ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПРИМЕНЕНИИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И НА ТРАНСПОРТЕ
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПРИМЕНЕНИИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И НА ТРАНСПОРТЕ
Аннотация
Теплоизоляция играет ключевую роль в обеспечении энергосбережения при соблюдении санитарно-технических норм в части температурного режима в жилых и общественных зданиях, а также комфорта и сохранности грузов и пассажиров на транспортных средствах, особенно на железнодорожном транспорте. Основная задача теплоизоляции — минимизировать тепловой поток через стены жилых и общественных зданий или стенки транспортного средства, вызванный разностью температур между внутренней и внешней средой. Однако для транспортных средств к теплоизоляции предъявляются дополнительные требования по экологической и пожарной безопасности, минимизации массы и объема. В настоящее время актуальными задачами в строительстве и на транспорте являются импортозамещение и энергосбережение, которые можно решить при использовании новых инновационных материалов. В работе ставится цель выполнить анализ мировых тенденций в области применения новых теплоизоляционных материалов, а также анализ следования этим тенденциям в Российской Федерации. В данном обзоре рассматриваются инновационные типы и материалы теплоизоляции, применяемые в строительстве и на транспорте, в частности, в ограждении кузовов подвижного состава.
1. Введение
Назначение теплоизоляции состоит в том, что она уменьшает тепловой поток через стенку с теплоизоляцией, вызванный разностью температур двух сред, разделенных этой стенкой и осуществляемый за счет теплопроводности твердых материалов, конвекции в газообразных и (или) жидких средах и излучения. Чем больше толщина теплоизоляции, тем меньше тепловой поток через стенку с теплоизоляцией.
Если стены жилых и общественных зданий обладают теплозащитными свойствами, то при эксплуатации зданий потребуется меньше энергии на обогрев внутренних помещений в зимний период и на кондиционирование в летний период.
На транспортных средствах, в частности на железнодорожном транспорте, теплоизоляция необходима, чтобы защитить температурную среду внутри транспортного средства от воздействия температуры окружающей среды. Таким образом, назначение теплоизоляции на транспортном средстве заключается в обеспечении заданного температурного диапазона внутри транспортного средства при выходе температуры окружающей среды за границы данного диапазона.
В зависимости от толщины теплоизоляции, величины заданного температурного диапазона внутри транспортного средства и величины разности температуры окружающей среды и одной из границ данного диапазона на транспортном средстве либо требуется, либо не требуется наличие теплотехнических устройств, компенсирующих тепловой поток. Данные устройства (тепловыделяющие элементы или охлаждающие устройства) обычно требуют для своей работы затрат энергии. Исключение составляют аккумуляторы тепла или холода, основу которых составляет вещество, меняющее фазовое состояние с выделением или поглощением тепла в определенном температурном диапазоне.
Необходимость иметь на транспортном средстве источник энергии для обеспечения работы тепловыделяющих или охлаждающих устройств увеличивает стоимость перевозки пассажиров или грузов, требующих обеспечения заданного температурного режима.
Увеличение толщины теплоизоляции, с одной стороны, снижает величину энергии, потребной для обеспечения работы тепловыделяющих или охлаждающих устройств на транспортном средстве, с другой стороны, снижает полезный объем транспортного средства и увеличивает стоимость теплоизоляции.
Таким образом, выбор типа, материала и толщины теплоизоляции для транспортного средства позволяет решить следующие задачи: обеспечить заданный диапазон температуры среды внутри транспортного средства при любых возможных температурах окружающей среды; обеспечить минимум затрат на теплоизоляцию на всех этапах жизненного цикла теплоизоляция от изготовления до утилизации, а также затрат на выработку и расход энергии для обеспечения работы тепловыделяющих или охлаждающих устройств.
Актуальность разработки, исследования, производства и внедрения новых теплоизоляционных материалов постоянно подчеркивается в руководящих документах холдинга ОАО «РЖД», например, в «Энергетической стратегии» — см. .
Курс на импортозамещение, взятый в нашей стране, требует разработки отечественных высокоэффективных теплоизоляционных материалов с учетом всего мирового опыта, что делает составление обзоров по таким материалам актуальной задачей.
