Součinitel tepelné vodivosti λ jako základní parametr pro hodnocení izolačních vlastností různorodých izolačních materiálů

Definice a význam

Součinitel tepelné vodivosti, označovaný řeckým písmenem λ (lambda) – běžně nesprávně zkracováno na tepelná vodivost, je fyzikální veličina z oboru termodynamiky. Koeficient λ vyjadřuje schopnost materiálu vést teplo a je definován jako množství tepla ve wattech, které projde průřezem materiálu o tloušťce 1 metr při rozdílu teplot 1 K (1 Kelvin) mezi oběma povrchy materiálu. Hodnota součinitele tepelné vodivosti se tedy vyjadřuje v jednotkách W/m·K (watty na metr a kelvin). 

Součinitel tepelné vodivosti je klíčovým parametrem pro hodnocení tepelně izolačních vlastností materiálů v oblasti stavebnictví a je zásadní pro výpočet tepelných ztrát a energetické náročnosti budov. Čím nižší je hodnota λ, tím lepší jsou tepelně izolační vlastnosti materiálu, což vede k menším tepelným ztrátám, přispívá k energetické účinnosti systémů, zařízení i budovy a snižuje náklady na vytápění nebo chlazení.

Koeficient součinitele tepelné vodivosti λ hraje proto zásadní roli při výběru izolačních materiálů. Nižší hodnota λ znamená, že materiál lépe izoluje.

Srovnání různých materiálů

Různé izolační materiály mají odlišné hodnoty λ. Například:

Materiál	Součinitel tepelné vodivosti λ (W/m·K)
Expandovaný polystyren	0,033 – 0,039
Extrudovaný polystyren	0,034
Minerální vata – lehká	0,030 – 0,038
Minerální vata – těžká	0,035 – 0,040
PUR a PIR desky	0,023 – 0,030
Kaučuková izolace	0,033 – 0,036
Celulózová izolace	0,038 – 0,042
Foukaná izolace	0,035 – 0,041
Sláma	0,040 – 0,050
Cihla děrovaná pálená	0,36
Cihla plná pálená	0,8 – 0,88
Beton hutný	1,3
Železobeton	1,43
Ocel	50
Voda	0,58
Vzduch	0,025

Tyto hodnoty ukazují, jak různé materiály vedou teplo a jak efektivně mohou sloužit jako izolace. Tyto hodnoty jsou obecné a u různých specifikací a výrobců se liší. Hodnotu součinitele tepelné vodivosti konkrétního materiálu je vhodné ověřit v technickém listu nebo prohlášení o vlastnostech, které vystavuje konkrétní výrobce výrobku.

Význam ve stavebnictví

V oblasti stavebnictví je součinitel tepelné vodivosti zásadním faktorem při výběru izolačních materiálů pro nové konstrukce i při modernizaci stávajících budov. Pomáhá určit tloušťku izolace potřebnou k dosažení požadovaných energetických standardů a minimalizaci tepelných ztrát.

Měření a výpočty

Hodnota λ se obvykle určuje laboratorními testy za kontrolovaných podmínek. V praxi se používá k výpočtu tepelných odporů různých konstrukcí a k určení koeficientu prostupu tepla (U), který zohledňuje vícevrstvé stěny a další faktory jako povrchový odpor.

Co má vliv na hodnotu součinitele tepelné vodivosti?

Na součinitel tepelné vodivosti 𝜆 izolačních materiálů má vliv několik faktorů, které mohou hodnotu tohoto parametru zvyšovat nebo snižovat. Mezi hlavní vlivy patří:

1. Vlhkost
   Přítomnost vody: Voda má mnohem vyšší tepelnou vodivost než vzduch, λ vody je cca 0,58 W·m⁻¹·K⁻¹, zatímco vzduchu cca 0,025 W·m⁻¹·K⁻¹). Pokud se materiál zvlhčí, jeho izolační vlastnosti se výrazně zhorší.
   Náchylnost k absorpci vlhkosti: Materiály jako celulóza nebo minerální vlna mohou v nevhodném prostředí snadno absorbovat vodu, což zvyšuje jejich λ a tím pádem značně ovlivní jejich izolační schopnosti.
2. Teplota
   Změna hodnoty λ: U některých materiálů (např. pěnové izolace) roste s rostoucí teplotou. To znamená, že v teplejším prostředí může dojít k poklesu jejich izolačních schopností.
   Stabilita izolačních plynů: U materiálů obsahujících uzavřené plyny (např. PUR pěny) může při vysokých teplotách docházet k jejich úniku, což ovlivňuje λ.
3. Struktura materiálu
   Porozita: Materiály s vyšší porozitou (např. minerální vata, pěnové plasty) mají nižší hodnotu λ, protože vzduch v pórech omezuje vedení tepla. Naopak kompaktní a husté materiály vedou teplo lépe.
   Velikost a tvar pórů: Menší a nepravidelné póry zvyšují izolační schopnosti, protože znesnadňují proudění vzduchu uvnitř materiálu.
4. Tlak a hustota
   Hustota materiálu: S rostoucí hustotou se obvykle zvyšuje tepelná vodivost, protože se zvyšuje podíl pevné látky, která lépe vede teplo.
   Tlakové podmínky: V případě izolací s plyny (např. aerogely nebo vakuové izolace) může zvýšený tlak způsobit změny v jejich vodivosti.
5. Typ plynu v pórech
   Vzduch vs. speciální plyny: Materiály naplněné plyny s nízkou tepelnou vodivostí (např. argon nebo krypton) mají nižší λ než materiály, kde je přítomen pouze vzduch.
6. Stárnutí materiálu
   Degradace materiálu: Některé materiály (např. PUR pěny) mohou časem ztratit uzavřené plyny, což zvyšuje hodnotu 𝜆.
   Změna struktury: Mechanické poškození nebo stárnutí materiálu může vést ke snížení izolačních schopností.
7. Povrchové vlastnosti
   Drsnost povrchu: Hladké povrchy mohou zvyšovat vedení tepla, zatímco drsné a členité povrchy mohou pomáhat snižovat tepelnou vodivost díky lepšímu zachycení vzduchu.
   Povlak nebo příměsi: Některé izolační materiály mohou mít povrchové úpravy, které ovlivňují jejich schopnost odrážet nebo absorbovat teplo.
8. Směr vedení tepla
   Anizotropie: Některé materiály (např. dřevovláknité desky) mohou vykazovat rozdílné hodnoty λ v závislosti na směru vedení tepla (podél vláken vs. kolmo na vlákna).

