Írásunk első részében a hővédő bevonatok tulajdonságait ismertettük, különös tekintettel a kerámiagömbös nanostruktúrájú anyagok hőtranszport-folyamataira.

A BEVONATOK HŐSZIGETELŐ TULAJDONSÁGAI

A kerámiagömbös hővédő bevonatok „hőszigetelő" képessége nem állandó, értéke változik az alkalmazott hőmérsékleti tartomány és a rétegvastagság függvényében, nem úgy, mint egy hagyományos kőzetgyapotnál, aminek a λ értéke lényegében állandó. Ez abból adódik, hogy a kerámiagömbös bevonatoknak a hőszigetelő (λ) tulajdonságuk mellett hőreflexiós képességük is fontos szerepet játszik a szigetelendő falszerkezet hővédelmében.

A hővédő bevonatnak a „hőszigetelő" képessége magas hőmérsékleti tartományban (T> 200 °C) és sugárzásos hőközlés esetén, igen hatékony, mert ebben a hőközlési formában jól tud érvényesülni hőreflexiós tulajdonsága. A bevonati réteg reflexiós tényezője (ρ) a hősugárzás visszatükrözésének köszönhetően, lényegesen nagyobb, mint a hagyományos anyagok esetében.

Ugyan ezt a vastagságú bevonatot, két falszerkezeti réteg között alkalmazva, lényegesen szerényebb hőszigetelő hatást tudna produkálni. A reflektáló festékbevonatok alkalmazásával elérhető energiamegtakarítás nem növekszik arányosan a réteg vastagságával, pl.: 0,25 mm vastagságú bevonat esetén: kb. 20%; 1 mm-es bevonat esetén: kb. 30%. Ez abból adódik, hogy a bevont felület hőtükröző tulajdonsága bármilyen vastagságú rétegnél is csak egyszer fejti ki hatását. Az épületek hőszigetelésénél igen hatékony ez a hőszigetelő képesség a tetőszerkezet és a déli homlokzatok szigetelésekor, különösen a nyári napsugárzás elleni hővédelem esetén.

Egy normál anyagú falszerkezet esetén, a falfelületen való hőátadás (hőfelvétel és -leadás) fékező hatások nélkül, folyamatosan történik, legfeljebb a sugárzott hő reflektálódása az, ami a hőátadási folyamatot befolyásolja. Amennyi hőenergia érkezik a falszerkezet meleg oldalához hősugárzással és konvekciós hőszállítással, az mind átadódik a falazat anyagának, és a hővezetési tényező (λ) függvényében, rácsrezgések „fononok" közvetítésével elszállítódik a falazat belsejébe. Ugyanilyen módon a falszerkezet hőleadásakor a rácsrezgésekkel a fal felületéhez szállított energia a hideg oldalon, hősugárzással és konvekciós levegőmozgással távozik el a falazatból (lásd 1. ábra).

Az ilyen normál falazóanyagok esetében a hőátadási tényezőket (h_i és h_e) elsősorban nem az anyagszerkezet struktúrája, hanem a külső körülmények befolyásolják, mint például a légáramlás. Ezekben az alapesetekben elfogathatóak a hőtechnikai számításokhoz általánosságban használt h_i = 8 W/m²K belső oldali és h_e = 24 W/m²K külső oldali hőátadási tényezők.

A kerámiagömbök nanostruktúrájú falszerkezete miatt a hővédő bevonatok hőfelvétele és a hő leadásának mechanizmusa nagymértékben eltér a szokványos felépítésű és normális szerkezetű anyagokétól.

Ugyanis igen nagy szerepet játszik a kerámiagömbök reflektáló tulajdonsága, valamint a hő rácsrezgéses szállításának korlátozottsága a nanoméretű anyagon belül, a fononok reflektálódása miatt. Mindezek igen nagymértékben befolyásolják a hővédő anyaggal bevont felületek hőátadási tényezőjét. A krasznojarszki termékfejlesztő és a szentpétervári kutatóintézet hiteles mérési adatai szerint a TSM Ceramic hővédő anyaggal bevont falfelületek belsőoldali hőátadási tényezője „h_i" (régebben „α_i") = 1,29 ÷ 1,67 W/m²K, míg a külső oldali tényezője, h_e = 2,2 ÷ 2,5 W/m²K. Ezek az értékek nem a reklámjellegű prospektusokban közölt adatok, és lényegesen eltérnek a hőtechnikai számításokban a normálszerkezetű anyagoknál alkalmazott hi és he értékektől.

