Проект энергообеспечения энергоэффективного дома для климатических условий города Екатеринбурга

РЕФЕРАТ Дипломный проект выполнен с целью создания системы отопления и ГВС жилого загородного дома в поселке Ключевск, Свердловской области с помощью теплового насоса и солнечных коллекторов.

Пояснительная записка содержит 163 листа печатного текста, 48 формул, 19 таблиц, 32 рисунка, 6 графиков, 38 литературных источника, Графическая часть состоит из семи листов формата А1.

Ключевые слова: СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР, ОТОПЛЕНИЕ, ГВС, СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ, ГСОП, ЦИРКУЛЯЦИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, ТЕПЛОВОЙ НАСОС.

В дипломном проекте рассмотрена возможность применения системы солнечных коллекторов для ГВС в летний период и теплового насоса для отопления и ГВС в зимний для климатических условий Свердловской области.

Перечень листов графических элементов

Условные обозначения СК — солнечный коллектор;

ВСК — вакуумный солнечный коллектор;

ГВС — горячее водоснабжение;

ГСОП — градус-сутки отопительного периода;

ПСК — плоский солнечный коллектор;

САУ — система автоматического управления;

ТО — теплообменный аппарат;

ТИМ — теплоизоляционный материал;

ИНТисточник низкопотенциального тепла;

ПВТ — приемник высокопотенциального тепла;

НГ — негорючие материалы.

Введение

Энергосбережение и энергоэффективность — являются важнейшими приоритетами эффективного развития экономики страны, что было заявлено Президентом России в его послании Федеральному Собранию.

Энергосбережение — реализация правовых, организационных, научных мер, направленных на уменьшение потерь энергетических ресурсов, и вовлечение в хозяйственный оборот нетрадиционных источников энергии.

Энергоэффективность — достижение максимальной экономически обоснованной величины использования топливно-энергетических ресурсов, при соответствующем уровне развития техники и технологии с одновременным снижением техногенного воздействия на окружающую среду.

Эффективное использование энергии на промышленном предприятии снижает первичную себестоимость продукции, что в свою очередь отражается на ее стоимости. Она в дальнейшем оказывает влияние на ценовую политику и экономический эффект. Поэтому увеличение энергоэффективности производства является важной задачей, решение которой позволит повысить устойчивость экономической системы. Энергосберегающие технологии позволяют добиться экономного использования ресурсов при производстве продукции или оказании услуг (например, в коммунальном хозяйстве). Это в свою очередь также оказывает влияние на механизм ценообразования и развитее экономической системы.

Особое значение отводится роли энергосбережения в коммунальной отрасли, которая является одной из главных потребителей тепловой энергии (30% от всего объема энергоносителей). Но ввиду несовершенства используемого оборудования и технологий очень велики потери, которые могут достигать 50 — 80%, вследствие чего увеличивается стоимость тепловых коммунальных энергоносителей и как следствие? рост тарифов. Уменьшение количества теряемого тепла, возможно, при применении более совершенных организационных мероприятий и улучшении теплоизоляционных систем.

Чтобы снизить тепловые потери, необходима точная оценка эффективности работы коммунальных систем, которая может быть проведена на основе анализа теплоизоляции трубопроводов. Это может быть сделано по коэффициенту теплопроводности материала, применяемого для теплоизоляции. Также точное значение коэффициента теплопроводности необходимо при проектировании новых трубопроводов или ремонте и реконструкции уже имеющихся.

К сожалению, в настоящее время отсутствуют точные методики определения теплопроводности материалов. Использование экспериментальных методов во многих случаях является затруднительным. Кроме того, возникают сложности при анализе справочных данных по теплоизоляционным материалам. Для многих из них эти данные являются недостоверными из-за искажения их поставщиками и изготовителями. Для других материалов, эти данные имеют приближенный характер или отсутствуют (огнеупорные материалы, базальтовое волокно и др.).

Теплоизоляция зданий и сооружений преследует несколько практических, целей: повышение уровня комфортности, теплои звукоизоляции; экономию топливных ресурсов и сокращение эксплуатационных расходов. Однако в концепцию энергоэффективного дома входит не только изоляция конструкций при помощи теплоизолирующих материалов, но и специфические инженерные решения системы вентиляции и теплоснабжения.

Для развития концепции энергосберегающего дома, безусловно, необходимо опираться на богатый опыт эксплуатации различных зданий. Очевидно, что энергоэффективность здания определяется совокупностью многих факторов. Исследования показывают, что при эксплуатации традиционного многоэтажного жилого дома через стены теряется до 40% тепла, через окна — 18%, подвал — 10%, крышу — 18%, вентиляцию — 14%. Поэтому свести теплопотери к минимуму возможно только при комплексном подходе к энергосбережению. Из приведенных данных следует, что недостаточное термическое сопротивление осаждающих конструкций наиболее существенно снижает энергоэффективность зданий. Однако утеплением лишь ограждающих конструкций нельзя добиться значительного уменьшения теплопотерь, поскольку существенная их доля приходится на так называемые «мостики холода», то есть участки интенсивного теплообмена с окружающей средой. Такие участки чаще всего образуются в местах контакта плит перекрытий с несущими стенами, в местах примыкания к наружным стенам внутренних стен и перегородок, а также при проседании некачественного теплоизоляционного материала в трехслойных ограждающих конструкциях с утеплителем в качестве среднего слоя. Поэтому современные системы утепления предусматривают создание комплексной защитной термооболочки вокруг конструкций здания. Такая оболочка включает в себя утепление контактирующих с грунтом конструкций фундамента в сочетании с утеплением скатных или плоских крыш, а также устройство вентилируемых фасадов, передвигающих зону положительных температур в несущие конструкции. Этот комплекс мер исключает появление «мостиков холода», повышает тепловое сопротивление ограждения и предотвращает выпадение конденсата, пагубно влияющего на теплоизолирующие и другие эксплуатационные характеристики конструкций. Еще одной немаловажной проблемой являются теплопотери через окна. Наиболее простой подход к решению этой проблемы — уменьшение площади окон — далеко не всегда приемлем, поскольку ухудшает комфортность и микроклимат помещений. Эта дилемма наилучшим образом разрешается использованием современных трехслойных стеклопакетов с низкой теплопроводностью.

