Holger Merkel, Martin Reimers 1) Η χρήση αφρώδους εξηλασμένου πολυστυρενίου σε σύνθετα συστήματα εξωτερικής θερμομόνωσης (ETICS) Εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια Η Ευρώπη συνεχίζει να σπαταλά το 20% τουλάχιστον της ενέργειάς της, κυρίως λόγω της αναποτελεσματικής θερμομόνωσης των κτιρίων. Η οδηγία για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων (EPBD) έχει ως στόχο να μειώσει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας για τα κτίρια στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Η οδηγία EPBD θα πρέπει να έχει τεθεί σε εφαρμογή από τα κράτη μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης έως τον Ιανουάριο του 2006. Οι κανονιστικοί φορείς θα καθορίσουν τις απαιτήσεις για την εξοικονόμηση ενέργειας. Στα μέτρα για την περαιτέρω βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τόσο οι κλιματολογικές όσο και οι τοπικές συνθήκες, το κλιματικό περιβάλλον στο εσωτερικό των κτιρίων και η σχέση κόστους/αποτελεσματικότητας. [1] Το πιο αποδοτικό μέτρο σε σχέση με το προκύπτον κόστος για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών CO 2 είναι η θερμομόνωση των κτιρίων, μια μέθοδος που βελτιώνει επίσης την ποιότητα της ατμόσφαιρας στον εσωτερικό χώρο και επιτρέπει την άνετη διαβίωση. Η θερμομόνωση επηρεάζει σημαντικά την ανθεκτικότητα ενός κτιρίου, εφόσον περιορίζει τη γήρανση της κατασκευής από τη θερμότητα και την υγρασία. 2. Αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο XPS Το αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά θερμομονωτικά προϊόντα. Το XPS παράγεται μέσω της διαδικασίας συνεχούς εξέλασης: κόκκοι πολυστυρενίου χωρίς διογκωτικά τήκονται σε εξηλαστήρα, ενώ το διογκωτικό μέσο εγχύεται υπό συνθήκες υψηλής πίεσης στο εσωτερικό του εξηλαστήρα, όπου και διαλύεται μέσα στο τήγμα πολυστυρενίου. Το τήγμα με το διογκωτικό μέσο εξέρχεται από τον εξηλαστήρα μέσω ενός επίπεδου καλουπιού διαμόρφωσης. Η διόγκωση του μέσου προκαλεί την αφροποίηση του πολυστυρενίου μέσα σε μια πλάκα διαμόρφωσης με ομοιογενή δομή κλειστών κυψελών. Τα διογκωτικά μέσα που χρησιμοποιούνται δεν περιέχουν χλωροφθοράνθρακες (CFC) ή υδροχλωροφθοράνθρακες (HCFC). Οι διάφοροι τύποι επίπεδου καλουπιού επιτρέπουν ένα πάχος πλάκας από 20 mm έως 200 mm. Αφού η πλάκα περάσει μέσα από τη ζώνη ψύξης, τα άκρα της διαμορφώνονται μέσω κοπής. Η μαλακή αφρώδης «επιδερμίδα» που προκύπτει από τη διαδικασία εξέλασης διατηρείται πάνω στις πλάκες ή αφαιρείται μηχανικά (πλανάρεται) για την κατασκευή πλακών ειδικού τύπου με βελτιωμένη αντοχή πρόσφυσης, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό, για παράδειγμα, με σκυρόδεμα, κονίαμα ή δομικές συγκολλητικές ουσίες.
