Starzenie się izolacji w sieciach ciepłowniczych. Porównanie właściwości wełny kamiennej i pianek PUR

W kontekście izolacji termicznej, rodzimy sektor ciepłowniczy i energetyczny najczęściej stawia na jedno z dwóch rozwiązań: maty i otuliny z wełny kamiennej bądź rurociągi preizolowane przy pomocy pianek poliuretanowych. Technologie te cechują inne parametry, niekiedy zastosowanie, ale przede wszystkim: sposób przewodzenia ciepła i starzenia się materiału. W ujęciu eksploatacyjnym ma to niebagatelne znaczenie dla zarządców i właścicieli sieci ciepłowniczych. Jak proces starzenia obu materiałów wpływa na ich skuteczność izolacji termicznej?

Aby zrozumieć sposób zachowania obu materiałów wraz z upływem czasu, w pierwszej kolejności należy przyjrzeć się, jak wełna i pianka PUR przewodzą ciepło.

Pianka PUR to materiał o strukturze komórkowej, dlatego odznacza się inną charakterystyką przepływu ciepła, niż materiały włókniste. Jako kompozyt zbudowana jest z dwóch faz: ciągłej, którą stanowią polimery poliuretanowe, oraz rozproszonej, złożonej z gazów – najczęściej cyklopentanu lub dwutlenku węgla. Przewodność cieplna tego typu izolacji niewiele przewyższa przewodność cieplną zastosowanego gazu komórkowego.

Wełna to z kolei materiał włóknisty. W jej skład wchodzą skały wulkaniczne (zazwyczaj bazalt lub gabro, anortozyt i dolomit), stanowiące zazwyczaj 96-98% jej masy. Pozostałe 2-4% składu to utwardzane spoiwo organiczne, najczęściej żywica fenolowo-formaldehydowa. Jeden metr sześcienny gotowej maty lub otuliny z wełny kamiennej składa się średnio w 95-98% ze statycznego powietrza, które naturalnie cechuje się niską przewodnością cieplną: 0,025 W/(mK).

Starzenie się pianek PUR

Izolacje piankowe zawierające gazy o niższym od powietrza współczynniku przewodzenia ciepła oraz o wyższej masie cząsteczkowej, ulegają naturalnemu starzeniu. Na skutek różnic ciśnień cząstkowych, w miejsce gazów komórkowych do pianki wnika z powietrza tlen i azot, które zwiększają przewodność cieplną wyrobu. Izolacje z pianek PUR najintensywniej starzeją się w przeciągu kilku pierwszych lat użytkowania, kiedy to proces przyspiesza na skutek gwałtownego podwyższenia temperatury pracy izolacji. Szacuje się, że współczynnik przewodzenia ciepła pianek PUR w ciągu kilku pierwszych lat eksploatacji może wzrosnąć nawet o 30%.

– Trwałość rurociągów preizolowanych, których warunki pracy wiążą się z różnymi temperaturami czynnika, szacuje się na okres 30 lat – tłumaczy Robert Kotwas, ekspert Paroc Polska. – Dyfuzja gazów komórkowych i związane z nią starzenie się materiału izolacyjnego to kwestie, które projektanci i właściciele sieci ciepłowniczych powinni uwzględnić w kontekście kosztów długofalowej eksploatacji zabezpieczanych elementów – dodaje.

Starzenie się izolacji piankowych potwierdzają wyniki testów przeprowadzonych w laboratorium Heat-Tech Center – jednostce badawczej firmy Veolia Energia Warszawa[1]. Zbadano m.in. zmiany współczynnika przewodzenia ciepła izolacji z rur preizolowanych piankami PUR spienianymi dwutlenkiem węgla i cyklopentanem (próbki w przedziale 4-15 lat). Tabela poniżej prezentuje uzyskane wartości współczynnika przewodzenia ciepła l₅₀, W/mK izolacji z rurociągów zasilającego i powrotnego, po starzeniu w warunkach naturalnych. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła w okresach wykraczających poza wiek badanych próbek wyznaczono metodą ekstrapolacji. Metoda badania została akredytowana przez Polskie Centrum Akredytacji (PCA), co potwierdza zgodność z obowiązującymi wymaganiami – w tym przypadku z normą EN 253.

Stwierdzono, że współczynnik przewodzenia ciepła wzrasta dla izolacji spienianej dwutlenkiem węgla:

• po pierwszych 5 latach pracy o 19% na zasilaniu i o 17 % na powrocie,
• od 6 do 15 lat od 0,4 do 1% rocznie,

a dla izolacji spienianej cyklopentanem:

• po pierwszych 4 latach pracy o 23% na zasilaniu i o 17 % na powrocie,
• od 5 do 11 lat o 1% rocznie.

Czy wełna kamienna ulega starzeniu?

Izolacyjność termiczna wełny kamiennej nie ulega zmniejszeniu w wyniku upływu czasu, co potwierdzają wyniki badań przeprowadzonych w Instytucie Techniki Cieplnej na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej[2]. Na potrzeby badania wykorzystano próbki izolacji pochodzących z różnych fragmentów rurociągów w różnym wieku, pobranych z Warszawskiej Sieci Ciepłowniczej. Tabela poniżej prezentuje zestawienie czasu eksploatacji poszczególnych próbek oraz zmierzonego, indywidualnego współczynnika przewodzenia ciepła. Jak można zauważyć, część najstarszych badanych próbek (prawie 40 lat eksploatacji) zachowała pierwotne, bardzo niskie współczynniki przewodzenia ciepła.

W przypadku wełny nie ma mowy o jednoznacznym trendzie uzależniającym przewodność cieplną od czasu pracy. Jak podkreślają eksperci, efekt degradacji materiału można jedynie zaobserwować w odniesieniu do właściwości wytrzymałościowych w trakcie oddziaływania warunków ekstremalnych, czego można uniknąć już na etapie projektowania izolacji.

– Analiza wykonana w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej każe przypuszczać, że największe różnice w zmierzonych wskaźnikach przewodności cieplnej dotyczyły fragmentów izolacji narażonych na zalewanie wodami gruntowymi – wyjaśnia Robert Kotwas. – Sposobem na utrzymanie przewodności cieplnej izolacji z wełny kamiennej w trakcie eksploatacji może być stosowanie rozwiązań z dodatkowym pokryciem ze wzmacnianej folii aluminiowej, takich jak otuliny z serii PAROC Wired Mat AluCoat. Jednostronne obszycie siatką z drutu stalowego ocynkowanego i folii aluminiowej dodatkowo chroni przed wnikaniem wilgoci do wnętrza izolacji – podsumowuje ekspert Paroc.

Sposób, w jaki materiały izolacyjne się starzeją oraz jak proces ten wpływa na przewodność cieplną danego materiału, to kluczowy aspekt z punktu widzenia sektora ciepłowniczego, który musi dokonywać wyborów technologii i rozwiązań w oparciu o długoletnią eksploatację i długoterminowy rachunek opłacalności. Wiedza na temat starzenia się izolacji pozwala na efektywne i ekonomicznie uzasadnione zaplanowanie nowych inwestycji czy procesów wymiany fragmentów istniejących sieci bądź izolacji.

[1] Kręcielewska E., Menard D., Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji w rurach preizolowanych po naturalnym i sztucznym starzeniu, INSTAL nr 11/2014, str. 14-20.

[2]Żarnowiecki T., Wiśniewski T., Starzenie się izolacji włóknistych stosowanych w ciepłownictwie i energetyce, INSTAL nr 12/2014, str. 21-27.