Антропогенные факторы продолжают сохранять своё воздействие на климат уже несколько тысячелетий, а энергоэффективность в застроенной среде стала актуальной из-за роста населения, возросших требований к жилью и большего спроса на энергию. Кроме того, последствия текущего климатического кризиса влияют на здания, создавая сдвиги в нагрузках на охлаждение и отопление, снижая комфорт в помещении и увеличивая риск развития интерстициальной конденсации, деградации материалов и образования плесени. Учёные определяют необходимость снижения эксплуатационного энергопотребления зданий примерно на 35 % от текущего уровня для достижения глобальных целей декарбонизации атмосферы Земли. Существует множество методов повышения эффективности и комфорта зданий. Однако наиболее распространённым является добавление теплоизоляции к существующим конструкциям.
Теплоизоляционные материалы обладают высокой устойчивостью к теплопередаче и используются в ограждающих конструкциях зданий, для предотвращения теплопередачи от внутренних помещений наружу при наступлении неблагоприятных климатических условий. Распространённые на рынке изоляционные материалы являются конечными или производными от ископаемого топлива, такими, как, например, каменная вата, стекловолокно, вспененный (EPS) или экструдированный полистирол (XPS). Хотя они широко доступны, они получены из невозобновляемых ресурсов, а кроме того, на их производство ещё уходит сравнительно много электроэнергии. Особое внимание следует уделять ещё гигротермическому поведению изоляции в различных местах внутри оболочки здания. Непроницаемые теплоизоляционные материалы могут запирать влагу и воздух внутри здания с деревянным каркасом, что потенциально снижает его долговечность, а в противном случае может негативно влиять на производительность системы отопления. Растущий интерес к использованию возобновляемых природных ресурсов привели к проведению целого ряда исследований с целью определения того, являются ли утеплители на основе натуральных волокон подходящими альтернативами.
В последние годы особое внимание уделяется разработке и использованию изоляционных материалов, которые обладают гигроскопическими характеристиками для смягчения проблем с влажностью и повышения комфорта для жильцов. Изоляционные материалы на основе натуральных волокон (т. е. на биологической основе), такие, как древесноволокнистая изоляция (англ. WFI wood-fiber insulation), привлекают внимание своей лёгкостью в производстве, эксплуатационными характеристиками и применением в ограждающих фасадных конструкциях зданий. Однако исследование по адаптации этого материала в системах деревянных каркасов и крыш ограничено, поскольку он сравнительно новый и занимает менее 10 % доли рынка теплоизоляции.
Повышение эффективности достигается пока, в основном, за счёт изменений в устройстве фасадного утепления, механических систем, а также элементов электроснабжения и освещения. Тем не менее, благодаря появлению новых материалов, типовые строительные нормы показывают, что потребление энергии на квадратный метр снизилось более чем на 40 % за четыре десятилетия. Глобальное движение за изменение методов строительства в сторону энергоэффективных и ресурсоэффективных методов находится в процессе активной реализации, но с нынешними производными продуктами нефтепереработки в качестве стройматериалов, свой потенциал они уже практически исчерпали.
Натуральные материалы в качестве теплоизоляции использовались на протяжении столетий, но с развитием химических производств человечество переключилось на использование продуктов нефтепереработки. И только в последнее время опять наблюдается всплеск интереса к использованию органических природных материалов, но с улучшением их характеристик, чтобы конкурировать с неорганическими.
Различные натуральные компоненты (дерево, конопля, кенаф, хлопок, лен и шерсть) в настоящее время используются для изготовления изоляционных изделий по новым технологиям. Достижимая низкая теплопроводность синтетических материалов пока недостижима для теплоизоляционных изделий на основе натуральных волокон. Но уже ненамного им уступает. Первые имеют низкую теплопроводность и небольшой диапазон изменяемых значений, тогда как натуральные изоляционные материалы демонстрируют большие колебания от изменения температуры и влажности. Это может быть обусловлено рядом факторов: изменчивостью/неодинаковостью исходного сырья, разницей в плотности, типом добавок, процессом производства, свойствами гигроскопичности и т. д. В настоящее время мировая доля изоляции на основе натуральных волокон составляет менее 10%. Из этих 10% почти 6% составляют древесноволокнистые материалы, 3% — целлюлозные волокна, а последний 1% — другие продукты.
