ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE LEKKIEJ OBUDOWY TERMOIZOLACYJNEJ STOSOWANE W PRZECHOWALNIACH, CHŁODNIACH I MROŹNIACH.
04/2018
MGR INŻ. ARTUR KRZYWULSKI
STRESZCZENIE
Niniejsze opracowanie przedstawia charakterystykę płyt warstwowych jako podstawowego produktu do konstruowania lekkiej obudowy obiektów przechowalni, chłodni oraz mroźni. Są przedstawione definicje przechowalni, chłodni oraz mroźni, jako obiektów do przechowywania produktów żywnościowych. Podane są charakterystyczne cechy środowisk wewnętrznych panujących w tych obiektach. W nawiązaniu do tych charakterystyk, przedstawia się wymagania i kryteria doboru dotyczące lekkiej obudowy termoizolacyjnej z płyt warstwowych, ze wskazaniem na szczegółowe rozwiązania charakterystyczne dla obiektów o kontrolowanej atmosferze wewnętrznej.
Słowa kluczowe: chłodnia, mroźnia, przechowalnia, płyta warstwowa, PUR, PIR, EPS, kontrolowana atmosfera, wymagania.
1. WPROWADZENIE
Ze względu na położenie geograficzne oraz zmienność pór roku przechowywanie produktów żywnościowych wiąże się z koniecznością wytworzenia sztucznego środowiska o obniżonej temperaturze, a często także o odpowiednim składzie atmosfery wewnętrznej Chłodnie mroźnie oraz przechowalnie stanowią obszar budownictwa rolniczego bezpośrednio przeznaczony do długoterminowego magazynowania płodów roślinnych, mięsa ryb oraz ich przetworów. W literaturze obiekty te należą do kategorii obiektów o kontrolowanej atmosferze wewnętrznej, przy czym pojęcie atmosfera odnosi się tutaj zarówno do warunków termicznych, wilgotnościowych i składu gazowego powietrza wewnętrznego. Konieczność sztucznego utrzymania odpowiednich temperatur, wilgotności oraz mieszanki gazowej, wymusza użycie do konstruowania tychże obiektów, materiałów budowlanych charakteryzujących się przede wszystkim odpowiednim poziomem izolacyjności termicznej oraz szczelności gazowej. W okresie ostatnich 40 lat, na rynku materiałów budowlanych wykształcił się produkt, który idealnie nadaje się do konstruowania obiektów z tego obszaru. Jest to płyta warstwowa w okładzinach z blach powlekanych z rdzeniem z materiału termoizolacyjnego.
2. CHARAKTERYSTYKA PŁYTY WARSTWOWEJ
Płyty warstwowe w obecnej formie są znane w Polsce już od ponad 30 lat, głównie za sprawą Przedsiębiorstwa „Metalplast” z Obornik Wielkopolskich i pionierskiego produktu płyty PW8/B. Sytuacja ta sprawiła, że bardzo często do określania płyty warstwowej używa się określenia „płyt obornicka”. Gwałtowny rozwój i rozpowszechnianie się płyt warstwowych nastąpiło w Polsce po roku 1990.
Płyta warstwowa jest produktem dość elastycznym, ponieważ pozwala na dostosowanie swojej struktury w zależności od zastosowania czy też w zależności od wymaganych parametrów techniczno-użytkowych. Możliwość zastosowania różnych rodzajów okładzin metalowych w połączeniu z dostępnymi materiałami termoizolacyjnymi powoduje że produkt ten znajduje zastosowanie we wszelkiego rodzaju obiektach budowlanych.
Z technicznego punktu widzenia płyty warstwowe są zdefiniowane i opisane poprzez Polskie Normy. W latach osiemdziesiątych ubiegłego stulecia powstał jedna z pierwszych na świecie norma opisująca płyty warstwowe, była to PN-84/B-03230 „Lekkie ściany
osłonowe i przekrycia dachowe z płyt warstwowych i żebrowych. Obliczenia statyczne i projektowanie”. Wspomniana norma została zastąpiona przez normę PN-EN 14509[1] po wejściu Polski do Wspólnoty Europejskiej. Obecnie obowiązująca Polska Norma zharmonizowana[1] podaje definicję oraz szczegółową specyfikację materiałową płyt warstwowych.
Podstawowy podział płyt warstwowych jest oparty o kryterium zastosowania oraz rodzaju rdzenia izolacyjnego. Tak więc w przypadku pierwszego kryterium wyróżniamy:
- Płyty dachowe,
- Płyty ścienne elewacyjne(zewnętrzne),
- Płyty do zabudowy wewnętrznej – ścienne i sufitowe,
W przypadku kryterium rdzenia termoizolacyjnego najbardziej powszechne rodzaje
- Płyty z rdzeniem z wełny mineralnej,
- Płyty z rdzeniem z polistyrenu ekspandowanego EPS(styropian),
- Płyty z rdzeniem z pianki poliuretanowej(PUR) oraz polizocyjanurowej(PIR),
Na rynku występują także inne rodzaje rdzenia termoizolacyjnego, takie jak pianki fenolowe(PF), styropian ekstrudowany(XPS) czy szkło piankowe(CS), jednakże ich popularność jest mocno ograniczona z powodów ekonomicznych.
