Ефективність теплоізоляційних матеріалів

Структура зовнішньої огороджувальної конструкції (стіна, дах, перекриття, фундамент) повинна забезпечити міцність будинку і, водночас, зменшити його тепловтрати. І що дуже важливо, у зовнішніх огороджувальних конструкціях не повинна накопичуватись волога.  Ефективність роботи  встановленої ізоляції залежить від того, як і де вона встановлена, і  чи не порушена технологія її монтажу. Підвищення повітропроникності будинку (інфільтрації) призводить до зростання конвективних потоків повітря й утворення конденсату в огороджувальних конструкціях будинку. Як конвекція, так і конденсація суттєво знижують ефективність ізоляції. Тому доцільнішим є використання в конструкціях однорідного напилюваного, а не плитового ізоляційного матеріалу. Утворені при напилюванні щільні однорідні структури зменшують тепловтрати і конденсацію вологи. Для усунення вищезгаданих ефектів при використанні плитових матеріалів застосовують ущільнюючі адгезивні стрічки, які перекривають доступ повітря і/або вологи через стики плит і елементів конструкцій.  Різновиди теплоізоляційних матеріалів.                                                       

Теплоізоляційні матеріали можна поділити:

-на природні (глина, конопля, солома, очерет, корок, дерево  і його похідні, вовна, бавовна тощо);

-синтетичні (пінополістирол, екструдований пінополістирол, піноізол, айсінін (icynene), поліуретан і його похідні, тощо);

-мінеральні (скловата, мінеральна вата, піноскло).  

Залежно від способу застосування, матеріали  поділяють:

- на плитові;

-рулонні;

-напилювані. .                                                                                                                   

Врізка. Справедливим є твердження, що немає ідеального ізоляційного матеріалу. Його вибір визначається конкретними кліматичними умовами і конструктивними особливостями огороджувальної конструкції.                      

Нижче наводимо систематизований опис найпоширеніших ізоляційних матеріалів. Це виявилося нелегкою справою, оскільки виробники  не схильні  висвітлювати слабкі сторони своєї продукції. Відтак, отримана інформація була оброблена згідно з такими  критеріями:

§  сфера застосування;

§  параметри, декларовані виробником;

§  випаровування  шкідливих речовин (при виробництві та експлуатації);

§  енерговитрати при виробництві;

§  технологія монтажу;

§  ефекти старіння і зміни декларованих характеристик;

§  пожежна безпека, токсичність перегорілої ізоляції.

Скловата                                                                                                             

Застосовують здебільшого як дахову і стінову ізоляцію. Постачається рулонами різної товщини. Деклароване виробником значення λ – 0,040 Вт/ (м˚С К). Виробництво скловати енергомістке –  9,38 кВт·год на 1 кг продукції. Температура плавлення – 538˚С. Це означає, що скловата не є пожежостійким матеріалом. Вона має низьку густину, тому не затримує конвекційних потоків вологого повітря. При конденсації вологи в огороджувальній конструкції відбуваються гнилісні і руйнівні процеси, з’являються цвіль і грибки. На мал. 1 зображено графік залежності термічного опору Rus  від різниці температур у зволоженій скловаті під час зимового сезону (суцільна ліня). Як бачимо, при різниці зовнішньої і внутрішньої температур стіни у 33˚С опір теплопередачі  скловати зменшується майже удвічі.                                         

Мінеральна (кам’яна) вата.                                                                                 

Мінеральна вата і скловата подібні за своїми характеристиками.                             

