Архітектура та будівництво

Сучасні архітектурні рішення

Вакуумна теплоізоляція та перспективи її використання в будівництві

У країнах північного поясу Європи є стійка тенденція підвищення вимог до теплозахисту будівель. Це завдання вирішується в основному збільшенням товщини шару теплоізоляції, що, однак, ускладнює виконання робіт і зменшує корисну площу споруд. Тому створення високоефективного теплоізоляційного матеріалу є в даний час актуальною задачею в будівництві.

Сучасні перспективи поліпшення якості теплоізоляції пов'язують з використанням вакуумованих матеріалів. Як відомо, теплопровідність різних матеріалів може бути значно знижена при приміщенні їх у вакуум. У багатьох роботах для забезпечення високого термічного опору огороджувальних конструкцій пропонується використовувати порожнисті вакуумні ізоляційні панелі [1]. У просторі між стінками панелі створюється високий вакуум, і перенесення тепла, обумовлений конвекцією і теплопровідністю повітря, практично виключається. За рахунок застосування ряду технічних рішень товщину стінок панелі площею 1 м2 вдалося знизити до 0,2 мм. Однак забезпечити високий ступінь вакууму в межстеночном просторі панелі протягом терміну експлуатації досить складно, а поява навіть невеликого тиску (10-4 -10-5 бар) призводить до істотного (на порядки) погіршення теплоізоляції. До того ж значна частка тепла в таких панелях передається через досить товсті стінки металевої оболонки.

Більш перспективним напрямком є створення вакуумних ізоляційних панелей з наповнювачем з пористих матеріалів - дрібних порошків або аерогелей [2-6]. Фізичні принципи даного типу теплоізоляції розроблені ще в 60-ті роки минулого сторіччя [2, 3], однак використовувалася вона лише в техніці глибокого охолодження.

Сучасна технологія виготовлення плівкових пакувальних матеріалів дозволяє виробляти теплоізоляцію з вакуумуванням для масового застосування в будівництві [4-9]. Коефіцієнт теплопровідності даних виробів може досягати значення 0,002 Вт / (м • К), що більш ніж на порядок нижче традиційно використовуваних в будівництві утеплювачів.

Фізичні принципи створення теплоізоляції з вакуумуванням порошкових матеріалів

Для розуміння високих теплоізоляційних властивостей вакуумної теплоізоляції необхідно згадати механізми переносу тепла. Основний механізм переносу тепла у твердих тілах - це теплопровідність. При нагріванні одного з кінців металевого стержня потік тепла рухається до його другого кінця. Шляхом теплопровідності тепло може переноситися і через гази. При цьому швидкі молекули теплого шару газу стикаються з повільними молекулами сусіднього холодного шару. В результаті виникає потік тепла. Гази з легких молекул (водень) проводять тепло краще, ніж важкі гази (азот). Шляхом конвекції теплоперенос здійснюється тільки в газах і рідинах і заснований на тому, що при нагріванні газу його щільність зменшується. При нерівномірному нагріванні більш легкі шари піднімаються, важкі опускаються. Вертикальний потік теплоти, пов'язаний з цим рухом, як правило, значно перевищує потік, пов'язаний з теплопровідністю. Випромінювання - це механізм передачі теплоти електромагнітними хвилями. Таким шляхом відбувається нагрівання сонцем поверхні землі. Здатність тіла випромінювати і поглинати електромагнітні хвилі визначається його атомної структурою. Вакуумна технологія дозволяє виключити всі три механізми передачі тепла. Посудина Дьюара, або термос, - широко відомий приклад вакуумної ізоляції. У просторі між подвійними стінками судини Дьюара створюється глибокий вакуум порядку 10-2 Пa. Через це перенесення тепла, обумовлений конвекцією і теплопровідністю, практично повністю усунутий, і теплопровідність виключно мала - 10-3-10-4Вт / (м • К). Необхідність створення глибокого вакууму значно обмежує можливості вибору форми судини і конструкційних матеріалів. Оскільки розгерметизація судини здатна порушити теплоізоляцію, стінки його повинні бути абсолютно газо-і вологонепроникні. З метою зниження радіаційного переносу тепла між стінками посудини Дьюара перелік використовуваних матеріалів обмежений металом і склом з металевим напиленням. Відомо [10], що теплопровідність газів практично не залежить від тиску до тих пір, поки довжина вільного пробігу молекули газу не стає порівнянної з розмірами порожнини, в якій знаходиться газ. Ця обставина вимагає створення глибокого вакууму для істотного зниження теплопровідності прошарку між поділюваними середовищами, як, наприклад, в [1], але в той же час дана властивість послужило основою для застосування дрібнопористою матеріалів в якості теплоізоляції. Використання дрібнодисперсних пористих матеріалів дозволяє вирішити завдання створення утеплювачів з надзвичайно малим значенням коефіцієнта теплопровідності при набагато менш жорстких вимогах до конструкції теплоізоляційної системи і ступеня розрідження повітря. Вимоги до властивостей матеріалів для вакуумної теплоізоляції та основи розрахунку теплоізоляційних систем зазначеного типу також розроблені в 60-ті роки минулого століття, в тому числі в дослідженнях радянських вчених [2, 3]. Основну роль в процесі передачі тепла в пористих порошкових структурах відіграє газ, що знаходиться в порах [2]. Чим менше розміри пор або пустот матеріалу та разветвленнее його структура, тим раніше в ньому досягається умова високого вакууму і краще його теплофізичні властивості. Так, у мікропористих матеріалів з розміром пор 10-8 м механізм передачі тепла через молекули повітря практично виключається вже при тиску 100 Па. Всі матеріали наповнювачів вакуумних ізоляційних панелей при високих рівнях вакууму мають порівнянні характеристики, значна різниця між ними з'являється при збільшенні внутрішнього тиску до 10-100 Па. У таблиці 1 з [2] наведені розрахункові та експериментальні значення коефіцієнта ефективної теплопровідності ряду дисперсних матеріалів, що знаходяться в повітряному середовищі з різним ступенем розрідження.

