Теплоизоляция

1. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ:

Назначение и область применения

 

Дом должен быть теплым. Это  бесспорно и весьма актуально  для Северо-запада России. Добиться этого можно разными способами, например, с помощью теплоизоляции. Вообще, одним из самых важных показателей строительного материала считается его способность сохранять тепло. Кирпич по этому показателю сильно уступает, например, дереву: теплопроводность у него больше, поэтому строители вынуждены делать стены из кирпича толще. Но есть и другой способ – использовать специальные теплоизоляционные материалы.

 

 

 

Использование современных  теплоизоляционных материалов позволяет  значительно удешевить строительство, сократить его сроки и создать  довольно легкую конструкцию. Однако самое  важное тут – правильно устроить теплоизоляцию, ведь это целая наука, согласно которой следует, что универсального решения быть не может. Все зависит  от конкретных условий: где расположен дом, из чего построен, какие у него конструктивные особенности и т.д.

Для каждой конструкции предписан  определенный алгоритм работы согласно специфике материала. Кроме этого, существуют некоторые особенности, обусловленные климатической зоной, в которой ведется строительство: где холоднее, там теплоизоляционный  слой должен быть толще. Так, например, в конструкциях наружного утепления  зданий из бруса толщиной 150 мм толщина  теплоизоляционного слоя минеральной  ваты (марки КТ-11 TWIN от Isover) составляет для Москвы 115 мм, Санкт-Петербурга – 111 мм, Новосибирска – 148 мм. Материалы маркируются коэффициентом теплопроводности (обозначается символом λ). Чем он меньше, тем лучше. Оптимальным показателем специалисты называют цифру 0,03–0,04 Вт/мК, ниже 0,024 Вт/мК у теплоизоляционных материалов он быть просто не может, поскольку именно такой коэффициент теплопроводности имеет воздух.

 

Теплоизоляция применяется не только в строительстве, но всюду, где необходимо поддерживать заданную температуру, например:

В производстве одежды и  обуви. Благодаря теплоизолирующим свойствам одежды человек может  без активного движения долгое время  пребывать на открытом воздухе в  сильный холод или в холодной воде.

В корпусах или ограждающих  конструкциях холодильного оборудования, печей. Благодаря теплоизоляции  возможно значительно снизить затраты  энергии на поддержание требуемой  температуры внутри.

Трубопроводы теплотрасс окружают теплоизоляцией для уменьшения охлаждения или нагрева передаваемого  теплоносителя. Защищают от коррозии. Теплоизоляция обладает пароизолирующими (не всегда) и шумозащитными свойствами.

Изоляция емкостей, резервуаров, бойлеров.

Изоляция трубопроводной арматуры, где применяются съёмные  теплоизоляционные конструкции.

В автомобилестроении для  шумоизоляция подкапотного пространства автомобилей, уменьшает шум внутри салона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ВИДЫ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

 

Для изготовления теплоизоляции, препятствующей теплопроводности, используют материалы, имеющие очень низкий коэффициент теплопроводности, —  теплоизоляторы. В случаях, когда  теплоизоляция применяется для  удержания тепла внутри изолируемого объекта, такие материалы могут  называться утеплителями. Теплоизоляторы отличаются неоднородной структурой и  высокой пористостью.

Теплоизоляционные материалы  классифицируют по форме, внешнему виду, структуре, исходному сырью, жесткости (относительной деформации при сжатии), теплопроводности и горючести –  в общем, по многим параметрам.

На практике теплоизоляционные  материалы принято делить на три  вида (по виду основного исходного  сырья):

 

 

ОРГАНИЧЕСКИЕ  ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Их получаются путём переработки неделовой древесины и отходов деревообработки (древесноволокнистые плиты и древесностружечные плиты), сельскохозяйственных отходов (соломит, камышит и др.), торфа (торфоплиты) и т. д. Эти теплоизоляционные материалы, как правило, отличаются низкой водо- и биостойкостью. Указанных недостатков лишены так называемые газонаполненные пластмассы (пенополиэтилен,пенополистирол, пеноглас, пенопласты, поропласты, сотопласты и др.) — высокоэффективные органические теплоизоляционные материалы с объёмной массой от 10 до 100 кг/м3. Характерная особенность большинства органических теплоизоляционных материалов — низкая огнестойкость, поэтому их применяют обычно при температурах не свыше 100 °C, а также при дополнительной конструктивной защите негорючими материалами (штукатурные фасады, трехслойные панели, стены с облицовкой, облицовки с ГКЛ и т. п.)

