Строительная изоляция — это материал, используемый в здании (в частности, в оболочке здания) для уменьшения потока тепловой энергии. Хотя большая часть изоляции в зданиях предназначена для тепловых целей, этот термин также применяется к акустической изоляции , противопожарной изоляции и изоляции от ударов (например, для вибраций, вызванных промышленным применением). Часто изоляционный материал выбирается исходя из его способности выполнять несколько из этих функций одновременно.
Изоляция является важной экономической и экологической инвестицией в строительство зданий. Благодаря установке изоляции здания потребляют меньше энергии для отопления и охлаждения, а жильцы испытывают меньшие температурные колебания. Модернизация зданий с дополнительной изоляцией является важной тактикой смягчения последствий изменения климата , [1] [2], особенно когда здания отапливаются нефтью, природным газом или электричеством, получаемым из угля. Местные и национальные органы власти и коммунальные предприятия часто используют сочетание стимулов и правил, поощряющих усилия по изоляции новых и отремонтированных зданий в рамках программ повышения эффективности с целью снижения потребления энергии в сети и связанных с этим последствий для окружающей среды и затрат на инфраструктуру.
Под теплоизоляцией обычно подразумевается использование соответствующих изоляционных материалов и конструктивных изменений зданий, позволяющих замедлить передачу тепла через ограждение и уменьшить потери и прирост тепла . [3] Передача тепла вызвана разницей температур внутри и снаружи помещения. [3] Тепло может передаваться посредством проводимости, конвекции или излучения. Скорость передачи тесно связана со средой распространения. [3] Тепло теряется или приобретается за счет передачи через потолки, стены, полы, окна и двери. Такое снижение и накопление тепла обычно нежелательны. Это не только увеличивает нагрузку на систему отопления, вентиляции и кондиционирования, что приводит к увеличению потерь энергии, но и снижает тепловой комфорт людей, находящихся в здании. Теплоизоляция зданий является важным фактором достижения теплового комфорта для их обитателей. [4] Изоляция снижает нежелательные потери или прирост тепла и может снизить энергопотребление систем отопления и охлаждения. Это не обязательно касается вопросов адекватной вентиляции и может влиять или не влиять на уровень звукоизоляции. В узком смысле изоляция может относиться к изоляционным материалам, используемым для замедления теплопотерь, таким как: целлюлоза , стекловата , минеральная вата , полистирол , пенополиуретан , вермикулит , перлит , древесное волокно , растительное волокно ( конопля , лен , хлопок) . , пробка и т. д.), переработанный хлопковый деним , солома , волокно животного происхождения ( овечья шерсть ), цемент , земля или почва, отражающая изоляция (также известная как лучистый барьер ), но она также может включать в себя целый ряд конструкций и методов решения этой проблемы. основные способы теплопередачи – проводимость, излучение и конвекция материалов.
Большинство материалов в приведенном выше списке удерживают только большое количество воздуха или других газов между молекулами материала. Газ проводит тепло гораздо меньше, чем твердые тела. Эти материалы могут образовывать газовые полости, которые можно использовать для изоляции тепла с низкой эффективностью теплопередачи. Эта ситуация также возникает в мехе животных и перьях птиц, волосы животных могут использовать низкую теплопроводность небольших карманов газа, чтобы достичь цели снижения теплопотерь.
Эффективность отражающей изоляции (лучевого барьера) обычно оценивают по отражательной способности (эмиттансу) поверхности с воздушным пространством, обращенной к источнику тепла.
Эффективность объемной изоляции обычно оценивают по ее значению R , которого существует два – метрическое (СИ) (в единицах К⋅Вт −1 ⋅м 2 ) и общепринятое в США (в единицах °F·фут 2 · ч/БТЕ), первое в 0,176 раза больше второго, или величина, обратная величине теплопроводности или значению U WK −1 ⋅m −2 . Например, в США стандарт изоляции чердаков рекомендуется составлять не менее R-38 единиц США (что эквивалентно R-6,7 или значению U 0,15 в единицах СИ). [5] Эквивалентные стандарты в Великобритании технически сопоставимы, утвержденный документ L обычно требует среднего значения U по площади крыши от 0,11 до 0,18 в зависимости от возраста объекта и типа конструкции крыши. Новые здания должны соответствовать более высоким стандартам, чем те, которые были построены в соответствии с предыдущими версиями правил. Важно понимать, что одно значение R или значение U не учитывает качество строительства или местные факторы окружающей среды для каждого здания. Проблемы качества строительства могут включать неадекватную пароизоляцию и проблемы с защитой от сквозняков. Кроме того, решающее значение имеют свойства и плотность самого изоляционного материала. В большинстве стран существует определенный режим проверок или сертификации утвержденных монтажников, чтобы гарантировать соблюдение хороших стандартов.