Порошок

Розмір часток, мм

Тиск газу, н/м2 • 1,33

Пористість, П

lефф, Вт / м • град

Порошок

Розмір часток, мм

Тиск газу, н/м2 • 1,33

Пористість, П

lефф, Вт / м • град

Кварцовий пісок, T = 300 ° К

0,78

105

0,354

0,44

Перліт, T = 77 ¸ 300 ° К

0,5

105

0,947

0,0328

0,435

105

0,377

0,4

0,5

104

0,947

0,0319

0,435

104

0,377

0,4

0,5

102

0,947

0,0164

0,435

103

0,377

0,394

0,5

101

0,947

0,0063

0,435

102

0,377

0,284

0,5

100

0,947

0,0028

0,435

101

0,377

0,104

0,5

101

0,647

0,0027

0,435

100

0,377

0,026

Кремнегель, T = 77 ¸ 300 ° К

5 • 102

105

0,95

0,0256

0,435

101

0,377

0,026

5 • 102

104

0,95

0,0147

0,15

105

0,400

0,37

5 • 102

103

0,95

0,0065

Порошкоподібний плексиглас, Т = 300 ° К

5 • 102

105

0,400

0,09

5 • 102

102

0,95

0,0030

5 • 102

104

0,400

0,084

5 • 102

101

0,95

0,0027

5 • 102

103

0,400

0,0668

5 • 102

100

0,95

0,0027

5 • 102

102

0,400

0,04

0,5

105

0,947

0,0328

5 • 102

101

0,400

0,0107

0,5

104

0,947

0,0319

5 • 102

100

0,400

0,0033

0,5

103

0,947

0,0284

5 • 102

101

0,400

0,0025

0,5

102

0,947

0,0164

Перліт, T = 77 ¸ 300 ° К

­

105

0,98

0,0279

0,5

101

0,947

0,0063

­

105

0,96

0,0348

0,5

100

0,947

0,0028

­

105

0,92

0,0455

Зауважимо, що всі матеріали наповнювачів володіють порівнянними характеристиками при високих рівнях вакууму до 1 Па. Значна різниця між ними з'являється при невеликому збільшенні внутрішнього тиску. З наведених тут найбільш перспективними представляються кремнегелі з розміром частинок 5 • 10-3 мм і пористістю до 95%, а також перліт з високим ступенем пористості до 95%. Коефіцієнт теплопровідності цих матеріалів не перевищує 0,003 Вт / (м • К) до значень тиску газу 100 Па для кремнегеля і 10 Па для перліту, що на порядок нижче ніж у традиційно використовуваних теплоізоляційних матеріалів. Представлені в публікації німецьких авторів 1999 р. [4] залежності впливу внутрішнього тиску на теплопровідність для вакуумного панелі на основі Porextherm Vacupor-наповнювача в порівнянні з панелями, зробленими на основі інших наповнювальних матеріалів, мають гарний збіг з представленими в таблиці числовими даними.