Помимо вышеперечисленных аспектов пассивного энергосбережения, также стоит упомянуть о новейших решениях с привлечением высоких технологий. Имеются в виду интеллектуальные системы отопления, позволяющие оптимизировать поступление и распределение тепла в здании — то есть обеспечить необходимое и достаточное его количество, когда и там, где это необходимо. Однако такой подход требует внесения значительных и порой радикальных изменений в распространенную, в частности, в России схему централизованного отопления. Строительство энергоэффективных зданий широко осуществляется сейчас во всем мире. Особенно впечатляющи в этом отношении успехи стран Западной Европы и Скандинавии.

Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и коммерческих зданиях здесь составляет 50 — 70%. Столь существенная экономия позволяет быстро окупить затраты от применения энергосберегающих технологий. В частности, в Дании уже сейчас возводятся здания, при эксплуатации которых расходуется 16 кВт/м², что на 70% ниже текущих энергетических затрат. Отличным примером комплексного подхода к энергоэффективному строительству стало здание Исследовательского Центра ROCKWOOL. Этот проект получил приз «Офис 2000 года» и был признан одним из самых энергоэффективных зданий в мире. Применение новых инженерных решений позволило полностью исключить возможность возникновения «мостиков холода». Трехслойные окна особой конструкции с низкой теплопроводностью создают впечатление изобилия дневного света и пространства, а естественная вентиляция, оптимизируемая с помощью компьютерной системы, позволяет еще значительнее уменьшить потери тепла.

Концепция энергосберегающего дома хоть и с заметным запозданием, но находит признание и в России. До недавнего времени дешевизна энергоносителей в нашей стране не позволяла ощутить максимальный экономический эффект от использования современных теплосберегающих материалов и соответствующих инженерных решений. Наблюдался такой парадокс: стоимость строительства в России ниже уровня мировых цен всего на 20−30%, а стоимость энергоресурсов отличалась в 6−7 раз. Но поскольку Россия взяла курс на построение эффективной экономики и вхождение в мировое сообщество, баланс цен на энергоносители начал восстанавливаться стремительными темпами. Только за два последних года цены на электроэнергию выросли на 45,8%, а на газ — на 63,5%.

В связи с этим вопрос строительства энергоэффективных зданий в России становится одним из ключевых, а проблема рационального использования энергоресурсов приобретает все большее значение. Особенно остро эта проблема встает в коммунальном хозяйстве, которое потребляет до 20% электрической и 45% тепловой энергии, производимой в стране. На единицу жилой площади в России расходуется в 2−3 раза больше энергии, чем в странах Европы (в Германии в настоящее время расход теплоэнергии на отопление составляет 80 кВт ч/м², а в Швейцарии — 55 кВт ч/м²) и не столько из-за более сурового климата, сколько благодаря существенно меньшей жесткости строительных стандартов и нормативов.

Таким образом, было принято решение создания проекта энергоэффетивного дома с независимым теплоснабжением, для климатических условий России (на примере Свердловской области),

Для осуществления данной цели, были поставлены следующие задачи:

1) проанализировать рынки теплоизоляционных материалов, солнечных коллекторов и тепловых насосов;

2) рассчитать ожидаемые теплопотери, при выбранных ТИМ;

3) оценить суммарное энергопотребление здания;

4) подобрать, необходимое оборудование;

5) определить рентабельность и окупаемость вложений.

1. Проблемы энергосбережения

1.1 Нормативно-правовая база Начало процессу формирования принципов и механизмов государственной политики в области энергосбережения РФ было положено выходом в свет постановления Правительства Российской Федерации «О неотложных мерах по энергосбережению в области добычи, производства, транспортировки и использования нефти, газа и нефтепродуктов» (№ 371 от 01.06.92 г.) и одобрением в этом же году Правительством РФ Концепции энергетической политики России. В апреле 1996 г. был принят Федеральный закон № 28-ФЗ «Об энергосбережении».

Новый Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 года определяет основные требования к энергетической эффективности предприятий, организаций, в т. ч. бюджетных и осуществляющих регулируемые виды деятельности, требования в отношении отдельных видов товаров и оборудования, зданий, в т. ч. многоквартирных домов, определяет условия энергосервисных контрактов, правила создания и функционирования саморегулируемых организаций энергоаудиторов, вводит штрафы за невыполнение отдельных требований и нормативов энергоэффективности.

Распоряжение Правительства РФ от 01.12.2009 N 1830-р «Об утверждении плана мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации» определяет перечень мероприятий, нормативных актов, принимаемых министерствами и ведомствами, а также сроки принятия данных актов во исполнение ФЗ-261 «Об энергосбережении…»

Сегодня энергоэффективность и энергосбережение входят в 5 направлений стратегического развития, названных президентом РФ на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России, которое состоялась 18 июня 2009 года.

Эта тема была продолжена президентом на расширенном заседании президиума Госсовета 2 июля 2009 года в Архангельске. Среди основных проблем, обозначенных Д. А. Медведевым, — низкая энергоэффективность во всех сферах, особенно в бюджетном секторе, ЖКХ, влияние цен энергоносителей на себестоимость продукции и ее конкурентоспособность.