История теплоизоляции не так длинна по сравнению с другими материалами, но люди уже давно осознают важность изоляции. [6] В доисторические времена люди начали строить убежища от диких животных и непогоды, люди начали исследовать теплоизоляцию. [6] [7] Доисторические народы строили свои жилища, используя материалы из шкур животных , меха и растительных материалов, таких как тростник , лен и солома . Эти материалы сначала использовались в качестве материалов для одежды, поскольку их жилища были временными, они были более вероятно, использовали материалы, которые они использовали в одежде, которые было легко получить и обработать. [6] Меха животных и растительные продукты могут удерживать большое количество воздуха между молекулами, что может создавать воздушную полость для уменьшения теплообмена.
Позже большая продолжительность жизни людей и развитие сельского хозяйства определили, что им необходимо постоянное место жительства, стали появляться земляные дома, каменные дома и пещерные жилища. [6] [7] Высокая плотность этих материалов может вызвать эффект задержки во времени при теплопередаче, что может привести к медленному изменению внутренней температуры. Этот эффект сохраняет внутри зданий тепло зимой и прохладу летом, а также из-за того, что такие материалы, как земля или камень, легко достать, этот дизайн действительно популярен во многих местах, таких как Россия, Исландия, Гренландия. [6]
Органические материалы были первыми доступными материалами для строительства убежищ для людей, чтобы защитить себя от плохих погодных условий и помочь им согреться. [7] Но органические материалы, такие как волокна животного и растительного происхождения, не могут существовать в течение длительного времени, поэтому эти природные материалы не могут удовлетворить долгосрочную потребность людей в теплоизоляции. Итак, люди начали искать более долговечные заменители. [7] [8] В 19 веке люди больше не были удовлетворены использованием натуральных материалов для теплоизоляции, они перерабатывали органические материалы и производили первые изоляционные панели. [7] В то же время начинает появляться все больше и больше искусственных материалов, и был разработан широкий спектр искусственных теплоизоляционных материалов, например, минеральная вата, стекловолокно, пеностекло и пустотелый кирпич. [8]
Теплоизоляция может играть значительную роль в зданиях, высокие требования к тепловому комфорту приводят к большому количеству энергии, потребляемой для полноценного обогрева всех помещений. [9] Около 40% энергопотребления приходится на здания, в основном потребляемые на отопление или охлаждение. Достаточная теплоизоляция является основной задачей, обеспечивающей здоровую внутреннюю среду и защиту от повреждений конструкции. Это также является ключевым фактором в борьбе с высоким потреблением энергии, поскольку позволяет уменьшить тепловой поток через ограждающие конструкции здания. Хорошая теплоизоляция также может принести зданию следующие преимущества:
1. Предотвращение повреждения здания, вызванного образованием влаги на внутренней стороне ограждающих конструкций здания. [9] Теплоизоляция гарантирует, что температура поверхности помещения не опустится ниже критического уровня, что позволяет избежать образования конденсата и образования плесени. [9] Согласно отчетам о повреждениях зданий, 12,7% и 14% повреждений зданий были вызваны проблемами с плесенью. [10] Если в здании нет достаточной теплоизоляции, высокая относительная влажность внутри здания приведет к образованию конденсата и, в конечном итоге, к проблемам с плесенью. [10]
2. Создание комфортной тепловой среды для проживающих в здании людей. [9] Хорошая теплоизоляция позволяет поддерживать достаточно высокие температуры внутри здания зимой, а также обеспечивает такой же уровень теплового комфорта за счет относительно низкой температуры воздуха летом. [11]
3. Снижение нежелательного расхода энергии на обогрев или охлаждение. Теплоизоляция снижает теплообмен через ограждающие конструкции здания, что позволяет нагревательным и охлаждающим машинам достигать одинаковой температуры воздуха в помещении с меньшими энергозатратами. [12]
Сколько изоляции должно быть в доме, зависит от конструкции здания, климата, затрат на электроэнергию, бюджета и личных предпочтений. Региональный климат предъявляет разные требования. Строительные нормы и правила часто устанавливают минимальные стандарты пожарной безопасности и энергоэффективности , которые могут быть добровольно превышены в контексте устойчивой архитектуры для получения экологических сертификатов , таких как LEED .
