Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
BME OMIKK
ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 4. sz. 2005. p. 57–66.
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
Hőszigetelő anyagok: jelen és jövő A hőszigetelés mind jelenleg, mind a jövőben az újonnan épült és felújított épületek energiafogyasztása csökkentésének legfontosabb és legköltséghatékonyabb módszere. A szigetelőanyagok osztályozása, legfontosabb tulajdonságaik, összehasonlításuk. A környezet és az egészség védelemének növekvő szerepe.
Tárgyszavak: hőszigetelő anyag; rostos; habosított.
Az épületek burkolására használt hőszigetelő
egyes európai országokban falakra és tetőkre
anyagok az utóbbi évtizedekben nagy karriert
használt átlagos szigetelés-vastagságokat az
futottak be szerte a világon, így Európában is a
1. és 2. ábrák szemléltetik. Az európai orszá-
szigetelés az egyik legfontosabb eszköze az
gokban előírt hőátbocsátási tényezőket az
épületek energetikai optimalizálásának. Kez-
1. táblázat mutatja be.
detben a nemzeti, majd az Európai Uniós előírások is követték ezt a folyamatot, egyre ki-
A hőszigetelő anyagok – lévén termikus szem-
sebb k hőátbocsátási tényezőt előírva a falakra,
pontból passzív elemek – általában nem vizs-
tetőkre és nyílászárókra. A klíma természete-
gálhatóak önmagukban, hanem csak egy bo-
sen erősen befolyásolja ezt a folyamatot, amíg
nyolult rendszer részeiként. További speciali-
a hideg Északon az 1970-es évek óta a szigete-
tás, hogy a hagyományok és az alapanyagok
lési követelmények közel kétszeresükre nőttek,
különböző rendelkezésre állása miatt az egyes
addig például Görögországban az ezirányú
anyagtípusok területi eloszlása, közkedveltsé-
szabványok semmit sem változtak azóta. Az
ge nagyon különböző lehet, így egyes területe-
57
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
Svédország Finnország Dánia Norvégia Ausztria Svájc Franciaország
1982
Hollandia
1990
Németország
1995
Spanyolország
1999
Nagy-Britannia Írország Olaszország Belgium Görögország Törökország 0
50
100
150
200
250
vastagság, mm
1. ábra Falak hőszigeteléseinek vastagságai egyes európai országokban
Az anyagok osztályozása
ken nagyon elterjedt anyagok szinte ismeretlenek máshol, noha bármelyikük alkalmazható lenne a másik helyett. Az utóbbi időkben a szi-
Az osztályozás történhet a fizikai tulajdonsá-
getelő tulajdonságok már alig változnak egy-
gok és struktúrák, és/vagy a kémiai összetétel
egy anyagnál, a fejlesztés azonban nem áll meg,
alapján. A leggyakrabban használt anyagok
a fő csapásirány a „környezetbarátság” a gyár-
osztályozását a 3. ábra szemlélteti. Az egyes
tás, a felhasználás és az életciklus végén a meg-
anyagok elterjedtsége mindazonáltal nagy kü-
semmisítés vagy újrafelhasználás terén. Továb-
lönbségeket mutat, az európai piacon két cso-
bi fontos terület az egyszerűen alkalmazható,
port ért el uralkodó szerepet: a szervetlen ros-
felszerelhető elemek és többféle anyagból álló
tos anyagok közé tartozó üveggyapot és kő-
összetett konstrukciók kialakítása.
