Wymagania izolacyjności cieplnej w instalacjach technicznych i przemysłowych

Obowiązujące regulacje prawne

Zmiany do rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], wprowadziły nowe wymagania dotyczące izolacji cieplnej przewodów rozdzielczych i komponentów w instalacjach centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej (w tym przewodów cyrkulacyjnych), instalacji chłodu i ogrzewania powietrznego. Wymagania te zostały wprowadzone 1 stycznia 2014 r., a obowiązujące od 1 stycznia 2021 r. kolejne zmiany w warunkach technicznych nie ustanawiają nowych, innych wymagań niż stosowane obecnie.

Nadrzędnym wymaganiem dotyczącym doboru grubości izolacji, zgodnie ze wspomnianym rozporządzeniem, jest zapis: w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi zabrania się stosowania ogrzewania parowego oraz wodnych instalacji ogrzewczych o temperaturze czynnika grzejnego przekraczającego 90°C (punkt 5, § 135 rozporządzenia).

W trakcie projektowania więc podstawowym, wyjściowym wymaganiem powinien być zapis mówiący o zapewnieniu bezpiecznej temperatury na płaszczu ochronnym izolacji: Urządzenia i instalacje pracujące z czynnikiem o temperaturze wyższej niż 60°C powinny być wyposażone w izolację termiczną tak zaprojektowaną i utrzymaną, aby temperatura zewnętrzna na jej powierzchni w miejscach dostępnych nie przekraczała 60°C.

Zapis ten znalazł się w § 33 rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 17 września 1999 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach energetycznych [2] (wymaganie to dotyczy zarówno instalacji technicznych, jak i przemysłowych). Co ciekawe, przepis ten, powszechnie stosowany, jest nieaktualny. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 marca 2013 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach energetycznych [3] uchyla bowiem rozporządzenie z dnia 17 września 1999 r. i w swojej treści nie zawiera ścisłych wymagań dotyczących temperatury na powierzchni urządzeń i instalacji.

Poniżej przedstawiono wymagania dotyczące doboru grubości izolacji cieplnej w instalacjach z rozróżnieniem na instalacje techniczne (objęte przepisami zawartymi w Warunkach Technicznych [1]) i przemysłowe.

Grubość izolacji technicznych

Dokumentem regulującym wymagania dotyczące grubości izolacji cieplnej przewodów i komponentów armatury, ogrzewania centralnego, ogrzewania powietrznego oraz instalacji wody lodowej jest tekst rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], z uwzględnieniem zmian wprowadzonych w kolejnych latach [4].

W załączniku nr 2 do rozporządzenia (TAB. 1) określono minimalne wymagane grubości dla izolacji cieplnej przewodów i komponentów przy założeniu wartości współczynnika przewodzenia ciepła na poziomie λ₄₀ = 0,035 W/(m·K). Mimo że w załączniku 2 do rozporządzenia nie ma bezpośredniego odwołania do współczynnika przewodzenia ciepła w temperaturze 40°C (czyli λ₄₀), jest tylko λ bez określonej temperatury, to zgodnie z punktem 4 § 135 rozporządzenia: Izolacja cieplna instalacji ogrzewczej wodnej powinna odpowiadać wymaganiom Polskiej Normy dotyczącej izolacji cieplnej rurociągów, armatury i urządzeń, czyli normy PN-B-02421:2000 [5]. Norma ta charakteryzuje wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału izolacyjnego w temperaturze 40°C (λ₄₀).

W razie stosowania wyrobów o innym współczynniku przewodzenia ciepła λ₄₀ niż 0,035 W/(m·K), grubość termoizolacji należy przeliczyć zgodnie z PN-B-02421:2000 [5]:

(1)

gdzie

e – grubość warstwy izolacji właściwej dla materiału izolacyjnego o λ₄₀ = 0,035 W/(m·K), [mm],

D – średnica zewnętrzna izolowanego przewodu, [mm],

λ₄₀ – wartość współczynnika przewodzenia ciepła materiału izolacyjnego w temperaturze 40°C, [W/(m·K)].