Zastosowanie trwałego połączenia okładzin metalowych, o wysokich parametrach wytrzymałościowych, z rdzeniem termoizolacyjnym, którego charakterystyka wytrzymałościowa jest o rząd wielkości niższa od okładzin, powoduje uzyskanie efektu kompozytowego, przez co finalny produkt osiąga parametry znacząco lepsze niż każdy z komponentów osobno. Efekt ten jest doskonale znany w branży materiałów budowlanych zarówno konstrukcyjnych jak i niekonstrukcyjnych. Zatem efekt kompozytowy oraz superpozycja właściwości techniczno-użytkowych okładzin i rdzenia izolacyjnego sprawiają, że płyty warstwowe zajmują ugruntowana pozycje jako podstawowy produkt do wykonywania lekkiej obudowy obiektów o kontrolowanej atmosferze. Pozycja ta dodatkowo jest wsparta zaletami montażowymi. Płyty warstwowe są elementami prefabrykowanymi, cechującymi się fabryczna jakością. W połączeniu z małą masą jednostkową , modularnymi rozmiarami oraz ukształtowaniem złącz typu „pióro-wpust” – pozwalają na znaczące skrócenie prac montażowych przy zachowaniu wysokiego poziomu jakości prac.
3. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTÓW PRZECHOWALNICZYCH CHŁODNICZYCH I MROŹNICZYCH
Jak zostało to określone we wstępie przechowalnie, chłodnie oraz mroźnie są typami obiektów klasyfikowanych jako obiekty o kontrolowanej atmosferze. Do tej rodziny obiektów należą głównie obiekty w których się produkuje, przetwarza lub magazynuje artykuły spożywcze. Obiekty będące przedmiotem tego opracowania służą do magazynowania i przechowywania płodów roślinnych oraz mięsa i jego przetworów. Charakterystyka tych obiektów przedstawia się następująco:
3.1. Mroźnie
Jak sama nazwa sugeruje są to obiekty w których temperatura wewnętrzna jest utrzymywana poniżej temperatury 0°C. W tego typu obiektach nie występują dodatkowe uwarunkowania związane ze składem mieszanki gazowej. Produkty przechowywane są w naturalnej atmosferze. W zależności od poziomu temperatury wewnętrznej możemy wydzielić następujące typy mroźni[2]:
- temperatura poniżej -25°C – są to mroźnie do długoterminowego przechowywania mięsa, ryb, owoców i wstępnie obrobionych artykułów spożywczych(np. lody, kotlety, itp.),
- temperatura ok. -18°C – są to mroźnie do krótkoterminowego przechowywania mięsa i wstępnie obrobionych artykułów spożywczych,
- temperatura od 0°C do -10°C – są to mroźnie do przechowywania świeżego mięsa(do dalszej przeróbki), wstępnego schładzania mięsa oraz do długoterminowego przechowywania owoców i warzyw nieprzetworzonych.
3.2. Chłodnie
Ten typ obiektów charakteryzuje temperatura wewnętrzna, która jest utrzymywana w przedziale od 0°C do 10°C. Podobnie jak w mroźniach ten typ obiektu posiada naturalną atmosferę wewnętrzną i w większości przypadków służy do krótkoterminowego przechowywania produktów spożywczych. Bardzo często chłodnie są obiektami dystrybucji i sortowania artykułów spożywczych wszelkiego asortymentu.
3.3. Przechowalnie
Przechowalnie można zdefiniować jako chłodnie, czyli obiekty o temperaturze wewnętrznej pomiędzy 0°C i 10°C, gdzie dodatkowo utrzymywany jest odpowiedni poziom wilgotności powietrza i odpowiedni skład gazowy powietrza. Przechowalnie są głownie obiektami do krótko i długoterminowego przechowywania owoców i warzyw przeznaczonych głównie do spożycia. Warunki wilgotnościowe i odpowiedni skład gazowy powietrza, chodzi tu o obniżenie zawartości tlenu, mają za zadanie maksymalnie opóźnić, proces dojrzewania owoców i warzyw, lub jak w przypadku niektórych warzyw (ziemniaki, marchew) podtrzymać maksymalnie długo świeżość do spożycia. Należy tutaj zaznaczyć, że każdy z gatunków owoców i warzyw posiada swoje indywidualne warunki przechowywania. Stąd też, oprócz sprawnie działającej obudowy przechowalni, kluczową rolę spełniają systemy podtrzymujące wilgotność i skład gazowy atmosfery. W literaturze fachowej ten typ obiektów często jest określany jako obiekty ULO – „Ulta Low Oxygen”, lub żargonowo jako komory gazoszczelne.