zetgyapot (kb. 60%), valamint a habosított
58
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
Svédország Finnország Norvégia Dánia Franciaország Ausztria Nagy-Britannia
1982
Németország
1990
Írország
1995
Svájc
1999
Hollandia Belgium Törökország Spanyolország Olaszország Görögország 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
vastagság, mm
2. ábra A tetők hőszigeteléseinek vastagságai egyes európai országokban 1. táblázat Új építésű lakóházak ’k’ hőátbocsátási tényezői egyes európai országokban (W/m2K) Ausztria Belgium (Flandria) Dánia Finnország Franciaország Németország Görögország Írország Olaszország Litvánia Norvégia Portugália Oroszország Spanyolország Svédország Svájc Nagy-Britannia Hollandia
Tetők 0,2–0,3 0,4–0,5 0,1–0,2 0,1–0,2 0,2–0,3 0,2–0,3 0,4–0,5 0,1–0,2 0,3–0,4 0,1–0,2 0,1–0,2 0,6–0,6 0,1–0,4 0,6–0,6 0,1–0,2 0,3–0,4 0,1–0,2 0,2–0,3
Külső falak 0,3–0,4 0,5–0,6 0,2–0,3 0,2–0,3 0,4–0,5 0,5–0,6 0,5–0,7 0,2–0,3 0,4–0,5 0,2–0,3 0,2–0,3 0,6–0,6 0,1–0,2 0,6–0,6 0,1–0,2 0,3–0,4 0,3–0,4 0,2–0,4
59
Alapok 0,4–0,5 0,6–0,6 0,1–0,2 0,2–0,3 0,3–0,4 0,4–0,5 0,7–1,9 0,2–0,3 0,4–0,5 0,2–0,3 0,1–0,2 0,6–0,6 0,1–0,4 0,6–0,6 0,1–0,2 0,6–0,6 0,2–0,3 0,2–0,3
Ablakok 1,0–1,5 1,5–2,5 1,5–2,5 1,5–2,0 1,5–2,5 1,0–1,5 2,5–3,5 1,5–2,5 2,5–3,5 1,5–2,5 1,0–1,5 2,0–3,0 1,5–3,5 2,5–3,5 1,0–1,5 1,0–1,5 1,5–2,5 1,5–2,5
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
szigetelőanyagok
szervetlen anyagok
szerves anyagok
habosított
habosított üveg
habosított
rostos
üveggyapot kőzetgyapot
új technológiájú anyagok
kombinált anyagok
expandált polisztirol extrudált polisztirol poliuretán hab
szilíciumozott kalcium habosított gipsz fa-gyapot
átlátszó anyagok dinamikus anyagok
habosított expandált
parafa melamin-hab fenol-hab
birkagyapjú gyapot kókuszrost cellulóz
rostos
3. ábra A leggyakoribb szigetelőanyagok osztályozása
szerves anyagok közé tartozó expandált és
nak, és az ezredfordulóra elérte a 3 millió ton-
extrudált polisztirol és poliuretán (kb. 27%).
nát. A harmadik évezred első évtizedére a nö-
Értelemszerűen az összes többi anyagfajta
vekedés becsült mértéke évi kb. 4%, a szervet-
együttesen alig éri el a forgalom 13%-át. Ha
len rostos anyagok viszik a prímet 5% fölötti
már a piac került szóba, érdemes megemlíteni,
növekedéssel, a habosított szerves anyagok
hogy az anyagokat kb. 250 vállalat termeli,
növekedése csak mintegy 2,5%.
ezek közül a kilenc legnagyobb több mint 55%-ot állít elő. A kilencvenes évek során a
Az elemzést érdemes az öt legfontosabb
termelés folyamatosan és erőteljesen nőtt, hála
anyagtípusra korlátozni. Ezek a következők:
az építőipari konjunktúrának és a sok felújítás-
60
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
Üveggyapot
alkalmaztak, majd miután ezt az 1980-as évek
Az üveggyapot kvarchomokból készül dolomit,
végén betiltották, szerepét a szén-dioxid vagy
rezovit és mészkő hozzáadásával. A szálak
a pentán vette át. Ez a módosítás sajnálatos
összetapasztása, a mechanikai szilárdság javítá-
módon csökkentette az anyag hőszigetelő ké-
sa céljából ragasztókat és víztaszító olajokat is
pességét.
alkalmaznak, ezek mennyiségének azonban határt szab a tűzállóság követelménye.
A továbbiak ezen főbb anyag tulajdonságait részletesebben, számokkal alátámasztva ismer-
Kőzetgyapot A kőzetgyapot ugyanezekből az összetevőkből
tetik, a többi anyagot csak kvalitatív módon érintve.
