Исследователи из MIT создали аккумуляторную систему , способную сохранять тепловую энергию и, при необходимости, отдавать ее вовне. Это стало возможным благодаря использованию особых материалов со свободным переходом из фазы в фазу (phase change material, PCM). Под воздействием тепла вещество принимает жидкую форму, а когда материал теряет тепловую энергию и охлаждается в достаточной степени, то переходит в твердую фазу.
Как правило, самым большим недостатком PCM является их потребность в полной изоляции, необходимая для удержания энергии и препятствования возвращению в твердую форму. Чтобы решить эту проблему, исследователи MIT объединили PCM с молекулярным «переключателем», который изменяет форму под воздействием света.
Таким образом, после ультрафиолетового облучения материал останется жидким даже в отсутствии тепла. Второй световой импульс побуждает его снова принимать твердую форму и высвобождать тепловую энергию — таким образом, свет выступает в роли регулятора подачи тепла.
«Технически, мы устанавливаем для энергии еще один барьер, которые препятствует ее немедленному рассеиванию», поясняет в пресс-релизе постдоктор MIT Грейс Хан, принимавший участие в проекте.
В настоящее время система способна хранить до 200 джоулей на грамм и выдерживает колебание температуры на 10 о С. Она может удерживать запас тепла до 10 часов, и в будущем, согласно ожиданием ученых, будет усовершенствована и адаптирована под производственные нужды.
Этот материал может быть использован для самых разных проектов, но в первую очередь именно он может помочь решить проблему с обогревом в странах с развивающейся экономикой, которым пока недоступна традиционная сеть электроснабжения.
Сама система может не только питаться солнечной энергией, но и впитывать избыточное тепловое излучение во время производственных процессов. Таким образом, ее можно использовать и для экономии на отоплении в городской среде, и в перспективе она обладает большим потенциалом для создания модульной энергетической инфраструктуры, чем электрическая энергосистема. Подобные конструкции будет куда проще восстановить после стихийного бедствия, а в будущем она сможет и вовсе избавить человечество от зависимости от ископаемого топлива.
Вопрос энергосбережения в промышленности и строительном секторе экономики России приобретает все большую актуальность. Проблему повышения энергоэффективности ограждающих конструкций жилых, общественных и производственных зданий можно решить путем применения эффективных теплоизоляционных материалов в конструкциях наружных стен, перекрытиях и перегородках.
Теплоизоляционные материалы – это строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных промышленных установок, аппаратуры, трубопроводов, холодильников и транспортных средств и т.д.
Одним из наиболее эффективных материалов является волоконная теплоизоляция. В литературе часто под термином «минеральная вата» подразумевают стеклянную, базальтовую и шлаковую вату. Это определение верно, поскольку при изготовлении таких материалов используется минеральное сырье. В производстве стеклянной ваты – это песок, сода, известняк; базальтовой ваты – в первую очередь, габбро-базальтовые минеральные породы; шлаковаты – доменные шлаки (вторичный продукт переработки минеральных пород).
Тем не менее, в дальнейшем мы будем придерживаться иной, более распространенной классификации, принятой нами лишь в целях упрощения. Под словами «минеральная вата» подразумевается только каменная и шлаковая вата, а под термином «каменная вата» — в первую очередь, базальтовая вата. Все эти материалы можно объединить в «волоконную теплоизоляцию».
Основой технологического процесса производства каменной ваты является плавление в печи горных пород (диабаз, базальт, известняк, доломит, глина и др. породы габбро-базальтовой группы и их аналоги). Тонкое волокно, сформированное в равномерный "ковер", пропитывают связующим, затем подвергают термообработке в камере полимеризации, где происходит окончательное «рождение» продукта. Шлаковую вату получают из шлаков черной и цветной металлургии. После чего осуществляется резка материала по заданным размерам и упаковка.
К неволоконым видам теплоизоляционных материалов относятся: вспененный пенополистирол, экструдированный пенополистирол, ячеистый бетон (пенобетон и газобетон), вспененные полиолефины, пенополиуретан и вспененный синтетический каучук.