Každý z těchto faktorů by měl být zohledněn při výběru izolačního materiálu, zejména v závislosti na konkrétních podmínkách použití (teplota, vlhkost, mechanické zatížení apod.).

Jaký je rozdíl mezi součinitelem tepelné vodivosti (λ), součinitelem prostupu tepla (U) a tepelným odporem ( R )?

Rozdíly mezi součinitelem tepelné vodivosti (λ – lambda), součinitelem prostupu tepla (U) a tepelným odporem ® spočívají v jejich významu, použití a vztahu k vedení tepla. Všechny tyto veličiny se využívají v tepelné technice, ale popisují různé aspekty tepelného přenosu.

1. Součinitel tepelné vodivosti – λ

• Definice: Vyjadřuje schopnost jednoho konkrétního materiálu vést teplo. Je to materiálová vlastnost.
• Jednotka: W/(m·K) (watty na metr a kelvin).
• Význam:
  • Čím nižší λ, tím lepší izolační schopnosti materiálu.
  • Vysoké hodnoty λ jsou typické pro vodiče tepla (např. kovy), zatímco nízké hodnoty mají izolanty (např. minerální vata).
• Použití:
  • Hodnocení jednotlivých materiálů z hlediska jejich tepelné vodivosti.
  • Používá se při výpočtu tepelného odporu a prostupu tepla.
• Příklad:
  • Beton má λ kolem 1,7 W/(m·K), zatímco polystyren má λ kolem 0,04 W/(m·K).

2. Tepelný odpor – R

• Definice: Vyjadřuje odpor proti prostupu tepla přes určitou vrstvu materiálu. Závisí na tloušťce materiálu a jeho součiniteli tepelné vodivosti.
• Vzorec: R = d / λ​ kde:
  • R: Tepelný odpor (m²·K/W),
  • d: Tloušťka vrstvy materiálu (m),
  • λ: Součinitel tepelné vodivosti materiálu (W/(m·K)).
• Jednotka: m²·K/W (metry čtvereční krát kelvin na watt).
• Význam:
  • Vyšší hodnota R znamená lepší izolační schopnost vrstvy.
  • Používá se jako dílčí parametr pro výpočet součinitele prostupu tepla (U).
• Použití:
  • Hodnotí se při návrhu konstrukcí, například tloušťka izolačních vrstev.
• Příklad:
  • Pokud má vrstva minerální vaty tloušťku d = 0,2 m a λ = 0,04 W/(m·K), tepelný odpor bude: R = 0,2 / 0,04 = 5 m²·K/W.

3. Součinitel prostupu tepla – U

• Definice: Vyjadřuje, kolik tepla projde konstrukcí o určité ploše při rozdílu teplot o 1 kelvin mezi vnitřním a vnějším prostředím. Bere v úvahu tepelný odpor všech vrstev konstrukce a přestupy tepla na površích.
• Vzorec: U = 1 / R celkový​ kde:
  • U: Součinitel prostupu tepla (W/(m²·K)),
  • R celkový: Celkový tepelný odpor konstrukce (m²·K/W), zahrnující jednotlivé vrstvy i přestupy tepla na povrchu.
• Jednotka: W/(m²·K) (watty na metr čtvereční a kelvin).
• Význam:
  • Nižší hodnota U znamená lepší izolační vlastnosti celé konstrukce.
• Použití:
  • Používá se při hodnocení energetické náročnosti budov.
  • Slouží ke splnění legislativních požadavků na energetickou efektivitu staveb.
• Příklad:
  • Pokud má celkový tepelný odpor konstrukce R celkový = 5 m²⋅K/W, pak U = 1 / 5 = 0,2 W/(m2⋅K).

V praxi jsou všechny tyto veličiny propojené. Hodnota λ ovlivňuje R, a z R se vypočítává U, které se používá při návrhu stavebních konstrukcí a energetické analýze budov.

---