Termoizolacje techniczne instalacji grzewczych i chłodniczych
Termoizolacje techniczne instalacji grzewczych i chłodniczych
Głównym celem izolowania instalacji sanitarnych jest ograniczenie strat energii związanych z niezamierzoną zmianą temperatury transportowanego medium, gdy temperatura otoczenia odbiega od temperatury wewnątrz instalacji. Problem dotyczy zarówno rurociągów grzejnych będących składnikiem układów centralnego ogrzewania, instalacji ciepłej wody użytkowej, systemów chłodniczych jak i przewodów wentylacji bytowej i klimatyzacji.
Wielkość strat ciepła zależy między innymi od różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem a otoczeniem, przy czym im wyższa różnica tym większe straty ciepła. W przypadku rurociągów transportujących medium o wysokich temperaturach poza aspektem dotyczących ograniczenia strat ciepła izolacja zabezpiecza dodatkowo przed oparzeniami zapewniając utrzymanie na powierzchni izolowanego przewodu odpowiednio niskiej temperatury.
Dodatkowo, izolacja może pełnić również rolę ochrony akustycznej poprzez częściowe tłumienie hałasu generowanego podczas działania danej instalacji. W przypadku instalacji z czynnikiem o temperaturze niższej od temperatury otoczenia, poza aspektem oszczędności energii izolacja spełnia niezwykle ważną rolę zabezpieczenia rurociągów, armatury i urządzeń przed kondensacją na ich powierzchni pary wodnej. Zjawisko kondensacji zachodzi na powierzchniach, których temperatura jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza otaczającego daną powierzchnię i dotyczy oprócz instalacji chłodniczych, również rurociągów zimnej wody, a także przewodów wentylacyjnych. Kondensacja powierzchniowa zależy nie tylko od parametrów mających wpływ na temperaturę powierzchni izolacji, ale także od wilgotności względnej powietrza otaczającego, której rzeczywista wartość jest często trudna do określenia na etapie projektowania. Wyższe wartości wilgotności względnej oraz większe możliwe wahania tej wielkości powodują zwiększone ryzyko wystąpienia kondensacji. Wykraplanie pary wodnej w instalacji może prowadzić do korozji jej części składowych, a w efekcie do uszkodzeń i konieczności napraw lub wymiany zniszczonych elementów. Ryzyko korozji będzie większe, jeżeli w powietrzu znajdować się będą substancje agresywne przenoszone do systemu wraz z parą wodną (np. NOx, H2SO4, SO2, chlorowce). Zawilgocenie instalacji wpływa również niekorzystnie na skuteczność izolacji cieplnej, gdyż wraz ze wzrostem wilgotności materiału zabezpieczającego wzrasta jego współczynnik przewodzenia ciepła. Przeciwdziałanie kondensacji polega przede wszystkim na szczelnym zaizolowaniu instalacji, tak by uniemożliwić przenikanie przez materiał izolujący pary wodnej i utrzymywać na powierzchni izolacji temperaturę wyższą od temperatury punktu rosy (rys. 2.).
