Теплопроводность минваты и пенопласта: Теплопроводность утеплителей — пенопласта и минеральной ваты – таблица

таблица сравнения с другими материалами и расчет толщины слоя утеплителя в зависимости от теплопроводности

Гарантия
5 лет!

Бесплатный
выезд замерщика

Только качественный
материал!

Опыт работы
12 лет!

В технической литературе пенополиуретан описывается как материал с самой низкой теплопроводностью в списке стандартных термоизоляционных материалов. Пенополистирол и жесткий пенополиуретан с низкой плотностью (от 20 до 50 кг/м³) по праву стали самыми используемыми материалами для промышленных холодильных и морозильных камер и других систем, где требуется повышенная термоизоляция. В этом заслуга низкой теплопередачи. Для сравнения теплопроводность жесткого пенополиуретана в разы ниже теплопроводности  минеральной ваты и всех других популярных утеплителей.

Коэффициент теплопроводности жесткого пенополиуретана и других материалов

Именно низкая теплопроводность делает ППУ оптимальным материалом для термоизоляции. Коэффициент теплопроводности жесткого  пенополиуретана составляет 0,019 – 0,028 Вт/м*К. Этот показатель определяет количество теплоты, которая проходит сквозь куб материала со стороной в 1 м за 1 секунду при единичном изменении температуры в 1 Кельвин. Низкая теплопроводность позволяет обеспечить необходимую теплоизоляцию при минимальном слое покрытия. Например, теплопроводность пенопласта составляет 0,04 – 0,06 Вт/м*К, т.е. понадобится в 2-3 раза более толстый слой пенопласта, чем пенополиуретана. В видео ниже поясняется понятие теплопроводности и его применение в строительстве:

Совет от профессионала

Если вы хотите сравнить теплопроводность различных строительных материалов, необходимо поделить их коэффициенты теплопроводности. К примеру, теплопроводность минваты и ППУ соотносятся как 0,052/0,019=2,74. Это означает, что слой пенополиуретана в 10 см равен 27,4 см слою минеральной ваты по своим утепляющим свойствам. Если брать теплопроводность керамзита и ППУ, то соотношение будет 0,18/0,019=9,47. То есть слой керамзита должен быть почти в 10 раз толще.

Ниже приведена теплопроводность строительных материалов в таблице

*Цифры могут изменяться в зависимости от производителя, погодных условий, точного состава.

Как рассчитать необходимую толщину слоя ППУ-утеплителя?

Для расчета необходимого количества материалов для утепления дома или другой постройки необходимо обратиться к нормативам СНиП 23-02-2003 и рассчитать следующие параметры:

Rreq = a*Dd + b

Dd = (Tint – Tht)*Zht

Δ=Rreq*λ

Rreq – сопротивление теплопередачи

a и b – коэффициенты из таблиц СНиП

Dd – градусо-сутки отопительного сезона

Tint – внутренняя температура помещения, которую необходимо поддерживать

Tht – средняя температура воздуха снаружи помещения

Zht – длительность периода отопления

Δ – искомая толщина слоя ППУ-утеплителя

Λ — теплопроводность

Сопротивление теплопередачи рассчитывается для цельной конструкции, поэтому для расчета сопротивления теплопередачи ППУ необходимо вычесть из общего показателя сопротивления теплопередачи других составных материалов покрытия (например, для стены нужно также учитывать теплопроводность штукатурки и кирпича).

Для примера, возьмем минимальную теплопроводность ППУ, равную 0,019. Используя данные из СНиП для стандартных стен жилого дома – Rreq=3,279 рассчитаем толщину теплоизоляционного покрытия из ППУ – Δ = 3,279*0,019= 0,0623 м (т.е. 6,23 см). Если вам посчастливится приобрести самый термостойкий пенополиуретан с таким низким коэффициентом теплопроводности, достаточная толщина термоизоляционного слоя всего 6 см.

В сравнении с другими утеплителями наиболее тонкий слой утепления дает именно пенополиуретан, теплопроводность которого ниже, чем у любого другого материала. Поэтому нередко утепление ППУ обходится дешевле, чем использование менее совершенных вариантов теплоизоляции.

Как выбрать теплоизоляцию для дома

Как выбрать теплоизоляцию для дома

Сентябрь 01, 2016

Уменьшение количества энергетических и природных ресурсов привело к тому, что люди начали экономно использовать топливо, бережно относится к лесу. В последнее время были введены стандарты в области энергосбережения, люди стали покупать пластиковые окна и утеплять свои дома.  На данный момент проблема выбора утеплителя сейчас стоит перед каждым потребителем, с нюансами этого дела постараемся разобраться в нашей статье.

Какая теплоизоляция считается лучшей?

Однозначного ответа на этот вопрос нет и не может быть. Это связано с тем, что каждый материал имеет свои положительные и отрицательные стороны, может использоваться в разных температурных диапазонах при определённой влажности воздуха. Также на выбор изоляции влияет тип отделываемой поверхности. В настоящий момент широкую популярность у потребителей приобрели материалы на основании пенополистирола, а также минеральная вата. Ознакомимся с ними более подробно.

