Введение
Новые перспективы в улучшении теплозащиты зданий и снижении теплопотерь через ограждающие конструкции связаны с разработкой и использованием вакуумированных теплоизоляционных материалов нового поколения с коэффициентом теплопроводности на порядок меньшим, чем у традиционой теплоизоляции [1–6].
Известно, что теплопроводность газов значительно уменьшается при уменьшении давления, когда длина свободного пробега молекул превышает расстояние между стенками оболочки [1]. Во многих работах для обеспечения вакуума в конструкциях предлагается использовать полые металлические вакуумные изоляционные панели [7–9]. За счет применения ряда технических решений толщину стенок панели площадью 1 м2 удалось снизить до 0,2 мм [7]. Однако обеспечить высокую степень вакуума в межстеночном пространстве панели в течение срока эксплуатации достаточно сложно, а появление даже небольшого давления (10–3–10–4 бар) приводит к существенному (на порядки) ухудшению теплоизоляционных свойств. К тому же значительная доля тепла в данных изделиях передается через достаточно толстые стенки металлической оболочки.
Теоретические и экспериментальные предпосылки систем порошковой вакуумной теплоизоляции созданы в 60-е годы прошлого века [2, 3], но использовалась она лишь в криогенной технике. Вторично интерес к данному типу теплоизоляции пробудился в связи со строительством пассивных зданий. В конце 1990-х годов были изготовлены первые промышленные партии нового материала с целью использования в строительстве [4–6, 10–14]. В качестве наполнителя вакуумных изоляционных панелей служат пористые или волокнистые материалы, например мелкие порошки или аэрогели. 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 10 мбар. Вакуумные изоляционные панели с различным типом наполнителей имеют сравнимые характеристики при высоких уровнях вакуума. Значительная разница между ними появляется при увеличении внутреннего давления до 1–10 мбар [1–3].
Оболочки современных вакуумных изоляционных панелей содержат алюминиевую фольгу толщиной 3–10 мкм. На нее для увеличения механической прочности с обеих сторон наносят тонкий слой пластика, на внутреннюю поверхность – пластик с низкой температурой плавления. При изготовлении панели фольгу заваривают под воздействием температуры и давления. Такие оболочки имеют хорошие барьерные характеристики. Наполнитель поддерживает стенки, ограничивает движение оставшихся газовых молекул и обеспечивает заданную форму панели. Ее теплофизические характеристики и срок службы определяются свойствами наполнителя, начальным уровнем вакуума, проницаемостью оболочки, эффективностью адсорбентов, размерами и условиями эксплуатации. Такие панели в Западной Европе уже производят и используют в строительной практике.
Технология вакуумных изоляционных панелей стала коммерчески доступной с появлением дешевых наполнителей на основе легких пористых материалов. В Германии, США получены материалы наполнителей с коэффициентом теплопроводности 0,0022 Вт/(м•К) и плотностью меньше 10 м3/кг, теплофизические характеристики изготовленных изоляционных панелей в 5–10 раз превосходят характеристики лучших теплоизоляционных материалов [14]. Их использование при строительстве зданий позволит увеличить полезную площадь жилья за счет уменьшения толщины утеплителя, снизив при этом уровень теплопотерь в 5–6 раз.
Теоретические предпосылки
При нормальных условиях коэффициент теплопроводности воздуха не зависит от давления. Это следует из кинетической теории газов и хорошо оправдывается на опыте при обычных давлениях, но оказывается неверным в газе низкого давления (в вакууме). Переход к вакууму при понижении давления в газе характеризуется числом Кнудсена – Kn [2, 15–17]
где L – длина свободного пробега молекулы газа, м;
d – характерный размер полости, м.
Если давление газа достигло области значений, для которых средняя длина свободного пробега молекул L становится сравнимой с размерами полости, где газ заключен, то обычное понятие теплопроводности – явления, обусловленного столкновениями молекул, – теряет смысл. Именно поэтому для газа в данных условиях используется термин «теплопередача», а не теплопроводность.