Целюлозний утеплювач «ЮНІЗОЛ» (мелений газетний папір)                                                             Застосовують як дахову, стінову і  підвальну теплоізоляцію. Напилюють на стіни у зволоженому, або задувають у порожнини у сухому стані. При цьому рівномірно ущільнюються всі порожнини і найменші тріщини.  Деклароване виробником значення  λ = 0,040 Вт/мºС.  Виробництво целюлозного утеплювача «ЮНІЗОЛ» дешеве і не потребує великих енергетичних витрат. Целюлозний утеплювач просочується так званими антіпіренами і тому не горить, а також стійка до утворення грибків. Завдяки дрібному помолу паперу целюлозний утеплювач стійкий до проникнення конвекційних потоків повітря, а також випромінення тепла.  Більше того, при  намоканні до 20% ваги,  характеристики целюлозного утеплювача «ЮНІЗОЛ» не змінюються (мал.1).  Целюлозний утеплювач «ЮНІЗОЛ» відлякує комах і гризунів, оскільки містить солі бори. При застосуванні целюлозного утеплювача здебільшого не потрібно облаштовувати  парозатримувальні плівки, оскільки матеріал сам регулює процеси поглинання і віддавання вологи (взимку волога виводиться назовні через паропропускний матеріал, а влітку всередину приміщення). Більше того, при встановленні цих плівок здатність до саморегулювання втрачається (влітку спостерігалося перезволоження, що не утеплювач не міг «дихати»). Ще у 70-х роках минулого століття в США целюлозним утеплювачем були утеплені  десятки тисяч будинків без застосування пароізоляційних плівок. Відтоді не виявлено жодних ознак наявності грибків і руйнування конструкцій.                                                                                  

Напилювана піноізоляція із закритими комірками                                                  

Широко застосовують для ізоляції горищ, стін, підвалів. Деклароване виробниками значення λ – 0,029Вт/мºС. Виготовляється з нафтопродуктів, що підсилює  негативний парниковий ефект. При додаванні «соєвих компонентів» цей ефект знижується лише на 17% . Горюча, після руйнування протипожежного бар’єру виділяється величезна кількість дуже отруйних газів. Деякі напилювані ізолятори при твердненні виділяють шкідливі ізоціанати. Напилювана піноізоляція є вологонепроникною, тому на дерев’яних чи металевих частинах суміжних конструкцій конденсується волога, з’являються грибки і відбуваються гнилісні і корозійні процеси. Виробництво напилюваної піноізоляції є надзвичайно енерговитратним (до 36 кВт·год на1 кг матеріалу). Напилювана піноізоляція з закритими комірками має найкращий опір теплопередачі. Але часто  при напиленні ніші не заповнюються  до кінця (із-за можливої перевитрати матеріалу, його здуття й обрізання піни поза рамкою). У такій частково заповненій ніші можуть утворюватися «теплові містки» через нерівномірності напилення матеріалу, що знижує його теплові параметри. Надзвичайно складною є проблема утилізації відходів піноізоляції, які практично не розкладаються у природних умовах.

 Напилювана піноізоляція «Icynene» з відкритими комірками              

Повітронепроникна піноізоляція (яка не намокає і не утримує води) утворюється внаслідок хімічної реакції при закачуванні у порожнини будівельних конструкцій хімічних складників разом із водою. Піноізоляція знижує тепловтрати завдяки припиненню руху конвекційних потоків повітря з будинку назовні. Напилення можливе лише у внутрішні пустоти стін. Як стверджують виробники, пориста відкрита структура є стабільна з плином часу не залежить від рівня вологості повітря. На жаль, ці твердження не доведені жодними статистичними даними. Матеріал горить із виділенням токсичних речовин. Виробництво піноізоляції з нафтопродуктів є енерговитратним ( 22,5 кВт·год/кг)  і з виділенням речовин, що сприяють парниковому ефекту. Серйозним застереженням для використання у холодних кліматичних зонах є обов’язкове застосування дифузійних бар’єрів всередині приміщення (для обмеження проникнення вологи в огороджувальні конструкцій). Це застереження стосується штату Вісконсин (США) і Канади, але, водночас, і більшості регіонів України, які розміщені північніше США і на одній широті з Канадою. Не рекомендують встановлювати поблизу ізоляції нагрівальні прилади, температура яких перевищує 93˚С.

Недоліки:

виділення газів при напиленні ізоляції внаслідок хімічних  реакцій. Ще гірше, коли реакція відбулася не повністю і постійно виділяються отруйні компоненти сумішей

§  утилізація обрізків ізоляції.                                                                                          

На жаль, достовірні дані про старіння матеріалу відсутні. Але навіть при стабільних параметрах матеріалу внутрішня поверхня огороджувальних конструкцій є  герметичною щодо проникнення повітря і водяної пари. Тому стіни не «дихають». Сучасні вікна теж. Тому єдиним виходом є встановлення недешевої системи вентиляції для виведення зайвої вологи і зниження концентрації СО2.

