ВведениеВ связи с разработкой новых теплоизоляционных материалов изменились технологии строительства и качество жизни в новых зданиях. Изоляционные материалы имеют повышенные эксплуатационные свойства, их разработчики воплощают основные принципы устойчивого развития - экологичность и безопасность. Конкретные задачи строительства решают за счет большого ассортимента продукции и эффективности разработанных материалов, используемых для изоляции домов, сооружений и тому подобное. Основной физической характеристикой этого класса материалов является теплопроводность, которая зависит от его природы, плотности, размера и геометрии пор. Кроме того, теплопроводность существенно изменяется под воздействием температуры и влажности.Одна из главных задач, которую надо решить при строительстве или реконструкции жилых зданий - минимизация теплопотерь. Одним из вариантов, которому уделяется большое внимание со стороны инженеров и строителей, является развитие рынка теплоизоляционных материалов (утеплителей). Достигается это путем улучшения теплоизолирующих качеств ограждающих конструкций, что обеспечивает не только экономию средств на отопление и кондиционирование, но и повышение комфортных условий проживания в жилых домах и пребывания в общественных. С целью уменьшения расхода топливно-энергетических ресурсов современными нормами значительно повышены нормативные значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций жилых и гражданских домов, в соответствии с которыми новое строительство, модернизация и капитальный ремонт зданий не может происходить без применения эффективных теплоизолирующих материалов (утеплителей) [5].Цель исследования проанализировать применение оптимальных паро-теплоизоляционных материалов для повышения энергоэффективности зданий.Материалы и методикаВ данном исследовании был проведен анализ различных теплоизоляционных материалов: минеральная вата, аэрогель, целлюлозная и отражающая изоляция.Объектом исследования являлись показатели энергоэффективности теплоизоляционных материалов.В качестве основных методов исследования использовались аналитический, метод классификации, сравнения и абстрагирования. Методы проведения исследовательской работы включали обзор литературных данных и нормативов, измерение и расчет коэффициента теплопроводимости с целью проведения сравнительного анализа требований к показателям энергоэффективности и свойствам изоляционных материалов, предъявляемых в таких стран, как США и Казахстана.Эксперимент по сравнению коэффициентов теплопроводности различных материалов был проведен с целью оценки теплоизоляционных свойств материалов и определения их эффективности в передаче или удержании тепла.  В качестве стены был выбран силикатный кирпич толщина - 250 мм, коэффициент теплопроводности - 0,81. В качестве влаго-ветрозащиты используем лист фанеры толщиной 8 мм.Для сравнения с альтернативной изоляцией была принята минеральная вата.Тепловой поток q = 21,68 при использовании минваты толщиной 50 мм;q=10,37 при использовании аэрогеля толщиной 50 мм;q=21,68 при использовании целлюлозной изоляции толщиной 50мм;q= 18,22 при использовании отражающей изоляции толщиной 50мм;В исследовании [8] проводился влажностный мониторинг конструкции стены с двойным разнесенным деревянным каркасом в новом коттедже в климатической зоне США 5А. Данная климатическая зона очень схожа с климатической зоной некоторых регионов Казахстана, а именно северной, восточной и северо-восточной части Казахстана. В данном случае для утепления использовались ЦИ (целлюлозная изоляция) и напыляемый пенополиуретан с открытыми ячейками. Внутренняя парозащита всех стен была выполнена с использованием гипсокартонных листов, а наружная обшивка состояла из ОСП (ориентированно-стружечной плиты). Паропроницаемость ЦИ толщиной 305 мм составляла 7...10 perms, или 0,44...0,63 мг/(м·ч·Па), а напыляемого ППУ с открытыми ячейками - 7,3 perms, или 0,46 мг/(м·ч·Па). Оба утеплителя в данном случае относятся к 3 классу парозащиты, то есть они являются полупаропроницаемыми.1. Минеральная ватаСовременные технологии позволяют создавать теплоизоляционные материалы высокой энергоэффективности, включая минеральную вату. [1]В исследовании [11] рассмотрели использование минеральной ваты в качестве теплоизоляционного материала и оценили его эффективность в зданиях. В этом исследовании авторы установили, что использование минеральной ваты может снизить объем прохладного воздуха, проходящего через стены и крыши здания, а также помочь сберечь до 30 процентов энергии на отопление.