Что лучше выбрать минеральную вату или пенопласт

Для начала разберёмся с базальтовой или минеральной ватой. По технологии производства этот материал получают путём расплавления твёрдых горных пород. Подобные изделия выпускаются в виде матов (плит) волокнистой структуры. Основными преимуществами данного материала считается стойкость к высоким температурам, гниению и появлению плесени. Его используют для отделки стен мокрых помещений, таких как сауна или баня, а также для утепления стен частных домов.

Пенопласт выпускается в виде жёстких плит определённой толщины со стандартными габаритными размерами. Утеплитель применяют для изоляции перекрытий, несущих стен и фундамента. Структура пенопласта состоит из большого количества пузырьков прочно соединённых между собой. В связи с этим готовые изделия имеют небольшую теплопроводность, их поверхность отталкивает влагу, препятствует процессам гниения и появлению грибка.

Сравнение пенопласта и минеральной ваты

Параметр	Пенопласт	Минеральная вата
Прочность на сжатие, МПа	0,05-0,16	0,04-0,06
Прочность на изгиб, МПа	0,07-0,25	—
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мхК)	0,033-0,037	0,030-0,048
Влагопоглощение, %	4	До 15>
Группа горючести	Г1, Г3	НГ
Коэффициент паропроницаемости, мг/(м*ч*Па)	0,036-0. 45	0,38-0,53
Максимальная температура нагрева, °С	+ 80	+ 1000

Часто задаваемый вопрос — какой утеплитель выбрать: базальтовые маты или минеральную вату

На самом деле и базальтовый утеплитель и минеральная вата – это один и тот же материал. Подобные изделия получают из волокон, образованных в результате расплавления горных пород с дальнейшим прессованием в отдельные плиты. Приставка в названии изоляции «базальтовая» говорит о происхождении материала (из базальтового камня).

Сравнение минеральной ваты и пенополистирола

Пеноплекс или экструдированый пенополистирол – это аналог привычного всем пенопласта. Заметим, что указанный материал изготавливается по немного другой технологии из того же сырья, что позволяет получить улучшенные качества. Основное преимущество пенополистирола стойкость к воздействию влаги, однако такие изделия поддаются горению. Что касается минваты, то указаный утеплитель пропускает влагу, но при этом теряет свои свойства. Описываемая изоляция не поддаётся горению и это считается её основным преимуществом.

Стекловата – базальтовый утеплитель

Эти два вида теплоизоляции похожи между собой по свойствам, но отличаются типом сырья. Если для изготовления минеральной ваты используются твёрдые горные породы, то стекловату получают из очищенного кварцевого песка или боя стекла. На отличительные признаки указывает структура материала. Стекловата может изгибаться под любым углом, что позволяет использовать изделия для утепления конструкций сложной формы. Базальтовые плиты напротив, имеют достаточную жёсткость и прочность, поэтому их используют для отделки выровненных поверхностей.

видов изоляционных материалов | Энциклопедия MDPI

Изоляционные материалы подразделяются на три основные категории в зависимости от состава материала, технологии материала и индекса устойчивости материала.

1. Неорганические изоляционные материалы

1.1. Неорганическое волокно

Стеклянная, каменная и шлаковая вата – все это волокнистые элементы, которые относятся к минеральной вате ^[1] . Волокнистые изоляционные материалы производятся с использованием щебня, кварцевого песка, диабаза и базальта 9.0009 [2] . Стекловата и каменная вата относятся к категории неорганических волокнистых материалов. Стекловата производится путем смешивания природного песка и (обычно переработанного) стекла при температуре от 1300 °C до 1450 °C ^[3] . Затем трансформация волокна происходит посредством центрифугирования и продувки. Наконец, волокна удерживаются и стабилизируются с помощью смолы ^{[3] [4]} . Минеральная вата также формируется из волокон, полученных путем плавления камня (например, диабаза и долерита) при температуре около 1500 ° C и выбрасывания горячего расплавленного материала из колеса или диска.

На рис. 1 показана минеральная вата в микроскопическом и крупном плане. Минеральная вата имеет теплопроводность 0,030–0,040 Вт/м·К, а стекловата и каменная вата имеют теплопроводность 0,030–0,046 и 0,033–0,046 Вт/м·К соответственно ^[5] . Температура и влажность окружающей среды не влияют на теплоизоляционные характеристики материалов из стекловолокна и минеральной ваты ^{[3] [6]} ; однако эти переменные изменяют теплопроводность минеральной ваты. При увеличении влажности минеральной ваты с 0% до 10% теплопроводность повышается с 0,037 м·К до 0,055 м·К 9 .0009 [7] . В реальных условиях более легкие и мягкие стержни из минеральной ваты используются для обрамления полостей в других строительных конструкциях ^[7] , а более плотные и сложные панели из минеральной ваты используются для полов, стен и крыш ^[2] . Стекловата обычно может использоваться в качестве теплоизоляционного материала, когда потребность в теплостойкости невелика (например, крыша здания завода), но каменная вата обычно является более разумным выбором для больших требований к теплоизоляции ^{[2] [7] [8]} . В литературе показано, что неорганический волокнистый материал не гниет, проявляет хорошую устойчивость к высоким температурам и имеет высокий уровень гигроскопичности. Тем не менее, они все еще довольно дороги на рынке сегодня.