áll, az arányok azonban mások, illetve a gyártási folyamat magasabb hőmérsékleten zajlik, ezért a rostok mérete is különbözik. A kőzet-
A hőszigetelő anyagok tulajdonságai
gyapot fajsúlya és olvadási hőmérséklete nagyobb, ezért jobban illik magas hőmérsékletű
Az anyagok tulajdonságai három csoportba
alkalmazásokhoz.
rendezhetők. Az első és legfontosabb csoport a
Expandált polisztirol A habosított polisztirol 1,5–2% polimerizált
fizikai tulajdonságoké: a legfontosabb hőszigetelő képesség mellett ide tartoznak a sűrűség, a
polisztirolt és 98–98,5% levegőt tartalmaz A habosítás során pentánt használnak hajtógáz-
mechanikai tulajdonságok, a hangelnyelő ké-
ként, a tűzállóság fokozására maximum 5–7%
pesség, nedvesség- és tűzállóság stb. Ezeket a
hexán-bróm-ciklododekán alkalmazható (mind
jellemzőket viszonylag könnyű mérni és az
térfogat-százalékban).
anyagokat ennek alapján minősíteni, ezért több évtizede nemzeti és nem túl régen Európai
Extrudált polisztirol A sajtolt polisztirol kiinduló anyaga szintén
Uniós szabványok és irányelvek vonatkoznak rájuk:
polimerizált polisztirol, habosítási célra 3–7%
• EN ISO 6946
szén-dioxidot alkalmaznak, további 1–6% tűz-
• EN 13162
álló anyag, színezék és talkumpor egészítheti
• EN 13163
ki a receptet.
• EN 13164
Poliuretán hab A poliuretán hab poli-izocianát vegyülete-
• BS 476
ken alapul, hajtógázként eredetileg R11-et
• stb.
• 89/106/EC
61
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
A második tulajdonságcsoport kevésbé konk-
helyétől vagy a felhasznált energiaforrástól
rétan megfogható, és ezért a szabályozása sem
függően.
annyira fejlett, illetve elfogadott: ide a környezeti hatások tartoznak. A legfontosabbak a
A harmadik tulajdonságcsoport az egészség-
primer energiatartalom, a szennyezőanyag-
ügyi hatásokat foglalja össze a gyártástól a
kibocsátás a gyártás során, a biológiai hatások
használaton át a megsemmisítésig. Ide tartoz-
elleni adalékok, környezeti besorolásuk hulla-
nak a por és elemi szálak kibocsátása, a bioló-
dékként, az újrafelhasználhatóság és újrafel-
giai lebomlás vagy a mérgező anyagok kisza-
dolgozhatóság. A komplex környezeti hatáso-
badulása égés esetén. A európai szabályozás
kat a teljes életciklus elemzésével az ISO
egységesítése még várat magára, erről tanús-
14025-00 szabvány szabályozza. A környezeti
kodik a 2. táblázat. Az egészségügyi tulajdon-
tulajdonságokat gyakran nehéz megbecsülni és
ságok szerepe mindazonáltal egyre nő, a sza-
összehasonlítani, azok gyakran még az ugyan-
bályok egységesítése az európai harmonizáció
olyan típusú anyagra is változnak a gyártás
egyik fontos lépése lesz a közeljövőben.