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1) Δρ Holger Merkel, Επικεφαλής TS&D Dow Building Solutions Μέλος CEN TC88, WG18 External Insulation Composite systems, Πρόεδρος Τεχνικής Επιτροπής EXIBA (Ευρωπαϊκός οργανισμός για το XPS) Διπλ. μηχ. Martin Reimers, Μηχανικός ανάπτυξης Dow Building Solutions, Μέλος CEN TC88, WG 19. Το αφρώδες XPS αποτελεί ένα τυποποιημένο μονωτικό προϊόν, το οποίο συμμορφώνεται με το εναρμονισμένο ευρωπαϊκό πρότυπο προϊόντων EN 13164 [2]. Τα μονωτικά προϊόντα από αφρώδες XPS χαρακτηρίζονται από την καθολική δομή κλειστών κυψελών. Εικ. 1 Τυπική δομή κλειστών κυψελών XPS (Φωτογραφία: Dow Building Solutions) Αντίθετα, στο άκαμπτο αφρώδες διογκωμένο πολυστυρένιο (EPS), μόνο τα αφρώδη σωματίδια επιδεικνύουν τη δομή κλειστών κυψελών. Μεταξύ αυτών των σωματιδίων υπάρχουν κοιλότητες, το μέγεθος των οποίων εξαρτάται κατά μεγάλο βαθμό από την πυκνότητα του αφρού και την ποιότητα παραγωγής. Οι πλάκες εξηλασμένου πολυστυρενίου, όπως το STYROFOAM, δεν περιέχουν τριχοειδή. Αυτό είναι σημαντικό, κυρίως στην περίπτωση εξωτερικών τοιχωμάτων που είναι κοντά στο επίπεδο του εδάφους. Το νερό δεν μπορεί να διαπεράσει το γύψο και να κυκλοφορήσει μέσα στον αφρό. Τα χαρακτηριστικά υδατοαπορρόφησης εμφανίζονται στον Πίνακα 1. Χαρακτηριστικά υδατοαπορρόφησης Πάχος [mm] Οριακή τιμή [Vol-%] Κωδικός EN (EN 13164) με διάχυση 50 3,0 WD(V)3 με διάχυση 100 1,5 WD(V)3 με διάχυση 200 0,5 WD(V)3 ύστερα από ψύξηαπόψυξη 40 200 1,0 FT2
με πλήρη εμβάπτιση 40-200 0,7 WL(T)0.7 Πίν ακας 1: Απαιτήσεις για τα μονωτικά υλικά XPS αναφορικά με την υδατοαπορρόφηση και σε συμμόρφωση με το πρότυπο EN 13164 Η ομοιογενής δομή του XPS επιτρέπει την υψηλότερη αντοχή στον εφελκυσμό, κάθετα στην επιφάνεια της πλάκας, σε σύγκριση με άλλα μονωτικά προϊόντα που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ETICS. Επιπλέον, το XPS επιδεικνύει υψηλή αντίσταση σε ελκτικές δυνάμεις μέσω μηχανικής στερέωσης. Αυτές οι ιδιότητες είναι σημαντικές για την αντίσταση των συστημάτων ETICS έναντι του φορτίου ανέμου. Ένα τόσο στιβαρό προϊόν XPS όπως το STYROFOAM είναι ιδανικό για χρήση κάτω από σκληρές συνθήκες, όπως σε ένα εργοτάξιο. Το εξηλασμένο πολυστυρένιο είναι θερμοπλαστικό υλικό όπως το EPS και για το λόγο αυτό επιδεικνύει παρόμοια διαστατική σταθερότητα σε μεταβολές της θερμοκρασίας. Τα μονωτικά προϊόντα από XPS επιδεικνύουν ιξωδοελαστική συμπεριφορά και, χάρη στην ομοιόμορφη αφρώδη δομή και την ευκαμψία τους, μπορούν ακόμα και να απορροφήσουν τις δυνάμεις κάμψης χωρίς κανένα πρόβλημα. Κατά τη διάρκεια της εργοστασιακής παραγωγής, προϊόντα όπως το STYROFOAM TM IB-A υποβάλλονται σε συνεχή έλεγχο των ιδιοτήτω ν τους. Σε ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες, για παράδειγμα στη Γαλλία και τη Γερμανία, οι σχετικές ιδιότητες του προϊόντος με την εφαρμογή πιστοποιούνται από