Mostki termiczne – skąd się biorą i co powodują?

Izolacja chłodni to nie tylko grubość ściany

Kiedy mówi się o izolacji naczepy chłodniczej, pierwsze skojarzenie jest zwykle proste: im grubszy panel i im lepszy materiał izolacyjny, tym lepsza ochrona przed temperaturą zewnętrzną. To prawda, ale tylko do pewnego stopnia. O rzeczywistych właściwościach termicznych naczepy decyduje bowiem nie sam materiał izolacyjny, ale cała zabudowa – jej konstrukcja, połączenia, wykonanie, szczelność i sposób, w jaki poszczególne elementy współpracują ze sobą.

Właśnie dlatego w transporcie chłodniczym stosuje się pojęcie globalnego współczynnika przenikania ciepła K. Jest to parametr opisujący, ile ciepła przenika przez izolowaną obudowę przy określonej różnicy temperatur. W dokumentacji ATP wartość ta jest wyrażana w W/m²·K. Dla urządzeń o wzmocnionej izolacji, oznaczanych jako IR, wymagany poziom wynosi K ≤ 0,40 W/m²·K, podczas gdy dla normalnej izolacji IN granica wynosi K ≤ 0,70 W/m²·K.

To istotne rozróżnienie. ATP nie ocenia przecież wyłącznie tego, czy producent zastosował materiał o określonej przewodności cieplnej. Badanie odnosi się do całego izolowanego nadwozia. W praktyce oznacza to, że miejsce połączenia ściany z dachem, podłogą czy drzwiami może mieć znaczenie dla końcowego wyniku równie ważne jak sam materiał znajdujący się pomiędzy poszyciami.

Dobrze pokazują to badania opublikowane przez Estradę-Flores i Eddy’ego w International Journal of Refrigeration. Autorzy przebadali pięć chłodniczych pojazdów panelowych i porównywali ich parametry izolacyjne, czas schładzania oraz rozkład temperatury w przestrzeni ładunkowej. Co ciekawe, pojazdy o podobnych cechach konstrukcyjnych osiągały różne wartości współczynnika K. Autorzy wskazali jako możliwe przyczyny m.in. różnice w sposobie wykonania izolacji, wpływ mostków termicznych oraz starzenie się izolacji.

To ważny wniosek dla użytkownika naczepy: dwie zabudowy o podobnej grubości ścian nie muszą mieć identycznych właściwości cieplnych.

Więcej o naczepach chłodniczych przeczytasz tutaj.

Mostek termiczny – co właściwie dzieje się w konstrukcji?

Mostek termiczny powstaje tam, gdzie przepływ ciepła jest łatwiejszy niż przez pozostałą część przegrody. W klasycznej ścianie chłodni większość powierzchni stanowi materiał izolacyjny o stosunkowo niskiej przewodności cieplnej. Jeżeli jednak przez tę warstwę przechodzi element wykonany z materiału dobrze przewodzącego ciepło, sytuacja się zmienia.

W przypadku naczep chłodniczych mogą to być między innymi metalowe elementy konstrukcyjne, żebra, mocowania, zawiasy, zamki, nity, śruby, elementy narożne czy lokalne przerwy w izolacji. W literaturze dotyczącej termicznych parametrów pojazdów chłodniczych wymienia się dokładnie takie miejsca jako potencjalne źródła zwiększonego przepływu ciepła.

Nie chodzi przy tym o to, że każdy metalowy element jest błędem konstrukcyjnym. Naczepa musi być przecież odpowiednio sztywna i odporna na obciążenia. Problem zaczyna się wtedy, gdy element konstrukcyjny tworzy ciągłą drogę przewodzenia ciepła pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną stroną zabudowy albo gdy konstrukcja powoduje lokalne zmniejszenie grubości lub ciągłości izolacji.

Dobrym przykładem są drzwi. Z jednej strony muszą być odpowiednio sztywne, z drugiej muszą zapewniać izolację i szczelność. Pojawiają się więc zawiasy, zamki, elementy mocujące oraz uszczelnienia. Każdy z tych elementów komplikuje konstrukcję w porównaniu z prostym, jednolitym panelem.

