Введение
В связи с разработкой новых теплоизоляционных материалов изменились технологии строительства и качество жизни в новых зданиях. Изоляционные материалы имеют повышенные эксплуатационные свойства, их разработчики воплощают основные принципы устойчивого развития - экологичность и безопасность. Конкретные задачи строительства решают за счет большого ассортимента продукции и эффективности разработанных материалов, используемых для изоляции домов, сооружений и тому подобное. Основной физической характеристикой этого класса материалов является теплопроводность, которая зависит от его природы, плотности, размера и геометрии пор. Кроме того, теплопроводность существенно изменяется под воздействием температуры и влажности.
Одна из главных задач, которую надо решить при строительстве или реконструкции жилых зданий - минимизация теплопотерь. Одним из вариантов, которому уделяется большое внимание со стороны инженеров и строителей, является развитие рынка теплоизоляционных материалов (утеплителей). Достигается это путем улучшения теплоизолирующих качеств ограждающих конструкций, что обеспечивает не только экономию средств на отопление и кондиционирование, но и повышение комфортных условий проживания в жилых домах и пребывания в общественных. С целью уменьшения расхода топливно-энергетических ресурсов современными нормами значительно повышены нормативные значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций жилых и гражданских домов, в соответствии с которыми новое строительство, модернизация и капитальный ремонт зданий не может происходить без применения эффективных теплоизолирующих материалов (утеплителей) [5].
Цель исследования проанализировать применение оптимальных паро-теплоизоляционных материалов для повышения энергоэффективности зданий.
Материалы и методика
В данном исследовании был проведен анализ различных теплоизоляционных материалов: минеральная вата, аэрогель, целлюлозная и отражающая изоляция.
Объектом исследования являлись показатели энергоэффективности теплоизоляционных материалов.
В качестве основных методов исследования использовались аналитический, метод классификации, сравнения и абстрагирования. Методы проведения исследовательской работы включали обзор литературных данных и нормативов, измерение и расчет коэффициента теплопроводимости с целью проведения сравнительного анализа требований к показателям энергоэффективности и свойствам изоляционных материалов, предъявляемых в таких стран, как США и Казахстана.
Эксперимент по сравнению коэффициентов теплопроводности различных материалов был проведен с целью оценки теплоизоляционных свойств материалов и определения их эффективности в передаче или удержании тепла. В качестве стены был выбран силикатный кирпич толщина - 250 мм, коэффициент теплопроводности - 0,81. В качестве влаго-ветрозащиты используем лист фанеры толщиной 8 мм.
Для сравнения с альтернативной изоляцией была принята минеральная вата.
Тепловой поток q = 21,68 при использовании минваты толщиной 50 мм;
q=10,37 при использовании аэрогеля толщиной 50 мм;
q=21,68 при использовании целлюлозной изоляции толщиной 50мм;
q= 18,22 при использовании отражающей изоляции толщиной 50мм;
В исследовании [8] проводился влажностный мониторинг конструкции стены с двойным разнесенным деревянным каркасом в новом коттедже в климатической зоне США 5А. Данная климатическая зона очень схожа с климатической зоной некоторых регионов Казахстана, а именно северной, восточной и северо-восточной части Казахстана. В данном случае для утепления использовались ЦИ (целлюлозная изоляция) и напыляемый пенополиуретан с открытыми ячейками. Внутренняя парозащита всех стен была выполнена с использованием гипсокартонных листов, а наружная обшивка состояла из ОСП (ориентированно-стружечной плиты). Паропроницаемость ЦИ толщиной 305 мм составляла 7...10 perms, или 0,44...0,63 мг/(м·ч·Па), а напыляемого ППУ с открытыми ячейками - 7,3 perms, или 0,46 мг/(м·ч·Па). Оба утеплителя в данном случае относятся к 3 классу парозащиты, то есть они являются полупаропроницаемыми.
1. Минеральная вата
Современные технологии позволяют создавать теплоизоляционные материалы высокой энергоэффективности, включая минеральную вату. [1]
В исследовании [11] рассмотрели использование минеральной ваты в качестве теплоизоляционного материала и оценили его эффективность в зданиях. В этом исследовании авторы установили, что использование минеральной ваты может снизить объем прохладного воздуха, проходящего через стены и крыши здания, а также помочь сберечь до 30 процентов энергии на отопление.
