ВАККУМНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В странах Северной Европы наблюдается устойчивая тенденция повышения требований к теплозащите спостроек. Эта задача принимается решение как правило увеличением толщины слоя теплоизоляции, что, но, усложняет выполнение работ и уменьшает полезную площадь сооружений. В следствии этого производство высокоэффективного теплоизоляционного материала является в текущее время актуальной задачей в строительстве.

Современные перспективы улучшения качества теплоизоляции связывают с использованием вакуумированных материалов. А как известно, теплопроводимость всевозможных материалов быть может существенно снижена при помещении них в вакуум. Во почти всех работах для обеспечения высокого термического сопротивления ограждающих конструкций предлагается использовать полые вакуумные изоляционные панели. В пространстве меж стенками панели создается высокий вакуум, и перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью воздуха, буквально исключается. С помощью применения ряда технических решений толщину стен панели площадью 1 м2 посчастливилось понизить до 0,2 милиметр. Но обеспечить высокую степень вакуума в межстеночном пространстве панели на протяжении срока службы вполне достаточно непросто, а выход в свет даже не очень большого давления (10?4 –10?5 бар) приводит к существенному (на порядки) смещению в худшую сторону теплоизоляции. Кроме всего прочего значительная толика тепла в таких панелях передается сквозь вполне достаточно толстые стены металлической оболочки.

Не менее перспективным направлением является вакуумная теплоизоляция, другими словами производство вакуумных изоляционных панелей с наполнителем из пористых материалов – мелких порошков либо аэрогелей. Физические принципы данного на подобии теплоизоляции разработаны гораздо в 60-е годы прошлого столетия, но использовалась они только лишь в технике глубокого охлаждения.

Современная разработка производства пленочных упаковочных материалов дает возможность вырабатывать теплоизоляцию с вакуумированием для массового применения в строительстве. Коэффициент теплопроводности данных изделий может достигать значения 0,002 Вт/(м•К), что не менее чем намного ниже по традиции используемых в строительстве утеплителей.

Физические принципы создания теплоизоляции с вакуумированием порошковых материалов

Фотографией 1. Вакуумная теплоизоляционная панель рядышком с блоками традиционных утеплительных материалов – пенополистирола и пенополиуретана с такими же теплопроводящими свойствами наглядно демонстрирует привилегию на взгляд уменьшения слоя утеплителя.

Для понимания высоких теплоизоляционных качеств вакуумной теплоизоляции надо вспомнить механизмы переноса тепла. Главный механизм переноса тепла в твердых телах – это же теплопроводимость. При нагревании 1-го из концов металлического стержня поток тепла движется к его другому концу.

Путем теплопроводности тепло может переноситься и сквозь газы. При всем при этом быстрые молекулы теплого слоя газа сталкиваются с медленными молекулами располагающегося рядом холодного слоя. В следствии появляется поток тепла. Газы из легких молекул (водород) проводят тепло желательно, чем тяжелые газы (азот).

Путем конвекции теплоперенос осуществляется лишь в газах и жидкостях и базируется на тамошнем, что при нагревании газа его герметичность делается меньше. При неравномерном нагревании не менее легкие слои поднимаются, тяжелые опускаются. Вертикальный поток теплоты, имеющий отношение к делам связанным с сиим движением, обычно, существенно превосходит поток, имеющий отношение к делам связанным с теплопроводностью.

Излучение – это же механизм передачи теплоты электромагнитными волнами. Таким путем происходит нагревание солнцем поверхности почвы. Способность туловища поглощать и излучать электромагнитные волны определяется его атомной структурой.

Рис 2. Стройматериалы с вакуумированием сохраняют свои теплоизоляционные характеристики даже при высоком давлении.

Вакуумная разработка дает возможность исключить все три механизма передачи тепла. Сосуд Дьюара, либо термос, – широко знаменитый пример вакуумной изоляции. В пространстве меж двойными стенками сосуда Дьюара создается глубокий вакуум порядка 10?2 Пa. В следствие чего перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью, буквально на сто процентов устранен, и теплопроводимость только лишь минимальна – 10?3 – 10?4Вт/(м•К). Целесообразность создания глубокого вакуума существенно ограничивает полномочия выбора формы сосуда и конструкционных материалов. Так как разгерметизация сосуда способна не соблюсти теплоизоляцию, его стены обязаны быть совершенно газо- и влагонепроницаемы. Имея цель снижения радиационного переноса тепла меж стенками сосуда Дьюара список используемых материалов ограничен стеклом и металлом с металлическим напылением.

Известно, что теплопроводимость газов буквально не находится в зависимости от давления до того времени, пока длина свободного пробега молекулы газа не становится сравнимой с размерами полости, в какой располагается газ. Это же событие настоятельно просит создания глубокого вакуума для существенного снижения теплопроводности прослойки меж разделяемыми средами, однако вмести с этим, данное свойство послужило основой для применения мелкопористых материалов в виде теплоизоляции.