4. WYMAGANIA DOTYCZĄCE OBIEKTÓW O KONTROLOWANEJ ATMOSFERZE
Obiekty o kontrolowanej atmosferze, w podstawowym zakresie, podlegają ogólnym przepisom Prawa Budowlanego [3] oraz Warunkom Technicznym [4]. Jako, że są to w większości obiekty rolnicze podlegają również warunkom Technicznym dla obiektów rolniczych [5]. Wspomniane powyżej akty prawne podają tzw. wymagania podstawowe które musza spełniać wszystkie materiały budowlane, są to:
- bezpieczeństwa konstrukcji,
- bezpieczeństwa pożarowego,
- bezpieczeństwa użytkowania,
- odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska,
- ochrony przed hałasem i drganiami,
- oszczędności energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej przegród.
Biorąc pod uwagę charakterystykę obiektów przechowalniczych, chłodniczych i mroźniczych oraz powyższe wymagania podstawowe można sformułować zestaw szczegółowych wymagań dla obiektów o kontrolowanej atmosferze:
- Izolacyjność termiczna uwzględniająca specyficzne temperatury wewnętrzne,
- Wytrzymałość elementów w odniesieniu do zadeklarowanych obciążeń oraz uwzględniająca obciążenie temperaturą elementów lekkiej obudowy,
- Odporność na przenikanie wilgoci (paroszczelność),
- Zapewnienie szczelności gazowej,
- Trwałość lekkiej obudowy w kontekście parametrów użytkowych,
- Utrzymanie wysokiej higieny, w tym łatwość czyszczenia, mycia i dezynfekcji,
- Odporność pożarowa,
- Izolacyjność akustyczna lekkiej obudowy,
Powyższa kolejność wymagań uwzględnia wagę poszczególnych kryteriów w kształtowaniu lekkiej obudowy, należy zaznaczyć że są to kryteria techniczno-użytkowe. W życiu codziennym pojawiają się jeszcze wymagania ekonomiczne, które często dość poważnie utrudniają odpowiednie zaprojektowanie obudowy z punktu widzenia techniczno-użytkowego.
5. Spełnienie wymagań – rozwiązania konstrukcyjne
5.1. Izolacyjność termiczna
Izolacyjność termiczna jest jedną z podstawowych charakterystyk obudowy obiektów o kontrolowanej atmosferze. Kryterium to zarówno determinuje globalne rozwiązanie lekkiej obudowy jak również charakteryzuje obudowę w kontekście jej grubości.
W rozwiązaniu globalnym funkcjonuje zasada ciągłość rdzenia izolacyjnego. Dotyczy ona ogólnego rozwiązania lekkiej obudowy jak również odpowiedniego kształtowania szczegółów konstrukcyjnych. To zasada jest odpowiedzialna za zasadnicza różnicę między układem mroźni a chłodni i przechowalni.
Temperatury poniżej 0°C w mroźniach, wymagają ciągłego połączenia izolacji termicznej ścian i sufitów z posadzką. Chodzi o wytworzenie swego rodzaju „termosu”. Płyty obudowy ścian zostają obniżone i zatopione w posadzce po uprzednim połączeniu z izolacją posadzki, jak pokazano na Rys.1. W przypadku obiektów chłodniczych i przechowalniczych płyty ścienne są montowane bezpośrednio na posadzce bez konieczności połączenia z izolacją posadzki.
Zasada ciągłości wymusza eliminacje wszelkiego rodzaju mostków cieplnych, które mogą powstają w we wszelkiego rodzaju narożnikach. Klasyczne połączenie płyt warstwowych w narożniku sprawia że okładzina wewnętrzna jednej z płyt „przechodzi” na stronę zewnętrzną. W sytuacji kontrolowanej temperatury takie sytuacje są eliminowane . W tym celu w szczegółach narożników stosuje się 2 rozwiązania:
- Usuwa się lokalnie okładzinę metalową z powierzchni styku-przejścia, tworząc bezpośredni kontakt(ciągłość) izolacji termicznej, jak pokazano na Rys. 1 w miejscu styku płyt ściennych z izolacją posadzki, lub
- Tworzy się połączenia schodkowe, które dodatkowo osłabiają lokalne mostki termiczne, jak pokazano na Rys.2.
Wieloletnia praktyka spowodowała, że rozwiązania z usuwaniem okładzin stosuje się zazwyczaj w chłodniach i przechowalniach, a połączenia schodkowe są cechą charakterystyczna szczegółów konstrukcyjnych mroźni.
