Popularność płyt warstwowych w polskich realiach
EKSPERT BUDOWLANY 03/2019
JACEK ŁAZUKA
WSTĘP
Polska znajduje się w strefie klimatu umiarkowanego. Niestety tylko z nazwy. Dla materiałów budowlanych polskie warunki klimatyczne są dość drastycznym poligonem doświadczalnym, który wystawia je na ekstremalne testy i nie wybacza błędów. Ten aspekt i wynikająca z niego bezpośrednio trwałość pianek poliuretanowych niewątpliwie jest zasadniczym powodem wzrostu zainteresowania rozwiązaniami wykorzystującymi rdzenie poliuretanowe (PUR/PIR) kosztem wełny mineralnej (WM) i styropianu (EPS).
Według danych z 2015 roku w Polsce rynek płyt warstwowych podzielony był następująco: płyty z rdzeniem styropianowym EPS – 20%, płyty z rdzeniem z wełny mineralnej – 8%, płyty z rdzeniem PUR/PIR – 72%. Statystyki z 2018 roku ujawniają już inne proporcje: płyty z rdzeniem styropianowym EPS – 5%, płyty z rdzeniem z wełny mineralnej – 15%, płyty z rdzeniem PUR/PIR – 80%.
Dane te świadczą o dynamicznym wzroście popularności płyt z rdzeniem PUR/PIR. W jakimś zakresie może być to wynikiem polityki sprzedażowej przedmiotowych firm, niemniej można z dużym prawdopodobieństwem założyć, że jest odzwierciedleniem tendencji rynkowych.
W grupie rdzeni poliuretanowych standardem staje się poliizocyjanurat PIR kosztem PUR. W aspekcie termoizolacyjności PUR i PIR są materiałami praktycznie zamiennymi o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,021–0,024 W/(m·K), tj. około 70–80% lepszymi od EPS i WM, jednak tendencja zamiany PUR na PIR jest właściwa z wielu względów. Najważniejszym z nich jest zdecydowanie wyższa klasa odporności ogniowej i reakcji na ogień PIR. W przypadku klasycznego poliuretanu PUR wskutek działania ognia zniszczenie łańcuchów chemicznych następuje w ok. +200°C, PIR natomiast ma tę granicę przesuniętą do wartości ok. +300°C. Ponadto PIR wskutek oddziaływania ognia tworzy sztywną, zwartą zwęglinę, która izoluje wnętrze rdzenia przed dalszą penetracją płomieni i wysokiej temperatury, poprawiając tym samym nośność (R), szczelność (E) i izolacyjność ogniową (I) płyty warstwowej. Płyty warstwowe z rdzeniem PIR osiągają klasę odporności ogniowej EI60 (dla płyt dachowych REI30). W praktyce oznacza to wydłużenie bezpiecznego czasu ewakuacji z płonącego budynku. Istotne jest, że 30-minutowa klasa odporności ogniowej dla płyt dachowych (REI30) stanowi górny pułap wymagań określonych w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, dotyczących przekryć dachowych. Z wyjątkiem zatem obiektów niestandardowych, wymagających wyższej niż 30-minutowa klasy odporności ogniowej, płyty warstwowe z rdzeniem PIR stanowią właściwe rozwiązanie dla blisko 100% projektowanych przekryć dachowych.
Płyty warstwowe z rdzeniem PIR mają najwyższą wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie. Stanowi to o ich daleko wyższej stabilności parametrów izolacyjnych i stałości parametrów użytkowych. W kwestii parametrów mechanicznych nie zauważa się mierzalnych czy też istotnych różnic pomiędzy płytami z rdzeniem PUR i PIR. O wiele istotniejsza jest homogeniczność tych pianek. Reżim technologiczny jest jednak istotny także dla płyt z EPS i WM. Rdzenie wełniane i styropianowe są bowiem klejone do okładzin stalowych, zatem również wymagają sezonowania poprodukcyjnego w odpowiednich warunkach termicznych. Brak tego etapu procesu produkcji może skutkować niewłaściwym usieciowaniem kleju, znaczną utratą przyczepności rdzenia do okładziny stalowej i tym samym brakiem deklarowanych parametrów wytrzymałości mechanicznej.
