Ключ к эффективной теплоизоляции в летний период

Из-за меняющегося климата проблема перегрева помещений летом становится актуальной даже для стран Центральной и Северной Европы. Поскольку существуют некоторые разногласия в вопросе влияния теплоизоляции на внутренние температуры, Федерация европейских ассоциаций производителей жестких пенополиуретанов поручила Научно-исследовательскому институту теплоизоляционных материалов (FIW, Мюнхен, Германия) исследовать эту тему.

Резюме проекта

Энергоэффективность и температурные условия в жилых зданиях зависят, прежде всего, от затенения солнца, тепловой защиты на внешних конструкционных элементах и вентиляции. Теплоемкость изолирующих слоев играет незначительную роль [1]. Практические испытания ясно показывают, что тепловое сопротивление изолирующего слоя имеет гораздо большее влияние на климат внутри помещения летом, чем теплоемкость изоляционного материала. По сравнению с другими факторами (наличие окон и вентиляции, оттенки поверхностей в интерьере, стандартные способы тепловой защиты и т.д.) теплоемкость изоляционного материала имеет второстепенное значение.

Несмотря на упрощенную схему эксперимента, полученные результаты можно перенести в строительную практику. Полиуретановые теплоизоляционные панели часто обладают намного лучшей термозащитой по сравнению с древесноволокнистыми панелями той же толщины. Это справедливо как для теплого, так и для холодного времени года. Облицовки с высокой отражающей способностью и низким коэффициентом излучения, покрывающие основу из пенополиуретана, могут давать дополнительный вклад в поддержание низкой температуры воздуха внутри помещения и, таким образом, способствовать уменьшению расхода энергии на охлаждение воздуха посредством кондиционирования в летние месяцы.

Не существует «летних изоляционных материалов» - изоляция должна работать хорошо как летом, так и зимой. Высокоэффективные теплоизоляционные материалы, такие как полиуретан, обеспечивая оптимальную теплоизоляцию, гарантируют комфортные условия жизни и минимизируют энергопотребление.

Введение

Теплоизоляционные материалы устанавливаются в зданиях, чтобы ограничить теплоперенос от теплой стороны к холодной и летом, и зимой. Разница лишь в том, что в теплое время года тепловой поток направлен от внешней стороны к внутренней, а в холодные месяцы – от внутренней к внешней. В этом отношении особенно эффективны изоляционные материалы с крайне низкими значениями теплопроводности.

Среди экспертов все вышесказанное разногласий не вызывает. Но когда тема теплоизоляции поднимается в прессе, с завидной регулярностью появляются утверждения, что изоляционные материалы большей массы и теплоемкости более выгодны в теплые летние месяцы. Так есть ли изоляционные материалы, которые лучше работают летом, чем зимой?

Сохранение тепла или теплоизоляция?

Цель теплозащиты в зданиях летом – сохранить внутреннюю температуру в рамках комфортной. Если не принимать во внимание тепло, излучаемое электроприборами и людьми, добиться снижения температуры в помещениях летом можно, ограничив прирост тепла от прямых солнечных лучей, вентиляцию и тепловую передачу (через стены, потолки и полы). Наибольшее влияние на температурные условия в летний период оказывают незатемненные окна [2].

Важно понимать, что температура воздуха и конструкционных элементов здания значительно колеблется в течение дня, а это влияет на интенсивность и направление теплового потока [3]. Элементы конструкции поглощают тепло днем и излучают его в течение ночи. Сохранение и излучение тепла конструкционными элементами выравнивает температурные пики внутри здания. Тяжелые конструкции обычно реагируют более медленно на внешние колебания температуры, чем легкие. Это зависит не только от теплоемкости материалов конструкционных элементов, но и от их положения и эффективности теплопереноса. Если элементы конструкции, находящиеся в непосредственном контакте с воздухом интерьера, имеют высокую теплоемкость и являются хорошими проводниками тепла, они выступают в качестве теплового буфера. Особенно эффективны твердые, неизолированные внутренние стены, потолки и полы, покрытые плиткой, которые поглощают тепло воздуха интерьера в середине дня и, таким образом, охлаждают помещение. Ночью и в ранние утренние часы буфер остывает: конструкционный элемент отдает тепло, поглощенное им в течение дня.

Благодаря низким значениям теплопроводности и малой массе (по сравнению с твердыми конструкционными элементами) теплоизоляционные материалы не очень хорошо сохраняют тепло. В конце концов, их работа заключается в изоляции, а не в накоплении тепловой энергии. Никому не придет в голову сделать бак для горячей воды или холодильник из дерева, обладающего высокой теплоемкостью. Здание с оптимальной теплозащитой зимой и летом должно иметь очень хорошую теплоизоляцию на внешней стороне, чтобы минимизировать поступление тепла извне посредством теплопередачи. Внутри же преимуществом обладают массивные стены, потолки и полы.