Стратегия изоляции здания должна быть основана на тщательном рассмотрении способа передачи энергии, а также направления и интенсивности ее движения. Это может меняться в течение дня и от сезона к сезону. Важно выбрать подходящий дизайн, правильное сочетание материалов и технологий строительства с учетом конкретной ситуации.
Требования к теплоизоляции в США соответствуют ASHRAE 90.1, который является энергетическим стандартом США для всех коммерческих и некоторых жилых зданий. [13] Стандарт ASHRAE 90.1 учитывает множество точек зрения, таких как предписания, типы ограждающих конструкций зданий и бюджет затрат на электроэнергию. И в стандарте есть некоторые обязательные требования по теплоизоляции. [13] Все требования к теплоизоляции в ASHRAE 90.1 разделены по климатическим зонам. Это означает, что количество изоляции, необходимое для здания, определяется тем, в какой климатической зоне находится здание. Требования к теплоизоляции показаны как значение R, а значение R для непрерывной изоляции — как второй индекс. [13] Требования к различным типам стен (стены с деревянным каркасом, стены со стальным каркасом и массивные стены) показаны в таблице. [14]
Чтобы определить, следует ли вам добавлять изоляцию, сначала необходимо выяснить, сколько изоляции уже есть в вашем доме и где. Квалифицированный энергоаудитор дома включит проверку изоляции в обычную часть энергоаудита всего дома . [15] Однако иногда вы можете провести самооценку в определенных частях дома, например на чердаках. Здесь визуальный осмотр вместе с использованием линейки может дать вам представление о том, можно ли получить пользу от дополнительной изоляции. [16] Энергоаудит жилых домов часто инициируется из-за того, что домовладельцы предупреждены о постепенном увеличении счетов за коммунальные услуги, что часто отражает плохую изоляцию чердаков зданий. [17]
Первоначальную оценку потребностей в изоляции в Соединенных Штатах можно определить с помощью калькулятора изоляции почтового индекса Министерства энергетики США .
В России доступность обильного и дешевого газа привела к плохой изоляции, перегреву и неэффективному потреблению энергии. Российский центр энергоэффективности обнаружил, что российские здания либо пере-, либо недостаточно отапливаются и часто потребляют на 50 процентов больше тепла и горячей воды, чем необходимо. [18] [19] 53 процента всех выбросов углекислого газа (CO 2 ) в России производятся за счет отопления и выработки электроэнергии для зданий. [20] Однако выбросы парниковых газов в странах бывшего советского блока все еще ниже уровня 1990 года. [ нужна цитата ]
Энергетические нормы и правила в России начали создаваться в 1955 году, в нормах и правилах впервые упоминались характеристики ограждающих конструкций и тепловые потери, и они сформировали нормы, регулирующие энергетические характеристики ограждающих конструкций. [21] А самая последняя версия Энергетического кодекса России (СП 50.13330.2012) была опубликована в 2003 году. [21] Энергетические кодексы России были созданы экспертами государственных институтов или неправительственных организаций, таких как АВОК. Энергетический кодекс России несколько раз пересматривался с 1955 года: версии 1995 года сократили расход энергии на квадратный метр для отопления на 20%, а версия 2000 года — на 40%. [21] Кодекс также содержит обязательное требование по теплоизоляции зданий, сопровождаемое некоторыми добровольными положениями, в основном ориентированными на потери тепла из оболочки здания.