Pod względem kosztów należy rozpatrywać wszystkie rodzaje płyt warstwowych, uwzględniając całościowy koszt realizacyjny. Porównując równoważne termicznie płyty warstwowe PIR, WM i EPS, należy zwrócić uwagę, że płyty WM i EPS, które są termicznie niemal równoważne, aby odpowiadać tym samym wytycznym projektowym, muszą być grubsze od analogicznych płyt PIR o ok. 70%. W zależności od wielkości inwestycji przekłada się to na odpowiednio większe lub znacznie większe koszty transportu, rozładunku, transportu pionowego i kosztów montażu – przy takich dysproporcjach grubości koszt wkrętów do płyt WM czy EPS może być nawet 3-krotnie większy. Inną ważną konsekwencją doboru rdzenia płyt warstwowych jest także ich ciężar. O ile waga płyt dachowych z rdzeniem PIR (125 mm, 12 kg/m2) jest zbliżona do płyt z EPS (210 mm, 12 kg/m2), o tyle waga płyt z rdzeniem WM (210 mm, 27,5 kg/ m2) może stwarzać już utrudnienia konstrukcyjne, logistyczne i montażowe, po pierwsze, wymagając specjalistycznego sprzętu (np. trawersów lub dźwigów o innych parametrach), a po drugie, znajdując swoje odzwierciedlenie w przekrojach konstrukcji pierwszo i drugorzędowej, stóp lub ław fundamentowych, ilości robót ziemnych etc.
Oddając sprawiedliwość rozwiązaniom z rdzeniem z WM, należy zestawić je z pozostałymi pod kątem izolacyjności akustycznej. Płyty warstwowe z rdzeniem z WM osiągają współczynnik Rw > 32 dB, podczas gdy płyty z PIR i EPS osiągają analogicznie Rw > 25–26 dB. Może się zatem okazać, że w konkretnym przypadku potrzeby wyizolowania akustycznego wnętrza obiektu zastosowanie płyt z rdzeniem WM będzie optymalne pod kątem izolacyjności akustycznej bez konieczności stosowania dodatkowych warstw akustycznych.
Pomimo zdecydowanej przewagi udziałów rynkowych płyt z rdzeniem PIR i różnic w parametrach technicznych, zdecydowanie należy unikać kategorycznych stwierdzeń, że dany rodzaj płyt warstwowych jest najlepszy w sensie obiektywnym. W aspekcie odporności ogniowej liderem zawsze będą oczywiście rozwiązania z rdzeniem WM (EI240, REI180), dalej plasują się płyty z rdzeniem PIR (EI60, REI30), a najsłabiej wypadają te z rdzeniem EPS (E60, RE30), jednak należy je analizować w powiązaniu z klasą odporności pożarowej obiektu i jego przeznaczeniem.
Innymi słowy – rozwiązanie optymalne musi być wynikiem szerszej perspektywy. Jeżeli obiekt musi odznaczać się jednocześnie wysokimi parametrami ogniowymi i akustycznymi, optymalnym rozwiązaniem będą płyty z rdzeniem z WM, jednak w przypadku, gdy priorytetowo traktowana będzie trwałość, izolacyjność termiczna, a odporność ogniowa w standardowym, wymaganym ustawą zakresie, właściwe będzie zastosowanie płyt z rdzeniem PIR. Płyty warstwowe z rdzeniem EPS nadal uważane są za rozwiązanie ekonomiczne, jednak znane są już sytuacje, gdy płyty PIR w grubości równoważnej termicznie były rozwiązaniem tańszym zarówno w zakupie, jak i całościowej realizacji.
JAK POWSTAŁY PŁYTY WARSTWOWE?
Do pomysłu zamknięcia spienionego poliuretanu w stalowe okładziny przyznaje się wielu. Trudno powiedzieć kto był prekursorem tej technologii. Pierwszymi podobnymi elementami konstrukcyjnymi zajmowali się już w latach 30. XX wieku Amerykanie w Laboratorium
Produktów Leśnych (FPL) w Madison, Wisconsin w Stanach Zjednoczonych. To oni odkryli, że badane przez nich wielowarstwowe panele z poszyciem ze sklejki i płyty pilśniowej mogą być z powodzeniem wykorzystywane jako element konstrukcyjny ścian, dachów czy podłóg konstrukcji szkieletowych z betonu i stali. To tak popularne w tamtejszym budownictwie do dziś SIP – Structural Insulated Panels (panel z izolacją strukturalną). Pierwszy komercyjny SIP został wyprodukowany przez firmę Dow w 1952 roku.
Z biegiem czasu konstrukcja tych elementów zmieniała się i udoskonalała zarówno jeśli chodzi o poszycie, jak i wypełnienie materiałem termoizolacyjnym.
