak van kitéve (pl. az előregyártott vasbeton szendvicspanelek hőszigetelő rétege),
  • a hőszigetelő anyag beépítésekor nedvességhatásnak van kitéve (pl. ha rábetonoznak vagy rávakolnak),
  • a hőszigetelő anyag ülepedésre vagy vetemedésre hajlamos,
  • a határoló szerkezet hőszigetelő rétege higroszkopikus hőszigetelő anyagból készül és a belső tér nedves,
  • az ún. kéthéjú (szellőztetett légréteges) szerkezetekbe beépített légzáró-páraáteresztő réteg nélküli hőszigetelő anyagoknál, és
  • lapostetőkbe egy rétegben, tompa ütközéssel beépített hőszigetelő anyagoknál.

A hővezetési tényező ismeretében bevezethetjük a hővezetési ellenállás fogalmát. Ez már nem egy adott anyagra, hanem a belőle készített szerkezetre (ha az egyrétegű), vagy szerkezeti rétegre vonatkozik, és adott vastagságú réteg hőszigetelő képességére, azaz hővezetéssel szembeni ellenálló képességére utal. Ha a szerkezet többrétegű, akkor az egyes szerkezeti rétegek hővezetési ellenállásait összeadva kapjuk a teljes szerkezet hővezetési ellenállását.

Hőátbocsátás

A szerkezet hőátbocsátási tényezője a hőátbocsátási ellenállás reciproka. Azt fejezi ki, hogy mekkora egy adott épülethatároló szerkezet egységnyi felületén időegység alatt átáramló hőmennyiség, ha a külső és belső légtér hőmérséklet-különbsége is egységnyi. A hőátbocsátási tényező jele: U. A hőátbocsátási tényező ismeretében meghatározható a szerkezeten áthaladó hőáramsűrűség, a szerkezet hőveszteség-tényezője és a szerkezet teljes hővesztesége is.

Hőáram és hőáramsűrűség

A hőáramsűrűség azt mutatja meg, hogy mekkora egy adott épülethatároló szerkezete egységnyi felületén időegység alatt átáramló hőmennyiség egy adott külső és belső légtér hőmérséklet-különbség mellett. Tulajdonképpen nem más, mint az egységnyi felületre eső hőáram. Úgy számítható, hogy a szerkezet hőátbocsátási tényezőjét a külső és belső légtér közti hőmérséklet-különbséggel összeszorozzuk.

Egy épület jellemzően kétféleképpen veszít hőt, az épületszerkezeteken keresztül, ill. légcserével (szellőztetés és filtráció).

A szerkezeten át való hőveszteség kétféle lehet, ezért megkülönböztetünk:

  • egydimenziós hőátbocsátást és
  • többdimenziós hőáramot.

2.1. táblázat. Korrekciós tényezők az anyag és beépítési mód függvényében

Anyag és beépítési módK
Polisztirolhab, amelyre rábetonoznak vagy rávakolnak0,42
Perlitbeton 400 kg/m3 testsűrűség alatt, amelyre rábetonoznak0,57
Bitumenperlit 300 kg/m3 testsűrűség alatt, amelyre rábetonoznak0,51
Parafa, amelyre rávakolnak0,20
Polisztirolhab vagy ásványgyapot két falazott réteg között0,10
Perlit ömlesztve, két falazott réteg között0,38
Poliuretánhab szellőztetett légrétegben0,25
Polisztirolhab szellőztetett légrétegben0,50
Külső falburkolat vagy hidegtető alá, a külső levegővel érintkező légrétegbe beépített, légzáró bevonattal el nem látott hőszigetelés, a hőszigetelő réteg páradiffúziós ellenállásától függően
ha Rv 0,8 m2x s-MPa/g0,35
ha 0,8 m2 s x MPa/g ≤ Rv 5,0 m2x s-MPa/g0,25
ha Rv > 5,0 m2x s-MPa/g0,10
Porózus felületű hőszigetelő réteg, amelyre az építés vagy gyártás során habarcsréteget vagy betonréteget hordanak fel0,30
Higroszkopikus hőszigetelő anyagok, könnyűbetonok olyan helyiség térelhatároló szerkezetében, ahol a belső relatív nedvességtartalom folyamatosan 80% feletti
ha a helyiség levegőjével közvetlenül érintkezik0,25
ha attól párafékező vagy betonréteg választja el0,10
400 kg/m3-nél kisebb testsűrűségű, ülepedésre, vetemedésre, roskadásra hajlamos hőszigetelés függőleges rétegként beépítve
ásványgyapot, polisztirolhab0,20
táblák formájában előregyártva0,15
Lapostetőkbe beépített hőszigetelő táblák egy rétegben, tompa ütközéssel fektetve
kasírozás nélkül0,25
legalább egy oldalról kasírozva0,10

Az egydimenziós hőáram a homogén felületek jellemzője. Nevét onnan kapta, hogy a hőáram az egész felületen egyirányú, a felületre merőleges. A hőáram tulajdonképpen nem más, mint a teljes szerkezeten egységnyi idő alatt átáramló hőmennyiség. Mivel teljesítmény jellegű mennyiség, így a mértékegysége watt.

