[ה בידוד] הוא אבן הפינה של עיצוב בניין יעיל באנרגיה, השפעה ישירה על חימום ועומס קירור, נוחות הדיירים ופליטות פחמן תפעוליות. כמו קודים בנייה גלובלית הידוק ואת דחיפה עבור מבנים אנרגיה אפסית, חומרים אינסטלציה קונבנציונליים כגון סיבים, מינרלים, ופוליקיקן הם יותר ויותר ממוסמכים או מוחלפים על ידי חלופות ביצועים גבוהים.

הפיזיקה של Superinsulation: למה Aerogels ו-VIPs Excel

העברה חום באמצעות בידוד מתרחשת באמצעות שלושה מנגנונים: התנהגות באמצעות חומר מוצק, התנהגות והדבקה דרך גז, וקרינה תרמית. insulators מסורתי להפחית התנהגות מוצקה באמצעות פיברנוס או מבני תאים מלאים באוויר, אבל שלב הגז עדיין תורם באופן משמעותי לזרימת חום. Aerogels ו-VIPs לתקוף את הבעיה מזווית אחרת: aerogels מדכא התנהגות גז על ידי שימוש במולקולות אוויריות, בעוד שגורמות לצמצום של חומרים של אנרקטיסים לחלוטין.

התוצאה היא מוליכות תרמית יעילה (λ) שיכולה להגיע נמוך כמו 0.004-0.012 W / (mK) עבור aerogels ו 0.002-0.008 W / (mK) עבור VIP בתנאים אידיאליים.עבור ההקשר, 10 מ"מ עבה יכול לספק את אותה התנגדות תרמית כמו 100-150 מ"מ של מינרלים.

תגית: a Deep Dive

מה הם Aerogels?

aerogel הוא חומר סינתטי נגזר מן ג'ל שבו מרכיב הנוזל הוחלף על ידי גז, משאיר רשת פתוחה מאוד, מקושרת מוצקה.התוצאה היא חומר כי הוא מעל 90-99.8% אוויר על ידי נפח, עם דגניות כמו נמוך כמו 0.003 גרם / CM3 (רק שלוש פעמים צפיפות האוויר).

כיצד Aerogels Achieve insulation יוצא דופן

המפתח להתנהלות תרמית הנמוכה של Aerogel הוא במבנה הנונומטרי שלה - באופן חד-משמעי 1–100 nm בקוטר, כי ה pores הם קטנים יותר מאשר הדרך החינמית של מולקולות אוויר (כ 70 nm בתנאים סטנדרטיים), מולקולות אוויר מתנדנדות לעתים קרובות יותר עם קירות פואר מאשר אחד עם השני, באופן משמעותי להפחית התנהגות גזית וזיהום זה ידוע כמו קן, במיוחד, או השפעה מוצקה של פחמן, או חום.

סוגים של Aerogels

  • (FLT:0) ,Silica aerogels:FreaLT:1 ; הנפוץ ביותר וכבדות נחקרים.הם שקופה, הידרופובי (אם טיפול על פני השטח), ומסוגלים עם טמפרטורות בעלות עד 650 מעלות צלזיוס (או גבוה יותר עם תוספים). Silica aerogels משמשים בחלונות בוהק, מערכות תאורה יום, ו piping תעשייתי.
  • (ב) דרבי:0) , (החלים: ⁇ ) דרבירד (ה) מ-Resorcinol-formaldehyde או מבשרי פחמן אחרים, אלה הם מוליכים חשמלית ולעתים קרובות בשימוש באלקטרודות, supercapacitors וקטאליזה שלהם הם גם גבוהים, אבל המיומנות האופטית שלהם הופכת אותם לבלתי מתאימים לחלונות.
  • (FLT:0) ארוגלים פולימר: 1 (FeloLT:1) בהתבסס על פולימאיד, פוליאורטאן או פולימרים אחרים, אלה האירוגליים מציעים גמישות מכנית גדולה יותר עמידות בהשוואה לארמיקה.
  • (ב) [ה] שילוב של אווירוגלי סיבים (למשל, סיבים, סיבים פחמן או סיבי קרמיקה) מייצר שמיכה גמישה שניתן לעטוף סביב צינורות או להתקין בסדקים.

תהליכי ייצור ואתגרים

ייצור Aerogel באופן מסורתי כרוך יבשה סופר קריטי כדי להסיר את הנוזל מן הג'ל ללא התנגשות הרשת המוצקה עדינה. Super Critical CO2 משמש בדרך כלל כי הטמפרטורה הביקורתית הצנועה (31 מעלות צלזיוס) להימנע השפלה תרמית של הג'ל.עם זאת, יבשה על קריטית היא אצווה-wise, איטי, אנרגיה-intensive, תורמת עלויות גבוהות - שמיכות אוויריות עלות ארבע פעמים יותר מאשר יחידות דלקתיות תרמיות של עמידות.