В применении к пористым теплоизоляционным материалам термин теплопроводность носит условный, т.е. эквивалентный, характер, поскольку в них наблюдается не только чистая теплопроводность, как в однородных твердых телах. Передача теплоты в таких системах осуществляется посредством: кондуктивной теплопроводности твердого скелета, образующего пористую структуру материала; кондуктивной теплопроводности газа, находящегося в капиллярах или ячейках пор; излучения между стенками пор (радиационная теплопроводность); конвекции вследствие перемещения газа в пористой структуре изоляции [16, 17]. При сравнении теплопроводности герметичных и открытых пористых систем видна более высокая теплопроводность открытых систем. Герметизация пористых материалов препятствует циркуляции газа в порах под действием градиента температур. Эффективная теплопроводность является сложной функцией, зависящей от многих факторов: температуры, давления газа в порах, размера пор, степени черноты стенок капилляров и ячеек и др., оказывающих различное влияние на величину коэффициента теплопроводности [18, 19].
Переносу теплоты теплопроводностью в дисперсных средах посвящено большое число исследований, обзор которых приведен в [15, 16].
Кинетическая теория газов дает следующее соотношение между теплопроводностью газа в свободном виде и его теплопроводностью в пористом материале:
где – теплопроводность газа в пористом материале, Вт/(м•К);
– теплопроводность газа в свободном виде, Вт/(м•К);
dэфф – средняя длина свободного пробега, м;
L – длина свободного пробега, м;
λ – теплопроводность, Вт/(м•К);
Кn – число Кнудсена.
Следовательно, перенос тепла теплопроводностью газа в пористом материале уменьшается как при увеличении длины L пробега молекул, то есть снижении давления, так и при уменьшении размеров пор.
Размеры пор в материалах, применяемых для создания вакуумно-порошковой изоляции, обычно меньше 10 мкм, а иногда доходят до нескольких нанометров. Теплопередача газа в таких материалах начинает уменьшаться уже при давлениях, близких к атмосферному, а при давлении 10–3–10–4 бар становится настолько незначительной, что ею можно пренебречь. Это одно из основных достоинств вакуумно-порошковой изоляции.
ВИП отечественного производства
Выпуск вакуумных изоляционных панелей (ВИП) на данный момент освоен в Западной Европе. Однако технология их изготовления и рецептура заполнителя являются ноу-хау фирм-производителей.
Министерство архитектуры и строительства поставило перед ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С.С.» задачу разработки технологии и освоения производства отечественных ВИП.
В качестве наполнителя вакуумных теплоизоляционных панелей был использован пирогенный кремнезем.
Пирогенный кремнезем – высокодисперсный, высокоактивный, пирогенный диоксид кремния (химическая формула – SiO2), получаемый пламенным гидролизом четыреххлористого кремния (SiCl4) высокой чистоты. Продукт пожаро- и взрывобезопасен, не оказывает общетоксического действия. Он представляет собой чистый аморфный непористый диоксид кремния с наноразмером частиц от 5 до 40 нм. Это чрезвычайно легкий белый порошок, который в тонком слое кажется полупрозрачным, голубоватым. Частицы пирогенного кремнезема образуют физические хлопьевидные агрегаты, объем которых на 98% заполнен воздухом: если истинная плотность SiO2 составляет 2,2 г/см3, то кажущаяся плотность – 40–60 г/л.
Размер частиц пирогенного кремнезема составляет 10–40 нм для марок 175, 200; 5–20 – для марки 300; 5–15 нм – для марки 380. Он отличается очень низкой теплопроводностью, обладает хорошими адсорбционными свойствами, особенно к полярным веществам, и является ценным термоизоляционным материалом. В качестве наполнителя пирогенный кремнезем нашел многостороннее применение, которое полностью основано на таких свойствах, как чрезвычайно маленькие размеры частиц, их однородность, сферическая форма и высокая степень чистоты. С химической точки зрения все свойства пирогенного кремнезема определяются наличием на его поверхности силанольных °Si–OH и силоксановых °Si–O–Si° групп.