Использование мелкодисперсных пористых материалов дает возможность решить задачу создания утеплителей с очень малым значением коэффициента теплопроводности при во много раз не более жестких требованиях к конструкции теплоизоляционной системы и степени разрежения воздуха.

Требования к свойствам материалов для вакуумной теплоизоляции и базы расчета теплоизоляционных систем указанного на подобии а также разработаны в 60-е годы прошлого века, в тамошнем числе в разработках советских научных работников.

Основную участие в ходе передачи тепла в пористых порошковых структурах играется газ, который находится в порах. Чем меньше размеры пор либо пустот материала и разветвленнее его структура, тематик раньше внутри него достигается условие высокого вакуума и желательно его теплофизические характеристики. Настолько, в микропористом материале с размером пор 10?8 м механизм передачи тепла сквозь молекулы воздуха буквально исключается уже при давлении 100 Па. Все материалы наполнителей вакуумных изоляционных панелей при высоких уровнях вакуума имеют сравнимые параметры, значительная разница среди них возникает при увеличении внутреннего давления до 10–100 Па.

В таблице 1 приведены экспериментальные и расчетные значения коэффициента эффективной теплопроводности ряда дисперсных материалов, которые находятся в воздушной среде с различной степенью разрежения.
Таблица 1.
Порошок Объем частиц, милиметр Давление газа, н/м2•1,33 Пористость, П lэфф, Вт/м•град Порошок Объем частиц, милиметр Давление газа, н/м2•1,33 Пористость, П lэфф, Вт/м•град
Кварцевый песок,
T=300 °К 0,78 105 0,354 0,44 Перлит, 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
Порошко-образный 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
Перлит, 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

Заметим, что все материалы наполнителей обладают сравнимыми характеристиками при высоких уровнях вакуума до 1 Па. Значительная разница среди них возникает при не очень большом увеличении внутреннего давления.

Из приведенных в таблице материалов наиболее перспективными представляются кремнегели с размером частиц 5•10?3 милиметр и пористостью до девяносто пять процентов, также перлит с высокой степенью пористости (до девяносто пять процентов). Коэффициент теплопроводности этих материалов не превосходит 0,003 Вт/(м•К) до значений давления газа 100 Па для кремнегеля и 10 Па для перлита, что намного ниже, нежели у по традиции используемых теплоизоляционных материалов.

Представленные в публикации немецких создателей за 1999 год зависимости влияния внутреннего давления на теплопроводимость для вакуумной панели на базе Porextherm Vacupor-наполнителя по сравнению с панелями, сделанными на базе иных наполнительных материалов, имеют не плохое совпадение с представленными в таблице числовыми данными.

Технологические критерии использования и производства порошковой теплоизоляции с вакуумированием

Теплоизолирующие характеристики и длительность жизни вакуумной изоляционной панели определяются почти всеми факторами: свойствами наполнителя; начальным уровнем вакуума в панели; проницаемостью оболочки; количеством и эффективностью поглотителя остатков газа; размером и толщиной панели; условиями ее работы.

Рис 3. Расчетная схема теплоизоляции пола с применением вакуумных теплоизоляционных панелей.

Вакуумная теплоизоляционная панель состоит из пористого материала-наполнителя, помещенного в непроницаемую оболочку. Воздух в панели откачивается до давления от 0,1 до 100 Па, после этого оболочка герметизируется. На рис. 1 (фотографией создателя) представлена вакуумная теплоизоляционная панель рядышком с блоками традиционных утеплительных материалов – пенополистирола и пенополиуретана с такими же теплопроводящими свойствами. Наглядно видно привилегию нового материала на взгляд уменьшения слоя утеплителя, что чрезвычайно важно в строительстве.

Участие наполнителя сводится к следующему:
поддержание стены панели – внешнее давление 105 Па значит, что атмосферный столб весом почти 1 т давит на оболочку панели размером 30 см2;
ограничение движения газовых молекул – чем меньше величина пор наполнителя, особенно по всей видимости, что молекулы будут сталкиваться с его частицами, а не меж собой; именно тем снижаются требования к начальному разряду разрежения в пакете;
исключение радиационного механизма передачи тепла сквозь наполнитель – для сего в его состав довольно часто внедряют вещества (в частности, диоксид титана), поглощающие и рассеивающие ИК-электромагнитные волны.

В текущее время коммерческие материалы для вакуумных панелей включают пенополистирол, пенополиуретан, дымный кремнезем и осажденный кремнезем, аэрогели. Дымный кремнезем и аэрогели превышают все типы наполнителей даже при что же касается высоких давлениях (до тысячи Па) внутри пакета. Вероятность сравнительно высокого начального давления обеспечивает увеличение продолжительности жизни теплоизоляционного пакета.