Екструдований пінополістирол (пінопласт)                                                    

Застосовують для  зовнішньої і внутрішної ізоляції огороджувальних конструкцій (в основному горищ і підвалів). Важливим є його використання у грунті для ізоляції зовнішніх стін фундаменту.  Екструдований пінополістирол є матеріалом із закритими комірками (λ=0,033). При застосуванні ззовні стіни будинку під ним легко накопичується волога, мокріють стіни.Тому його використання для зовнішнього покриття стін є небажаним. У світі вироблено мільйони тонн цього матеріалу із вкрай негативними наслідками для довкілля:  пінополістирол не розкладається. Наприклад, морське узбережжя США рясніє його дрібними уламками. Окрім того, у повітрі пінополістирол виділяє гази, які інтенсивно підсилюють парниковий ефект. Він добре горить. При спалюванні виділяє смертельно небезпечні токсичні гази. У США нині успішно розробляються екологічно чисті замінники пінополістиролу з відходів: лушпиння гречки, рису, інших сільськогосподарських культур.                                 Конопля                                                                                                                                      

Коноплю по праву вважають одним із найстаріших волоконних ізоляційних матеріалів. Ізоляційні плити з коноплі можна застосовувати як зовні, так і всередині будинку. Волокна з коноплі не містять жодних забруднювачів. У будинку,  ізольованому матами з коноплі, підтримується здорове природне середовище. Нині багато хто вважає, що конопля є матеріалом майбутнього, запаси якого відновлювальні, тобто невичерпні. Після виведення у 1996 році ненаркотичних сортів коноплі (до речі, така селекція є і в Україні),  стало економічно доцільним  вирощувати її як сировину для недорогого і природного ізоляційного матеріалу (λ=0,040, С=1600, ρ=32 ). Мати і плити з коноплі вологопроникні і практично не горять завдяки домішуванню 5% природної соди.  Волокна коноплі неїстивні, так що проблем з комахами і гризунами не виникає. Матеріал має стабільні характеристики та зберігає свої розміри.  У Німеччині виробники якісної ізоляції з коноплі визнані переможцями багатьох національних і міжнародних виставок. В останні роки німецькі фірми розробляють ізоляційні конопляні матеріали з домішками глини. Наприклад, в Англії розпочали виробництво ізоляційних матеріалів на основі коноплі та вапна. Стінова, підлогова та дахова конопляна ізоляція має великий опір теплопередачі (до 4 м2ºС/Вт), здатна накопичувати велику кількість тепла.                                                                        

Деревно-волоконні мати і плити                                                                               

Дерево є універсальним  будівельним матеріалом, який використовують впродовж тисячоліть. Останнім часом промисловість Німеччини розпочала виробництво деревно-волоконних матів і плит із високими теплоізоляційними параметрами ( λ= 0,040, С=2100, ρ=160–300). Плити з волокон дерева міцні,  мають високу теплоємність і густину, що дає змогу їм накопичувати сонячне тепло. Наприклад, фірма «Steico» розробила економічні та добре ізольовані базові будівельні конструкції з дерева і теплоізоляційних плит, які не мають теплових містків. З них складаються повністю інтегровані пожежозахищені будинки. Більше того, розроблені програмні  засоби для проектування будинків із таких конструкцій. Подібні системи теплоізоляції при термомодернізації старих і зведення нових будинків пропонують й інші виробники теплоізоляційних матеріалів із дерева.                                                                       Плити з піноскла                                                                                                      

Застосування цих ізоляційних плит має багаторічну історію. Піноскло із закритими комірками запобігає капілярному руху рідини від фундаменту до стін будинку. Ним також утеплюють внутрішні стіни зовнішніх огороджувальних  конструкцій із цегли чи каменю. При правильно вибраній товщині  піноскла можна уникнути конденсації вологи у стінах і зайвих тепловтрат.  Піноскло не горить і не виділяє токсичниого диму та випарів. При цьому воно затримує розповсюдження вогню. З плином часу піноскло не виділяє отруйних речовин і не втрачає своїх властивостей.                          