Одна из важнейших стратегических задач страны, поставленной президентом (Указ № 889 от 4 июня 2008 года «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики») — снижение энергоемкости валового внутреннего продукта (ВВП) на 40% к 2020 году. Для ее реализации необходимо создание совершенной системы управления энергоэффективностью и энергосбережением. В связи с этим Министерством энергетики РФ было принято решение о преобразовании подведомственного ФГУ «Объединение Росинформресурс» в «Российское энергетическое агентство», с возложением на него соответствующих функций.

1.2 Мероприятия, применяемые при оценке энергоэффективности Энергетическое обследование — деятельность по определению класса энергетической эффективности здания, предприятия, продукции, технологического процесса или организации. Деятельность по проведению энергетического обследования вправе осуществлять только лица, являющиеся членами саморегулируемых организаций в области энергетического обследования[1]. Класс энергетической эффективности здания — характеристика здания, отражающая его энергетическую эффективность.

Основными целями энергетического обследования являются[1]:

1) получение объективных данных об объеме используемых энергетических ресурсов;

2) определение показателей энергетической эффективности;

3) определение потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

4) разработка перечня типовых, общедоступных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности и проведение их стоимостной оценки.

По результатам энергетического обследования проводившее его лицо составляет энергетический паспорт и передает его лицу, заказавшему проведение энергетического обследования.

Энергетический паспорт здания, должен содержать следующие данные энергетического обследования[1]:

? оснащенность средствами учета энергетических ресурсов;

? объем расходуемых энергетических ресурсов и его динамика;

? класс энергетической эффективности;

? процент потери энергетических ресурсов;

? потенциал энергосбережения, оценка возможной экономии;

? типовой план энергосбережения и повышения энергоэффективности.

Энергоаудит — взаимосвязанный комплекс технических, организационных, экономических и иных мероприятий, направленный на выявление возможности экономически эффективной оптимизации потребления энергетических ресурсов. Результатом энергоаудита является энергетический паспорт.

Включает:

? энергомониторинг — отслеживание установленных и фактических параметров энергопотребления;

? измерения (замеры) — определение с помощью специальных приборов (средств измерения, средств учета) параметров в контрольных точках;

? опросы и анкетирование участников процесса производства или потребления энергоресурса;

? изучение сопутствующей нормативной базы, руководящих документов и инструкций на предприятии;

? расчеты экономической эффективности внедрения тех или иных организационных предложений, либо инвестиций в энергосберегающие технологии (устройства);

? составление отчета, содержащего результаты проведенного энергоаудита и рекомендации.

При проведении энергетического обследования (энергоаудите) проводятся следующие мероприятия:

1) анализ состояния систем электроснабжения, теплоснабжения, водообеспечения, парка технического оборудования промышленного предприятия (объекта);

2) оценка состояния систем и средств измерений — приборы для учета энергоносителей и их соответствие установленным требованиям;

3) выявление необоснованных потерь;

4) оценка состояния системы нормирования энергопотребления и использования энергоносителей;

5) проверка энергетических балансов предприятия (объекта);

6) расчет удельных энергозатрат на выпускаемую продукцию (или виды работ);

7) оценка целесообразности основных энергосберегающих мероприятий, реализуемых предприятием.

Результатом энергоаудита может являться: заключение о качестве получаемых энергоресурсов, особенно электроэнергии; рекомендации по внедрению мероприятий и технологий энергосбережения; рекомендации по проведению мероприятий (в том числе изменений в технологии), направленных на повышение энергоэффективности выпускаемой продукции; рекомендации по замене потребляемых энергоресурсов иными видами ресурсов (например, электроэнергии на обогрев — теплом или горячим паром).

По итогам обследования формируется Энергетический паспорт предприятия по форме, утверждённой Приказом Миэнерго № 182 от 19 апреля 2010 года.

Оборудование (приборы) для проведения энергоаудита — это комплекс средств измерений, которые должны удовлетворять определенным требованиям. Основные требования к прибором для энергоаудита:

? при измерении режима электрических цепей — отсутствие влияния на работу исследуемых электрических цепей;

? портативность — вес не более 15 кг, исполнение в защищенном корпусе или наличие защитного чехла;

? автономность — наличие встроенного источника питания, обеспечивающего несколько часов работы;

? возможность регистрации данных — наличие внутреннего запоминающего устройства или, в крайнем случае, унифицированного выхода для подключения внешнего запоминающего устройства;

? связь с компьютером — наличие порта и программного обеспечения для передачи данных на ПК;

? наличие свидетельства об утверждении типа средств измерений в РФ;

Для проведения инструментального энергетического обследования минимальный набор оборудования должен включать в себя приборы для следующих измерений: показателей качества электроэнергии; расхода жидкости; расхода теплового потока; температуры (контактное измерение);температуры (бесконтактное визуальное ИК измерения); обнаружение течи (течеискатели).

1.3 Примеры домов

1.3.1 Образцовый солнечный дом «Лейпциг»

В ноябре 2007 года фирма «HELMA Eigenheimbau AG» представила посетителям первый образец солнечного дома в своем парке образцов строительства в Лэрте недалеко от Ганновера. Современный кирпичный солнечный дом расширил базу энергосберегающих домов фирмы, строящей дома по всей Германию.

Благодаря этому солнечному дому фирма «HELMA» стала одним из лидеров производства экологически безопасных энергосберегающих домов.

Проект «Лейпциг» фирмы «HELMA» представляет собой образец дома, который является воплощением концепции солнечного дома. На южной стороне здания расположены окна большой площадью и зимний сад, который простирается вплоть до крыши, что способствует получению солнечного тепла.

Изоляция дома соответствует стандарту KfW 40-Standard или выше. Фундамент солнечного дома покрыт специальной изоляцией.

Свободное движение холода под домом достигается так называемыми морозными зонтами, которые проложены под зданием. Можно отказаться от обшивки досками бетонного пола первого этажа, так как фасадная сторона так же изолирована и может использоваться как опалубка.

