В связи с постоянно возрастающими затратами на отопление и кондиционирование жилых и производственных помещений вопросы энергосбережения всегда находятся под пристальным вниманием всех уровней власти. Нехватка эффективных экологически чистых теплоизоляционных материалов приводит к большой потере тепловой энергии. Например, при эксплуатации жилых и производственных зданий потери тепла составляют около 30 % годового потребления первичных топливоэнергетических ресурсов в России. Через стены жилых помещений теряется до 45 % тепла, через оконные и дверные проемы – 33 %, через чердаки и полы – 22 % тепловой энергии [9,10]. В расчете на 1000 человек населения в России используется всего 218 м3 теплоизоляциив то время как показатель потребления теплоизоляции в Швеции составляет 600 м3, США – 500 м3, Финляндии – 420 м3, Японии – 350 м3 [18].
Производство эффективных теплоизоляционных материалов в России требует усовершенствования технологии и расширения ассортимента выпускаемой продукции [11, 20, 22].
Целью исследования было изучение рынка теплоизоляционных материалов, оценка экономической целесообразности и эффективности их применения в ограждающих конструкциях зданий и сооружений.
В настоящее время в России на отопление расходуется примерно в 3 раза больше энергии, чем в Скандинавских странах [17], – хотя климат там аналогичен климату Европейской части России. Теплоизоляция – один из самых востребованных материалов на российском строительном рынке. Однако выбор теплоизоляционных материалов, как правило, ограничивался пенопластами, минераловатными изделиями, пено- и газобетоном [23].
Пеностекло ‒ высокоэффективный и технологичный, хотя и дорогой материал, позволяет не только не повысить начальную цену всего объекта, но и сэкономить значительные средства при последующей его эксплуатации за счет применения в меньших объемах (рисунок) [16].
Расчетная толщина слоя ограждающей конструкции для Центрально-Черноземного региона [21]
Потребность в пеностекле в ближайшие годы в России составит 5,5 млн м3 в год [28].
Сравнительная характеристика свойств различных теплоизоляционных материалов представлена в табл. 1.
Таблица 1
Свойства различных утеплителей [9]
|
Характеристика |
Пенополистирол |
Плиты из минваты |
Керамзит |
Газобетон |
Пеностекло |
|
Плотность, кг/м |
20–150 |
50–350 |
210–450 |
300–800 |
100–500 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К |
0,038–0,06 |
0,04–0,064 |
0,21–0,23 |
0,13–0,4 |
0,045–0,07 |
|
Паропроницаемостъ, мг/(м·ч·Па) |
0,05 |
0,38–0,60 |
0,21 |
0,23 |
0,001–0,005 |
|
Водопоглощение, % |
0,5–6 |
Поглощает воду |
5–15 |
5–20 |
Не более 5 |
|
Влажность материала, % |
1–10 |
2–5 |
8–14 |
1–2 |
|
|
Необходимость в паро-гидроизоляции |
Не требует |
Обязательно |
Не требует |
||
|
Стабильность размеров |
Дает усадку |
Удовлетворительная |
— |
Удовлетворительная |
Отличная |
|
Прочность на сжатие, МПа |
0,05–1,0 |
0,04–0,15 |
0,4–5 |
0,4–3 |
0,7–5 |
|
Максимальная температура кратковременного нагрева, °С |
100 |
250 |
— |
450 |
750 |
|
Верхний температурный интервал эксплуатации, °С |
80 |
200 |
— |
400 |
600 |
Чтобы сохранять свою тепловую эффективность и теплоизоляционную способность, утеплитель должен оставаться сухим. Попадание воды или конденсация пара в нем снижает теплоизоляционные свойства практически до нуля. Пеностекло обладает минимальной паропроницаемостью, водопоглощением и влажностью. Это означает, что опасность конденсации пара внутри пеностекла по сравнению с другими утеплителями исключена. По этой причине теплоизоляционные свойства пеностекла остаются неизменными. Стабильными для пеностекла остаются его геометрические размеры и отсутствие коррозии. Кроме того, пеностекло обладает достаточной прочностью и наиболее широким температурным диапазоном эксплуатации. Это позволяет использовать пеностекло для возведения наиболее ответственных конструкций, в том числе огнезащитных.
Пеностекло прекрасно сочетается с известными строительными материалами, и как жесткий, имеющий прекрасную адгезию материал может быть легко смонтировано при использовании стандартных мастик и штукатурок.
В общем, на сегодняшний день и в ближайшем будущем пеностекло не имеет реальных конкурентов как теплоизоляционный материал. Однако этот материал пока недостаточно известен широкому кругу проектировщиков и строителей.
