Passzívházak hőszigetelése nanotechnológiával előállított anyagokkal
VII. Passzívház Konferencia 2014.
Dr. Orbán József főiskolai tanár Pécsi Tudományegyetem
Passzívházak hőszigetelése nanotechnológiával előállított anyagokkal Dr. Orbán József főiskolai tanár Pécsi Tudományegyetem PMMIK
[email protected] 30/9473-406 Az építőipar területén alkalmazott hőszigetelő anyagok és hőszigetelési technológiák, elsősorban a levegő hőszigetelő tulajdonságát használják ki, és ma már elérték teljesítő-képességük határát. A hagyományos hőszigetelő anyagokkal, mint például expandált polisztirol- és kőzetgyapot lemezek, nehezen teljesíthetők az EU energiatakarékossági előirányzatai a jövőben. A nanotechnológiai eljárással létrehozott hőszigetelő anyagokban a nanoméretű struktúra miatt, a hőtranszport folyamatok csak fékezetten tudnak megvalósulni. A nanoméretű pórusossággal rendelkező anyagokban már nem a megszokott módon érvényesülnek a hő terjedésével kapcsolatos törvényszerűségek. Az ilyen hatékony hőszigetelő anyagok hővezetési tényezője akár = 0,001 W/mK érték is lehet. Az előadásban elemzésre kerülnek a nanoanyagok hőtranszport folyamatai, valamint választ keresünk arra, hogy az épületek utólagos hőszigeteléseként mikor alkalmazhatók a hőszigetelő festékek és vékonybevonatok.
Energiatakarékosság az épületek hőszigetelésével
Fokozottan hőszigetelt épületek falszerkezete
Igény a hőszigetelés hatékonyságának növelésére - A kis energiafogyasztású épületek igen hatékony hőszigetelést igényelnek. - 2021.-től nulla energiafogyasztású lakóépületek építhetők csak. - Falszerkezetek jelenlegi U = 0,45 W/m2K → U = 0,24 → 0,10 W/m2K A hőszigetelő anyagok (polisztirol, kőzetgyapot) hatékonyságának korlátai - a levegővel való hőszigetelés (teljesítőképességük határos) - vastagság növelés (EPS = 0,038 W/mK’ d=30 cm; VIP = 0,005 d=5 cm)
Nanoporózus aerogél hőszigetelő anyagok
Szilikát aerogél, mint hőszigetelő „szilárd levegő”
A szilícium dioxid alapú nano gömbök pókháló szerkezete: A molekuláris szerkezetű nanopórusos anyag előállítása: - SiO2 + H2O (vízüveg) összekeverik nagy nyomáson - a vízmolekulákat kicserélik cseppfolyós földgázzal - normális légköri nyomáson a gáz eltávozik, molekula nagyságú nano-pórusokat hagyva maga mögött (pórusméret 5 ÷ 100 nm) A szilikát aerogél szilárdhab tulajdonságai: - szuperkönnyű: t = 1,9 kg/m3 = 0,013 W/mK’
A szilikát aerogél nanopórusos szerkezete
Hőközlési módok az aerogélben (hőtranszport folyamatok): 1 Hővezetés: Részecskéről részecskére, rezgő mozgással adódik át a hő.
Dielektrikum, rácsrezgés, (A) amplitúdó, (e ) elektronok, „fotonok” A „zsákutcás” molekulaláncban korlátozott a fonon-hőtranszport. ’
2 Hőáramlás: Mozgó anyagrészecskék (folyadék, gáz) közvetítik a hőt.
A nanopórusokban nincs konvekciós hőáramlás. Knudsen-hatás (d
3 Hősugárzás: Az elektromágneses sugárzás (fotonok,hullámok > d).
A hősugarak abszorbeálódnak (reflexió, szétszóródás).
Spaceloft aerogél hőszigetelő paplan alkalmazása
Aerogél hőszigetelő paplan tulajdonságai: - üvegszövet térhálóba ágyazott aerogél lemez - hatékony hőszigetelés = 0,013 W/mK’ - víztaszító, és páraáteresztő - vakolható és öntapadó Felhasználás: - passzívházak - hőhidak szigetelése - műemléki épületek
Nanogel aerogél hőszigetelő üveg alkalmazása
Nanopórusos aerogél hőszigetelő üveg - SOLERA (üvegpor) + NANOGEL (aerogél) hőszigetelő, napfényáteresztő épületszerkezeti üvegelem. Tulajdonságok: - = 0,009 ÷ 0,012 W/mK’ - napfényvilágításnál áttetsző - könnyű, porozitása 97% Alkalmazás: - létesítmények hőszigetelő bevilágítása - válaszfalak és erkélykorlát elemek
CABOT nanogel aerogel
Nanotechnológiás hő- és vízszigetelő bevonatok
Nansulate® HomeProtect “nanohab”
Nansulate® Crystal víz- és hőszigetelés
A Nansulate® nanoporózus bevonati réteg hőszigetelési elve: - Sok „zsákutca” gátolja a hőátadást ( = 0,017 W/mK ). - A “nanohab” üregei kisebbek, mint a bennük levő gázmolekulák szabad ütközéséhez szükséges út hossza (Knudsen hatás). ’
Hőszigetelő tulajdonságú festékek és vékonybevonatok vtg.= 200 nm
ThermoShield Protektor TSM Ceramic
