ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СТЕН

В настоящее время в научных публикациях наряду с идеями «умного дома» просматриваются идеи создания строительных материалов и конструкций, способных изменять свои свойства в зависимости от тех или иных параметров окружающей среды: температуры, влажности, скорости ветра, запыленности и т.д. Например, появился термин «интеллектуальные окна», характеризующий светопрозрачные ограждающие конструкции, способные менять ряд своих свойств при изменении освещенности и температуры.

При возведении ограждающих конструкций с высоким термическим сопротивлением значительно возрастает стоимость здания в целом, при этом его «одежда» остается почти неизменной на весь срок эксплуатации. С учетом современных достижений по автоматизации процессов стало реальным создание таких ограждающих конструкций, которые способны менять свои свойства на короткий период времени в зависимости от изменения параметров окружающей среды. Датчики, установленные снаружи здания, позволяют, например, включить определенные устройства, подающие теплый воздух во внутреннее пространство стен, создавая тепловую завесу, или, наоборот, откачивать воздух, создавая разряженное пространство во внутренней полости стены, повышая тем самым сопротивление теплопередаче на порядок.

Известно, что теплопроводность различных материалов может быть значительно снижена при помещении их в вакуум. Для обеспечения высокого термического сопротивления ограждающих конструкций можно использовать полые вакуумные изоляционные панели. В пространстве между стенками панели создается высокий вакуум, при этом перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью воздуха, практически исключается. За счет применения ряда технических решений толщину стенок панели площадью 1 м² можно 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 приводит к существенному ухудшению теплоизоляции. Поэтому целесообразно автоматизировать процесс разряжения воздуха в вакуумной изоляционной панели в зависимости от изменения климатических параметров окружающей среды, повышая или понижая тем самым сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции. Учитывая, что зимой низкие температуры обычно имеют место не более недели или двух недель, вакуум - насос также будет включаться на непродолжительный период времени. Важно, чтобы указанная техника работала бесшумно и не создавала неудобств людям.

Вакуумные панели могут иметь различное конструктивное решение и наполнение. Наиболее перспективным является создание вакуумных теплоизоляционных панелей с наполнителем из пористых материалов, в качестве которых можно использовать мелкие порошки или аэрогели. Теплоизоляция на основе вакуумирования порошковых материалов уже использовалась в технике глубокого охлаждения.

Современная технология производства пленочных упаковочных материалов позволяет производить теплоизоляцию с вакуумированием для массового применения в строительстве. Коэффициент теплопроводности таких материалов может достигать значения 0,002 Вт/(м·К), что на порядок меньше традиционно используемых в строительстве утеплителей.

Вакуумная технология позволяет исключить все три механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение. Сосуд Дьюара, более известный как термос - это широко известный пример вакуумной изоляции. В пространстве между двойными стенками сосуда Дьюара создается глубокий вакуум. Из-за этого перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью, практически полностью исключен и теплопроводность исключительно мала - 10~3...10~4 Вт/(м·К). Необходимость создания глубокого вакуума значительно ограничивает возможности выбора формы сосуда и конструкционных материалов. Поскольку разгерметизация сосуда способна нарушить теплоизоляцию, стенки сосуда 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 это свойство послужило основой для использования мелкопористых материалов в качестве теплоизоляции.
Использование мелкодисперсных пористых материалов позволяет решить задачу создания теплоизоляционных материалов с чрезвычайно малым значением коэффициента теплопроводности при гораздо менее жестких требованиях к конструкции теплоизоляционной системы и степени разрежения воздуха.

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. Все материалы для наполнителей вакуумных изоляционных панелей при высоких уровнях вакуума имеют сравнимые характеристики, значительная разница между ними появляется при внутреннем давлении 10-100 Па. Среди них наиболее перспективны 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) при давлении газа до 100 Па для кремнегеля и 10 Па для перлита, что н·а порядок меньше, чем у традиционно используемых теплоизоляционных материалов.

Теплоизолирующие свойства и продолжительность жизни вакуумной изоляционной панели определяются свойствами наполнителя, начальным уровнем вакуума в панели, проницаемостью оболочки, количеством и эффективностью поглотителя остатков газа, размером, толщиной и условиями работы панели. Воздух в панели может откачивается до давления 0,1~100 Па, после чего оболочка необходимо загерметизировать.
Роль наполнителя тройная. Во-первых, он поддерживает стенки панели, которые подвергаются сильным нагрузкам за счет повышения давления. Во-вторых, наполнитель ограничивает движение газовых молекул. Чем меньше величина поры наполнителя, тем более вероятно, что молекулы чаще будут сталкиваться с частицами наполнителя, чем между собой. Тем самым снижаются требования к начальному уровню разрежения в пакете. В-третьих, через наполнитель должен быть исключен радиационный механизм передачи тепла, для чего в его состав целесообразно включать вещества, например, диоксид титана, которые рассеивают и поглощают ИК-электромагнитные волны.