Для того чтобы будущие жильцы могли использовать солнечную энергию, в доме установлен накопитель высотой 4,6 м, диаметром 1,4 м и объемом 7000л. Этот накопитель создан фирмой «SolvisimHaus». Встроенный в жилую часть здания накопитель является характерным признаком любого солнечного дома.

Солнечные дома фирмы «HELMA» строятся из кирпича, а пол делается из железобетона. Такой метод строительства обеспечивает домам быстрый процесс теплообмена, что, в принципе, хорошо для солнечного дома.

Благодаря солнечным элементам площадью 40 мІ дом получает тепловую энергию, которую затем накапливает. Солнечные элементы расположены на южной стороне крыши под углом 45 градусов справа и слева от зимнего сада. Поверхность над зимним садом используется для размещения фотогальванической энергетической установки площадью примерно 11 мІ, что оптимизирует и продолжает концепцию солнечного дома.

Для строительства стен используется кирпич с изоляцией, заполненный перлитом, который обладает хорошими физическими и экологическими качествами. Например, кирпич «PorotonT8».

Перлит является натуральным минералом, который возник благодаря подводной вулканической деятельности. Путем кратковременного нагрева молотой горной породы до температуры 1000 градусов, из нее выпаривается вода. При этом перлит увеличивается в размере почти в 20 раз.

Перлит — экологический чистый материал с высокой степенью теплоизоляции. После обработки «PorotonT8» коэффициент теплопроводности составляет 0.08 Вт/ мК, благодаря чему стены солнечного дома хорошо изолированы. Кирпич состоит из несущей части размером 17,5 см и изоляционной части размером 25 см, что означает, что ширина внешней стены составляет 42,5 см.

Накопленной солнечной энергии хватает для того, чтобы отапливать дом несколько недель. Лишь в холодный несолнечный период солнечная установка поддерживается печью с аппаратом для сухой перегонки дерева мощностью 25 кВт. Благодаря этому температура в накопителе достаточно высока даже для нагрева хозяйственно-питьевой воды (например, душа или ванны).

Первые испытания образцового дома в декабре 2007 года показали, что даже в холодную зимнюю погоду энергии в накопителе хватит на неделю, и только затем надо будет использовать печь.

Расположенная между прихожей и жилой частью дома печь с аппаратом для сухой перегонки дерева является не только необходимой составной частью системы отопления, но и благодаря центральному местоположению представляет собой элемент декора жилой части дома.

1.3.2 Солнечный дом Лоренца В доме Лоренца степень покрытия солнечной системой составляет около 77%.Солнечный коллектор размером 68 квадратных метров и с углом наклона 45 градусов расположен на отвесной крыше, он обеспечивает солнечное тепло для системы отопления и подогрева хозяйственно-питьевой воды, которая находится в комбинированном накопителе с двухступенчатой системой загрузки и разгрузки объемом 11 кубических метров. Благодаря этому можно пережить даже несолнечные дни. Накопитель высотой 6,2 метра простирается от подвала до второго этажа и является элементом декора в кухне и гостиной. Лестничная клетка построена вокруг накопителя.

Жилая площадь солнечного дома составляет 170 квадратных метров, потребность в тепле составляет 9 киловатт часов на квадратный метр в год. Предпосылкой для хорошей работы системы отопления является хорошая изоляция дома. Солнце используется также пассивно благодаря полностью остекленному зимнему саду. В остеклении было применено зеркальное стекло, что позволяет наблюдать из дома, что происходит на улице, но то, что происходит в доме, снаружи не видно. В доме используется стеновое панельное отопление, которое работает на низких температурах. Оно фактически опоясывает весь дом.

Сведения о солнечном доме Лоренца.

Степень покрытия солнечной системой 77%

Жилая площадь 170мІ

Потребность в тепле 6кВт Площадь коллектора 68 мІ. Угол наклона 45 градусов.

Комбинированный накопитель «Лоренц» 11мі. Высота 6,2 м.

Двухступенчатая система загрузки/разгрузки (собственное производство).

Система отопления: стеновое панельное отопление, голландская печь с подводом воды.

Потребность в топливе: 1,5 стера дров в год Стены накопителя и печи благодаря встроенной системе панельного отопления нагреваются за счет солнечной энергии.

2. Источники энергии энергоэффективного дома

2.1 Теплоизоляция Теплоизоляционными называют строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Основной особенностью теплоизоляционных материалов является их высокая пористость и, следовательно, малая средняя плотность и низкая теплопроводность.

Применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет снизить массу конструкций, уменьшить потребление конструкционных строительных материалов (бетон, кирпич, древесина и др.). Теплоизоляционные материалы существенно улучшают комфорт в жилых помещениях. Важнейшей целью теплоизоляции строительных конструкций является сокращение расхода энергии на отопление здания.

Основной путь снижения энергозатрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов (ТИМ). С 2000 года нормативные требования по расчётному сопротивлению теплопередачи ограждающих конструкций в России увеличены в среднем в 3,5 раза и практически сравнялись с аналогичными нормативами в Финляндии, Швеции, Норвегии, Северной Канаде, других северных странах. Соответственно выросло значение (ТИМ).

2.1.1 Основные технические характеристики Свойства теплоизоляционных материалов применительно к строительству характеризуются следующими основными параметрами.

Важнейшей технической характеристикой ТИМ является теплопроводность — способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу, так как именно от нее напрямую зависит термическое сопротивление ограждающей конструкции. Количественно определяется коэффициентом теплопроводности л, выражающим количество тепла, проходящее через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м²при разности температур на противолежащих поверхностях 1 °C за 1 ч.

Коэффициент теплопроводности в справочной и нормативной документации имеет размерность Вт/(м· °С).

На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т. д. Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и, особенно, его влажность.

Плотность — отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м³).

Прочность на сжатиеэто величина нагрузки (КПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%.

Сжимаемость — способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2 КПа.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала.