Требования к минеральной вате в США включают в себя минимальную теплоизоляцию, требования к маркировке, упаковке и методам установки. Кроме того, в США существуют различные стандарты в зависимости от местоположения здания и климатической зоны, в которой оно расположено.Таблица 1.Сравнительная таблица характеристик минеральной ваты стандартов США и КазахстанаХарактеристикаСтандарт США(ASTM C665)Стандарт Казахстана(ГОСТ 9573)Плотность, кг/м³10-24010-240Теплопроводность, Вт/(м·К)0,032-0,0440,032-0,044Устойчивость к влагеУмереннаяУмереннаяОгнестойкостьКласс A (негорючий)Класс А (негорючий)Звукоизоляция, дБ30-5030-50Температурный диапазон, °C-40 до +230-40 до +230Содержание органических веществ, %Не более 1Не более 1Содержание хлорида, %Не более 0,001Не более 0,001Содержание серы, %Не более 0,003Не более 0,003 Соотношение нормативных и сверхнормативных затрат тепла на 1 кв. м панельного фасада, можно представить в виде графика. в соответствии с рисунком 1. На рисунке 2 можно увидеть тоже для кирпичного фасада.[6]Рис. 1. Годовые затраты тепла на 1 кв. м панельного фасадаРис. 2. Годовые затраты тепла на 1 кв. м кирпичного фасадаПри выборе толщины утеплителя необходимо учитывать не только климатические условия, но и другие факторы, такие как толщина стен, наличие тепловых мостов и т.д.2. ПенополистиролПенополистирол — это термопластичный полимер, который широко используется в строительстве для теплоизоляции и упаковки [9]. Стандарты на пенополистирол в США и Казахстане имеют некоторые сходства и различия. Стандарты США требуют, чтобы пенополистирол был классифицирован как «негорючий» в соответствии с ASTM E84, в то время как стандарты Казахстана требуют, чтобы пенополистирол был классифицирован как «горючий» или «негорючий» в соответствии с ГОСТ 30244.По общим рекомендациям по толщине для разных типов зданий, для жилых, например рекомендуется использовать пенополистирол толщиной от 50 до 100 мм, а для промышленных зданий, складов и т.д. — от 100 до 200 мм. Также при утеплении крыши необходимо использовать толщину не менее 150 мм [5].Важно отметить, что слишком тонкий слой пенопласта не сможет обеспечить достаточную теплоизоляцию, а слишком толстый слой может привести к излишним затратам на материалы и увеличению толщины стен.Рис. 3. Годовые затраты тепла на 1 кв. м кирпичного фасадаРис. 4. Годовые затраты тепла на 1 кв. м панельного фасадаТаблица 2.Сравнительная таблица характеристик пенополистирола стандартов США и КазахстанаХарактеристикаСтандарт США (ASTM C578)Стандарт Казахстана (ГОСТ 15588-86)Плотность, кг/м³10-4010-35Теплопроводность, Вт/(м·К)0,036 макс.0,038 макс.Устойчивость к влагеНе менее 90% после 28 дней при 23°C и 50% относительной влажностиНе менее 90% после 24 часов при 20°C и 95% относительной влажностиОгнестойкостьКласс A (негорючий) в соответствии с ASTM E84Классификация "горючий" или "негорючий" в соответствии с ГОСТ 30244Содержание хлорида, %Не более 0,1Не более 0,005Содержание органических соединений, %Не более 1Не более 0,13. ПолиизоциануратПолиизоцианурат (PIR) — это теплоизоляционный материал, который обладает высокими термическими свойствами и широко применяется в строительстве, включая стены, крыши, потолки, полы и другие конструкции. Этот материал является одним из самых эффективных материалов для теплоизоляции, что объясняет его популярность [2].Таблица 3.