Mniej więcej od lat 60. XX wieku popularne stały się elementy podobnie zbudowane, ale zamiast okładzin z materiałów drewnopochodnych (dziś głównie płyt OSB) powszechnie stosowane były okładziny metalowe (profilowane blachy), głównie stalowe, ale także aluminiowe. Technologia dość szybko dotarła do Polski i już w latach 1974–1975 uruchomione zostały pierwsze linie produkcyjne do wytwarzania tych produktów. To „płyta obornicka” (PW8/B). Są pierwsze w naszym kraju płyty typu sandwich (sandwich panel).
Warstwy termoizolacyjne w płytach warstwowych konstruowane są głównie z trzech materiałów: wełny mineralnej (skalnej), spienionego polistyrenu (styropian, EPS) lub spienionego poliuretanu (PUR, PIR). Rzadziej stosowany jest styropian ekstrudowany (XPS), pianki fenolowe rezolowe (PF) lub szkło piankowe (CS).
Korzyści płynące z takiego połączenia materiałów są nie do przecenienia, szczególnie w przypadku płyt warstwowych wypełnionych spienionym poliuretanem w okładzinach z blachy stalowej. To właśnie w przypadku tego produktu możemy mówić o tej niezwykłej synergii, będącej wynikiem współdziałania obu materiałów (stali i poliuretanu).
Stalowa blacha to materiał o naturalnej elastyczności, wytrzymałości na naprężenia, o dużej swobodzie w wymiarowaniu płaszczyzn, a także znacznej odporności na uderzenia. Metalowa okładzina jest nieprzeniknioną barierą dla wody i wszelkiego rodzaju gazów, pyroforów, w tym dla najbardziej niebezpiecznego w budownictwie gazu, jakim jest para wodna. Ważną zaletą stali jest również niepalność.
Najistotniejszymi cechami spienionych poliuretanów są natomiast ich znakomite właściwości termoizolacyjne (λ ≈ 0,022 W/(m·K)). Na współczesnym rynku budowlanym nie mają praktycznie konkurencji. Dodatkowo ich właściwości mechaniczne mogą być kształtowane w bardzo szerokim zakresie, odpowiednio do konkretnego problemu. Niezwykle istotnym atutem poliuretanu jest także mała gęstość tworzywa (≈ 32 kg/m3)), a więc ułatwiający pracę niewielki ciężar. Spieniony poliuretan (PUR, PIR) jest praktycznie nienasiąkliwy (max 2%), a zmiany właściwości termoizolacyjnych w razie kontaktu z wodą są minimalne. Zwiększenie przewodności cieplnej sztywnej pianki poliuretanowej po 28 dniach zanurzenia w wodzie jest znikome i wynosi ok. 0,0018 W/(m·K)). Dodając do tego niezwykłą odporność na działanie grzybów, glonów, a także gryzoni (np. kun) można twierdzić, że trwałość elementów użytych w konstrukcji typowego budynku jest w większości wyższa niż trwałość samej budowli.
W kontekście doboru materiału termoizolacyjnego, warto wspomnieć także o globalnych efektach ekologicznych, tj. jego produkcji, żywotności itp. Jeśli chodzi o poliuretan, to udział energii potrzebnej do jego wyprodukowania w porównaniu z uzyskanymi, realnymi oszczędnościami po jego instalacji w całym okresie eksploatacji, jest najkorzystniejszy i nie stanowi nawet 1/100 tych oszczędności. Takiego poziomu efektywności nie osiąga żaden z popularnych na rynku materiałów izolacyjnych.
JAK POWSTAŁY PŁYTY WARSTWOWE?
Złóżmy teraz nasze półprodukty razem. Co otrzymamy w wyniku takich technologicznych działań? Z połączenia opisanych wyżej materiałów powstała płyta warstwowa z metalową okładziną z blachy (najczęściej) stalowej (0,4–0,7 mm) i wypełnieniem ze spienionego poliuretanu (najczęściej PIR-u). Dzięki odpowiednio profilowanej blasze (35–45 mm) i trwałemu połączeniu z nią wypełniającej wnętrze panelu warstwie spienionego poliuretanu otrzymuje się produkt o niezwykłych właściwościach mechanicznych. Panel zdolny jest bowiem przenosić takie naprężenia, że można go stosować nawet jako element samonośny, bez niebezpieczeństwa zniszczenia czy nawet nieodwracalnego odkształcenia, np. w konstrukcjach dachów.