Для снижения водопоглощения ведущие производители теплоизоляционных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.

Сорбционная влажностьравновесная гигроскопическая влажность материала при определенных условиях в течение заданного времени. С повышением влажности теплоизоляционных материалов повышается их теплопроводность.

Морозостойкостьспособность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако, данные по морозостойкости не приводятся в ГОСТ или ТУ.

Паропроницаемостьспособность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара.

Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоёв должна расти в направлении от тёплой стороны ограждения к холодной.

Воздухопроницаемость. Теплоизолирующие свойства тем выше, чем ниже воздухопроницаемость ТИМ. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что движение воздуха приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошей воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах. Они сами могут применяться в качестве ветрозащиты.

Огнестойкостьспособность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств.

По группе горючести теплоизоляционные материалы подразделяют на горючие и негорючие. Это является одним из важнейших критериев выбора теплоизоляционного материала.

2.1.2 Общие принципы устройства теплоизоляции

1. Теплоизоляция строительных конструкций должна быть запроектирована так, чтобы выполнять возложенные на нее функции в течение всего жизненного цикла конструкции.

2. В проекте должны быть описаны способы укладки и защиты теплоизоляционных материалов для обеспечения заданной теплопроводности. Изоляционный материал должен заполнять весь предусмотренный проектом объем и выдерживать нагрузки, возникающие как при укладке, так и в процессе эксплуатации. При необходимости проект должен содержать описание способов заполнения стыковочных швов.

3. Слой теплоизоляционного материала с подветренной стороны здания необходимо защищать от ветра. Ветрозащитный слой должен покрывать весь изоляционный материал и быть настолько плотным, чтобы препятствовать проникновению в строительные конструкции или сквозь них воздушных потоков, существенно снижающих изоляционные свойства материала. Особое внимание следует обратить на места соединения наружных стен и стен фундамента, наружных стен и чердачных перекрытий, на углы наружных стен и коробки проемов.

4. Если в многослойной ограждающей конструкции паропроницаемость слоёв уменьшается по мере движения от тёплой стороны к холодной, существует опасность накопления внутри конструкции конденсирующейся влаги. Для минимизации этого эффекта на теплой стороне ограждения устраивают специальный пароизоляцонный барьер, паропроницаемость которого не менее чем в несколько раз выше, чем у наружных слоёв. Швы и соединения пароизоляционного барьера должны быть загерметизированы.

5. Ограждающая конструкция должна быть спроектирована так, чтобы создать как можно более благоприятные условия для свободного выхода за её пределы паров, неизбежно проникающей в неё влаги. При необходимости защиты теплоизоляционных материалов от ветра или атмосферной влаги целесообразно использовать специальные «дышащие» мембраны, прозрачные для выхода водяных паров.

6. Исследования показали, что многие негативные явления, возникающие в многослойных ограждающих конструкциях (плесень, гниль, формальдегид, радон и др.), как правило, связаны с сыростью. Залог надёжной работы ограждающей конструкции — учёт на стадии проектировании всего комплекса вопросов тепломассопереноса.

Минеральная вата.

Минераловатные теплоизоляционные изделия являются наиболее распространёнными. По некоторым данным их доля среди всех применяемых ТИМ составляет около 80%.

Минеральная вата представляет собой тонкие и гибкие волокна, полученные при охлаждении предварительно раздробленного в капли и вытянутого в нити минерального расплава.

В зависимости от вида сырья минеральная вата делится на каменную и шлаковую. Сырьем для производства каменной ваты служат горные породы — диабаз, базальт, известняк, доломит, и др. Шлаковую вату получают из шлаков чёрной и цветной металлургии.

Ведущие мировые производители в качестве сырья используют исключительно горные породы, что позволяет получать минеральную вату высокого качества с длительным сроком эксплуатации. Именно её рекомендуется применять для ответственных конструкций — в случае, когда требуется их многолетняя надежная работа.

На качество минераловатных ТИМ в значительной мере влияет связующее. Для строительных целей предпочтительно использовать изделия на фенольном связующем, поскольку карбамидное связующее менее водостойкое. Бояться выделения фенола не стоит. При строгом следовании технологическому процессу производства происходит полная нейтрализация и поликонденсация фенола.

Основным свойством минеральной ваты, отличающим ее от многих других ТИМ, является негорючесть в сочетании с высокой теплои звукоизолирующей способностью. К тому же минераловатные ТИМ обладают устойчивостью к температурным деформациям, негигроскопичностью, химической и биологической стойкостью, экологичностью и легкостью выполнения монтажа.

По требованиям пожарной безопасности изделия из минеральной ваты относятся к классу негорючих материалов (НГ). Более того, они эффективно препятствуют распространению пламени и применяются в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты.

Теплопроводность минераловатных изделий складывается из трех составляющих: теплопроводности волокон, теплопроводности воздушной среды и влаги, находящихся между волокнами, а также передачи тепла лучеиспусканием. Теплопроводность твердой основы как основная составляющая общей теплопроводности зависит от геометрии и ориентации волокон в пространстве. При заданной плотности наиболее эффективным теплоизолятором является минеральная вата с хаотически расположенными и беспорядочно ориентированными волокнами.

Ориентация волокон влияет не только на теплопроводность, но и на прочностные характеристики минераловатных изделий. Прочность на сжатие у них возрастает с ростом количества вертикально ориентированных волокон. Таким образом, чем выше процент вертикально ориентированных волокон, тем более низкой плотности минеральную плиту можно применять для обеспечения заданной прочности на сжатие. Поэтому технологии формования минераловатных плит, обеспечивающие высокий процент вертикально ориентированных волокон, являются наиболее прогрессивными.

Важное свойство минераловатных материалов — ничтожно малая усадка (в том числе термическая) и сохранение своих геометрических размеров в течение всего периода эксплуатации здания. Это гарантирует отсутствие «мостиков холода», которые в противном случае неизбежно возникли бы на стыках изоляционных плит.

