4.21 Экологические и архитектурные аспекты использования ограждающих конструкций с вакуумированной прослойкой и изменяющимися теплофизическими свойствами
Плотников В.В., Плотникова С.В. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
В статье отражены экологические и архитектурные аспекты, связанные с устройством ограждающих конструкций зданий, способных изменять свои теплофизические свойства в зависимости от температуры окружающей среды.
This article describes environmental and architectural aspects connected with building envelope devices capable of changing its thermal characteristics as a function of ambient temperature.
В странах северного пояса Европы имеется устойчивая тенденция повышения требований к теплозащите зданий. Эта задача решается в основном увеличением толщины слоя теплоизоляции, что, однако, усложняет выполнение работ и уменьшает полезную площадь зданий. Поэтому создание высокоэффективного теплоизоляционного материала и разработка новых технологий повышения теплозащиты зданий является в настоящее время актуальной задачей в строительстве [1-9].
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. При этом теплофизические свойства эффективных теплоизоляционных материалов типа различных видов пенопластов и минераловатных плит с течением времени из-за старения и низкой долговечности значительно ухудшаются, что требует больших затрат на восстановление эксплуатационных свойств ограждающих конструкций зданий. При этом немаловажным является и сохранение архитектурного облика здания, обеспечение долговечности ограждающих конструкций и их ремонтнопригодности. Следует также отметить, что производство традиционных эффективных утеплителей требует больших затрат энергии и трудовых ресурсов и, с учетом используемого сырья и выбросов при их получении, оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду. В настоящее время в градостроительстве актуальным становится поиск технологий, обеспечивающих востребованные человеком комфортные условия проживания с одновременным снижением затрат и вреда окружающей среде при их осуществлении.
С учетом современных достижений по автоматизации процессов стало реальным создание таких ограждающих конструкций, которые способны менять свои свойства, в том числе теплофизические, на короткий период времени в зависимости от изменения параметров окружающей среды. Датчики, установленные снаружи здания, позволяют при снижении температуры, включить устройства, подающие теплый воздух во внутреннее пространство стен, создавая тепловую завесу, или, наоборот, откачивающие воздух, создавая разряженное пространство во внутренней полости стены, повышая тем самым значения сопротивления теплопередаче в несколько раз.
Известно, что теплопроводность различных материалов может быть значительно снижена при помещении их в вакуум. Для обеспечения высокого термического сопротивления мы предлагаем конструктивное решение ограждающих конструкций с воздушной изолированной прослойкой, в которой автоматически регулируется степень разряжения воздуха на период холодов в зависимости от снижения температуры наружного воздуха. При создании в ограждающей конструкции высокого вакуума перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью воздуха, практически исключается. В связи с тем, что обеспечение высокой степени вакуума в межстеночном пространстве ограждающей конструкции в течение срока эксплуатации достаточно сложно, а появление даже небольшого давления приводит к существенному ухудшению теплоизоляции, целесообразно автоматизировать процесс разряжения воздуха в полости 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 одной - двух недель, вакуум - насос включается на непродолжительный период времени. Указанная техника работает бесшумно и не создает неудобств людям.
Ограждающие конструкции могут быть как глухие, так и светопрозрачные и иметь различное конструктивное решение и наполнение. Перспективным материалом в качестве наполнителя прослойки 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).
Современные ограждающие конструкции стен, удовлетворяющие новым нормам по теплозащите зданий, имеют обычно толщину в пределах 50-100 см и предусматривают в своем составе теплоизоляционный слой внутри или снаружи толщиной 10-20 см в зависимости от вида теплоизоляционного материала. Используя ограждающие конструкции с воздушной герметично изолированной прослойкой с регулируемой степенью разряжения, ограниченной с двух сторон высокопрочными слоями, обеспечивающими восприятие всех видов нагрузок, архитектор получает достаточно большую свободу в реализации различных форм, обеспечивая при этом не только архитектурную выразительность объекта, но и соблюдение санитарно-гигиенических норм и микроклиматических параметров комфортного жилья. С целью уменьшения общей толщины ограждающих конструкций несущие слои можно выполнять из композиционных материалов на основе современных вяжущих, например, из полимерцементного бетона с марочной прочностью более 1000 МПа, армированного углеродными волокнами.
Для понимания высоких теплоизоляционных свойств вакуумной теплоизоляции необходимо вспомнить механизмы переноса тепла. Основной механизм переноса тепла в твердых телах – это теплопроводность. При нагревании одного из концов металлического стержня поток тепла движется к его другому концу. Путем теплопроводности тепло может переноситься и через газы. При этом быстрые молекулы теплого слоя газа сталкиваются с медленными молекулами соседнего холодного слоя и в результате возникает поток тепла. Газы из легких молекул (водород) проводят тепло лучше, чем тяжелые газы (азот).
Путем конвекции теплоперенос осуществляется только в газах и жидкостях и основан на том, что при нагревании газа его плотность уменьшается. При неравномерном нагревании более легкие слои поднимаются, тяжелые опускаются. Вертикальный поток теплоты, связанный с этим движением, как правило, значительно превышает поток, связанный с теплопроводностью. Излучение – это механизм передачи теплоты электромагнитными волнами. Таким путем происходит нагревание солнцем поверхности земли. Способность тела излучать и поглощать электромагнитные волны определяется его атомной структурой.