Перспективным материалом в качестве наполнителя являются микросферы, используемые при производстве теплоизолирующих красок и обладающие низким коэффициентом теплопроводности. Более дешевым наполнителем могут служить дымный кремнезем и аэрогели, которые превосходят все типы наполнителей даже при относительно высоких давлениях (до 1000 Па) внутри панели. Возможность сравнительно высокого начального давления внутри пакета обеспечивает увеличение продолжительности его эксплуатации

Оболочки для вакуумных панелей могут состоять из нескольких слоев. Для продления жизни вакуумных панелей можно использовать поглотители влаги и газов. Поглотители должны быть тщательно подобраны к количеству и типу газов и влаги, которые могут оказаться в панели. Важно, чтобы количество и тип поглотителя соответствовали наполнителю и типу оболочки панели, времени ее эксплуатации. Например, наполнитель на основе пенопластиков не может адсорбировать ни газы, ни влагу, поэтому в данном случае необходимо вводить поглотитель в оболочку панели, тогда как мелкопористые наполнители на основе кремнезема сами по себе являются естественными адсорбентами или поглотителями. Таким образом, поглотитель в панелях на основе этих материалов не требуется даже при их эксплуатации в течение 10~20 лет, если используется соответствующий материал оболочки. Поглотители могут значительно увеличить стоимость панели и, как правило, включают соли тяжелых металлов, небезопасные для окружающей среды.

Большинство материалов выделяют газы, если они помещены в оболочку с низким давлением. Тип и количество выделенного газа, также как и время, в течение которого он выделяется, зависят от свойств материалов. В ряде случаев скорость выделения газов из материалов наполнителя и оболочки превышает скорость, с которой газы проникают извне. Некоторые материалы не выделяют газ вообще, в то время как в других материалах этот процесс никогда не прекращается. Газовые молекулы проникают как через оболочку, так и через сварное соединение. Чем больше панель, тем больше соотношение между ее поверхностью и поверхностью сварного шва и наоборот. Таким образом, выбор подходящего материала оболочки требует, чтобы свойства оболочки и шва соответствовали типу и размеру панелей. Еще более заметно может влиять на эффективность панели ее толщина. Уменьшение в два раза толщины панели вдвое снижает время ее эксплуатации, поскольку размер поверхности и сварных соединений остается в этом случае почти таким же, а изоляционный объем уменьшается наполовину. Хотя скорость проникновения газов через оболочку и сварное соединение при этом прежние, давление внутри оболочки будет расти вдвое быстрее, поскольку ее объем в два раза меньше.

Условия эксплуатации панелей также могут влиять на срок их использования. Пенопласты имеют ограниченный температурный диапазон эксплуатации, вне которого возникают деформации, которые могут сделать пенопластовую панель практически бесполезной. Например, верхний предел для пенополистирола - 88°С, тогда как панели с кремнеземным наполнителем можно использовать при температурах до 500°С.
Следствием высокой концентрации газа в окружении панели со временем является повышение его содержания внутри оболочки и, следовательно, увеличение теплопроводности. Чем меньше молекула газа, тем быстрее она проникает внутрь панели и сильнее влияет на теплопроводность. Так, например, если поместить панель в полиуретановую оболочку (такой метод применяется в холодильниках), это поможет продлить срок ее годности, поскольку тяжелые молекулы, выделяемые пластиком, с трудом проникают внутрь панели, а после проникновения внутрь из-за большого размера не являются таким же хорошим переносчиком теплоты, как молекулы азота или кислорода.

При использовании вакуумных теплоизоляционных панелей необходимо учитывать обязательное требование сохранения их герметичности. Это накладывает определенные ограничения на конструкцию систем утепления и области применения таких панелей. В первую очередь их целесообразно использовать в трехслойных стеновых панелях. Если в современной конструкции панелей необходим слой утеплителя не менее 15 см, то применение вакуумной панели позволяет уменьшить толщину слоя до 2 см. При этом вакуумная панель будет защищена с двух сторон слоями бетона от механических повреждений. Упростится конструкция панели, т.к. снизятся требования к прочности гибких связей между слоями бетона. Возможно использование панелей между слоями кирпичной кладки, а также для утепления перекрытий.

Таким образом, современное состояние техники и технологий позволяют реализовать автоматическое управление сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций. В качестве варианта можно использовать вакуумную теплоизоляцию на основе использования порошковых материалов в строительстве. Эта технология успешно может быть реализована как в новом строительстве, так и при выполнении работ по тепловой модернизации зданий. Ее преимущества перед традиционными теполоизоляционными материалами неоспоримы, так как применение новой технологии позволит уменьшить толщину слоя утеплителя при увеличении сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции и, тем самым, значительно повысить энергоэффективность зданий.