В составе панели для продления жизни использован также адсорбер. Он поглощает газы, выделяемые компонентами панели и проникающие внутрь ее через оболочку. К материалу вакуумного пакета в зависимости от условий эксплуатации предъявляются самые разные требования: механическая прочность на разрыв, прокол, истираемость, химическая стойкость, выдерживание низких и высоких температур, свариваемость, непроницаемость или выборочная проницаемость к газам, антистатичность и т.д. Достичь нужного результата позволяет экструзия расплава полимеров с нужными характеристиками в единую структуру. В случае, если эти полимеры плохо совместимы, их соединяют посредством клеящих веществ. Изготовленная подобным образом многослойная пленка обладает широким набором требуемых качеств. Если добавить ламинирование, можно получить еще более сложные структуры и более полный спектр функций упаковки.
В вакуумных теплоизоляционных панелях используются многослойные ламинированные пленки (ламинирование алюминием или SiOx). Возможны следующие слои:
а) слой полиамида либо слой полиэстера, покрытые алюминием (пароизоляция);
б) слой поливинила (воздушный барьер);
в) слой полиэстера, покрытый алюминием;
г) слой термостойкого полиэтилена.
Такие многослойные пленки удовлетворяют следующим требованиям:
а) воздухопроницаемость ≤ 0,1 см3/(м2/год/бар) (при условиях 23 °С, 75% о.в.);
б) паропроницаемость ≤ 0,5 г/(м2/год) (при условиях 38 °С, 95% о.в.);
Пленка состоит из нескольких слоев – металлизированный PET (ПЭТ), металлизированный BOPP (БОПП) и слой термостойкого полиэтилена для запайки пакета.
При производстве ВИП выполняются следующие технологические операции:
- взвешивание порций порошка и сорбента;
- перемешивание порошка и сорбента;
-
уплотнение полученной смеси на
прессе с целью формования ВИП; - укладка пакета в упаковку;
- вакуумирование пакета и запаивание торцов.
Измерение коэффициента теплопроводности ВИП
С целью определения коэффициента теплопроводности полученных панелей выполнены измерения на лабораторной установке методом определения теплового потока (рис. 2).
Состав экспериментальной установки для проведения измерений:
а) морозильная камера модели МК-140 со встроенным контроллером управления режимами работы холодильного агрегата;
б) фасадная панель пенополистирола толщиной 80 мм с прямоугольными отверстиями для установки в них образцов вакуумных теплоизоляционных панелей;
в) измеритель теплового потока ИТП-МГ 4.03 «Поток» трехканальный с датчиками измерения теплового потока и двух температур (наружной и внутренней).
Вместо дверцы морозильной камеры использовалась фасадная панель пенополистирола толщиной 80 мм и размером 860х560 мм, в которой вырезаны два прямоугольных отверстия 100х100 мм и 300х300 мм для установки в них испытуемых образцов вакуумных теплоизоляционных панелей размерами 100х100 мм, 200х300 мм, 200х200 мм, 100х300 мм, 100х200 мм, 300х300 мм.
Измерения значений температур и теплового потока выполнялись прибором ИТП-МГ 4.03 «Поток», который предназначен для определения плотности тепловых потоков, проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции зданий и сооружений [20]. Толщина ВИП составила 28 мм. Измеренное значение коэффициента теплопроводности равно 0,004 Вт/(м•К).
На рис. 3 представлены графики зависимости значений температур, теплового потока и термического сопротивления ВИП от времени.
В процессе измерений было отмечено влияние на теплопроводность изготовленных вакуумных теплоизоляционных панелей влажности их наполнителей, источником которой мог стать влажный воздух помещения, где находятся компоненты наполнителя – порошок и сорбент. Теплопроводность ВИП с влажностью наполнителей, равной равновесной влажности воздуха помещения хранения их компонентов, увеличивается и достигает значений 0,012 Вт•м2/°С, что в 2–3 раза превосходит «эффективную» теплопроводность вакуумной панели с сухим наполнителем. Следовательно, это накладывает определенные требования на технологию хранения материалов.
