The choice of thermal insulation materials in the design is significantly influenced by both physical and economic features. Using the calculation program "LIT THERMO ENGINEER Enclosing structures", a thermal engineering calculation of enclosing structures was performed, the result of which is the thickness of the thermal insulation material. A comparative analysis of thermal insulation materials according to the criteria of flammability, cost and coefficient of thermal conductivity is performed. As a result, conclusions and recommendations on the use of the considered thermal insulation materials at the design stage are given.
thermal insulation material, heat transfer, thermal insulation structure, foam glass, expanded polystyrene, aerogel, vermiculite, glass wool, heat loss, combustibility
Введение
Теплопотери любого строительного объекта без применения теплоизоляции могут приводить к большим расчетным значениям толщины ограждающих конструкций [1]. При проектировании объекта капитального строительства, реконструкции существующих зданий или инженерных систем важно правильно определить теплоизоляционный материал для ограждающих конструкций, от чего будут зависеть комфортность пребывания и объемы теплопотерь конструкций объекта. Правильность выбора теплоизоляционных материалов позволит снизить потребление электроэнергии и связанные с этим выбросы углекислого газа. [2].
Существенное значение при проектировании теплоизоляционной конструкции имеет система противопожарной защиты объекта, обязывающая в свою очередь принимать теплоизоляционный материал с группой горючести «Г1» и «НГ» в зависимости от типа конструкции и класса пожарной опасности здания [3].
Выбор теплоизоляционного материала определяется характером объекта, целесообразностью способа его защиты, технологичностью и доступностью материала. Важной особенностью выбора так же является соответствие долговечности утеплителя и основного строительного материала [4].
С точки зрения передачи энергии преимущественным свойством материала, используемого при теплоизоляции ограждающих конструкций, является сопротивление теплопередаче, характеризуемое коэффициентом теплопроводности. На величину коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность, температура, влажность, состав, размеры и расположение пор. [5,6]. При проектировании теплоизоляционных конструкций так же необходимо учитывать температуру и влажность окружающей среды, высокие показатели которых способны значительно увеличивать теплопроводность материалов [7]. В совокупности данные характеристики дают представление об особенностях применения и выборе материалов при проектировании состава ограждающих конструкций.
Анализ особенностей теплоизоляционных материалов при проектировании позволит избежать избыточных расходов и сократить стоимость затрат на материалы.
Таким образом, актуальным вопросом является не только создание новых и совершенствование существующих теплоизоляционных материалов, но и грамотный выбор теплоизоляции при проектировании зданий и сооружений.
Методы
При определении расчетного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции и толщины теплоизоляционного материала использован метод теплотехнического расчета с помощью расчетной программы «LIT THERMO ENGINEER Ограждающие конструкции». Данная программа учитывает требования СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003» и СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий».
Проанализированы и систематизированы характеристики материалов, наиболее часто применяемые при теплоизоляции основных строительных конструкций.
Результаты
Теплоизоляционные материалы по виду исходного сырья классифицируют на органические и неорганические материалы.
К органическим материалам, получившим широкое распространение, относят полиуретан, полиизоцианурат, экструдированный полистирол, пенополистирол, являющиеся предпочтительными из-за низкого коэффициента теплопроводности и низкой стоимости [8]. Органические материалы имеют средний или высокий уровень горючести, поэтому в настоящее время использование подобных материалов сводится к минимуму по противопожарным требованиям [9].
Минеральная вата - неорганический теплоизоляционный материал, имеющий такие разновидности, как каменная вата, стекловата и шлаковата. Средний диапазон теплопроводности минеральной ваты составляет от 0,03 до 0,04 Вт/ мºС, а типичные значения коэффициента теплопроводности для стекловаты составляют 0,03–0,046 Вт/ мºС. Этот материал имеет низкое значение теплопроводности, не воспламеняется и обладает высокой устойчивостью к воздействию влаги. [10]. Однако во время монтажа стекловаты возможно причинение вреда здоровью человека: при работе с данным теплоизоляционным материалом возможно возникновение раздражения легких и кожи.
Среди ячеистых неорганических теплоизоляционных материалов можно выделить пеностекло, становящееся все более распространенным. Материал признан экологически чистым и имеет высокий срок службы, приблизительно равный сроку службы наиболее часто используемых строительных материалов (кирпич и бетон). Такая долговечность связана с его неорганическим составом и структурой с закрытыми порами, что придает ему высокую устойчивость к воздействию пара и высокую морозостойкость. [11]. Основным недостатком пеностекла является высокая стоимость в сочетании с примерно на 20% более высокой теплопроводностью по сравнению с пенополистиролом или минеральными волокнами [12].
К вспученным неорганическим материалам можно отнести вермикулит, стойкий к воздействию высоких температур (температура плавления - 1240-1430 °С) и имеющий низкий коэффициент теплопроводности - 0,04–0,12 Вт/ мºС. Плотность вспененного вермикулита находится в диапазоне 80-120 кг/м3. [13].
Аэрогели - один из самых современных теплоизоляционных материалов, имеющих теплопроводность от 0,013 до 0,014 Вт/мºС, и значения плотности в диапазоне 70-150 кг/м3 [14]. Однако их доступность на рынке ограничена по причине высокой стоимости.