Вспененный пенополистирол
К достоинствам продукта следует отнести меньшую, чем у минеральной ваты, теплопроводность, а также низкую стоимость материала. Недостатками являются более низкая (нежели у минеральной ваты) паропроницаемость, высокая трудоемкость работ (сложнее подогнать «в размер» при установке) и более высокая горючесть материала, что вызывает ограничения при его использовании. По этой же причине он не рекомендуется для вентилируемых фасадов каменных домов. Поэтому единственная область применения пенополистирола — в мокрых системах утепления фасадов с последующим оштукатуриванием. Низкая паропроницаемость делает невозможным использование пенополистирола для утепления деревянных фасадов.
Экструдированный пенополистирол (XPS)
Процесс экструдирования придает полистиролу однородную структуру, состоящую из мелких закрытых ячеек размером 0,1-0,2 мм. Именно благодаря этому изоляционные плиты из него имеют целый ряд преимуществ: низкая теплопроводность; высокая механическая прочность; отсутствие капиллярности; практически нулевое водопоглощение; устойчивость к циклам замораживания-оттаивания; долговечность. Основной недостаток при использовании для наружного утепления стен – отсутствие паропроницаемости.
Ячеистый бетон (пенобетон и газобетон)
Пенобетон предотвращает значительные потери тепла зимой, не боится сырости, позволяет избежать слишком высоких температур летом и регулировать влажность воздуха путем впитывания и отдачи влаги. Он обладает относительно высокой способностью к поглощению звука. В зданиях из ячеистого бетона обеспечиваются действующие требования по звукоизоляции.
Благодаря пористой структуре пенобетон является и конструкционным и теплоизоляционным материалом. Его теплоизолирующая способность в 3 – 3,5 раза выше, чем у кирпичной стены. Стандартный пеноблок размером 200х188х388 имеет массу всего 11 кг, что позволяет значительно снизить транспортные и монтажные расходы.
При низкой объемной массе пенобетон имеет достаточно высокую прочность на сжатие (3,5-5,0 МПа). Максимальная этажность здания с несущими стенами из пенобетона Д-900 три этажа. Пенобетон относится к негорючим материалам, выдерживает одностороннее воздействие огня в течение не менее 5 — 7 часов. Пеноблоки не подвержены гниению и старению. Большое значение имеет такое свойство пенобетона, как легкая обрабатываемость простейшими инструментами.
Вспененные полиолефины
Чрезвычайно интересным видом современных утеплителей являются вспененные полиэтилен и полипропилен. Характерные особенности этих материалов — малый вес и низкий коэффициент теплопроводности (почти в 1,5 раза меньше, чем у стеклянных и базальтовых утеплителей). Немаловажное достоинство — простота монтажа. Как недостаток стоит отметить то, что такие утеплители абсолютно паро– и газонепроницаемы, то есть помещение перестает «дышать» и, если его не вентилировать, можно столкнуться с эффектом термоса или парника. Невелик и диапазон рабочих температур – до 80 ° C для вспененного полиэтилена и до 150 ° C – для вспененного полипропилена.
Пенополиуретан
Пенополиуретан является неплавкой термореактивной пластмассой с ярко выраженной ячеистой структурой. Только 3% от его объема занимает твердый материал, образующий каркас из ребер и стенок. Эта «кристаллическая» структура придает материалу механическую прочность. Остальные 97% — полости и поры, заполненные газом фторхлорметаном с чрезвычайно низкой теплопроводностью, причем доля замкнутых пор достигает 90-95%.
Пенополиуретан используется преимущественно в трубной теплоизоляции. Материал крепится к трубам либо в виде скорлуп, либо напыляется при помощи специального оборудования. Пенополиуретан имеет сравнительно низкий коэффициент теплопроводности – 0,02-0,04 Вт/м*К, устойчив к агрессивным средам, в целом, экологически безопасен. Однако, по сравнению с минеральной ватой, имеет сравнительно низкую рабочую температуру, не превышающую 150 ° C.