Konieczność eliminacji mostków termicznych znalazła też swoje odbicie charakterystycznym kształcie złącza płyt warstwowych chłodniczych. Połączenie pióro-wpust, jest także formowane w obszarze rdzenia izolacyjnego. Kształt i forma są bardzo różne – z reguły każdy producent płyt chłodniczych ma wypracowaną swoja własną geometrię, która odróżnia dany typ płyt od innych – ale cel jest jeden osłabić liniowy mostek termiczny na zamku płyt. Na Rys.3. przedstawiono kilka przykładów kształtów złącza płyt chłodniczych.
W oparciu o to kryterium dokonuje się pierwszego wyboru dotyczącego rodzaju rdzenia termoizolacyjnego płyt warstwowych. Z uwagi na właściwości cieplne materiałem pierwszego wyboru jest pianka poliuretanowa lub polizocyjanurowa. Wynika to faktu, że pianki PUR/PIR posiadają jeden z najniższych współczynników przewodzenia ciepła wśród materiałów termoizolacyjnych, wynoszącym od 0,020W/m2K do 0,023W/m2K. Dodatkowym argumentem za wyborem tych materiałów izolacyjnych jest ich struktura, są to pianki z zamkniętych porach, co powoduje że są odporne na zawilgocenie; które może jedynie występować na powierzchniach ciętych (końce płyt), gdzie zamknięta struktura została naruszona mechanicznie.
Określenie odpowiedniej grubości płyt warstwowych odbywa się na zasadzie analizy różnicy temperatur panujących na danej przegrodzie (sufit lub ściana). Międzynarodowa organizacja zrzeszające inżynierów zajmujących się projektowaniem i wznoszeniem obiektów chłodniczych IACSC (International Association for Cold Storage Construction), w swojej publikacji [2] podaje proste kryterium właściwego doboru izolacji termicznej. Napodstawie wieloletniej praktyki i obserwacji funkcjonowania tego typu obiektów IACSC ustalił, że minimalna grubość izolacji termicznej powinna być tak dobrana aby strumień ciepła powodowany różnicą temperatur na przegrodzie, nie był większy niż 10w/m2. W praktyce sprowadza się to rozwiązania prostego równania(1).
Φ= (Te-Ti)·U < 10W/m2, (1) Gdzie: Φ – strumień ciepła przechodzący przez przegrodę, Te – Temperatura na zewnątrz przegrody (pomieszczenia) Ti – temperatura wewnątrz przegrody (pomieszczenia) U – współczynnik przenikania ciepła płyty warstwowej o grubości d [m] i współczynniku przenikania ciepła λ [W/m2K].
Przekształcając równanie (1), otrzymujemy nierówność (2) określającą minimalną grubość izolacji termicznej o współczynniku przenikania ciepła λ:
𝑑𝑚𝑖𝑛 > (𝑇𝑒−𝑇𝑖)λ (2) 10
W praktyce, obliczenia nie są konieczne gdyż producenci płyt warstwowych posiadają gotowe tabele doboru płyt warstwowych w zależności od różnicy temperatur.
Rys. 1. Szczegół połączenia płyt ściennych z izolacja posadzki w mroźni.
Rys. 2. Połączenie schodkowe płyt warstwowych w narożniku
Rys. 3. Przykładowe szkice złącza płyt chłodniczych
5.2.Wytrzymałość konstrukcyjna.
Płyta warstwowa dzięki swoim własnościom kompozytowym jest zdolna do przenoszenia obciążeń zewnętrznych oddziaływujących na obiekt. Oddziaływania w postaci odpowiednich reakcji przekazywane są za pośrednictwem podkonstrukcji wsporczych (płatwi lub rygli) na konstrukcję główną obiektu. Należy tutaj podkreślić, iż płyty warstwowe w znaczącej większości zastosowań wymagają mocowania do konstrukcji wsporczej. W przypadku elementów obudowy zewnętrznej jest to warunek konieczny natomiast w przypadku zabudowy wewnętrznej, w zależności od występujących obciążeń i rozmiarów pomieszczeń, istnieje możliwość zaprojektowania i wykonania poszycia jako obudowy niezależnej od konstrukcji wsporczej.