Силікатні плити                                                                                                              

Силікат кальцію, з якого виготовляють плити «Calthitherm» є дрібнопористим мінералом із високими ізолювальними властивостями (λ=0,065). Окрім того, його висока капілярність зумовлює ефективне регулювання вологу у приміщенні. Природні властивості матеріалу антигрибкові. На відміну від інших,  доступних на ринку ізоляційних матеріалів,  силікатні плити легко встановлювати на внутрішні стіни. Дифузійно відкриті капілярно активні силікатні плити поглинають надлишкову вологу приміщень. За необхідності волога, накопичена у силікатних плитах,  через капіляри швидко повертається у приміщення. Таким чином, стіни «дихають». Зазвичай силікатні  плити зручно застосовувати при реконструкції історичних пам’яток, коли небажано змінювати їхні фасади.                                                                         

Погіршення стану ізоляції  внаслідок природного старінн                                                 

Із плином часу параметри майже всіх ізоляційних матералів погіршуються.

Наприклад, для утворення замкнутих комірок поліуретан і поліізоціанурат задувають складними хімічними сполуками. З плином часу відбувається заміна цих газів на повітря, що теж знижує ефективність ізоляції. Більш стійкими до старіння є піноізоляційні матеріали  з відкритими комірками. Щоправда, їх термічні опори теплопередачі поступаються поліуретану.Як оцінювати ізоляційні властивості цих продуктів? Виробники оцінюють їх згідно з термічним опором матеріалу R на момент продажу, а критики – відповідно до дійсного  значення опору теплопередачі в процесі експлуатації. В результаті гострих дискусій нещодавно виробники у США почали декларувати значення  Rus як середньозважене впродовж 15 років експлуатації. Однак цей метод реально гарантує лише 8-річний термін декларованого опору теплопередачі, що  небагато для будинку, який має вистояти 50 або 100 років (мал. 1.4.2).Значення R опору теплопередачі ізоляційного матеріалу відповідної товщини стосується лише процесів теплопередачі у фізичних тілах. На жаль, цей параметр не стосується теплових процесів, пов’язаних із конвекцією і випромінюванням тепла. Тобто користувач однобоко орієнтований на вибір матеріалу згідно із значенням R. При розумінні суті цих параметрів і структури ізоляційного матеріалу користувачеві легше вибрати запропоновані на ринку теплоізоляційні  матеріали щодо їх довговічності, надійності та екологічності.Зазвичай дуже мізерні технічні дані, декларовані виробниками теплоізоляційних матеріалів, отримані шляхом лабораторних випробувань і не враховують наслідків намокання, теплового розширення чи навпаки стискання,  наявності тріщин і пустот.Нижче, у таблиці подані значення  Rus найбільш вживаних будівельних матеріалів, зведених до товщини 1 дюйм. На жаль, при збільшенні товщини ізоляції її опір теплопередачі  підвищується непропорційно. Це означає, що при подвоєнні товщини ізоляції  опір теплопередачі не збільшується удвічі. Тому федеральна торговельна комісія США у 2005 році заборонила вводити в оману  покупців. Тобто, заборонено прив’язувати технічні дані ізолятора до товщини 1 дюйм. Це можливо лише тоді, коли покупця влаштовує товщина 1 дюйм, або коли доведено, що  Rus ізолятора зростає пропорційно до товщини матеріалу. В усіх інших випадках покупцю зобов’язані повідомити, наскільки Rus зростає при збільшенні товщини.У США Rus  вимірюють експериментальним шляхом. Але при такому способі вимірювання не враховуються механізми випромінювання і конвекції тепла.Такий комплексний підхід, що враховує випромінення і конвекцію при теплопередачі,  запропонований Американським товариством тестування матеріалів. Але невідомо, чи він знайшов застосування, оскільки виробники не проявили жодної зацікавленості.На основі вищесказаного можна зробити висновок про недосконалість вимірювання термічних  параметрів матеріалу, не забезпечуючи об’єктивною і достовірною інформацією.  При застосуванні ізоляції у кожному конкретному випадку слід враховувати ефекти впливу вікон, порожнин у стінах, нещільностей будівельних конструкцій тощо. Тому фахівці стверджують, що насправді збільшення товщини ізоляції на 100% призведе до зниження тепловтрат лише на 50%.                                                                               

Нижче у таблиці наведені результати порівняння деяких поширених ізоляційних матеріалів.                                                                                                                      

Порівняння властивостей найбільш поширених ізоляційних матеріалів

 Мал. 1  Залежність опору теплопередачі скловати й ековати від температури при зміні їх вологості на 5%.                                                                                                                   

Мал. 2.  Зміна коефіцієнту теплопровідності ізоляційного матеріалу з роками