Вспененный синтетический каучук Вспененный синтетический каучук применяется в основном для изоляции трубопроводов и воздуховодов. Лучшие материалы на его основе, по заявлениям производителей, выдерживают температуру от -200 до +150 ° C. В конце 2005 г. в России (в Московской области) было создано первое производство материала под торговой маркой K-Flex с использованием иностранного капитала. Также в России в начале 2006 г. организовано производство вспененного синтетического каучука компанией Thermaflex Int. Hold. Bv. В основном предприятие производит вспененный полиэтилен, а вспененный синтетический каучук производит лишь в небольших объемах. Помимо этого на российском рынке действует ряд представительств других зарубежных компаний, представляющих подобные продукты.
Потребление
Само значение термина «теплоизоляционные материалы» свидетельствует о главном назначении этих материалов – сберегать тепло. По информации, полученной в разговоре со специалистами Госстроя России, использование одного кубического метра теплоизоляции позволяет экономить до 1,6 т условного топлива в год. Наша страна в потреблении теплоизоляционных материалов на душу населения существенно отстает от развитых стран. В таблице 1 указано среднее потребление различных теплоизоляционных материалов на одну тысячу жителей в развитых странах и в России.
Таблица 1. Потребление теплоизоляционных материалов на 1 тыс. жителей, м 3
Вопрос энергосбережения в промышленности и строительном секторе экономики России приобретает все большую актуальность. Проблему повышения энергоэффективности ограждающих конструкций жилых, общественных и производственных зданий можно решить путем применения эффективных теплоизоляционных материалов в конструкциях наружных стен, перекрытиях и перегородках.
Теплоизоляционные материалы – это строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных промышленных установок, аппаратуры, трубопроводов, холодильников и транспортных средств и т.д.
Одним из наиболее эффективных материалов является волоконная теплоизоляция. В литературе часто под термином «минеральная вата» подразумевают стеклянную, базальтовую и шлаковую вату. Это определение верно, поскольку при изготовлении таких материалов используется минеральное сырье. В производстве стеклянной ваты – это песок, сода, известняк; базальтовой ваты – в первую очередь, габбро-базальтовые минеральные породы; шлаковаты – доменные шлаки (вторичный продукт переработки минеральных пород).
Тем не менее, в дальнейшем мы будем придерживаться иной, более распространенной классификации, принятой нами лишь в целях упрощения. Под словами «минеральная вата» подразумевается только каменная и шлаковая вата, а под термином «каменная вата» — в первую очередь, базальтовая вата. Все эти материалы можно объединить в «волоконную теплоизоляцию».
Основой технологического процесса производства каменной ваты является плавление в печи горных пород (диабаз, базальт, известняк, доломит, глина и др. породы габбро-базальтовой группы и их аналоги). Тонкое волокно, сформированное в равномерный "ковер", пропитывают связующим, затем подвергают термообработке в камере полимеризации, где происходит окончательное «рождение» продукта. Шлаковую вату получают из шлаков черной и цветной металлургии. После чего осуществляется резка материала по заданным размерам и упаковка.
К неволоконым видам теплоизоляционных материалов относятся: вспененный пенополистирол, экструдированный пенополистирол, ячеистый бетон (пенобетон и газобетон), вспененные полиолефины, пенополиуретан и вспененный синтетический каучук.
Вспененный пенополистирол
К достоинствам продукта следует отнести меньшую, чем у минеральной ваты, теплопроводность, а также низкую стоимость материала. Недостатками являются более низкая (нежели у минеральной ваты) паропроницаемость, высокая трудоемкость работ (сложнее подогнать «в размер» при установке) и более высокая горючесть материала, что вызывает ограничения при его использовании. По этой же причине он не рекомендуется для вентилируемых фасадов каменных домов. Поэтому единственная область применения пенополистирола — в мокрых системах утепления фасадов с последующим оштукатуриванием. Низкая паропроницаемость делает невозможным использование пенополистирола для утепления деревянных фасадов.
Экструдированный пенополистирол (XPS)
Процесс экструдирования придает полистиролу однородную структуру, состоящую из мелких закрытых ячеек размером 0,1-0,2 мм. Именно благодаря этому изоляционные плиты из него имеют целый ряд преимуществ: низкая теплопроводность; высокая механическая прочность; отсутствие капиллярности; практически нулевое водопоглощение; устойчивость к циклам замораживания-оттаивания; долговечность. Основной недостаток при использовании для наружного утепления стен – отсутствие паропроницаемости.