Технологічні аспекти виготовлення і використання порошкової теплоізоляції з вакуумуванням

Теплоізолюючі властивості і тривалість життя вакуумної ізоляційної панелі визначаються багатьма факторами: властивостями наповнювача; початковим рівнем вакууму в панелі; проникністю оболонки; кількістю та ефективністю поглинача залишків газу; розміром і товщиною панелі; умовами її роботи.

Вакуумна теплоізоляція та перспективи її використання в будівництвіВакуумна теплоізоляційна панель складається з пористого матеріалу-наповнювача, поміщеного в непроникну оболонку. Повітря в панелі відкачується до тиску від 0,1 до 100 Па, після чого оболонка герметизується. На рис. 1 (фото автора) представлена вакуумна теплоізоляційна панель поряд з блоками традиційних утеплювачів - пінополістиролу і пінополіуретану з такими ж теплопровідними властивостями. Наочно видно перевага нового матеріалу з точки зору зменшення шару утеплювача, що дуже важливо в будівництві.

Роль наповнювача потрійна:

1) наповнювач підтримує стінки панелі. Зовнішній тиск 105 Па означає, що атмосферний стовп вагою майже 1 т тисне на оболонку панелі розміром 30 см2;

2) наповнювач обмежує рух газових молекул. Чим менше величина пор наповнювача, тим більше ймовірно, що молекули будуть зіштовхуватися з його частками, а не між собою. Тим самим знижуються вимоги до початкового рівня розрідження в пакеті;

3) через наповнювач має бути виключений радіаційний механізм передачі тепла. Для цього в його склад часто вводять речовини (наприклад, діоксид титану), які розсіюють і поглинають ІЧ-електромагнітні хвилі.

В даний час комерційні матеріали для вакуумних панелей включають пінополістирол, пінополі-уретан, димний кремнезем і обложений кремнезем, аерогелі. Зокрема, димний кремнезем і аерогелі перевершують всі типи наповнювачів навіть при відносно високих тисках - до 1000 Па всередині пакету. Можливість порівняно високого початкового тиску забезпечує збільшення тривалості життя теплоізоляційного пакета.

Оболонки для вакуумних пакетів складаються з декількох шарів [4], містять дуже тонку металеву плівку (алюміній), на яку для додання механічної міцності з обох сторін наносять шар пластику. Вони мають відмінні бар'єрні характеристики, але можуть проводити помітну кількість тепла через торці. Цей "крайовий ефект" значно знижує ефективність панелей. З метою його зменшення до мінімуму деякі оболонки засновані на технології тонкоплівкового напилення (осадження), що дозволяє зробити шар алюмінію ще тонше.

Існує досить багато комерційно доступних плівок. Щоб сформувати оболонку (пакет) для наповнювача, плівка заварюється по краях. Тонкий шар пластику з низькою температурою плавлення зазвичай наноситься на внутрішню поверхню плівки, після чого вона може бути заварена під впливом температури і тиску. Проникність зварних з'єднань пластику для газу й вологи набагато краще, ніж проникність решти поверхні оболонки. Для мінімізації цього негативного ефекту виробники намагаються зменшити товщину зварного з'єднання і зробити його ширше.

Для продовження життя вакуумних панелей використовують поглиначі вологи і газів, які можуть опинитися всередині панелі, ретельно підібрані до їх кількості та типу. Важливо, щоб кількість і тип поглинача відповідали наповнювачеві і типом оболонки панелі, а також часу її експлуатації. Наповнювач на основі пінопластиків не може адсорбувати ні газів, ні вологи. У цьому випадку його необхідно вводити в оболонку панелі. Дрібнопористі наповнювачі на основі кремнезему самі по собі є природними адсорбентами або поглиначами. Отже, поглинач в панелях на основі цих матеріалів не потрібно навіть при експлуатаційному періоді 10-20 років, якщо використовується відповідний матеріал оболонки. Поглиначі можуть значно збільшити вартість панелі і, як правило, включають солі важких металів, небезпечні для навколишнього середовища.