Требования к минеральной вате в США включают в себя минимальную теплоизоляцию, требования к маркировке, упаковке и методам установки. Кроме того, в США существуют различные стандарты в зависимости от местоположения здания и климатической зоны, в которой оно расположено.
Таблица 1.
Сравнительная таблица характеристик минеральной ваты стандартов США и Казахстана
|
Характеристика |
Стандарт США (ASTM C665) |
Стандарт Казахстана (ГОСТ 9573) |
|
Плотность, кг/м³ |
10-240 |
10-240 |
|
Теплопроводность, Вт/(м·К) |
0,032-0,044 |
0,032-0,044 |
|
Устойчивость к влаге |
Умеренная |
Умеренная |
|
Огнестойкость |
Класс A (негорючий) |
Класс А (негорючий) |
|
Звукоизоляция, дБ |
30-50 |
30-50 |
|
Температурный диапазон, °C |
-40 до +230 |
-40 до +230 |
|
Содержание органических веществ, % |
Не более 1 |
Не более 1 |
|
Содержание хлорида, % |
Не более 0,001 |
Не более 0,001 |
|
Содержание серы, % |
Не более 0,003 |
Не более 0,003 |
Соотношение нормативных и сверхнормативных затрат тепла на 1 кв. м панельного фасада, можно представить в виде графика. в соответствии с рисунком 1. На рисунке 2 можно увидеть тоже для кирпичного фасада.[6]
|
Рис. 1. Годовые затраты тепла на 1 кв. м панельного фасада |
Рис. 2. Годовые затраты тепла на 1 кв. м кирпичного фасада |
При выборе толщины утеплителя необходимо учитывать не только климатические условия, но и другие факторы, такие как толщина стен, наличие тепловых мостов и т.д.
2. Пенополистирол
Пенополистирол — это термопластичный полимер, который широко используется в строительстве для теплоизоляции и упаковки [9]. Стандарты на пенополистирол в США и Казахстане имеют некоторые сходства и различия. Стандарты США требуют, чтобы пенополистирол был классифицирован как «негорючий» в соответствии с ASTM E84, в то время как стандарты Казахстана требуют, чтобы пенополистирол был классифицирован как «горючий» или «негорючий» в соответствии с ГОСТ 30244.
По общим рекомендациям по толщине для разных типов зданий, для жилых, например рекомендуется использовать пенополистирол толщиной от 50 до 100 мм, а для промышленных зданий, складов и т.д. — от 100 до 200 мм. Также при утеплении крыши необходимо использовать толщину не менее 150 мм [5].
Важно отметить, что слишком тонкий слой пенопласта не сможет обеспечить достаточную теплоизоляцию, а слишком толстый слой может привести к излишним затратам на материалы и увеличению толщины стен.
|
Рис. 3. Годовые затраты тепла на 1 кв. м кирпичного фасада |
Рис. 4. Годовые затраты тепла на 1 кв. м панельного фасада |
Таблица 2.
Сравнительная таблица характеристик пенополистирола стандартов США и Казахстана
|
Характеристика |
Стандарт США (ASTM C578) |
Стандарт Казахстана (ГОСТ 15588-86) |
|
Плотность, кг/м³ |
10-40 |
10-35 |
|
Теплопроводность, Вт/(м·К) |
0,036 макс. |
0,038 макс. |
|
Устойчивость к влаге |
Не менее 90% после 28 дней при 23°C и 50% относительной влажности |
Не менее 90% после 24 часов при 20°C и 95% относительной влажности |
|
Огнестойкость |
Класс A (негорючий) в соответствии с ASTM E84 |
Классификация "горючий" или "негорючий" в соответствии с ГОСТ 30244 |
|
Содержание хлорида, % |
Не более 0,1 |
Не более 0,005 |
|
Содержание органических соединений, % |
Не более 1 |
Не более 0,1 |
3. Полиизоцианурат
Полиизоцианурат (PIR) — это теплоизоляционный материал, который обладает высокими термическими свойствами и широко применяется в строительстве, включая стены, крыши, потолки, полы и другие конструкции. Этот материал является одним из самых эффективных материалов для теплоизоляции, что объясняет его популярность [2].