Утверждение, что некоторые материалы, такие как ДВП, функционируют одновременно в качестве изоляторов и накопителей тепла, вводит в заблуждение. На самом деле изоляция из древесного волокна не является оптимально подходящей для любых целей. Во-первых, ДВП с теплопроводностью λ = 0,048 Вт/(м·К) передает в два раза больше тепла, чем, например, полиуретан с теплопроводностью λ = 0,024 Вт/(м·К). Во-вторых, в качестве материала, сохраняющего тепло, ДВП даже сравнивать не стоит с камнем или бетоном.

В зданиях теплоизоляция и аккумулирование тепла являются взаимодополняющими факторами и должны рассматриваться в тандеме. В идеале внешняя теплоизоляция (например, на крышах) должна быть установлена таким образом, чтобы слои конструкционного компонента на внутренней стороне обладали более высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Тяжелые изоляционные материалы с умеренными изоляционными свойствами, которые плохо способны сохранять тепло, не рекомендуются.

Как на тепловую защиту в летний период влияют отношение амплитуд температуры и фазовые сдвиги?

В течение суток внешняя температура колеблется между максимальным значением во второй половине дня и минимальным значением в ранние утренние часы. Внутренняя температура воздуха отражает изменения внешней температуры с определенной задержкой во времени. Это отставание называется фазовым сдвигом. В тяжелых зданиях с большой теплоемкостью эта задержка изменения температуры больше, чем в легких зданиях, поскольку тепло сохраняется в конструкционных элементах.

Отношение амплитуд температуры и фазовый сдвиг (φ) иногда указывают на отдельных конструкционных элементах или их слоях. Отношение амплитуд температуры и φ описывают теоретическую связь между температурами наружных и внутренних поверхностей. Важно отметить, что эти исключительно теоретические значения рассчитаны на основе граничных условий, которые не достигаются в реальных зданиях и которые, следовательно, не могут быть проверены эмпирически.

В реальных зданиях фазовый сдвиг никак не влияет на тепловую защиту. Он просто отображает время, необходимое температурной волне на перемещение от внешней стороны к внутренней. Гораздо большее значение имеет температура, которая на самом деле достигается внутри. Важно знать, сколько тепла поступает на внутреннюю поверхность, а это в значительной степени зависит от эффективности теплоизоляции.

Эту взаимосвязь довольно легко продемонстрировать. Благодаря низкой теплоаккумулирующей способности спальный мешок имеет совсем небольшой фазовый сдвиг, но, тем не менее, он сохранит для вас уют и тепло в холодные ночи. Вода, с другой стороны, может сохранять большое количество тепла, но никому не придет в голову провести ночь в ванной.

Компьютерное моделирование показывает, что теплоемкость теплоизоляционных материалов не имеет значения

С помощью компьютерного моделирования можно с высокой степенью точности предсказать колебания температуры внутри здания в течение дня. Методика моделирования позволяет сравнивать различные конструкции с одинаковыми граничными условиями в конкретном здании. Наблюдения всегда специфичны для каждого конкретного случая: результаты справедливы только для выбранной модели. Модельные расчеты, как правило, более информативны, чем тесты. В экспериментах неучтенные граничные условия часто играют большую роль, чем измеряемые эффекты.

Какие факторы имеют наибольшее влияние, в значительной степени зависит от типа рассматриваемого здания и соответствующих граничных условий. Летом деревянные каркасные здания нагреваются быстрее, чем основательные тяжелые конструкции, при условии, что в интерьере нет термически активных материалов. В этом типе конструкций массивные полы или потолки подвала имеют большее влияние на внутреннюю температуру, чем теплоемкость изоляционного материала. Компьютерное моделирование, проведенное Научно-исследовательским институтом строительной физики в Германии, показало, что теплоемкость изоляционных материалов на первом этаже деревянного дома имеет второстепенное значение из-за теплового эффекта бетонного пола [4].

Результаты моделирования для скатной крыши с использованием различных изоляционных материалов с одинаковыми коэффициентами теплопередачи (рис. 1 и 2) свидетельствуют, что любые различия в теплоемкости изоляционных материалов малозначимы – внутренние температуры отличались не более чем на 0,6 градуса [2]. Важно отметить, что изоляционные материалы с худшей теплопроводностью должны иметь большую толщину, чтобы достичь эквивалентной теплопередачи.