Rozpatrując przedmiotowe obiekty jedynie chłodnie są wykonywane w systemie obudowy jednopłaszczowej, zewnętrznej. Mroźnie oraz przechowalnie, ze względu na specyfikę pracy – występujące temperatury oraz konieczność kontrolowania składu i wilgotności atmosfery, są projektowane jako obudowy z tropikiem pełnym („box-in-box”- puszka w puszce) lub częściowym (dach i pas podokapowy). Szkice na Rys.4 ilustrują przedstawione powyżej schematy
Rys. 3. Przykładowe szkice złącza płyt chłodniczych
5.2.1. Chłodnie
Są projektowane i wymiarowane identycznie jak standardowe lekkie obudowy obiektów z płyt warstwowych. W wymiarowaniu przeprowadza się analizę elementów ściennych i dachowych, rozpatrując odpowiednie kombinacje obciążeń zewnętrznych oraz ustalone temperatury wewnętrzne. Szczegółowa procedura obliczeniowa podana jest w normie PN- EN 14509 [1]. W praktyce nie wykonuje się indywidualnych obliczeń płyt ściennych czy dachowych, projektowanie opiera się na wykorzystaniu tabel nośności i obciążenia. Producenci płyt warstwowych opracowują te tabele dla każdego rodzaju płyt warstwowych, w których uwzględnione są wpływy obciążeń zewnętrznych i panujących warunków wewnętrznych dla standardowych obiektów przemysłowych czy użyteczności publicznej.
5.2.2. Mroźnie i przechowalnie
W przypadku tego typu obiektów większość rozwiązań zakłada układ konstrukcyjny z tropikiem zatem wpływ podstawowych obciążeń zewnętrznych przejmowane jest przez płaszcz zewnętrzny. Wewnętrzna obudowa mrożni czy przechowalni podlega zatem jedynie obciążeniom wewnętrznym w tym przypadku temperatury i różnicy ciśnień.
Struktura płyt warstwowych powoduje, że elementy te – z punktu widzenia statyki – są podatne na zmiany temperatury, a w szczególności na różnice temperatur. Okładziny metalowe wystawione na działanie różnicy temperatur (strony wewnętrzna i zewnętrzna) powodują odkształcenia płyt warstwowych, a także powstanie dodatkowych sił wewnętrznych w przypadkach układów wieloprzęsłowych. Uwzględnienie różnicy temperatur ma znaczenie szczególnie przy długościach płyt warstwowych, większych niż 5-6m. Pojawiające się przemieszczenia spowodowane temperaturą mogą doprowadzić do lokalnych rozszczelnień, co w przypadku obiektów o kontrolowanej atmosferze jest niedopuszczalne. Szczegółowa procedura wyznaczania odkształceń oraz sił wewnętrznych generowanych przez różnicę temperatur jest dokładnie podana w normie PN-EN 14509[1]. W przypadku maksymalnych dopuszczalnych odkształceń przyjmuję się dla płyt warstwowych warunek L/200, zarówno dla elementów ściennych jak i sufitowych.
Różnice ciśnień oddziaływujące na zabudowy wewnętrzne może być skutkiem działania urządzeń podtrzymujących określony skład mieszanki gazowej lub zmianami temperatury. W przypadku urządzeń kontrolujących atmosferę wewnętrzna oddziaływanie na obudowę jest niewielkie, gdyż systemy te głównie starają się utrzymać ciśnienie na poziomie ciśnienia atmosferycznego – zatem żadna znacząca różnica ciśnień nie występuje. Pomimo tego w pracach projektowych przechowalni, zaleca się przyjmować do obliczeń wartość ciśnienia (podciśnienia) wewnętrznego na poziomie 0,25 kPa, aby w trakcie użytkowania obudowa była w stanie poprawnie funkcjonować. Dużo bardziej niebezpieczne są różnice ciśnień pojawiające się w przypadku różnicy temperatur. Sytuacja ta ma miejsce podczas procesu schładzania komór, w szczególności mroźniczych. Zgodnie z prawami termodynamiki, jeżeli będziemy schładzać zamkniętą objętość powietrza, to spowoduje to spadek ciśnienia (równanie Clapeyrona). Jak wspomniano sytuacja ta ma może mieć miejsce jedynie w okresie schładzania komór – może mieć miejsce, ponieważ proces schładzania komór jest bardzo ważnym etapem w pracy urządzeń chłodniczych, tak więc inżynierowie chłodnicy, z reguły podają dokładną procedurę procesu schładzania, między innymi po to aby uniknąć efektu powstania podciśnienia. W praktyce dla zabezpieczenia obudowy mroźni przed nieprzewidzianymi skutkami procesu schładzania montuje się specjalne zawory dekompresyjne w obudowie mroźni. Mają one za zadanie wyrównywanie ciśnienia w komorach jeżeli zostanie przekroczony ustalony poziom bezpieczeństwa. W projektowaniu obudowy mroźniczej nie uwzględnia się podciśnień pochodzących z fazy schładzania ze względu na podejmowane środki ostrożności ze strony branży chłodniczej, nie mniej jednak należy tutaj wspomnieć, że odnotowano wiele przypadków awarii obudowy komór mroźniczych z powodu lekkomyślnego podejścia do fazy schładzania obiektu.