התפתחויות אחרונות כוללות ייבוש בלחץ (שמשתמשים בשינוי פני השטח כדי למנוע קריסת) ותהליכים מתמשכים לייצור אוויריגל גרניט.FLT:0) מחקר במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL)FLT:1 חקר שיטות כדי להפחית את העלות תוך שמירה על ביצועים.בנוסף, אבק וערעור הצטמצם על ידי צורות כוח רב עוצמה ופולימרים חוצה, בדרך כלל מוצדקת, למרות שיפורים של חומר מבוזר, אך ורק שיפורים.

יישומים מעבר לבניית Insulation

(אירוgels) אינם מוגבלים לבניינים.In aerospace, הם שימשו על ידי נאס"א עבור בידוד Cryogenic ו עבור לכידת אבק באט (משימה תעשייתית) בתעשיית הנפט והגז, שמיכה גל במחסנים תת-ימיים וקווי קיטור.הם נמצאים גם בבגדים חיצוניים, נעליים ביצועים גבוהים, ואפילו תחת פיקוח על חליפות חלל.

פאנלים של Vacuum Insulation Panels (VIPs)

כיצד לוחות Vacuum פועלים

לוח בידוד של ואקום מורכב מחומר ליבה ⁇ ⁇ בתוך מעטפה גבוהה-ברירה מתחת לוואקום של בדרך כלל 1-10 פא (0.01-0.1 mbar) על ידי הסרת רוב מולקולות הגז, VIP כמעט לחסל את המוליכים גזיים וזיהום, משאיר רק מוליכות מוצקה דרך הליבה והעברה קורנטיבית.

חומרי קיר וסרטי מחסום

הבחירה של חומר הליבה משפיעה מאוד על הביצועים והעמידות. Fumed silica VIPs להשיג את מוליכות תרמית הנמוכה ביותר (λ - 0.004-0.005 W / (mK) בתחילה) והם חזקים יחסית נגד עלייה בלחץ, אבל הם יקרים.Precipitated silicas הם זולים יותר אבל יש מעט יותר מוליכות מוליכות פוליאורטי הם העלות היעילה ביותר אבל הם רגישים יותר להפסדים גמישים כמו מתכת-FD.

ייצור וטכנולוגיות חותם

ייצור VIP כרוך להרכיב את חומר הליבה, encapsulating אותו בסרט המחסום, evacuating את הלוח, ואת חימום הים המעטפה תוך ריק. התהליך דורש שליטה מהירה תהליך כדי למנוע פיות או פגמים. קווי ייצור ניור להשיג תקופות של כמה דקות, ובדיקות איכות אוטומטיות (למשל, מדדי לחץ, ניתוח גז) להבטיח ביצועים עקביים, אך לא ניתן לשנות את דרישות העיצוב המדויקות או לשנות את המידות המדויקות.

שיקולים ארוכי טווח וארוכות

ביצועים VIP מתפוגגים לאורך זמן כי שום מחסום הוא מושלם גזים אטמוספריים ופרי מים בהדרגה חודרים דרך המעטפה, העלאת לחץ פנימי ועלייה בהתנהלות תרמית.התחזיות הרגילות לחיי שירות עבור VIP ביישומים בנייה הן 25-50 שנים, בהתאם לאיכות המחסום ולתנאי התפעול.מעצבים חייבים לקחת בחשבון עבור התנהגות תרמית, לעתים קרובות 0.007-0.012 W/m) לאחר LT2 שנים כראוי, לעומת 10 שנים ראשונות של הגנה מכנית על ידי הגנה מכנית על פני ה-0 מ-fcaps:

יישומים: מקרר, מבנים, תחבורה

VIP כבר בשימוש נרחב במקררים ומקפיאים, שבו הפרופיל הרזה שלהם מאפשר למקסם את שטח אחסון פנימי.בבניינים, הם הופכים נפוצים יותר בבניית בית פסיבי, מערכות קיר וילונות, ו רטרוfits של קירות דקים. לוחות Vacuum נמצאים גם במיכלים למשלוח עבור סחורות רגישות טמפרטורה, צינורות חימום מחוז, וכן בניהול תרמי עבור כלי רכב חשמליים.