Badania termograficzne prowadzone na pojazdach chłodniczych pokazują, że takie miejsca można rzeczywiście wykryć jako obszary o odmiennej temperaturze powierzchni. W analizach wykorzystujących termografię wskazywano m.in. stalowe elementy drzwi, zawiasy, narożniki, wsporniki, połączenia podłogi ze ścianą oraz miejsca wokół instalacji chłodniczej jako potencjalne drogi zwiększonego przepływu ciepła.

To właśnie dlatego termografia jest przydatnym narzędziem diagnostycznym. Nie pokazuje bezpośrednio wartości współczynnika K, ale pozwala zobaczyć, gdzie powierzchnia zabudowy zachowuje się inaczej niż jej otoczenie. Dla serwisanta może to być bardzo cenna wskazówka.

Dlaczego nawet dobra izolacja może nie wystarczyć?

W tym miejscu dochodzimy do jednej z ważniejszych kwestii. Można zastosować materiał o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych, a mimo to uzyskać przeciętny wynik całej zabudowy.

Powód jest prosty: ciepło nie przepływa przez naczepę wyłącznie „przez środek” panelu.

Jeżeli na większości powierzchni znajduje się materiał izolacyjny, ale w kilku miejscach powstają drogi o znacznie większej przewodności cieplnej, to właśnie przez te miejsca będzie płynęła proporcjonalnie większa część strumienia ciepła. Dlatego w obliczeniach i badaniach całej zabudowy trzeba brać pod uwagę geometrię konstrukcji oraz lokalne mostki termiczne, a nie tylko właściwości materiału izolacyjnego.

Bardzo dobrze pokazuje to wspomniane badanie pięciu pojazdów chłodniczych. Autorzy podkreślili, że skuteczność izolacji może być istotnie różna nawet w przypadku pojazdów o podobnych parametrach mechanicznych. W badanej grupie różnice w wartości K wskazywały na wpływ sposobu wykonania izolacji oraz mostków termicznych.

Jeszcze ciekawsze są dane przywoływane w późniejszych analizach. W badaniu Estrady-Flores i Eddy’ego wartości K dla podobnych pojazdów mieściły się w zakresie około 0,82–1,24 W/m²·K. To różnica rzędu około 50% między najniższą a najwyższą wartością w tej konkretnej grupie badanych pojazdów. Nie można oczywiście przenosić tego wyniku na wszystkie współczesne naczepy chłodnicze, ale pokazuje on skalę wpływu różnic konstrukcyjnych i wykonawczych na rzeczywistą izolacyjność.

Co ważne, wartości te były wyższe niż obecne wymagania ATP dla wzmocnionej izolacji, ponieważ badanie dotyczyło konkretnych pojazdów i innego kontekstu badawczego. Nie należy więc używać tych liczb jako „średniej dla rynku”. Są natomiast dobrym przykładem na to, że materiał izolacyjny i rzeczywista izolacyjność całego pojazdu to dwie różne rzeczy.

Do tego dochodzi starzenie. W analizach dotyczących termicznej pracy pojazdów chłodniczych przywoływane są dane wskazujące na typową utratę właściwości izolacyjnych na poziomie około 3–5% rocznie w określonych materiałach i warunkach. Trzeba jednak zachować tutaj ostrożność: nie jest to uniwersalna wartość dla każdej naczepy, każdego panelu ani każdego materiału. Jest to wartość przywoływana w literaturze jako orientacyjna dla określonych zastosowań i modeli starzenia.

Z punktu widzenia przewoźnika ważniejszy jest sam mechanizm. Izolacja nie pozostaje przez kilkanaście lat dokładnie taka sama jak w dniu produkcji. Dlatego przy ocenie starszej chłodni warto patrzeć nie tylko na stan agregatu, ale również na rzeczywistą kondycję zabudowy.

I tu pojawia się jeszcze jeden ważny szczegół: mostek termiczny nie musi oznaczać widocznej awarii. Naczepa może wyglądać bardzo dobrze, drzwi mogą się zamykać, agregat może działać, a mimo to w określonym miejscu przepływ ciepła może być większy niż powinien.

W kolejnych częściach warto więc osobno przyjrzeć się miejscom, w których takie problemy najczęściej powstają: drzwiom i uszczelkom, połączeniom ścian i podłogi, elementom metalowym, mocowaniom agregatu oraz konstrukcji dachu i narożników. Dopiero wtedy można zobaczyć, dlaczego mostek termiczny jest problemem nie tylko konstrukcyjnym, ale również eksploatacyjnym.

Gdzie najczęściej powstają mostki termiczne?