2. táblázat A levegőben szálló por és mesterséges üvegszálak szabályozása (2004) az egyes országokban Ország Ausztria Belgium Dánia Finnország Franciaország Németország Írország Olaszország Hollandia Norvégia Lengyelország Spanyolország Svédország Nagy-Britannia EU USA
Érvényes egészségügyi határértékek por ásványgyapot-szálak Finom por: 6 mg/m3 (éves átlag), 12 mg/m3 (havi Szálak: 0,5 F/ml átlag) Teljes por: 10 mg/m3 – Semleges belélegezhető por: 5 mg/m3, teljes semleges Szálak: 1 F/ml (8 órára átlagolva) por: 10 mg/m3 Semleges szervetlen por: 10 mg/m3 Nincs hivatalos határérték, a referenciaérték 1 F/cm3 3 Teljes por: 10 mg/m Belélegezhető szálak: 1 F/ml Alveoláris por: 3 mg/m3, belélegezhető por: 1 mg/m3 Rákkeltőként besorolt szálak: 0,25 F/ml, nem besorolt szálak: 3 mg/m3 3 Belélegezhető por: 5 mg/m Belélegezhető lebegő szálak: 2 F/ml, szuperfinom szálak: 1 F/ml Teljes por: 10 mg/m3, belélegezhető por: 3 mg/m3 Üvegszálak: 1 F/ml, kerámiaszálak: 0,2 F/ml Belélegezhető por: 5 mg/m3, általános por: 10 mg/m3 Belélegezhető szálak: 2 F/ml (8 órára átlagolva) Semleges belélegezhető por: 5 mg/m3, teljes semleges Szálak: 1 F/ml por: 10 mg/m3 Belélegezhető por: 1 mg/m3, teljes por: 4 mg/m3 Belélegezhető szálak: 2 F/ml Teljes por: 10 mg/m3, belélegezhető por: 3 mg/m3 Rákkeltőként besorolt szálak: 1 F/ml Belélegezhető por: 5 mg/m3, teljes por: 10 mg/m3 Szálak: 1 F/ml Belélegezhető por: 5 mg/m3, teljes por: 10 mg/m3 Belélegezhető lebegő szálak: 2 F/ml, gravimetrikus por: 5 mg/m3, szuperfinom szálak: 1 F/ml A Szociális Ügyek Főigazgatósága előkészíti a szabályozást Belélegezhető por: 5 mg/m3, teljes zavaró por: 10 Szálak: 1 F/ml mg/m3
62
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
Az anyagok teljesítőképességének vizsgálata-
A szigetelő hatás, illetve az azt leíró hővezetés
kor figyelembe kell venni azt is, hogy még
(λ, W/mK-ben) és hőátbocsátás (k, W/m2K-ben)
ugyanannak az anyagnak a legalapvetőbb jel-
értékei az elmúlt évtizedben már alig javultak,
lemzői is erősen szórnak. A kőzetgyapot sűrű-
de a már korábban elért értékek igen jók. A
3
sége például 25 és 200 kg/m közötti értékeket
fejlesztés fő irányai az utóbbi időkben a kör-
vehet fel, és a hővezetés is ugyanilyen mérték-
nyezetszennyezési és egészségkárosító hatások
ben eltérhet. Az öt alapvető anyag legfonto-
csökkentése voltak. Az ezen a téren elért
sabb jellemzőit összefoglaló 3. táblázatban
eredményeket, vagyis az anyagok ezirányú
ezért a tulajdonságoknál minimum és maxi-
jellemzőinek korszerű értékeit a 4. táblázat
mum értékek szerepelnek.
szemlélteti. 3. táblázat
A legfontosabb hőszigetelő anyagok alapvető jellemzői manapság Fizikai tulajdonságok üveggyapot Sűrűség (kg/m3) minimum maximum Hővezetés, λ (W/mK) minimum maximum Hőfoktartomány (oC) minimum maximum Páradiffúzió elleni ellenállás minimum maximum Nedvességelnyelés (23 oC/80% rel. páratart. mellett) minimum maximum Tűzállósági osztály minimum maximum Húzószilárdság (N/mm2) minimum maximum Szakítószilárdság (N/mm2) minimum maximum Hangelnyelés (125 Hz-nél) minimum maximum Hangelnyelés (1000 Hz-nél) minimum maximum 1
kőzetgyapot
Anyag extrudált polisztirol
expandált polisztirol
poliuretán hab
13 100
30 180
20 80
18 50
30 80
0,030 0,045
0,033 0,045
0,025 0,035
0,029 0,041
0,020 0,027
–100 500
–100 750
–60 75
–80 80
–50 120
<1 1
<1 1
80 200
25 200
50 >100
<0,1 1
<0,1 1,5
<11
51
51
A1 A2
A1 A2
B1 B2
B1 B2
B1 B2
0,30 0,35
0,15 0,52
0,0051 0,00500 0,01500