Для нетягового подвижного состава Д.М. Тимкиным был составлен обзор средств тепловой защиты кузовов, включающий анализ 67 источников . Основной вывод данного обзора состоял в том, что перспективным направлением в тепловой изоляции кузовов пассажирских вагонов является использование в конструкции кузова вакуумных теплоизоляционных панелей. Однако, за последние несколько лет в строительной сфере появились новые инновационные материалы, обладающие повышенными теплоизоляционными свойствами — это материалы на основе аэрогелей, жидкие теплоизоляционные материалы, теплоизоляционные материалы с фазовым переходом . Для транспортной отрасли представляет интерес вопрос: можно ли использовать данные материалы в качестве теплоизоляции стенок транспортных средств?
Целью данной статьи является выполнение обзора инновационных типов и материалов теплоизоляции, используемых при строительстве зданий и на транспортных средствах.
Необходимость такого обзора диктуется появлением новых мировых тенденций в области теплоизоляционных материалов и задач, стоящих в настоящее время перед экономикой Российской Федерации, а именно, импортозамещения и энергосбережения.
Несмотря на большое количество таких обзоров и в России, и за рубежом, в этих обзорах не производился анализ динамики публикаций, посвященных инновационным типам теплоизоляции.
Основная задача данного обзора литературы по теплоизоляции состоит в том, чтобы сравнить динамику публикаций по конкретному типу теплоизоляции в зарубежной научной литературе и в Российской научной литературе.
2. Инструменты и методы исследования литературных источников по инновационным типам теплоизоляции
В качестве базы зарубежных научных источников использовалась платформа ScienceDirect научного издательства Elsevier, в качестве базы отечественных научных источников использовалась научная электронная библиотека eLibrary.
В данных базах по ключевым полям, представляющим названия инновационных типов теплоизоляции, осуществлялся поиск научной литературы за 5 лет с 2020 г. по 2024 г. При этом фиксировалась доля публикаций по каждому типу теплоизоляции по годам, что показывало изменение интереса исследователей к конкретному типу теплоизоляции.
Ключевые поля были выбраны из различных обзоров, в которых были описаны так называемые «суперизоляционные материалы» (SIMs), такие как аэрогель, вакуумные изоляционные панели (VIP) , материалы с фазовым переходом (PCMs) , жидкие теплоизоляционные покрытия .
Динамика публикаций по конкретному типу теплоизоляции рассчитывалась следующим образом. По выбранной базе источников сначала определялось количество публикаций за каждый год из диапазона с 2020 г. по 2024 г. по всем ключевым полям всех рассматриваемых типов теплоизоляции Ni. Затем определялось количество публикаций за каждый год из этого же диапазона по ключевым полям одного типа теплоизоляции ni. Рассчитывались относительные доли публикаций каждого типа теплоизоляции ni/Ni и средний показатель динамики публикационной активности по формуле:
где k — число лет временного диапазона.
Следует отметить, что средний показатель динамики публикационной активности, рассчитываемый по формуле (1), является качественным показателем, так как может содержать значительную погрешность из-за того, что множество публикаций описывают несколько типов теплоизоляции и могут учитываться в нескольких списках с количеством ni.
Для повышения точности анализа динамики публикационной активности можно было бы дополнить приведенный анализ качественными методами, например, экспертной оценкой или тематическим кодированием, однако данные методы сопряжены с затратами времени и ресурсов и обычно проводятся при проведении заказных обзоров (по гранту или по договору).
3. Результаты исследования литературных источников по инновационным типам теплоизоляции
Результаты определения количества публикаций по инновационным типам теплоизоляции из базы зарубежных научных источников ScienceDirect представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Количество публикаций по инновационным типам теплоизоляции, относительные доли публикаций и показатель публикационной активности каждого типа теплоизоляции на ScienceDirect
Тип теплоизоляции | Год выхода публикации i | Средний показатель динамики публикационной активности D | ||||
2020 | 2021 | 2022 | 2023 | 2024 | ||
Все типы Ni | 13400 | 15797 | 18036 | 19726 | 24989 | - |
Жидкая теплоизоляция n1i, (n1i/Ni) | 4931 (0,368) | 6115 (0,387) | 7269 (0,403) | 8089 (0,41) | 10812 (0,433) | 0,04142 |
Материалы с фазовым переходом n2i, (n2i/Ni) | 3182 (0,237) | 3974 (0,252) | 5075 (0,281) | 5887 (0,298) | 9441 (0,378) | 0,126118 |
Вакуумные теплоизоляционные панели n3i, (n3i/Ni) | 718 (0,054) | 918 (0,058) | 1034 (0,057) | 1028 (0,052) | 1469 (0,059) | 0,027032 |
Аэрогели n4i, (n4i/Ni) | 597 (0,045) | 842 (0,053) | 1181 (0,065) | 1353 (0,069) | 2061 (0,082) | 0,168704 |
Как видно из таблицы 1, в зарубежной базе научных публикаций ScienceDirect по всем инновационным типам теплоизоляции наблюдается положительная динамика публикационной активности, наибольшие показатели динамики публикационной активности составили научные публикации по типам теплоизоляции: материалы с фазовыми переходами и аэрогели.