Широкомасштабное применение утеплителей в российских условиях в последние 15 лет выявил их существенные недостатки, связанные с недолговечностью и потерей теплоизоляционных свойств со временем, пожаро- и экологической опасностью. Причем производители теплоизоляции никогда не говорят о скрытых недостатках своей продукции, прикрываясь всевозможными сертификатами [15]. И только в последнее время в результате участившихся трагических событий как строители, так и собственники помещений начали обращать внимание не только на цену строительных материалов, но и на их реальное, а не декларируемое качество [18].
Пеностекло – экологически безопасный утеплитель, так как он полностью состоит из неорганического стекла. Для жизнедеятельности человека очень важны следующие виды безопасности, которые обеспечивает пеностекло [7]:
– химическая безопасность, так как не выделяет в воздух помещений никаких вредных веществ и обладает высокой химической устойчивостью;
– физическая безопасность, т.к. стекло является диэлектриком и не накапливает зарядов статического электричества, не проводит шума и инфразвук, не экранирует магнитное поле Земли, не является источником мелких волокон и пыли;
– биологическая безопасность, так как не способствует росту грибковых колоний и развитию болезнетворных бактерий, устойчиво к грызунам и насекомым;
– пожарная безопасность, так как представляет собой на 100 % неорганический материал, поэтому может использоваться и в деревянном домостроении;
– механическая безопасность, так как оно не разрушается в процессе эксплуатации от воздействия влаги, мороза, вибраций и прочих воздействий (прочность пеностекла в процессе эксплуатации не изменяется).
– экологическая безопасность, так как в конце срока своей службы он не загрязняет окружающую среду и имеет массу вариантов по его переработке.
В «Лаборатории теплофизических характеристик и долговечности строительных материалов и изделий» Научно-исследовательского института строительной физики было проведено исследование по долговечности фасадной системы с теплоизоляцией из наиболее применяемых плитных утеплителей [5]. Условный срок службы до капитального ремонта составил с учетом влияния натурных факторов для экструзионного пенополистирола – 10 лет; минераловатной плиты на базальтовой основе – 15 лет; блочного пенополистерола – 20 лет; для пеностекла – более 45 лет, т.е. долговечность пеностекла соответствует долговечности зданий и сооружений.
Основная причина остановки производств пеностекла в России кроется в несовершенстве существующей технологии и, как следствие, в высоких издержках производства [6].
Единственным показателем, по которому пеностекло уступает другим, описанным выше теплоизоляционным материалам, является стоимость его кубометра (табл. 2).
Количество пеностекла, необходимое для теплоизоляции квадратного метра, перекрывает эффект кажущейся высокой стоимости кубического метра. В результате стоимость квадратного метра теплоизоляции в ограждающей конструкции становится сопоставима, а в большинстве случаев и ниже, чем для других материалов (табл. 3).
Как видно из таблицы, несмотря на кажущуюся высокую удельную стоимость пеностекольных материалов, их применение в строительстве позволяет на самом деле не только снизить затраты на материалы, но и существенно снизить нагрузку на несущие конструкции, тем самым повысить надежность возводимых зданий и сооружений. И такое снижение стоимости получается даже без учета затрат на работы и выигрыша в полезной площади за счет снижения толщины ограждающих конструкций [20].
Таблица 2
Стоимость 1 м3 утеплителей по России [21, 19]
|
Утеплитель |
Стоимость 1 м3, руб. |
|
Пеностекло в изделиях (плиты, блоки, фасонные изделия) |
4300–5500 |
|
Пеностекло в гранулах |
2000–3130 |
|
Пенополистирол |
1540–2400 |
|
Минеральная вата |
1050–1200 |
|
Минеральная плита |
4300–5600 |
|
Базальтовая плита |
4100–5450 |
|
Базальтовая вата |
2100–2600 |
|
Керамзит насыпной М400 |
800–900 |
|
Керамзитобетон |
2400–2800 |
|
Пенобетонные блоки |
1700–2600 |
Таблица 3
Стоимость теплоизоляции с одинаковым термическим сопротивлением при утеплении кирпичных стен [21]
|
№ п/п |
Утеплители |
Толщина кирпичной кладки, мм |
Толщина слоя утеплителя, мм |
Площадь изолируемой поверхности с 1 м3, м2 |
Стоимость изоляции 1 м2 конструкции, руб. |
|
1 |
Пеностекло |
510 |
155 |
6,45 |
667–853 |
|
2 |
Пенобетон |
488 |
2,05 |
830–1269 |
|
|
3 |
Керамзитобетон |
777 |
1,28 |
1875–2187,5 |
|
|
4 |
Пенополистирол |
133 |
7,5 |
206–320 |
|
|
5 |
Минеральная плита |
142 |
7,04 |
610–796 |
На цену может влиять метод подготовки исходного стекла: стеклобой или стеклогранулят, полученный в стекловаренной печи [10, 11, 5].
