Виды и характеристики различных теплоизоляционных материалов

В настоящее время не существует ни одного теплоизоляционного материала, способного соответствовать сразу всем требованиям в отношении наиболее важных свойств. Из-за этого сегодня решения о способах теплозащиты в строительстве принимаются в зависимости от конкретных обстоятельств. По этой причине важно знать возможности применения и ограничения для всех типов термоизоляции.

Зачем они нужны

Главная проблема отопления дома — сохранение производимого или поставляемого тепла в зимний период. Независимо от того, каким образом осуществляется отопление, здание рано или поздно потеряет тепло. Единственный способ его сохранить — создать буферную зону между микроклиматом дома и холодом на улице.

Поскольку отопление составляет значительную часть общемирового использования энергии и, соответственно, выбросов парниковых газов, существует экологическая потребность в повышении энергоэффективности зданий. Современная ситуация с антропогенным воздействием на природу привела к актуальности таких понятий, как пассивные дома и здания с нулевыми выбросами.

Для достижения максимального теплового сопротивления ограждающих конструкций разрабатываются новые материалы, которые должны прийти на смену традиционным. Основной недостаток последних — в необходимости наращивания толщины для удовлетворения ужесточающихся требований к утеплителям.

Толстые строительные изоляторы нежелательны по нескольким причинам, например, связанным с вопросами экономии пространства, объёмами перевозок, архитектурных ограничений и другими.

Как происходят потери

По сравнению со старыми технологиями, например, открытый огонь или камин, большинство современных отопительных приборов чрезвычайно продуктивны. В практическом плане нормальный показатель эффективности использования топлива — 70% от исходной калорийности. Тем не менее после доставки тепла в здание дальнейшие его потери неизбежны. Основные процессы остывания выглядят так:

• Охлаждение фундамента. Для домов, находящихся в зоне с промерзанием грунтов, на горных породах — актуальная проблема.
• Потери через ограждающие конструкции. Качество исполнение стен и кровли крайне важно для сохранения температурного режима внутри дома.
• Вентиляционное охлаждение. Вместе с нагретым воздухом теряется немало калорий, как и тратится на повышение температуры притока.

Проблема в том, что любое здание невозможно сделать по примеру термоса. Людям внутри требуется воздухообмен, поэтому абсолютная изоляция недостижима даже теоретически. Кроме того, важно понимать, что не существует материалов, способных полностью предотвратить потери тепла или уменьшить нежелательный его приток. Практические ожидания от утеплителей ограничиваются сведением ими теплопотерь к минимуму.

Физические основы

Тепловой энергией называют кинетическую энергию молекул, из которых состоит объект. Одно из важнейших её свойств — способность самопроизвольно перетекать от одного тела к другому под воздействием разности температур в направлении от горячего к холодному. В результате любой объект, более горячий, чем окружающая среда, неизбежно потеряет часть своей тепловой энергии. Процесс будет продолжаться до достижения температурного равновесия в системе. Само явление происходит с помощью трёх механизмов (либо по отдельности, либо в комбинации):

1. Теплопроводность (диффузия). Это прямой обмен кинетической энергией между частицами через границу между телами.
2. Конвекция. Результат движения вещества из одной области пространства в другую. Может происходить только в текучих средах — газах и жидкостях. Перенос тепла осуществляется вместе с потоками вещества.
3. Излучение. Любой материал, имеющий температуру выше абсолютного нуля, выделяет энергию таким способом. Происходит за счёт различных видов электромагнитного излучения, например, с помощью солнечного света. Для строительных конструкций характерен теплоперенос в инфракрасном диапазоне.

Цель любой изоляции — прежде всего снижение общего коэффициента теплопередачи путём использования материалов с низкой теплопроводностью. Основа большинства из них — изолирующие свойства воздуха. Наличие наполненных газом карманов в любой среде препятствует крупномасштабной конвекции и теплопередаче. Геометрия, структура и состав материалов на основе этого принципа играет решающую роль для их показателей.

Из всех утеплителей только отражающая изоляция работает с лучистой энергией. Обычно она используется в комбинации с объёмными материалами для обеспечения максимального эффекта. Отражающие изоляторы нашли широкое применение в более тёплом климате.

Требования к материалам

Главное требование ко всем изолирующим слоям — их производительность. От них ожидается обеспечение расчётного сопротивления в течение всего срока службы здания. Основные факторы, которые рассматриваются на этапе проектирования:

• Простота применения. Конечная производительность будет определяться тем, насколько качественно строители, используя обычные навыки, смонтируют материал. Например, плиты из базальтовой ваты должны быть уложены без зазоров между собой и другими компонентами, образующими часть общей оболочки.
• Усадка, уплотнение, разрушение. Во многих отношениях потеря производительности ожидается, поскольку вечных материалов не существует. Однако все риски должны быть расчётными и предусмотрены проектом и производителем.
• Влагозащищённость. Немалая часть изоляционных материалов теряет свои характеристики в условиях высокой влажности или при намокании. Это обстоятельство должно обязательно учитываться при применении.
• Противопожарные и дымовые стандарты. Особенно ответственные зоны с точки пожарной безопасности, такие как эвакуационные выходы, должны обеспечивать высокие специальные показатели. Материалы, способные ограниченно или измеримо терять свои свойства под длительным воздействием открытого пламени, называются огнестойкими.
• Вес. Любое утяжеление термооболочки здания влечёт за собой повышение нагрузки на фундамент и ограждающие конструкции.

