ЭФФЕКТ СОХРАНЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

ЭФФЕКТ СОХРАНЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Al Team

01 ноя 2020 | 35 | Оборудование

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Из школьного курса физики за 8 класс, известно, что тепло передаётся тремя способами: теплопроводность, излучение, конвекция.

Задача теплоизоляции-встать преградой на пути каждого из этих способов потерь тепла.

Все привыкли к традиционным видам утеплителя, например, волокнистому. Сколь идеальным бы он не был, тепло через него всё-таки проходит. Хотя максимальный вклад в этот негативный процесс и вносит первый способ, остальные 2 нельзя скидывать со счетов. Таким образом, можно «прокачать» свой утеплитель, придав ему дополнительный резерв по сохранению тепла. Для этого детального коснёмся второго способа – излучения, т.е. потерю лучистого тепла из помещения. Преградой на его пути может стать т.н. «отражательная изоляция», т.е. теплоизоляционный материал, подходящий под определение нормативного документа национального стандарта РФ - ГОСТ Р 56734-2015. «Здания и сооружения. Расчет показателя теплозащиты ограждающих конструкций с отражательной теплоизоляцией», введенного в действие с 1 июня 2016 г.

СТРОЕНИЕ PIR

Из-за технологических особенностей производства плиты PIR всегда имеют комбинированный слоистый состав, основными элементами которого являются:

– центральный сердечник из полимерной пены, закрытые ячейки которой наполнены перманентным инертным газом

– каширующие слои – сверху и снизу пены. Для облицовки PIR-пены при производстве панелей используются различные материалы, свойства которых во многом определяют дальнейшее использование конечного продукта. Это может быть мягкие облицовки толщиной 50-100 мкм из тиснёной алюминиевой фольги, крафт-бумаги или стеклохолста, а иногда и из сочетаний этих материалов.

Особый интерес представляют утеплители с фольгой, в силу особенностей их работы. В настоящее время они пользуются наибольшей популярностью, в том числе и благодаря свойствам каширующих фольгированных слоёв.

СТРОЕНИЕ PIR

К основным положительным свойствам фольги относятся:

  1. Гидро - ветрозащита. Фольга – гидрофобный материал, отталкивающий влагу, что позволяет отказаться от гидрозащитных пленок. Фольгированные утеплители не пропускают ветер и защищают утеплитель от эмиссии наружных слоёв.
  2. Изоляция от внутренних воздействий. Фольга, благодаря плотной кристаллической решетке, коей обладают все металлы, не пропускает пар, идущий изнутри теплого помещения в сторону холодной окружающей среды. Это свойство позволяет отказаться от применения пароизоляционных мембран. Это же свойство положительным образом влияет на сохранение теплоизолирующих свойств PIR. Согласно исследованиям известной Европейской Ассоциации, PU Europe фольга препятствует протеканию процессов замещения перманентных вспенивающих агентов, играющих главную роль в достижении рекордно низких показателей теплопроводности PIR, даже спустя десятилетия.
  3. Удобство монтажа. Фольга легко стыкуется и формуется, приобретая необходимую форму.
  4. Безопасность для здоровья и экологичность. Фольга не имеет вредного воздействия на человеческий организм, не выделяет потенциально опасных веществ и не вредит окружающей среде. Этим обусловлена её популярность в фармацевтической и пищевой промышленностях.
  5. Долговечность. Отражая все внешние воздействия, фольга может служить долгое время без каких-либо проявлений ржавчины, гниения или коррозии. Это подтвердили недавние испытания, проведенные в МИСиС, показавшие, что в условиях ускоренной коррозии в экспериментально смоделированных средах (под воздействием таких веществ, как натрий хлор, аммиак, соляная кислота, сернистый газ) каширующие слои сохраняют свой внешний вид и физико-механические свойства практически без изменений.
  6. Повышенная способность к отражению тепла. Фольга – физический отражатель, способный отталкивать определенное количество теплового излучения, способствуя сохранению тепла в помещении. Кстати, именно по этой причине защитные спецкостюмы для пожарных делают из фольгированного теплоизолятора.
  7. Защищает от внешнего электромагнитного излучения

ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Основы классической теории теплопередачи [1] утверждают, что передача внутренней энергии (теплоты) от теплой (здание) или горячей (оборудование) поверхности конструкций в пространство (окружающую среду) называется теплообменом или теплопереносом. Необходимое условие передачи теплоты — перепад температур (температурный градиент). Теплоперенос раскладывается на три элементарных составляющих:

  1. Кондуктивная теплопередача — теплоперенос в сплошной среде при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различные температуры.
  2. Конвекция — теплоперенос путем перемещения вещества в пространстве. Свойственно движущимся жидкостям и газам.
  3. Тепловое излучение (лучеиспускание, радиация, инфракрасные лучи) – теплоперенос в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего тепло, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тел, поглощающих лучистую теплоту. Данная составляющая актуальна при значительном перепаде температур, то есть в изоляции промышленного и энергетического оборудования. В общем виде совокупность этих трех составляющих носит название теплопроводность λ (ранее коэффициент теплопроводности), которая зависит от плотности материала, его температуры и химического состава.

Тепловое излучением, также называют «Инфракрасным излучением» так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм. Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме. Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

Инфракрасные лучи занимают промежуточную ступень между волнами видимого светового и микроволнового излучения. Любое нагретое тело испускает инфракрасные лучи. Эти лучи двигаются со скоростью света и несут в себе энергию, которая может быть отражена или поглощена телом, встретившимся на их пути. Чем темнее тело, тем больше ИК-лучей оно поглощает, и тем больше нагревается. Но на этом путь лучей не заканчивается. Нагретое тело само начинает более интенсивно излучать инфракрасные лучи, которые в свою очередь будут поглощены или отражены другими телами.

Когда мы направляем камеру тепловизора на здание, то на экране видим картинку интенсивности ИК-излучения, исходящего от той или иной ограждающей конструкции. Чем ярче (желтее) свет, тем больше потеря тепла данного участка. Поэтому чтобы снизить теплопотери здания, необходимо отражать тепло внутрь.

На этот третий вид теплопередачи и является сферой влияния с помощью применения фольгированных утеплителей.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КАШИРУЮЩЕЙ ФОЛЬГИ В СОСТАВЕ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Существует мнение, что на долю излучения приходится до 70% теплопотерь здания в холодное время года. Алюминиевая фольга отражает 95% излучения, которое без нее поглотили бы стены. Наиболее популярное объяснение происходит через понятие эмиссии.

Количество впитанных телом лучей выражается понятием эмиссии. Эмиссия - число, при котором лучи начинают отдаваться. Впитывание излучения пропорционально фактору впитывания этой поверхности, то есть эмиссии. Хотя два тела могут быть и одинаковыми, их эмиссивность зависит от рода их покрытия. Вот пример. На четыре одинаково нагретых радиатора были нанесены различные покрытия: на первый нанесли алюминий, на второй - краску-эмаль, третий обложили асбестом, четвёртый накрыли алюминиевой фольгой. При равной температуре всех тот радиатор, который обернули фольгой, имеет самую низкую эмиссию (ниже 5%). Те же, что были в асбесте и краске, показали самый высокий уровень эмиссии, так как у этих материалов он даже выше, чем у железа. Покраска фольги или алюминия приведёт к повышению фактора до 90%. Те материалы, что не отражают лучи (бумага, асфальт, дерево, стекло и камни), легко их вбирают; фактор их эмиссивности — от 80% до 93%. Все традиционные материалы, вне зависимости от их цвета, впитывают излучение на 90%. Интересным является то, что зеркало, прекрасно отражая свет, практически не отражает излучение (эмиссия 90%). Это такой же фактор, как и у поверхности, покрытой чёрной краской.