Минеральная вата обладает чрезвычайно низкой гигроскопичностью: содержание влаги в изделиях из нее при нормальных условиях эксплуатации составляет 0,5% по объему. Однако хранение на строительной площадке и монтаж теплоизоляции часто происходят во влажных условиях (например, во время дождя). Чтобы минимизировать водопоглощение, минеральную вату, как правило, пропитывают специальными водоотталкивающими составами (кремний-органическими соединениями или специальными маслами).

Изоляционные материалы из минеральной ваты отличаются высокой химической стойкостью. Более того, минеральная вата является химически пассивной средой и не вызывает коррозию контактирующих с ней металлов. Теплоизоляционные и механические свойства изделий из минеральной ваты сохраняются на первоначальном уровне в течение десятков лет.

Применение минеральной ваты позволяет обеспечить не только тепло-, но и звукоизоляцию стен. Минеральная вата значительно снижает риск возникновения стоячих звуковых волн внутри ограждающей конструкции, тем самым, увеличивая изоляцию от воздушного шума. Звукопоглощающие свойства материала увеличивают затухание акустических волн и значительно снижают звуковой уровень помещения.

Стеклянная вата.

Стеклянная вата — это материал, представляющий собой минеральное волокно, которое по технологии получения и свойствам имеет много общего с минеральной ватой. Для получения стеклянного волокна используют то же сырье, что и для производства обычного стекла или отходы стекольной промышленности.

По свойствам стекловата несколько отличается от минеральной. Отличия обусловлены, в частности, тем, что волокна стеклянной ваты имеют большую толщину (16−20 мкм) и в 2…3 раза большую длину. Благодаря этому изделия из стеклянной ваты обладают повышенной упругостью и прочностью. Стеклянная вата практически не содержит неволокнистых включений и обладает высокой вибростойкостью.

Теплопроводность находится в пределах 0,030.0,052Вт/м· К. Температуростойкость стеклянной ваты обычного состава — 450 °C, что существенно ниже, чем у минеральной ваты.

Теплоизоляционные материалы из стекловолокна — хорошие звукоизоляторы, так как имеют волокнистую структуру и хорошо поглощают звук. Обладают высокой химической стойкостью, не содержат коррозионных агентов, негигроскопичны. Благодаря противогнилостной обработке и отсутствию запаха предотвращается появление вредителей и плесени в строительных конструкциях.

Этот негорючий материал не выделяет токсичные и вредные вещества под воздействием огня.

Стекловатные изделия широко применяются для тепловой изоляции строительных конструкций. Стекловолокно — настолько мягкий и эластичный материал, что изделиями из него можно облицовывать неровные поверхности, а также применять в конструкциях любой формы и конфигурации. При этом теплоизоляционные изделия из стекловаты отличаются стабильностью формы, выдерживают старение, не подвергаясь деформации.

Области применения практически такие же, как для изделий из минеральной ваты.

Газонаполненные пластмассы — пенопласты.

Газонаполненными (ячеистыми) пластмассами или пенопластами принято называть органические высокопористые материалы, получаемые из синтетических смол. В зависимости от прочности и модуля упругости газонаполненные пластмассы подразделяются на жесткие, полужесткие и эластичные.

По виду полимера пенопласты подразделяют на термопластичные и термореактивные. В основе первых лежат полимеры с линейной структурой (полистирол, поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен и др.). В основе вторых — полимеры с пространственной структурой (фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные, полиуретановые и др.).

Специфические особенности газонаполненных пластмасс определяют техническую направленность и экономическую эффективность их применения в качестве строительной теплоизоляции. Благодаря низкой средней плотности, высоким теплои звукоизоляционным свойствам, повышенной удельной прочности, а также ряду ценных технологических и эксплуатационных свойств пенопласты не имеют аналогов среди традиционных строительных материалов.

Однако большинству газонаполненных пластмасс свойственны определенные недостатки, существенно ограничивающие возможность их применения: пониженные огнестойкость, теплостойкость и температуростойкость. Кроме того, процессы деструкции («старения») этих материалов, и их биостойкость в процессе длительной эксплуатации до конца не изучены.

Одним из важнейших критериев качества пенопластов является соотношение числа открытых и закрытых пор в их структуре. Физико-механические свойства улучшаются с увеличением содержания закрытых ячеек.

Преимущественно замкнутую ячеистую структуру имеют полистирольные и поливинилхлоридовые пенопласты, а также жесткие пенополиуретаны. Это предопределяет распространенность перечисленных пенопластов в качестве теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях.

а) Пенополистирол.

Пенополистирол получают из стиропора путем вспучивания при нагревании под действием газообразователя. В результате образуются гранулы размером 5−15 мм.

Иногда их используют в теплоизоляционных засыпках или в качестве легкого заполнителя в производстве теплоизоляционных штучных материалов с применением различных связующих (например, пенополистиролбетон). Большей же частью гранулы пенополистирола перерабатываются в изделия (плиты, блоки, скорлупы и др.) без применения каких-либо вяжущих.

По технологии производства изделия из пенополистирола делят на два класса, существенно отличающиеся своими свойствами.

Изделия первого класса формируют путем спекания гранул друг с другом при повышенных температурах. В качестве строительной теплоизоляции наиболее распространены плиты пенополистирольные (ППС)по ГОСТ 15 588–86.

Изделия второго класса получают путем смешивания гранул полистирола при повышенных температурах с последующим введением вспенивающего агента и выдавливанием из экструдера. Эти изделия также широко применяются в строительстве и хорошо известны под названием экструдированный пенополистирол (ЭПС).

б)Плиты пенополистирольные (ППС).