Вакуумная технология позволяет в значительной степени исключить все три механизма передачи тепла. Сосуд Дьюара, или термос, — широко известный пример вакуумной изоляции. В пространстве между двойными стенками сосуда Дьюара создается глубокий вакуум порядка 10-2 Пa. Из-за этого перенос тепла, обусловленный конвекцией и теплопроводностью, практически полностью устранен, и теплопроводность исключительно мала - 10-3 - 10-4 Вт/м°С. Необходимость создания глубокого вакуума значительно ограничивает возможности выбора формы сосуда и конструкционных материалов. Поскольку разгерметизация сосуда способна нарушить теплоизоляцию, стенки его 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, как, например, в [1], но в то же время данное свойство послужило основой для применения мелкопористых материалов в качестве теплоизоляции. Использование мелкодисперсных пористых материалов позволяет решить задачу создания утеплителей с чрезвычайно малым значением коэффициента теплопроводности при гораздо менее жестких требованиях к конструкции теплоизоляционной системы и степени разрежения воздуха.
Роль наполнителя тройная:
1) наполнитель поддерживает стенки панели при внешнем давлении порядка 105 Па;
2) наполнитель ограничивает движение газовых молекул. Чем меньше величина пор наполнителя, тем более вероятно, что молекулы будут сталкиваться с его частицами, а не между собой. Тем самым снижаются требования к начальному уровню разрежения в пакете;
3) через наполнитель должен быть исключен радиационный механизм передачи тепла. Для этого в его состав часто вводят вещества (например, диоксид титана), которые рассеивают и поглощают ИК-электромагнитные волны.
Основную роль в процессе передачи тепла в пористых порошковых структурах играет газ, находящийся в порах. Чем меньше размеры пор и разветвленнее их структура, тем раньше в материале 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 100 Па. Все материалы наполнителей в вакуумных прослойках ограждающих конструкций при высоких уровнях вакуума имеют сравнимые характеристики, значительная разница между ними появляется при увеличении внутреннего давления до 10-100 Па.
Наиболее эффективная реализация «Интеллектуальных» ограждающих конструкций возможна при принципиальном изменении стандартных архитектурных и конструктивных решений зданий. Например, замена традиционной крыши и вертикальных стен на сферическую оболочку не только уменьшает площадь поверхности ограждающих конструкций, через которые уходит тепло, но позволяет успешно реализовать техническую сторону инновационной технологии и даже повысить архитектурную выразительность здания (рисунок 1).
Рисунок 1 – Вариант здания с ограждающими конструкциями в виде оболочки
с регулируемыми теплофизическими свойствами
Заключение
Современное состояние техники и технологий позволяют реализовать автоматическое управление сопротивлением теплопередаче ограждающих конструкций за счет изменения давления в герметично изолированной воздушной прослойке. Эти технологии успешно могут быть реализованы как при новом строительстве, так и при выполнении работ по тепловой модернизации зданий. Их преимущества перед традиционными технологиями повышения теплозащиты зданий неоспоримы, так как применение новых технологий позволит значительно уменьшить толщину слоя ограждающей конструкции, отвечающего за обеспечение теплоизоляции, при одновременном увеличении сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции в несколько раз.
Наряду с реализацией технической стороны инновационных технологий повышения теплозащиты зданий стоит задача обеспечения новых подходов при проектировании ограждающих конструкций зданий и придания им архитектурной выразительности.
Литература
1. Кокоев М.Н., Федоров В.Т. Вакуумное теплоизоляционное изделие. Патент РФ 2144595. Бюл. №220.01.2000.
2. Caps R., Friscke J. Konzepte für den Einsatz, von evakuirten Dämmungen bei Passivhäusern. 4 Passivhaus Tagung, Kassel, Marz 2000. S. 171–177.
3. Caps R., Friscke J. Vakuumdämmungen in der Anvendung. 5 Passivhaus Tagung, Reutlingen, Februar 2001. S. 247–254.
4. Armin Binz Hightech-Materialen von dem Durchbruch. 9 Passivhaus Tagung, Ludvigshafen 2005. S. 219–224.
5. Ferle A. Einsatz von Vacuumdämmung in Hochbau. 8 Europäische Passivhaustagung 2004. Krems, Austria. S. 171–177.
6. Oehler S. Münsterländer Hof renoviert. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover. S. 57–62.
7. Diefernbach N. Modernisierung von Zweifamilienhäusern auf unterschiedliche energetische Standards unter einzatz von Großelementen mit Vakuumdämmung. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover. S. 63–68.
8. Патент 2 303684. Российская Федерация. Строительный блок с терморегулируемым пневматическим фасадом/ Король Е.А., Слесарев М.Ю., Теличенко В.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет. - № 2005139176/03; Заявл. 15.12.2005; опубл. 27.07.2007, Бюл. – 5 с.
9. Патент 2382164 Российская Федерация, МПК Е 06 В 3/677. Солнечный фасад с вакуумированным пакетом/ Стребков Д.С., Митина И.В.; заявитель и патентообладатель Гос. науч. учрежд. Всерос. науч.-исслед. ин-т электр. сельск. х-ва. - № 2008148711/03; заявл. 11.12.2008. опубл. 20.02.2010, Бюл.- 5с.: ил.