Сравнительная таблица характеристик полиизоцианурат стандартов США и КазахстанаХарактеристикаСтандарты в США (PIMA)Стандарты в Казахстане (Казахстанский ГОСТ)ТеплопроводностьНе более 0,023 Вт/(м·К)Не более 0,027 Вт/(м·К)Устойчивость к огнюДаДаЭкологическая безопасностьНе содержит вредных веществ, таких как хлорфторуглеродыНе содержит вредных веществКачествоБолее жесткие стандартыМенее жесткие стандарты Сравнивая стандарты на PIR в США и Казахстане, можно заметить, что они очень похожи. Оба стандарта устанавливают требования к теплопроводности, устойчивости к огню и экологической безопасности.Таблица 4.Сравнения коэффициентов теплопроводности PUR и PIR с другими теплоизоляционными материаламиМатериалКоэффициент теплопроводностиПенополиуретан (PUR)Пенополиизоцианурат (PIR)0,022 Вт/(м·K)0,022 Вт/(м·K)Экструзионный пенополистирол (XPS)0,028 Вт/(м·K)Пенополистирол0,038 Вт/(м·K)Минеральная вата 0,038 Вт/(м·K)Пенобетон0,16 Вт/(м·K)Значительный выбор методов и технологий по изготовлению PIR в сочетании с его теплоизоляционными свойствами делает этот материал одним из самых эффективных для теплоизоляции в зданиях. Таким образом, использование PIR в качестве теплоизоляционного материала в строительстве может привести к снижению теплопотерь и экономии энергии, что соответствует модернизации зданий на сегодняшний день.4. Пароизоляционные материалыПароизоляционные материалы являются материалами, которые обладают способностью снижать использование кондиционирования воздуха в зданиях путем уменьшения проникновения влаги и тепла через ограждающие конструкции. Таким образом, использование пароизоляционных материалов может улучшить комфортность жизни людей, снизить расходы на отопление и кондиционирование воздуха [4]."Стандарты на пароизоляционные материалы, такие как пленочные материалы, ППУ и минеральная вата, обычно регулируются национальными органами стандартизации в каждой стране. Например, в США эти стандарты устанавливаются Американским институтом стандартов (ANSI) и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). В Казахстане соответствующие стандарты определены в ГОСТе 30732-2006 «Материалы теплоизоляционные и пароизоляционные. Общие технические условия»."Также существует большое количество других материалов, таких как фольга, химические добавки к бетону и т.д., которые могут использоваться для создания параизоляционных материалов.5. Альтернативные теплоизоляционные материалыВ Казахстане и США очень много схожих тепло-пароизоляционных материалов, однако в США используются материалы, которые не используются в Казахстане. Некоторые из них:Целлюлозная изоляция — это материал, который создается из переработанных газет и картона. Он обладает высокой теплоизоляционной способностью и может существенно снизить затраты на отопление и кондиционирование воздуха. Кроме того, целлюлозная изоляция также является отличным пароизоляционным материалом [10], [12].Аэрогель — это материал, который создается путем удаления жидкости из геля. Он обладает очень низкой теплопроводностью и может существенно улучшить теплоизоляцию здания. Кроме того, аэрогель также является отличным пароизоляционным материалом [15].Таблица 5.Характеристики целлюлозной изоляцииСвойствоЗначениеТеплопроводность0,038 Вт/(м·К)Коэффициент сопротивления теплопередаче3,7 м²·К/ВтУдельная теплоемкость2100 Дж/(кг·К)Плотность30-50 кг/м³ЭнергоэффективностьВысокаяАэрогель (Aerogel Insulation) — это один из наиболее инновационных и эффективных теплоизоляционных материалов, которые могут использоваться в городе Алматы.Таблица 6.Характеристика аэрогеляСвойствоЗначениеТеплопроводность0,013-0,018 Вт/(м·К)Коэффициент сопротивления теплопередаче5,5-7,7 м²·К/ВтУдельная теплоемкость1000-1200 Дж/(кг·К)Плотность100-200 кг/м³ЭнергоэффективностьОчень высокаяAerogel Insulation (Аэрогель) имеет очень низкую теплопроводность, что делает его одним из самых эффективных материалов для теплоизоляции. Коэффициент сопротивления теплопередаче также очень высок, что означает, что он может удерживать тепло в здании. Удельная теплоемкость ниже, чем у целлюлозной изоляции, но все еще достаточно высока для хранения тепла. Энергоэффективность аэрогеля очень высока, что означает, что он может помочь снизить затраты на отопление и охлаждение здания еще больше, чем целлюлозная изоляция [13].