Використання природних ізоляційних матеріалів у дахових конструкціях

Дахи будинків накопичують і віддають великі кількості енергії без усякої користі для їхніх мешканців. Більше того, надлишкове тепло влітку дошкуляє мешканцям  верхніх поверхів. В холодні зимові ночі опалення повинне працювати інтенсивніше із-за переохолодження огороджувальних конструкцій. Застосуванням теплоізоляційних матеріалів вдається трохи пом’якшити температурні коливання у приміщеннях. Традиційно застосувають відомі дифузійно проникні ізоляційні матеріали (мінеральна вата, ековата, скловата, конопляні мати). Оскільки у процесі будівництва має місце потужне перезволоження дахових конструкцій і власне ізоляції, то виникають дві серйозні проблеми:

  • Як швидко осушити ізоляцію даху
  • Як  використати добові температурні коливання  з користю для мешканців і конструкції будинку.

 

Згідно статистичних даних, кожна новобудова має велику надлишкову кількість вологи. Особливо це стосується огороджувальних конструкцій даху будинку. Підраховано, що 1 м2 дахової ізоляції містить до 6 кг вологи. Вважається, що така кількість вологи впродовж кількох років може зруйнувати систему утеплення даху.

Вихід з цієї ситуації був знайдений фахівцями німецької фірми Pro Clima, які розробили покриття, яке змінює дифузійну проникність в залежності від вологості середовища. Така плівка встановлється з внутрішньої сторони дахової ізоляції. Взимку при 40% відносній вологості повітря  у приміщеннях будинку плівка є паро- і повітронепроникною  щодо теплоізоляції. Влітку при збільшенні відносної вологості приміщень до 80% плівка  пропускає водяну пару у приміщення, тим самим висушуючи ізоляцію. При цьому  не останню роль відіграють орієнтація і колір даху. Якщо дах темного кольору і до того ж орієнтований на південь, то прогрівання ізоляції відбувається інтенсивніше з виділенням більшої кількості водяної пари. Статистичні дані, отримані при використанні таких дифузійних плівок, свідчать, що у перший рік експлуатації будинку з 1 м2 дахових ізоляційних конструкцій виводиться до 4 кг води.  На рис 1 зображена структура конструкції  даху з вмонтованою знизу плівкою, дифузійна проникність якої залежить від відносної вологості повітря.  Графіки зменшення вологості конструкції даху з роками при застосуванні дифузійної і звичайної паро- і повітронепроникної плівок (рис.2) демонструють перспективність пропонованої технології осушування дахової ізоляції.

 

Наступна проблема стосується того, як найбільш вигідно розпорядитися тепловою енергією, яку отримує дах будинку, при умові, що він добре утеплений сухою ізоляцією,  опірною до проникнення тепла.

Логічно припустити, що добре розпорядитися можна лише наявним (накопиченим) теплом. Звідси виникає питання, які ізоляційні матеріали найкраще акумулюють тепло. Зрозуміло, що з двох ізоляційних  матеріалів з однаковими коефіцієнтами теплопередачі більше тепла поглине матеріал  з вищими теплоємністю і густиною. Для прикладу  порівняємо параметри корку, ековати (меленого газетного паперу)  і пінопласту (табл.1).

Назва матеріалу ТеплоЄмністьДж/(кгК) ГустинаКг/м3 КоефіцієнтТеплопередачіВт/(мК) ТермоДифузійністьм2/год ТовщинаМатеріалу(см)
Корок 2050 110 0,040 6,4 Е-04  7
Ековата 1900 58,3 0,040 13 Е-04 14
Пінопласт 1100 20 0,033 51 Е-04 55

Як бачимо, коефіцієнти теплопередачі корку, целюлози і пінопласту відрізняються незначно. Але порівняно з пінопластом густина корку більша у 5,5 а ековати  – у 3 рази. Теплоємність корку теж більша  у 2, а ековати – у 1,7 рази. Тобто корок поглине тепла у 8, а мелений газетний папір- у 4 рази більше від пінопласту.  Можна сказати, що чим більше тепла  поглинає матеріал, тим повільніше у часі  крізь нього проходить  тепловий потік. У будівельній фізиці така здатність матеріалу  до поширення тепла (м2/год) називається  термодифузійністю і визначається як

А= λ/(С · ρ),

Де  λ – коефіцієнт теплопровідності

С – питома теплоємність

ρ – густина.

Термодифузійності корку, ековати і  пінопласту наведені у колонці 5 таблиці.

Звичайно, в розумних межах можна спробувати збільшити масу і відповідно товщину термоізоляційного матеріалу для накопичення більшої кількості тепла. У колонці 6 таблиці наведені товщини корку, ековати і пінопласту, при яких буде накопичуватися однакова кількість тепла. Однак, встановлення  пінопласту товщиною  55 см  нереально з точки зору вартості матеріалу, екологічної  і пожежної безпеки.

