1016 KB - Полимерные материалы
реклама
тема номера: ЯЧЕИСТЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Высококачественные полиуретановые изоляционные материалы для энергоэффективных зданий Т. Шелленбергер, Industrieverband Polyurethan-Hartschaum e. V. (INPU), г. Штутгарт, Германия Эффективная теплоизоляция зданий является важнейшей предпосылкой экологичного строительства. За счет применения эффективных теплоизолирующих материалов можно существенно понизить потребление энергии зданиями, уменьшить выбросы СО2 и улучшить микроклимат в жилых помещениях. Высокоэффективные пенополиуретаны (ППУ) и пенополиизоцианураты (ППИЦ) с их великолепными теплозащитными свойствами, технологичностью и экономичностью вполне соответствуют современным архитектурным требованиям. Экономия энергии в течение их по меньшей мере 50-летнего периода эксплуатации многократно превышает ту, которая потребовалась для их производства и которая полностью амортизируется, как правило, уже после первого отопительного сезона. По завершении полезной фазы жизненного цикла ППУ они могут быть термически утилизированы или подвергнуты вторичной переработке. 1. Энергетическая эффективность как предпосылка «устойчивого» строительства 2. Теплоизоляция – это только первый шаг 3. Виды высокоэффективных изоляционных материалов на основе ППУ 4. Теплоизолирующая способность 5. Примеры применения 5.1. Крыши с крутыми скатами 5.2. Плоские крыши 5.3. Внутренняя теплоизоляция 5.5. Противопожарные ригели 6. Энергетический баланс на примере теплоизоляции скатных крыш 8. Плиты из вторичных ППУ и ППИЦ 1. Энергетическая эффективность как предпосылка «устойчивого» строительства «Длительное устойчивое развитие или, иначе, неистощительное использование природных ресурсов означает соответствие чего-либо запросам современного поколения людей без опасности навредить будущим поколениям», - такое толкование термину Nachhaltigkeit было дано в 1987 г. комиссией ООН под председательством тогдашнего премьер-министра Норвегии г-жи Брундтланд (Brundtland). С этой точки зрения, понятие «устойчивое строительство» имеет экологическое, экономическое и соSchellenberger T. Hochleistungsdämmstoffe aus Polyurethan für energieeffiziente Gebäude. PU Magazin. 2009, Nr. 6, Dezember. S. 296–301. www.polymerbranch.com циальное измерения. И для всех этих трех аспектов энергетическая эффективность зданий играет главенствующую роль и означает по возможности экономное и эффективное использование потребляемой энергии без ухудшения качества проживания. За счет улучшенной теплоизоляции зданий может быть снижено энергопотребление, уменьшена стоимость проживания, сокращен уровень эмиссии СО2 и, как следствие, создан более здоровый и приятный микроклимат в жилых помещениях. 2. Теплоизоляция – это только первый шаг Большая часть современных зданий недостаточно теплоизолирована. Это отражается в достаточно высоком ежегодном потреблении энергии на 1 м2 жилой площади – в среднем порядка 173 кВт×ч/(м2×год), что соответствует удельному потреблению сжигаемого жидкого топлива в пределах 18 – 30 л/(м2×год). Вместе с тем энерготехническая реконструкция зданий, ориентированная на соответствие требованиям ЕС, позволила бы почти на 60 % уменьшить потребность в энергии. Около 75 – 80 % всей энергии, потребляемой в частных домах, расходуется на обогрев зданий. Оставшиеся 20 – 25 % идут на подготовку горячей воды, работу бытовых электроприборов и освещение (около 1,0 – 1,5 %). Эти цифры показывают, какой огромный потенциал возможной экономии энергии заложен в улучшенной теплоизоляции зданий. «Энергетическая» реконструкция зданий, направленная на уменьшение теплоотдачи от здания и его окон, является только первым шагом на пути общего снижения 25 тема номера: ЯЧЕИСТЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ энергопотребления. Однако, только за счет улучшенной теплоизоляции зданий затраты на энергию снижаются на 30 – 50 %, а другими источниками их экономии могут быть мероприятия по модернизации центрального отопления и электроснабжения или переход на другие источники энергии – в виде, например, природного газа (рис. 1). Суммарная экономия: 2620 евро/год Стоимость после реконструкции: 820 евро/год Оптимизация гидравлики: 80 