Поверхность алюминия имеет свойство не пропускать, а задерживать 95% излучения, попадающего на эту поверхность. А поскольку, как мы уже выяснили, отношение масс алюминия и воздуха очень невелико, происходит очень небольшая теплопередача, за счёт которой и вбираются 5% излучения.

Опыт: если взять кусок алюминиевой фольги и приблизить её к лицу, не касаясь, можно почувствовать тепло напротив фольги. Объяснение: эмиссивность лица — 99%. Фольга отражает 95%. Кожа лица вбирает 99% отражённой энергии, и она переходит в тепло. То есть, чувствуется возвращённое тепло собственного лица.

ПРИНЦИП РАБОТЫ БАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Большинство точек зрения сходятся в том, что фольгированные утеплители наиболее эффективны в бане, т.е. помещении с повышенной температурой. Согласно имеющимся данным, принцип работы изоляции в бане отличается от работы в помещениях с комнатной температурой. Так, например, доказано, что некоторые особенности могут значительно повышать эффективность банной изоляции:

— наличие не продуваемого воздушного зазора между утеплителем и внутренней отделкой;

— эффективность данного воздушного зазора значительно (в 2-3 раза) повышается при облицовке поверхности утеплителя фольгой.

На практике степень черноты поверхностей (равная коэффициенту поглощения лучистой энергии поверхностью) строительных материалов (даже визуально белых) в дальней инфракрасной спектральной области (5-15) мкм (отвечающей излучению тел с температурой от минус 50 °С до плюс 100 °С) составляет обычно величину на уровне ε=0,9, поэтому учёт процессов излучения необходим. Единственным материалом, имеющим в инфракрасной области спектра малую степень черноты, является полированный металл, в качестве которого обычно используют алюминий, напылённый на подложку (лавсановую плёнку, бумагу, картон, холст и т. п.). Такие блестящие (зеркальные) материалы имеют степень черноты в инфакрасной области на уровне 0,02-0,05, то есть имеют коэффициент отражения 95-98%.

Пример 2: При анализе процессов лучистого теплообмена необходимо учитывать реальные спектральные степени черноты излучающих и поглощающих поверхностей. Так, например, тепловой баланс 1 м² поверхности бака с водой, расположенного на солнце, складывается:

— из притока тепла солнечного излучения

— из притока тепла инфракрасного излучения от окружающей среды (неба, земли, деревьев и т. п.)

— из оттока собственного теплового излучения с поверхности бака

В ясную солнечную погоду преобладающий вклад вносит первая составляющая при условии высокой черноты бака.

Но если бак не чернить, а покрасить белой масляной краской (а лучше белой краской с минимальным количеством связующего, например, известковой так, чтобы белоснежная поверхность пигмента - мела, извести, окиси цинка, окиси титана и т. п., не заслонялась плёнкой полимера) или сделать блестящей, с зеркально отражающей поверхностью, то за счёт низкого значения влияние солнечного нагрева может стать незначительным, особенно в пасмурную погоду. 

Пример 3: Белоснежный снег в высокогорьях имеет степень черноты в видимой области εc=0,15, а в дальней инфракрасной εб=0,9. Небо (из-за необычайно чистого воздуха и малого содержания водяных паров в атмосферном воздухе) имеет радиационную температуру порядке минус 30°С при степени черноты неба ε0 =1 в дальней инфракрасной области. Поэтому снег с температурой 0°С получает от солнца в зените даже в безоблачную погоду всего лишь 210 Вт/м², получает от неба около 200 Вт/м² и отдаёт за счёт собственного теплового излучения около 300 Вт/м². Таким образом, возникает известная ситуация, когда в горах на солнце снег может нагреваться (таять или испаряться) даже зимой, а в тени (или при сильных наклонах солнца к поверхности снега) — охлаждаться даже летом.