Аэрогель имеет очень высокую теплоизоляционную способность и обладает низким коэффициентом теплопроводности, что делает его одним из самых эффективных теплоизоляционных материалов на рынке [13].Отражающая изоляция (Reflective Insulation) - это материал, который используется для уменьшения теплопотерь через стены, крыши и другие поверхности здания. В городе Алматы, где климат холодный и сухой зимой, а летом достаточно жарко, использование отражающей изоляции может быть эффективным способом уменьшения затрат на отопление зимой и кондиционирование воздуха летом [8].Таблица 7.Характеристика отражающей изоляцииСвойствоЗначениеТеплопроводность0,03-0,05 Вт/(м·К)Коэффициент сопротивления теплопередаче1,5-2,5 м²·К/ВтУдельная теплоемкость840 Дж/(кг·К)Плотность60-80 кг/м³ЭнергоэффективностьСредняяЭнергоэффективность отражающей изоляции средняя, что означает, что она может помочь снизить затраты на отопление и охлаждение здания, но не так сильно, как целлюлозная изоляция или аэрогель.Использование отражающей изоляции в городе Алматы может быть эффективным способом уменьшения затрат на отопление зимой и кондиционирование воздуха летом.Результаты исследования и обсуждениеРезультаты сравнения показателей энергоэффективности пароизоляционных материалов (аэрогеля и минваты) демонстрируют, что аэрогель более эффективный.Среднее содержание влаги, измеренное во всех акустических изоляционных материалах (АИМ) в стенах, составляло 13,3%, а в минеральной вате — 13,6%. Это свидетельствует о том, что нет значительной разницы в накоплении влаги между различными изоляционными материалами при эксплуатации.В стенах с парозащитой выбор изоляционного материала (минеральная вата или целлюлозная изоляция) не оказывает критического влияния на содержание влаги, так как максимальное содержание влаги составляло 18% для обоих материалов.Для стены с целлюлозной изоляцией максимальное накопление влаги составляло 18% (влажность древесины каркаса), независимо от наличия или отсутствия парозащиты.Для стены с минеральной ватой использование парозащиты имеет решающее значение для содержания влаги во внешних частях стены, так как максимальное содержание влаги, обнаруженное в стене без парозащиты, составляло 30% (влажность древесины каркаса).Теплопроводность аэрогелей низкая благодаря эффекту Кнудсена: они состоят на 98-99% из воздуха, при этом 75% воздуха находится в статическом состоянии, так как размер пор меньше длины свободного пробега молекул газа воздуха, что не позволяет им переносить энергию. По коэффициенту теплопроводности аэрогель занимает второе место (0,016 Вт/м.K при 10°C), уступая только вакуумной изоляции, которая считается лучшей в мире, и превосходит материалы, такие как пенополиуретан и минеральная вата.Аэрогели обладают гидрофобными свойствами, благодаря применению технологии открытых ячеек при их производстве. Аэрогели обладают сопротивлением паропроницанию, которое превышает минеральные ваты примерно в 10-15 раз. Они также обладают высокой прочностью, способной выдерживать нагрузку в 2000 раз большую, чем их собственный вес. Хотя аэрогели изначально были хрупкими материалами, появление аэрографена, состоящего из графена и углеродных нанотрубок, позволило преодолеть этот недостаток. Аэрогели также обладают высокой отражающей способностью.Комбинация низкой теплопроводности и малой толщины позволяет применять материал там, где сочетаются высокие требования к теплоизоляции и ограничения по величине теплоизоляционного слоя.При строительстве зданий и сооружений используются различные стеновые конструкции, включающие в себя внутренний (основной), теплоизоляционный и облицовочный слои. Ученые из швейцарского института Empa решили интегрировать теплоизоляционный слой в основной, что привело к созданию аэрокирпича с заполненными аэрогелем пустотами.