A jelenség már korábban megadott magyarázatát a 2. ábrán illusztráljuk.

Teljességre törekedve, a nyári állapotot is illusztrálhatnánk, amikor a hővédő bevonat külső légtér felöli, meleg oldalon van felhordva a falszerkezetre. Kérdés, hogy ilyenkor a külsőoldali hőátadási tényezőt (h_e) milyen értékkel kellene felvenni. Természetesen azt is figyelembe kellene venni, hogy a hőtechnikai számításokban alkalmazott hőátadási tényezők értékei nemcsak a falfelületek anyagszerkezeti tulajdonságától függnek, és meghatározásuk, illetve a számításuk többváltozós paramétereket vesz figyelembe, mint például a falfelület helyzetét és méreteit, a fallal érintkező levegő áramlási sebességét, az égboltsugárzási viszonyokat stb., és mindezeket éves átlagban.

Az Épületfizikai Kézikönyv szerint: „a hőtechnikai számításokhoz a külső térelhatároló falszerkezetek számára megadott hőátadási tényezők számértékei nem csak a konvektív hőátadási tényezőt tartalmazzák, hanem több-kevesebb közelítéssel a sugárzásos hőleadás hatását is tükrözik, a konvektív hőátadási tényező látszólagos megnövelése révén". Ez a fajta közelítés, lényegében el is fogadható a normál anyagszerkezetű falazatok alkalmazása esetén, de amint már korábban elemeztük, a mikrostruktúrájú hőreflexiós tulajdonságú bevonatok esetén, már célszerű ketté választani a sugárzásos (radiáció) és az áramlásos (konvekció) hőátadást, ugyanis a kerámiagömbös bevonatok esetében nagymértékben megnövekszik a sugárzott hő fogadásának és reflektálódásának a szerepe. Ennek megfelelően a belső és külső oldali hőátadási tényezők: h_i = h_i(konv) és h_i(rad), valamint h_e = h_e(konv) és h_e(rad). Ezeknek a hőátadási tényezőknek a kimérése és meghatározása jelenleg folyamatban van, a méréseket finanszírozó termékgazda cég szervezésében, a pécsi PTE, győri SzIE és a budapesti BME szakmai laboratóriumainak bevonásával.

A BEVONATI RÉTEG HŐVEZETÉSI TÉNYEZŐJE

A továbbiakban vizsgáljuk meg, hogy magának a bevonatnak, mint anyagnak, a hőreflektáló hatást figyelmen kívül hagyva, milyen hőszigetelő képessége (λ értéke) van. Ezt már többen is vizsgálták [II/1], és igen változó λ értékeket kaptak aszerint, hogy a hagyományos anyagoknál elfogadott szabvány szerint végezték-e a méréseket, vagy pedig valamilyen energetikai modell adataiból próbálták visszaszámolni.

Az elvégzett vizsgálatok és az alkalmazott modellek elemzése igen tanulságos, és azt mutatja, hogy a szakemberek nagy része még nem ismerkedett meg a nanostruktúrájú hőreflexiós anyagok épületfizikai tulajdonságaival. Nehezen tudnak mit kezdeni a modelljeiken kimért adatokkal, ha pl. 30 mm vastag bevonati réteget vizsgálnak, vagy csak a Fourier-egyenletben gondolkodnak, és sörös dobozokba rakott meleg víz kihűlési sebességéből vonják le következtetéseiket.

Mint minden anyagnak, így a kerámiagömbös vékonybevonatnak is van az anyagra jellemző hővezetési tényezője, ami nem függ a rétegvastagságtól, de függ a gömbök anyagától és szemmegoszlásától, a festék- és kitöltőanyagok fajtájától és mennyiségétől, valamint a hővédő réteg felhordási módjától, azaz a réteg porozitásától. Ezt az értéket nem célszerű falszerkezeti modellen meghatározni, mivel bevonati rétegként alkalmazva nem tudjuk kizárni az anyag hőtükör tulajdonságát és annak hatását.