W kontekście obudowy z tropikiem należy wskazać jeszcze jedno ważne zagadnienie związane z ogólna konstrukcją obudowy, odnoszące się do sposobu mocowania (podparcia) płyt sufitowych. Jak przedstawiono na schematach na Rys.4. większość elementów sufitowych jest mocowana (podwieszana) do konstrukcji głównej dachu obiektu. W tak przyjętym schemacie należy zawsze przeanalizować wpływ ugięć konstrukcji głównej na elementy sufitowe. Jest to szczególnie istotne zagadnienie w przypadku sufitów podwieszonych o dużych rozpiętościach, gdzie np. płyty sufitowe są łączone z kilku elementów aby przekryć całą rozpiętość komory. Odkształcenia dźwigarów dachowych są przenoszone za pośrednictwem podwieszeń na elementy sufitowe obudowy komór, w przypadku dźwigarów o dużych rozpiętościach, ugięcia te niejednokrotnie mogą spowodować rozszczelnienie styków płyt oraz detali połączeń. W takich przypadkach podczas prac projektowych należy szczegółowo przeanalizować systemy podwieszania sufitów komór, i w przypadkach ryzykownych zastosować zamiast podwieszeń pionowych system odciągów ukośnych które będą zamocowane do dźwigarów w miejscach mniejszych ugięć.
Jako uzupełnienie tego zagadnienia należy też wspomnieć, iż płyty warstwowe umożliwiają także budowę komór wewnętrznych w układzie samonośnym. Są to pomieszczenia wewnątrz większych obiektów lub budynków, które nie posiadają konstrukcji wsporczej, ani nie są do niej zamocowane. Integralność całej obudowy jest zapewniona albo poprzez wytrzymałość samych płyt warstwowych, które są odpowiednio połączone i zastosowano odpowiednie detale połączeń konstrukcyjnych lub poprze tzw. zamki hakowe („cam-lock”), które są zatopione w krawędziach płyt warstwowych i po złożeniu w sposób mechaniczny realizują połączenia pomiędzy poszczególnymi płytami. Najczęściej rozwiązania te są dostępne na rynku w postaci gotowych typoszeregów komór, które można odpowiednio dobrać do swoich potrzeb. Tego typu rozwiązania najczęściej znajdują zastosowania w gastronomii, są to po prostu dużych rozmiarów lodówki lub zamrażalki.
5.3. Odporność na przenikanie wilgoci.
Płyta warstwowa składa się z okładzin metalowych i rdzenia termoizolacyjnego, z punktu widzenia przenikania wilgoci okładziny metalowe stanowią barierę nieprzepuszczalną, zatem zapewnienie odporności na przenikanie wilgoci koncentruje się na odpowiednim zabezpieczeniu zamków płyt warstwowych oraz poszczególnych szczegółów konstrukcyjnych – naroży (ściana-ściana, ściana-sufit, ściana-posadzka), przejść instalacyjnych oraz styków z innymi elementami obudowy (drzwi, bramy, okna, itp.).
Połączenie pióro-wpust w obrębie złącza nie jest w stanie zapewnić 100% szczelności na przenikanie wilgoci, ale daje możliwość zaaplikowania dodatkowych środków uszczelniających w postaci plastycznych mas poliuretanowych czy butylowych. Rys.5. przedstawia typowy przekrój przez złącze (zamek) płyty warstwowej chłodniczej, z zaznaczonymi miejscami aplikacji mas uszczelniających. W większości przypadków masy są aplikowane podczas prac montażowych, z reguły jest to szczegółowo opisane w instrukcjach montażowych z wyszczególnieniem konkretnych typów mas. Są także dostępne rozwiązania z fabrycznie zaaplikowanymi uszczelkami w gniazdach zamków, które gwarantują osiągnięcie pożądanej szczelności.
W przypadku konkretnych szczegółów konstrukcyjnych, odpowiedni poziom szczelno- ści jest uzyskiwany w trzech etapach – zilustrowanych na Rys.6.
Należy zaznaczyć że w przypadku obiektów mroźniczych oraz przechowalniczych realizuje się wszystkie trzy etapy zapewnienia szczelności detali konstrukcyjnych, natomiast w przypadku chłodni wystarczy wykonanie Etapu 1 oraz 3.
5.4. Zapewnienie szczelności gazowej.
Sztucznie utrzymywany skład gazowy atmosfery wewnętrznej wymusza konstruowanie obudowy o 100% szczelności gazowej. Szczelność gazową osiąga się stosując identyczne rozwiązania jak w przypadku zabezpieczenia szczelności na przenikanie wilgoci, przedstawionych w punkcie 5.3. W praktyce przy konstruowaniu komór gazoszczelnych, dodatkowo stosuje się aplikacje taśm gazoszczelnych na wszystkich złączach płyt oraz pokrywając wszystkie inne detale połączeń (narożniki, styki, przejścia) – Rys.7. Typowe taśmy gazoszczelne to wstęgi folii aluminiowej na podłożu butylowym. W praktyce często taśmy aluminiowe są zastępowane przez wykonanie na stykach i złączach powłoki z masy poliuretanowej.