Mostek termiczny nie musi oznaczać dużego, łatwego do zauważenia błędu konstrukcyjnego. Często jest efektem pojedynczego elementu, który z punktu widzenia mechaniki jest potrzebny, ale jednocześnie tworzy lokalną drogę przewodzenia ciepła. W chłodni szczególne znaczenie mają miejsca, w których metalowa konstrukcja przechodzi przez warstwę izolacyjną albo łączy elementy znajdujące się po obu stronach ściany.

W badaniu opublikowanym w International Journal of Refrigeration wskazano między innymi na kieszenie konstrukcyjne, szczeliny powietrzne, metalowe zamki, żebra konstrukcyjne, zawiasy, nity i śruby. Autorzy podkreślają przy tym, że wpływ takich elementów na całkowity współczynnik K zależy od ich wymiarów i dokładnego położenia w konkretnej zabudowie.

Szczególnie interesujące są miejsca łączenia różnych części nadwozia. Ściana boczna może mieć bardzo dobre właściwości izolacyjne, ale jeśli w jednym miejscu znajduje się ciągły element metalowy łączący powierzchnię zewnętrzną z wewnętrzną, lokalny przepływ ciepła będzie wyglądał zupełnie inaczej niż przez sam materiał izolacyjny.

Podobna sytuacja występuje przy drzwiach. Sama powierzchnia drzwi może być dobrze zaizolowana, jednak zawiasy, zamki, mocowania czy okolice ramy tworzą konstrukcję o zupełnie innych właściwościach cieplnych. Do tego dochodzą uszczelki i sposób ich docisku. Dlatego podczas oceny chłodni nie wystarczy spojrzeć na grubość panelu i rodzaj zastosowanej pianki.

Właśnie z tego powodu badania termiczne całego nadwozia są bardziej miarodajne niż analiza pojedynczego materiału. Wartość K jest bowiem wynikiem działania całej konstrukcji, a nie wyłącznie izolacji znajdującej się pomiędzy poszyciami.

Konstrukcja musi być zaprojektowana jako całość

W przypadku chłodni łatwo wpaść w pułapkę patrzenia na izolację wyłącznie przez pryzmat materiału. Jeżeli producent zastosuje materiał o niskiej przewodności cieplnej, można oczekiwać dobrego rezultatu. Problem pojawia się wtedy, gdy pozostała część konstrukcji nie została zaprojektowana z uwzględnieniem przepływu ciepła.

Badanie pięciu chłodniczych samochodów dostawczych pokazało bardzo wyraźnie, że pojazdy o podobnych charakterystykach mechanicznych mogą osiągać różne wartości współczynnika K. Autorzy wskazali jako możliwe przyczyny między innymi różnice w sposobie wykonania izolacji oraz wpływ mostków termicznych.

To ważna obserwacja również z punktu widzenia produkcji. Właściwości cieplne gotowego nadwozia zależą bowiem nie tylko od tego, z czego zostało wykonane, ale również jak zostało wykonane.

Znaczenie ma sposób łączenia elementów, rozmieszczenie konstrukcji nośnej, jakość wypełnienia przestrzeni izolacyjnej oraz powtarzalność procesu produkcyjnego. Jeżeli w izolacji pojawi się pustka albo materiał nie zostanie prawidłowo rozprowadzony, powstaje miejsce o innych właściwościach cieplnych niż pozostała część panelu. W przypadku wielu takich miejsc ich wpływ może być już widoczny w pomiarze całego nadwozia.

Dobrze pokazuje to wartość K. W jednym z analizowanych badań dla podobnych chłodni odnotowano wartości od 0,82 do 1,24 W/m²K. Nie należy traktować tego zakresu jako dzisiejszej średniej dla rynku — badanie dotyczyło konkretnych pojazdów — ale dobrze pokazuje ono, jak duże różnice mogą pojawić się pomiędzy konstrukcjami o pozornie podobnych parametrach.

Dlatego projektowanie chłodni zaczyna się dużo wcześniej niż od wyboru grubości panelu. Trzeba uwzględnić cały układ: ściany, dach, podłogę, drzwi, narożniki, mocowania oraz miejsca, w których różne elementy konstrukcji spotykają się ze sobą.