В качестве исходного сырья обычно используют стеклогранулят как продукт стекловарения, или стеклобой, но одного химического состава (любые добавки стеклобоя другого состава должны быть предварительно исследованы). В последние годы получают пеностекло на основе аморфных горных пород: диатомита, перлита, цеолита и др. На основе диатомита получается частично закристаллизованный материал, который получил название «Пеноситал». В Ульяновской области организуется производство пеностекла на основе диатомита с участием РОСНАНО [24]. Также исследуются добавки в пеностекольную шихту вторичных продуктов различных производств, например, металлургических шлаков, попутно добываемых горных пород и пр. [1, 4, 12, 14, 15, 25]. В нашем университете разработана технология получения пеностекла на основе шлаков и вторичных продуктов КМА [12, 13]. Характеристики пеностекла приведены в табл. 4–5.
Таблица 4
Физико-механические свойства пеностекла [8]
|
Вид пеностекла Свойства |
Изоляционно-строительное |
Изоляционно-монтажное |
Специального назначения |
Влагозащитное |
|
|
Бесщелочное |
Высоко-кремнезистое |
||||
|
Плотность, кг/м3 |
160–250 |
130–160 |
350–500 |
500–800 |
140–180 |
|
Теплопроводность, Вт/(м °С) |
0,07–0,087 |
0,058–0,07 |
0,93–0,122 |
0,127–0,209 |
0,06–0,07 |
|
Прочность, МПа: при сжатии при изгибе |
0,8–2,0 0,5–1,0 |
0,5–0,8 0,3–0,4 |
3–5 1,0–1,5 |
5–12 1,4–2,5 |
1,2–2,5 0,4–0,6 |
|
Водопоглощение, % |
Данные отсутствуют |
5 |
2 |
0,5–0,95 |
|
|
Максимальная температура эксплуатации, °С |
до 600 |
до 600 |
до 600 |
до 800 |
до 600 |
Таблица 5
Сводная таблица свойств различных видов пеностекла [8]
|
Пеностекло Свойства |
Влагозащитное |
Строительное |
Декоративное |
Акустическое |
Гранулированное |
|
1. Объемная масса, кг/м3 |
140–200 |
150–350 |
150–300 |
140–250 |
160–3501 80–200 |
|
2. Действительная пористость, % |
92–94 |
86–94 |
88–94 |
90–94 |
86–942 |
|
3. Коэф. теплопроводности, Вт/(м°С) |
0,045–0,055 |
0,05–0,09 |
0,055–0,085 |
0,055–0,080 |
0,045– 0,0851 0,025–0,05 |
|
4. Водопоглощение, % объема |
не более 1 |
До 10 |
До 70 |
До 80 |
До 5 |
Примечания:
1 над чертой – для отдельных гранул, под чертой – для объемно-насыпной массы;
2 для гранул.
В настоящее время основным производителем пеностекла является ОАО «Гомельстекло», Республика Беларусь. В России организованы производства пеностекла в Московской области (ООО «Пеностек», Орехово-Зуево), в Перми (АО «Пеноситал»), во Владимире («СТЭС-Владимир»), в Чебоксарах («Дизайн-М»), в Калужской области («ДиелНио»), а также в Омской области, г. Томске, Ульяновской области. На Украине в г. Запорожье (ООО «Завод строительных теплоизоляционных материалов»), в г. Шостка (Сумская обл.). Зарубежными странами-производителями пеностекла являются США, Германия, Китай, Чехия, Польша [15, 19]. Основным мировым производителем пеностекла является фирма Рittsburg Corning Europe, которая реализует продукцию 15 типов под торговой маркой «Foamglas». По имеющимся данным, на сегодняшний день стоимость 1 м3 пеностекла марки FOAMGLAS достигает 450 евро.
Пеностекло применяется для теплоизоляции в промышленном и гражданском строительстве (стены, кровля перекрытия), теплоизоляции трубопроводов и газопроводов, в огнеоградительных конструкциях (температура до 600 °С), для защиты зернохранилищ, продуктовых складов, хозяйственных и жилых помещений; позволяет организовывать сады на кровлях, строить на слабых грунтах, возводить надстройки верхних этажей, изготавливать понтонные и другие плавучие конструкции, сооружать кровли атомных станций.
Таким образом, использовать в строительстве надо только такие материалы, которые являются долговечными и эффективными, жить в окружении которых комфортно и безопасно. Из теплоизоляционных изделий это, в первую очередь, пеностекло. И выход его на российский рынок не остановить, потому что пеностекло – это экономия в затратах на теплоизоляцию, снижение затрат на монтажные работы, увеличение полезного объема помещения, снижение нагрузок на фундамент и несущие конструкции, повышение безопасности жилья, а значит, и спроса на него. Потому что как материал пеностекло идеально подходит для климатических условий России.
Рецензенты:
Бессмертный В.С., д.т.н., профессор кафедры непродовольственных товаров, Белгородский университет потребительской кооперации, г. Белгород;
Хархардин А.Н., д.т.н., профессор кафедры строительных материалов, изделий и конструкций, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород.
Работа поступила в редакцию 07.05.2013.