евро/год Теплоизоляция здания: 1150 евро/год Другие мероприятия: 290 евро/год Теплоизоляция окон: 440 евро/год Оптимизация отопления: 660 евро/год Рис. 2. Внешний вид плит из ППУ, ламинированных алюминиевой фольгой или минеральным нетканым материалом Стоимость до реконструкции: 3440 евро/год а б Рис. 1. Стоимостные годовые затраты на потребление энергии домом на одну семью до и после его реконструкции (а) и составляющие общей суммы сэкономленных за год затрат (б) (источник: dena) 3. Виды теплоизоляционных материалов на основе ППУ Полиуретановые изоляционные материалы представляют собой жесткие ППУ с преимущественно закрытыми ячейками, которые отличаются выдающейся теплоизолирующей способностью и хорошими механическими свойствами. Изготавливаются они преимущественно в виде плит с гибким или жестким покрытием, а также в виде блоков. ППУ, изготавливаемые непосредственно на месте применения поливом или впрыском, предназначены главным образом для изоляции промышленных сооружений (табл. 1). Рис. 3. Примеры деталей, вырезанных из блоков ППУ Плиты из ППУ с жесткими обшивками представляют собой фактически трехслойные (сэндвичевые) панели, в которых жесткий ППУ, выступающий в качестве заполнителя, с обеих сторон облицован профилированными стальными листами для придания панелям повышенной прочности и жесткости (рис. 4). Подобные панели ввиду их легкости удобно обрабатывать и монтировать независимо от погодных условий. Таблица 1. Виды ППУ и примеры их применения Вид ППУ Примеры применения Плиты с гибким покрытием Теплоизоляция зданий Плиты – заполнители сэндвичевых конструкций с жесткими обшивками Конструктивные элементы цехов и других помещений Блоки Вырезанные из блоков изолирующие элементы бытового и промышленного назначения (трубчатые и оболочковые элементы, фасонные детали и др.) ППУ, изготавливаемые поливом или впрыском по месту применения Изоляция промышленных сооружений и установок Плиты из ППУ с гибким покрытием изготавливаются непрерывным методом на двухленточной линии. В качестве гибкого покрытия используется алюминиевая фольга, минеральные нетканые материалы или пленки (рис. 2). В зависимости от назначения подобных панелей их боковые поверхности могут выполняться ступенчатыми или окантовываться профилями. Блочный ППУ может быть изготовлен непрерывным или циклическим методами. В дальнейшем из блоков вырезают различные фасонные детали бытового или промышленного назначения (рис. 3). 26 Рис. 4. Трехслойные панели со стальными профилированными обшивками и заполнителем из ППУ, предназначенные для теплоизоляции стен и крыш зданий 4. Теплоизолирующая способность Жесткий ППУ обладает исключительно низкой теплопроводностью – существенно меньшей, чем у его традиционных конкурентов, среди которых минеральные волокнистые материалы и пенополистирол (ППС). Это позволяет изготавливать из ППУ теплоизолирующие панели гораздо меньшей толщины, что увеличивает полезный объем жилых помещений. Коэффициент теплопроводности ППУ-плит с гибким алюминиевым покрытием составляет около 0,024 Вт/(м×К), что соответствует классу теплопроводности WLS 024 (табл. 2). Из этого вытекает, что при такой 2010 / № 10 тема номера: ЯЧЕИСТЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Таблица 2. Классы и измеренный коэффициент теплопроводности l различных видов теплоизолирующих материалов на основе ППУ Вид материала Класс l, Вт/(м·К) Плита с алюминиевым покрытием Плита с покрытием из минеральноволокнистого нетканого материала толщиной ≥ 80 мм То же толщиной < 80 мм и блочный ППУ WLS 024 0,024 WLS 028 0,028 WLS 030 0,030 же толщине, как и у обычных изолирующих материалов (класс теплопроводности WLS 040), их теплоизолирующая способность на две трети лучше. Одинаковый теплоизолирующий эффект имеют, например, подобные ППУ-плиты толщиной всего 80 мм, прикрепленные к стропильным перекрытиям жилого дома, и минеральный волокнистый материал толщиной 160 мм, расположенный между стропилами и занимающий около 85 % от всей площади теплообмена (остальное – стропильные перекрытия), что дает существенную экономию в полезном объеме мансарды (рис. 5). 