Рисунок 1. Минеральная вата ^[9] .

2.1.2. Сотовый

Силикат кальция, пеностекло, перлит и вермикулит являются примерами неорганических пористых изоляционных материалов ^[2] . Основные компоненты этих материалов включают песок, волокна целлюлозы, битое стекло, доломит, оксиды (например, алюминия и кремния) и силикаты магния-алюминия. Большая пористость пенных изоляторов снижает механическую прочность при увеличении гигроскопичности, что приводит к низкой теплопроводности ^[7] .

При комнатной температуре теплопроводность пенопласта составляет около 0,12 Вт/м·K (при плотности 100 кг/м ³ ), что больше, чем у других волокнистых изоляционных материалов ^[5] . Кроме того, на эту теплопроводность сильно влияет тепловое излучение. Согласно результатам, опубликованным Zukowski и Haese ^[10] , введение перлита в поры пористых изоляционных материалов снижает теплопроводность. Гао и др. ^[11] представил новый пеноизоляционный материал, изготовленный из перлита/силиката натрия, H ₂ O ₂ , бромида гексилтриметиламмония и минеральной ваты. Их пеноизолятор легче обычных неорганических материалов, имеет низкую теплопроводность и механически прочен. Однако, несмотря на то, что это легкий материал, ему не хватает структурной жесткости, что делает его непригодным для использования в ограждающих конструкциях, подверженных вибрации.

2. Органические изоляционные материалы

2.1. Полистирол

Изделия из полистирола производятся из органического пенопласта. В качестве изоляционного материала полистирол коммерчески доступен в двух формах: вспененный полистирол и экструдированный полистирол ^[7] .

Вспененный полистирол (EPS) обычно получают путем выпаривания пентана в частицы полистирола. Этот метод может производить белую жесткую пену с закрытыми порами. Удельная теплоемкость пенополистирольных материалов составляет около 1,25 кДж/кг·К, а их теплопроводность и плотность варьируются от 0,031 до 0,037 Вт/м·К и от 15 до 75 кг/м 9 .0009 3 соответственно. Чем выше плотность изоляционного материала EPS, тем лучше будет эффект изоляции ^[4] . Кроме того, как Lakatos et al. ^[12] , на теплопроводность материалов EPS влияет влажность. Они показали, что если пенополистирол выдержать в течение четырех часов сухим в климатической камере с относительной влажностью 90 %, его теплопроводность уменьшится на 2,1 %.

Материал EPS, с другой стороны, имеет закрытую пористость, низкую плотность и не обладает явными акустическими свойствами. Из-за высокой воспламеняемости этих материалов в их производственный процесс часто добавляют антипирены. Материалы EPS можно использовать для различных целей, например, для упаковки (9). 0021 Рисунок 2 ) и изоляция конструкции ^{[7] [13]} . Преимущества изоляционных плит EPS по сравнению с коммерчески доступными неорганическими активными изоляционными растворами и пеностеклом включают низкую теплопроводность и значительный коэффициент накопления тепла. Однако, поскольку это органический материал, огнеупорные характеристики являются ключевым моментом, на который необходимо обратить внимание. Несколько производителей разработали усиленные огнеупорные пенополистирольные плиты, но их стоимость относительно высока. Более того, пенополистирол чрезвычайно сложно разложить, а переработка пенополистирола проблематична.

Рисунок 2. ( a ) материал EPS, используемый для упаковки, и ( b ) изоляционный материал XPS ^[9] .

В процессе экструзии, посредством которого производится XPS, частицы полистирола расплавляются в экструдере и смешиваются с основными добавками, после чего смесь расширяется при охлаждении ^[14] . Теплопроводность XPS обычно составляет от 0,025 до 0,035 Вт/м·K ^[5] . Теплопроводность XPS зависит от температуры, влажности и плотности. Показано, что теплопроводность XPS увеличивается с 0,034 Вт/м·К до 0,044 Вт/м·К при увеличении содержания воды от 0% до 10%9.0009 [7] . Изоляционные материалы XPS можно устанавливать и снимать с ряда строительных конструкций без ущерба для их теплостойкости ^[15] . Хотя XPS обладает такими же изоляционными свойствами, что и EPS, он поглощает меньше влаги (0,3% против 2–4%) и выделяет более высокую удельную теплоемкость (1,3–1,7 кДж/кг·K). Однако XPS обычно стоит на 10–30 % дороже, чем EPS ^[3] . XPS практически идентичен EPS, оба из которых являются наиболее широко используемыми изоляционными материалами. Тем не менее, они еще не являются экологически чистыми материалами, и планирование успешной стратегии переработки для вторичной переработки является сложной задачей.

