VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

В связи с регулярным и очень быстрым ростом цен на энергоресурсы становится актуальным вопрос о снижении энергозатрат. Сегодня все большую и большую популярность для поддержания необходимого микроклимата в квартирах, домах и офисах приобретает утепление стен и утепление фасадов зданий. Утепление дома ведет не только к уменьшению потери теплоты во внутренних помещениях, но и гарантирует снижение теплообмена в теплое время года, способствуя поддержанию стабильной комфортной температуры. Применение теплоизоляции способствует защите стен от конденсата и сырости, которые могут вызвать появление плесени и грибка, кроме того утепление стен и утепление фасадов зданий - это дополнительная звукоизоляция, которая делает помещения более комфортными.

Потеря тепловой энергии помещений происходит за счет высокого коэффициента теплопроводности ограждающих конструкций, а также через гравитационную вентиляцию. Эти факторы ранее не учитывались в строительстве, поскольку энергоносители были относительно не дорогими, но в процессе их удорожания возник вопрос сбережения тепла в помещениях. Если ранее утепления зданий добивались путём увеличения толщины стен, то в настоящее время, с появлением современных теплоизолирующих материалов, в этом отпала необходимость. Такие материалы лёгкие, обладают высокой морозостойкостью и низкой теплопроводностью, применяются не только при строительстве новых зданий, но и при ремонте существующих.

Новые перспективы в улучшении теплозащиты зданий и снижении теплопотерь через ограждающие конструкции связаны с разработкой и использованием вакуумированных теплоизоляционных материалов нового поколения с коэффициентом теплопроводности на порядок меньшим, чем у традиционной теплоизоляции [1,2].

Создание вакуумной теплоизоляционной панели основано строго на законах физики, говорящих, что отсутствие или снижение давления внутри пористого материала повышает его теплоизоляционные свойства. Соответственно, материал выполнен на основе открытой пористой структуры и заключен в газонепроницаемую оболочку и имеет три основных компонента:

- «Базовый материал», который придает механическую прочность и теплоизоляционные свойства путем предотвращения свободного потока газа (молекул воздуха) и тем самым снижает возможность передачи теплоты через проводимость воздуха. В идеале базовый материал должен иметь открытую ячеистую структуру с очень маленьким размером пор, сопротивлением сжатию под действием атмосферного давления и очень высокой устойчивостью к инфракрасному излучению;

- «Газонепроницаемый барьер», который служит барьером для воздуха и паров и является корпусом для основного материала. Тепловые свойства вакуумной панели сильно зависят от характеристик этого материала;

- «Адсорбент», который добавляется в основной материал для адсорбции остаточной влаги, влаги проникающей с атмосферными газами или водяного пара внутрь панели. Добавление адсорбента увеличивает производительность и долговечность вакуумной теплоизоляционной панели.

Оболочки современных вакуумных изоляционных панелей содержат алюминиевую фольгу толщиной 3–10 мкм. На нее для увеличения механической прочности с обеих сторон наносят тонкий слой пластика, на внутреннюю поверхность – пластик с низкой температурой плавления. При изготовлении панели фольгу заваривают под воздействием температуры и давления. Такие оболочки имеют хорошие барьерные характеристики. Наполнитель поддерживает стенки, ограничивает движение оставшихся газовых молекул и обеспечивает заданную форму панели. Ее теплофизические характеристики и срок службы определяются свойствами наполнителя, начальным уровнем вакуума, проницаемостью оболочки, эффективностью адсорбентов, размерами и условиями эксплуатации. Такие панели в Западной Европе уже производят и используют в строительной практике.

Технология вакуумных изоляционных панелей стала коммерчески доступной с появлением дешевых наполнителей на основе легких пористых материалов. В Германии, США получены материалы наполнителей с коэффициентом теплопроводности 0,0022 Вт/(мК) и плотностью меньше 10 м³/кг, теплофизические характеристики изготовленных изоляционных панелей в 5–10 раз превосходят характеристики лучших теплоизоляционных материалов. Их использование при строительстве зданий позволит увеличить полезную площадь жилья за счет уменьшения толщины утеплителя, снизив при этом уровень теплопотерь в 5–6 раз.

В отечественных разработках в качестве наполнителя вакуумных теплоизоляционных панелей был использован пирогенный кремнезем.

Пирогенный кремнезем – высокодисперсный, высокоактивный, пирогенный диоксид кремния (химическая формула – SiO₂), получаемый пламенным гидролизом четыреххлористого кремния (SiCl₄) высокой чистоты. Продукт пожаро- и взрывобезопасен, не оказывает общетоксического действия. Он представляет собой чистый аморфный непористый диоксид кремния с наноразмером частиц от 5 до 40 нм. Это чрезвычайно легкий белый порошок, который в тонком слое кажется полупрозрачным, голубоватым. Частицы пирогенного кремнезема образуют физические хлопьевидные агрегаты, объем которых на 98% заполнен воздухом.

Размер частиц пирогенного кремнезема составляет 10–40 нм для марок 175, 200; 5–20 – для марки 300; 5–15 нм – для марки 380. Он отличается очень низкой теплопроводностью, обладает хорошими адсорбционными свойствами, особенно к полярным веществам, и является ценным термоизоляционным материалом. В качестве наполнителя пирогенный кремнезем нашел многостороннее применение, которое полностью основано на таких свойствах, как чрезвычайно маленькие размеры частиц, их однородность, сферическая форма и высокая степень чистоты.