Результаты определения количества публикаций по инновационным типам теплоизоляции из Российской базы научных публикаций eLibrary представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Количество публикаций по инновационным типам теплоизоляции, относительные доли публикаций и показатель публикационной активности каждого типа теплоизоляции в eLibrary
Тип теплоизоляции | Год выхода публикации | Средний показатель динамики публикационной активности D | ||||
2020 | 2021 | 2022 | 2023 | 2024 | ||
Все типы Ni | 553 | 568 | 535 | 584 | 530 | - |
Жидкая теплоизоляция n1i (n1i/Ni) | 13 (0,024) | 12 (0,021) | 15 (0,028) | 10 (0,017) | 5 (0,009) | -0,15313 |
Материалы с фазовым переходом n2i (n2i/Ni) | 1 (0,002) | 1 (0,002) | 2 (0,004) | 2 (0,003) | 0 (0) | 0,003263 |
Вакуумные теплоизоляционные панели n3i (n3i/Ni) | 9 (0,016) | 3 (0,005) | 5 (0,009) | 11 (0,019) | 4 (0,008) | 0,127524 |
Аэрогели n4i (n4i/Ni) | 1 (0,002) | 5 (0,009) | 5 (0,009) | 6 (0,01) | 8 (0,015) | 1,124534 |
Как видно из таблицы 2, положительная динамика публикационной активности наблюдается в Российской базе научных публикаций по таким инновационным типам теплоизоляции, как аэрогели, вакуумные теплоизоляционные панели и материалы с фазовыми переходами, наибольший показатель динамики публикационной активности составили научные публикации по аэрогелям и вакуумным теплоизоляционным панелям.
4. Обзор научных публикаций по типу теплоизоляции «жидкая теплоизоляция»
Жидкие теплоизоляционные материалы представляют собой композицию керамических вакуумированных микросфер (наносфер) в водном растворе акриловых полимеров (акриловой краске) . При нанесении такой краски на твердую поверхность она высыхает, образуя тонкий слой теплоизоляции. Теплопроводность этого слоя тем ниже, чем больше вакуумированных микросфер приходится на единицу поверхности. В работе были представлены результаты экспериментального определения среднего коэффициента теплопроводности термокраски марки «Изоллат-02» толщиной 7,5 мм, его значение составило 0,057 Вт/(м·К).
В работе исследовалась зависимость теплозащитных свойств термокраски от толщины покрытия.
Большие споры в научной среде вызвали методы определения теплозащитных свойств жидких теплоизоляционных материалов, что было отражено в работе , где также представлена оригинальная методика определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции.
В англоязычной литературе данные вопросы отражались в работе
, где рассматривались многочисленные факторы, влияющие на теплофизические характеристики термокраски, включая методы синтеза, стабильность наносфер, различные связующие жидкости, тип, размер, форму, модификацию поверхности и объемную долю вакуумированных наночастиц.Вопросы экономического обоснования использования термокраски на железнодорожных цистернах рассматривались в работе
.По данному типу теплоизоляции можно сделать вывод, исходя из анализа публикаций, что потенциал использования термокраски высок в тех областях, где отсутствует техническая возможность использования теплоизоляции большой толщины — это наружные трубопроводы, резервуары для хранения нефтепродуктов, железнодорожные цистерны.
5. Обзор научных публикаций по типу теплоизоляции «материалы с фазовыми переходами»
В работе
выполнен анализ перспектив применения материалов с фазовыми переходами (МФП) в ограждениях строительных конструкций, авторами рассчитан энергетический и экономический эффект от применения МФП в строительных конструкциях, составляющий от 2 до 13 % и зависящий как от типа материала, так и от региона применения.В работе
представлена математическая модель теплообмена в ограждении строительной конструкции, включающей термоаккумулирующий материал на основе парафинов. В некотором диапазоне температур в данном материале происходит фазовый переход из жидкости в твердое состояние с выделением тепла или из твердого состояния в жидкое с поглощением тепла, что снижает затраты энергии на кондиционирование жилого помещения аналогично действию теплоизоляции.В работе описан гибридный материал с улучшенной теплоизоляцией, аккумулированием энергии, механической прочностью и водостойкостью, полученный с использованием лигноцеллюлозы в качестве пористого носителя и полиэтиленгликоля в качестве материала с фазовым переходом. Данный материал обладает скрытой теплотой фазового перехода 110-123 Дж/г и теплопроводностью в пределах 0,037–0,042 Вт/(м×К). Этот гибридный материал не пропускают воду во время фазовых переходов и имеет регулируемый диапазон температуры фазовых переходов.