 

 

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 —  это минеральная вата и изделия из неё (например, минераловатные плиты), лёгкие и ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон), пеностекло, напыление пенополиуретана Пеноглас, стеклянное волокно, изделия из вспученного перлита, вермикулита и др. Изделия из минеральной ваты получают переработкой расплавов горных пород или металлургических шлаков в стекловидное волокно. Объёмная масса изделий из минеральной ваты 35—350 кг/м3. Характерная особенность — низкие прочностные характеристики и повышенное водопоглощение, поэтому применение данных материалов ограничено и требует специальных методик инсталляции. При производстве современных теплоизоляционных минераловатных изделий производится гидрофобизация волокна, что позволяет снизить водопоглощение в процессе транспортировки и монтажа ТИМ.

 

 

СМЕШАННЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, используемые в качестве монтажных, изготовляют на основе асбеста (асбестовые картон, бумага, войлок), смесей асбеста и минеральных вяжущих веществ (асбестодиатомовые, асбестотрепельные, асбестоизвестковокремнезёмистые, асбестоцементные изделия) и на основе вспученных горных пород (вермикулита, перлита).

 

 

3. СОВРЕМЕННЫЕ УЛУЧШЕННЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: 

Вакуумная теплоизоляция, ЭНЕРГОФЛЕКС,

керамический  утеплитель АСТРАТЕК

 

В странах Северной Европы наблюдается устойчивая тенденция  повышения требований к теплозащите  зданий. Эта задача решается в основном увеличением толщины слоя теплоизоляции, что, однако, усложняет выполнение работ  и уменьшает полезную площадь  сооружений. Поэтому создание высокоэффективного теплоизоляционного материала является в настоящее время актуальной задачей в строительстве.

 

1. ВАККУМНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ

 

Современные перспективы  улучшения качества теплоизоляции  связывают с использованием вакуумированных  материалов. Как известно, теплопроводность различных материалов может быть значительно снижена при помещении  их в вакуум. Во многих работах для  обеспечения высокого термического сопротивления ограждающих конструкций  предлагается использовать полые вакуумные  изоляционные панели. В пространстве между стенками панели создается  высокий вакуум, и перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью  воздуха, практически исключается. За счет применения ряда технических  решений толщину стенок панели площадью 1 м2 удалось снизить до 0,2 мм. Однако обеспечить высокую степень вакуума  в межстеночном пространстве панели в течение срока эксплуатации достаточно сложно, а появление даже небольшого давления (10−4 –10−5 бар) приводит к существенному (на порядки) ухудшению  теплоизоляции. К тому же значительная доля тепла в таких панелях  передается через достаточно толстые  стенки металлической оболочки.

 

Более перспективным направлением является вакуумная теплоизоляция, то есть создание вакуумных изоляционных панелей с наполнителем из пористых материалов – мелких порошков или  аэрогелей. Физические принципы данного  типа теплоизоляции разработаны  еще в 60-е годы прошлого столетия, однако использовалась они лишь в  технике глубокого охлаждения.

 

Современная технология изготовления пленочных упаковочных материалов позволяет производить теплоизоляцию  с вакуумированием для массового  применения в строительстве. Коэффициент  теплопроводности данных изделий может достигать значения 0,002 Вт/(м•К), что более чем на порядок ниже традиционно используемых в строительстве утеплителей.

 

Фото 1. Вакуумная теплоизоляционная  панель рядом с блоками традиционных утеплительных материалов – пенополистирола  и пенополиуретана с такими же теплопроводящими свойствами наглядно демонстрирует преимущество с точки  зрения уменьшения слоя утеплителя.

 

Физические принципы создания теплоизоляции с вакуумированием  порошковых материалов

 

Для понимания высоких  теплоизоляционных свойств вакуумной  теплоизоляции необходимо вспомнить  механизмы переноса тепла. Основной механизм переноса тепла в твердых  телах – это теплопроводность. При нагревании одного из концов металлического стержня поток тепла движется к его другому концу.