2.2. Полиуретан (PUR)

Полиуретан (PUR) и полиизоцианураты образуются при взаимодействии изоцианатов и полиолов ^[2] . ППУ имеет теплопроводность от 0,02 до 0,03 Вт/м·К, что значительно ниже, чем у минеральной ваты, полистирола и целлюлозных изделий ^[15] . На теплопроводность полиуретана влияют изменения температуры, влажности и массовой плотности; Теплопроводность увеличивается с 0,025 до 0,046 Вт/м·К при увеличении содержания влаги от 0% до 10% ^[7] . Кроме того, теплопроводность полиуретана имеет тенденцию к снижению при уменьшении размера ячейки ^{[7] [16]} .

Полиуретан может использоваться для изготовления панелей и трубной арматуры, а также вспенивается в пенопласт для использования в зданиях (для герметизации дверей и окон и заполнения пустот и пространств ^{[3] [7]} . выделяется опасный цианистый водород (HCN) и изоцианаты ^[15] . По сравнению с другими органическими материалами основным преимуществом изоляционных плит PUR ( Рисунок 3 ) является их высокая структурная прочность. Тем не менее, как и другие изоляционные плиты из органических материалов, они обладают слабой огнестойкостью и низкой скоростью переработки.

Рисунок 3. Изоляционная пена PUR ^[7] .

2.3. Пробка

Пробковая теплоизоляция в основном изготавливается из пробкового дуба. Теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость пробкового материала находятся в пределах 0,037–0,050 Вт/м·К, 110–170 кг/м ³ и 1,5–1,7 кДж/кг·К соответственно. Без ущерба для теплостойкости пробковые изоляционные изделия можно прокалывать, обрезать и подгонять на стройплощадке ^[15] . Материалы, состоящие из частиц пробки, обладают хорошими акустическими характеристиками, такими как изоляция от теплового удара, изоляция воздуха и звукопоглощение ^[17] . Мягкая древесина является идеальным изоляционным материалом при сжатии из-за его низкой теплопроводности и высокой прочности на сжатие. Пробковый дуб широко используется в строительстве благодаря своим тепловым и акустическим свойствам. Может использоваться как наполнитель или лист ^[7] . По сравнению с вышеупомянутыми органическими материалами эффективность переработки пробковых материалов более эффективна. Учитывая устойчивое развитие зданий, такие материалы, как пробка, должны постепенно заменять полимерные материалы, которые трудно разлагаются.

2.4. Органическая клетчатка

• Целлюлоза

Целлюлоза изготовлена ​​из переработанной бумаги, древесного волокна и борной кислоты для улучшения ее тепловых характеристик ^[18] . Эти компоненты также могут повысить его устойчивость к вредителям, огню и коррозии ^[3] .

Целлюлоза имеет теплопроводность от 0,037 до 0,042 Вт/м·К, плотность от 30 до 80 кг/м ³ и удельную теплоемкость от 1,3 до 1,6 кДж/кг·К. На тепловые характеристики целлюлозы может влиять качество исходной газетной бумаги ^[19] . Кроме того, теплопроводность можно улучшить, увеличив содержание влаги с 0% до 5%, что даст 0,040 Вт/м·К и 0,066 Вт/м·К соответственно ^[7] .

Целлюлозные изоляционные материалы можно перфорировать, обрезать и модифицировать на стройплощадке без потери их термостойкости ^[15] . С точки зрения акустики, при использовании целлюлозных панелей их эластичность можно использовать в качестве эластичного материала для плавающих полов, а значения пористости и сопротивления потоку достаточны для звукопоглощения и изоляции полостей ^[17] . Целлюлоза коммерчески используется для заполнения полостей, картона и вкладышей для конвертов ^.[18] . Несмотря на то, что целлюлозные панели и коврики производятся производителями, рассыпчатая целлюлоза, которую можно задувать в полости стен, более доступна ^[3] . Целлюлозу можно использовать в качестве устойчивого материала по сравнению с органическими полимерными материалами. Следует также принять во внимание его улучшенную работоспособность. Однако необходимы дополнительные исследования аспекта долговечности, поскольку долговечность является центральным аргументом против замены EPS и XPS новыми материалами.

Овечья шерсть широко используется в швейной и текстильной промышленности. Однако большое количество шерсти от грубых или полугрубых овец (молочных овец), разводимых в странах юга Европы и Средиземноморья, имеет низкое текстильное качество. Поэтому рекомендуется использовать шерсть в качестве прочного изоляционного материала для зданий ^[20] . На рисунке 4 показан материал из овечьей шерсти и его применение в строительстве.

Рисунок 4. Применение изоляции из овечьей шерсти в строительных конструкциях ^{[7] [9]} .

