Сверхтеплоизоляция зданий и эффект, подобный сверхпроводимости в материалах.

Введение

Способ теплоизоляции здания
феномен в материалах, аналогичный сверхпроводимости

Суперизоляция – это подход к проектированию, строительству и реконструкции зданий, который значительно снижает теплопотери (и теплоприток) за счет использования гораздо более высоких уровней теплоизоляции и герметичности, чем обычно. Суперизоляция является одним из предшественников концепции пассивного дома.

Теория

Суперизолированный дом предназначен для существенного снижения потребности в отоплении и может даже отапливаться преимущественно внутренними источниками тепла (тепло, выделяемое бытовой техникой и теплом тела проживающих) с небольшим количеством резервного отопления. Это было продемонстрировано даже в суровых климатических условиях, но требует тщательного внимания к деталям строительства в дополнение к изоляции (см. IEA Solar Heating & Cooling Implementing Agreement Task 13).

История

Термин "суперизоляция" был придуман Уэйном Шиком в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейне. В 1976 году он был частью команды, разработавшей проект дома под названием "Lo Cal" с использованием компьютерного моделирования, основанного на климате Мэдисона, штат Висконсин. В 1970-х годах в Шампейне-Урбане было построено несколько домов, дуплексов и кондоминиумов, основанных на принципах Lo Cal. В 1977 году группа канадских государственных учреждений построила "Дом Саскачевана" в Реджайне, провинция Саскачеван. Это был первый дом, который публично продемонстрировал ценность суперизоляции и привлек большое внимание. Первоначально он включал в себя некоторые экспериментальные вакуумные трубчатые солнечные панели, но они оказались ненужными и были впоследствии удалены. Дом отапливался в основном теплом, выделяемым бытовой техникой и самими жильцами. В 1977 году Юджин Легер построил "Дом Легера" в Ист-Пепперелле, штат Массачусетс. Он имел более традиционный вид, чем "Дом Саскачевана", и также получил широкую известность. Иногда суперизоляцию достигают путем строительства новых наружных стен, позволяющих увеличить пространство для изоляции. Паровой барьер можно установить снаружи исходной конструкции, но это может быть и не нужно. Улучшенный непрерывный воздушный барьер почти всегда оправдан, поскольку старые дома, как правило, продуваются, и такой барьер может существенно повлиять на энергосбережение и долговечность. При установке парового барьера следует соблюдать осторожность, так как он может снизить высыхание случайной влаги или даже вызвать межстенную конденсацию летом (в климате с влажным летом) и, как следствие, появление плесени. Это может вызвать проблемы со здоровьем у жильцов и повредить конструкцию. Многие строители в северной Канаде используют простой подход 1/3 к 2/3, размещая паровой барьер не дальше, чем на 1/3 от теплового сопротивления (R-значения) изолированной части стены. Этот метод обычно применим к внутренним стенам с небольшим или отсутствующим сопротивлением паропроницанию (например, при использовании волокнистой изоляции) и контролирует конденсацию из-за утечек воздуха и диффузии водяного пара. Такой подход гарантирует, что конденсация не будет происходить на или внутри парового барьера в холодную погоду. Правило 1/3:2/3 гарантирует, что температура парового барьера не опустится ниже температуры точки росы внутреннего воздуха и минимизирует вероятность проблем с конденсацией в холодную погоду. Например, при внутренней комнатной температуре 20 °C (68 °F) паровой барьер достигнет всего 7,3 °C (45 °F), когда наружная температура составляет −18 °C (−1 °F). Температура точки росы внутри помещения, скорее всего, будет около 0 °C (32 °F) при такой низкой температуре на улице, что значительно ниже прогнозируемой температуры парового барьера, и, следовательно, правило 1/3:2/3 достаточно консервативно. Для климата, где температура редко опускается ниже −18 °C, правило 1/3:2/3 следует изменить на 40:60 или 50:50. Поскольку температура точки росы внутри помещения является важной основой для этих правил, здания с высокой влажностью внутри помещений в холодную погоду (например, музеи, бассейны, увлажненные или плохо вентилируемые герметичные дома) могут потребовать других правил, как и здания с более сухой внутренней средой (например, хорошо вентилируемые здания и склады). Международный жилищный кодекс 2009 года содержит более сложные правила, определяющие выбор изоляции для наружных стен новых домов, которые можно применять при модернизации старых домов. Паропроницаемая ветрозащитная мембрана на внешней стороне исходной стены помогает защитить от ветра и позволяет стеновой конструкции высыхать наружу. Для этой цели доступны рубероид и другие продукты, такие как пористые полимерные материалы, которые обычно также служат водонепроницаемым барьером/дренажной плоскостью. Внутренние модернизации возможны, если владелец хочет сохранить старую внешнюю облицовку или если требования к отступам ограничивают пространство для внешней модернизации. Герметизация воздушного барьера более сложна, а непрерывность теплоизоляции нарушается (из-за многочисленных проходок для коммуникаций, перекрытий и инженерных систем); исходная конструкция стены становится холоднее в холодную погоду (и, следовательно, более подвержена конденсации и медленнее высыхает), жильцы испытывают значительные неудобства, а в доме уменьшается полезная площадь. Другой подход — использовать метод 1/3 к 2/3, упомянутый выше, — установить пароизоляционную мембрану внутри существующей стены (если ее там еще нет) и добавить изоляцию и опорную конструкцию внутри помещения. Таким образом, коммуникации (электричество, телефон, кабель и сантехника) можно проложить в новом пространстве стены, не нарушая воздушный барьер. Полиэтиленовая пароизоляция рискованна, за исключением очень холодных климатических условий, поскольку она ограничивает способность стены высыхать внутрь. Этот подход также ограничивает количество изоляции, которую можно добавить внутри помещения, относительно небольшим объемом (например, к стене 2×4 с R-значением 12 можно добавить только изоляцию с R-значением 6).