ניתוח השוואתי: Aerogels vs. Vacuum Panels

ביצועים rmal

שני החומרים אינפורמטיביות קונבנציונלית, אבל VIP יש את קצה מוליכות תרמית גולמי מתחת ואקום.ההתנהגות של Aerogel היא בדרך כלל גבוהה יותר אבל יציבה יותר לאורך זמן כי זה לא להסתמך על ואקום נשמר. VIP לאבד ביצועים בהדרגה; aerogels לא. כי יישומים הדורשים את בידוד הדקה האפשרית (למשל, רטרוfiting מבנים היסטוריים עם עלייה מינימלית של VIP), הם לעתים קרובות דורשים סובלנות, או הקלה ביותר, או , עבור יישומים.

עלויות ויציבות כלכלית

שמיכות Aerogel עולות כיום עלות $50-$1.50 רגל על הסיפון (R-value per אינץ 'לכל רגל מרובע), בעוד VIP טווח מ $ 20-0.80 $ רגל על הסיפון בהתאם לסוג הליבה ונפח. שניהם יקרים יותר מאשר פוליסוציאורט או extruded עלות גבוהה מוצדק בפרויקטים מאומנים בחלל, אזורים בעלות אנרגיה גבוהה, או להשגת דרישות גבוהות יותר עלות אוויר יכול להיות ניתוחי חירום על ידי 10.

יציבות וארוכותיות

אירוביים עמידים מטבעם - הם לא מכים עם הזמן, עמידים לחות (אם הידרופובי), ויכולים לעמוד בעומסים מכניים בינוניים.עם זאת, הם שופעים בצורת רבת-עוצמה ועלולים אבק אם הוא מחוספס. סיבי-חילה שמיכה מוגבלת ל-Vicials עדיין לא גמישה יותר: המחסום יכול להיות מחוסן במהלך ההתקנה, ואפילו נזק יכול להוביל לאובדן מיקרוסקופי (0K) לאחר מכן הוא עדיין לא יציב.

שיקולים

ניתן לחתוך שמיכה של Aerogel עם סכין ולהוסיף צורות לא סדירות, מה שהופך אותם אידיאלי עבור piping, ductwork, ופרטי גג מורכבים.הם בטוחים יחסית לטפל (למרות כמה ניסוחים עלולים לגרום גירוי עור) VIP הם לוחות נוקשים כי יש להזמין גדלים מדויקים ולא ניתן לחתוך על אתרי אינטרנט; כל חיתוך יש לשבור את הריק.הם גם דורשים במיוחד מעוצבים כיתולים פערים כדי למנוע שילוב יעיל של צינורות, לעתים קרובות.

שילוב מתקדם לתוך בניין מודרני Envelopes

חידוש מבנים קיימים

מבנים קיימים רבים יש עומק חלל מוגבל עבור בידוד, מה שהופך את בידוד עבה מסורתי בלתי מעשי. Aerogel ששמיכות ניתן להחיל על קירות פנימיים עם אובדן מינימלי של שטח הרצפה, או כמו בידוד חיצוני תחת קלד חדש. VIP יכול לשמש רטרוfits שבו אפילו דקראז'ים יש צורך, כגון מאחורי רדיורים או פרטי צומת.

אסטרטגיות עיצוב בנייה

בבנייה חדשה, אדריכלים יכולים לעצב מעטפות בנייה לנצל את שני החומרים.לדוגמה, קיר בית פסיבי טיפוסי עשוי לכלול שכבת שמיכה אווירגל בצד החיצוני (לספק בידוד רציף ומשכיות מחסום אוויר) ו- VIP בתוך חלל הפנים של ערך R-ערך נוסף ללא עובי בנייה גדל.

מערכות היברידיות: שילוב של Aerogels ו-VIPs

שילוב שני החומרים באסיפה יכול להניב את הטוב ביותר של שני העולמות: VIPs לספק את ההתנגדות התרמית הגבוהה ביותר עובי, בעוד aerogels להתמודד עם הקצוות, חדירה, ולספק הגנה נוספת מפני אובדן ואקום.לדוגמה, סיפון גג יכול להיות מכוסה עם הליבה VIP מוקף aerogel פחות מ-Valphicicicicial הקיר, או מערכת מלאה עשויה להחליף VIP בתוך שכבת דלק רציף של ULT2Fer (ULT2) עם פחות סטנדרטית משאבים (Ver) מאשר HD2i) באופן תרמיל פחות מ-R) יעיל יותר מאשר HD2F2FR.

