Nowoczesne materiały izolacyjne a konstrukcje budynków pasywnych – czy aerogel zmienia zasady gry?

Znaczne zużycie energii do ogrzewania budynków oraz związana z tym emisja gazów cieplarnianych spowodowały, że obecnie dąży się do tego, aby domy były efektywne energetycznie. Dlatego projektuje się i buduje domy pasywne, o bardzo małym zapotrzebowaniu na energię, czyli 15 kWh/m²*rok. Jednym z warunków uzyskania takiej efektywności jest odpowiednia izolacja termiczna budynku. Opracowywane się coraz doskonalsze materiały, o niskiej przewodności cieplnej i jednocześnie dużej odporności mechanicznej oraz na skrajne temperatury i wilgoć. Jednym z ciekawszych materiałów termoizolacyjnych jest aerożel. W artykule opisujemy jego wyjątkowe właściwości, zastosowanie oraz zalety i wady.

Czym jest aerożel?

Aerożel (ang. aerogel) to obecnie najlżejsze ciało stałe i jednocześnie najlepszy materiał izolacyjny na świecie. Został opracowany już w 1931 r w postaci proszku, zaś obecnie zaczyna być szeroko wykorzystywany w budownictwie. Aerożel produkuje się głównie na bazie krzemionki, czyli z piasku kwarcowego, jednak ostatnim czasie wykorzystuje się też nanorurki węglowe i grafen. Wbrew nazwie nie jest to żel, tylko rodzaj sztywnej pianki (ciało stałe), składającej się ze szkieletu krzemionkowego oraz porów o wielkości kilku nanometrów wypełnionych powietrzem, które mogą stanowić nawet 99,8% jej objętości. Niewielkie wymiary tych porów powodują minimalny przepływ ciepła przez aerożel na drodze konwekcji i promieniowania, zaś wypełnienie powietrzem – na drodze przewodzenia. Czysty aerożel jest kruchy i wrażliwy na uderzenia, dlatego wykorzystujące go materiały izolacyjne są wzmacniane włóknem szklanym lub z tworzyw sztucznych. Ich podstawową cechą jest ich doskonała izolacyjność cieplna.

Wykorzystanie aerożelu w budownictwie energooszczędnym

Obecnie budynki odpowiadają za 40% całkowitego zużycia energii oraz 36% emisji CO₂ na świecie. Zmniejszanie zużycia energii, potrzebnej do ogrzewania i chłodzenia domów, jest skuteczną metodą ograniczania zmian klimatycznych. Jednak wymaga ono zastosowania lepszej izolacji termicznej, zgodnej z nowymi przepisami, takimi jak WT 2021. Tradycyjne rozwiązania polegają na zwiększaniu grubości samej izolacji cieplnej budynków, co prowadzi do wyższych kosztów termoizolacji oraz zwiększania bryły budynku. I tu przychodzi z pomocą aerożel, który umożliwia dostarczanie bardziej kompaktowych i jednocześnie posiadających doskonałe właściwości materiałów oraz rozwiązań.

Postacie i zastosowanie aerożeli

Aereżele produkowane są w postaciach: monolitycznej, granulowej, proszkowej, cienkowarstwowej o grubości do 100 nm oraz powłokowej o grubości kilku mm. Jeśli chodzi o termoizolację domów jednorodzinnych, to aerożele są wykorzystywane głównie w postaci mat o różnych grubościach oraz zakresach temperatur pracy. Nadają się do stosowania zarówno na zewnątrz budynku – do ocieplenia ścian, jak i wewnątrz – do podłóg (w tym ogrzewanych), sufitów oraz piwnic. Mogą być przyklejane do ścian - klejem poliuretanowym lub przeznaczonym do wełny mineralnej. W postaci taśm doskonale nadają się do likwidacji mostków termicznych w miejscach, w których nie da się zastosować tradycyjnej izolacji. Maty produkowane są w kilku wersjach, zależnie od temperatur pracy: Spaceloft (–200°C - 200°C), Pyrogel (–40°C - 650°C), Cryogel (–270°C - 90°C) oraz Evergel (do do +675°). Produkowane są także masy szpachlowe z aerożelem, które mogą być wykorzystane do termoizolacji ścian i sufitów podwieszanych oraz likwidacji mostków termicznych. Granulki aerożelowe są przezroczyste, dlatego wykorzystuje się je do produkcji okien. Znajdujący się między szybami aerożel doskonale izoluje okno cieplnie i akustycznie. 

Zalety izolacji aerożelowej

Najniższa wartość współczynnika przewodzenia ciepła ze wszystkich materiałów. Przypomnijmy, że współczynnik przewodzenia ciepła, albo przewodność cieplna właściwa λ to zdolność substancji do przekazywania energii wewnętrznej przez przewodzenie ciepła. Im mniejsza jej wartość, tym lepsze własności termoizolacyjne posiada dany materiał. Aerożel spośród wszystkich materiałów posiada najniższy współczynnik przewodzenia ciepła: λ = 0,012 - 0,016 W/(m*K). Tradycyjne materiały izolacyjne wypadają zdecydowanie gorzej: dla styropianu λ = 0,031 - 0,042 W/(m*K), zaś dla wełny mineralnej λ = 0,030-0,045 W/(m*K). Ponieważ aerożele charakteryzują się najmniejszą wartością λ, dla uzyskania tej samej izolacyjności cieplnej wystarczy znacznie cieńsza warstwa, niż w przypadku materiałów tradycyjnych. Przykładowo izolacja cieplna o grubości 60 mm, wykonana z cienkich warstw aerożelowych, wystarcza do ocieplenia domu i odpowiada ona izolacji wykonanej ze styropianu grafitowego o grubości 130 mm.