Заключение
Дальнейшего снижения тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий можно достичь путем использования более эффективных, по сравнению с существующими, теплоизоляционных материалов.
ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С.С.» разработана технология производства и получены образцы отечественной вакуумной порошковой теплоизоляции для использования в системах утепления зданий. Экспериментально измеренное значение коэффициента теплопроводности нового материала находится в диапазоне 0,002–0,004 Вт/м•К, что на порядок меньше, чем у лучших отечественных теплоизоляционных материалов, и сравнимо с теплотехническими свойствами ВИП, выпускаемых фирмами Западной Европы.
Литература
1. Фейнман, Р., Лейтон, Р., Сэндс, М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 4. – М.: Мир, 1965.
2. Васильев, Л.Л. Теплопроводность неметаллических зернистых систем // Строительная теплофизика. – Москва, Ленинград: Энергия, 1966. – С. 48–56.
3. Дульнев, Г.Н., Сигалова, Г.В. Теплопроводность моно- и полидисперсных зернистых материалов // Строительная теплофизика. – Москва, Ленинград: Энергия, 1966. – С. 40–47.
4. Caps, R., Friscke, J. Konzepte für den Einsatz, von evakuirten Dämmungen bei Passivhäusern. 4 Passivhaus Tagung, Kassel, Marz 2000. – S.171–177.
5. Caps, R., Friscke, J. Vakuumdämmungen in der Anvendung. 5 Passivhaus Tagung, Reutlingen, Februar 2001. – S. 247–254.
6. Данилевский, Л.Н. Вакуумная теплоизоляция и перспективы использования в строительстве // Архитектура и строительство. – 2006. – № 5. – С. 114–117.
7. Кокоев, М.Н., Федоров, В.Т. Теплоизоляционное изделие с предельно низкой материалоемкостью // Строительные материалы. –1998. – № 9.
8. Кокоев, М.Н., Федоров, В.Т. Вакуумное теплоизоляционное изделие. Патент РФ 2144595. Бюл. № 2. 20.01.2000.
9. Кокоев, М.Н., Федоров, В.Т. Перспективы применения вакуумно-порошковой теплоизоляции в строительстве // Строительные материалы. – 1997. – № 3.
10. Armin Binz Hightech-Materialen von dem Durchbruch. 9 Passivhaus Tagung, Ludvigshafen, 2005. – S. 219–224.
11. Ferle, A. Einsatz von Vacuumdämmung in Hochbau. 8 Europäische Passivhaustagung. Krems, Austria, 2004. – S. 171–177.
12. Oehler, S. Münsterländer Hof renoviert. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover. – S. 57–62.
13. Diefernbach, N. Modernisierung von Zweifamilienhäusern auf unterschiedliche energetische Standards unter einzatz von Großelementen mit Vakuumdämmung. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover. – S. 63–68.
14. Vacuum Insulation Panel Technology. – Porextherm Dämmstoffe GmbH: Vacupor Vacuum Insulation Panel Techno.
15. Васильев, Л.Л. Теплофизические свойства пористых материалов / Л.Л. Васильев, С.А. Танаева. – Мн.: Наука и техника, 1971. – 267 с.
16. Каганер, М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур / М.Г. Каганер. – М.: Машиностроение, 1966. – 275 с.
17. Чудновский, А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов / А.Ф. Чудновский. – М.: Изд. АН СССР, 1962. – 456 с.
18. Горлов, Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий / Ю.П. Горлов. – М.: Высшая школа, 1989. – 384 с.
19. Шведов, В.Ф. Теплопроводность низкотемпературной теплоизоляции / В.Ф. Шведов // Холодильная техника. – 2006. – № 1. – С. 2–4.
20. Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции. ГОСТ 25380–82, Государственный комитет СССР по делам строительства, Москва, 1982.