Доступность исходного сырья и затраты (как на производство, так и на транспортировку) остаются ключевыми факторами в масштабируемом внедрении изоляции на основе натуральных волокон. Лесная биомасса, в отличие от сельскохозяйственной, может приобретаться круглый год, без зависимости от отдельных периодов роста/сбора урожая и, следовательно, может поставляться непрерывно в течение всего года. Тем более, что нет очень жёстких требований и ограничений к хранению для круглогодичного производства. Регионы с достаточными ресурсами биомассы и спросом на большие отопительные нагрузки лучше всего подходят для использования и развития производства древесноволокнистой теплоизоляции. Сибирь, Дальний Восток особенно хорошо подходят с учётом их потребностей и доступности сырья, однако другие регионы также выиграют от использования этих типов изоляции по всей стране.
Все древесные продукты, как правило, оказывают меньшее вредное экологическое воздействие, чем неорганические материалы, в основном из-за меньших объёмов энергии, требуемых при добыче и производстве. Преимущества связывания углерода в течение жизненного цикла целлюлозного материала могут значительно различаться между продуктами. Различия в процессах сбора и производства, а также учёт биогенного углерода могут привести к расхождениям в воплощённой энергии и экологических показателях.
WFI выпускается в различных формах для конкретных применений. Сыпучая фракция применяется для засыпки — она хорошо подходит для чердаков и мест, где установка жёсткой или ваточной изоляции будет затруднена. Ваточная или гибкая, полужёсткая плита используется в полостях стоек, стропил и балок в стенах, полах, потолках и чердачных помещениях. С некоторыми ограничениями её можно использовать при утеплении лоджий. Такая теплоизоляция в виде ваты может быть быстро установлена, благодаря своей гибкости, а также тому, что производится в длинах и ширинах, которые соответствуют стандартам строительства зданий. Жёсткая плита используется в системах утепления стен, крыш и полов в качестве непрерывного слоя.
ДВИ может быть изготовлена из различных пород, как правило, ели или пихты, мокрым или сухим способом. Влажное производство плит использует древесную щепу и стружку, которые были очищены до волокон, а потом смешаны с водой и добавками, такими как парафин или специальный клей. Эта смесь формируется в мат и механически прессуется для удаления примерно половины воды. Затем мат нагревается до диапазона 160–220 °C. При этих температурах лигнин, присутствующий в древесных волокнах, размягчается и действует как естественное связующее вещество. Из-за нагрева до сравнительно высоких температур, нельзя использовать синтетические клеи в качестве части производства древесноволокнистой изоляции, но не все производители выдерживают правильную технологию.
А вот сухой процесс предполагает использование древесных волокон, которые были высушены и смешаны с полиуретановыми клеями перед формированием панели. Сформированные панели могут быть отверждены под воздействием тепла и/или пара, либо очень горячего воздуха, в зависимости от типа применяемого клея. Гибкий войлочный материал производится с помощью процесса, аналогичного сухому процессу. Панели отверждаются только с использованием горячего воздуха и удерживаются вместе с помощью полиолефиновых волокон, которые плавятся при нагревании, что позволяет мату быть гибким. Сыпучий наполнитель состоит из высушенных волокон, которые не подвергаются процессу формирования. Различные химические антипирены могут быть добавлены во все типы WFI. Физические и гигротермические свойства (плотность, пористость, теплопроводность и сорбция влаги), различаются в зависимости от производственного процесса.