Більшість матеріалів, поміщених в оболонку з низьким тиском, виділяють гази. Їх тип і кількість, як і час виділення, змінюються від матеріалу до матеріалу. Виділені гази можуть внести істотний внесок у внутрішнє тиск (або зниження вакууму в панелі). У деяких випадках швидкість виділення газів з матеріалів наповнювача і оболонки перевищує швидкість, з якою вони проникають ззовні. Є матеріали, не виділяють газу взагалі, у багатьох цей процес не припиняється ніколи.

Газові молекули проникають як через оболонку, так і через зварне з'єднання.

Вакуумна теплоізоляція та перспективи її використання в будівництвіЧим більше панель, тим більше співвідношення між її поверхнею і поверхнею зварного шва і навпаки. Таким чином, вибір відповідного матеріалу оболонки вимагає, щоб її властивості і властивості шва відповідали типу і розміру панелей. Більш помітний вплив на їх ефективність має товщина. Її зменшення в 2 рази на стільки ж скорочує час служби панелей, оскільки розмір поверхні і зварних з'єднань залишається колишнім, а ізоляційний обсяг удвічі менше. Хоча швидкість проникнення газів через оболонку і зварне з'єднання таке ж, тиск усередині оболонки буде рости в 2 рази швидше, так як її обсяг в 2 рази менше.

Умови експлуатації впливають як на час життя, так і на придатність. Придатність - це можливість використовувати панель для даних умов експлуатації. Пінопласти мають обмежений температурний діапазон, поза якого можуть виникати деформації, що роблять панель практично марною. Наприклад, верхня межа для пінополістиролу 88 ° С, панелі з кремнеземистого наповнювачем використовуються при температурах до 500 ° С.

Якщо застосована відповідна оболонка, умови експлуатації впливають на термін служби виробів, оскільки проникність їх оболонки і зварного з'єднання для водяних парів і газів змінюється з температурою. Високі температури збільшують проникність, а при низьких рух молекул сповільнюється. Наслідком високої концентрації газу в оточенні панелі є підвищення з часом його концентрації всередині оболонки і, отже, збільшення теплопровідності. Чим менше молекула газу, тим швидше вона проникає всередину панелі і сильніше впливає на теплопровідність. Так, якщо помістити панель в поліуретанову оболонку (такий метод застосовується в холодильниках), це допомагає продовжити час життя вироби, так як всередину її важкі молекули, що виділяються пластиком, проникають з працею. Через великий розмір вони не стають таким же гарним переносником теплоти, як молекули азоту або кисень. Аналогічно для водяних парів: чим вище вологість повітря навколо панелі, тим швидше всередину її проникає волога і тим вище буде концентрація водяної пари, коли досягається рівновага.