5.5. Trwałość obudowy.
Jak wcześniej zdefiniowano, środowisk wewnętrznych mroźni, chłodni oraz przechowalni nie klasyfikuje się jako agresywne. Jedynym szkodliwym czynnikiem jest wysoka wilgotność m przypadku chłodni i przechowalni. Sztuczna atmosfera podtrzymywane dla przechowywania owoców i warzyw (mieszanka gazowa) nawet w połączeniu z wysoką wilgotnością nie stanowią szczególnego zagrożenia dla trwałości płyt warstwowych. Ponieważ płyty warstwowe składają się z różnych materiałów więc trwałość płyty jako całości zależy od trwałości najsłabszego ogniwa systemu. W tym przypadku – najsłabszym ogniwem są powłoki metalowe. Okładziny metalowe, niemalże we wszystkich przypadkach, są to blachy stalowe, powlekane ogniowo powłokami metalicznymi w sposób ciągły i powlekane lakierami organicznymi. Stosowane powłoki metaliczne to najczęściej powłoki cynkowe (Z), cynkowo-aluminiowe (ZA) lub aluminiowo-cynkowe (AZ). Na rynku dostępne są jeszcze inne powłoki metaliczne jednakże stanowią one mniejszy udział w produkcji płyt warstwowych. Dokładne specyfikacje techniczne oraz warunki dostawy opisują odpowiednie Polskie Normy. W przypadku powłok organicznych, najczęściej stosowane to powłoki naniesione w sposób ciągły metodą „coil-coating”: poliestrowe(SP/PES), z polifluorku winylidenu (PVDF), poliuretanowe (PUR) oraz z modyfikowanego polichlorku winylu (PVC) W przypadku modyfikowanego PVC, bardzo powszechnie jest stosowany laminat z tej powłoki (PVC-F) przeznaczony tylko do zastosowań wewnętrznych, potocznie nazywany „Food-safe”.
Przedstawione powyżej warianty ochrony antykorozyjnej blach stalowych, jeżeli są wykonane zgodnie z wymaganiami minimalnymi określonymi dla powłok metalicznych w PN-EN 508-1:2010 [6], i jeżeli w połączeniu z dowolną powłoką organiczną posiadają kategorię odporności korozyjnej (jako całość: blacha stalowa+powłoka metaliczna +powłoka organiczna) co najmniej RC3 wg PN-EN 10169-2:2008 [7] – to stanowią wystarczające zabezpieczenie dla zagwarantowania trwałości płyt warstwowych w lekkiej obudowie obiektów z kontrowaną atmosferą wewnętrzną. W przypadku stosowania obudowy jednopłaszczowej (chłodnie) należy jeszcze dodatkowo odpowiednio wyspecyfikować rodzaj ochrony blach stalowych dla strony zewnętrznej paneli. W tym przypadku stosuje się procedurę oparta na klasyfikacji korozyjnej środowisk, zgodnie z PN-EN ISO 12944-2:2001 [8], i odpowiadających im kategorii powłok wg [7].
Standardowo określa się żywotność lekkiej obudowy z płyt warstwowych na poziomie od 30 do 40 lat. Przedstawiona powyżej metoda doboru ochrony okładzin stalowych, gwarantuje spełnienie tego warunku z punktu widzenia korozji chemicznej i fizycznej. W szczególności obiekty rolnicze, są narażone na korozję biologiczną, do której należy zaliczyć degradację elementów lekkiej obudowy na wskutek obecności insektów lub gryzoni oraz na wskutek rozwoju różnych grzybów i pleśni. Działalność insektów oraz gryzoni jest jedynie niebezpieczna dla płyt warstwowych z rdzeniem styropianowym, stąd też płyty warstwowe z tym rdzeniem izolującym znajdują co raz mniej zastosowań. Rozwój grzybów i pleśni ma charakter tymczasowy i jest stosunkowo nieszkodliwy dla płyt warstwowych , stanowi jedynie zagrożenie higieny wewnętrznej obiektu, którą można w łatwy sposób kontrolować poprzez mycie i dezynfekcję.
Rys. 5. Szkic złącza płyt chłodniczych z zaznaczonymi miejscami aplikacji mas uszczelniających.
Rys. 6. Wykonanie uszczelnień złącza narożnego płyt chłodniczych.
Rys. 7. Szczegół złącza płyt warstwowych w komorach przechowalniczych.