Следует отметить, что на характеристики пенополистирола чрезвычайно сильно влияет технология его производства. Изделия с низким водопоглощением, высокими теплоизоляционными свойствами и с высокой плотностью поверхностного слоя можно получить только на самом современном технологическом оборудовании.

Качественные пенополистирольные плиты характеризуется низкой теплопроводностью (0,027−0,040 Вт/м К) иплотностью (15 — 40 кг/м3). При этом прочность пенополистирола позволяет применять его в качестве конструктивного элемента, способного нести значительные нагрузки в течение длительного времени. Так прочность на сжатие при 10% линейной деформации составляет для различных марок 65−250 КПа.

Пенополистирол отличается чрезвычайно малой гигроскопичностью (0,05…0,2%).

Водопоглощение (не более 1,5% по объему при погружении в воду на 7 дней) настолько мало, что позволяет пренебречь влиянием на теплопроводность. Диффузия водяного пара в пенополистироле практически отсутствует.

В качестве утеплителя пенополистирольные плиты применяются:

· в системах наружного утепления «мокрого» типа;

· в системах с утеплителем с внутренней стороны ограждающей конструкции;

· в системах с утеплителем внутри ограждающей конструкции (слоистая кладка, трехслойные бетонные или железобетонные панели, трехслойные «сэндвич-панели» с металлическими обшивками);

· в качестве несъемной опалубки;

· в качестве основания под рулонные или мастичные кровли под стяжку толщиной, определяемой требованиями пожарной безопасности;

· для теплоизоляции подвалов и перекрытий.

в)Экструдированный пенополистирол (ЭПС).

Процесс экструдирования позволяет получить плиты с равномерной структурой, состоящей из мелких, практически полностью закрытых ячеек (пор). Благодаря своей структуре экструдированный пенополистирол обладает целым рядом замечательных свойств, отличающих его от большинства других изоляционных материалов.

Теплопроводность материала чрезвычайно низка (менее 0,03 Вт/м К).

Водопоглощение составляет менее 0,2% в объеме. Низкое водопоглощение обеспечивает пренебрежимо малое изменение теплопроводности во влажных условиях, которое составляет не более 0,001−0,002 Вт/(м К). Это позволяет с успехом применять экструдированный пенополистирол без дополнительной гидроизоляции.

Коэффициент паропроницаемости также пренебрежимо мал (в зависимости от плотности материала — менее 0,02 мг/ (м.ч.Па)).

Прочностные характеристики, напротив, очень высоки и зависят от толщины и плотности плит. Прочность на сжатие при 10% линейной деформации (по ГОСТ 17 177–94), например, в зависимости от плотности лежит в пределах 0,25…0,5 МПа.

Экструдированный пенополистирол химически стоек по отношению к большинству используемых в строительстве материалов (за исключением органических растворителей, безводных кислот и бензина). При выборе клеевых составов следует руководствоваться указаниями изготовителя относительно их пригодности для склеивания пенополистирола. Может приклеиваться горячим битумом.

Экструдированный пенополистирол морозостоек и хорошо сохраняет свои теплоизоляционные свойства. Изменение термического сопротивления после 1000 циклов замораживания-оттаивания не превышает 5%. Благодаря добавлению антипиренов современные экструдированные пенополистиролы соответствуют пожарно-техническим характеристикам Г1 (по ГОСТ 30 244–94 слабогорючий) и РП1 (по ГОСТ 51 032– — 97 не распространения пламени по поверхности).

Высокие теплотехнические и прочностные характеристики экструдированного пенополистирола позволяют использовать его при решении следующих основных задач:

· изоляция «мостиков холода»;

· изоляция фундамента, стен подвалов и подземных сооружений ;

· внутренняя теплоизоляция стен (колодцевая кладка);

· теплоизоляция фасадов зданий «мокрого» типа с последующим нанесением на теплоизоляционные плиты штукатурки или других облицовочных материалов;

· теплоизоляция зданий изнутри, с последующей отделкой сухой штукатуркой, гипсокартоном, деревянными панелями, и др.;

· изготовление «сэндвич-панелей»;

· теплоизоляция полов ;

· устройство теплоизоляции скатных крыш;

· устройство эксплуатируемых крыш.

г) Пенополистиролбетон.

Пенополистиролбетон (по ГОСТ Р 51 263−99) — это композиционный материал. Он представляет собой разновидность легкого бетона, наполнителем которого являются вспененные гранулы полистирола, а связующим средством — портландцемент.

По своему функциональному назначению пенополистиролбетон близок к ячеистым бетонам. Однако, его отличает чрезвычайно низкое водопоглощение (менее 4% в объеме), что обусловливает стабильность теплоизоляционных свойств. Коэффициент теплопроводностизависит от плотности материала и для теплоизоляционных панелей (плотностью 150 кг/м3) составляет 0,055 Вт/м.К.

д)Пенополиуретан (ППУ).

Пенополиуретан представляет собой теплоизоляционный пенопласт, получаемый из полиэфирной смолы и специальных добавок. Пенополиуретан бывает жесткий и мягкий (поролон). Жесткий выпускают в виде плит и блоков, а мягкий — в виде полотнищ и лент. Средняя плотность и теплопроводность поролона — соответственно 30−70 кг/м3 и 0,03−0,04 Вт/м.К. Жесткие плиты имеют среднюю плотность 60−200 кг/м3 и теплопроводность — 0,035−0,06 Вт/м.К.

Низкая теплопроводность пенополиуретана обусловлен тем, что он представляет собой однородную ячеистую пластмассу, в ячейках которой находится воздух. Пенополиуретан не впитывает влагу, не гниет и не плесневеет. Пенополиуретан обладает незначительным водопоглощением и гигроскопичностью, его можно использовать при достаточно высоких температурах.