Семитеколос и др. ^[20] проанализировали композитную изоляцию, изготовленную из эпоксидной смолы и шерсти. По сравнению с чистой эпоксидной смолой теплопроводность их композита снижена на 30%, что свидетельствует о том, что композит из шерстяного волокна и эпоксидной смолы можно рассматривать как потенциальный изоляционный материал, в котором также используются натуральные отходы. Якоб Флореа и др. ^[21] исследовал новый изоляционный материал из натуральных волокон, шерсти и конопли. Результаты экспериментов показали, что материалы из овечьей шерсти обеспечивают лучшую теплоизоляцию, чем доступные в настоящее время материалы, что приводит к повышению энергоэффективности здания. Исследование Azra Korjenic et al. ^[22] обнаружил, что теплоизоляционные характеристики чистой ваты в качестве внутреннего изоляционного слоя фасадов сравнимы с минеральной ватой и силикат кальция.

3. Современные изоляционные материалы

3.1. Прозрачные изоляционные материалы (ТИМ)

Все прозрачные изоляционные материалы (ТИМ) можно отнести к категории солнечных коллекторов, поскольку они поглощают солнечную энергию, а также обеспечивают изоляцию для предотвращения потерь тепла ^[23] . TIMS, которые обычно комплектуются прозрачной крышкой и стеклопакетом ^[24] , также могут управлять тепловым потоком и пропускать свет, повышая тепловой и визуальный комфорт здания ^[2] . Основываясь на различных конструктивных решениях, TIM обычно делятся на четыре категории, т. е. вертикальная стеклянная структура, параллельная стеклянная структура, составная стеклянная структура и гомогенная стеклянная структура ^[24] . Гомогенный ТИМ состоит из аэрогеля из гранулированного кремнезема (GSA) и цельного аэрогеля из кремнезема (MSA). На рисунке 5 показаны гранулы силикагеля, используемые в стеклопакетах. Хотя MSA-TIM более важен, чем GSA-TIM, его первоначальная стоимость, а также уязвимость являются существенными препятствиями для его коммерциализации ^[25] .

Рисунок 5. Гранулы кремнеземного аэрогеля, используемые в стеклопакетах ^{[9] [25]} .

TIM в основном используются в системах прозрачной изоляции (TI) в солнечных установках, а именно в системах TI для солнечных коллекторов и системах TI для зданий ^[23] . Системы TI также подразделяются на два типа: с аэрогелем и без него. По сравнению с системой TI без аэрогеля система TI с аэрогелем легче и тоньше, что улучшает изоляционные характеристики ^[23] . Панери и др. ^[23] подтвердили, что заполненная аэрогелем система TI демонстрирует превосходные изоляционные характеристики и значение g при уменьшении ее веса и толщины. Таким образом, заполненные аэрогелем системы TI идеально подходят для энергосбережения как в существующих зданиях (при реконструкции), так и в новых постройках.

Кроме того, TIM требует скоординированной работы электрических систем, а его проектирование, производство и внедрение в зданиях обходится дорого, что делает его необычным для большинства городских зданий, но широко используется в общественных зданиях. Чтобы сделать TIM общим, необходимо разработать соответствующие нормативные ограничения, чтобы максимизировать экономию средств и расширить область применения.

3.2. Аэрогель

Аэрогель — полупрозрачное синтетическое вещество с огромной площадью внутренней поверхности, высокой пористостью и низкой плотностью ^[7] . Обычно аэрогель синтезируют золь-гель методом ^[7] , который создает высокопористую наноструктуру, снижающую теплопроводность и конвекцию через материал ^[2] . Синтетические материалы демонстрируют самую низкую теплопроводность, показатель преломления, скорость звука и диэлектрическую проницаемость среди всех оцениваемых твердых тел. Эти характеристики объясняются их уникальной микроструктурой, которая включает диаметр частиц 1–20 нм, ширину пор 2–50 нм и пористость до 9 мкм.0%.

Другие формы аэрогеля включают замороженный дым, твердый воздух и синий дым ^[7] . Аэрогель в виде частиц можно поместить в полость стеклопакета, чтобы значительно снизить его значение U, не оказывая при этом отрицательного влияния на кажущийся коэффициент пропускания ^[26] . Аэрогели также можно использовать в качестве сердцевины вакуумных изоляционных панелей. Свойства аэрогеля привели к новым применениям в различных областях, включая покрытие солнечных коллекторов, ограждающие конструкции зданий (стены, полы, чердаки), окна и покрытия (в качестве загустителя) ^[9] .

Аэрогель, как показано на рис. 6 , также может быть классифицирован как новый тип теплоизоляционного материала. Однако новые материалы имеют ограниченные возможности применения и имеют проблемы с долговечностью. Судя по литературе, в этой области не так много исследований, и необходимы дополнительные исследования, если она будет широко использоваться в будущем.

Рисунок 6. Штукатурка на основе аэрогеля в строительных конструкциях ^[27] .

3.3. Пена с закрытыми порами

Пенопласт с закрытыми порами представляет собой напыляемую изоляцию с полностью закрытыми ячейками, спрессованными друг с другом для предотвращения захвата воздуха и влаги пенопластом ^[2] . Плотность и теплопроводность закрытых пенопластов составляют 16–55 кг/м ³ и 0,025–0,048 Вт/м·К соответственно ^[2] . Основной недостаток этих пен состоит в том, что их теплопроводность быстро меняется, когда они становятся влажными ^{[2] [28]} . Последние технологические достижения направлены на производство тонких изоляционных материалов за счет ограничения размера пузырьков и введения пенообразователя, в результате чего получаются жесткие и стабильные изоляционные материалы, занимающие на 40 % меньшую занимаемую площадь, чем стекловолокно, при том же тепловом сопротивлении ^[29] .