В работе
выполнен анализ экономической целесообразности использования наряду с обычными теплоизоляционными материалами в строительных конструкциях материалов с фазовыми переходами. Было показано, что экономия электроэнергии на отопление зданий составляет от 43 до 99 %, а на охлаждение в диапазоне от 38 до 52 %. Авторами определена оптимальная температура для нагревательного термостата, составляющая приблизительно 20 °C, а для охлаждающего термостата — приблизительно 25 °C. Кроме того, наилучшей теплоизоляцией является полиуретан, а материалом с фазовым переходом — BioPCMDSCM27Q21. Толщина теплоизоляции в диапазоне от 6,9 см до 9,8 см выбрана как оптимальная, а толщина материала с фазовым переходом составляет примерно 5 см.На железнодорожном транспорте материалы с фазовым переходом используются для термостабилизации тепловоза в зимний период с целью сокращения энергетических затрат на предпусковой прогрев дизеля
.6. Обзор научных публикаций по типу теплоизоляции «вакуумные теплоизоляционные панели»
В работе
проведен сравнительный анализ технических характеристик вакуумных теплоизоляционных панелей (ВИП). Рассмотрены вакуумные панели с различными видами наполнителей, повышающим прочностные свойства панелей. Подобные ВИП предложены в качестве высокоэффективной тонкостенной теплоизоляции в термоконтейнерах , .В работе
отмечены недостатки ВИП, заключающиеся в истирании и повреждениях из-за температурных расширений оболочки, что со временем повышает давление внутри ВИП и ухудшает эксплуатационные характеристики. Для устранения этих недостатков в предложено на внешнюю поверхность ВИП-оболочки наносить защитный слой из минеральной ваты.В работе
исследовался срок службы ВИП в различных суровых условиях и анализировались перспективы их продвижение на строительном рынке Китайской народной республики.На железнодорожном транспорте ВИП предлагалось использовать не только как теплоизоляцию, но и как конструкционный материал в ограждении кузова пассажирского вагона
или кузова изотермического вагона . Также в качестве теплоизоляции предлагалось использовать ВИП в конструкции бункера для железнодорожных перевозок битума и в конструкции котла цистерны для перевозки химических грузов .7. Обзор научных публикаций по типу теплоизоляции «аэрогели»
В работе
представлен обзор теплоизоляционных материалов, предназначенных для защиты как от высоких, так и от низких температур, с использованием аэрогелей, представляющих собой твердое вещество, например, диоксид кремния с низкой плотностью и большим количеством пор, заполненных воздухом или газом. Аэрогели имеют низкие теплопроводность, коэффициент преломления света, диэлектрическую проницаемость и скорость распространения звука.В работе
представлены результаты исследований теплофизических характеристик рулонного теплоизоляционного материала на основе аэрогеля диоксида кремния серии DRT06-Z производства Alison Aerogel, в частности результаты измерения коэффициента теплопроводности в диапазоне температуры от 10 до 650 °С.В работе
предложен метод изготовления полиимидных аэрогелей (polyimide aerogel) с функциональной структурой с помощью 3D-печати, расширяющий их применение в области звукопоглощения и теплоизоляции.В обзоре
приведены сведения о гибридном пенопласте, полученном из обработанных кислотой арамидных нановолокон (upANFA) и нановолокон целлюлозы (CNF) с содержанием арамидных нановолокон до 40%, обладающим высокой термостойкостью и теплопроводностью в диапазоне 0,018-0,023 Вт/(м×К).В работе
приведены сведения о теплоизоляционных свойствах различных аэрогелей, в том числе изготовленных на органической основе. Например, для аэрогеля на основе резорцинол формальдегида значение коэффициента теплопроводности, по данным , составляет 0,012 Вт/(м×К), на основе полиуретана – 0,022 Вт/(м×К).На железнодорожном транспорте аэрогели нашли применение в составе теплоизоляции контейнер-цистерны
. Необходимость использования аэрогеля авторы объясняли необходимостью повышения гидрофобности существующей теплоизоляции из стекловолокна. Для этого внутренний слой, примыкающий к котлу, выполнен из материала, представляющего собой композицию из базальтового волокна и кремнеземного аэрогеля, а наружный слой теплоизоляции выполнен из стекловолоконных матов. При резком перепаде температур, например, при перемещении контейнера-цистерны с открытого воздуха в отапливаемое производственное помещение, на поверхности котла из влажного воздуха конденсируется вода. Материал, представляющий собой композицию из базальтового волокна и кремнеземного аэрогеля, имеет низкую пористость, чем и объясняется его высокая гидрофобность, он не увлажняется, и, соответственно, не теряет своих теплозащитных свойств .8. Обсуждение