80 мм = 160 мм или решением (рис. 6). Их монтаж поверх перекрытий может комбинироваться с монтажом между стропилами и к нижней поверхности стропил. При реконструкции теплоизоляции строения с его внешних сторон существующий теплоизолирующий материал остается, как правило, между стропилами и не требует удаления или замены. Кроме того, при таких работах жильцы дома практически не имеют никаких неудобств от возможного строительного шума и попадания загрязнений в жилые помещения. Наконец, дополнительный теплоизолирующий эффект при монтаже плит из ППУ по всей поверхности стропильных перекрытий достигается за счет отсутствия так называемых «мостиков холода», которыми являются стропила в случае монтажа теплоизолирующего материала между ними (рис. 7). 180 мм а а б в Рис. 5. Сравнение вариантов «теплоизолирующей» реконструкции крыш старых жилых строений показывает, что плиты из ППУ небольшой толщины h позволяют добиться практически такого же эффекта, как и у минерально- (б) и древесноволокнистых (в) теплоизолирующих материалов, но гораздо большей толщины, что позволяет экономить полезный объем жилых помещений: а – класс теплопроводности WLS 024, h = 80 мм, коэффициент теплопередачи К = 0,27 Вт/(м2×К); б – WLS 035, h = 160 мм, К = 0,30 Вт/(м2×К); в – WLS 040, h = 180 мм, К = 0,30 Вт/(м2×К) в Рис. 7. Тепловой поток из жилого помещения (показан красными стрелками) через стропила наружу, наблюдающийся при монтаже изолирующего материала между стропилами скатной крыши (а), практически отсутствует при его монтаже по всей поверхности стропильного перекрытия (б) 5. Примеры применения 5.1. Крыши с крутыми скатами При работах по утеплению скатных крыш старых жилых строений с помощью плит из ППУ их крепление осуществляется непосредственно к существующим стропильным перекрытиям, что с техникоэкономической точки зрения является наилучшим Рис. 6. Монтаж теплоизолирующих плит из ППУ по всей поверхности стропильных перекрытий скатных крыш www.polymerbranch.com 27 тема номера: ЯЧЕИСТЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 5.2. Плоские крыши Крыши промышленных и складских строений, спортивных и выставочных залов, а также офисных и административных зданий выполняются обычно плоскими и изолируются преимущественно плитами из ППИЦ, которые благодаря их малой поверхностной плотности укладываются быстро и экономично, несмотря на их крупные габариты (рис. 8). Рис. 8. Монтаж теплоизолирующих плит из ППИЦ на плоской крыше здания Другим благоприятным следствием малого веса теплоизолирующих плит из ППИЦ является экономия в стоимости несущих конструкций, расчетная толщина элементов которых и соответственно расход конструкционного материала могут быть заметно снижены. Вместе с тем локальная прочность при сжатии подобных плит вполне достаточна для того, чтобы рабочий мог ходить по ним в процессе выполнения каких-либо профилактических или ремонтных работ. Важным достоинством плит из ППИЦ является их соответствие противопожарным требованиям промышленных норм DIN 18234-2. 5.3. Внутренняя теплоизоляция Удачным строительным решением является монтаж теплоизолирующих плит из ППУ между рядами кирпичной кладки стен зданий (рис. 9), что при существенном и длительном теплоизолирующем эффекте не требует увеличения запланированной общей толщины стен. работ по их реконструка ции. Поэтому работы по их теплоизоляции, соответствующей современным требованиям, допускается выполнять только с внуб тренней стороны стен. В этом секторе строительного рынка используются обычно теплоизолирующие материалы с высокой в капиллярной активностью. Однако традиционно применяемые для этих целей материалы на основе силиката кальция обладают ограниченной Рис. 10. Варианты влагообмена абсорбирующей способ- через стену здания: ностью по отношению к а – проникновение влаги внутрь помещения, усиленное ударным влаге. воздействием капель дождя на Капиллярно-активные внешнюю поверхность стены; теплоизолирующие систе- б – капиллярный влагоперенос мы на основе ППУ, рас- изнутри помещения с избыточной положенные со стороны влажностью наружу; в – перенос внутренних помещений влаги к внутренней поверхности зданий, не только вы- стены и ее испарение внутрь полняют свою основную помещения функцию, но и эффективно способствуют выравниванию влажности внутри помещений (рис. 10). Они абсорбируют избыток влаги и отдают его обратно при малой относительной влажности в помещении, способствуя тем самым улучшению его внутреннего микроклимата. Кроме того, такая высокая капиллярная активность подобных теплоизолирующих материалов обеспечивает быстрое выравнивание влажности по всему объему внутренних помещений и в зимний период. 