Таблица 3.
Сравнительная таблица характеристик полиизоцианурат стандартов США и Казахстана
|
Характеристика |
Стандарты в США (PIMA) |
Стандарты в Казахстане (Казахстанский ГОСТ) |
|
Теплопроводность |
Не более 0,023 Вт/(м·К) |
Не более 0,027 Вт/(м·К) |
|
Устойчивость к огню |
Да |
Да |
|
Экологическая безопасность |
Не содержит вредных веществ, таких как хлорфторуглероды |
Не содержит вредных веществ |
|
Качество |
Более жесткие стандарты |
Менее жесткие стандарты |
Сравнивая стандарты на PIR в США и Казахстане, можно заметить, что они очень похожи. Оба стандарта устанавливают требования к теплопроводности, устойчивости к огню и экологической безопасности.
Таблица 4.
Сравнения коэффициентов теплопроводности PUR и PIR с другими теплоизоляционными материалами
|
Материал |
Коэффициент теплопроводности |
|
Пенополиуретан (PUR) Пенополиизоцианурат (PIR) |
0,022 Вт/(м·K) 0,022 Вт/(м·K) |
|
Экструзионный пенополистирол (XPS) |
0,028 Вт/(м·K) |
|
Пенополистирол |
0,038 Вт/(м·K) |
|
Минеральная вата |
0,038 Вт/(м·K) |
|
Пенобетон |
0,16 Вт/(м·K) |
Значительный выбор методов и технологий по изготовлению PIR в сочетании с его теплоизоляционными свойствами делает этот материал одним из самых эффективных для теплоизоляции в зданиях. Таким образом, использование PIR в качестве теплоизоляционного материала в строительстве может привести к снижению теплопотерь и экономии энергии, что соответствует модернизации зданий на сегодняшний день.
4. Пароизоляционные материалы
Пароизоляционные материалы являются материалами, которые обладают способностью снижать использование кондиционирования воздуха в зданиях путем уменьшения проникновения влаги и тепла через ограждающие конструкции. Таким образом, использование пароизоляционных материалов может улучшить комфортность жизни людей, снизить расходы на отопление и кондиционирование воздуха [4].
"Стандарты на пароизоляционные материалы, такие как пленочные материалы, ППУ и минеральная вата, обычно регулируются национальными органами стандартизации в каждой стране. Например, в США эти стандарты устанавливаются Американским институтом стандартов (ANSI) и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). В Казахстане соответствующие стандарты определены в ГОСТе 30732-2006 «Материалы теплоизоляционные и пароизоляционные. Общие технические условия»."
Также существует большое количество других материалов, таких как фольга, химические добавки к бетону и т.д., которые могут использоваться для создания параизоляционных материалов.
5. Альтернативные теплоизоляционные материалы
В Казахстане и США очень много схожих тепло-пароизоляционных материалов, однако в США используются материалы, которые не используются в Казахстане. Некоторые из них:
Целлюлозная изоляция — это материал, который создается из переработанных газет и картона. Он обладает высокой теплоизоляционной способностью и может существенно снизить затраты на отопление и кондиционирование воздуха. Кроме того, целлюлозная изоляция также является отличным пароизоляционным материалом [10], [12].
Аэрогель — это материал, который создается путем удаления жидкости из геля. Он обладает очень низкой теплопроводностью и может существенно улучшить теплоизоляцию здания. Кроме того, аэрогель также является отличным пароизоляционным материалом [15].
Таблица 5.
Характеристики целлюлозной изоляции
|
Свойство |
Значение |
|
Теплопроводность |
0,038 Вт/(м·К) |
|
Коэффициент сопротивления теплопередаче |
3,7 м²·К/Вт |
|
Удельная теплоемкость |
2100 Дж/(кг·К) |
|
Плотность |
30-50 кг/м³ |
|
Энергоэффективность |
Высокая |
Аэрогель (Aerogel Insulation) — это один из наиболее инновационных и эффективных теплоизоляционных материалов, которые могут использоваться в городе Алматы.
Таблица 6.