В строительстве пенопласт с закрытыми порами может использоваться в качестве материала с твердой поверхностью, и он подходит для наружных стен (но не полых стен) в сухом климате ^[28] . Пена с закрытыми порами не имеет значительных неопределенностей в отношении того, насколько хорошо она работает в качестве материала для распыления на поверхность. Таким образом, в центре внимания будущих исследований должны быть долговечность и огнестойкость. Требуется дальнейшее исследование, чтобы определить, существуют ли растрескивание, ухудшение характеристик и риск возгорания в некоторых тяжелых условиях.

3.4. Вакуумная изоляция

Вакуумная изоляционная плита — это новый экологически чистый, высокоэффективный изоляционный материал с теплопроводностью от одной пятой до одной десятой теплопроводности традиционных изоляционных материалов. Вакуумная изоляция постепенно используется в нескольких областях, таких как строительство ( Рисунок 7 ), холодильники, холодильные камеры, изоляция трубопроводов, логистика холодовой цепи и т. д. благодаря их превосходным свойствам ^[30] . Используя вспененный пробковый порошок в качестве недорогой замены коллоидного кремнезема, Jiandong Zhuang et al. разработала композиты из вспененной пробки и пирогенного кремнезема с иерархической пористой структурой в качестве сердцевины вакуумных изоляционных панелей с коэффициентом теплопроводности всего 0,006 Вт/м·K ^[26] .

В новейшей технологии теплоизоляции вакуумные изоляционные панели со сверхслоистыми сердцевинами из стекловолокна изготавливаются методом центробежного формования с раздувом, а теплопроводность вакуумной изоляционной плиты толщиной 3 мм достигает 1,25 мВт/м·К, что значительно увеличивает срок службы изоляционной плиты. Их дополнительным преимуществом является более низкое потребление энергии, а также более низкая стоимость по сравнению с традиционными мокрыми процессами ^[31] .

Вакуумные изоляционные материалы, с другой стороны, могут использоваться для замены вакуумных стекол в окнах зданий для улучшения теплоизоляции. Результаты показывают, что изоляционный материал с вакуумметрическим давлением 10 Па в промежуточном слое может обеспечить лучший изоляционный эффект, но при гораздо более высокой стоимости ^[32] . Из-за нестабильности вакуумной среды остаточные газы, такие как N ₂ , O ₂ , H ₂ O и H ₂ , часто появляются в вакуумном пространстве после использования материала в течение определенного периода. Изделия для вакуумной изоляции, в которых часто используются геттеры, обеспечивают неизменность свойств материала после длительного использования, что увеличивает срок службы материалов для вакуумной изоляции ^[33] . Вакуумная изоляционная плита является отличным изоляционным материалом; однако важно обеспечить стабильность конструкции изоляционной плиты, поскольку ее элементы изолированы вакуумом. Снижение производственных затрат и увеличение срока службы всегда были основными темами исследований ^{[34] [35]} .

Рис. 7. ( a ) Сборка системы вакуумной изоляции и ( b ) промышленных вакуумных изоляционных панелей ^{[36] [37]} .

Теоретически вакуумная изоляция должна обладать лучшими теплоизоляционными характеристиками, но для обеспечения долговечности в реальных условиях требуется дополнительная работа. Прочный и легкий уплотнительный материал также необходим в качестве рамы для поддержания вакуума внутри панели. Кроме того, высокая стоимость является барьером, который необходимо решить для будущих разработок.

3.5. Отражающая изоляция

Системы теплоизоляции, обычно используемые в зданиях, уменьшают кондуктивный и конвективный теплообмен между внутренней и внешней частью здания. Уменьшение воздействия радиационного теплопереноса внутри и снаружи зданий также является способом достижения энергоэффективности зданий ^[38] . Системы отражающей изоляции, внутренние покрытия радиационного контроля и надувные панели являются примерами технологий изоляции зданий, в которых используется принцип отражения ^[39] . Характеристики отражающих изоляционных систем различаются в зависимости от климата. Как сообщалось, отражающая изоляция может значительно сократить внутренние градусо-дни и тепловую энергию в холодном, умеренном влажном, жарком засушливом и жарком влажном климате ^[40] .

За счет создания отражающего промежуточного слоя в середине изоляционного материала теплоизоляционные характеристики могут быть значительно улучшены. Новейшая технология отражающей изоляции включает в себя древесноволокнистую плиту и промежуточный воздушный слой с высокоотражающей поверхностью, который используется для отражения длинноволнового инфракрасного излучения, с семью слоями многослойной воздушной изоляции с теплопроводностью около 0,033 Вт/м·К. По сравнению с доступными на рынке строительными изоляционными материалами отражающая изоляция обладает более высоким изоляционным потенциалом ^[41] .