Пример 4: Оптические факты бывают очень важными и в быту. Так, белая одежда эффективно отражает прямое солнечное излучение, но излучение от печи в бане белая одежда поглотит практически полностью, поскольку в видимой области степень черноты белой ткани низка 0,2-0,4, а в дальней инфракрасной области спектра велика 0,8-1,0. Конечно, белая простыня загородит человека от излучения от печи, но нагреется от длинноволнового инфракрасного излучения точно также, как и чёрная. Белая батарея центрального водяного отопления излучает практически также, как чёрная, хотя та же белая батарея нагревается на солнце (например, при работе в составе солнечного водогрейного коллектора) много хуже, чем такая же, но чёрная.

Внутри полостей в стенах зданий лучистый обмен происходит в дальней инфракрасной (10-15) мкм спектральной области, поэтому и белые, и чёрные стенки полостей (воздушных прослоек) имеют примерно одинаковые степени черноты ε=0,9. Единственными материалами, имеющими в дальней инфракрасной области спектра низкие степени черноты (высокие степени отражения), являются полированные (блестящие, зеркальные) металлические поверхности, т.е. фольга. Отметим, что лаковый или стеклянный слой на поверхности металла не допустим, поскольку натриевые стёкла и пластмассы (кроме полиэтилена и полипропилена) сильно поглощают в дальней инфракрасной области спектра. Так, обычное зеркало, несмотря на очень сильное отражение в видимой области спектра, является чёрным материалом в спектральной области (10-15) мкм. Очень высокие отражающие характеристики имеют тонкие лавсановые плёнки с напылённым зеркальным алюминиевым слоем, использовавшиеся для постановки радиопомех с самолётов в системах военной антирадарной защиты и применявшихся в порядке двойных технологий и в быту для изготовления ёлочных игрушек и украшений. Так, если в сауне оклеить потолок такой блестящей плёнкой, то сауна при потушенной печи сразу же станет намного «холодней», хотя температура воздуха в сауне от обивки потолка плёнкой, конечно же, не изменится. Но если в сауне имеется раскалённая металлическая печь (или дымовая труба), то блестящая алюминизированная плёнка может отразить лучистое тепло от печи и дополнительно обогреть им человека. В то же время визуально чёрные и белые потолки саун греют человека сверху практически одинаково.

Ясно, что отражающая изоляция будет эффективно работать только там, где имеются мощные лучистые потоки, например, при теплоизоляции горячих труб (трубопроводов с горячим теплоносителем) или при защите от инфракрасного излучения металлической печи в бане. В этом случае даже неважно, на каком носителе нанесено отражающее покрытие: на высокотеплопроводной ли стеклоткани или на низко-теплопроводном пенополиэтилене. Отражающая теплоизоляция возвращает назад падающее на неё тепловое излучение и тем самым уменьшает тепловые потери помещения.

Пример 5: Если в палатке горит раскалённая неэкранированная металлическая печь («буржуйка»), то излучение от неё идёт не на нагрев воздуха, а на нагрев тента, который тотчас отдаёт тепло на улицу. Если ткань палатки изнутри алюминизировать, то она начнёт отражать лучистое тепло и перенаправлять его на пол, мебель, на тела людей. Температура воздуха в палатке при этом возрастает (точно так же, как и температура воздуха в зазоре между горячей трубой и отражательной изоляцией).

ПЕРЕДОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОСБЕРЕЖЕНИЯ НА БАЗЕ ОТРАЖАЮЩЕГО УТЕПЛИТЕЛЯ LOGIGPIR ДЛЯ БАНЬ И БАЛКОНОВ. ЧТО ТАКОЕ ЭФФЕКТ ОТРАЖЕНИЯ?