Charakterystyka materiałów izolacyjnych
Materiały stosowane do izolacji cieplnej powinny przede wszystkim odznaczać się niskimi wartościami współczynnika przewodzenia ciepła wyrażanym w W/(mK). Współczynnik ten określa zdolność ciała do przewodzenia ciepła, lub inaczej strumień ciepła, jaki może być przekazywany przez materiał o odpowiedniej grubości przy danej różnicy temperatur po obu stronach materiału. Izolacja powinna ponadto odznaczać się odpowiednią do warunków eksploatacji odpornością na wysokie temperatury oraz zmiany temperatury, odpornością na działanie wody i otoczenia (w tym odpornością na działanie mikroorganizmów oraz gryzoni). Musi być niepalna lub zaklasyfikowana co najmniej jako nierozprzestrzeniająca ognia, obojętna chemicznie w stosunku do izolowanego materiału, odporna na obciążenia statyczne i dynamiczne podczas montażu i pracy. Do izolacji technicznych instalacji sanitarnych stosuje się lekkie materiały porowate o strukturze otwarto- lub zamkniętokomórkowej. Ze względu na wymagane parametry izolacji termicznej do zabezpieczania instalacji zimnych stosuje się zwykle tworzywa sztuczne o strukturze zamkniętokomórkowej, które dzięki swej budowie charakteryzują się wysokimi wartościami współczynnika oporu dyfuzji pary wodnej oraz nie pochłaniają wilgoci. Możliwe jest również zastosowanie innych materiałów, jak np. wełna mineralna, jednakże w takim przypadku konieczne jest zabezpieczenie materiału izolacyjnego zewnętrzną warstwą paroszczelną stanowiącą barierę przeciwko wilgoci. Jednym z głównych parametrów określających przydatność materiału do termoizolacji przeciwkondensacyjnej jest współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej μ.
W technice sanitarnej często wykorzystywane są następujące materiały izolacyjne:
- wełna mineralna (skalna lub szklana),
- polietylen,
- poliuretan,
- kauczuk syntetyczny.
Wełna mineralna
Pod tym pojęciem spotkać można dwa rodzaje materiałów: wełnę skalną (lub inaczej kamienną) oraz wełnę szklaną. Wełnę skalną produkuje się najczęściej z kamienia bazaltowego, który poddawany jest procesowi topienia, a następnie rozwłóknienia. Włókna poddawane są procesowi hydrofobizacji by ograniczyć pochłanianie przez nie wody. Do tak powstałych włókien kamiennych dodawane jest lepiszcze i formowany jest końcowy produkt w postaci płyt, mat lub otulin. W celu wyeliminowania przenikania pary wodnej przez izolację, wełnę nakleja się zwykle na folię aluminiową. Wełna szklana powstaje w procesie podobnym do wełny skalnej. Otrzymywana jest w wyniku topienia w temperaturze około 1000°C z piasku kwarcowego, stłuczki szklanej z dodatkiem skał takich jak: gabro, dolomit lub wapień. Roztopiony surowiec poddaje się procesowi rozwłókniania, a do otrzymanych włókien dodaje się lepiszcze.
Polietylen
Polietylen występuje najczęściej jako pianka powstająca w wyniku spienienia chemicznego lub fizycznego polietylenu o małej gęstości (LDPE) przeprowadzanego poprzez dodanie substancji wydzielających gaz (chemiczne) lub poprzez zmieszanie z gazami obojętnymi typu propan–butan wraz z dodatkami i poddanie procesowi wtłaczania (fizyczne). Pianka polietylenowa charakteryzuje się strukturą zamkniętokomórkową. Można z niej uzyskać wyroby o różnych kolorach, w wersji trudno zapalnej i o innych specjalnych właściwościach. Izolacja ze spienionego polipropylenu występuje w postaci mat, otulin i profili, których ostateczny kształt uzyskany jest zwykle w procesie wtłaczania surowca z zastosowaniem odpowiednich form.
Poliuretan
Izolacje poliuretanowe produkowane są z pianki, która składa się z zamkniętych komórek poliuretanu otaczających pęcherzyki gazu (najczęściej dwutlenku węgla). Spienienie zachodzi spontanicznie w wyniku reakcji między izocyjanianem a wodą. Spienienie jest również możliwe przy wykorzystaniu substancji chemicznych o niskiej temperaturze wrzenia (np. różnego rodzaju chloro- fluoro-węglowodory), jednakże ten sposób wspomagania procesu jest zabroniony ze względu na jego szkodliwość dla środowiska. Pianka poliuretanowa występuje w różnych formach, które charakteryzują się różną twardością (elastycznością) i parametrami.
