CC BY
240УДК 502/504 : 699.865
Энергоэффективные материалы нового поколения в строительстве
Поступила 03.10.2018 г.
© Васильева Ирина Леонидовна, Немова Дарья Викторовна
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. В работе представлен анализ тенденции использования первичных энергоресурсов (нефть, газ, уголь, атомная и гидроэнергия). Приведенная статистика заставляет задуматься о значимости процесса энергосбережения по всему миру. Причиной важности энергосбережения служит ис-тощаемость энергетических ресурсов и трудность их добывания. Эта задача напрямую связана с процессами проектирования, строительства и эксплуатации объектов. Именно на этих этапах закладываются, реализуются и используются приемы энергосбережения, одним из которых является применение энергоэффективных материалов. В основном тепло уходит через ограждающие конструкции, поэтому важно предусмотреть теплоизоляционный слой из качественных материалов. В статье рассматриваются такие инновационные материалы, как жидкая теплоизоляция, аэрогели и вакуумные теплоизоляционные панели. У этих материалов множество преимуществ по сравнению с классическими утеплителями - очень низкий коэффициент теплопроводности, экологичность, легкость. Такие материалы не утяжеляют конструкций и спасают от теплопотерь. Аэрогели способны выдерживать циклические температурные воздействия. Единственным недостатком инновационных материалов является их дорогая цена, но это временное явление, так как постепенно расширяется число их производителей. К тому же новые теплоизоляционные материалы должны окупить вложенные в них средства в процессе эксплуатации.
Ключевые слова. Энергосбережение, энергоэффективность, теплопотери, жидкая теплоизоляция, аэрогели, вакуумные теплоизоляционные панели.
Energy-efficient materials of the new generation in construction
Received on December 03, 2018
© Vasileva Irina Leonidovna, Nemova Dana Viktorovna
Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University, Saint-Petersburg, Russia
Abstract. The table with a tendency to use primary energy resources (oil, gas, coal, nuclear and hydropower) is presented in the work. This statistics makes wonder about the significance of the energy saving process around the world. The reason for the importance of energy conservation is the exhaustion of energy resources and the difficulty of their extraction. This task should be taken into account in the process of design, construction and operation of facilities. One of the ways is using energy efficient materials. Heat escapes through the enclosing structures, so it is important to provide a heat-insulating layer of high-quality materials. The article discusses such innovative materials as liquid insulation, aerogels and vacuum insulation panels. These materials have many advantages in comparison with classical heaters - a very low coefficient of thermal conductivity, environmental friendliness, lightness. Such materials do not weigh down the structures and save from heat loss. Aerogels are able to withstand cyclic temperature effects. The only disadvantage of innovative materials is their expensive price, but it is a temporary phenomenon, because the number of their manufacturers is gradually expanding. In addition, new insulation materials should recoup the investment in them during operation.
Keywords. Energy saving, energy efficiency, heat loss, liquid heat insulation, aerogels, vacuum heat insulation panels.
Введение. Энергосбережение становится все более важным приоритетом в политике многих стран мира. Эта тенденция продиктована ограниченностью энергоресурсов, трудностью их добычи и, соответственно, большой стоимостью их
получения. Приведенный ниже график с потреблением первичных источников энергии позволяет в полной мере оценить важность этой задачи (таблица 1) [1]. С каждым годом потребление энергетических ресурсов растет, а минерально-
сырьевые и иные природные ресурсы истощаются. Это становится причиной серьезных экологических проблем. Соответственно, необходимо рационально и экономно расходовать энергию - этими вопросами занимается энергоэффективность.
Динамика потребления первичных энергетических ресурсов за период 2006-2020 гг. (в млн т.у.т. % )
Показатели 2006 г. 2010 г. 2020 г.
Потребление ПЭР, всего 17006,4 18280,0 21380,0
100,0 100,0 100,0
Нефть 6204,4 6285,0 6990,0
36,5 34,4 32,7
Газ 3890,5 4260,0 5100,0
22,9 23,3 23,9
Уголь 4588,0 5055,0 5820,0
26,9 27,7 27,2
Атомная энергия 1000,0 1040,0 1210,0
5,9 5,7 5,7
Гидроэнергия и другие возобновляемые источники энергии 1322,8 1640,0 2260,0
7,8 9,0 10,5
Примечание: ПЭР-первичные энергетические ресурсы
Справиться с поставленной задачей на территории нашей страны помогает Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 N 261-ФЗ. Закон становится основой для создания, развития, формирования и улучшения экономических, правовых и организационных положений для эффективного энергосбережения. Он постоянно претерпевает поправки и дополнения, что подтверждает, что вопросам экономии энергии и энергетических ресурсов в нашей стране уделяется самое пристальное внимание. Задачи совершенствования и прогресса в области энергоэффективности постоянно находятся в стадии активной разработки и воплощения в жизнь.
