Проблемы энергосбережения с каждым годом приобретают все большую актуальность. Ученые всего мира находятся в постоянном поиске новых решений, в т. ч. в области совершенствования теплозащиты зданий и снижении теплопотерь через ограждающие конструкции. Белорусские исследователи также держат "руку на пульсе" последних тенденций в сфере энергосбережения. В частности, специалисты Государственного предприятия "Институт жилища — НИПТИС им. Атаева С. С." разработали инновационный метод порошковой вакуумной теплоизоляции. Про белорусское "ноу-хау" рассказал первый заместитель директора научно-исследовательской организации, к. ф-м. н. Леонид Николаевич Данилевский.
Все дело в вакууме
Теоретические и экспериментальные предпосылки появления на свет систем порошковой вакуумной теплоизоляции возникли еще в 1960-е годы. Правда, на тот момент использовались они лишь в криогенной технике, и широкого применения так и не получили. Интерес к данному типу теплоизоляции пробудился ближе к концу прошлого века в связи со строительством т. н. "пассивных" зданий. Так, в конце 1990-х годов были изготовлены первые промышленные партии нового материала для использования в строительстве.
"В качестве наполнителя вакуумных изоляционных панелей служат пористые либо волокнистые материалы, например, мелкие порошки или аэрогели, — рассказал Л. Н. Данилевский. — Чем меньше размеры пор материала и разветвленнее его структура, тем раньше в нем достигается условие высокого вакуума и лучше его теплофизические свойства. Так, в микропористой сфере с размером пор 10–8 м молекулярный механизм передачи тепла 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".
По словам ученого, оболочки современных вакуумных изоляционных панелей многослойные. Каждый слой выполняет определенные функции: барьерные по отношению к различным газам; прочностные; функции отражения инфракрасного излучения (слой из фольги) и сварные. Наполнитель поддерживает стенки 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 странах Западной Европы уже активно производятся и повсеместно используются в строительной практике.
"Технология вакуумных изоляционных панелей стала коммерчески доступной с появлением относительно дешевых наполнителей на основе легких пористых материалов, — подчеркнул Л. Н. Данилевский. — 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 других теплоизоляционных материалов. Их использование при строительстве зданий позволит увеличить полезную площадь жилья за счет уменьшения толщины утеплителя, снизив при этом уровень теплопотерь в 5–6 раз".
Сделано в Беларуси
Выпуск вакуумных изоляционных панелей уже освоен в странах Западной Европы. Однако технология их изготовления и рецептура заполнителя являются "ноу-хау" фирм-производителей. Именно поэтому перед Институтом НИПТИС стояла задача разработать технологию и освоить производство отечественных вакуумных изоляционных панелей.
Как отметил Л. Н. Данилевский, в качестве наполнителя вакуумных теплоизоляционных панелей был использован пирогенный кремнезем — высокодисперсный, высокоактивный, пирогенный диоксид кремния (химическая формула — SiO2). Он представляет собой чистый аморфный диоксид кремния с наноразмером частиц от 5 до 40 нм.
В составе панели для продления ее срока службы применялся также адсорбер. Он поглощает газы, которые выделяются ее компонентами и проникают внутрь через оболочку.
Следует отметить, что 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.
В вакуумных теплоизоляционных панелях используются многослойные ламинированные пленки (ламинирование алюминием или SiOx). Возможны также 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 требованиям воздухопроницаемости и паропроницаемости.
Измеряем коэффициент теплопроводности
С целью определения коэффициента теплопроводности полученных панелей специалистами научно-исследовательской организации выполнены измерения на лабораторной установке методом определения теплового потока.
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. Толщина панели составила 28 мм. Измеренное значение коэффициента теплопроводности — 0,004 Вт/(м.К).
Немного теории
Переход к вакууму в газе с уменьшением давления начинается с нарушения условия для значений чисел Кнудсена Кn = L/d << 1 и завершается при достижении условия Кn >> 1 (L — длина свободного пробега молекулы газа, d — характерный размер полости).
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. При сравнении теплопроводности герметичных и открытых пористых систем видна более высокая теплопроводность открытых систем. Эффективная теплопроводность является сложной функцией, зависящей от многих факторов: температуры, давления газа в порах, размера пор, степени черноты стенок капилляров и ячеек и т. д., оказывающих различное влияние на величину коэффициента теплопроводности.
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 современной вакуумно-порошковой изоляции, составляют порядка 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.
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 вакуумных изоляционных панелей с влажностью наполнителей, равной равновесной влажности воздуха помещения хранения их компонентов, увеличивается и достигает значений 0,012 Вт.м2/оС, что в 2–3 раза превосходит "эффективную" теплопроводность вакуумной панели с сухим наполнителем. Следовательно, это накладывает определенные требования на технологию хранения материалов.
Как подчеркнул Л. Н. Данилевский, дальнейшего снижения тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий можно достичь путем использования более эффективных, по сравнению с существующими, теплоизоляционных материалов.
Тот факт, что специалистами ГП "Институт жилища — НИПТИС им. Атаева С. С." разработана технология производства и получены образцы отечественной вакуумной порошковой теплоизоляции для использования в системах утепления зданий, говорит о многом. 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 вакуумных изоляционных панелей, выпускаемых фирмами Западной Европы.