A vizsgálati módszertől és az előállított bevonati anyag testsűrűségétől függően, a hővezetési tényező λ = 0,01 ÷ 0,07 W/mK értékek között változik. A TSM termékfejlesztő kutatóintézet adatai szerint a kerámiagömbös szigetelő anyag átlagos hővezetési tényezője (λ_anyag), amit célszerű tényleges hővezetési tényezőnek nevezni: λ_tényleges = 0,014 W/mK.

Tekintettel arra, hogy a falfelületre felhordott bevonati réteg λ értéke közvetlenül nem mérhető, ezért az épületmodelleken kimért energetikai adatokból számolják vissza a hővezetési tényező egyenértékét, amit célszerűbb névleges értéknek nevezni.

A modellektől függően ez az érték igen változó: λ_névleges = 0,001 - 0,0017 W/mK. Ez az érték azért ilyen alacsony, mivel a reflexiós bevonat alkalmazásakor a falszerkezet hőátbocsátási ellenállásában (R = ΣR_λ + R_h) a hővezetési ellenállás (R_λ=δ/λ) mellett a hőátadási ellenállások (R_h: 1/h_i és 1/h_e) is részt vesznek, és a hagyományos anyagokhoz képest lényegesen nagyobb szerepet játszanak. A belső oldali (h_i) és külső oldali (h_e) hőátadási tényezők értékei, amint már láttuk, nagymértékben eltérnek a hagyományos anyagok falfelületén alkalmazott értékektől.

Azoknál a minősítő vizsgálatoknál [II/2], ahol az energetikai modellekből való λ érték meghatározásánál nem vették figyelembe a normális anyagoktól eltérő hőátadási tényezőket, az elvégzett mérési adatokból nem a tényleges, hanem a „névleges" hővezetési tényezőket határozták meg: λ_névleges = 0,0017 W/mK. Abban az esetben, ha a hőátadási tényezőként nem a h_i = 8 W/mK és h_e = 24 W/mK értékekkel számolnak, hanem a nanostruktúrájú reflexiós anyagokra jellemző h_i = 1,6 W/mK és h_e = 2 ,2 W/mK értékekkel, úgy a mérési adataikból kiszámított hővezetési tényező: λ_tényleges = 0,014 W/mK.

A hővezetési tényező értékének ez a számítási módja még az ukrán termékgazdáknál is használatos, amikor az energetikai modelleken bemérik a hővédő réteg hővezetési ellenállást növelő képességét, és ebből azt a következtetést vonják le, mintha ezt egyedül a bevonat nagyon jó hőszigetelő tulajdonsága ( λ) okozta volna. A bevonatnak a hőátadási tényezőre gyakorolt hatásával ők sem számolnak megfelelő súllyal. Innen származik ezeknek a hővédő bevonatoknak (pl. TSM) az irreálisan alacsony λ = 0,001 W/mK hővezetési tényező értéke.

HŐÁTBOCSÁTÁSI TÉNYEZŐ MEGHATÁROZÁSA

Példaként vegyünk egy 30 cm vastag, és mindkét oldalán vakolattal ellátott vázkerámia falazatot, aminek a hőátbocsátási tényezője: kb. U = 0,96 W/m²K, ha h_i = 8 W/m²K és h_e = 24 W/m²K hőátadási tényezőkkel számolunk. Abban az esetben, ha külső- és belső hővédelemmel látjuk el a falszerkezetet, úgy számolnunk kell a hővédő vékonybevonat vastagságával (pl. 1 és 2 mm), a tényleges hővezetési tényezőjével (λ_tényleges = 0,014 W/mK), valamint a megváltozott hőátadási tényezők h_i = 1,6 W/mK és h_e = 2,2 W/mK értékeivel. A részletes számítást itt most mellőzve, a falazat hőátbocsátási é rtéke: U = 0,46 W/m²K értékre csökken, ami kb. 50%-os energia megtakarítást jelent. A számítás szerint a hővédő bevonat belső és külső oldali együttes alkalmazása kb. 4 cm vastagságú hagyományos (EPS, ill. kőzetgyapot) lemez hőszigetelésének felel meg.