Характеристика аэрогеля
|
Свойство |
Значение |
|
Теплопроводность |
0,013-0,018 Вт/(м·К) |
|
Коэффициент сопротивления теплопередаче |
5,5-7,7 м²·К/Вт |
|
Удельная теплоемкость |
1000-1200 Дж/(кг·К) |
|
Плотность |
100-200 кг/м³ |
|
Энергоэффективность |
Очень высокая |
Aerogel Insulation (Аэрогель) имеет очень низкую теплопроводность, что делает его одним из самых эффективных материалов для теплоизоляции. Коэффициент сопротивления теплопередаче также очень высок, что означает, что он может удерживать тепло в здании. Удельная теплоемкость ниже, чем у целлюлозной изоляции, но все еще достаточно высока для хранения тепла. Энергоэффективность аэрогеля очень высока, что означает, что он может помочь снизить затраты на отопление и охлаждение здания еще больше, чем целлюлозная изоляция [13].
Аэрогель имеет очень высокую теплоизоляционную способность и обладает низким коэффициентом теплопроводности, что делает его одним из самых эффективных теплоизоляционных материалов на рынке [13].
Отражающая изоляция (Reflective Insulation) - это материал, который используется для уменьшения теплопотерь через стены, крыши и другие поверхности здания. В городе Алматы, где климат холодный и сухой зимой, а летом достаточно жарко, использование отражающей изоляции может быть эффективным способом уменьшения затрат на отопление зимой и кондиционирование воздуха летом [8].
Таблица 7.
Характеристика отражающей изоляции
|
Свойство |
Значение |
|
Теплопроводность |
0,03-0,05 Вт/(м·К) |
|
Коэффициент сопротивления теплопередаче |
1,5-2,5 м²·К/Вт |
|
Удельная теплоемкость |
840 Дж/(кг·К) |
|
Плотность |
60-80 кг/м³ |
|
Энергоэффективность |
Средняя |
Энергоэффективность отражающей изоляции средняя, что означает, что она может помочь снизить затраты на отопление и охлаждение здания, но не так сильно, как целлюлозная изоляция или аэрогель.
Использование отражающей изоляции в городе Алматы может быть эффективным способом уменьшения затрат на отопление зимой и кондиционирование воздуха летом.
Результаты исследования и обсуждение
Результаты сравнения показателей энергоэффективности пароизоляционных материалов (аэрогеля и минваты) демонстрируют, что аэрогель более эффективный.
Среднее содержание влаги, измеренное во всех акустических изоляционных материалах (АИМ) в стенах, составляло 13,3%, а в минеральной вате — 13,6%. Это свидетельствует о том, что нет значительной разницы в накоплении влаги между различными изоляционными материалами при эксплуатации.
В стенах с парозащитой выбор изоляционного материала (минеральная вата или целлюлозная изоляция) не оказывает критического влияния на содержание влаги, так как максимальное содержание влаги составляло 18% для обоих материалов.
Для стены с целлюлозной изоляцией максимальное накопление влаги составляло 18% (влажность древесины каркаса), независимо от наличия или отсутствия парозащиты.
Для стены с минеральной ватой использование парозащиты имеет решающее значение для содержания влаги во внешних частях стены, так как максимальное содержание влаги, обнаруженное в стене без парозащиты, составляло 30% (влажность древесины каркаса).
Теплопроводность аэрогелей низкая благодаря эффекту Кнудсена: они состоят на 98-99% из воздуха, при этом 75% воздуха находится в статическом состоянии, так как размер пор меньше длины свободного пробега молекул газа воздуха, что не позволяет им переносить энергию. По коэффициенту теплопроводности аэрогель занимает второе место (0,016 Вт/м.K при 10°C), уступая только вакуумной изоляции, которая считается лучшей в мире, и превосходит материалы, такие как пенополиуретан и минеральная вата.
Аэрогели обладают гидрофобными свойствами, благодаря применению технологии открытых ячеек при их производстве. Аэрогели обладают сопротивлением паропроницанию, которое превышает минеральные ваты примерно в 10-15 раз. Они также обладают высокой прочностью, способной выдерживать нагрузку в 2000 раз большую, чем их собственный вес. Хотя аэрогели изначально были хрупкими материалами, появление аэрографена, состоящего из графена и углеродных нанотрубок, позволило преодолеть этот недостаток. Аэрогели также обладают высокой отражающей способностью.