5.5. Противопожарные ригели Комбинированные теплоизолирующие системы на основе пенополистирола, выполняющие одновременно роль противопожарного ригеля, должны иметь толщину 100 мм, чтобы предотвратить вертикальное распространение огня из окон помещений в случае пожара. Традиционно используемые для этих целей материалы из минеральных волокон имеют существенный недостаток в виде нежелательных внешних изменений, вносимых в λ λλλλ λλλλ λλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλ λλλλ Рис. 9. Монтаж теплоизолирующих плит из ППУ между рядами стенной кирпичной кладки 5.4. Капиллярно-активная внутристенная теплоизоляция Для многих существующих зданий – из эстетических или технических соображений – является важным сохранение внешнего вида при выполнении различных 28 а б Рис. 11. Сравнительные варианты выполнения теплоизолирующего противопожарного ригеля: а – над окнами; б – по всему периметру здания 2010 / № 10 тема номера: ЯЧЕИСТЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 6. Энергетический баланс на примере теплоизоляции скатных крыш При оценке экологического баланса теплоизоляционных материалов следует учитывать весь их жизненный цикл, включая не только полезную фазу их использования, но и фазу их последующей утилизации. При расчете их коэффициента экологичности, учитывающем и энергетические затраты, необходимо принимать во внимание не только период производства – так называемый период «cradle-to-gate» («от лотка до ворот»), - но и весь период выполнения ими полезных теплоизолирующих функций. В общем случае теплоизоляционные материалы имеют «отрицательный» энергетический баланс, означающий, что энергетические затраты на их производство составляют лишь малую часть от сэкономленной энергии и полностью «амортизируются» уже после первого отопительного сезона, что показывает опыт и подтверждает нижеприводимый расчет. Так, энергия, расходуемая на производство теплоизолирующей плиты из ППУ площадью 1 м2 и толщиной www.polymerbranch.com 80 мм, составляет примерно 100 кВт×ч. Если скатная крыша старого здания дополнительно утепляется этими плитами по всей поверхности стропильных перекрытий, то коэффициент теплопередачи через такую стенку уменьшается с 1,53 до 0,3 Вт/(м2×К), благодаря чему за год на 1 м2 крыши приходится около 160 кВт×ч сэкономленной энергии. Таким образом, уже за год сэкономленная энергия более чем в 1,5 раза превышает энергетические затраты на производство утеплительных плит из ППУ. В течение же всего времени эксплуатации подобных реконструированных крыш, составляющего как минимум 50 лет, Недостаточно утепленная крыша (К = 1,53 Вт/(м2×К) Утепленная крыша (К = 0,30 Вт/(м2×К) 10 000 Энергия, кВт×ч/м2 фасад здания, - следах замазки и возможных видимых трещин. В качестве альтернативного варианта Германский институт строительной техники (DIBT, Берлин) допускает использование комбинированного противопожарного ригеля на основе ППУ общей толщиной 300 мм, опоясывающего целиком все здание по его периметру (рис 11). Проведенные испытания показали высокую противопожарную эффективность такого ригеля, предотвращающего распространение огня по всему фасаду здания. 8 000 6 000 Экономия энергии: 8000 кВт×ч/м2 4 000 2 000 0 0 10 20 30 Время, годы 40 50 Рис. 12. Усредненная тепловая энергия, отдаваемая в окружающую среду с 1 м2 недостаточно утепленной крыши и крыши, утепленной с помощью плит из ППУ, с течением времени (К – коэффициент теплопередачи через крышу) 29 тема номера: ЯЧЕИСТЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Сэкономленная энергия, МДж/м2 удается сэкономить около 8000 кВт×ч тепловой энергии, отдаваемой в окружающую среду с 1 м2 крыши (рис. 12). Сравнительная оценка теплоизолирующих материалов должна проводиться для одинаковых условий их применения. С этих позиций специалистами Горного университета г. Вупперталя (Германия) был проведен расчет расходуемой энергии, которая приходится на 1 м2 площади различных