Тепловая защита в строительстве. Задача энергосбережения тесно связана с процессом строительства, так как оно потребляет практически половину всех энергетических ресурсов планеты [2, 3]. Для каждого здания после процесса строительства начинается самый длинный этап в жизненном цикле объекта -
эксплуатация, требующая постоянного поступления энергии, расходующейся на отопление, вентиляцию, горячую воду, освещение помещений и работы различного оборудования.
Рост цен коммунальные услуги и отопление выдвигает на передний план необходимость повышения тепловой защиты зданий с целью сокращения затрат на отопление в процессе эксплуатации. Количество энергии, требуемое на обогрев помещения, зависит от тепловых потерь: чем больше тепла тратится впустую, тем большей мощности требует отопительная система. Потоки тепла ускользает преимущественно через ограждающие конструкции - стены, кровля, плиты перекрытия, окна, входные двери (рис. 1).
Рис. 1. Теплопотери в здании
Помимо этого, имеют место быть неучтенные теплопотери, возникающие из-за нецелостности конструкций зданий: во многих домах со временем появляются трещины и зазоры. Проводниками холода являются необходимые для прокладки коммуникаций отверстия.
Для того, чтобы справится с потерями тепла, теплоизоляционный слой в стеновой конструкции или кровле может быть выполнен из энергоэффективного материала [4]. Под « энергоэффективными материалами » понимают материалы, способствующие потреблению наименьшего количества энергии при прнятом уровне энергетического обеспечения зданий или технологических процессов на производстве. Такие материалы следует предусматривать уже при проектировании, учитывая
такие требования, как надежность и долговечность, а также поддержание требуемых параметров микроклимата, установленных для нормальной жизнедеятельности людей. Долговечность ограждающих конструкций базируется на таких характеристиках, как влагостойкость, морозостойкость, биостойкость, стойкость к температурным воздействиям, особенно циклическим и т. д. [5].
В отрасли производства строительных материалов постоянно появляются инновационные наработки. На смену классическим теплоизоляционным материалам приходят новые передовые, часть из них рассмотрена ниже.
Жидкая теплоизоляция имеет несколько названий - теплокраска или жидкая керамическая теплоизоляция [6].
Коэффициент теплопроводности, при 20 °C Вт/(м°С), для фасадов и металлических покрытий не превышает 0,0015.
Разработка теплокрасок началась почти тридцать лет назад в США, Японии, Германии и СССР обособленно друг от друга. В СССР проводились эксперименты по разработке этого продукта в городе Королеве и в городе Волжском, Волгоградской области для нужд оборонной промышленности (образцы не сохранились).
В США жидкая керамическая изоляция использовалась в качестве утеплителя космических кораблей «Шаттл». Впервые в Россию из США этот материал был завезен в 1997 году под названием «Temp coat». За последнее десятилетие на российском строительном рынке появились продукты-аналоги отечественного производства со схожими, а порой даже лучшими свойствами, и стеснили с рынка американский продукт («Изоплат», «Актерм», «Полинор», «Корунд», «Броня») [7].
Жидкая керамическая теплоизоляция представляет собой вещество из микрополостей, сформированных взвесью силикона и керамики плюс связующей жидкости из полимеров, пигментов и др. Внутри этих микрополостей образуется вакуум.
К неоспоримым плюсам керамического жидкого утеплителя относят низкий коэффициент теплопроводности, экономия полезной площади, безопасность для здоровья человека, огнеупор-
водостойкость. В следствие высокой адгезии на него можно наносить любой вид отделки - оклеивание обоями, оштукатуривание или окрашивание [6]. Недостатком является только цена.
Аэрогель занимает пятнадцать позиций в книге рекордов Гиннеса и не без основания. Его называют «твердый воздух» или «застывший дым». 90...99% занимает воздух и лишь 1...9 % твердое число (например, диоксид кремния). Самый твердый материал с рекордно низкой плотностью. Получаемые сегодня образцы демонстрируют плотность до 0,003 г/см3, что не сравнимо с плотностью, которая была получена создателем аэрогеля - Кистлером в 30-х годах прошлого века (0,02 г/см3) [8-10].