Stałość parametrów izolacyjnych w czasie. Aerożele nie starzeją się, w odróżnieniu od np. styropianu.

Elastyczność, uniwersalność oraz łatwość montażu. Aerożelowe materiały izolacyjne mogą być łatwo cięte na wymagany wymiar i kształt. Maty aerożelowe nadają się na każdą powierzchnię: ściany, dachy, podłogi etc., dzięki czemu nie trzeba kupować różnych dedykowanych materiałów izolacyjnych, co upraszcza prace budowlane. Na zamówienie produkowane są nawet profile bardzo cienkie. Ta specyficzna właściwość hydrożeli powoduje, że nadaje się on szczególnie tam, gdzie przestrzeń jest ograniczona. Doskonałą cechą tych materiałów jest możliwość ponownego wykorzystania w budynku.

Oddychalność i hydrofobowość. Część materiałów termoizolacyjnych, takich jak wełna mineralna czy włókno szklane, absorbuje i zatrzymuje wilgoć. Dlatego są one podatne na tzw. korozję pod izolacją (CUI), zjawisko występujące głównie w przemyśle (rurociągi), ale także i w metalowych kanałach wentylacyjnych/klimatyzacyjnych budynków. Można jej zapobiec stosując aerożel, ponieważ ma on właściwości hydrofobowe. Zapobiega wnikaniu wody i wilgoci do warstwy izolacji termicznej oraz penetracji poprzez szczeliny i pęknięcia. Ponadto aerożel w każdej formie „oddycha” - przepuszcza parę wodną, gdy ściana zostanie nagrzana. 

Duży zakres temperatur pracy oraz odporność na ogień. Aerożele ogólnie mogą być wykorzystywane w zakresie temperatur -200°C – 650 °C. Są trudno zapalne i niekapiące, zostały zakwalifikowane, jako materiał klasy A reakcji na ogień. Nie wydzielają żadnych substancji toksycznych pod wpływem ognia. 

Dobra odporność mechaniczna. Wytrzymałość na rozciągnięcie aerożelu w poprzek włókien wynosi ponad 20 kPa, a wzdłuż co najmniej 80 kPa. Aerożel wzmocniony włóknami szklanymi wykazuje również dobrą odporność na ściskanie i w pełni absorbuje energię uderzeniową. 

Odporność na związki chemiczne. Aerożel jest odporny na działanie związków chemicznych , takich jak benzyna, olej napędowy czy rozpuszczalniki organiczne. 

Lekkość. Same aerożele krzemionkowe mają gęstość rzędu 1,5–50 mg/cm³, czyli 1,5-50 kg/m³ (dla porównania gęstość powietrza to 1,2 g/cm³). Jednak w postaci mat termoizolacyjnych, wzmacnianych włóknem szklanym, poliestrowym czy polietylenowym są już znacznie cięższe, ich gęstość wynosi 135-200 kg/m³, czyli jest podobna do gęstości wełny mineralnej. Natomiast styropian jest wielokrotnie lżejszy – jego gęstość waha się w granicach  12-28 kg/m³.

Dobra izolacyjność akustyczna. Aerożel charakteryzuje się świetnymi parametrami w zakresie izolacji akustycznej, podobnie jak wełna mineralna. 

Wady aerożelu

Aerożel posiada niemal idealne własności, jako materiał izolacyjny dla budownictwa. Niestety ta długa lista zalet jest okupiona bardzo wysoką cenę. To jak na razie jedyną wada aerożelu i przeszkoda na drodze do wykorzystywania na szerszą skalę. Koszty ocieplenia domu przy pomocy aerożelu mogą być nawet 10 razy większe, niż przy wykorzystaniu materiałów tradycyjnych, takich jak wełna mineralna czy styropian. Obecne przykładowa cena maty aerożelowej o grubości 3 mm wynosi 170 zł/m², zaś grubości 10 mm: 300 zł/m². Dlatego inwestorzy budujący domy, lub wykonujący ich termomodernizacje, pozostają przy styropianie czy wełnie. 

Perspektywy na przyszłość

Materiały termoizolacyjne z aerożelem są na razie bardzo drogie, co wynika ze skomplikowanego procesu produkcyjnego. Poza tym istnieje poważna konkurencja – znacznie tańsze płyty PIR (rodzaj pianki poliuretanowej), dla których współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0,018 – 0,020 W/(m*K), czyli jest niewiele większy, za to ciężar właściwy znacznie mniejszy: 30 – 35 kg/m³, czyli zbliżony do styropianu. Inne własności płyt PIR są zbliżone do aerożeli. Przykładowa cena takiej płyty o grubości 20 mm z warstwą aluminium to ok. 30 zł/m². Jednak PIR-y są sztywne i nie występują w wersjach tak cienkich, jak aerożele. Czy te ostatnie uzyskają popularność i kiedy to nastąpi – trudno na razie powiedzieć. Światowy rynek aerożeli rozwija się, produkty te wytwarzane są zarówno w Azji, jak i USA i Europie, nawet w Polsce. Być może coraz większa liczba producentów spowoduje znaczący spadek cen w przyszłości.