Mostek termiczny a rzeczywista praca agregatu

Konsekwencje mostków termicznych nie kończą się na samym panelu. Jeżeli przez obudowę stale przenika więcej ciepła, agregat chłodniczy musi tę energię odebrać. Nie oznacza to, że każdy pojedynczy mostek spowoduje zauważalny wzrost zużycia paliwa czy energii. Znaczenie ma skala zjawiska oraz warunki, w których pojazd pracuje.

Sam system ATP opiera wymagania dla wyposażenia chłodniczego między innymi na współczynniku K całego izolowanego nadwozia. Dla wyposażenia klas B, C, E i F graniczna wartość K wynosi 0,40 W/m²K, natomiast dla części pozostałych klas stosowana jest wartość 0,70 W/m²K. Są to wymagania dotyczące całego wyposażenia, a nie pojedynczego fragmentu ściany.

To rozróżnienie jest istotne. Przepisy nie mówią, że każdy fragment ściany musi mieć identyczne właściwości cieplne. Oceniana jest efektywność całego izolowanego nadwozia w określonych warunkach badania.

W czasie eksploatacji dochodzi jeszcze jeden czynnik: starzenie się izolacji. W literaturze można znaleźć wartości rzędu 3–5% pogorszenia właściwości izolacyjnych rocznie, jednak nie należy traktować tego jako uniwersalnej reguły dla każdej naczepy. Jest to wartość przywoływana w konkretnych opracowaniach i zależna między innymi od rodzaju konstrukcji, materiału oraz warunków eksploatacji.

UNECE od lat zwraca uwagę na problem pogarszania się właściwości izolacyjnych wyposażenia w trakcie użytkowania. W dokumentach roboczych dotyczących ATP wskazywano, że właściwości termiczne nawet dobrze wykonanej izolacji zmieniają się wraz z wiekiem pojazdu.

Dlatego mostek termiczny warto traktować nie jako pojedynczy „defekt ściany”, ale jako jeden z elementów całego bilansu cieplnego chłodni. Nowa naczepa może przejść badanie i spełniać wymagania ATP, a mimo to sposób zaprojektowania i wykonania konstrukcji będzie miał znaczenie dla tego, jak jej izolacja będzie zachowywała się po kilku latach pracy.

I właśnie tutaj zaczyna się różnica między samym spełnieniem wymagań a konstrukcją przygotowaną do wieloletniej eksploatacji.

Nie każdy mostek termiczny widać gołym okiem

Jednym z problemów związanych z mostkami termicznymi jest to, że część z nich przez długi czas pozostaje praktycznie niewidoczna. Poszycie może wyglądać dobrze, nie musi być uszkodzone ani odkształcone, a mimo to w określonym miejscu przepływ ciepła będzie większy niż w pozostałej części ściany.

Dlatego przy ocenie izolacyjności chłodni coraz większe znaczenie ma termografia. Kamera termowizyjna pozwala zobaczyć rozkład temperatury na powierzchni i wskazać miejsca, w których występują lokalne różnice. W badaniach dotyczących pojazdów chłodniczych szczególnie widoczne były obszary wokół elementów stalowych drzwi, zawiasów, narożników, mocowań oraz połączeń podłogi ze ścianami.

Nie oznacza to jednak, że każde cieplejsze miejsce na termogramie jest automatycznie wadą konstrukcji. Na wynik wpływają również temperatura otoczenia, nasłonecznienie, wiatr, wilgotność, temperatura wewnątrz zabudowy oraz czas, jaki upłynął od rozpoczęcia chłodzenia. Termografia jest więc przede wszystkim narzędziem diagnostycznym, a nie samodzielnym testem zgodności z wymaganiami ATP.

Największą wartość daje wtedy, gdy można porównać różne fragmenty tego samego nadwozia w podobnych warunkach. Jeżeli większość powierzchni zachowuje podobny rozkład temperatury, a jeden obszar wyraźnie się od niego różni, jest to sygnał, że warto sprawdzić konstrukcję dokładniej.

W przypadku używanej naczepy takie badanie może być szczególnie interesujące. Pozwala bowiem znaleźć problemy, których nie widać podczas zwykłych oględzin. Dotyczy to również miejsc, które przez lata były narażone na uderzenia, naprawy lub wielokrotne otwieranie i zamykanie.

Najwięcej można stracić tam, gdzie najczęściej pracuje człowiek

W konstrukcji chłodni są miejsca, które z założenia są bardziej skomplikowane od dużych, płaskich powierzchni ścian. Jednym z najlepszych przykładów są drzwi.

