Nedostatečná a nevhodná izolace potrubí studené vody v kolektorech nemocnice – 2. část

Článek se zaměřuje na hlavní problémy spojené s kvalitou projektů v profesích TZB a jejich realizací, především v oblasti rozvodů studené vody. Popisuje, jak chyby v projektové fázi, tak i neodborné postupy realizačních firem a absence odborného dozoru, mohou vést k vážným technickým problémům, snižování životnosti realizovaného díla a zvyšování nákladů na opravy. Zvláštní pozornost by měla být věnována chybám při montáži vodoměrů v kolektorech a nedostatečné tepelné izolaci nejen u vodoměrné sestavy, která vede ke kondenzaci vzdušné vlhkosti a následné korozi. Článek upozorňuje na důsledky zanedbání těchto postupů a apeluje na důslednou kontrolu a dodržování technických standardů.

Recenzent: Jakub Vrána

KONDENZACE VE VZTAHU K TEPELNÝM IZOLACÍM (edukace pro projektanty, realizační firmy a provozovatele potrubních sítí)

Izolace pro zabránění povrchové kondenzace je nutná všude tam, kde je povrchová teplota potrubí (vodovodů, vzduchovodů) pod teplotou rosného bodu okolního vzduchu. Za těchto podmínek vodní pára z okolního vzduchu kondenzuje na chladném povrchu, což může způsobit odkapávání kondenzátu z povrchu potrubí nebo izolace. Stále kapající kondenzát je velmi vážným problémem, protože může narušit pracovní režimy, způsobit stavební vady, korozi atd. Dalším účelem tepelné izolace potrubí studené vody je omezení vlivu teploty v okolí potrubí, která by v letních měsících způsobovala nárůst teploty studené vody proudící potrubím.

Proto je výběr druhu izolačního materiálu pro rozvod pitné vody a výpočet jeho správné tloušťky důležitou prací projektanta. Potrubí a armatury je nutné izolovat minimálně tak, aby se zvýšila teplota na jejím vnějším povrchu nad teplotu rosného bodu okolního vzduchu. I za tohoto stavu však stále dochází k prostupu vodní páry izolací směrem k chladnému povrchu. To vede, v závislosti na vlastnostech izolace, k větší nebo menší akumulaci vlhkosti v izolaci [1].

Vytváření kondenzace a předcházení vzniku kondenzátu

Vzduch, jenž nás obklopuje, se skládá z různých plynů, souhrnně označovaných jako suchý vzduch, a také vodní páry. Tuto dvousložkovou směs potom označujeme jako vlhký vzduch. Směs s různým poměrem suchého vzduchu a vodní páry má různý parciální tlak (čím vyšší teplota a vyšší vlhkost vzduchu, tím vyšší parciální tlak). Schopnost vzduchu absorbovat vlhkost ve formě vodní páry je ovšem omezená. Čím je vzduch teplejší, tím je schopen vstřebat více vody a naopak.

To v praxi znamená, že vzduch o určité teplotě a určitém obsahu vodní páry se v blízkosti potrubí, které má povrchovou teplotu nižší, než je teplota okolního vzduchu, ochlazuje. Při ochlazování neklesá obsah přítomné vodní páry (měrná vlhkost x je konstantní). Jakmile se dosáhne teploty, kdy je vzduch 100 % nasycen vodní parou, dojde ke kondenzaci. Této teplotě potom říkáme teplota rosného bodu. Při dalším ochlazování vzduchu již část vody nebude absorbována ve formě vodní páry a stane se z ní kapalná voda. Tak se vytváří kondenzát (obr. 8).

Pokud dvě strany stěny vykazují různé teploty a relativní vlhkosti, je výsledkem rozdíl v tlaku vodních par. A protože tlaky usilují o vyrovnání, je tento tlakový rozdíl hnací silou pronikání molekul vodní páry přes stavební a izolační materiály (viz obr. 9). Difuze probíhá z místa s vyšším parciálním tlakem do místa s nižším parciálním tlakem. U rozvodů studené vody difuzní tok směřuje k chladnému povrchu potrubí. Jestliže teplota procházející vodní páry ve vrstvě izolace klesne pod teplotu rosného bodu, voda zkondenzuje a vytváří v izolačním materiálu vlhkost, která zvyšuje tepelnou vodivost izolace.