Законы физики таковы, что многие характеристики теплоизоляции зависят от плотности материала. Теплопроводность — это мера скорости, с которой тепло проходит через материал, при этом изоляционные материалы имеют низкие значения. Это явление возникает из-за увеличения взаимодействия молекул по мере конденсации матрицы, что приводит к более высокой кондуктивной теплопередаче. Эта тенденция не сохраняется при сверхнизких плотностях, где как лучистая, так и конвективная теплопередача становятся более значимыми. высокопористых материалах могут возникать конвективные потоки, эффективно увеличивающие скорость теплопередачи. У древесно-волокнистых изоляционных плит с плотностью от 50 до 180 кг/куб.м показывает низкий диапазон теплопроводности 0,038–0,055 Вт/мК, что характеризует их по классификации, как умеренные эффективные.
Изотермическое поведение сорбции влаги древесиной и древесными материалами относится к способности древесины поглощать или десорбировать водяной пар из окружающей среды. Изотерма сорбции влаги представляет собой соотношение между относительной влажностью (RH) и равновесным содержанием влаги (EMC) древесины при постоянной температуре. EMC древесины ниже при поглощении, чем при десорбции, создавая то, что известно, как петля гистерезиса, которая в основном вызвана капиллярными силами в просвете клетки, набуханием клеточной стенки и участками связывания воды в древесине. Эти свойства влияют на перенос влаги через оболочку здания, явление, известное как буферизация влаги. Изотермы сорбции влаги также являются ключевыми входными данными при моделировании гигротермического поведения компонентов теплозащитной оболочки здания.
WFI состоит из волокон, полученных в результате процесса механической очистки, процесс измельчения которых не изменяет клеточную микроструктуру и состав. Однако производственный процесс, включая формирование панелей, отверждение клея и добавление клея, парафинового воска и/или боратов, может влиять на пористость и взаимосвязь пор, что приводит к различным характеристикам поглощения и десорбции WFI. Возможность изменять характеристики, связанные с влажностью, представляет собой потенциал для адаптации материалов к определённым показателям влажности.
Высокая проницаемость ДВИ оказывает положительное влияние на условия влажности внутри каркасного дома, предотвращая накопление и ограничивая быстрые изменения относительной влажности внутри здания. Гигротермические характеристики материалов на основе биоматериалов могут быть полезными, если учесть их способность буферизации влаги и высокую паропроницаемость. Паропроницаемость этого материала позволяет водяному пару свободно проходить через него, позволяя ему мигрировать как внутрь, так и наружу конструкции. Способность буферизации влаги помогает уменьшить скачки относительной влажности и температуры в течение суточного цикла. Оценка и моделирование продемонстрировали способность WFI быстро адаптироваться к условиям влажности и перераспределять накопление тепла внутри помещения.
Измерение энергоэффективности, как для отопления, так и для охлаждения, оценивалось в двух климатических условиях (Средняя полоса России и Сибирь) с использованием WUFI Plus (с включённым потоком влажного воздуха и без него). При этих условиях был сделан вывод, что все варианты модернизации действительно привели к снижению потребления энергии, однако гибкая вата толщиной 12 см привела к наибольшей эффективности. Общее потребление энергии для всех типов изоляции было выше, когда была включена передача влаги, что демонстрирует необходимость включения гигроскопических свойств и условий в моделирование для полной оценки производительности здания.
WFI остаётся новым продуктом из-за ограниченной доступности и, как правило, более высокой стоимости, по сравнению с синтетическими. Продвижение на рынок представляет, как проблемы, так и возможности, при этом многие барьеры для внедрения аналогичны ограничениям для массовых лесоматериалов. Но в основном, проблема пока заключается в том, что из-за нового статуса этого экологически чистого материала проектировщики и подрядчики мало знают о его существовании — это препятствуют широкому распространению. А из-за специфичной гигроскопичности некоторых разновидностей требуется глубокое понимание баланса тепла и влаги в системе здания. Это требует разработки программ обучения для проектировщиков, установщиков, подрядчиков, инспекторов и т. д. для обеспечения надлежащего использования этих продуктов.