The term "superinsulation" was coined by Wayne Schick at the University of Illinois Urbana–Champaign. In 1976 he was part of a team that developed a design called the "Lo Cal" house, using computer simulations based on the climate of Madison, Wisconsin. Several houses, duplexes and condominiums based on Lo Cal principles were built in Champaign–Urbana in the 1970s. In 1977 the "Saskatchewan House" was built in Regina, Saskatchewan, by a group of Canadian government agencies. It was the first house to demonstrate the value of superinsulation publicly and generated much attention. It originally included some experimental evacuated tube solar panels, but they were not needed and were later removed. The house was heated primarily by waste heat from appliances and the occupants. In 1977 the "Leger House" was built by Eugene Leger, in East Pepperell, Massachusetts. It had a more conventional appearance than the "Saskatchewan House", and also received extensive publicity. and sometimes by building new exterior walls that allow more space for insulation. A vapor barrier can be installed outside the original framing but may not be needed. An improved continuous air barrier is almost always worth adding, as older homes tend to be drafty, and such an air barrier can be significant for energy savings and durability. Care should be exercised when adding a vapor barrier as it can reduce drying of incidental moisture or even cause summer (in climates with humid summers) interstitial condensation and consequent mold and mildew. This may cause health problems for the occupants and may damage the structure. Many builders in northern Canada use a simple 1/3 to 2/3 approach, placing the vapor barrier no further out than 1/3 of the R value of the insulated portion of the wall. This method is generally valid for interior walls with little or no vapor resistance (e. g., they use fibrous insulation) and controls air leakage condensation and vapor diffusion condensation. This approach will ensure that condensation does not occur on or to the inside of the vapor barrier during cold weather. The 1/3:2/3 rule will ensure that the vapor barrier temperature will not fall below the dew point temperature of the interior air and will minimize the possibility of cold weather condensation problems. For example, with an internal room temperature of 20 °C (68 °F), the vapor barrier will then only reach 7.3 °C (45 °F) when the outside temperature is at −18 °C (−1 °F). Indoor air dew point temperatures are more likely to be in the order of around 0 °C (32 °F) when it is that cold outdoors, much lower than the predicted vapor barrier temperature, and hence the 1/3:2/3 rule is quite conservative. For climates that do not often experience −18 °C, the 1/3:2/3 rule should be amended to 40:60 or 50:50. As the interior air dewpoint temperature is an important basis for such rules, buildings with high interior humidities during cold weather (e. g., museums, swimming pools, humidified or poorly ventilated airtight homes) may require different rules, as can buildings with drier interior environments (e. g., highly ventilated buildings and warehouses). The 2009 International Residential Code embodies more sophisticated rules to guide the choice of insulation on the exterior of new homes, which can be applied when retrofitting older homes. A vapor permeable building wrap on the outside of the original wall helps keep the wind out and allows the wall assembly to dry to the exterior. Asphalt felt and other products, such as porous polymer based products, are available for this purpose and usually double as the water resistant barrier/drainage plane. Interior retrofits are possible where the owner wants to preserve the old exterior siding or where setback requirements limit space for an exterior retrofit. Sealing the air barrier is more complex, and the thermal insulation continuity is compromised (because of the many partition, floor, and service penetrations); the original wall assembly is rendered colder in cold weather (and hence more prone to condensation and slower to dry), occupants are exposed to significant disruptions, and the house is left with less interior space. Another approach is to use the 1/3 to 2/3 method mentioned above—to install a vapor retarder on the inside of the existing wall (if there is not one already) and add insulation and support structure to the interior. This way, utilities (power, telephone, cable, and plumbing) can be added to the new wall space without penetrating the air barrier. Polyethylene vapor barriers are risky except in frigid climates because they limit the wall's ability to dry to the interior. This approach also limits the amount of interior insulation that can be added to a relatively small amount (e. g., only R 6 insulation can be added to a 2×4 R 12 wall).