השפעות סביבתיות וקיימות

אנרגיה וחומרים

Aerogels יש אנרגיה גבוהה יחסית ממתאם בשל תהליך הייבוש העל-ביקורתי, למרות שיפורים שוטפים בחומרים מדכאים של אנרגיה ותהליך התחדשות אנרגיה מופחתת זה. Silica, חומר הגלם העיקרי, הוא בשפע ולא רעיל. VIP יש אנרגיה משמעותית מגולמת כראוי על מחסום אנרגיה ממוחזרת (השקעה מימית ופולימרים) ואת ייצור הליבה (במיוחד מטופחת אשר דורשות אח"כ קשקשים גבוהים מדי פעם אחת, אם כי הם בדרך כלל פחות זמן התאוששות חומר גלם).

סוף החיים והכלכלה המעגלית

Disposal הוא מאתגר. Aerogel שמיכה הם בדרך כלל לא רצויים, אבל חיזוק הסיבים עשוי לסבך מחזור. VIPs מכיל שכבות מתכת שקשה להפריד, ואת אובדן של ריק פירושו שהפאנל כבר לא סופרינסולטור. חלק יוזמות שמטרתן לעצב VIP עם ליבות ביו-דיד או מחסומים הניתנים לחזרה, אבל אלה עדיין לא מסחריים בפועל, הן יכולות להיות פעילות גופנית של פתרונות לטווח ארוך של מזון, כמו גם בעיות של מחזור חיים נמוכות.

מגמות שוק ו-Outlook

שיטות מחקר ופיתוח

R&D הנוכחי מתמקדת בהפחתה של עלויות, שיפור מכני, ושילוב משופר של קשקשים הייצור. עבור אירוגל, מאמצים כוללים ייצור רול-גלגל רציף של שמיכה דקות, שימוש במבשרים זולים, ושילוב עם חומרים של שינוי בשלב לאחסון תרמי. עבור VIP, התקדמות בקמפיינים - כגון סרטים מבוססי גרפן או ציפויים אטומיים - כלומר להשיג כמעט בלתי סבירים עבור טכנולוגיות אורגניות אחרות, אפילו יותר, כלומר, הוא שילוב של פיתוח היברידית, הוא יעיל יותר, כולל, הוא יעיל יותר, כולל פיתוח נוסף, הוא יעיל יותר, הוא יעיל יותר, כולל פיתוח היברידית, כולל שילוב של סוללות.

בצד האינטגרציה של הבניין, מערכות בידוד חכמות המשלבות חיישנים כדי לפקח על ביצועים תרמיים ויושרה ואקום הם אבטיפוס.מערכות כאלה יכולות להזהיר את מנהלי הבניין לספק תחזוקה מוקדמת, מרחיבות את החיים האפקטיביים של VIP.בנוסף, מבנים אווירוגל מודפס 3D נבדקים עבור גיאמטריה ארכיטקטונית מתאימה אישית.

ניהול מדיניות ואימוץ שוק

קודי אנרגיה מורכבים ברחבי העולם - כגון ביצועי האנרגיה של האיחוד האירופי של הוראה של מבנים, תקן הבית הפסיבי הבינלאומי, וכותרת 24 של קליפורניה - יוצרים ביקוש גובר עבור בידוד ביצועים גבוהים. הרבה תחומי שיפוט דורשים כעת ערכי U-value של 0.15 W / m2K) או נמוך יותר עבור בנייה חדשה, אשר לעתים קרובות דורש חומרים מתקדמים, במיוחד כאשר שטח הוא מוגבל, 000, 000 יעיל, 000, 000 יעיל, כמו גם עלות ייצור יעיל.

שוק האירוגל העולמי היה מוערך בכ-1.1 מיליארד דולר ב-2023 והוא צפוי לגדול ב CAGR של כ 15% עד 2030.שוק ה-VIP קטן יותר אך גדל באופן דומה, מונע על ידי בנייה ומגזרים לוגיסטיים של שרשרת קר.שני השווקים רואים תחרות גוברת מקהלות חדשות, אשר צריך להאיץ עוד יותר את הפחתת עלויות וזמינות המוצר.

מסקנה

לוחות בידוד ואקום מייצגים את הגבול של טכנולוגיית בידוד תרמי, המציע ביצועים יוצאי דופן כי הוא לעצב מחדש את מה אפשרי בתכנון בנייה יעילה אנרגיה. Aerogels להביא גמישות, עמידות וסובלנות לנזק, בעוד VIP לספק את הדקה האולטימטיבית עבור רכיבי VIP קריטיים בחלל, לא הוא תחליף אוניברסלי עבור אינסטלציה קונבנציונלית, אבל בשימוש אסטרטגי - אחד או בשילוב - הם מאפשרים בנייה מתקדמת של אתגרים מתקדמים, כמו גם לא לפתח יציבות גבוהה של תהליכים מתקדמים, אלא פיתוח, 000.