Комбинация низкой теплопроводности и малой толщины позволяет применять материал там, где сочетаются высокие требования к теплоизоляции и ограничения по величине теплоизоляционного слоя.
При строительстве зданий и сооружений используются различные стеновые конструкции, включающие в себя внутренний (основной), теплоизоляционный и облицовочный слои. Ученые из швейцарского института Empa решили интегрировать теплоизоляционный слой в основной, что привело к созданию аэрокирпича с заполненными аэрогелем пустотами.
На основе аэрогеля разрабатываются уникальные материалы, такие как пирогель и криогель, которые способны работать в широком диапазоне температур (от -260°С до +650°С). Аэрогель также используется для заполнения стеклопакетов вместо обычного стекла. Создается новая строительная конструкция — аэрокирпич.
Пенополиуретан обладает низким водопоглощением — до 2% от общей массы, что позволяет использовать плиты или панели в помещениях с повышенной влажностью. Кроме того, ППУ химически нейтрален к кислотным и щелочным средам и отличается биологической устойчивостью. Вследствие того, что он не впитывает влагу, не развивается плесень. Правда пенополиуретановый утеплитель имеет достаточно низкую паропроницаемость, что может негативно сказаться на микроклимате в помещении, создается эффект парника.
Минераловатный утеплитель при увлажнении существенно теряет теплотехнические свойства. Минвата может набирать воду, которая намного лучше передает тепло или холод и, более того, при замерзании превращается в лед и может нарушить целостность конструкции. При глубоком проникновении влаги минвата слипается, волокна склеиваются, а материал теряет прочность.
В настоящее время аэрогель известен как самый легкий твердый материал в мире. Он характеризуется низкой плотностью, низкой диэлектрической проницаемостью (1,1 ~ 2,5), низкой теплопроводностью (0,013 ~ 0,025 Вт / (мК)), высокой пористостью (80 ~ 99,8%), высокой удельной площадью поверхности (200 ~ 1000 м2 / г) и т.д., что позволяет данному материалу проявлять особые свойства в механике, акустике, теплоизоляции, оптике, а также иметь перспективное будущее в аэрокосмической, военной, телекоммуникационной, медицинской, строительной, электротехнической и металлургической отраслях, поэтому его называют «невероятным материалом, который изменит мир».
Теплоизоляция на основе аэрогеля для строительных нужд выпускается в рулонном исполнении и представляет собой стекловолокнистую основу буквально набитую аэрогелевым порошком.
На данный момент проблема с активным внедрением аэрогеля одна -дороговизна такой технологии изоляции. Аэрогель стоит значительно дороже обычных материалов, впрочем, помогая эффективнее экономить энергию на более длительном промежутке времени. Устройство изоляции аэрогелем наиболее удачно во вновь построенных домах, в которых изначально созданы условия для использование аэрогеля.
Заключение
Рассмотренные целлюлозная изоляция, аэрогель и отражающая изоляция проявились как многообещающие альтернативы минеральной вате, обладая высокой теплоизоляционной эффективностью и, в некоторых случаях, экологической устойчивостью.
В ходе исследования были проанализированы преимущества использования определенных паро- и теплоизоляционных материалов, а также представлены данные о характеристиках альтернативных материалов этого рода. Важно отметить, что использование указанных альтернативных материалов может оказаться весьма эффективным способом повышения энергоэффективности зданий, что в свою очередь позволит снизить затраты на отопление и охлаждение помещений.
С учетом вышеупомянутых факторов можно утверждать, что использование альтернативных паро- и теплоизоляционных материалов представляет собой эффективное и экологически безопасное решение для повышения энергоэффективности зданий в Казахстане. Результаты исследования могут оказаться полезными для специалистов, работающих в области энергоэффективности и строительства, а также для производителей паро- и теплоизоляционных материалов.
Эти материалы представляют собой перспективные решения для повышения энергоэффективности зданий, что критически важно в условиях современных требований к устойчивому строительству.
В целом, использование альтернативных теплоизоляционных материалов представляет собой перспективное направление для улучшения энергоэффективности и снижения воздействия строений на окружающую среду в Казахстане. Его успешная реализация требует согласованных усилий различных заинтересованных сторон.