Każde otwarcie powoduje wymianę powietrza pomiędzy wnętrzem a otoczeniem, dlatego drzwi są jednym z istotnych elementów bilansu cieplnego. Do tego dochodzi ich konstrukcja, rama, zawiasy, zamki i uszczelnienie. W przeciwieństwie do dużej powierzchni panelu jest tu znacznie więcej elementów, które mogą stworzyć lokalne drogi przewodzenia ciepła.

Podobnie wygląda sytuacja w narożnikach oraz na styku podłogi i ścian. Są to miejsca, w których trzeba jednocześnie rozwiązać kwestie wytrzymałościowe, szczelności i izolacyjności. Projektant nie może po prostu zastosować w każdym miejscu identycznej warstwy izolacyjnej, ponieważ nadwozie musi również przenosić obciążenia i pracować podczas jazdy.

To właśnie kompromisy konstrukcyjne sprawiają, że analiza chłodni wyłącznie przez pryzmat parametrów materiału izolacyjnego może być myląca. Materiał może mieć bardzo dobre właściwości laboratoryjne, ale gotowe nadwozie jest znacznie bardziej złożonym układem.

Badania nad właściwościami cieplnymi pojazdów chłodniczych pokazują zresztą, że samo określenie współczynnika K dla materiału nie wystarcza do dokładnego przewidzenia zachowania całego pojazdu. W modelu trzeba uwzględnić również lokalizację i geometrię mostków termicznych.

Z punktu widzenia użytkownika oznacza to jedną prostą rzecz: podczas oględzin chłodni warto patrzeć również na miejsca, które wydają się „drugorzędne”. Stan drzwi, narożników, połączeń, mocowań czy podłogi może mieć większe znaczenie dla rzeczywistej izolacyjności niż kilka dodatkowych milimetrów materiału w ścianie.

Dobra chłodnia to konstrukcja, która zachowuje swoje właściwości przez lata

Mostki termiczne są jednym z przykładów problemu, którego nie da się ocenić wyłącznie na podstawie katalogowej grubości ściany. Liczy się cały układ: materiał izolacyjny, sposób wykonania paneli, konstrukcja nośna, połączenia, drzwi, podłoga, dach oraz jakość wykonania.

Ma to szczególne znaczenie dlatego, że naczepa chłodnicza pracuje w warunkach, które z czasem wpływają na jej właściwości. Wielokrotne otwieranie drzwi, zmiany temperatury, wilgoć, mycie, obciążenia podczas jazdy i naprawy eksploatacyjne powodują, że konstrukcja po kilku latach nie znajduje się już w dokładnie takim samym stanie jak w dniu opuszczenia fabryki.

Wymagania ATP określają minimalne parametry izolacyjności dla odpowiednich klas wyposażenia, ale sama zgodność z wymaganiami nie mówi jeszcze wszystkiego o późniejszej eksploatacji. Istotna jest trwałość całego rozwiązania i to, jak konstrukcja zachowuje swoje właściwości w czasie. ATP przewiduje również okresową kontrolę wyposażenia i możliwość ponownego badania właściwości izolacyjnych.

Dlatego przy zakupie nowej lub używanej chłodni warto patrzeć szerzej niż na samą grubość panelu. Istotne jest, jak rozwiązano połączenia poszczególnych elementów, w jaki sposób ograniczono przewodzenie przez konstrukcję, jak wykonano drzwi i narożniki oraz czy proces produkcji zapewnia powtarzalność wykonania.

W przypadku producentów takich jak LeciTrailer znaczenie ma więc nie pojedynczy parametr zapisany w specyfikacji, ale sposób projektowania i produkcji całego nadwozia. Automatyzacja procesu, kontrola jakości połączeń czy powtarzalność wykonania mogą mieć bezpośrednie przełożenie na to, czy założenia projektowe zostaną zachowane również w gotowym pojeździe.

Ostatecznie mostek termiczny jest niewielkim fragmentem całej konstrukcji, ale dobrze pokazuje szerszą zasadę obowiązującą w transporcie chłodniczym: o właściwościach naczepy decyduje nie jeden parametr, lecz sposób, w jaki wszystkie elementy współpracują ze sobą. Właśnie dlatego oceniając chłodnię, warto patrzeć na nią jako na kompletny system, a nie wyłącznie na grubość jej ścian.