Оболочки для вакуумных пакетов состоят из пары слоев и включают в себя чрезвычайно тонкую металлическую пленку (алюминий), на которую для придания механической прочности с обеих сторон наносят слой пластика. Они имеют отменные барьерные параметры, однако могут проводить заметное количество тепла сквозь торцы. Этот «краевой спецэффект» существенно снижает эффективность панелей. Имея цель его уменьшения до минимального количества некоторые оболочки изготавливают по технологии тонкопленочного напыления (осаждения), дающей возможность изготовить слой алюминия гораздо тоньше.

Существует вполне достаточно не мало коммерчески доступных пленок. Для того, чтобы сформировать оболочку (пакет) для наполнителя, пленка заваривается по бокам. Тонкий слой пластика с низкой температурой плавления как правило наносится на внутреннюю поверхность пленки, после этого она быть может заварена под воздействием температуры и давления. Проницаемость сварных соединений пластика для газа и воды намного лучше, чем проницаемость прочий поверхности оболочки. Для минимизации сего отрицательного эффекта производители стремятся сократить толщину сварного соединения и изготовить его шире.

Для роста продолжительности эксплуатации панелей используют поглотители воды и газов. Важно, для того, чтобы количество и тип поглотителя соответствовали наполнителю и типу оболочки панели, также времени ее эксплуатации. Наполнитель на базе пенопластиков не имеет возможности адсорбировать ни газов, ни воды. Тогда его необходимо вводить в оболочку панели. Мелкопористые наполнители на базе кремнезема сами собой являются естественными адсорбентами либо поглотителями. Таким образом, поглотитель в панелях на базе этих материалов не требуется даже при эксплуатационном периоде 10–20 лет, ежели в ход идет соответствующий материал оболочки. Поглотители могут существенно прирастить цена панели и, обычно, включают соли тяжелых металлов, небезопасные для находящейся вокруг среды.

Большая часть материалов, помещенных в оболочку с низким давлением, выделяют газы. Них тип и количество, а как и время выделения, изменяются от материала к материалу. Выделенные газы могут внести существенный вклад в увеличение внутреннего давления (либо снижение вакуума в панели). В некоторых случаях скорость выделения газов из материалов наполнителя и оболочки превосходит скорость, с которой они просачиваются извне. Существуют материалы, не выделяющие газа как говорится, во почти всех этот процесс не прекращается ни разу. Газовые молекулы просачиваются а как сквозь оболочку, настолько и сквозь сварное соединение.

Рис 4. Расчетная схема наружного утепления здания с применением вакуумных теплоизоляционных панелей.

Чем все больше панель, тематик все больше соотношение меж ее поверхностью и поверхностью сварного шва и напротив. Следовательно, выбор подходящего материала оболочки просит, для того, чтобы ее характеристики и характеристики шва соответствовали типу и размеру панелей. Более заметное влияние на них эффективность оказывает толщина. Ее уменьшение в 2 раза во столько же раз сокращает время службы панелей, так как объем поверхности и сварных соединений остается прежним, а изоляционный размер делается меньше в два раза. Хотя скорость проникновения газов сквозь оболочку и сварное соединение такое же, давление внутри оболочки будет расти в 2 раза быстрее, поскольку ее размер в 2 раза меньше.

Правила использования оказывают большое влияние а как на величину ее срока, настолько и на пригодность (Пригодность – это вероятность использовать панель для данных правил использования). Пенопласты имеют ограниченный температурный спектр, вне которого могут возникать деформации, которые делают панель буквально бесполезной. В частности, верхний лимит для пенополистирола 88 °С, панели с кремнеземным наполнителем используются при температурах до 500 °С.

Ежели применена подходящая оболочка, правила использования оказывают большое влияние на срок эксплуатации изделий, так как проницаемость них оболочки и сварного соединения для водяных газов и паров изменяется с температурой. Повышенные температуры увеличивают проницаемость, а при низких движение молекул замедляется. Следствием высокой концентрации газа в округе панели является повышение постепенно его концентрации внутри оболочки и, таким образом, увеличение теплопроводности. Чем меньше молекула газа, тематик быстрее она просачивается вовнутрь панели и сильнее оказывает большое влияние на теплопроводимость. Настолько, ежели поместить панель в полиуретановую оболочку (этакий алгоритм применяется в холодильниках), время жизни изделия увеличится, так как во внутреннюю полость тяжелые молекулы, выделяемые пластиком, просачиваются тяжело. По причине огромного размера они не стают тем же хорошим переносчиком теплоты, а как молекулы азота либо кислород. Так же для водяных паров: чем свыше влажность воздуха вокруг панели, тематик быстрее вовнутрь ее просачивается влага и тематик свыше будет концентрация водяных паров, когда достигается равновесие.