Ячеистый бетон (пенобетон и газобетон)
Пенобетон предотвращает значительные потери тепла зимой, не боится сырости, позволяет избежать слишком высоких температур летом и регулировать влажность воздуха путем впитывания и отдачи влаги. Он обладает относительно высокой способностью к поглощению звука. В зданиях из ячеистого бетона обеспечиваются действующие требования по звукоизоляции.
Благодаря пористой структуре пенобетон является и конструкционным и теплоизоляционным материалом. Его теплоизолирующая способность в 3 – 3,5 раза выше, чем у кирпичной стены. Стандартный пеноблок размером 200х188х388 имеет массу всего 11 кг, что позволяет значительно снизить транспортные и монтажные расходы.
При низкой объемной массе пенобетон имеет достаточно высокую прочность на сжатие (3,5-5,0 МПа). Максимальная этажность здания с несущими стенами из пенобетона Д-900 три этажа. Пенобетон относится к негорючим материалам, выдерживает одностороннее воздействие огня в течение не менее 5 — 7 часов. Пеноблоки не подвержены гниению и старению. Большое значение имеет такое свойство пенобетона, как легкая обрабатываемость простейшими инструментами.
Вспененные полиолефины
Чрезвычайно интересным видом современных утеплителей являются вспененные полиэтилен и полипропилен. Характерные особенности этих материалов — малый вес и низкий коэффициент теплопроводности (почти в 1,5 раза меньше, чем у стеклянных и базальтовых утеплителей). Немаловажное достоинство — простота монтажа. Как недостаток стоит отметить то, что такие утеплители абсолютно паро– и газонепроницаемы, то есть помещение перестает «дышать» и, если его не вентилировать, можно столкнуться с эффектом термоса или парника. Невелик и диапазон рабочих температур – до 80 ° C для вспененного полиэтилена и до 150 ° C – для вспененного полипропилена.
Пенополиуретан
Пенополиуретан является неплавкой термореактивной пластмассой с ярко выраженной ячеистой структурой. Только 3% от его объема занимает твердый материал, образующий каркас из ребер и стенок. Эта «кристаллическая» структура придает материалу механическую прочность. Остальные 97% — полости и поры, заполненные газом фторхлорметаном с чрезвычайно низкой теплопроводностью, причем доля замкнутых пор достигает 90-95%.
Пенополиуретан используется преимущественно в трубной теплоизоляции. Материал крепится к трубам либо в виде скорлуп, либо напыляется при помощи специального оборудования. Пенополиуретан имеет сравнительно низкий коэффициент теплопроводности – 0,02-0,04 Вт/м*К, устойчив к агрессивным средам, в целом, экологически безопасен. Однако, по сравнению с минеральной ватой, имеет сравнительно низкую рабочую температуру, не превышающую 150 ° C.
Вспененный синтетический каучук Вспененный синтетический каучук применяется в основном для изоляции трубопроводов и воздуховодов. Лучшие материалы на его основе, по заявлениям производителей, выдерживают температуру от -200 до +150 ° C. В конце 2005 г. в России (в Московской области) было создано первое производство материала под торговой маркой K-Flex с использованием иностранного капитала. Также в России в начале 2006 г. организовано производство вспененного синтетического каучука компанией Thermaflex Int. Hold. Bv. В основном предприятие производит вспененный полиэтилен, а вспененный синтетический каучук производит лишь в небольших объемах. Помимо этого на российском рынке действует ряд представительств других зарубежных компаний, представляющих подобные продукты.
Потребление
Само значение термина «теплоизоляционные материалы» свидетельствует о главном назначении этих материалов – сберегать тепло. По информации, полученной в разговоре со специалистами Госстроя России, использование одного кубического метра теплоизоляции позволяет экономить до 1,6 т условного топлива в год. Наша страна в потреблении теплоизоляционных материалов на душу населения существенно отстает от развитых стран. В таблице 1 указано среднее потребление различных теплоизоляционных материалов на одну тысячу жителей в развитых странах и в России.
Таблица 1. Потребление теплоизоляционных материалов на 1 тыс. жителей, м 3