В литературных источниках часто приводятся данные по теплопроводности новых теплоизоляционных материалов, взятые из рекламных сообщений предприятий – производителей этих материалов, к которым надо относиться с осторожностью. Так, в работе
приведены теплоизоляционные характеристики инновационных материалов «KЛИМАЛАН» (значение коэффициента теплопроводности 0,012 Вт/(м×К)), RE-THERM (значение коэффициента теплопроводности 0,0011 Вт/(м×К)).Получение столь низких значений коэффициента теплопроводности предприятиями — производителями теплоизоляционных материалов можно объяснить, как желанием превзойти конкурентов в рекламе товара, так и несовершенством методики измерения теплофизических величин материалов с ярко выраженной неоднородностью, таких как аэрогели и вакуумные теплоизоляционные панели. Поэтому перед применением новых инновационных материалов необходимо проверить экспериментально их теплоизоляционные характеристики по правильно выбранной методике.
Как пример качественно разработанной методике эксперимента в области исследования электрических параметров можно привести работу
.В работе
представлена методика и результаты экспериментального определения коэффициента теплопроводности многослойной стенки пассажирского вагона. В описанной методике сочетаются экспериментальные и аналитические методы, а также методы компьютерного моделирования, позволившие сократить время эксперимента с нескольких суток до 40 минут.Выбор типа теплоизоляции — это многокритериальная оптимизационная задача, в которой должны учитываться стоимость всего жизненного цикла теплоизоляции, полученный с помощью теплозащиты эффект по снижению энергозатрат, массовые и объемные характеристики, возможность объединения нескольких функций, например, функции теплозащиты, звукоизоляции и силовой конструкции.
Как пример выбора типа теплоизоляции для котла цистерны на основе многокритериальной оптимизации можно привести работу
, в которой учитывались, как теплозащитные свойства термокраски, так и объемные, массовые и стоимостные характеристики, а также свойства ремонтопригодности.Другим примером обоснования выбора типа теплоизоляции для ограждения пассажирского вагона и метода ее производства является работа
, в которой обосновывается инвестиционная привлекательность применения вакуумных теплоизоляционных панелей из полиамидных пластин сотовой структуры. В данной работе сравниваются два метода изготовления таких пластин – методом экструзии и методом 3-D печати.9. Заключение
Современные мировые тенденции в применении современных теплоизоляционных материалов в строительстве и на транспорте заключаются в использовании нанотехнологий (жидкие теплоизоляционные материалы), материалов с фазовыми переходами, вакуумных теплоизоляционных панелей и аэрогелей.
В зарубежной базе научных публикаций ScienceDirect по всем перечисленным типам теплоизоляции наблюдается положительная динамика публикационной активности, наибольшие показатели динамики публикационной активности составили научные публикации по типам теплоизоляции: материалы с фазовыми переходами и аэрогели.
В Российской базе научных публикаций eLibrary положительная динамика публикационной активности наблюдается по таким типам теплоизоляции, как аэрогели и вакуумные теплоизоляционные панели.
В работе выполнен обзор зарубежных и отечественных научных статей по инновационным типам и материалам теплоизоляции, применяемым в строительстве и на транспорте, в частности, в ограждении кузовов подвижного состава. Установлено, что в Российской базе научных публикаций eLibrary отмечается значительное число публикаций по использованию вакуумных теплоизоляционных панелей в ограждении кузовов грузовых и пассажирских вагонов. Анализ источников позволяет также рекомендовать использование аэрогелей для тепловой защиты железнодорожных цистерн и материалов с фазовыми переходами для термостабилизации тепловозов в зимний период с целью сокращения энергетических затрат на предпусковой прогрев дизеля. Также рекомендуется использовать вакуумную теплоизоляцию для пассажирских и изотермических вагонов.