W zależność od średnicy zewnętrznej przewodu wymagana grubości izolacji o λ₄₀ = 0,035 W/(m·K) może zmieniać się od 20 mm do 100 mm.

Na rynku dostępne są izolacje techniczne różnej grubości, co pozwala na dobór odpowiedniego materiału o znanym parametrze izolacyjności. W TAB. 2, zgodnie z powyższym wzorem, zostały przedstawione zakresy wymaganej minimalnej grubości izolacji w zależności od współczynnika przewodzenia ciepła λ₄₀ zastosowanego wyrobu: (λ₄₀ = 0,025 W/(m·K) – przykładowy wyrób z poliuretanu, λ₄₀ = 0,045 W/(m·K) – przykładowy wyrób z wełny mineralnej lub pianki kauczukowej).

W izolacjach cieplnych w instalacjach centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej i technologicznej, sieciach ciepłowniczych prowadzonych w kanałach, tunelach i budynkach oraz sieciach napowietrznych o temperaturze czynnika nie większej niż 200°C stosuje się bezpośrednio PN-B-02421:2000 – minimalne grubości warstwy izolacji właściwej zostały przedstawione w odpowiednich tabelach w normie [5]. Norma ta dopuszcza zastosowanie mniejszych grubości izolacji, tj. izolacji ekonomicznie opłacalnych ustalonych w wyniku rachunku ekonomicznego inwestycji oraz w instalacjach prowadzonych w bruzdach ściennych i podłogowych. Oczywiście nasuwa się pytanie, czy te wymagania są skorelowane z wymaganiami podanymi w rozporządzeniu.

Zgodnie z załącznikiem nr 2 do rozporządzenia (TAB. 1) możemy rozważyć dwie sytuacje:

1) przewody i armatura przechodzące przez ściany lub stropy, skrzyżowania przewodów oraz przewody ogrzewania centralnego ułożone w komponentach budowlanych między ogrzewanymi pomieszczeniami różnych użytkowników, czyli w miejscach, gdzie nie ma za dużo przestrzeni na odpowiednią izolację, wymagania dotyczące minimalnej grubości izolacji cieplnej stanowią połowę grubości określonej w punktach od 1 do 4 w TAB. 1;

2) przewody i komponenty przechodzące przez miejsca, gdzie istnieje przestrzeń do odpowiedniego izolowania cieplnego, w tym nieogrzewane pomieszczenia, wymagania dotyczące minimalnej grubości izolacji cieplnej przedstawiono w punktach od 1 do 4 w TAB. 1.

W TAB. 3, TAB. 4 i TAB. 5 porównano wymagania rozporządzenia oraz specyfikacji PN-B-02421:2000.

Analizując pierwszą sytuację, czyli gdy przewody i armatura przechodzą przez ściany lub stropy, skrzyżowania przewodów oraz przewody ogrzewania centralnego ułożone w komponentach budowlanych między ogrzewanymi pomieszczeniami różnych użytkowników – można zauważyć, że istnieje obszar niespójności dotyczącej grubości izolacji (w TAB. 3, TAB. 4 i TAB. 5  zaznaczone kolorem jasnofioletowym). Zapis jednak w PN-B-02421:2000, dopuszczający zastosowanie mniejszych grubości izolacji w instalacjach prowadzonych w bruzdach ściennych i podłogowych, pozwala na zastosowanie izolacji o nieokreślonej wymaganiami normowymi grubości (co jednak wymusza stosowanie wymagań z rozporządzenia).

W drugiej sytuacji, dotyczącej instalacji nieograniczonej komponentami budowlanymi, ścianami, stropami itp., obszar braku spójności między wymaganiami rozporządzenia i PN-B-02421:2000 jest znaczny (w TAB. 3, TAB. 4 i TAB. 5 zaznaczone kolorem jasnoniebieskim).