Требования к теплоизоляции Австралии соответствуют климату места расположения здания. В таблице ниже приведены минимальные требования к изоляции в зависимости от климата, которые определены Строительным кодексом Австралии (BCA). [22] В здании в Австралии применяется изоляция крыш, потолков, внешних стен и различных компонентов здания (таких как крыши веранд в жарком климате, переборки, полы). [23] Переборки (участки стен между потолками разной высоты) должны иметь тот же уровень изоляции, что и потолки, поскольку они подвергаются одинаковым уровням температуры. [24] А внешние стены здания в Австралии должны быть изолированы, чтобы уменьшить все виды теплопередачи. [25] Помимо стен и потолков, энергетический кодекс Австралии также требует изоляции полов (не всех полов). [25] Фальш-деревянные полы должны иметь зазор с почвой около 400 мм под самыми нижними брусьями, чтобы обеспечить достаточно места для изоляции, а бетонные плиты, такие как подвесные плиты и плиты, установленные на земле, должны быть изолированы таким же образом.
Китай имеет различные климатические характеристики, которые разделены по географическим регионам. [28] В результате в Китае существует пять климатических зон, в конструкции зданий которых предусмотрена теплоизоляция. (Очень холодная зона, холодная зона, зона жаркого лета и зона холодной зимы, зона жаркого лета и зона теплой зимы и зона холодной зимы). [29]
Германия установила свои требования к энергоэффективности зданий в 1977 году, а первый энергетический кодекс — Постановление об энергосбережении (EnEV), основанное на характеристиках зданий, был принят в 2002 году. [30] Версия Постановления об энергосбережении 2009 года увеличила минимальный R-значения теплоизоляции оболочки здания и введенные требования к испытаниям на герметичность. [31] Постановление об энергосбережении (EnEV) 2013 г. уточнило требования к теплоизоляции потолка. При этом отмечено, что если потолок не будет выполнен, потребуется теплоизоляция доступных потолков над отапливаемыми помещениями верхнего этажа. [Коэффициент теплопередачи должен быть менее 0,24 Вт/(м 2 ·К)] [31]
Постановление о строительстве (Bouwbesluit) Нидерландов проводит четкое различие между ремонтом дома и вновь построенными домами. Новые постройки считаются совершенно новыми домами, но новыми постройками считаются также новые пристройки и пристройки. Кроме того, реконструкция, при которой не менее 25% площади цельного здания изменяется или расширяется, также считается новой постройкой. Таким образом, во время капитального ремонта есть вероятность, что новое здание будет соответствовать требованиям к изоляции нового здания в Нидерландах. Если ремонт носит меньший характер, применяется директива о ремонте. Примерами ремонта являются послеизоляция полой стены и дополнительная изоляция скатной крыши у обшивки крыши или под черепицей. Обратите внимание, что каждый ремонт должен соответствовать минимальному значению Rc 1,3 Вт/мК. Если текущая изоляция имеет более высокое значение изоляции (законно полученный уровень), то это значение считается нижним пределом. [32]
Требования к изоляции новых домов и небольших зданий в Новой Зеландии изложены в Строительном кодексе и стандарте NZS 4128:2009. [33] [34]
Зоны 1 и 2 включают большую часть Северного острова , включая остров Вайхеке и остров Большой Барьер . Зона 3 включает район Таупо , район Руапеху и район Рангитикей к северу от 39°50' южной широты (т.е. к северу от Мангавеки и включая его ) на Северном острове, Южном острове , острове Стюарт и островах Чатем . [34]
Требования к изоляции указаны в Строительных нормах , а в Англии и Уэльсе техническое содержание публикуется в виде утвержденных документов . Документ L определяет тепловые требования и, устанавливая минимальные стандарты, может допускать компромисс между значениями U для таких элементов, как крыши и стены. другие факторы, такие как тип системы отопления, при оценке энергопотребления всего здания. В Шотландии и Северной Ирландии действуют схожие системы, но подробные технические стандарты не идентичны. За последние годы стандарты несколько раз пересматривались, требуя более эффективного использования энергии по мере того, как Великобритания движется к низкоуглеродной экономике .