ανεξάρτητους οργανισμούς (κοινοποιημένους φορείς). Έτσι, διασφαλίζεται η υψηλή ποιότητα του STYROFOAM και η συμμόρφωσή του με το ευρωπαϊκό πρότυπο προϊόντων. Απαιτήσεις για τα μονωτικά προϊόντα στα συστήματα ETICS Οι απαιτήσεις για τα συστήματα ETICS καθορίζονται στην κατευθυντήρια οδηγία για την ευρωπαϊκή τεχνική έγκριση ETAG 004 [3]. Η παρούσα κατευθυντήρια οδηγία αναφέρει επίσης τις απαιτήσεις για το μονωτικό συστατικό του συστήματος. Αυτές σχετίζονται με τα ακόλουθα: συμπεριφορά στη φωτιά υδατοαπορρόφηση διαπερατότητα υδρατμών αντοχή σε εφελκυσμό διατμητική αντοχή θερμική αντίσταση Ένα προϊόν από XPS όπως το STYROFOAM, με βάση τη συμπεριφορά του απέναντι στη φωτιά, εντάσσεται στην κατηγορία E, σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο EN 13501-1. Η υδατοαπορρόφηση με μερική εμβάπτιση δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 1kg/m² μετά από 24 ώρες. Η τιμή καθορίστηκε κατά τρόπο που να καλύπτει και τα προϊόντα ορυκτοβάμβακα και EPS. Σε προϊόν XPS τύπου STYROFOAM η τιμή προσεγγίζει το μηδέν. Η τιμή µ (συντελεστής αντίστασης σε διάχυση υδρατμών) θα πρέπει να αναγράφεται στην ευρωπαϊκή τεχνική έγκριση ETA. Ωστόσο, δεν υπάρχει κάποια απαίτηση για
ειδική τιμή µ της μόνωσης. Αυτό είναι προφανές, εφόσον η συμπεριφορά του τοιχώματος απέναντι στη διακίνηση των υδρατμών και την υγρασία καθορίζεται από τη συνολική κατασκευή που περιλαμβάνει όλα τα στρώματα, καθώς και από τις εσωτερικές και εξωτερικές κλιματολογικές συνθήκες. Η αντοχή σε εφελκυσμό θα πρέπει να αναγράφεται στην ευρωπαϊκή τεχνική έγκριση ΕΤΑ. Η ελάχιστη αντοχή σε εφελκυσμό θα πρέπει να είναι 80kPa. Για ένα προϊόν XPS, τύπου STYROFOAM, η δηλωμένη αντοχή σε εφελκυσμό, κάθετα στην επιφάνεια, είναι μεγαλύτερη από 100kPa. Οι πραγματικές τιμές κυμαίνονται μεταξύ 400kPa και 500kPa. Η διατμητική αντοχή είναι κατά πολύ υψηλότερη από την απαιτούμενη ίση ή μεγαλύτερη τιμή των 0,02 N/mm² (20kPa). Οι πραγματικές τιμές κυμαίνονται στα 0,20 N/mm² περίπου, γεγονός που εγγυάται σημαντική μηχανική ασφάλεια. Η διατμητική αντοχή σχετίζεται άμεσα με τη μηχανική αντίσταση συνδεδεμένων συστημάτων, εφόσον θα πρέπει να επιτυγχάνεται η υποστήριξη του μόνιμου φορτίου του συστήματος. Για τις εφαρμογές ETICS, η επιφάνεια των πλακών XPS πρέπει να πλανάρεται, όπως γίνεται στο προϊόν STYROFOAM IB-A, για να διασφαλίζεται η επαρκής αντοχή της συγκόλλησης μεταξύ εξωτερικού επιχρίσματος και μόνωσης στον εφελκυσμό. Προϊόντα με επιφάνεια απαλής «επιδερμίδας» δεν κρίνονται κατάλληλα. Η θερμική αγωγιμότητα των πλακών XPS είναι αρκετά χαμηλή, ώστε να πληρούνται οι απαιτήσεις για την εξοικονόμηση ενέργειας. Η αναγνωρισμένη θερμική αγωγιμότητα ενός προϊόντος όπως το STYROFOAM IB-A, σύμφωνα με το EN 13164, είναι 0,035 W /(mk) για πάχη μέχρι και 80mm. Η υγροθερμική απόδοση των συστημάτων ETICS με XPS (όπως το Kelyfos) ελέγχθηκε επανειλημμένα