Пенополиуретан применяется в конструкциях стеновых и кровельных панелей типа «сэндвич». Различные пенополиуретановые композиции также используют в изоляционных работах непосредственно на месте производства работ. Теплоизоляционные пенополиуретановые композиции могут наноситься методом набрызга, что позволяет получить сплошную бесшовную изоляцию.

Пенополиуретановые композиции могут заливаться также в зазоры между конструктивными элементами или, в пространство между изолируемой поверхностью и легкой металлической передвижной опалубкой. Чтобы твердеющий пенополиуретан не сцеплялся с опалубкой, ее внутреннюю поверхность покрывают синтетической пленкой. Вес большее применение в современном строительстве находят теплоизолирующие герметики. Среди них достойное место занимают так называемые монтажные пены.

Однокомпонентные монтажные пены (такие как МАКРОФЛЕКС, BOSTIK и другие) являются ячеистой полиуретановой пластмассой. Предварительно затаренные в баллоны композиции дают на выходе из емкости синтетическую пену, отличающуюся хорошей адгезией к дереву, металлу, кирпичу, бетону и т. д.

Монтажные пены хорошо заполняют стыки в строительных конструкциях. Поверхности не требуют предварительной обработки, затвердение композиций происходит под воздействием химической реакции с окружающим воздухом или с содержащими влагу обрабатываемыми поверхностями.

Вспученные минеральные и пробковые теплоизоляционные материалы К вспученным минеральным ТИМ относятся вспученный вермикулит, вспученный перлит, шунгизит, вспененное (ячеистое) стекло, газобетон и газосиликат.

е) Пеностекло.

Пеностекло — материал со структурой пены, получаемый расплавлением и последующим вспениванием смеси тонкоизмельченного стеклянного порошка с газообразователем. Пеностекло имеет множество газонаполненных пузырьков. Диаметр пузырьков пеностекла различных марок имеет значение от 0,1 до 1 мм.

Пеностекло выпускают в виде плит (блоков) размерами (мм): длина 600, 1200; ширина — 450, 600; толщина 40…180. Для трубопроводов и емкостей выпускаются фасонные изделия из пеностекла (скорлупы, сегменты, колена и др.)

Пеностекло характеризуется наиболее высокой прочностью по сравнению с другими теплоизоляционными материалами. Предел прочности различных видов (марок) пеностекла в пределах 0,35…1,6 МПа (по специальному заказу до 5,0 МПа). Теплопроводность пеностекла при +25°С находится в пределах 0,040…0,052 Вт/(м°С).

У пеностекла отсутствует водопоглощение, паропроницаемость, а это значит, что теплотехнические характеристики пеностекла не будут изменяться в зависимости от продолжительности и условий эксплуатации.

Пеностекло негорючий материал. Температура применения пеностекла от -260° до +485°С, температура размягчения равна примерно 730°.

Пеностекло экологически чистый материал, поэтому, не имеет ограничений при его применении.

Газобетон и газосиликат.

Газобетон и газосиликат представляют собой ячеистые теплоизоляционные бетоны, плотностью менее 900 кг/м³, получаемые из портландцемента (газобетон) или из смеси извести с молотым кварцевым песком (газосиликат) путём вспучивания предварительно приготовленного шлама (теста) с помощью газообразователей и отвердевания в различных условиях (автоклавная обработка или пропаривание). По способу твердения газобетон бывает автоклавный и неавтоклавный, газосиликат — только автоклавный материал.

Водопоглощение теплоизоляционного газобетона — до 20%, а газосиликата — до 25−30%, поэтому изделия из газосиликата не применяют при относительной влажности окружающей среды более 60%. Предельная температура применения обеих разновидностей бетона — 400 °C (специальных видов газобетона до 700°С).

Газобетонные и газосиликатные теплоизоляционные изделия в строительстве применяют для утепления стен и бесчердачных кровель промышленных и жилых зданий.

Пробковые теплоизоляционные материалы.

Пробковые теплоизоляционные плиты готовят на основе коры пробкового дуба, поэтому это — натуральные природные материалы.

Материалы из пробки — лёгкие материалы, прочные на сжатие и изгиб, не поддающиея усадке и гниению. Пробка легко режется, что гарантирует чистую и быструю работу. Пробка химически инертна и долговечна (до 50 лет и более), причём ее физические свойства практически не меняются со временем.

Пробка не проводит электрический ток и не накапливает статическое электричество. Материалы из пробки не горят, а только тлеют (при наличии источника открытого огня), После обработки огнестойкими составами они принадлежат к классу горючести В1. При тлении пробка не выделяет ни фенолов, ни формальдегидов.

В качестве тепловой изоляции в основном применяются плиты толщиной 25…50 мм. Средняя плотность150−200 кг/м³, теплопроводность 0,04−0,05 Вт/м· К, температура применения не выше 120 °C.

Прессованная пробка в рулонах применяется как теплои звукоизолирующая прокладка.

2.2 Солнечные коллекторы Задача солнечных коллекторов — аккумуляция солнечной энергии с максимально возможной эффективностью. При проектировании солнечного коллектора использовалось несколько хорошо известных принципов. Так, например, для самого нагревателя — «парниковый эффект», то есть свойство солнечных лучей беспрепятственно проходить сквозь прозрачную среду в замкнутое пространство и превращаться в тепловую энергию, уже не способную преодолеть обратно прозрачную «крышу» установки. А в гидравлической системе служит термосифонный эффект, то есть свойство жидкости при нагревании подниматься вверх, вытесняя при этом более холодную воду и заставляя ее перемещаться к месту нагрева. Следует также отметить, что при разработке солнечного коллектора учитывался и эффект накопления и сохранения тепловой энергии: в установке «уловленная» солнечная энергия, преобразованная в тепловую, аккумулируется и сохраняется длительное время. Существуют различные типы солнечных коллекторов, отличающихся внешней формой наружных поверхностей, устройством поглощающих поверхностей и аккумулирующих средств.