Ha a térelhatároló falazatnak csak a külső oldalát vonjuk be a hővédő bevonattal, a hőátbocsátási t ényező U = 0 ,62 W /m²K értékre változik, kb. 35%-os az energiamegtakarítás, ami kb. 2 cm vastagságú hagyományos hőszigetelő lemez alkalmazásának és hőszigetelésének felel meg. A termékismertető prospektusokban megadott azon ajánlat, miszerint a hőszigetelő „festék" alkalmazása 10-15 cm kőzetgyapot hőszigetelésével egyenértékű, enyhén szólva túlzás, számításokkal nem alátámasztható.

A hagyományos hőszigetelő anyagok hővédő bevonattal való helyettesítésekor, természetesen még számos tényezőt mérlegelni kell, mint például a szigetelőanyagok eltérő páraáteresztő képessége, hő- és tűzállósága, hőtároló képessége, szükséges rétegvastagsága, stb. Ugyanakkor azt is figyelembe kell vennünk, hogy az energiaiparban a magashőmérsékletű berendezések és csővezetékek hőszigetelésekor, a vékonyréteg bevonatok hővédelme lényegesen hatékonyabb, mint az épületek falszerkezeteinél való alkalmazáskor.

HŐVÉDŐ BEVONATOK ÉPÍTŐIPARI ALKALMAZÁSA

A hővédő vékonybevonatokat eredményesen alkalmazzák azokon a helyeken, ahol a szigetelés vastagsága korlátozott, mint például műemléki épületek hőszigetelése, épületek belső oldali hőszigetelése. Belsőoldali rétegként alkalmazva, a hőhullámok egy részét visszaveri, egyenletes (szórt) hőelosztást biztosítva a belső térben, ami csökkenti a hőhidakat, valamint a páralecsapódás- és penészképződés veszélyét.

Alkalmazásuk további előnye, hogy vékony rétegben kell felhordani a falfelületre, kevés anyagfelhasználással, akár nehéz állványozás nélkül is.

Külső épülethomlokzati falon való alkalmazásukkal pl. egy U = 1,0 W/m²K hőátbocsátási tényezőjű falszerkezet esetén, az U = 0 ,7 W/m²K értékre csökken. Kérdés, hogy amennyiben ez az érték nem elegendő, úgy van-e értelme a szigetelésnek, ugyanis a hővédő réteg vastagságának további növelése nem arányos a hőszigetelő képesség növekedésével. A későbbiek során a rétegre utólagosan felragasztott hagyományos hőszigetelő anyag lerontja a bevonat igen kedvező reflexiós tulajdonságait.

Ez fordítva is igaz lehet, miszerint egy hagyományos hőszigetelésű falszerkezetnek is javíthatjuk a hőszigetelő képességét egy utólagosan felhordott hővédő vékonybevonattal, egyes termékeknél „hőszigetelő festéssel". Természetesen ebben az esetben elsősorban nem a bevonat anyagának a hőszigetelő képessége (λ_tényleges = 0,014 W/mK) fogja az épület energiafelhasználását csökkenteni, mivel kicsi a vastagsága (1-2 mm), hanem a bevonat által a falfelületen megváltozott hőfelvételi és hőleadási körülmények, és ennek következményeként kialakuló h_i = 1,6 W/mK és h_e = 2,2 W /mK hőátadási tényezők járulnak hozzá az energia-megtakarításhoz. Valószínűleg a jövőben ezeket a felhasználási területeket kellene szorgalmazni, kiegészítve a lapostetők hőszigetelésének utólagos fokozásával is, mivel a hővédő vékonybevonatok, ezekre a felhasználási területekre különösen alkalmasak. 

Dr. Orbán József
professzor emeritus
PTE MIK Építőmérnök Tanszék
Ez az e-mail cím a spamrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.