В холодных условиях основной целью является уменьшение теплового потока из здания. Компоненты ограждающих конструкций здания — окна, двери, крыши, полы/фундаменты, стены и барьеры для проникновения воздуха — являются важными источниками теплопотерь; [35] [36] в доме с хорошей изоляцией окна станут важным источником теплопередачи. [37] Сопротивление кондуктивным потерям тепла для стандартного одинарного остекления соответствует значению R около 0,17 м 2 ⋅K⋅W -1 или более чем в два раза больше, чем для типичного двойного остекления (по сравнению с 2–4 м 2 ⋅K⋅ Вт -1 для стекловаты [38] ) . Потери можно уменьшить за счет хорошей утепления , объемной изоляции и минимизации количества неизоляционного (особенно несолнечного) остекления. Тепловое излучение внутри помещений также может быть недостатком при использовании спектрально-селективного (низкоэмиссионного, низкоэмиссионного ) остекления. Некоторые изолированные системы остекления могут увеличить значение R вдвое или втрое.
Вакуумные панели и изоляция поверхности стен аэрогелем — это две технологии, которые могут повысить энергетические характеристики и теплоизоляционную эффективность жилых и коммерческих зданий в регионах с холодным климатом, таких как Новая Англия и Бостон. [39] В прошлом цена теплоизоляционных материалов, которые демонстрировали высокие изоляционные характеристики, была очень высокой. [39] С развитием промышленности материалов и бумом научных технологий в 20-м веке появилось все больше и больше изоляционных материалов и изоляционных технологий, что дает нам различные варианты изоляции зданий. Особенно в районах с холодным климатом необходим большой объем теплоизоляции, чтобы справиться с потерями тепла, вызванными холодной погодой (инфильтрация, вентиляция и излучение). Есть две технологии, которые стоит обсудить:
VIP-персоны известны своим сверхвысоким термическим сопротивлением, [40] их способность термического сопротивления в четыре-восемь раз выше, чем у обычных пенопластовых изоляционных материалов, что приводит к меньшей толщине теплоизоляции оболочки здания по сравнению с традиционными материалами. VIP-персоны обычно состоят из основных панелей и металлических корпусов. [40] Обычными материалами, которые используются для производства панелей Core, являются коллоидный и осажденный диоксид кремния, полиуретан с открытыми порами (ПУ) и различные типы стекловолокна. А основная панель покрыта металлическим корпусом для создания вакуумной среды. Металлический корпус может гарантировать, что основная панель находится в вакуумной среде. [40] Хотя этот материал обладает высокими тепловыми характеристиками, на протяжении последних двадцати лет он по-прежнему остается высокой ценой.
Аэрогель был впервые обнаружен Сэмюэлем Стивенсом Кистлом в 1931 году. [41] Это своего рода гель, в котором жидкий компонент материала заменяется газом, в результате чего создается материал, на 99% состоящий из воздуха. [41] Этот материал имеет относительно высокое значение R, около R-10 на дюйм, что значительно выше по сравнению с обычными изоляционными материалами из пенопласта из-за их высокой пористости. [42] Но трудности в обработке и низкая производительность ограничивают развитие аэрогелей, [41] себестоимость этого материала до сих пор остается на высоком уровне. Только две компании в США предлагают коммерческий продукт аэрогель для изоляции стен.