Dobór ściennych płyt warstwowych determinowany jest jeszcze innymi właściwościami, takimi jak np. ochrona przed hałasem (dźwiękami powietrznymi i uderzeniowymi), trwałość, odporność ogniowa, odporność korozyjna, przepuszczalność powietrza, szczelność na wodę opadową, kolorystyka, poziom albedo powierzchni, forma przetłoczeń i wiele innych indywidualnych parametrów. Najważniejsze są jednak właściwości termoizolacyjne, efektywność energetyczna, oszczędność energii i ochrona cieplna.
NAJPROSTSZE STUDIUM PRZYPADKU
Aby nieco przybliżyć problem, spróbujmy wykonać, oczywiście w dużym przybliżeniu, ale w miarę realnie, szacunek oszczędności przeliczony np. na zaoszczędzony zapas węgla czy drewna do ogrzania budynku. Załóżmy, że konstruujemy dom, bungalow o powierzchni ok. 100 m2. Dla prostszego rachunku niech będzie to 10×10 m, zaś wysokość ścian 3 m. W sumie da to powierzchnię ścian 4×10×3≈120 m2. Dodajmy do tego dach 100 m2 i dla prostoty szacunków odejmijmy 20 m2 na drzwi i okna. Razem daje to powierzchnię ≈ 300 m2. Załóżmy, że dom budujemy z płyty warstwowej o grubości 11–12 cm. Da nam to wtedy rozsądny współczynnik przenikania ciepła U na poziomie ≈ 0,20 W/(m2·K). Przyjmijmy wartość zawartości energii odniesiony do 1 m2 takiej termoizolacji na poziomie ≈ 332–361 ≈ 350 MJ/m2 (źródło: Hammond, G i Jones, C, 2008, Invertory of carbon and Energy, ICE, Wersja 1.6 a). Można także założyć, za tymi samymi autorami, ponad (minimum) 100-krotny zysk energetyczny płynący z oszczędzonej energii odniesionej do 1 m2 konstrukcji w całkowitym czasie jej eksploatacji w stosunku do włożonej w produkcję energii. Oznacza to oszczędność energii na poziomie 300 m2×350 MJ/m2×100 ≈ 10 500 000 MJ energii. Przyjmijmy, za publikowanymi danymi, kaloryczność średniej klasy węgla na poziomie 25 MJ/kg lub suchego drewna ok. 18 MJ/kg. Dzieląc oszacowane oszczędności przez kaloryczność tych dwóch nośników, otrzymujemy interesujący, a dla niektórych nawet szokujący wynik, który mówi, że oszczędności płynące z instalacji efektywnych płyt z rdzeniem poliuretanowym to ekwiwalent 10 500 000 MJ/25 MJ/kg = 4200 kg = 420 tony węgla lub prawie 600 ton suchego drewna. Tyle paliwa mniej puścilibyśmy z dymem oczywiście z wszystkimi przebogatymi ekologicznymi konsekwencjami. Jest zatem temat do przemyśleń.
To już nie tylko teoria, ale rzeczywistość codziennej praktyki budowlanej. Inwestorzy przekonali się bowiem, że koszty inwestycyjne z zastosowaniem płyt warstwowych (wartość materiałów i robocizny) są znacznie niższe niż realizacji budynku w tradycyjnym stylu. Cały proces jest prostszy, zdecydowanie szybszy i mniej narażony na błędy. Tak realizowane inwestycje to także wygoda w montażu. Projekt może bowiem zakładać zamówienie budynku na miarę. Pełne jego skompletowanie u producenta i przeprowadzenie szybkiego, precyzyjnie zaplanowanego procesu inwestycyjnego. To po prostu czysty zysk. To się liczy. To się opłaca.
W wielu przypadkach ewidentną wartością dodaną jest swoboda w kształtowaniu architektonicznej wizji projektanta. Sama płyta warstwowa daje w tym zakresie wielkie możliwości, a jej uniwersalność pozwala także na łączenie z wieloma tradycyjnymi materiami, jak np. betonem, drewnem, ceramiką, szkłem itp. Architektura obiektu może być zatem ładna, a czasem nawet piękna. I widać to gołym okiem, ponieważ praktycznie nie buduje się już w innych technologiach pomieszczeń magazynowych, inwentarskich czy przemysłowych. Przestało się po prostu opłacać robić to inaczej. Tak więc ze względów ekonomicznych, energetycznych, ekologicznych, a także estetycznych oraz wielu innych płyta warstwowa, szczególnie z wypełnieniem poliuretanowym, jest skazana na pełne powodzenie mimo rzeczywistej ostrej konkurencji na budowlanym rynku. A może właśnie dlatego…?