С точки зрения концепции изоляции отражающая изоляция отличается от обычных изоляционных материалов. Он уменьшает тепловое излучение, поглощаемое зданием, путем отражения теплового излучения, достигая цели теплоизоляции. Воздушную стенку часто покрывают слоем алюминиевой фольги. Эта фольга также используется в качестве дополнительного механизма сохранения тепла, который функционирует в различных композитных панелях сохранения тепла и изоляционных мембранах.

4. Устойчивые изоляционные материалы

Как упоминалось ранее, строительный сектор связан с рядом нежелательных экологических проблем, таких как использование 40% мировых природных ресурсов и производство более 45% отходов ^[42] . Неорганические изоляционные материалы, несмотря на их широкое использование в зданиях для изоляции стен из-за их огнестойкости, оказывают серьезное воздействие на окружающую среду ^[43] . С другой стороны, органические изоляционные материалы, такие как EPS и XPS, легко воспламеняются и могут выделять большие объемы токсичных газов при нагревании примерно до 80 °C ^[44] . Поскольку стены зданий занимают большую площадь по сравнению с другими компонентами (полами, крышами, чердаками и т. д.), важно перейти на безопасные, устойчивые материалы, чтобы решить текущие проблемы безопасности и заботы об окружающей среде. В этом разделе рассматриваются и обсуждаются различные устойчивые изоляционные материалы.

4.1. Биоизоляционные материалы

Биоизоляционные материалы были впервые изучены в 1974 году ^[45] . Затем исследователи и специалисты вложили значительные средства в разработку биоизоляционных материалов, особенно после 2003 года. Изучаемые материалы в основном включают кокос, древесину (например, фанеру ^[46] , пиломатериалы ^[47] , клееный брус ^[48] , ДСП ^[49] , биокомпозиты ^{[50] [51]} ), пенька, солнце цветы, кукуруза, льняное волокно, солома и т. д. ^[52] .

Индра Маварди и др. ^{[53] Недавно компания} провела исследование изоляционной эффективности панелей без связующего вещества из масличной пальмы. Сообщается, что такие биоизоляционные панели с размером частиц пальмового дерева 0,42–0,84 мм обладают хорошими теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами. Сюхао Чжан и др. ^[54] исследовали теплоизоляционный цемент из магнезиально-фосфатного цемента и стеблей кукурузы, и на основании их результатов стены с этим материалом могут лучше регулировать изменения температуры и относительной влажности, улучшая комфортность внутренней среды. Шуанг Ван и др. ^[55] провел экспериментальное исследование композита рисовая шелуха/геополимерная пена. Они показали, что новый композит, смешанный с рисовой шелухой, имеет удовлетворительные характеристики для использования в зданиях в целях энергосбережения. Лифанг Лю и др. ^[52] оценивали тепловые, механические и гидравлические свойства, а также микроморфологические эффекты биоизоляционного материала, в котором пшеничная солома и геополимеры использовались в качестве заполнителя и связующего соответственно. Согласно полученным данным, этот новый биоизоляционный материал обладает приемлемыми термическими и механическими свойствами и может использоваться для изоляции стен, особенно в сборных домах. Данг Мао Нгуен и др. ^[56] провел эксперименты с теплоизоляционными плитами, изготовленными из шести различных биологических видов клея и бамбуковых волокон. Они пришли к выводу, что 70% бамбукового волокна плюс 30% кости и лигносульфоната натрия являются оптимальным соотношением для их изоляционных плит, чтобы эффективно контролировать влажность и экономить энергию здания.

Несмотря на то, что в тепловых характеристиках биоизоляции было сделано много открытий, наличие органических компонентов в материалах из биомассы требует дополнительных исследований в отношении долговечности, устойчивости к насекомым, коррозионной стойкости и огнестойкости. В качестве устойчивого строительного материала использование биоизоляционных материалов в строительстве настоятельно рекомендуется.

4.2. Сельскохозяйственные отходы

Изоляционные материалы из сельскохозяйственных отходов, которые в основном представляют собой природные материалы или отходы, изобилуют ресурсами, недороги и не требуют сложных производственных процессов, вносят значительный вклад в достижение целей устойчивого развития в строительном секторе.

Ана Рамос и др. ^[57] разработала древесностружечную плиту с использованием поливинилацетата и кукурузного початка и изучила ее тепловые характеристики и воздействие на окружающую среду. Результаты экспериментов показали, что сельскохозяйственные отходы и побочные продукты обладают желаемыми тепловыми характеристиками, что позволяет использовать их в качестве перспективных экологически чистых строительных изоляционных материалов. Нга и др. ^[58] применил процедуру сублимационной сушки для производства теплоизоляционных и гибких аэрогелевых композитов на основе целлюлозы с использованием листьев ананаса и волокон хлопковых отходов. В этом исследовании авторы исследовали плотность, пористость, морфологию, долговечность и тепловые свойства материала, чтобы убедиться, что такие разработанные аэрогелевые композиты из биомассы можно использовать в целях изоляции в реальных ситуациях. Байба Гауена и др. ^[59] проанализировали гидротермические свойства изоляционных плит из конопли, в которых также могут использоваться местные сельскохозяйственные отходы. Они обнаружили, что влияние связующего порошка на теплопроводность минимально, однако значение, полученное с использованием конопли, намного выше, чем у традиционных изоляционных материалов.