5.6. Higiena.
W przypadku obiektów przechowalniczych wymagania higieniczne nie są tak restrykcyjne jak w przypadku obiektów i pomieszczeń przetwórstwa lub produkcji żywności. W przypadku wymogów higienicznych, spełnienie tego kryteriom jest możliwe dzięki zastosowaniu:
• płyt warstwowych o odpowiednim kształcie powierzchni (przeprofilowaniu), które nie będzie sprzyjało akumulacji brudu i kurzu, a także będzie łatwe do zmywania oraz dezynfekcji,
• odpowiednich powłok organicznych, które są neutralne, nie powodują wydzielania żadnych szkodliwych substancji, a także są wystarczająco odporne na zabiegi zmywania i dezynfekcji.
W praktyce stosuje się płyty warstwowe o okładzinach płaskich lub lekko profilowanych, gdzie głębokość przetłoczeń nie przekracza 3mm. Powłoki organiczne wymienione w poprzednim punkcie są bezpieczne higienicznie, stabilne chemicznie i nie wydzielają żadnych szkodliwych substancji, dodatkowo są obojętne na stosowane środki czystości i dezynfekcji.
5.7. Odporność pożarowa.
Odporność pożarowa obiektów mroźni, chłodni i przechowalni jest realizowana zgodnie z zasadami zawartymi Warunkach technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4]. Klasyfikacja wynikająca z przepisów Prawa Budowlanego narzuca na elementy lekkiej obudowy obowiązek posiadania klasyfikacji NRO (nie rozprzestrzeniający ognia). W zależności od innych pomieszczeń oraz układu całego obiektu, mogą się pojawić dodatkowe wymagania dotyczące odporności ogniowej przegród (ścian lub/i sufitów). W tym przypadku płyty warstwowe muszą posiadać odpowiednią klasyfikację ogniową potwierdzającą wymagana odporność ogniową. Praktyka dowodzi, że w przypadku płyt warstwowych klasyfikacja NRO jest zapewniona. Natomiast odporność ogniowa zależy od rodzaju rdzenia izolującego. Najlepsze parametry ogniowe mają oczywiście płyty warstwowe z rdzeniem z wełny mineralnej, jednakże ich popularność wśród obiektów o kontrolowanej atmosferze jest mocno ograniczona. Natomiast płyty z wypełnieniem z pianki PUR lub PIR spełniają parametry ogniowe na poziomie wystarczającym do stosowania ich jako elementy obudowy mroźni, chłodni oraz przechowalni. W przypadku płyt z rdzenie ze spienionego polistyrenu (EPS) osiągnięcie wymaganych klasyfikacji ogniowych często jest niemożliwe.
5.8. Izolacyjność akustyczna
Chłodnie, mroźnie oraz przechowalnie to, ujęciu przepisów Prawa Budowlanego, obiekty magazynowe, których oddziaływanie w zakresie hałasu i drgań jest wręcz nieodczuwalne. Stąd też tego rodzaju obiektom, w zasadzie, nie stawia się żadnych wymagań dotyczących izolacyjności akustycznej przegród.
6. PODSUMOWANIE
Obecnie na rynku lekkich obudów z płyt warstwowych, jest dostępnych wiele standardowych rozwiązań szczegółów konstrukcyjnych mroźni, chłodni i przechowalni. W tak rozbudowanym środowisku informacyjnym jest niezbędna orientacja według jakich kryteriów dokonywać wyboru odpowiednich detali konstrukcyjnych. Zrozumienie szczegółowych warunków funkcjonowania i pracy obiektów o kontrolowanej atmosferze, i wynikających z nich szczegółowych kryteriów i wymagań, jest kluczem do dokonania właściwego wyboru. W związku z tym warto uświadomić sobie, jeden, bardzo istotny wniosek, który jest myślą przewodnią podręcznika [2]: „… nie ma złych płyt warstwowych – są tylko źle dobrane lub źle zaprojektowane”.
Literatura
-
PN-EN 14509:2010 Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową .Wyroby fabryczne. Specyfikacje
- IACSC European Division(praca zbiorowa), Design, Construction, Specification and Fire Management of Insulated Envelopes for Temperature Controlled Environments
- Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane(Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414 z późn. zm).
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie(Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690 z późn. zm.)
- Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej z dnia 7 października 1997 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle rolnicze i ich usytuowanie(Dz.U. 1997 nr 132 poz. 877)
- PN-EN 508-1:2010 Wyroby do pokryć dachowych z metalu. Charakterystyka wyrobów samonośnych z blachy stalowej, aluminiowej lub ze stali odpornej na korozję. Część 1: Stal
- PN-EN 10169-2:2008 Wyroby płaskie stalowe z powłoką organiczną naniesioną w sposób ciągły. Część 2: Wyroby stosowane na zewnątrz budowli.
-
PN-EN ISO 12944-2:2001 Farby i lakiery. Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich. Część 2: Klasyfikacja środowisk
Design Solutions of Light Insulated Envelopes used in Chill Stores, Cold Stores and Controlled Atmosphere Stores
MSc Civ. Eng. Artur Krzywulski
e–mail: artur.krzywulski@kingspan.com