Každý izolační materiál má různou odolnost vůči pronikání vodních par. Tu je možné vyjádřit třemi způsoby.

1. Součinitelem difuzní vodivosti
δp [kg·m^–1·s^–1·Pa^–1].
2. Faktorem difuzního odporu μ [–].
3. Ekvivalentní difuzní tloušťkou vzduchové vrstvy s_d [m].

Součinitel difuzní vodivosti

Součinitel difuze vodních par uvádí množství vody v kg, které za 1 hodinu pronikne vrstvou materiálu silného 1 m na ploše 1 m² při rozdílu parciálního tlaku vodní páry 1 Pa (obr. 10).

Faktor difuzního odporu

Jedná se o podíl difuzní vodivosti vzduchu a dotyčného materiálu. Tato hodnota udává, kolikrát je daný materiál méně propustný pro vodní páru než nehybná vrstva vzduchu o stejné tloušťce. Faktor difuzního odporu µ je měřítkem parotěsnosti a stanoví se podle vztahu:

Kde je
δp – součinitel difuzní vodivosti (souč. difuze vodní páry)
[kg·m^–1·s^–1·Pa^–1] = [s],
δa – součinitel difuzní vodivosti vzduchu,
s_d – ekvivalentní difuzní tloušťka [m],
d – tloušťka vrstvy [m].

Ekvivalentní difuzní tloušťka vzduchové vrstvy

Tloušťka ekvivalentní nehybné vrstvy vzduchu v metrech je taková tloušťka, která vykazuje stejný odpor vůči pronikání vodní páry jako stavební materiál o tloušťce d a faktoru difuzního odporu µ. Pro ekvivalentní difuzní tloušťku stavebního materiálu platí:

Jak ukazuje tab. 1, nehybná vrstva vzduchu by musela mít tloušťku 91 m, aby vykázala stejný difuzní odpor jako izolační vrstva ze syntetického kaučuku o tloušťce 13 mm.

NÁVRH TEPELNÝCH IZOLACÍ PRO ROZVODY POD ROSNÝM BODEM

Norma ČSN EN ISO 15758 [4] pojednává o třech základních typech opatření pro minimalizaci akumulace vlhkosti v izolaci:
a) Instalace parozábrany na vnějším povrchu izolace.
b) Použití izolačního materiálu s vysokým faktorem difuzního odporu (izolace s nízkou paropropustností) – elastomerová izolace (syntetický kaučuk), pěnové sklo.
c) Kombinace parozábrany a kapilárně vodivé tkaniny pro nepřetržité odvádění zkondenzované vodní páry z povrchu potrubí do okolního prostředí. [4], [5]

Kritéria při návrhu tloušťky tepelné izolace u rozvodů studené vody jsou následující:

– Zamezení kondenzace na povrchu potrubí. Povrchová kondenzace závisí nejen na parametrech ovlivňujících povrchovou teplotu, ale také na relativní vlhkosti okolního vzduchu, kterou projektant velmi často nemůže přesně zjistit. Čím vyšší je relativní vlhkost, tím více kolísání vlhkosti nebo povrchové teploty zvyšuje riziko povrchové kondenzace.
– Minimalizace tepelných zisků (oteplování pitné vody). Na toto kritérium se často nebere ohled. Pak ale může dojít k nežádoucímu oteplování pitné vody s negativními důsledky na její kvalitu a mikrobiologii. K tomuto kritériu patří také riziko ochlazování teplé vody v souběžně vedeném potrubí.
– Prevence zamrznutí vody u rekreačních objektů nevyužívaných každodenně. Krátkodobě může zamrznutí oddálit izolace potrubí. Samotná izolace však zamrznutí nezabrání, jen jej oddálí. V případě vodovodních potrubí bez odběru je jediným dlouhodobě funkčním řešením současné použití izolace a vytápěcího kabelu, jehož výkon pokryje tepelnou ztrátu izolovaného potrubí (tedy čím vyšší je navržená tloušťka izolace, tím jsou nižší nároky na tepelný výkon topného kabelu).