Ø = 5 ÷ 60 m vtg.= 0,3 ÷ 2,0 mm
A kerámia „gömbök” és hőszigetelési mechanizmusuk
A reflektáló „hőtükör” felületeken korlátozott a hőátadás (reflexió). Az üreges kerámiagömbök belsejében „viszonylagos vákuum” van. Gömbökben a hőközlési módok fékezetten érvényesülnek. A hővezető képességet befolyásoló tényezők: 0 1 2 3
Külső hősugárzás csökkenése: 60÷80%-os reflexió „hő-tükör” felület Hővezetés csökkenése: dielektrikum, kicsi az érintkezési felület Hőáramlás (konvekció) csökkenése: belül vákuum tér van Belső tér hősugárzásának csökkenése: reflexió, „hő-tükör” felület
A hőszigetelő festékek és vékonybevonatok tulajdonságai A hőszigetelő festékbevonat jellemzői: A bevonat hőszigetelő képessége nem állandó, mint pl. Polisztirol = cost. A reflektáló festékbevonat hatékonysága változó: °C; réteg vtg. függvényében - a bevonat hatékony alkalmazása: t > 200°C sugárzásos hő (űrben) - energia megtakarítás nem arányos a vastagsággal: 0,25 mm vtg. 15% 1,00 mm 40% Nagy szerepe van a reflexiónak, abszorciónak és emissziónak: - reflexiós ( ) és emissziós (’) tényezők << 1250°C A bevonat értéke közvetlenül nem mérhető - névleges = 0,001÷ 0,017 W/mK’ (épületenergetikai modellen visszaszámolva) - hőátadási tényező = 2 W/m2K << 8 W/m2K - hőelvezetési tényező (képesség) << tömör anyag ’
Alkalmazás: - Műemléki épületek hőszigetelése, hő-híd megszüntetés - Belső oldali hőszigetelés, fa épületek hőszigetelése - Energia megtakarítás kb.: 20÷50% U = 1,0 W/m2K > 0,7 W/m2K n= 0,001 W/mK (? mm) - Kőzet gyapot = 0,04 W/mK (12 cm) ’
Hőszigetelő festékek és vékonybevonat termékek ThermoShield „hőpajzs” (hőszigetelő festék) (USA, Német) Műszaki adatok: - rétegvastagság: kb. 0,3 mm - névleges = 0,0014 W/mK Kötőanyaga: - vízzel hígított akrilgyanta polimer - fehér pigmentek: TiO2 és Al’(OH)3 Protektor hőszigetelő festékrendszer, bevonat Üreges kerámiagömböket (Ø20÷120 m) tartalmazó falfesték. Jellemzők: névleges = 0,0014 W/mK reflexió: 60÷ 80% energia megtakarítás: 20÷50% TSM Ceramic hőszigetelő bevonat (Orosz, Ukrán) Igen hatékonyan szigetelik a sugárzó hőt (25 ÷ 30%) Jellemzők: névleges = 0,001÷0,0017 W/mK hőátadási tényező: e= 1,3 ÷ 2,0 << 8 W/m2K Thermo-S kerámia hőszigetelő bevonat Rétegvastagság: 0,5 ÷ 2,0 mm homlokzatra és betonra.
Nanotechnológiás vákuum hőszigetelés
VIP panel: VARIOTEC, QASA, Bauder
Vákuumpanel szerkezete
Redőnytok és tetőfödém hőszigetelés
VIP vákuum hőszigetelő panelek: - Nanoméretű (SiO2) porból préselt „fenyőfák halmaza” (a nanopórus szerkezetben kevés a hőátadási pont) - A pórusok mérete gátolja a hőáramlást és a hősugárzást. - A panel vákuumozása (5 mbar belső nyomás).
U=0,29
Műszaki adatok: t = 160 kg/m3 Nyomószilárdság: 200 kPa (lépésálló) = 0,019 W/mK → vákuumozva: = 0,005 W/mK Alkalmazás: utólagos épület-felújítások, hő-hidak, bejárati ajtók, redőnytok alacsony energiafogyasztású ház U = 0,1W/m2K (5 cm vtg.)
A nanotechnológiás hőszigetelés jellemzői 1. A nano-pórusossággal rendelkező anyagokban és a kerámia gömbökben, már nem a megszokott módon érvényesülnek a hő terjedésével kapcsolatos törvényszerűségek (pl. Fourier egyenlet). Nagy a szerepe a reflexiónak. 2. A mikro- és nano porozitás esetén, az anyagok hővezetési tényezője, nem arányos a testsűrűséggel, mint a legtöbb építőanyagnál. 3. A „” értéke közvetlenül nem mérhető, névlegesnek kell tekinteni. A hőtechnikai jellemzők méréstechnikáját a jövőben még ki kell dolgozni. 4. A nanoporózus- és tükörreflexiós anyagokkal bevont falszerkezetek hőátbocsátási tényezőjét (U) nem a hagyományos módon kell számítani. A hőfizikai számításokat az épületenergetikai modelleken végzett vizsgálatok adataival célszerű helyettesíteni. 5. A műemléki épületek energiatudatos felújítását meg kell, hogy előzzék az energetikai- és épületdiagnosztikai vizsgálatok. Megjegyzés: Az előadásban ismertetett nanoporózus anyagok hőtranszport folyamatai, hipotézis jellegűek, ezért a jelen közleményben nem kerültek ismertetésre. A nanotechnológia építőipari alkalmazási lehetőségeit részletesen bemutató közlemények és kiadványok, egyéni megkeresésre elérhetők.