σύμφωνα με την κατευθυντήρια οδηγία ETAG 004. Οι συνθήκες της δοκιμασίας περιελάμβαναν κύκλους ζέστης και βροχής, καθώς και κύκλους ψύξης-απόψυξης. Ολόκληρο το σύστημα υποβάλλεται σε σημαντικές καταπονήσεις, οι οποίες προκαλούνται από τις μεταβολές στη θερμοκρασία και την υγρασία. Μετά τη διαδικασία της υγροθερμικής γήρανσης, δεν θα πρέπει να υπάρχουν φουσκάλες στην επιφάνεια του συστήματος, αποκόλληση του αρχικού στρώματος ή ρωγμές κατά μήκος των αρμών ανάμεσα στις μονωτικές πλάκες. Τα συστήματα ETICS με STYROFOAM υποβλήθηκαν με επιτυχία στη διαδικασία γήρανσης. Για το λόγο αυτό, τα συστήματα έλαβαν ευρωπαϊκές τεχνικές εγκρίσεις από αρκετούς εθνικούς κανονιστικούς φορείς. 4. Εφαρμογή του XPS σε συστήματα ETICS Φυσική και τεχνολογία κτιριακών εγκαταστάσεων Οι εμπειρίες από τη μακρόχρονη χρήση του XPS σε εφαρμογές εξωτερικής επίχρισης είναι θετικές. Τα τελευταία 20 με 30 χρόνια καλύφτηκαν χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα στην Ευρώπη. Τα προϊόντα χρησιμοποιούνται σε:
Συστήματα ETICS, π.χ. σε Ολλανδία, Ελβετία, Ιταλία, Ισπανία Εικ. 2: Συστήματα ETICS για οικείες με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας στην Ελβετία (Φωτογραφία: Dow Building Solutions) τη μόνωση θερμικών γεφυρών π.χ. σε Γερμανία, Αυστρία, Ελβετία Εικ. 3: τυπικό παράδειγμα μόνωσης θερμικών γεφυρών, όπου καλύπτεται επίσης μεγάλη έκταση του τοίχου (Φωτογραφία: Dow Building Solutions)
μόνωση περιοχής τοίχου πάνω από το επίπεδο του εδάφους, π.χ. Αυστρία, Ελβετία Εικ. 4: τυπικό παράδειγμα εφαρμογής XPS σε περιοχές του τοίχου πάνω από το έδαφος, όπου απαιτείται η απουσία τριχοειδών φαινόμενων και η υψηλή αντοχή σε κρούση (Φωτογραφία: Dow Building Solutions) Στο πλαίσιο της φυσικής κτιριακών εγκαταστάσεων, η εξωτερική θερμομόνωση είναι η προτιμώμενη λύση για τη μόνωση της τοιχοποιίας. Το πρόβλημα των θερμικών γεφυρών μπορεί να λυθεί εύκολα. Δεν χρειάζεται κάποιο σύστημα επιβράδυνσης (φράγμα) των υδρατμών όπως στις εφαρμογές εσωτερικής θερμομόνωσης. Η αντίσταση στους υδρατμούς μειώνεται από το εσωτερικό προς το εξωτερικό της κατασκευής. Αυτό σημαίνει ότι όσο πιο ελεύθερη είναι η διάχυση των υδρατμών, τόσο πιο έξω βρίσκεται το στρώμα της κατασκευής. Οι υδρατμοί δεν παγιδεύονται στο εξωτερικό στρώμα του τοίχου. Δεν υπάρχει κίνδυνος συμπύκνωσης στο διάκενο. Υπό αυτήν την έννοια, ο τοίχος μπορεί να «αναπνέει», αν κι αυτός ο όρος δεν έχει κανένα νόημα στη φυσική κτιριακών εγκαταστάσεων και απορρίφτηκε από τους κορυφαίους ειδικούς στην Ευρώπη. Δυστυχώς, ο μύθος του «τοίχου που αναπνέει» συνεχίζει να χρησιμοποιείται στην εμπορική επιχειρηματολογία. Η υγροθερμική απόδοση της μόνωσης XPS σε συστήματα ETICS εκτιμήθηκε με υπολογισμό σε κατασκευές διαφόρων τύπων, όπως παρουσιάζεται στο ακόλουθο γράφημα. Οι υπολογισμοί εκτελέστηκαν χρησιμοποιώντας την ευρέως αποδεκτή μέθοδο GLASER.