0,00012 0,00750
0,10 0,79
0,05 0,19
0,71 0,97
0,92 0,99
átlagérték
63
0,09000 0,22000
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
4. táblázat A legfontosabb hőszigetelő anyagok környezeti és egészségügyi jellemzői manapság
Biológiai lebomlás Mérgező hatás tűz esetén Maximális kitettség CFC, HCFC, CO2 használata
üveggyapot kőzetgyapot Mentesítvea Nem alkalmazható 3–10 mg/m3b Nem
Hulladékkezelés Nincs korlátozás Újrafelhasználás és reciklálás Gyakorlatilag nem újrafelhasználható és reciklálható Nyersanyagok felhasználása Nem igényel szénhidrogént, vagy más ritka anyagot Adalékok a biológiai hatások Nem csökkentésére Elsődleges energiatartalom (kWh/m3) minimum 90 110 maximum 430 660 a b
Anyag extrudált polisztirol expandált polisztirol Nem alkalmazható A hajtógáztól és az adalékoktól függően igen Nincs Egyes gyártók még használnak HCFC-t (pl. 142b/22, 134a, 152a stb.), mások CO2-t Hulladékként biológiai lebomlása lassú Újrafelhasználható és reciklálható, építési célra vagy igénytelen csomagolóanyagnak Szénhidrogéneket igényel Nem
poliuretán hab Igen
Nem újrafelhasználható és reciklálható
Igen
85 114
151 269
15,8 36,1
Az IARC szerint 2001 októbere óta, mivel az ásványi szálakat nem lehet az emberre rákveszélyesként besorolni. A nemzeti szabványok szerint.
A korszerű szigetelőanyagok összehasonlítása
Az összehasonlítás alapjaként a szükséges vagy előírt ’k’ hőátbocsátás elérését kell tekinteni. A költséget az abszolút értékek mellett
A bőség zavarával küzd a tervező, amikor adott
érdemes viszonyszámokkal is leírni a szóba
feladatra választania kell az anyagok közül. Az
jöhető anyagok költségét egymáshoz viszo-
eddig ismertetett adatok alapján egyértelmű,
nyítva. Az anyagválasztásnál szerencsés figye-
hogy az összehasonlítást csak több kritérium
lembe venni az anyagok várható jövőbeni ren-
egyidejű értékelése révén lehet elvégezni:
delkezésre állását, illetve fejlődési lehetősége-
• fizikai tulajdonságok,
it. A bonyolult összehasonlításokat le lehet
• környezeti és egészségügyi jellemzők,
olyan elemzésekkel egyszerűsíteni, hogy adott
• alkalmazhatóság adott építőelemhez vagy
anyag egy vagy több fontos jellemzőjében jelentősen jobb, mint a többi. Egy ilyen össze-
szerkezeti feladathoz, • a költség az előző tulajdonságok függvé-
hasonlítást mutat be az 5. táblázat.
nyeként.
64
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
5. táblázat Korszerű hőszigetelő anyagok besorolása (szokásos, kereskedelemben kapható típusokra) Szervetlen rostos Üveg- Kőzetgyapot gyapot
Hőtani tulajdonságok Nedvességállóság Nyomásállóság Húzószilárdság Hangszigetelés Tűzállóság Ellenállás gombákkal, rovarokkal stb. szemben Kibocsátás a gyártás során Λ=0,2 W/mK hővezetés elérésének költsége
Szerves habosított
Szerves rostos
EPS
XPS
PU
Birkagyapjú
Gyapot
Cellulóz
Kókuszrost
Szervetlen Egyéb habosított Perlit Habo- Habo- Parafa Fasított sított gyapot üveg gipsz
O
O
O
O
+
O
O
O
O
–
O
O
O
–
O/+ – + + + +
O/+ O/+ + + + +
O + O/+ O O +
+ + O –/O O +
+ + O/+ –/O –/O +
O – + + O O
O – + + O O
O – O + O O
O – O O/+ O O
+ – O O/+ + +
+ + –/O –/O + +
O –/O O O O +
O + O/+ O O O
– + –/O O/+ O +
–/O
–/O
+
+
+
O/+
O/+
–/O
O
–/O
+
O/+
+
O/+
+
+
+
–
O
–
–
O
–
–
–
–
–
–
+: jó, O: átlagos, –: gyenge, EPS: exponált polisztirol, XPS: extrudált polisztirol, PU: poliuretán
A jövőbeni fejlesztések céljai
irány. Van még lehetőség a gyártás során felhasznált energia, és ezzel az anyagok energiatartalmának csökkentésére is.