4.3. Переработанные изоляционные материалы

Преобразование имеющихся отходов в ценные продукты имеет решающее значение для обеспечения устойчивого развития, а также для снижения производственных затрат. При обзоре литературы появляется все больше исследований по использованию переработанных материалов для изоляции стен ^[60] . В исследовании, проведенном Nga et al. ^[60] раствор биоразлагаемой ксантановой камеди смешивали с каркасом волокна в качестве связующего и лиофилизировали, оставляя полую пористую структуру. Этот материал считается экологически безопасным и экономически эффективным изоляционным материалом для строительства. Могаддам Фард и др. ^[61] разработал новый теплоизоляционный материал из переработанного пластика и полистирола, прослоив переработанные пластиковые пакеты между полистироловыми изоляционными плитами для улучшения теплоизоляционных характеристик, а также огнестойкости и водонепроницаемости; однако прочность на сжатие была принесена в жертву. Рейносо и др. ^[62] разработал новый тип переработанного изоляционного материала с теплоизоляционными свойствами, сравнимыми с коммерческими изоляционными материалами, с использованием отходов пенополистирола, цементных клеев, пластиковых добавок и воды. Дженсен и др. ^[63] исследовал свойства строительных материалов из регенерированной целлюлозы и пришел к выводу, что изоляционные материалы, состоящие из регенерированных волокон, недороги, обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами и могут использоваться для замены традиционных изоляционных материалов. В целом, использование переработанных материалов может обеспечить новые тепловые и акустические изоляторы с высокими характеристиками и низкой стоимостью, что является будущим путем исследований изоляционных материалов.

Сравнение различных изоляционных материалов с коэффициентами теплопроводности на основе плотности и температуры для двух климатических зон

NASA/ADS

Сравнение различных изоляционных материалов с коэффициентами теплопроводности на основе плотности и температуры для двух климатических зон

• Кан, Мехмет

Аннотация

Выбор изоляционного материала и определение оптимальной толщины изоляции очень важны для экономии энергии и обеспечения теплового комфорта. В литературе имеется множество исследований по определению оптимальной толщины изоляции. В этих исследованиях коэффициент теплопроводности (k) изоляционного материала берется непосредственно из стандартных таблиц и рассчитывается оптимальная толщина изоляции. В реальных приложениях значение k изоляционного материала варьируется в зависимости от условий производства, плотности и температуры. По этой причине при определении оптимальной толщины изоляции следует учитывать плотность изоляционного материала и рабочую температуру. В данном исследовании в качестве изоляционных материалов использовались пенополистирол (EPS), экструдированный полистирол (XPS), стекловата и каменная вата различной плотности, в качестве топлива – уголь и природный газ. Для провинций Конья и Сивас, находящихся в 3-й и 4-й климатических зонах Турции, было проведено сравнение методом градусо-дней в зависимости от стоимости энергии, а толщина изоляции определена в зависимости от плотности и температуры. В результате расчетов значения k теплоизоляционного материала для г. Конья, находящегося в 3-м климатическом поясе, определена оптимальная толщина утеплителя 0,076 м для пенополистирола плотностью 30 кг.м 9 .0009-3 , 0,037 м для XPS плотностью 30 кг.м ^-3 , 0,082 м для стекловаты плотностью 100 кг.м ^-3 , 0,051 м для минеральной ваты плотностью 150 кг.м ^{-3 9001 0 . При использовании угля в качестве топлива оптимальная толщина изоляции для EPS, XPS, стекловаты и минеральной ваты составляет 0,092, 0,061, 0,104 и 0,078 соответственно. В результате расчетов значения k теплоизоляционного материала для провинции Сивас, находящейся в 4 климатической зоне, определена оптимальная толщина теплоизоляции для пенополистирола плотностью 30 кг.м -3 составила 0,086 м, для ЭППС плотностью 30 кг.м -3 составила 0,044 м, для стекловаты плотностью 100 кг.м -3 составила 0,092 м, для каменной ваты плотностью 150 кг.м -3 оказалось равным 0,058 м. При использовании угля в качестве топлива оптимальные толщины изоляции для EPS, XPS, стекловаты и минеральной ваты составляют 0,098, 0,069, 0,106, 0,081 соответственно. При сравнении изоляционных материалов, хотя цена за единицу материала XPS выше, его оптимальная толщина ниже, чем у других изоляционных материалов во всех ситуациях из-за его низкой теплопроводности.}

Публикация:

Международный журнал теплофизики

Дата публикации:

декабрь 2022

DOI:

10.1007/с10765-022-03108-8

Биб-код:

2022IJT….43..174K