Одним из его лучших свойств является теплоизоляция. В силу своей пористости аэрогель имеет низкую теплопроводность, его трудно нагреть насквозь. Коэффициент теплопроводности диоксида кремния составляет 0,01...0,02 Вт/м К для интервала температур 0...100 С, что меньше коэффициента теплопроводности для воздуха 0,02...0,03 Вт/м К [11]. Микроскопические поры препятствуют проникновению холодного или теплого воздуха, аэрогель способен выносить циклические температурные воздействия. Исходя из этого свойства, аэрогели часто используются для теплоизоляции трубопроводов. Pyrogel, Cryogel, Spaceloft, Spaceloft Subsea - все это высокоэффективные теплоизоляционные материалы на основе аэрогеля, предназначенные для утепления строительных конструкций при любой климатической обстановке [12].
Стоит добавить, что наружный облик такой теплоизоляции очень аккуратен, выглядит эстетично. К тому же, этот материал гидрофобен, а значит, его можно использовать в качестве гидроизоляции, он противостоит атмосферным осадкам.
Из-за высокой отражающей способности некоторые виды аэрогелей практически прозрачны (рис. 2), поэтому их используют в качестве светопрозрачных конструкций, например, для заполнения пластиковых окон или создания бесшовного стеклянного фасада [13]. Производство аэрогелей сосредоточено в США и Европе. На территории Российской Федерации очень мало производств, занимающихся разработкой аэрогелей, поэтому этот процесс дорогостоящ и еще
ность, водонепроницаемость, не массово применим.
Рис. 2. Аэрогель
Вакуумная теплоизоляционная панель состоит из наполнителя (ячеистый (пористый) материал, например, кремно-зем Я102, его частицы имеют размер от 5 до 20 нм; пенополистирол, пенполиуре-тан, аэрогель) и оболочки (давление в которой понижается от 0,1 МПа до 100 Па; она состоит из непроницаемой тонкой пленки из алюминия или нержавеющей стали с нанесенным слоем пластика -для придачи механической прочности) [14]. Внешний вид вакуумной панели приведен на рисунке 3.
Рис. 3. Вакуумная панель
Вакуумная панель имеет низкий коэффициент теплопроводности, его значения попадают в интервал 0,002...0,004 Вт/мК [14-16]. Такое свойство основано на вакуумной технологии, которая исключает три варианта передачи тепла: теплопередачу, тепло-перенос и излучение. Общеизвестный прототип реализации вакуумной изоляции - сосуд Дьюара или термос.
Изначально вакуумная технология была разработана с целью терморегуляции и защиты внешнего корпуса космического корабля [17]. Сейчас инновационный метод постепенно внедряется в строительную отрасль. Наиболее успешны в этом производители
панелей в Германии. Компания УАСи-КОТЕС ^ разработала панели FRONT-У1Р.
Впервые вакуумные панели были использованы в 1999 г. в г. Вюрцбург (Германия). Лицевая часть здания площадью 40 м2 лабораторного центра был эффективно утеплен при помощи инновационного материала.
Достоинства вакуумной теплоизоляционной плиты: низкий коэффициент теплопроводности, небольшая масса, долговечность (50-80 лет), экологичность, пожаробезопасный (класс огнестойкости А), производится в любом виде и форме (круглые панели, циллиндрические, с готовыми отверстиями и т. д.), небольшая толщина (20 мм) [17].
Недостатки вакуумной теплоизоляции: сложный монтаж, высокая стоимость материала.
Заключение
С каждым годом все более остро поднимаются вопросы о способах энергетического снабжения зданий и технологических циклов на производстве с потреблением минимального количества энергии. С учетом роста цен на коммунальные услуги и отопление на передний план выдвинулась задача тепловой защиты здания. Наиболее действенным способом является утепление ограждающих конструкций. Работа в этом направлении значительно ускорится при использовании энергоэффективных и инновационных материалов таких как, жидкая теплоизоляция, аэрогель и вакуумные теплоизоляционные панели, обладающих по мимо хорошей теплоизоляционной способности набором исключительных свойств.
Применение таких инновационных материалов является дорогостоящим мероприятием, но есть все предпосылки, что с развитием и распространением технологии, она станет более доступной.
Библиографический список
1. Байков Н.М, Гринкевич Р.Н. Прогноз развития отраслей ТЭК в мире и по основным регионам до 2030 г. М.: ИМЭМО РАН. 2009. 82 с.