Затраты и выгоды

В новых зданиях дополнительные затраты на теплоизоляцию и конструкцию стен могут быть компенсированы отсутствием необходимости в выделенной системе центрального отопления. Центральная печь часто оправдана или требуется для обеспечения достаточно равномерной температуры в домах с большим количеством комнат, более чем одним этажом, кондиционированием воздуха или большой площадью. Небольшие печи недороги, и обычно требуется хотя бы минимальная система воздуховодов в каждой комнате для обеспечения приточной вентиляции. Когда пиковая нагрузка и годовое потребление энергии невелики, дорогостоящие и сложные системы центрального отопления требуются лишь изредка. Следовательно, можно использовать даже электрические сопротивляющиеся нагреватели. Электрические обогреватели обычно используются только в холодные зимние ночи, когда общее потребление электроэнергии в доме невелико. Широко используются и другие резервные источники отопления, такие как пеллеты, дровяные печи, газовые котлы или даже традиционные печи. Стоимость модернизации до сверхтеплоизоляции следует сопоставить с будущей ценой на отопительное топливо (которая, как ожидается, будет колебаться из года в год из-за проблем с поставками, стихийных бедствий или геополитических событий), желанием снизить загрязнение от отопления здания или стремлением к исключительному тепловому комфорту. Во время отключения электроэнергии в сверхтеплоизолированном доме тепло сохраняется дольше, поскольку теплопотери значительно ниже, чем обычно, однако теплоемкость строительных конструкций и содержимого остается прежней. Неблагоприятные погодные условия могут затруднить восстановление электроснабжения, приводя к отключениям на недели и более. Когда обычные дома лишаются постоянного электроснабжения (либо для непосредственного отопления, либо для работы газовых печей), они быстро остывают и могут подвергаться повышенному риску дорогостоящего повреждения из-за замерзания водопроводных труб. Жители, использующие дополнительные методы отопления без должной осторожности во время таких ситуаций или в любое другое время, могут подвергнуть себя риску пожара или отравления угарным газом.