Використання вакуумної теплоізоляції в будівництві

Якщо в попередні десятиліття порошкова теплоізоляція з вакуумуванням вживалася переважно в кріогенній техніці, то сучасні способи виробництва пакувальних і дрібнопористою матеріалів дають можливість масового використання даної технології утеплення у будівництві [4-9]. У 1999 р. вперше в будівельній практиці досить велика площа (близько 40 м2) фасаду лабораторного будівлі у м. Вюрцбург (Німеччина) була утеплена вакуумними панелями, наповнювачем в яких служив мікропористий кремнезем [4]. З представленого графіка (рис. 2) видно, що вироби з даного матеріалу зберігають свої теплоізолюючі властивості (0,002 λ 0,008 Вт / (м • К)) до тиску газу всередині панелі близько 10000 Па, що становить 0,1 атмосферного. Дослідження, проведені після року експлуатації, показали стійкість властивостей панелей. Тиск всередині їх зросла за цей час на 100 Па. Отже, при даному вихідному тиску виріб буде зберігати свої теплоізолюючі властивості як мінімум 100 років. Застосування у вакуумній панелі більш крупнопористого матеріалу (наприклад, пінополістиролу з відкритою пористістю) показує збільшення значення коефіцієнта теплопровідності до цього ж значення вже при тиску всередині панелі на рівні 200 Па (рис. 2), тобто вироби з даного матеріалу збережуть свої властивості протягом не більше 2 років. При використанні вакуумних теплоізоляційних панелей необхідно враховувати обов'язкову вимогу збереження їх герметичності. Це накладає певні обмеження на конструкцію систем утеплення та першорядні сфери застосування таких виробів, зокрема в тришарових стінових панелях. Якщо в їх сучасній конструкції необхідний шар утеплювача не менше 15 см, то завдяки вакуумним панелям його товщина зменшиться до 2 см. При цьому виріб буде захищено з двох сторін від механічних пошкоджень шарами бетону. Спроститься конструкція системи утеплення, оскільки знизяться вимоги до міцності гнучких зв'язків між шарами бетону. Можливе використання вакуумних панелей між шарами цегельної кладки, а також для утеплення перекриттів верхнього і підлоги першого поверхів. В [5] наведені приклади застосування вакуумних теплоізоляційних панелей для утеплення фасаду будівлі при його санування, підлоги в приміщенні в області балкона пасивного будинку. На рис. 3 представлена схема теплоізоляції підлоги. На бетонну плиту укладається поліетиленова плівка, потім плита екструдованого пінополістиролу (2 см), на якій лежать два шари вакуумних панелей товщиною по 2 см кожна, що необхідно для усунення містків холоду через стики панелей. Потім ще одна плита екструдованого пінополістиролу, покрита поліетиленовою плівкою. Загальний термічний опір системи становить 11,8 м2 • К / Вт У [6] запропоновано використання вакуумних панелей в тришарової конструкції, де зовнішнім шаром служить скло, а внутрішнім - лист металу; в [7-9] - у висотному будівництві з метою зменшення товщини зовнішніх стін, наведені також приклади застосування даних виробів в різних будівельних конструкціях. Так, за допомогою вакуумної теплоізоляції виконувалася теплова модернізація старої будівлі [8]. Для усунення перегріву його східній частині в літній час використовувалася напівпрозора ширма з електродвигуном, що висуває її перед вікном, розміщена між внутрішньою стіною будівлі і зовнішнім облицюванням з цегли. Між ширмою і внутрішньою стіною будівлі з метою усунення тепловтрат встановлена вакуумна теплоізоляційна панель. Схема зовнішнього утеплення будівлі із застосуванням вакуумних теплоізоляційних панелей [9] представлена на рис. 4. Таким чином, сучасний стан техніки пакувальних матеріалів дозволяє реалізувати вакуумну теплоізоляцію на основі порошкових матеріалів. Ця технологія сьогодні успішно просувається на ринках Західної Європи і вживається як в новому будівництві, так і при виконанні робіт з теплової модернізації будинків. У порівнянні з традиційними переваги нового теплоізоляційного матеріалу незаперечні. Він дозволяє зменшити товщину шару утеплювача при збільшенні опору теплопередачі огороджувальної конструкції. Сьогодні, на наш погляд, є нагальна необхідність організації серійного випуску вакуумної теплоізоляції для масового використання в будівництві. Виробництво необхідних пакувальних матеріалів за західними технологіями може бути освоєно як в Росії, так і в Білорусі. Установки для створення вакууму будь-якого ступеня маються на підприємствах радіотехнічного профілю, випуск аерогелей в змозі налагодити вітчизняна хімічна промисловість.

Література

1. Кокоєв М. Н., Федоров В. Т. Вакуумне теплоізоляційне виріб. Патент РФ 2144595. Бюл. № 220.01.2000.

2. Васильєв Л. Л. Теплопровідність неметалічних зернистих систем / / Будівельна теплофізика. М., Л.: Енергія, 1966. С. 48-56.

3. Дульнєв Г. М., Сігалова Г. В. Теплопровідність моно-і полідисперсних зернистих матеріалів / / Будівельна теплофізика. М., Л.: Енергія, 1966. С. 40-47.

4. Caps R., Friscke J. Konzepte für den Einsatz, von evakuirten Dämmungen bei Passivhäusern. 4 Passivhaus Tagung, Kassel, Marz 2000. S. 171-177.

5. Caps R., Friscke J. Vakuumdämmungen in der Anvendung. 5 Passivhaus Tagung, Reutlingen, Februar 2001. S. 247-254.

6. Armin Binz Hightech-Materialen von dem Durchbruch. 9 Passivhaus Tagung, Ludvigshafen 2005. S. 219-224.

7. Ferle A. Einsatz von Vacuumdämmung in Hochbau. 8 Europäische Passivhaustagung 2004. Krems, Austria. S. 171-177.

8. Oehler S. Münsterländer Hof renoviert. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover. S. 57-62.

9. Diefernbach N. Modernisierung von Zweifamilienhäusern auf unterschiedliche energetische Standards unter einzatz von Großelementen mit Vakuumdämmung. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover. S. 63-68.

10. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. Фейнмановские лекції з фізики. Т. 4. М.: Мир, 1965.