На основе аэрогеля разрабатываются уникальные материалы, такие как пирогель и криогель, которые способны работать в широком диапазоне температур (от -260°С до +650°С). Аэрогель также используется для заполнения стеклопакетов вместо обычного стекла. Создается новая строительная конструкция — аэрокирпич.Пенополиуретан обладает низким водопоглощением — до 2% от общей массы, что позволяет использовать плиты или панели в помещениях с повышенной влажностью. Кроме того, ППУ химически нейтрален к кислотным и щелочным средам и отличается биологической устойчивостью. Вследствие того, что он не впитывает влагу, не развивается плесень. Правда пенополиуретановый утеплитель имеет достаточно низкую паропроницаемость, что может негативно сказаться на микроклимате в помещении, создается эффект парника.Минераловатный утеплитель при увлажнении существенно теряет теплотехнические свойства. Минвата может набирать воду, которая намного лучше передает тепло или холод и, более того, при замерзании превращается в лед и может нарушить целостность конструкции. При глубоком проникновении влаги минвата слипается, волокна склеиваются, а материал теряет прочность.В настоящее время аэрогель известен как самый легкий твердый материал в мире. Он характеризуется низкой плотностью, низкой диэлектрической проницаемостью (1,1 ~ 2,5), низкой теплопроводностью (0,013 ~ 0,025 Вт / (мК)), высокой пористостью (80 ~ 99,8%), высокой удельной площадью поверхности (200 ~ 1000 м2 / г) и т.д., что позволяет данному материалу проявлять особые свойства в механике, акустике, теплоизоляции, оптике, а также иметь перспективное будущее в аэрокосмической, военной, телекоммуникационной, медицинской, строительной, электротехнической и металлургической отраслях, поэтому его называют «невероятным материалом, который изменит мир».Теплоизоляция на основе аэрогеля для строительных нужд выпускается в рулонном исполнении и представляет собой стекловолокнистую основу буквально набитую аэрогелевым порошком.На данный момент проблема с активным внедрением аэрогеля одна -дороговизна такой технологии изоляции. Аэрогель стоит значительно дороже обычных материалов, впрочем, помогая эффективнее экономить энергию на более длительном промежутке времени. Устройство изоляции аэрогелем наиболее удачно во вновь построенных домах, в которых изначально созданы условия для использование аэрогеля.ЗаключениеРассмотренные целлюлозная изоляция, аэрогель и отражающая изоляция проявились как многообещающие альтернативы минеральной вате, обладая высокой теплоизоляционной эффективностью и, в некоторых случаях, экологической устойчивостью.В ходе исследования были проанализированы преимущества использования определенных паро- и теплоизоляционных материалов, а также представлены данные о характеристиках альтернативных материалов этого рода. Важно отметить, что использование указанных альтернативных материалов может оказаться весьма эффективным способом повышения энергоэффективности зданий, что в свою очередь позволит снизить затраты на отопление и охлаждение помещений.С учетом вышеупомянутых факторов можно утверждать, что использование альтернативных паро- и теплоизоляционных материалов представляет собой эффективное и экологически безопасное решение для повышения энергоэффективности зданий в Казахстане. Результаты исследования могут оказаться полезными для специалистов, работающих в области энергоэффективности и строительства, а также для производителей паро- и теплоизоляционных материалов.Эти материалы представляют собой перспективные решения для повышения энергоэффективности зданий, что критически важно в условиях современных требований к устойчивому строительству.В целом, использование альтернативных теплоизоляционных материалов представляет собой перспективное направление для улучшения энергоэффективности и снижения воздействия строений на окружающую среду в Казахстане. Его успешная реализация требует согласованных усилий различных заинтересованных сторон.