Kauczuk syntetyczny
Spieniony kauczuk syntetyczny powstaje w wyniku syntezy chemicznej, tworząc strukturę zamkniętokomórkową o drobnych komórkach. Materiały izolacyjne produkowane na bazie kauczuku charakteryzują się bardzo wysoką wartością współczynnika oporu dyfuzyjnego pary wodnej, przez co są chętnie stosowane w technice chłodniczej i klimatyzacyjnej. Dużą ich zaletą jest także wyjątkowa elastyczność, która pozwala dopasować formę materiału do dowolnego kształtu elementu instalacji. Wyroby służące do izolacji elementów instalacji sanitarnych produkowane są w postaci różnego rodzaju płyt, mat, profili i otulin. Mianem otuliny określane są najczęściej wyroby wstępnie uformowane o kształcie pierścienia cylindrycznego, z ewentualnym rozcięciem wzdłuż by ułatwić montaż. Do grupy tej zaliczyć również można różnego rodzaju płaskie maty elastyczne, które można mocować na zewnętrznej powierzchni rur oraz dopasować do innych składników instalacji wymagających izolowania jak np. armatura, połączenia przewodów, itp. Zaletą otulin jest ich uniwersalność i możliwość izolowania elementów o prawie dowolnym kształcie. Do izolacji rurociągów o mniejszych średnicach (do około 150 mm) stosuje się gotowe elementy o różnej średnicy i grubości, które w zależności od wykonania mogą być m.in. wyposażone w warstwę samoprzylepną ułatwiającą montaż, płaszcz ochronny zwiększający odporność na uszkodzenia, itp. Izolacja przewodów o większych średnicach oraz innych elementów instalacji wymaga użycia mat. Na rynku dostępne są również przewody preizolowane, wyposażone w otulinę o różnych grubościach i właściwościach. Przewody tego typu produkowane są głównie dla rurociągów o małych średnicach i wykorzystywane są powszechnie do wykonywania linii freonowych w układach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Jeżeli ze względów technologicznych konieczne jest zastosowanie izolacji o dużej grubości możliwej jest wykonanie izolacji warstwowej poprzez nałożenie otulin o odpowiednich średnicach jedna na drugą lub kilku warstw mat izolacyjnych.
Zabezpieczenia izolacji
Jeżeli instalacja przechodzi przez strefy, w których izolacja może być narażona na uszkodzenia lub na działanie niekorzystnych warunków atmosferycznych zaleca się wykonanie zabezpieczającego płaszcza ochronnego. Materiał, z którego wykonuje się płaszcz powinien być odporny na działanie wody, mikroorganizmów i gryzoni, odporny na obciążenia statyczne i dynamiczne podczas montażu i pracy instalacji oraz podobnie jak izolacja niepalny lub zaklasyfikowany jako co najmniej nierozprzestrzeniający ognia. Powierzchnia płaszcza ochronnego powinna być gładka, bez pęknięć, załamań i wgnieceń. Płaszcze ochronne typowo wykonywane są z blachy stalowej ocynkowanej i tworzyw sztucznych, a także z folii aluminiowych odpowiedniej grubości i materiałów bitumicznych, jak papa asfaltowa wzmocniona taśmą aluminiową. Przy większych średnicach izolowanych rurociągów należy dodatkowo przewidzieć elementy wsporcze mocujące płaszcz do rurociągu i pełniące rolę usztywnienia konstrukcji.
Przykłady uszkodzeń i błędów w wykonaniu izolacji
Właściwe zabezpieczenie instalacji wymaga dokładnego wykonania termoizolacji. Precyzja wykonania jest szczególnie ważna w przypadku układów z czynnikiem zimnym. W trakcie eksploatacji termoizolacja może ulegać zużyciu lub uszkodzeniom związanym np. z koniecznością dokonywania doraźnych napraw elementów instalacji lub nieumiejętnym obchodzeniem się z urządzeniami. Aby izolacja przez długi czas spełniała swą rolę w trakcie inspekcji układów należy zwracać uwagę na jej stan i uzupełniać ewentualne braki lub naprawiać uszkodzenia.