Parametry ovlivňující návrh tloušťky

Tepelný tok z povrchu izolace je funkcí několika proměnných, které se nevztahují přímo ke kvalitě izolace. Mezi ně patří teplota okolí, proudění vzduchu (přirozené či nucené), emisivita povrchu izolace (nebo jejího opláštění) a výměna tepla zářením s okolními povrchy. Pro výpočet rosného bodu je také důležitá relativní vlhkost okolního vzduchu.

Parametry, které je třeba vzít v úvahu při návrhu tloušťky tepelné izolace:
– Tepelná vodivost izolačního materiálu.
– Teplota teplonosné látky.
– Teplota okolního vzduchu.
– Relativní vlhkost okolního vzduchu.
– Součinitel přestupu tepla.

Tepelná vodivost izolace

Podstatou tepelněizolačních látek je uzavření plynu (nejčastěji vzduchu) do malých prostorů – pórů, nebo vytvoření takové prostorové struktury, která uzavírá velký objem plynu (vzduchu), ale přitom nedovoluje jeho pohyb – zamezuje proudění uvnitř struktury izolace. Součástí takového kompozitu je pak nejčastěji vzduch s tepelnou vodivostí λ_10°C = 0,025 W·m^–1·K^–1), který zaujímá u kvalitních izolací 92 až 96 %, a tuhá substance s tepelnou vodivostí zhruba 50× větší, která zaujímá zbytek prostoru izolační látky.

Tuhá substance může mít formu více nebo méně uzavřených pórů (např. u pěnového polyetylenu) nebo formu sypkého (např. u perlitu) nebo vláknitého prostředí (u minerálně-vláknitých izolací). Účinnost takových izolací je tím lepší, čím je tuhé substance v prostoru méně, tedy, čím jsou, zjednodušeně řečeno, stěny pórů tenčí nebo čím je vzájemný dotyk vláken u minerálních plstí méně častý a pouze bodový. Pokud se tyto podmínky jakýmkoliv způsobem naruší, má to nepříznivý vliv na výši tepelné vodivosti izolace.

Tepelné izolace jsou často využívány v prostředí, kde může souhra parciálních tlaků, resp. relativní vlhkosti vzduchu a povrchových napětí přítomných látek, vyvolat místní kondenzaci vody, což je i typický příklad potrubí s pitnou vodou. Vzhledem k tomu, že tepelná vodivost vody je λ_vody = 0,6 W·m^–1·K^–1, což je 25× více než tepelná vodivost suchého nehybného vzduchu, dochází k výraznému ovlivnění tepelné vodivosti izolace ve srovnání s jejím suchým stavem. Přítomnost vody v pórech pak vyvolává další nežádoucí přenos vlhkosti kapilárními, difúzními či jinými pochody. V případě chladírenských a mrazírenských zařízení, u kterých dochází k přeměně kondenzátu v led se tepelný tok dále navyšuje – λ_ledu = 2,3 W·m^–1·K^–1.

Uvádí se, že 1% zvýšení vlhkosti znamená navýšení tepelné vodivosti o 4 až 6 %. Experimentálně zjištěné změny pro některé typy izolací jsou naznačeny na obr. 11.

Z těchto důvodů je tedy pro zachování správné a trvalé funkce izolace nezbytně nutné předejít jejímu možnému navlhnutí. Prakticky lze provlhnutí eliminovat dvěma způsoby. Zamezit difuzi vodní páry k chladnému povrchu nebo odstranit zkondenzovanou vodní páru z povrchu potrubí či zařízení do okolního prostředí. [5]

Teplota vody

Se vzrůstající teplotou vzrůstá tepelná vodivost izolace λ. Ta se do výpočtu dosahuje v závislosti na střední teplotě. Jde o aritmetický průměr z povrchové teploty potrubí (u ocelového potrubí bude v podstatě rovna teplotě vody) a povrchové teploty izolace. V praxi se vyskytuje případ, že se výpočet provádí s teplotou okolního vzduchu místo s povrchovou teplotou izolace. U rozvodů studené vody je toto zjednodušení akceptovatelné, protože rozdíl mezi teplotou povrchu a teplotou okolního vzduchu je malý, a navíc je na straně bezpečné (hodnoty λ jsou vyšší).