Согласно классической теории теплопередачи, одной из элементарных её составляющих, наряду с теплопроводностью и конвекцией, является тепловое излучение (также называемое лучеиспускание, радиация, инфракрасные лучи и т.д.). Этот способ представляет собой теплоперенос в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего тепло, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тел, поглощающих лучистую теплоту. Поэтому ограничение передачи лучистой энергии является существенным резервом повышения тепловой защиты строительных ограждающих конструкций. Этим объясняется повышенное внимание к разработке фольгированных материалов. Однако ещё большего положительного эффекта позволяет добиться комбинация способов предотвращения теплопередачи. Она реализована в утеплителе LOGICPIR.

Где применяется LOGICPIR?

Наибольшего эффекта от отражательной изоляции можно добиться в тех областях строительства, где есть внутреннее лучистое тепло, которое можно вернуть обратно в утепленное помещение. При этом важным условием является наличие воздушного зазора между утеплителем и внутренней отделкой. Поэтому логичным является успешное применение утеплителя LOGICPIR Баня и LOGICPIR Балкон в соответствующих строительных конструкциях.

Каковы отличия LOGICPIR от других фольгированных материалов?

Особенностью строения данного материала является технологическое покрытие с обеих сторон специальной алюминиевой паро/гидро-непроницаемой фольгой, обладающей низким коэффициентом излучения поверхности (менее 0,5 Вт/м2К4). По сравнению с большинством представленных на рынке заменителей фольги, выполненными из лавсана с нанесением металлического напыления, важным преимуществом полноценной алюминиевой фольги, является низкая относительная степень черноты в инфракрасной области (коэффициент отражения 95-98%). Так как фактор эмиссивности материала, т.е. поглощения лучей, чрезвычайно мал, в строительных конструкциях, утепленных LOGICPIR, происходит существенное ограничение лучистой составляющей теплопереноса. Такие конструкции обладают «тепловым эффектом термоса», приводящим к снижению теплопотерь и значительной экономии энергоресурсов. Полезным бонусом является возможность использования внутреннего фольгированного слоя утеплителя как надежный пароизоляционный слой.

Чем подтверждается Эффект энергосбережения в конструкциях с фольгированным утеплителем LOGICPIR?

Эффективность фольгированной теплоизоляции LOGICPIR в конструкциях балкона и бани (Приложение 1) установлена с помощью количественного расчета (Приложение 2), выполненного согласно требований национального стандарта РФ - ГОСТ Р 56734-2015. «Здания и сооружения. Расчет показателя теплозащиты ограждающих конструкций с отражательной теплоизоляцией», введенного в действие с 1 июня 2016 г.

ВЫВОД

Только за счёт применения утеплителя с фольгой в конструкциях бань и балконов, по сравнению с не фольгированным, можно сэкономить минимум 10 мм пространства. Рассчитанная в Приложении 2 экономия, в зависимости от типа конструкции, составляет от 94,5 до 146,9 р/м2. А в комбинации с рекордно низким коэффициентом теплопроводности (λ=0,021 Вт/м∙К), общее снижение толщины теплоизоляционного слоя может достигать 50-60 мм и больше на каждой изолируемой поверхности. За счёт этого внутри утепленного типового балкона можно сэкономить более 0,5 м2 полезного пространства. В пересчёте на рыночную стоимость жилья экономия превышает затраты на утеплитель втрое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Именно в области теплового излучения и отражательной изоляции встречается наибольшее число недоразумений, неправильных толкований, непониманий. Это особенно проявляется в простонародной среде, пользующейся чисто интуитивными чувственными понятиями типа «древесина отражает тепло», «камень и металл притягивают тепло», «свод печи отталкивает жар» и др. Производителям фольгированной теплоизоляции это может быть полезно, т.к. позволяет трактовать теорию в пользу обоснования применения фольги. Но даже скептические оценки сходятся в том, что без учета лучистого тепла погрешность в тепловом расчёте помещений с нормальной температурой составляет около 20-25%, не говоря уже о помещениях с повышенными температурами.