Hőhidak

Az épületszerkezetekben mindig előfordulnak olyan részek, ahol az egydimenziós hőáramlás – és ennek következtében többdimenziós hőmérséklet-eloszlás megközelítő feltételként sem fogadható el. Ilyenkor többdimenziós hőáramlásról beszélünk. Azon épületszerkezeti részeket, ahol a hőáramlás ilyen formája létrejön, az építészetben hőhidaknak nevezzük.

A többdimenziós hőáramlás kialakulásának többféle oka lehet:

Geometriai forma

Legjobb példa geometriai hőhídra a pozitív falsarok. Ilyenkor – a jelenséget leegyszerűsítve – a fűtött belső felülethez (ami itt csupán egy vonal, mégpedig a falsarok belső éle) képest a lehűlő felület végtelen nagy (kétszeres falvastagsággal azonos. A hőáram itt felsűrűsödik, és fajlagosan nagyobb lesz, mint az egyéb falszakaszokon.

2.4. ábra. Geometriai hőhíd

2.4. ábra. Geometriai hőhíd

Eltérő hőszigetelő képességű anyagok együttes alkalmazása

Legjobb példa erre a falszerkezetbe beépített vasbeton pillér esete. Ebben az esetben a hőáram a kisebb hővezetési ellenállású (azaz rosszabb hőszigetelő képességű) pillér szakaszán sűrűsödik.

Épületszerkezetek csatlakozásai

Ez önmagában is okozhat hőhídhatást, de sokszor az előző két hőhídtípus együttesen fejti ki hatását (pl. falszerkezet és vasbeton koszorú). Ezt a hőhídtípust szerkezeti hőhídnak is nevezzük.

Homlokzati síkból kinyúló szerkezetek

Ebbe a csoportba tartoznak az erkélyek, loggiák, attika falak, függőfolyosók stb., amelyeknél ezek az általában rossz hőszigetelő tulajdonságú (gyakran vasbeton) szerkezetek hűtőbordaként működnek, jelentős lehűlő felületet képezve.

2.5. ábra. Homlokzatsíkból kinyúló szerkezet hőhídhatása

2.5. ábra. Homlokzatsíkból kinyúló szerkezet hőhídhatása

A felületi hőmérséklet egyenlőtlen eloszlása

Ezek elsősorban a felület árnyékolása, a légmozgás akadályozása következtében a hőátadás akadályozása miatt kialakuló hőhidak.

Az előző hatások kombinációi

Ezek a hőhidak különösen akkor veszélyesek, ahol kettőnél több épülethatároló szerkezet csatlakozik (pl. legfelső épületszint külső fal – külső fal – födém csatlakozása).

Pontszerű hőhidak

A pontszerű hőhidak hatása általában egy-egy pontra koncentrálódik, hatása viszonylag kicsi, azonban, ha nagy számban találhatók meg az épületszerkezetben, akkor számolni kell azzal, hogy a szerkezet hőszigetelő képességét rontják. Leggyakoribb példája a homlokzati hőszigeteléseknél vagy a burkolatoknál a rögzítési pontok okozta hőhíd.

A pontszerű hőhidak sok esetben elkerülhetők, vagy hatásuk csökkenthető, így azok egymás hőszigetelő képességét jelentősen nem rontják. – Kivitelezési hibák okozta hőhidak. Ilyen hőhidak akkor keletkeznek, ha pl. a szigetelőrétegek elcsúsznak, lyukak keletkeznek bennünk, roskadnak, ill. hiányosan történt a légmentesítés. Természetesen számos más kivitelezési hiba eredményezheti a hőhíd ezen típusának kialakulását.

Az előzőekből következik, hogy hőhídmentes szerkezet gyakorlatilag nincsen. Hőhidakkal minden esetben számolni kell, csupán a hatásukat lehet (és kell is) csökkenteni. A hőhidak okozta hőveszteséget a hőtechnikai számításnál figyelembe kell venni. A hőhidak negatív hatásai elsősorban a téli időszakokban jelentkeznek, amikor a hőhidas épületszerkezetekben a hő a belső térből a külső tér felé áramlik.

A hőhidak épületszerkezetben való jelenléte több káros következménnyel is jár:

  • növekszik az épület energiavesztesége, amivel növekszik a fűtési energia felhasználása és a fűtési költség is,
  • a megnövekedett hőleadás miatt az épületszerkezetek (falak, födémek) belső hőmérséklete kisebb lesz, ezzel a belső térben csökken a komfortérzet,
  • a hőhidak felületi hőmérséklete kisebb a környezetében lévő épületszerkezetekénél, így ezeken a felületeken lecsapódhat a pára. Amennyiben ez a folyamat hosszú ideig fennáll, a nedvesedés épületszerkezeti károkhoz, penészgombák megtelepedéséhez vezethet.
  • egy erősen hőszigetelt épület esetén (pl. passzívházak) a hőhidak jelentős energiaveszteséget jelenthetnek a többi épületszerkezethez (pl. homlokzati falak, nyílászárók) képest,
  • szigeteletlen épületeknél a hőhidak környezetében rendkívül kis belső felületi hőmérsékletű területek jönnek létre, ahol fokozott páralecsapódásra, nedvesedésre lehet számítani. Ilyenkor a hőhidak hatása az épület energiaveszteségére kevéssé jelentős, hiszen a többi épületszerkezeten keresztül is jelentős hőenergia-veszteség realizálódik.