Вакуумная теплоизоляция и перспективы ее использования в строительстве

Вакуумная теплоизоляция и перспективы ее использования в строительстве.

В настоящее время имеется устойчивая тенденция повышения требований к теплоизоляции зданий. Эта задача решается в основном увеличением толщины слоя изоляции, что, однако усложняет выполнение работ и уменьшает полезную площадь сооружений. Поэтому создание высокоэффективного теплоизоляционного материала является в настоящее время актуальной задачей в строительстве.

Как известно, теплопроводность различных материалов может быть значительно снижена при помещении их в вакуум.

Вакуумная теплоизоляция в чистом виде или, как ее называют иначе, высоковакуумная изоляция представляет собой в сущности вакуумированное пространство между теплой и холодной граничными стенками. Тепло в этом пространстве переносится двумя путями: теплопроводностью остаточных газов и тепловым излучением. 

Вакуумная теплоизоляция представляет собой откачанное ( до вакуума 10 - 4 Па и глубже) пространство между двумя хорошо отражающими поверхностями, одна из которых поддерживается при более высокой, а другая при более низкой температурах. Теплопередача через вакуумированное пространство осуществляется главным образом излучением. Однако, если вакуум между двумя поверхностями будет хуже указанного выше, возможен значительный клад в теплопередачу за счет теплопроводности газа.

 Самый известный пример вакуумной теплоизоляции – сосуд Дьюара или термос. В термосе в пространстве между двойными стенками цилиндра создается вакуум (99,999999%). Поэтому передача тепла теплопроводностью и конвекцией почти отсутствуют, и коэффициент теплопроводности равен 0,005 Вт/(м*К).

Так же экранно-вакуумная теплоизоляция используется в космических аппаратах. Изобретение относится к области космической техники, основному элементу систем терморегулирования космических аппаратов, предназначенной для защиты наружной поверхности космических аппаратов от внешних тепловых воздействий.

Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата включает пакет экранов, размещенный между наружным и внутренним облицовочными слоями. Наружный облицовочный слой выполнен из диэлектрического тканого материала с плотностью плетения 0,34-0,7 г/см2. В диэлектрический тканый материал вплетены в продольном и поперечном направлениях металлизированные нити.

Во многих работах для обеспечения высокого термического сопротивления ограждающих конструкций предлагается использовать полые вакуумные изоляционные панели. В пространстве между стенками панели создается высокий вакуум, и 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 межстеночном пространстве панели в течение срока эксплуатации достаточно сложно, а появление даже небольшого давления (10-4 –10-5 бар) приводит к существенному (на порядки) 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 — мелких порошков или аэрогелей. Физические принципы данного типа теплоизоляции разработаны еще в 60-е годы прошлого столетия, однако использовалась она лишь в технике глубокого охлаждения.

Современная технология изготовления пленочных упаковочных материалов позволяет производить теплоизоляцию с вакуумированием для массового применения в строительстве. Коэффициент теплопроводности данных изделий может достигать значения 0,002 Вт/(м*К), что более чем на порядок ниже традиционно используемых в строительстве утеплителей.

Вакуумная изоляционная панель состоит из пористого материала-наполнителя, который помещается в непроницаемую пленку-оболочку, воздух из которой откачивается до давления 1 мбар. Вакуумная изоляционная панель имеет очень низкий коэффициент теплопроводности λ = 0.0046 Вт/м·°С. В качестве материала-наполнителя используется нанопористый диоксид кремния SiO2, состоящий из частиц размером 5 - 20 нм, которые объединены в каркас с характерными размерами пор 20 - 150 нм.

Пленка-оболочка - материал, из которого формируются стенки вакуумной изоляционной панели. Она состоит из нескольких слоев, каждый слой представляет собой очень тонкую металлическую пленку (алюминий, нержавеющая сталь), на которую с обеих сторон нанесен слой пластика. Она имеет превосходные барьерные характеристики. Чтобы сформировать оболочку для материала-наполнителя, мембранные пленки завариваются по краям.

Сравнения: 
Для обеспечения одного и того же термического сопротивления теплопередаче R0 применение вакуумной изоляции позволяет уменьшить толщину изоляционного слоя в 6 - 10 раз по сравнению с другими материалами.

 
 
Для обеспечения термического сопротивления теплопередаче R0 равного 10, необходимо выложить 4.6 м кирпичной кладки, а можно применить вакуумную изоляционную панель толщиной всего 4.6 см. 

 
 
 
Для обеспечения одних и тех же тепловых характеристик применение вакуумной изоляции позволяет уменьшить вес изоляционного слоя в 2 – 6 раз.

Преимущества применения:

• уменьшение общей толщины и веса конструкции;
• существенное повышение энергетической эффективности;
• большие возможности для решения эстетических задач;
• никакого вреда и риска для здоровья;
• устойчивость конструкции в течение длительного периода;
• экологически чистый материал;
• не горюч;
• материал можно применять многократно;