Teplota okolního vzduchu

U okolního vzduchu nelze teplotu stanovit tak určitě jako u teploty vody. K návrhu zařízení v exteriéru slouží místní klimatická data, založená na ročních průměrech, případně ročních extrémech. V případě vnitřních prostorů se vychází z návrhových teplot (je-li budova vybavena vzduchotechnikou) nebo je nutné provést odhad těchto vnitřních teplot.

Při návrhu z hlediska zamezení kondenzace se volí kombinace nejvyšší teploty vzduchu a nejvyšší relativní vlhkosti, která se v prostoru může vyskytnout. Volí se ta kombinace, která dá nejvyšší parciální tlak.

Relativní vlhkost

Relativní vlhkost (dále také RH – relative humidity) je poměr absolutní vlhkosti vzduchu c [g·m^–3] k absolutní vlhkosti při nasycení c_s (případně též jako poměr parciálního tlaku vodní páry p_d [Pa] k parciálnímu tlaku vodní páry při nasycení p“_d).

Vliv relativní vlhkosti je při návrhu tloušťky izolace potřebné pro zabránění kondenzace často podceňován. Čím vyšší je vlhkost, tím větší musí být tloušťka izolace, pokud všechny ostatní podmínky zůstanou beze změny. Např. při teplotě pitné vody 8 °C, teplotě okolního vzduchu 20 °C a relativní vlhkosti 70 % by pro potrubí musela být použita tloušťka izolace min. 11 mm (povrch s velmi nízkou emisivitou), resp. 5 mm (povrch s vysokou emisivitou), aby se zabránilo kondenzaci na vnějším povrchu. Pokud by se vlhkost zvýšila o 20 %, bylo by nutné tloušťku izolace navýšit nmin. 69 mm, resp. 27 mm. Parametr relativní vlhkosti má na tloušťku izolace obrovský vliv. Často ho však nelze určit tak snadno jako jiné parametry, např. teplotu chladicí látky nebo tepelnou vodivost izolačního materiálu. Proto je velmi důležité získat podrobné informace o místě, ve kterém má být potrubní systém používán, aby bylo možné co nejrealističtěji posoudit budoucí situaci. Jak již bylo nastíněno v příkladu, tloušťka tepelné izolace je také velmi závislá na emisivitě povrchu – viz tab. 2.

Součinitel přestupu tepla

Pro návrh izolace se běžně počítá pouze s vnějším součinitelem přestupu tepla αe. Ten je závislý na typu proudění okolního vzduchu (přirozené nebo nucené), na rychlosti proudění a na emisivitě povrchu. Vnitřní část součinitele přestupu tepla αi je u kapalin možno ve většině případů zanedbat.

Proudění

Proudění významně přispívá ke zvýšení součinitele přestupu tepla. Čím rychleji proudí okolní vzduch, tím více tepla je přeneseno a tím menší hrozí riziko kondenzace. V praxi je proto vhodné zajistit dostatečné odstupové vzdálenosti potrubí mezi sebou a potrubí od stěny (min. 100 mm). Pokud se odstupové vzdálenosti nedodrží, tak se jednak izolace obtížně instaluje a také hrozí nebezpečí vytvoření zóny s téměř nulovým prouděním. Tím by mohlo dojít k výraznému snížení součinitele přestupu tepla a ke zvýšení rizika povrchové kondenzace
(viz obr. 12).