W TAB. 6, TAB. 7 i TAB. 8 zaproponowano kompilację wymagań dotyczących grubości dla izolacji cieplnej przewodów i komponentów.

Warto zwrócić uwagę, że powyższe rozważania na temat określania grubości izolacji termicznej wykorzystują parametr izolacyjności cieplnej materiału (współczynnik przewodzenia ciepła), określony tylko w jednej temperaturze – w 40°C (λ40 [W/(m·K)]), zgodnie z PN-EN ISO 8497:1999 [6], co oczywiście nie charakteryzuje dokładnie danego materiału izolacyjnego w całym temperaturowym zakresie stosowania [7].

Instalacje przemysłowe

Wymagania dotyczące projektowania, wykonania i odbioru wykonanej izolacji ciepłochronnej i zimnochronnej, montowanej na urządzeniach i w obiektach przemysłowych oraz energetycznych – takich jak rurociągi, aparaty, zbiorniki technologiczne i magazynowe stosowane w przemyśle – zawarte są w branżowej normie PN-B-20105:2014­‑09 [8]. Dodatkowo norma ta (normatywny załącznik A), ustala dopuszczalną maksymalną temperaturę powierzchni zewnętrznej płaszcza ochronnego izolacji na poziomie 50°C, a także w zakresie określania grubości izolacji, odsyła do innego dokumentu, PN-EN ISO 12241:2010, który zawiera szczegółowe zasady obliczania właściwości wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych, związanych z przenoszeniem ciepła, przeważnie w warunkach ustalonych [9].

Oprócz szczegółowych zasad obliczania wielu parametrów istotnych przy projektowaniu instalacji przemysłowych, takich jak zmiany temperatury w rurach, naczyniach i zbiornikach, czas chłodzenia i zamarzania, wpływ mostków cieplnych oraz straty ciepła, norma przedstawia również sposób oszacowania grubości izolacji termicznej przy zakładanej, docelowej temperaturze płaszcza zewnętrznego.

W celu sprawdzenia wymagań dotyczących bezpieczeństwa związanego z temperaturą na płaszczu zewnętrznym można ją określić posługując się danymi z rozporządzenia bądź PN-B­‑02421:2000, wykorzystując zależności (2) i (3) przedstawione w PN-B-20105:2014-09:

(2)

oraz

(3)

gdzie:

q_l – liniowy strumień ciepła, [W/m],

t_medium – temperatura medium gorącego, [°C],

t_otoczenia – temperatura otoczenia, [°C],

t_zewn. – temperatura płaszcza zewnętrznego rury, [°C],

D_zewn. – średnica zewnętrzna, [m],

D_wewn. – średnica wewnętrzna rury, [m],

h_se – współczynnik przejmowania ciepła po powierzchni zewnętrznej [W/(m2·K)],

λ_izolacja – współczynnik przewodzenia ciepła izolacji w szacowanej średniej temperaturze tśrednia = tzewn. – tmedium, [W/(m·K)],

R_se – opór przejmowania ciepła po powierzchni zewnętrznej, [m2·K/W],

R_l – liniowy opór ciepła, [m·K/W].

Okazuje się, że wymagania dotyczące grubości izolacji zawarte w rozporządzeniu i PN-B-02421:2000 spełniają też te dotyczące temperatury na płaszczu zewnętrznym rury t_zewn. = 50°C. Korzystając więc z powyższych wzorów, można również oszacować wymaganą grubość izolacji, mając dane wszystkich parametrów, czyli także współczynnika przewodzenia ciepła λ_izolacja [W/(m·K)] w szacowanej średniej temperaturze pracy izolacji instalacji przemysłowej.