Моделирование летних температур

Иногда посетителям торговых ярмарок и рекламных мероприятий демонстрируют простой пример, который предназначен для поддержки теории «аккумулирование тепла побеждает изоляцию», но который содержит концептуальные и конструктивные ошибки [5]. Образцы различных изоляционных панелей толщиной 40 мм помещают в деревянные ящики и нагревают с помощью инфракрасных ламп. Испытание обычно длится от 10 до 20 минут. В это время датчики регистрируют изменения температуры на нижней стороне изоляционной панели.

Эти демонстрационные результаты не могут быть применены к реальным зданиям. Главным техническим недостатком такого эксперимента является то, что температура воздуха в деревянных ящиках неравномерна. Тестируемые изоляционные материалы не имеют идентичной облицовки, так что различные отражающие свойства приводят к различным температурам на верхней поверхности. Некоторые изоляционные материалы светопроницаемы, в результате чего датчики температуры находятся непосредственно на пути света и, следовательно, нагреваются. Рассеивание тепла в стороны и вниз не контролируется. Короткая продолжительность теста выявляет кратковременные эффекты и не отражает изменение температуры в течение всего дня [5].

Подобные недостатки демонстрационного опыта и короткая продолжительность теста не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к научным экспериментам.

Признавая ошибки, допущенные в этом эксперименте, Научно-исследовательский институт теплоизоляционных материалов (FIW, г. Мюнхен) разработал типовой тест, который обеспечивает одинаковые граничные условия для каждого образца. Этот тест позволяет делать заключения о поведении изоляционных материалов в реальных зданиях.

В тесте, разработанном в FIW, надежно изолированная испытательная камера (рис. 3 и 4) исключает любые приросты или потери тепла в результате взаимодействия с внешней средой. С целью минимизации ошибок измерения в результате значительного повышения температуры в камере, использовался стандартный образец толщиной 40 мм. Такая толщина изоляции позволяет также надежно контролировать процесс охлаждения в ночное время. Испытание проводили в течение 24 часов, интенсивность излучения инфракрасной лампы регулировалась в соответствии со схемой естественной суточной освещенности (рис. 5).

Сравнение температурных кривых для ДВП и PUR/PIR показало начальную задержку в увеличении температуры в случае образца древесного волокна из-за его более высокой теплоемкости (рис. 6). В дальнейшем этот эффект компенсируется низким тепловым сопротивлением ДВП, и кривые температуры для ДВП и PUR/PIR приближаются друг к другу после 6 часов. Затем температура образца из древесного волокна поднимается более круто. Максимальная температура для полиуретана на 1 градус ниже.

То, как мы субъективно воспринимаем тепло, зависит не только от максимальной достигнутой температуры, но и от продолжительности времени превышения определенного порогового значения температуры. В Центральной Европе внутренняя температура должна превысить 26 °С, чтобы быть вне диапазона комфорта. По этой причине в качестве порогового значения для испытания было выбрано увеличение температуры на 6 градусов. В случае полиуретана продолжительность времени, когда температура была выше предела на 6 градусов, оказалась на 1,2 часа короче.

Более высокая теплоемкость древесного волокна не только сдерживает эффект потепления, но и существенно замедляет охлаждение воздуха внутри помещения. Другими словами, воздух остается неприятно теплым в течение более длительного промежутка времени.

Список литературы

[1] Wolfgang Feist, Ist Warmespeichern wichtiger als Warmedammen?, Hrg. Passivhausinstitut, Fachinformation PHI 2000/4.

[2] Industrieverband Polyurethan-Hartschaum e. V. (Hg.), Sommerlicher Warmeschutz, 2004.

[3] Martin H. Spitzner und Christoph Sprengard, Summer indoor climate in attics: comparative tests on insulation materials taking into account instationary effects in a model test, Untersuchungsbericht, 2006.

[4] Gerd Hauser, Holzfaserdammplatten – Dammstoffe als Warmespeicher in Isoliertechnik, 6-2006, pp. 38-44.

[5] Martin H. Spitzner und Christoph Sprengard, Durchfuhrung eines Experimentes zur Oberflächen und Tiefenerwärmung verschiedener Dämm- und Baustoffe durch Bestrahlung mit einer Infrarotlampe, Untersuchungsbericht, 2004.

Информация, содержащаяся в данной публикации, достоверная и точная (в меру наших знаний), но мы не даем никаких гарантий, так как состав материалов и условия их применения вами находятся вне нашего контроля. Кроме того, эта информация не может быть истолкована как рекомендация к использованию любого продукта в противоречии с существующими патентами на любой материал или его использование.