Sálání

Povrch s vysokou emisivitou (typicky syntetický kaučuk bez oplechování) pohlcuje mnohem více tepelné energie než povrch s nízkou emisivitou (hliník, zinkový povlak). Jak je názorně ukázáno v tab. 2, se vzrůstající emisivitou dochází ke zvýšení povrchové teploty izolace, což znamená, že klesá nutná tloušťka izolace pro zabránění povrchové kondenzace. U nízkých relativních vlhkostí do 60 % je vliv emisivity (na praktické výpočty) téměř zanedbatelný. U vysokých relativních vlhkostí má však emisivita na vypočtenou tloušťku izolace obrovský vliv a je proto vhodnější navrhovat povrchové úpravy s vysokou emisivitou.

VHODNOST IZOLAČNÍHO MATERIÁLU

Výběr druhu izolačního materiálu a výpočet jeho správné tloušťky patří mezi důležité práce projektanta. Vhodnost izolačního materiálu na ochranu rozvodů studené vody závisí na posouzení těchto vlastností:
– Vysoká odolnost proti průniku vodní páry – definovaná faktorem difuzního odporu μ.
– Nízká tepelná vodivost λ – čím nižší tepelná vodivost λ, tím je nutná menší tloušťka tepelné izolace.
– Životnost.
– Dobrá zpracovatelnost nebo jednoduchost montáže.
– V některých případech může být rozhodujícím kritériem reakce na oheň.

V praxi se s oblibou na rozvody studené vody používá izolace z pěnového polyetylenu. Jeho oblíbenost je dána zejména nízkou pořizovací cenou. Nicméně je třeba upozornit, že tento materiál je ideální pro topenářské rozvody malých dimenzí, kde se používá malá tloušťka izolace. Jeho použitelnost pro rozvody studené vody je diskutabilní.

Izolace z pěnového polyetylenu sice má uzavřenou pórovou strukturu (faktor difuzního odporu μ ≈ 2000–5000), ale jako termoplast se těžko lepí. Spoj není vulkanizovaný a po určité době dojde k porušení parotěsnosti takového spoje. Spolehlivé slepení není prakticky možné. Pěnový PE se v čase podélně smršťuje (asi o 2 %), což způsobuje potrhání izolace či slepeného spoje. Dlouhodobou parotěsnost izolačního systému tedy není možné zaručit.

Pokud je pěnový PE spojován pouze sponkami jako běžný topenářský rozvod, tak pak se kondenzace na chladném povrchu potrubí objeví v podstatě okamžitě (výjimkou jsou plastové rozvody vedené v „mírných podmínkách“ a s malými odběry pitné vody, kde může být riziko povrchové kondenzace zanedbatelné).

K rozvodům studené vody by se proto mělo přistupovat jako k rozvodům chladu a tedy přednostně by se měly izolovat syntetickým kaučukem. Izolační materiály na bázi syntetického kaučuku mají totiž plně uzavřenou pórovou strukturu (μ > 7000), lepený spoj je trvanlivý, materiál se v čase nesmršťuje a zůstává flexibilní. Izolační systém ze syntetického kaučuku však vyžaduje dokonalé slepení všech spojů nejen na rovných úsecích, ale i na všech armaturách a závěsech. [7]

ZÁVĚR

Kvalita projektů TZB a realizací je ovlivněna mnoha faktory, od odbornosti projektantů po kvalitu práce realizačních firem a následnou údržbu. Chyby a nedostatky ve výstavbě mohou vést k vážným technickým problémům a zvýšeným nákladům na opravy a údržbu a snížení životnosti potrubí.

Klíčovým krokem ke zlepšení situace je zavedení přísnějších kontrol a důsledné dodržování všech technických a stavebních předpisů.

Rozvody pitné vody patří mezi aplikace, kde je velmi často povrchová teplota pod teplotou rosného bodu okolního vzduchu. Tyto rozvody se proto musí izolovat, aby nedocházelo ke kondenzaci vodnípáry na chladném povrchu potrubí a oteplování studené vody. Tloušťky tepelné izolace potrubí studené pitné vody jsou v současné době předepsány v ČSN 75 5409 [9]. Další informace lze najít v TNI CEN/TR 16355 [10]. V budoucnu budou tloušťky tepelné izolace potrubí studené pitné vody uvedeny v revidované ČSN EN 806–2 [11]. V nedávné době byl návrh revize prEN 806–2 [12] připomínkován.