εσωτερικό εξωτερικό Εικ.5 Ο τοίχος από τούβλο με σύστημα ETICS όπως το Kelyfos [4] δεν εμφανίζει συμπύκνωση στο διάκενο σε όλη τη διατομή κάτω από χειμερινές συνθήκες. Σε θερμά κλίματα, η θερινή περίπτωση μελέτης μπορεί να είναι πιο ενδεικτική. Με υποτιθέμενη εξωτερική θερμοκρασία 35 C και σχετική υγρασία στην εξωτερική ατμόσφαιρα 65%, δεν υπάρχει συμπύκνωση σε όλη τη διατομή του τοίχου. Υπάρχει διαφορά σε σύγκριση με τα υπόλοιπα μονωτικά προϊόντα που χρησιμοποιήθηκαν στο σύστημα ETICS. Στην περίπτωση του EPS, ο υπολογισμός δείχνει συμπύκνωση στο εσωτερικό του συστήματος κάτω από τις ίδιες οριακές συνθήκες. εξωτερικό εσωτερικό
Εικ. 6 Υπολογισμένη υγροθερμική απόδοση του ETICS με XPS (STYROFOAM) σε θερμό κλίμα (κλίμα εσωτερικού χώρου με κλιματισμό), κανένας κίνδυνος συμπύκνωσης εξωτερικό εσωτερικό Εικ. 7 Υπολογισμένη υγροθερμική απόδοση του ETICS με EPS σε θερμό κλίμα, συμπύκνωση στο διάκενο μεταξύ μόνωσης και τοίχου Το αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο δεν περιέχει τριχοειδή λόγω της δομής κλειστών κυψελών. Για το λόγο αυτό, δεν συντελείται τριχοειδής μεταφορά της υγρασίας μέσω του αφρού. Συνεπώς, η υγρασία, που απορροφήθηκε από το εξωτερικό επίχρισμα κατά την περίοδο βροχών, δεν διεισδύει στο εσωτερικό του συστήματος. Η υγρασία θα στεγνώσει παραμένοντας στο εξωτερικό. Η βελτιωμένη αντίσταση του XPS στην υγρασία, σε σύγκριση με άλλα μονωτικά υλικά, είναι ιδιαίτερα σημαντική σε περιπτώσεις όπου το ETICS συνδέεται με άλλα δομικά μέρη του κτιρίου, ειδικά στην περίπτωση σημείων ακριβώς πάνω από το έδαφος. Η υγρασία από το έδαφος δεν μπορεί να διεισδύσει από το εξωτερικό επίχρισμα μέσα στη μόνωση. Σύνοψη Το αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο (XPS) είναι ένα τυποποιημένο μονωτικό προϊόν σύμφωνο προς το πρότυπο EN 13164 και χρησιμοποιείται ευρέως και με επιτυχία σε αρκετές χώρες, σε εφαρμογές εξωτερικής επίχρισης, εδώ και δεκαετίες. Για το XPS έχουν εκδοθεί αρκετές ευρωπαϊκές τεχνικές εγκρίσεις, κυρίως για συστήματα ETICS με βάση το STYROFOAM. Mία από αυτές είναι και το σύστημα Kelyfos. Αυτή τη στιγμή αναπτύσσεται ένα εναρμονισμένο ευρωπαϊκό πρότυπο για την εφαρμογή του XPS σε συστήματα ETICS. Τα βασικά πλεονεκτήματα χρήσης του XPS σε συστήματα ETICS, είναι:
υψηλή αντίσταση στο νερό καθολική δομή κλειστών κυψελών του αφρού, δεν υπάρχουν τριχοειδή ούτε κενά μεταξύ των κυψελών υψηλή διατμητική αντοχή, ώστε να υποστηρίζεται το μόνιμο φορτίο του συστήματος υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό υψηλή αντοχή σε κρούση αποτελεσματικές επιδόσεις ενάντια στη διακίνηση των υδρατμών, ώστε να αποφεύγεται ο κίνδυνος συμπύκνωσης τόσο σε ήπια, όσο και σε θερμά κλίματα Για τους παραπάνω λόγους, το αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο που κατασκευάζεται και ελέγχεται εξωτερικά, σύμφωνα με το EN 13164, όπως το STYROFOAM, ενδείκνυται για χρήση ως μονωτικό συστατικό σε συστήματα ETICS. Βιβλιογραφία [1] Οδηγία 2002/91 ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων, Επίσημη Εφημερίδα των ευρωπαϊκών κοινοτήτων 4.1.2003 [2] EN 13164:2001: Προϊόντα θερμομόνωσης για κτίρια Εργοστασιακά προϊόντα αφρώδους εξηλασμένου πολυστυρενίου (XPS) Προδιαγραφές [3] ETAG004: Κατευθυντήρια οδηγία για σύνθετα συστήματα εξωτερικής θερμομόνωσης με επίχρισμα, EOTA, Βρυξέλλες, Μάρτιος 2000 [4] ETA-06/0252 : Σύστημα θερμικής προστασίας KELYFOS, Deutsches Institut für Bautechnik, Βερολίνο 2006, Γερμανία Εμπορικό σήμα της εταιρείας Dow Chemical ( DOW ) ή οποιασδήποτε θυγατρικής εταιρείας της DOW.