A fejlesztéseknél nyilvánvalóan az a cél, hogy miközben az anyagok egyes tulajdonságait
• A szerves habanyagoknál, különösen az
javítják, a több jellemző szintén javuljon, vagy
extrudált polisztirol esetén a hajtógázokra
legrosszabb esetben maradjon változatlan,
kell összpontosítani, a CFC, a HCFC és az
vagyis a jellemzők ne egymás rovására változ-
ezeket helyettesítő CO2 kiváltásával. A ver-
zanak. Mivel a hőszigetelési tulajdonságok
senyképességet jótékonyan érintené a költ-
már korábban igen jó szintet értek el, ezen a
ségek csökkentése.
téren nem várható robbanásszerű fejlődés, a λ
• Az expandált és extrudált polisztirolnál
hővezetés 10%-os csökkentése a többi jellem-
egyaránt fontos kutatási téma a tűzállóság
ző megtartása vagy javítása mellett már szép
növelése, bizonyos adalékok segítségével.
eredmény lenne. A többi tulajdonság terén a
A mostani adalékok sajnos csökkentik a hő-
következő fejlesztési súlypontok várhatóak:
szigetelő képességet. A poliuretán hab to-
• A szervetlen rostos anyagoknál a por és a
vábbfejlesztése is fontos téma, valamint a
szálak kibocsátásának csökkentése és a kö-
tűz esetén fejlődő mérges gázok csökkenté-
tőanyagok használata lesz a fő fejlesztési
se az összes műanyaghab esetében. 65
Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság
• Készen kapható összetett, kompozit anya-
anyagok környezetkárosító hatásainak csök-
gok kifejlesztése. Ez a mechanikai tulaj-
kentésében teljes életciklusuk során, „a bölcső-
donságokra, illetve a különböző anyagokból
től sírig”.
készült hordozó lemezekkel, fóliákkal való Az építőipar – noha a legnagyobb ágazat az
összeférhetőségre tereli a figyelmet. • A mérési módszerek, kritériumok és a ható-
egységesülő Európában – piaca erősen tagolt
sági szabályozások nemzetközi harmonizá-
nemcsak nemzeti, hanem regionális szinten is,
ciója, különös tekintettel a környezeti hatá-
és nem idegen tőle a konzervativizmus sem.
sokra. Az alkalmazott módszereknek a tel-
Javítani kell a szigetelőanyagok alkalmazható-
jes életciklus elemzésére (LCA, life cycle
ságát, „felhasználóbarát” jellegét, és nem utol-
analysis) kell alapulniuk.
sósorban költséghatékonyságát. Ezek a jelentős kihívások fokozott együttműködést kívánnak meg a kutatóhelyek, a gyártók és a hatósá-
Összefoglalás, következtetések
gok között.
A hőszigetelés mind jelenleg, mind a jövőben
Összeállította: Kis Miklós
az újonnan épült és felújított épületek energiafogyasztása csökkentésének legfontosabb és legköltséghatékonyabb módszere. Ez tükröző-
Irodalom
dik az érvényes Európai Uniós energetikai szabályozásban is, amely magas színvonalú
[1] Papadopoulos, A. M.: State of the art in thermal insulation
hőszigeteléseket, szigorú határértékek betartá-
materials
and
aims
for
future
developments. = Energy and Buildings, 37. k. 1. sz.
sát írja elő. Az előírások teljesítése csak fejlett
2005. p. 77–86.
szigetelőanyagok alkalmazásával lehetséges.
[2] Az
A közfigyelem egyre erősebben irányul a kör-
Európai
Kőzetgyapot-gyártók
Szövetsége
(EURIMA) honlapja. = http://www.eurima.org/
nyezet és az egészség védelemére, ezért a vitathatatlanul kedvező energiamérleg mellett
[3] Az
Európai
Polisztirolhab-gyártók
Szövetsége
(EUMEPS) honlapja. = http://www.eurimeps.org/
jelentős fejlesztési tartalékok vannak még az
66