По оценкам Министерства энергетики, тепловые потери через окна составляют около 30%, а тепловыделение от солнечного света приводит к нежелательному нагреву. [43] Из-за высокого содержания R в аэрогелях их использование для остекления стало областью интересов, изучаемой многими исследовательскими институтами. Однако их реализация не должна препятствовать основной функции окон: прозрачности. [44] [45] Как правило, аэрогели имеют низкую прозрачность и кажутся мутными, даже среди тех, которые считаются прозрачными, поэтому их обычно используют для изоляции стен. [46] Элдхо Абрахам, исследователь из Университета Колорадо в Боулдере, недавно продемонстрировал возможности аэрогелей, разработав аэрогель из силанизированной целлюлозы (SiCellA), который обеспечивает около 99% пропускания видимого света в дополнение к теплопроводности, которая эффективно отводит или сохраняет тепло в зависимости от внутренняя среда, похожая на изменения отопления/охлаждения. [47] Это связано с расчетной пористостью SiCellA 97,5%: поры меньше длины волны видимого света, что приводит к пропусканию; поры также сводят к минимуму контакт между целлюлозными волокнами, что приводит к снижению теплопроводности. [48] Использование целлюлозных волокон обеспечивает экологичность, поскольку это волокно природного происхождения, полученное из древесной массы. Это открывает двери не только для аэрогелей, но и для более широкого внедрения материалов на основе древесины, чтобы помочь альтернативам устойчивого дизайна с усилением энергосберегающего эффекта. [49]
В жарких условиях наибольшим источником тепловой энергии является солнечная радиация. [50] Он может проникать в здания непосредственно через окна или нагревать оболочку здания до более высокой температуры, чем температура окружающей среды, увеличивая теплопередачу через ограждающие конструкции здания. [51] [52] Коэффициент усиления солнечного тепла (SHGC) [53] (показатель пропускания солнечного тепла) стандартного одинарного остекления может составлять около 78-85%. Солнечную энергию можно уменьшить за счет адекватного затенения от солнца, светлой кровли , спектрально-селективных (теплоотражающих) красок и покрытий, а также различных типов изоляции остальной части оболочки. Остекление со специальным покрытием может снизить SHGC примерно до 10%. Излучающие барьеры очень эффективны для чердачных помещений в жарком климате. [54] В этом применении они гораздо более эффективны в жарком климате, чем в холодном. При нисходящем потоке тепла конвекция слаба, и излучение доминирует в передаче тепла через воздушное пространство. Чтобы быть эффективными, лучистые барьеры должны иметь достаточный воздушный зазор.
Если холодильное кондиционирование воздуха используется в жарком и влажном климате, то особенно важно герметизировать ограждающую конструкцию здания. Осушение проникающего влажного воздуха может привести к потере значительного количества энергии. С другой стороны, некоторые конструкции зданий основаны на эффективной перекрестной вентиляции вместо холодильного кондиционирования воздуха, чтобы обеспечить конвективное охлаждение от преобладающих бризов.
В регионах с жарким засушливым климатом, таких как Египет и Африка, тепловой комфорт летом является основным вопросом, почти половина энергопотребления в городских районах потребляется системами кондиционирования воздуха для удовлетворения спроса людей на тепловой комфорт, во многих развивающихся странах с жарким сухим климатом Летом регион испытывает нехватку электроэнергии из-за увеличения использования холодильных машин. [55] Чтобы улучшить эту ситуацию, была внедрена новая технология под названием Cool Roof. [56] В прошлом архитекторы использовали тепломассивные материалы для улучшения теплового комфорта, тяжелая теплоизоляция могла вызвать эффект временной задержки, который мог замедлить скорость теплопередачи в дневное время и поддерживать температуру в помещении в определенном диапазоне ( В регионах с жарким и сухим климатом обычно наблюдается большая разница температур днем и ночью).
Холодная крыша — это недорогая технология, основанная на коэффициенте солнечного отражения и теплового излучения, в которой используются светоотражающие материалы и светлые цвета для отражения солнечного излучения. [55] [56] Коэффициент отражения солнечной энергии и коэффициент теплового излучения являются двумя ключевыми факторами, которые определяют тепловые характеристики крыши, а также могут повысить эффективность теплоизоляции, поскольку около 30% солнечного излучения отражается обратно в небо. [56] Форма крыши также находится на рассмотрении: изогнутая крыша может получать меньше солнечной энергии по сравнению с традиционными формами. [55] [57] Между тем, недостаток этой технологии очевиден: высокая отражательная способность будет вызывать зрительный дискомфорт. С другой стороны, высокая отражательная способность и теплоизлучение крыши увеличивают тепловую нагрузку на здание.
Оптимальное размещение элементов здания (например, окон, дверей, обогревателей) может сыграть значительную роль в изоляции, учитывая влияние солнечного излучения на здание и преобладающих ветров. Светоотражающие ламинаты могут помочь уменьшить пассивное солнечное тепло в сараях, гаражах и металлических зданиях.
См. изолированное стекло и четырехкамерное остекление для обсуждения окон.