Izolacja techniczna w przepisach prawa i Polskich Normach
Podstawowym aktem prawnym zawierającym wytyczne dotyczące stosowania izolacji cieplnej jest „Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” zawarte w Dz. U. Nr 75/2002 poz. 690 wraz z późniejszymi zmianami. Rozporządzenie przywołuje w kwestiach szczegółowych Polską Normę PN-B-02421:2000 „Ogrzewnictwo i ciepłownictwo – Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń – Wymagania i badania odbiorcze”, w której sprecyzowane zostały wymagania dotyczące projektowania i wykonania izolacji w instalacjach centralnego ogrzewania, instalacjach ciepłej wody użytkowej oraz wody technologicznej, a także w sieciach ciepłowniczych prowadzonych w kanałach, tunelach, budynkach oraz na powietrzu o temperaturze czynnika do 200oC. Norma określa minimalne grubości izolacji, jakie należy stosować w instalacjach grzewczych w zależności od średnicy rury, temperatury transportowanego czynnika oraz temperatury otoczenia dla materiału izolacyjnego o współczynniku przewodzenia λ = 0,035 W/(mK). Wybrane wartości przedstawiono w tabeli 1.
Zaznaczyć należy, że norma ta dopuszcza stosowanie termoizolacji o mniejszych grubościach, jeżeli jest to uzasadnione z ekonomicznego punktu widzenia i poparte odpowiednią analizą. Mniejsze grubości izolacji mogą być również stosowane w przypadku instalacji prowadzonych w bruzdach ściennych lub podłogowych. Do końca 2008 roku dane znajdujące się w normie były wiążące i minimalne grubości izolacji rurociągów i urządzeń musiały być zgodne z wytycznymi w niej określonymi. Z dniem 1 stycznia 2009 weszła w życie zmiana dotycząca rozporządzenia zawartego w Dz. U. Nr 75/2002 poz. 690 zawarta w rozporządzeniu z dnia 6 listopada 2008 (Dz. U. Nr 201/2008 poz. 1238). W załączniku do aktualnej wersji „warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”, zamieszczono informacje na temat wymaganych minimalnych grubości izolacji cieplnej przewodów rozdzielczych i komponentów w instalacjach centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej (w tym przewodów cyrkulacyjnych), instalacji chłodu i ogrzewania powietrznego, które częściowo zaostrzają zalecenia PN-B-02421:2000 (Tab. 2).
1) przy zastosowaniu materiału izolacyjnego o innym współczynniku przenikania ciepła niż podano w tabeli należy odpowiednio skorygować grubość warstwy izolacyjnej,
2) izolacja cieplna wykonana jako powietrznoszczelna.
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury jest aktem nadrzędnym w stosunku do Polskiej Normy, zatem wymagania w nim zawarte mają pierwszorzędne znaczenie. W treści rozporządzenia, podobnie do wcześniejszych jego wersji, przywołana została jednak norma PN-B-02421, a zatem jeżeli wymagania dotyczące minimalnej grubości izolacji zawarte w normie są bardziej rygorystyczne, niż w „warunkach technicznych…” przyjmować należy wartości z normy, w pozostałych przypadkach obowiązują wartości wymienione w rozporządzeniu. Z porównania wytycznych zawartych w normie z wymaganiami nowego rozporządzenia wynika, że duża część wymagań minimalnych określonych przez normę traci zastosowanie (tab. 3). Rozporządzenie po raz pierwszy podaje również minimalne wymagania dla instalacji chłodniczych, do jakich należą instalacje wody lodowej.
Uwaga: W tabeli 3. kolorem szarym zaznaczono wartości niższe od wartości wymaganych zapisami rozporządzenia dla instalacji grzewczych (porównanie z pozycjami 1-3 z tabeli 2).
Autor: Piotr Ziętek