С точки зрения экономии ископаемого топлива и выбросов CO2 в глобальном масштабе важно, чтобы энергия, сохранённая материалом, не превышала энергозатраты на его изготовление. Только в таком случае строительную отрасль можно считать экологически эффективной.

Классификация по составу

Основные показатели изоляционных материалов зависят от сырья, из которого они произведены. Поэтому общепринято деление их на категории по химическому составу исходного вещества. Традиционными считаются неорганические теплоизоляторы, которые можно классифицировать следующим образом:

• Волокнистые. К ним относят стеклянные и минеральные (базальтовые ваты).
• Ячеистые, например, силикаты кальция и пеностекло.

Органические теплобарьеры получают с помощью нефтехимических процессов или из возобновляемого сырья на биооснове. Бо́льшая часть присутствующих на рынке материалов из этой категории — ячеистые (пористые) полимеры. Одно из главных преимуществ сотовой структуры перед волокнистой — сравнительно высокая прочность. Неполный перечень искусственных органических теплоизоляторов выглядит так:

• вспененные полистиролы;
• экструдированные пенополистиролы;
• пенополиуретаны;
• фенольные пены.

Для биоорганических утеплителей характерна волокнистая структура, но есть и исключения, например, натуральная пробка. К органическим материалам природного происхождения относят:

• целлюлоза;
• пробковые покрытия;
• на основе древесины;
• конопляное и льняное волокно;
• хлопок;
• шерсть.

Некоторые изоляторы не входят в перечисленные категории. К таким материалам относятся аэрогели и вакуумные панели.

Значения характеристик

Теплоизоляция обладает различными свойствами, которые должны учитываться инженерами при рассмотрении потребностей в изоляции гражданских и промышленных зданий. Выработаны общепринятые характеристики, по которым можно определить применимость того или иного материала в конкретных обстоятельствах. К основным показателям способности материала термоизолировать и сохранять свои свойства относят:

• Коэффициент теплопроводности. Определяет скорость, с которой тепло может переноситься через вещество за счёт теплопроводности. Чем ниже этот показатель, тем выше способность утеплять у материала.
• Тепловое сопротивление. Означает способность тела препятствовать тепловому потоку. Фактически величина, обратная теплопроводности.
• Удельная теплоёмкость. Под этим параметром подразумевают количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг материала на 1 °C. Определяет теплосохраняющие свойства вещества. Хороший термоизоляционный материал имеет более высокую теплоёмкость, поскольку обладает свойством долго повышать температуру под внешним воздействием, а значит, низкой теплопередачей.
• Физическая плотность. Вес на единицу объёма измеряется в кг/м3. Важный показатель в строительстве, связанный не только с нагрузкой на конструкции, но и с температуропроводностью и способностью к аккумуляции тепла.
• Паропроницаемость. Степень, в которой утеплительный материал обеспечивает прохождение сквозь себя водяного пара. По этой характеристике разделяют такие виды теплоизоляционных материалов: паропроницаемые и паронепроницаемые. Ограждающие конструкции должны обладать способностью отводить водяной пар из интерьеров в атмосферу — таким образом, уменьшается риск образования на них конденсата.
• Характеристики поверхностного горения. Эти параметры создаются на основе реальных измерений распространения пламени и дымообразования. Результаты таких тестов используются в качестве элементов оценки пожароопасности разных материалов для понимания возможности их применения с учётом рисков возгорания.
• Прочность на сжатие. Способность противостоять деформации при сжимающей нагрузке. Это важно учитывать, когда изоляция подвергается физическому воздействию, например, при устройстве тёплого пола.
• Тепловое расширение (стабильность размеров). Длительная работа всей изоляционной оболочки предполагает применение материалов, способных выдержать перепады температур, вибрации, неравномерный нагрев и увлажнение без изменений своих геометрических размеров.
• Термостойкость. Свойство сохранять функции, ожидаемые для нормальных условий, но под воздействием высоких или низких температур.
• Антисептичность. Качество, связанное со стойкостью к образованию плесени в непрерывно влажных условиях.

Прогресс не стоит на месте, и эволюцию теплоизоляционных материалов, вполне возможно, ждёт новый виток в связи с появлением наноматериалов. Специалисты считают, что уже в следующем десятилетии строители будут иметь возможность выбрать утеплитель из молекулярных плёнок или нанопористых покрытий. Прогнозируемый прогресс связан с тем, что меры по повышению энергоэффективности зданий за счёт изоляционной модернизации экономически более оправданы, чем любые другие.