2. Шемаев А.Н., Лещев С.И Материаловедение и нанотехнологии в строительстве // Международный студенческий строительный форум - 2017: сб. трудов конф. Белгород: Изд-во БГТУ им. Шухова. 2017. С. 402-406.
3. Calero M., Alameda-Hernandez E., Fernandez-Serrano M., Ronda A., MartinLara M.A. Energy consumption reduction proposals for thermal systems in residential buildings// Energy and buildings. 2018. P. 121-130.
4. Кирюдчева А.Е., Шишкина В.В., Немова Д.В. Энергоэффективность ограждающих конструкций общественных зданий// Строительство уникальных зданий и сооружений.2016. №5 (44). С. 19-30.
5. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 [Электронный ресурс]. - URL: http ://docs .cntd.ru/document/120009552 5 (дата обращения 02.12.2018).
6. Локтионова А.В. Жидкий утеплитель // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ В.Г.Шухова: сб. трудов конф. Белгород: Изд-во БГТУ В.Г.Шухова. 2015. С. 1819-1823.
7. Султанов Ш.Т. Жидкие керамические теплоизоляционные материалы. Диссертация на соискание квалификации магистра техники и технологии строительства. Направление 270800. СПб., 2015. 46 с.
8. Smirnova I. Synthesis of silica aerogels and their application as a drug delivery system / PhD Thesis, Technical University of Berlin. 2002.
9. Kistler S. S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies // Nature. 1931. Vol. 227. P. 741.
10. Bozsaky D. Application of nano-technology-based thermal insulation materials in building construction // Slovak journal of civil engineering. 2016. №1. P. 17-23.
11. Колнооченко А.В., Ершова А.Н., Гуриков П.А., Меньшутина Н.В. Аэрогели- новые перспективные материалы // Химическая промышленность сегодня. 2011. №11. C. 31-36.
12. Бушманова, А.В. Инновационные материалы на основе аэрогеля в строительстве / А.В. Бушманова, Н.В. Виден-ков, Л.В. Доброгорская, К.В. Семенов,
B.В. Федотов // Alfabuild. 2017. №1 (1).
C. 89-98.
13. Valachova D., Zdrazilova N, Panovec V., Skotnicova I. Using of aerogel to improve thermal insulating properties of windows // Civil and
environmental engineering. 2018. №1. P. 2-11.
14. Барабанщиков Ю.Г., Шарифулли-на А.Р. Энергоэффективность использования вакуумных теплоизоляционных панелей в строительстве // Синергия наук. 2017. №11. С. 815-821.
15. Каменева М.Г, Пучка О.В. Вакуумные панели - новый этап теплоизоляции в строительстве // VI Международная научно-практическая интернет-конференция: сб. трудов. Белгород: Изд-во БГТУ им. Шухова. 2016. С. 48-51.
16. Batard A., Duforestel T., Flandin L., Yrieix B. Prediction method of the long-term thermal performance of Vacuum Insulation Panels installed in building thermal insulation applications // Energy and buildings. 2016. №178. P. 1-10.
17. Вырезкова А.В. Вакуумная теплоизоляция // I Молодежная международная научно-практическая конференция «Молодежный научный потенциал XXI века: ступени познания»: сб. материалов. Н.: Изд-во ООО «Центр развития научного сотрудничества». 2017. С. 7-10.
References in roman script
1. Bajkov N.M, Grinkevich R.N. Prognoz razvitiya otraslej TEHK v mire i po osnovnym regionam do 2030 g. M.: IMEHMO RAN. 2009. 82 s.
2. SHemaev A.N., Leshchev S.I Materialovedenie i nanotekhnologii v stroitel'stve // Mezhdunarodnyj studencheskij stroitel'nyj forum - 2017: sb. trudov konf. Belgorod: Izd-vo BGTU im. SHuhova. 2017. S. 402-406.
3. Calero M., Alameda-Hernandez E., Fernandez-Serrano M., Ronda A., MartinLara M.A. Energy consumption reduction proposals for thermal systems in residential buildings// Energy and buildings. 2018. P. 121-130.
4. Kiryudcheva A.E., SHishkina V.V., Nemova D.V. EHnergoehffektivnost' ograzhdayushchih konstrukcij obshchestvennyh zdanij// Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij.2016. №5 (44). S. 19-30.
5. SP 50.13330.2012 Teplovaya zashchita zdanij. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 23-02-2003 [EHlektronnyj resurs]. - URL:
http ://docs .cntd.ru/document/120009552 5 (data obrashcheniya 02.12.2018).