В составе панели для продления жизни использован также адсорбер. Он поглощает газы, выделяемые компонентами панели и проникающие внутрь через ее оболочку. К материалу вакуумного пакета в зависимости от условий эксплуатации предъявляются самые разные требования: механическая прочность на разрыв, прокол, истираемость, химическая стойкость, выдерживание низких и высоких температур, свариваемость, непроницаемость или выборочная проницаемость к газам, антистатичность и т.д. Достичь нужного результата позволяет экструзия расплава полимеров с нужными характеристиками в единую структуру. В случае, если эти полимеры плохо совместимы, их соединяют посредством клеящих веществ. Изготовленная подобным образом многослойная пленка обладает широким набором требуемых качеств. Если добавить ламинирование, можно получить еще более сложные структуры и более полный спектр функций упаковки.

При производстве вакуумных изоляционных панелей выполняются следующие технологические операции:

- взвешивание порций порошка и сорбента;

- перемешивание порошка и сорбента;

- уплотнение полученной смеси на прессе с целью формования вакуумных изоляционных панелей;

- укладка пакета в упаковку;

- вакуумирование пакета и запаивание торцов.

ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С.С.» разработана технология производства и получены образцы отечественной вакуумной порошковой теплоизоляции для использования в системах утепления зданий. Экспериментально измеренное значение коэффициента теплопроводности нового материала находится в диапазоне 0,002–0,004 Вт/(м^.К), что на порядок меньше, чем у лучших отечественных теплоизоляционных материалов, и сравнимо с теплотехническими свойствами вакуумных изоляционных панелей, выпускаемых фирмами Западной Европы.

Для обеспечения одного и того же термического сопротивления теплопередаче применение вакуумной изоляции позволяет уменьшить толщину изоляционного слоя в 6 - 10 раз по сравнению с другими материалами (см. таблицу).

Таблица

Теплотехнические характеристики некоторых строительных материалов

Материал	Толщина материала, , м	Коэффициент теплопроводности, , Вт/(м.оС)	Сопротивление теплопередаче Ro, (м2.оС)/Вт	Коэффициент теплопередачи, К, Вт/(м2.оС)
Вакуумная теплоизоляция	0,046	0,0046	10	0,1
Пенополиуретан	0,28	0,028	10	0,1
Пенополистирол	0,30	0,030	10	0,1
Минеральная вата	0,46	0,046	10	0,1
Стекловата	0,48	0,048	10	0,1
Кирпичная кладка	4,6	0,46	10	0,1

Для обеспечения термического сопротивления теплопередаче, равного 10, необходимо выложить 4,6 м кирпичной кладки, а можно применить вакуумную изоляционную панель толщиной всего 4,6 см.

Для обеспечения одних и тех же тепловых характеристик применение вакуумной изоляции позволяет уменьшить вес изоляционного слоя в 2 – 6 раз.

С использованием вакуумных изоляционных панелей можно действительно получить очень эффективную и одновременно тонкую теплоизоляцию ограждающих конструкций. Причем применение данного типа теплоизоляции для наружного утепления стен зданий из-за низких теплопотерь, приводит к повышению значения температур на внутренних поверхностях наружных стен зимой, даже без отопительных приборов. Благодаря этому разница между температурами излучения из различных направлений в помещении незначительна, что является хорошей предпосылкой для обеспечения комфорта внутри здания. Высокие значения температур на внутренних поверхностях наружных стен приводят, кроме того, к уменьшению влажности на поверхностях строительных конструкций. В результате чего исключены повреждения строительных конструкций (вследствие их увлажнения) из-за высокой влажности внутреннего воздуха. В летнее время температура наружного воздуха выше температуры внутри помещения, таким образом, при хорошей теплоизоляции ограждающих конструкций можно достаточно охладить воздух в помещении благодаря ночному проветриванию и эффективно удержать прохладу в течение дня.

Библиографический список

1. Васильев, Л.Л. Теплопроводность неметаллических зернистых систем / Л.Л. Васильев // Строительная теплофизика. – М., Л.: Энергия, 1966. – С. 48–56.

2. Данилевский, Л.Н. Вакуумная теплоизоляция и перспективы использования в строительстве / Л.Н. Данилевский // Архитектура и строительство. – 2006. – № 5. – С. 114 –117.

3. Кокоев, М.Н. Теплоизоляционное изделие с предельно низкой материалоемкостью /М.Н. Кокоев, В.Т. Федоров // Строительные материалы. –1998. – № 9. – C. 47-54.

4. Патент РФ 2144595. Вакуумное теплоизоляционное изделие / Кокоев М.Н.,Федоров В.Т. – Опубл. 20.01.2000., Бюл. № 2. – 3 с.

5. Кокоев, М.Н. Перспективы применения вакуумно-порошковой теплоизоляции в строительстве / М.Н. Кокоев, В.Т. Федоров // Строительные материалы. – 1997. – № 3. – С. 62-66.

Код для цитирования: Скопировать