Deklaracja własności cieplnych materiału izolacyjnego

Przy określaniu grubości izolacji instalacji przemysłowych istotne są informacje o wartościach współczynnika przewodzenia ciepła w całym zakresie temperaturowym. Jeśli wyrób do izolacji przemysłowych jest deklarowany do temperatury np. 700°C (odpowiednia metoda określania maksymalnej temperatury stosowania wyrobu została opisana w PN-EN 14706:2013-04 [10]) w całym zakresie, czyli włącznie do 700°C, należy określić współczynnik przewodzenia ciepła w postaci deklarowanej krzywej zależności od temperatury.

Może się jednak okazać, że znalezienie odpowiednio wyposażonego i dysponującego doświadczonym personelem laboratorium do wykonania pomiarów w żądanym, szerokim zakresie temperaturowym jest dużym problemem. Laboratoria posiadające zdolności pomiarowe w wysokich temperaturach znajdują się m.in. w Niemczech (FIW, MPA-NRW), Danii (DTI, EFiC) i Francji (LNE), ale w Europie Środkowej jest tylko Laboratorium Materiałów Budowlanych "IZOLACJA" Oddział Zamiejscowy Łukasiewicz - IMBiGS w Katowicach.

Laboratorium to, dzięki wyposażeniu do pomiarów temperatury w zakresie od –160°C do 700°C dla wyrobów płaskich [7] oraz od –40°C do 600°C dla wyrobów rurowych [11], jest w stanie wyznaczyć krzywą lambdy deklarowanej – krzywą zależności współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury. Wykonania jej wymaga każda norma wyrobu do izolacji instalacji przemysłowych (pakiet norm PN-EN 14303 do PN-EN 14315) i w związku z tym jest niezbędna do wprowadzenia wyrobu na rynek (niezbędne informacje dotyczące zmienności parametru izolacyjnego od temperatury powinny być zawarte w Deklaracji własności użytkowych wyrobu). Problematyka określania deklarowanej krzywej zależności współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury została opisana w PN-EN ISO 13787:2005 [7, 12].

Podsumowanie

Projektowanie instalacji technicznych i przemysłowych wiąże się m.in. z określeniem wymaganej grubości izolacji, która ma stanowić zabezpieczenie w zakresie ochrony cieplnej. Dobór odpowiedniej grubości izolacji w instalacjach przemysłowych jest przede wszystkim związany ze spełnieniem wymagań prawnych, zawartych w przedstawionych aktach prawnych. Mimo pewnych niespójności, spełniają one wymagania dotyczące odpowiedniej temperatury na płaszczu instalacji rurowej. Innym, o wiele szerszym zagadnieniem jest opłacalność zwiększania grubości izolacji, która może być szacowana według zasad, określonych w PN-B-20105:2014-09.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU Nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami).
2. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 17 września 1999 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach energetycznych (DzU Nr 80, poz. 912).
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 marca 2013 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach energetycznych (DzU 2013, poz. 492).
4. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065).
5. PN-B-02421:2000, „Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń. Wymagania i badania odbiorcze”.
6. PN-EN ISO 8497:1999, „Izolacja cieplna. Określanie właściwości w zakresie przepływu ciepła w stanie ustalonym przez izolacje cieplne przewodów rurowych”.
7. A. Miros, „Wyroby płaskie do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych”, „IZOLACJE” 9/2012, s. 42–45.
8. PN-B-20105:2014-09, „Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Wymagania dotyczące projektowania, wykonania i odbioru robót”.
9. PN-EN ISO 12241:2010, „Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Zasady obliczania”.
10. PN-EN 14706:2013-04, „Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budowli i instalacji przemysłowych. Określanie maksymalnej temperatury stosowania”.
11. A. Miros, „Energy Efficiency of High-temperature Installations and Method of Determining Thermal Properties of Thermally Insulating Pipe Products”, „Rocznik Ochrona Środowiska” 21/2019, Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska, s. 881–983.
12. PN-EN ISO 13787:2005, „Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych. Określanie deklarowanego współczynnika przewodzenia ciepła”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!