теплоизоляционных материалов одинаковой толщины (120 мм) и могла бы быть сэкономлена в течение 50 лет их использования для утепления зданий по сравнению с материалом, взятым 25 000 20 000 20 868 18 944 18 500 18500 18 500 19 388 II III IV V VI б 19 536 15 000 10 000 5 000 0 в PEI I VII Рис. 13. Энергия, приходящаяся на 1 м2 площади различных теплоизоляционных материалов одинаковой толщины (120 мм), которая могла бы быть сэкономлена в течение 50 лет их использования для утепления зданий по сравнению с полиэфиримидом (ПЭИ): I – ППУ; II – пенополистирол; III и IV – древесина различного вида; V – вата из пеньки; VI и VII – каменная вата различного вида исключительно в качестве контрольного (рис. 13). Наилучшие результаты показал ППУ. Долговечность теплоизолирующего материала является весьма значимым фактором с точки зрения его экологичности. Например, при ее удвоении соответственно вдвое уменьшаются значения факторов воздействия на окружающую среду при его производстве, приходящиеся на единицу времени полезного использования материала. В плане экологичности ППУ имеет преимущества также благодаря его высокой стойкости к воздействию грибов и других биоорганизмов, температурных и других факторов окружающей среды, а их долговечность в среднем соответствует долговечности самих зданий, которые они изолируют. 7. Повторное использование теплоизолирующих ППУ В случае ремонта или сноса зданий теплоизолирующие ППУ-материалы в большинстве случаев могут быть использованы повторно. Например, чистые и неповрежденные плиты из ППУ с успехом применяются для утепления междуэтажных перекрытий, а их незагрязненные отходы могут быть спрессованы в плиты с применением клеящих веществ. Если химический состав отходов известен и они не содержат загрязнений, то возможен процесс их химического разложения путем гликолиза с целью получения исходных сырьевых компонентов. Кроме того, отходы ППУ, содержащие загрязнения и примеси других строительных материалов, могут представлять собой дополнительный источник энергии при их сжигании в мусоросжигательных комплексах без особого вредного воздействия на окружающую среду. 30 а Рис. 14. Плиты из вторичных ППУ и ППИЦ (а) обрабатываются так легко, как древесина, но отличаются от нее влагостойкостью (б) и выполняют в основаниях стен роль «изолирующих мостиков» взамен «мостиков холода» (в) 8. Плиты из вторичных ППУ и ППИЦ Для производства плит из вторичных ППУ и ППИЦ отходы этих первичных материалов предварительно измельчаются, смешиваются с клеящими веществами и прессуются под высоким давлением в обычных гидравлических прессах. Такие прессованные плиты являются универсальным конструкционным материалом, который обладает достаточно высокой прочностью при сжатии в сочетании с низкой теплопроводностью и влагостойкостью. Их плотность составляет от 400 до 700 кг/м2, коэффициент теплопроводности – от 0,06 до 0,10 Вт/ (м2×К), прочность при сжатии – от 4 до 8 МПа. Эти плиты можно обрабатывать всеми теми же методами, что и древесину, склеивать и сверлить, но в отличие от древесины они обладают гораздо более высокой влагостойкостью и невосприимчивостью к воздействию микроорганизмов. Возможности и области применения прессованных плит из вторичных ППУ и ППИЦ весьма разнообразны – это может быть строительство и мебельная индустрия, судо- и автомобилестроение. Перевод В. А. Гончаренко High performance PU insulation for energy efficient buildings Schellenberger T. Heat insulation is an important condition for sustainable building. A buildings energy consumption is permanently reduced by the use of insulated materials, its CO2 emissions lowered and the climate improved. High performance polyurethane insulating materials allow outstanding thermal insulation to be combined with slim structures and consequently meet one of the main demands of contemporary architecture. Polyurethane insulating materials conserve many timest he energy consumed in their production during their working life of more than 50 years. The energy used fort he manufacturer is normally amortised by the end of the first heating season. At the end of their working life, polyurethane insulating materials can be either thermally recovered of materially recicled. 2010 / № 10