Тепловая оболочка определяет кондиционируемое или жилое пространство в доме. Чердак или подвал могут входить или не входить в эту зону. Уменьшение потока воздуха изнутри наружу может помочь значительно уменьшить конвективную теплопередачу. [58]
Обеспечение низкой конвективной теплопередачи также требует внимания к конструкции здания ( утеплению ) и правильному монтажу изоляционных материалов. [59] [60]
Чем меньше естественный приток воздуха в здание, тем больше потребуется механической вентиляции для поддержания комфорта человека. Высокая влажность может стать серьезной проблемой, связанной с недостатком воздушного потока, вызывающей конденсацию , гниение строительных материалов и стимулирование роста микробов, таких как плесень и бактерии . Влага также может резко снизить эффективность изоляции, создавая тепловой мост (см. ниже). Для решения этих проблем можно активно или пассивно включать системы воздухообмена .
Тепловые мосты – это точки в ограждающей конструкции здания, которые обеспечивают теплопроводность. Поскольку тепло течет по пути наименьшего сопротивления, тепловые мосты могут способствовать снижению энергоэффективности. Тепловой мост создается, когда материалы создают непрерывный путь через разницу температур, при котором тепловой поток не прерывается теплоизоляцией. К распространенным строительным материалам, которые являются плохими изоляторами, относятся стекло и металл .
Конструкция здания может иметь ограниченную возможность изоляции в некоторых областях конструкции. Обычная конструкция конструкции основана на каркасных стенах, в которых тепловые мосты распространены в деревянных или стальных стойках и балках , которые обычно скреплены металлом. Примечательными областями, в которых чаще всего не хватает достаточной изоляции, являются углы зданий и места, где изоляция была удалена или смещена, чтобы освободить место для системной инфраструктуры, такой как электрические коробки (розетки и выключатели света), сантехника, оборудование пожарной сигнализации и т. д.
Тепловые мосты также могут быть созданы в результате нескоординированного строительства, например, путем закрытия частей наружных стен до того, как они будут полностью изолированы. Наличие недоступных пустот внутри полости стены, лишенных изоляции, может быть источником тепловых мостов.
Некоторые виды изоляции легче передают тепло во влажном состоянии и, следовательно, в этом состоянии также могут образовывать тепловой мост.
Теплопроводность можно минимизировать любым из следующих способов: уменьшением площади поперечного сечения мостов, увеличением длины мостов или уменьшением количества тепловых мостов.
Одним из методов уменьшения эффекта теплового моста является установка изоляционной плиты (например, пенопласта EPS XPS, древесноволокнистой плиты и т. д.) поверх внешней наружной стены. Другой метод — использование утепленного деревянного каркаса для теплового разрыва внутри стены. [61]
Изолировать здания во время строительства гораздо проще, чем модернизировать, поскольку, как правило, изоляция скрыта, и чтобы добраться до нее, приходится разбирать части здания.
В зависимости от страны существуют разные правила относительно того, какой тип изоляции является лучшей альтернативой для зданий с учетом энергоэффективности и экологических факторов. Географическое положение также влияет на тип необходимой изоляции, поскольку в более холодном климате потребуются более крупные вложения в затраты на установку, чем в более теплом.
По существу существует два типа строительной изоляции – объемная изоляция и отражающая изоляция. В большинстве зданий используется комбинация обоих типов для создания общей системы изоляции здания. Тип используемой изоляции подбирается таким образом, чтобы создать максимальное сопротивление каждой из трех форм теплопередачи в здании – проводимости, конвекции и излучению.