Путем теплопроводности тепло  может переноситься и через газы. При этом быстрые молекулы теплого  слоя газа сталкиваются с медленными молекулами соседнего холодного  слоя. В результате возникает поток  тепла. Газы из легких молекул (водород) проводят тепло лучше, чем тяжелые  газы (азот).

Путем конвекции теплоперенос осуществляется только в газах и  жидкостях и основан на том, что  при нагревании газа его плотность  уменьшается. При неравномерном  нагревании более легкие слои поднимаются, тяжелые опускаются. Вертикальный поток  теплоты, связанный с этим движением, как правило, значительно превышает  поток, связанный с теплопроводностью.

 

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

 

 

Рис 2. Строительные материалы  с вакуумированием сохраняют  свои теплоизоляционные свойства даже при высоком давлении.

 

Вакуумная технология позволяет  исключить все три механизма  передачи тепла. Сосуд Дьюара, или  термос, – широко известный пример вакуумной изоляции. В пространстве между двойными стенками сосуда Дьюара создается глубокий вакуум порядка 10−2 Пa. Из-за этого перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью, практически полностью устранен, и теплопроводность исключительно  мала – 10−3 – 10−4Вт/(м•К). Необходимость  создания глубокого вакуума значительно  ограничивает возможности выбора формы  сосуда и конструкционных материалов. Поскольку разгерметизация сосуда способна нарушить теплоизоляцию, его  стенки должны быть абсолютно газо- и влагонепроницаемы. С целью  снижения радиационного переноса тепла  между стенками сосуда Дьюара перечень используемых материалов ограничен  металлом и стеклом с металлическим  напылением.

 

Известно, что теплопроводность газов практически не зависит  от давления до тех пор, пока длина  свободного пробега молекулы газа не становится сравнимой с размерами  полости, в которой находится  газ. Это обстоятельство требует  создания глубокого вакуума для  существенного снижения теплопроводности прослойки между разделяемыми средами, но в то же время, данное свойство послужило  основой для применения мелкопористых  материалов в качестве теплоизоляции.

 

Использование мелкодисперсных  пористых материалов позволяет решить задачу создания утеплителей с чрезвычайно  малым значением коэффициента теплопроводности при гораздо менее жестких требованиях к конструкции теплоизоляционной системы и степени разрежения воздуха.

 

Требования к свойствам  материалов для вакуумной теплоизоляции  и основы расчета теплоизоляционных  систем указанного типа также разработаны  в 60-е годы прошлого века, в том  числе в исследованиях советских  ученых.

 

Основную роль в процессе передачи тепла в пористых порошковых структурах играет газ, находящийся  в порах. Чем меньше размеры пор  или пустот материала и разветвленнее  его структура, тем раньше в нем  достигается условие высокого вакуума  и лучше его теплофизические  свойства. Так, в микропористом материале  с размером пор 10−8 м механизм передачи тепла через молекулы воздуха  практически исключается уже  при давлении 100 Па. Все материалы  наполнителей вакуумных изоляционных панелей при высоких уровнях  вакуума имеют сравнимые характеристики, значительная разница между ними появляется при увеличении внутреннего  давления до 10–100 Па.

 

В Таблице 1 приведены расчетные и экспериментальные значения коэффициента эффективной теплопроводности ряда дисперсных материалов, находящихся в воздушной среде с различной степенью разрежения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что все материалы  наполнителей обладают сравнимыми характеристиками при высоких уровнях вакуума  до 1 Па. Значительная разница между  ними появляется при небольшом увеличении внутреннего давления.

 

Из приведенных в таблице  материалов наиболее перспективными представляются кремнегели с размером частиц 5•10−3 мм и пористостью до 95%, а также  перлит с высокой степенью пористости (до 95%). Коэффициент теплопроводности этих материалов не превышает 0,003 Вт/(м•К) до значений давления газа 100 Па для  кремнегеля и 10 Па для перлита, что  на порядок ниже, чем у традиционно  используемых теплоизоляционных материалов.

 

Представленные в публикации немецких авторов за 1999 год зависимости  влияния внутреннего давления на теплопроводность для вакуумной  панели на основе Porextherm Vacupor-наполнителя  в сравнении с панелями, сделанными на основе других наполнительных материалов, имеют хорошее совпадение с представленными  в таблице числовыми данными.