6. Loktionova A.V. ZHidkij uteplitel' // Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya molodyh uchenyh BGTU V.G.SHuhova: sb. trudov konf. Belgorod: Izd-vo BGTU V.G.SHuhova. 2015. S. 1819-1823.
7. Sultanov SH.T. ZHidkie keramicheskie teploizolyacionnye materialy. Dissertaciya na soiskanie kvalifikacii magistra tekhniki i tekhnologii stroitel'stva. Napravlenie 270800. SPb., 2015. 46 s.
8. Smirnova I. Synthesis of silica aerogels and their application as a drug delivery system / PhD Thesis, Technical University of Berlin. 2002.
9. Kistler S. S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies // Nature. 1931. Vol. 227. P. 741.
10. Bozsaky D. Application of nanotechnology-based thermal insulation materials in building construction // Slovak journal of civil engineering. 2016. №1. P. 17-23.
11. Kolnoochenko A.V., Ershova A.N., Gurikov P.A., Men'shutina N.V. Aehrogeli - novye perspektivnye materialy // Himicheskaya promyshlennost' segodnya. 2011. №11. C. 31-36.
12. Bushmanova, A.V. Innovacionnye materialy na osnove aehrogelya v stroitel'stve / A.V. Bushmanova, N.V. Videnkov, L.V. Dobrogorskaya, K.V.
Semenov, V.V. Fedotov // Alfabuild. 2017. №1 (1). S. 89-98.
13. Valachova D., Zdrazilova N, Panovec V., Skotnicova I. Using of aerogel to improve thermal insulating properties of windows // Civil and environmental engineering. 2018. №1. P. 2-11.
14. Barabanshchikov YU.G., SHarifullina A.R. EHnergoehffektivnost' ispol'zovaniya vakuumnyh teploizolyacionnyh panelej v stroitel'stve // Sinergiya nauk. 2017. №11. S. 815-821.
15. Kameneva M.G, Puchka O.V. Vakuumnye paneli - novyj ehtap teploizolyacii v stroitel'stve // VI Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya internet-konferenciya: sb. trudov. Belgorod: Izd-vo BGTU im. SHuhova. 2016. S. 48-51.
16. Batard A., Duforestel T., Flandin L., Yrieix B. Prediction method of the long-term thermal performance of Vacuum Insulation Panels installed in building thermal insulation applications // Energy and buildings. 2016. №178. P. 1-10.
17. Vyrezkova A.V. Vakuumnaya teploizolyaciya // I Molodezhnaya mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya «Molodezhnyj nauchnyj potencial XXI veka: stupeni poznaniya»: sb. materialov. N.: Izd-vo OOO «Centr razvitiya nauchnogo sotrudnichestva». 2017. S. 7-10.
Дополнительная информация
Сведения об авторах:
Васильева Ирина Леонидовна, студентка; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»; Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29; e-mail: [email protected].
Немова Дарья Викторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство Уникальных Зданий и Сооружений»; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»; Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29; e-mail: [email protected].
0 В этой статье под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International к^к;^ License, которая разрешает копирование, распространение, воспроизведение, исполнение и переработку материалов статей на любом носителе или формате при условии указания автора(ов) произведения, защищенного лицензией Creative Commons, и указанием, если в оригинальный материал были внесены изменения. Изображения или другие материалы третьих лиц в этой статье включены в лицензию Creative Commons, если иные условия не распространяются на указанный материал. Если материал не включен в лицензию Creative Commons, и Ваше предполагаемое использование не разрешено законодательством Вашей страны или превышает разрешенное использование, Вам необходимо получить разрешение непосредственно от владельца(ев) авторских прав.
Для цитирования: Васильева И.Л., Немова Д.В. Энергоэффективные материалы нового поколения в строительстве // Экология и строительство. 2018. № 4. С 18-24. doi: 10.24411/2413-8452-2018-10016.
Additional Information
Information about the authors:
Vasileva Irina Leonidovna, student; Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University; 29 Polytechnicheskaya, St.Petersburg, Russian Federation, 195251; e-mail: [email protected].
Nemova Daria Viktorovna, candidate of technical sciences; docent of the Construction of Unique Buildings and Structures Department; Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University; 29 Polytechnicheskaya, St.Petersburg, Russian Federation, 195251; e-mail: [email protected].
7"ccS ® This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article's Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article's Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder.
For citations: Vasileva I.L., Nemova D.V. Energy-efficient materials of the new generation in construction // Ekologiya i stroitelstvo. 2018. № 4. P. 18-24. doi: 10.24411/2413-8452-2018-10016.