По трем способам теплообмена большую часть теплоизоляции, которую мы используем в наших зданиях, можно разделить на две категории: проводящие и конвективные изоляторы и лучистые тепловые барьеры. И есть более подробные классификации, позволяющие различать разные материалы. Многие теплоизоляционные материалы работают за счет создания крошечных воздушных полостей между молекулами. Эти воздушные полости могут значительно уменьшить теплообмен через материалы. Но есть два исключения, в которых воздушные полости не используются в качестве функционального элемента для предотвращения теплопередачи. Одним из них является отражающая теплоизоляция, которая создает большое воздушное пространство за счет формирования радиационного барьера путем прикрепления металлической фольги с одной или обеих сторон. Эта теплоизоляция в основном снижает радиационную теплопередачу. Хотя полированная металлическая фольга, прикрепленная к материалам, может только предотвратить радиационную передачу тепла, ее эффект остановки теплопередачи может быть значительным. Другая теплоизоляция, в которой не используются воздушные полости, — это вакуумная изоляция. Панели с вакуумной изоляцией могут остановить все виды конвекции и проводимости, а также в значительной степени уменьшить радиационную теплопередачу. Но эффективность вакуумной изоляции также ограничена краем материала, поскольку край вакуумной панели может образовывать тепловой мост, что приводит к снижению эффективности вакуумной изоляции. Эффективность вакуумной изоляции также связана с площадью вакуумных панелей.
Объемные изоляторы блокируют кондуктивную теплопередачу и конвективный поток внутрь здания или наружу. Воздух очень плохой проводник тепла и поэтому является хорошим изолятором. В изоляции для сопротивления кондуктивной теплопередаче используются воздушные промежутки между волокнами, внутри пенопластовых или пластиковых пузырей, а также в полостях зданий, таких как чердак. Это полезно в здании с активным или отапливаемым охлаждением, но может стать помехой в здании с пассивным охлаждением; необходимы адекватные условия для охлаждения посредством вентиляции или радиации [62] .
Волокнистые материалы состоят из волокон крошечного диаметра, которые равномерно распределяют воздушное пространство. [63] Обычно используемые материалы — кремнезем, стекло, минеральная вата и шлаковата. Стекловолокно и минеральная вата — два изоляционных материала, которые наиболее широко используются в этом типе.
Сотовая изоляция состоит из небольших ячеек, отделенных друг от друга. [63] Обычно ячеистыми материалами являются стекло и вспененный пластик, такой как полистирол, полиолефин и полиуретан.
Лучистые барьеры работают в сочетании с воздушным пространством, чтобы уменьшить лучистую передачу тепла через воздушное пространство. Излучающая или отражающая изоляция отражает тепло, а не поглощает его или пропускает. Излучающие барьеры часто используются для уменьшения теплового потока вниз, поскольку в восходящем тепловом потоке, как правило, преобладает конвекция. Это означает, что для чердаков, потолков и крыш они наиболее эффективны в жарком климате. [52] Они также играют роль в сокращении потерь тепла в прохладном климате. Однако гораздо большей изоляции можно добиться за счет добавления объемных изоляторов (см. выше).
Некоторые лучистые барьеры являются спектрально селективными и преимущественно уменьшают поток инфракрасного излучения по сравнению с другими длинами волн. Например, окна с низкой излучательной способностью (low-e) будут передавать свет и коротковолновую инфракрасную энергию в здание, но отражать длинноволновое инфракрасное излучение, генерируемое внутренней мебелью. Точно так же специальные теплоотражающие краски способны отражать больше тепла, чем видимый свет, и наоборот.
Значения теплового излучения, вероятно, лучше всего отражают эффективность лучистых барьеров. Некоторые производители указывают «эквивалентное» значение R для этих продуктов, но эти цифры могут быть трудными для интерпретации или даже вводить в заблуждение, поскольку тестирование значения R измеряет общую потерю тепла в лабораторных условиях и не контролирует тип потери тепла, ответственный за конечный результат (излучение, проводимость, конвекция). [ нужна цитата ]
Пленка грязи или влаги может изменить коэффициент излучения и, следовательно, характеристики излучающих барьеров.
Экологичная изоляция — это термин, используемый для обозначения изоляционных изделий с ограниченным воздействием на окружающую среду . Общепринятый подход к определению того, является ли изоляционный продукт или любой другой продукт или услуга экологически чистым, заключается в проведении оценки жизненного цикла (LCA). В ряде исследований сравнивалось воздействие изоляционных материалов на окружающую среду при их применении. Сравнение показывает, что наиболее важным является изоляционный показатель продукта, соответствующий техническим требованиям для применения. Только на этапе второго порядка дифференциация материалов становится актуальной. Отчет, заказанный бельгийским правительством VITO [64] [65], является хорошим примером такого исследования.
