Рассматриваются принципы вакуумной теплоизоляции и требования к материалам для ее изготовления, технологические аспекты изготовления вакуумных изоляционных панелей с наполнителями из мелкодисперсных пористых материалов. Приводятся сведения об использовании вакуумной теплоизоляции в строительстве новых и тепловой модернизации существующих зданий за рубежом.
Современные перспективы улучшения качества теплоизоляции
связывают с использованием вакуумированных материалов. Известно, что 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, 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 межсте-ночном пространстве панели в течение срока эксплуатации достаточно сложно, а появление даже небольшого давления (10" 4...10"5 бар) приводит к существенному ухудшению теплоизоляции, к тому же значительная доля тепла в таких панелях передается через достаточно толстые стенки металлической оболочки.
Более перспективным направлением является создание вакуумных изоляционных панелей с наполнителем из пористых материалов, в качестве которых используются мелкие порошки или аэрогели. Физические принципы та кого типа теплоизоляции были разработаны еще в 60-е годы прошлого столетия, однако теплоизоляция на основе вакуумирования порошковых материалов использовалась только 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 более чем на порядок меньше традиционно используемых в строительстве утеплителей.
Физические принципы создания теплоизоляции с вакуумированием порошковых материалов
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. Требования к свойствам материалов для вакуумной теплоизоляции и основы расчета теплоизоляционных систем указанного типа были разработаны еще в 60-е годы прошлого века, в том числе в работах 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 теплофизичес-кие свойства. Так, в микропористом материале с размером пор 108 м механизм передачи тепла через молекулы воздуха j практически исключается уже при давлении 100 Па. 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 на порядок меньше, чем у традиционно используемых теплоизоляционных материалов.
Технологические аспекты изготовления и использования вакуумных теплоизоляционных панелей
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.
Вакуумная теплоизоляционная панель (рис. 1 (справа) рядом с блоками традиционных утеплительных материалов - пенополистирола и пенополиуретана, обладающих такими же теплопроводящими свойствами ) состоит из пористого материала-наполнителя, помещенного в непроницаемую оболочку. Воздух в панели откачивается до давления 0,1~100 Па, после чего оболочка герметизируется.
Роль наполнителя тройная. Во-первых, он поддерживает стенки панели, которые подвергаются сильным нагрузкам за счет повышения давления (так, внешнее давление 105 Па равнозначно атмосферному столбу весом почти 1 т, который давит на оболочку панели размером 30 см2). 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 часто включают вещества, например, диоксид титана (CapcD, которые рассеивают и поглощают ИК-электромагнитные волны.
В настоящее время коммерческие материалы для вакуумных панелей включают пенополистирол, пенополиуретан, дымный и осажденный кремнезем, аэрогели. Там не менее дымный кремнезем и аэрогели превосходят все типы наполнителей даже при относительно высоких давлениях (до 1000 Па) внутри панели (Capd). Возможность сравнительно высокого начального давления внутри пакета обеспечивает увеличение продолжительности его эксплуатации.
Оболочки для вакуумных панелей состоят из нескольких слоев. Обычно на тонкую алюминиевую пленку с обеих сторон наносят слой пластика. Такие оболочки имеют отличные барьерные характеристики, но могут проводить тепло через торцы панелей, что значительно снижает их эффективность. С целью уменьшения краевых эффектов до минимума при изготовлении некоторых видов оболочек исполь-
зуется технология тонкопленочного напыления (осаждения), которая позволяет сделать слой алюминия еще тоньше. Чтобы сформировать оболочку (пакет) для наполнителя, пленку заваривают по краям. Тонкий слой пластика с низкой температурой плавления обычно наносят на внутреннюю поверхность пленки, после чего она может быть заварена под воздействием температуры и давления. Проницаемость сварных соединений пластика для газа и влаги гораздо лучше, чем проницаемость остальной поверхности оболочки. Для минимизации этого отрицательного эффекта производители пытаются уменьшить толщину сварного соединения и сделать его шире.
Для продления жизни вакуумных панелей используют 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 влияет 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 влияют на срок их использования. Пено-пласты 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.
Использование вакуумной теплоизоляции в строительстве
Если в предыдущие десятилетия порошковая теплоизоляция с вакуумирова-нием использовалась преимущественно в криогенной технике, то современные технологии производства упаковочных и мелкопористых материалов позволяют массовое использование этой технологии утепления в строительстве.
В 1999 г. впервые в строительной практике достаточно большая площадь - около 40 м2 фасада лабораторного здания в г. Вюрцбурге (Германия) была утеплена вакуумными панелями. В качестве наполнителя применялся микропористый кремнезем . Судя по графику, представленному на рис. 2 , такие панели сохраняют свои теплоизолирующие свойства (0,002 < X < 0,008 Вт(м-К) до давления газа внутри панели около 10000 Па.
Исследования этих панелей после года эксплуатации показали устойчивость их свойств. Давление внутри панелей выросло за это время на 100 Па. Таким образом, при исходном давлении внутри панели 100 Па панель будет сохранять свои теплоизолирующие свойства как минимум 100 лет. Использование в вакуумной панели более крупнопористого материала, например пенополистирола с открытой пористостью, приводит к увеличению коэффициента теплопроводности до такого же значения уже при давлении внутри панели на уровне 200 Па (рис. 2), а значит, такие панели сохраняют свои свойства не более двух лет.
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.
Ниже приведены примеры применения вакуумных теплоизоляционных панелей для утепления фасада здания при его санировании, пола в помещении около балкона. На рис. 3 представлена схема системы теплоизоляции пола. На бетонную плиту укладывается полиэтиленовая пленка, затем плита из экструдированно-го пенополистирола толщиной 2 см, на которой лежат два слоя вакуумных панелей такой же толщины (два слоя укладываются с целью устранения «мостиков холода» через стыки панелей). Затем следует еще одна плита из экструдированного пенополистирола, которая покрывается полиэтиленовой пленкой. Общее термическое сопротивление такой системы составляет 11,8 м2-К/Вт.
Поэтому предложено использование вакуумных панелей в трехслойной конструкции, где наружным слоем служит стекло, а внутренним - лист металла. Вакуумные панели рекомендуется использовать для высотного строительства с целью уменьшения толщины наружных стен.
Пример того, как вакуумная теплоизоляция применялась при выполнении тепловой модернизации старого здания, в конструкции которого использовалась полупрозрачная ширма с электродвигателем, выдвигающим ее перед окном в летнее время при перегреве здания. Ширма размещалась между внутренней стеной здания и наружной облицовкой из кирпича. Между ширмой и внутренней стеной здания с целью устранения теплопотерь была установлена вакуумная теплоизоляционная панель. Кроме этого вакуумные теплоизоляционные панели предлагается использовать для наружного утепления старых зданий (рис. 4)
.
Таким образом, современное состояние техники упаковочных материалов позволяют реализовать вакуумную теплоизоляцию на основе использования порошковых материалов в строительстве. Эта технология успешно реализована в Западной Европе как в новом строительстве, так и при выполнении работ по тепловой модернизации зданий. Ее преимущества перед традиционными теполоизо-ляционными материалами неоспоримы, т.к. применение новой технологии позволяет уменьшить толщину слоя утеплителя при увеличении сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции. Поэтому имеется настоятельная потребность в создании производства для серийного выпуска теплоизоляции с вакуумировани-ем как в России, так и в Республике Беларусь. Производство необходимых упаковочных материалов может быть освоено с использованием западных технологи^ Установки для создания вакуума любо степени имеются на предприятиях радио, технического профиля, а аэрогели изготавливаться предприятиями отече! ственной химической промышленности!