 

У застосуванні до ізоляційних чи будівельних матеріалів термодифузійність є критерієм поглинання тепла елементами огороджувальної конструкції. При малій термодифузійності матеріалу поширення тепла значно сповільнюється за рахунок його поглинання ізоляційною системою. Тобто  має місце так зване  фазове сповільнення, коли тепло даху надходить у приміщення із зсувом на 6-15 годин. Мало того, спрацьовує і згладжувальний ефект, коли денний приріст зовнішньої  температури  +21˚С трансформується  у вечірній і нічний приріст +3˚С всередині приміщення (рис. 3). Узимку все відбувається навпаки. Уночі, під час пониження температури на 10˚-15˚С теж спрацьовують фазове сповільнення і ефект згладжування, так що температура приміщень мінімально зменшується вранці або вдень, коли можливі додаткові теплові надходження від Сонця, побутового електрообладнання тощо.

Термодифузійності різних ізоляційних і будівельних матеріалів приведені у табл.2.

 

Назва матеріалу

Термодифузійність (10-4 ·м2/год)

Деревно-волокниста плита

4

Корок

6

Плита дерево-вовна

8

Пориста глиняна цегла

14

Ековата (газетний папір)

14

Суцільна цегла

14

Волокно з коноплі

23

Поліуретанова плита

24

Скловолокно

48

Мінеральна вата

48

Пінопласт

51

 

Як і слід було сподіватись, у перших рядках таблиці фігурують природні ізоляційні матеріали, які мають найменшу термодифузійність. Це дерево і деревоволокнисті матеріали, корок, глина, ековата (мелений газетний папір), мати з волокон коноплі. Останні позиції належать плитам з поліуретану, скловолокну, мінеральній ваті і пінопласту. Отже, всі синтетичні і мінеральні  матеріали значно програють природним, тобто при їх застосуванні отримання довготривалого фазового сповільнення теплопередачі шляхом накопичення тепла проблематичне. З натуральних матеріалів найбільшу термодифузійність має волокно з коноплі. Тому не випадково, що німецька фірма «HOCK», яка виробляє мати з волокна коноплі, постачає ще і вироби  з висушеної глини. При поєднанні цих матеріалів термодифузійність глиняно-конопляної ізоляції значно зменшується.

На рис 3 і 4 приведені графіки фазового сповільнення при використанні ізоляції з дерева і матів з волокон коноплі. Графіки є підтвердженням того факту, що дерев’яні ізоляційні плити значно ефективніші з точки зору накопичення тепла і його використання.  Синтетичні і мінеральні матеріали не так ефективно поглинають тепло. Це свідчить про те, що синтетичні і мінеральні матеріали аж ніяк не перевершують природні матеріали.

Тому важливо відзначити роль німецьких фірм у поверненні до технологій використання природних ізоляційних матеріалів, які окрім того екологічні і мають стабільніші  у часі характеристики.

З точки зору критерію термодифузійності вибір ізоляційного матеріалу – це зважений компроміс між прийнятним значенням коефіцієнту теплопровідності, здатністю накопичувати тепло і ціною.

Підтвердженням  цього є  експериментальні дані, отримані  при вимірюванні  температури і  вологості  неутепленого горища. Неутеплений вентильований дах орієнтований на південну сторону, а термоізоляція  підшита до стелі приміщень останнього поверху. Датчик температури розміщений всередині горища ближче до покрівлі. Дані знімались і оброблялись з інтервалом у кілька хвилин впродовж року. На графіку добре видно екстремальні добові температури. Найхолоднішим є період грудень-січень, коли температура даху не піднімалась вище 80˚F (23˚С).. Але вже у  березні мінімальні і максимальні температури становили відповідно 43˚ і -6˚С (рис.6). Ці дані свідчать, про потенційні можливості використання тепла даху навіть у зимовий період, не кажучи вже про весняні і осінні місяці.

Отже, при використанні матеріалів з малою термодифузійністю з’являється можливість накопичення тепла і його перерозподілу. В результаті отримуємо значну економію енергоносіїв і комфортні умови проживання. Використання  в якості такого регулятора ізоляційних природних матеріали  не вимагає великих коштів і є простим та ефективним по суті.

Цікавим є той факт, що виробники як деревно- волоконної ізоляції, так і ековати, наголошують, що при використанні їхніх матеріалів можна обійтися без встановлення дифузійних плівок взагалі (зсередини дахової ізоляції). Це ще раз свідчить про унікальні властивості дерева, як ізоляційного матеріалу, до випаровування вологи.

Юрій Дудикевич

Роман Заячук

ПІДПИСИ ДО РИСУНКІВ

 

 

Рис. 3. Фазове сповільнення (12 год) і згладжування (3˚С) при передачі тепла деревно-волоконною ізоляцією

Рис. 4. Фазове сповільнення при використанні ізоляції з коноплі

Рис. 5. Добові температури в околі неутепленої покрівлі (16-19 січня 2010 року)

Рис. 6. Добові температури в околі неутепленої покрівлі (березень 2010 року)

 

 

Рис.1. Ізоляційна дахова структура. Верхня плівка дифузійно відкрита, а нижня – дифузійно регульована

 

Рис. 2. Зменшення вологості конструкції даху з часом. Червона лінія – з використанням паронепроникної плівки. Зелена лінія- використання плівки з регульованою дифузійністю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*


9 − nine =

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>