Také správný výběr izolačního materiálu je klíčový, protože jinak hrozí pronikání vodní páry do izolačního materiálu s následnou kondenzací v izolaci. Bezpečný izolační systém musí být chráněn před nepřípustným provlhnutím a degradací izolace.

Literatura

[1] KOVERDYNSKÝ, Vít. Návrh chladových izolací. Chlazení a klimatizace. Praha: ČNTL, roč. 15 (2009), č. 1, s. 24–31. ISSN 1211–1171.
[2] Technické články firmy Armacell.
[3] ČSN EN ISO 15758:2014. Tepelně-vlhkostní chování zařízení budov a průmyslových instalací – Výpočet difuze vodní páry – Izolace potrubí pro vedení chladu.
[4] KOVERDYNSKÝ, Vít. Srovnání tepelných izolací pro chladicí rozvody. Topenářství instalace. Praha: Technické nakladatelství Praha, roč. 42 (2008), č. 3, s. 54–61. ISSN 1211–0906. Dostupné z: http://archiv.topin.cz/index.php?idx=82594&page=casopis.item/
[5] KOVERDYNSKÝ, Vít. Tepelná izolaces kapilárně vodivou tkaninou. Vytápění větrání instalace (VVI). Praha: STP, roč. 17 (2008), č. 2, s. 94–97. ISSN 1210–1389.
[6] LANGLAIS, Catherine; HYRIEN, M. & KLARSFELD, Sorïn. Influence of Moisture on Heat Transfer Through Fibrous-Insulating Materials. Online. In: Thermal Insulation, Materials and System for Energy Conservation in the 80’s. ASTM International, 1983, s. 563–581, ISBN 978-0-8031-0230-9. Dostupné z: https://www.astm.org/stp29472s.html/.
[7] KOVERDYNSKÝ, Vít. Srovnání tepelných izolací pro chladicí rozvody. Chlazení a klimatizace. Praha: ČNTL, roč. 15 (2009), č. 1, s. 24–31. ISSN 1211–1171.
[8] DUFKA, Jaroslav. Izolace potrubí studené vody v budovách (díl 1.–2.). Topenářství instalace. Praha: Topin Media, s. r. o., roč. 55 (2021), č. 7, s. 46–49, č. 8, s. 42–46, ISSN 1211–0906. Dostupné z: https://www.topin.cz/clanky/izolace-potrubi-studene-vody-v-budovach-1-cast-detail-11942, https://www.topin.cz/clanky/izolace-potrubi-studene-vody-v-budovach-2-cast-detail-12102
[9] ČSN 75 5409:2013. Vnitřní vodovody.
[10] TNI CEN/TR 16355:2013. Doporučení pro prevenci zvyšování koncentarce bakterií rodu Legionella ve vnitřních vodovodech pro rozvod vody určené k lidské spotřebě.
[11] ČSN EN 806–2:2005. Vnitřní vodovod pro rozvod vody určené k lidské spotřebě – Část 2: Navrhování.
[12] prEN 806–2. Specification for installations inside buildings conveying water intended for human consumtion – Part 2: Design.

Recenzent: Ing. Jakub Vrána, Ph.D., Ústav TZB, Fakulta stavební, VUT v Brně; člen redakční rady Topenářství instalace

---

Insufficient and Inappropriate Cold Piping Insulation in Hospital Collectors – part II.

The article focuses on the main problems related to the quality of construction projects in the HVAC professions and their implementation, especially in the field of cold water distribution. It describes how the mistakes in the design phase, the unprofessional practices of construction companies and the absence of a professional supervision could lead to serious technical problems, the reduced service life and increased repair costs. Particular attention should also be paid to errors in the installation of water meters in collectors and to inadequate thermal insulation in the metering line of pipes, which leads to condensation of air moisture and subsequent corrosion. The article draws attention to the consequences of neglecting these procedures and calls for rigorous inspection and compliance with technical standards.

Keywords: thermal insulation, cold potable water piping, condensation, corrosion, maintenance.