Использование вакуумной теплоизоляции в строительстве

Ежели в предыдущие десятилетия порошковая теплоизоляция с вакуумированием употреблялась в основном в криогенной технике, то современные способы изготовления мелкопористых и упаковочных материалов позволяют массового использования этой технологии утепления в строительстве.

В 1999 году первый раз в строительной практике вполне достаточно огромная площадь (в пределах 40 м2) фасада лабораторного здания в г. Вюрцбург (Германия) существовала утеплена вакуумными панелями, наполнителем в каких служил микропористый кремнезем. Из представленного графика (рис. 2) видно, что изделия из данного материала сохраняют свои теплоизолирующие характеристики (0,002 ? 0,008 Вт/(м•К)) до давления газа внутри панели в пределах 10000 Па, что составляет 0,1 атмосферного.

Научные исследования, проведенные опосля года эксплуатации, показали устойчивость качеств панелей. Давление внутри них выросло за эту пору на 100 Па.

Таким образом, при данном исходном давлении изделие будет сохранять свои теплоизолирующие характеристики по крайней мере 100 лет. Применение в вакуумной панели более крупнопористого материала (в частности, пенополистирола с открытой пористостью) приводит к увеличению значения коэффициента теплопроводности до этого же значения уже при давлении внутри панели на уровне 200 Па (рис. 2), другими словами изделия из данного материала сохранят свои характеристики в течении менее 2 лет.

При использовании вакуумных теплоизоляционных панелей необходимо учесть обязательное требование сохранения них герметичности. Это накладывает определенные ограничения на конструкцию систем утепления и первостепенные сферы применения таких изделий, например в трехслойных стеновых панелях. Ежели в них современной конструкции нужен слой утеплителя более 15 сантиметров, то благодаря вакуумным панелям его толщина станет меньше до 2 сантиметров. При всем при этом изделие будет защищено с 2-х сторон от механических повреждений слоями бетона. Упростится конструкция системы утепления, поскольку снизятся требования к прочности гибких связей меж слоями бетона. Возможно использование вакуумных панелей меж слоями кирпичной кладки, также для утепления перекрытий верхнего и пола 1-го этажей.

Есть примеры применения вакуумных теплоизоляционных панелей для утепления фасада здания при его санировании, также пола в помещении в сфере балкона пассивного здания. На рис. 3 представлена расчетная схема теплоизоляции пола. На бетонную плиту укладывается полиэтиленовая пленка, после этого плита экструдированного пенополистирола (2 сантиметров), на которой лежат два слоя вакуумных панелей толщиной по 2 сантиметров каждая, что нужно для устранения мостиков холода сквозь стыки панелей. После этого очередная плита экструдированного пенополистирола, покрытая полиэтиленовой пленкой. Общее термическое сопротивление системы составляет 11,8 м2•К/Вт.

Для высотного строительства имея цель уменьшения толщины наружных стенок рядом ученых-исследователей предложено использование вакуумных панелей в трехслойной конструкции, где наружным слоем служит стекло, а внутренним – металлический лист. Имеются а также примеры применения данных изделий в всевозможных строй конструкциях. Настолько, не без помощи вакуумной теплоизоляции выполнялась тепловая модернизация старого здания. Для устранения перегрева его восточной части в летнее время использовалась размещенная меж внутренней стеной здания и наружной облицовкой из кирпича полупрозрачная ширма с электродвигателем, выдвигающим ее перед окном. Меж ширмой и внутренней стеной здания имея цель устранения теплопотерь установлена вакуумная теплоизоляционная панель. Расчетная схема наружного утепления здания с применением вакуумных теплоизоляционных панелей представлена на рис. 4.

Следовательно, современное состояние техники упаковочных материалов дает возможность воплотить вакуумную теплоизоляцию на базе порошковых материалов. Эта разработка нынче с успехом продвигается на рынках Западной Европы и обнаруживает применение а как в новом строительстве, настолько и при выполнении работ по тепловой модернизации спостроек. Сравнивая с традиционными, преимущества нового теплоизоляционного материала не подвергаемы сомнению. Он дает возможность сократить толщину слоя утеплителя при увеличении сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции.

Нынче, с нашей точки зрения, имеется настоятельная целесообразность организации серийного выпуска вакуумной теплоизоляции для массового использования в строительстве. Создание необходимых упаковочных материалов по западным технологиям быть может освоено а как в Российской Федерации, настолько и в Беларуси. Установки для создания вакуума хоть какой степени имеются на промышленных предприятиях радиотехнического профиля, выпуск аэрогелей в состоянии сделать отечественная хим индустрия.

Оставить комментарий