При выборе материала, теплоизолирующего конструкцию, важно учитывать не только его теплотехнические характеристики и плотность, но и обращать внимание на стоимость материала и его способность к возгоранию. В таблице 1 представлены основные характеристики теплоизоляционных материалов, различаемых по виду исходного сырья и структуре.
Таблица 1.
Технико-экономические характеристики рассматриваемых теплоизоляционных материалов
|
Теплоизоляционный материал |
Стоимость, руб./м2 |
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/мºС |
Группа горючести |
Толщина материала для теплоизоляции, мм |
|
|
Стена |
Покрытие |
||||
|
Пеностекло |
2000-2500 |
0,036-0,07 |
НГ |
80 |
100 |
|
Пенополистирол |
200-450 |
0,035–0,04 |
Г3-Г4 |
90 |
120 |
|
Стекловата |
150-250 |
0,03-0,046 |
НГ |
80 |
100 |
|
Аэрогель |
4200-6000 |
0,013–0,014 |
Г1, НГ |
30 |
40 |
|
Вермикулит |
3300-4200 |
0,046–0,07 |
НГ |
150 |
230 |
Результатом каждого теплотехнического расчета, выполненного с помощью расчетной программы «LIT THERMO ENGINEER Ограждающие конструкции», является толщина теплоизоляционного материала, используемого в конструкциях стены и покрытия на территории Московской области. При расчете каждой ограждающей конструкции изменялся лишь теплоизоляционный материал, толщина и материал других элементов теплоизоляционной конструкции оставались неизменны.
Выводы
Рассматривая систематизированные данные с точки зрения противопожарных требований можно прийти к выводу, что использование в промышленном и гражданском строительстве пенополистерола подойдет при проектировании теплоизоляции подземных конструкций, а его использование в качестве теплоизоляционного материала надземных ограждающих конструкций ограничено, что нельзя сказать о других рассматриваемых материалах, относящихся к «негорючим».
В экономическом смысле наиболее выгодным материалом является стекловата, имеющая наименьшую стоимость за квадратный метр, но ее применение ограниченно по причине негативного воздействия на здоровье человека при монтаже.
С точки зрения передачи тепла и по данным теплотехнического отчета худшим теплоизолятором среди представленных вариантов является вермикулит, а превосходит остальные по теплотехническим характеристикам аэрогель, имеющий наименьший коэффициент теплопроводности и минимальные полученные значения толщины.
В совокупности обращая внимания на такие особенности, как стоимость, горючесть, теплопроводность и экологичность можно прийти к выводу, что оптимальным является использование в качестве теплоизоляционного материала пеностекло при данных вариантах теплоизоляционных конструкций.
1. O. A. Golubchikov «Stroitel'nye teploizolyacionnye materialy» «Sovremennye naukoemkie tekhnologii. Regional'noe prilozhenie» №4 (24) 2010
2. B. Abu-Jdayil, A. Mourad, W. Hittini, M. Hassan, S. Hameedi , Traditional, state-of-the-art and renewable thermal building insulation materials: An overview, J. Construction and Building Materials, 214 (2019)
3. Svod pravil 2.13130.2020 «Sistemy protivopozharnoj zashchity. Obespechenie ognestojkosti ob"ektov zashchity»
4. Lotov V. A. Perspektivnye teploizolyacionnye materialy s zhestkoj strukturoj // Stroitel'nye materialy. № 11. 2004., s. 8-9
5. F. D'Alessandro, S. Schiavoni, F. Bianchi, F. Asdrubali Insulation materials for the building sector: a review and comparative analysis Renew. Sustain. Energy Rev., 62 (2016), pp. 988-1011
6. T. N. Mihajlusova, E. A. Ogol'cova, A. A. SHul'gin, YU. E. Son. Fizicheskie svojstva teploizolyacionnyh materialov i konstruktivnye sposoby teploizolyacii pomeshchenij // Vestnik Pskovskogo gosudarstvennogo universiteta №8 (2016) s. 159-163
7. Y. Wang, K. Liu, Y. Liu, D. Wang, J. Liu, The impact of temperature and relative humidity dependent thermal conductivity of insulation materials on heat transfer through the building envelope, J. of Building Engineering 46 (2022)
8. W. Villasmil, L.J. Fischer, J. Worlitschek, A review and evaluation of thermal insulation materials and methods for thermal energy storage systems, Renew. Sustain. Energy Rev., 103 (2019), pp. 71-84
9. Federal'nyj zakon ot 22.07.2008 N 123-FZ (red. ot 14.07.2022) «Tekhnicheskij reglament o trebovaniyah pozharnoj bezopasnosti»
10. Le Duong Hung Anh, Z. Pasztory. An overview of factors influencing thermal conductivity of building insulation materials // J. of Building Engineering 44 (2021)
11. J. König, R. R. Petersen, N. Iversen, Y. Yue. Suppressing the effect of cullet composition on the formation and properties of foamed glass // Ceramics International 44 (2018)
12. J. König, R. R. Petersen, Y. Yue, D. Suvorov. Gas-releasing reactions in foam-glass formation using carbon and MnxOy as the foaming agents // Ceramics International 43 (2017)
13. A. M. Rashad. Vermiculite as a construction material // A short guide for Civil Engineer Construction and Building Materials, 2016, p.54
14. F. D'Alessandro, S. Schiavoni, F. Bianchi, F. Asdrubali. Insulation materials for the building sector: a review and comparative analysis // Renew. Sustain. Energy Rev., 62 (2016), pp. 988-1011.
