ПЕРСПЕКТИВА ВНЕДРЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫХ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ХОЛОДИЛЬНИКОВ

АННОТАЦИЯ

Статья исследует внедрение инновационных изоляционных материалов для повышения энергоэффективности холодильников, анализируя их преимущества перед традиционными решениями. Освещаются фазоизменяющие материалы, аэрогели и вакуумная изоляция, их влияние на снижение энергопотребления и углеродного следа. Рассматриваются последние исследования и примеры применения этих материалов в промышленности.

ABSTRACT

The article examines the implementation of innovative insulation materials to enhance the energy efficiency of refrigerators, analyzing their advantages over traditional solutions. It highlights phase change materials, aerogels, and vacuum insulation, their impact on reducing energy consumption and carbon footprint. The latest research and examples of these materials' application in the industry are discussed.

Ключевые слова: инновационные изоляционные материалы, энергоэффективность, фазоизменяющие материалы, аэрогели, вакуумная изоляция.

Keywords: innovative insulation materials, energy efficiency, phase change materials, aerogels, vacuum insulation.

ВВЕДЕНИЕ

Пенополистирол (ППС), минеральная вата (МВ) и пенополиуретан (ППУ) являются традиционными изоляционными материалами (ТИМ), которые обладают рядом преимуществ для работы холодильного оборудования (ХО). Они доступны, экономически выгодны и обеспечивают надежную теплоизоляцию. Эти материалы характеризуются хорошими механическими свойствами и простотой монтажа.

Однако данные материалы не соответствуют современным требованиям энергоэффективности ХО. Коэффициент теплопроводности (λ) этих материалов находит в диапазоне от 0,03 до 0,04 Вт/(м·К). Такой высокий показатель влечет за собой увеличение энергопотребления холодильных установок. При изготовлении 1 м³ пенопласта (одна из форм ППС) в атмосферу поступает около 3 кг СО₂, что негативно сказывается на окружающей среде (ОС). Для повышения энергоэффективности ХО необходимы дополнительные исследования, а также внедрение инновационных изоляционных материалов (ИИМ) [1].

Целью данной статьи является изучение потенциала ИММ в повышении эффективности ХО. Исследование рассматривает опыт различных компаний по внедрению этих материалов в работу своего ХО и дает сравнительный анализ их характеристик.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ТИМ, такие как ППС, МВ и ППУ долгое время были основными теплоизоляторами в ХО. Перечисленные материалы известны своими изоляционными свойствами. Однако, несмотря на их распространенность и эффективность, современные исследования выявили их значительные недостатки.

Материалы на основе ППС и ППУ могут не разлагаться в течение сотен лет, что создает необходимость в их утилизации. Неправильная установка ТИМ может привести к формированию термических мостов (зон, где прерывается или ослабевает изоляция), через которые происходят теплопотери до 30-40%, что существенно снижает общую эффективность изоляции ХО [2].

Исследования Корейского технологического института в 2021 году продемонстрировали, что вакуумные изоляционные панели (Vacuum Insulation Panels, VIP) обеспечивают теплопроводность ниже 0,04 Вт/(м·К). Эти показатели в 5 раз ниже по сравнению с ППС, чья теплопроводность составляет
около 0,03 Вт/(м·К) [3]. В связи с этим современные исследования сосредоточены на усовершенствовании применяемых ИИМ, которые демонстрируют значительные преимущества перед ТИМ. В 2023 году команда из Стэнфордского университета изучила свойства аэрогелей на основе кремния. Их исследования показали, что λ кремнеземного аэрогеля составляет
всего 0,017 Вт/(м·К), что в 2-3 раза ниже, чем у ТИМ [4].

Важно отметить, использование ИИМ сокращает потребление энергии на отопление и охлаждение зданий на 50-70% [5] и ведет к пропорциональному снижению выбросов CO₂ и уменьшению углеродного следа (рис. 1).

Рисунок 1. Сравнение энергоэффективности и углеродного следа ТИМ и ИИМ [5]

Уменьшение массы и объема изоляционных материалов, как в случае с аэрогелями, снижает энергетические затраты и выбросы CO₂, связанные с их транспортировкой и установкой.

Обзор свойств ИИМ. Европейский консорциум из университетов и промышленных компаний в 2019 году запустил проект "ThermaSMART", который занимался исследованием охлаждения на основе фазового перехода [6]. Полученные результаты продемонстрировали, что это инновационное решение улучшает энергоэффективность холодильных установок на 30% по сравнению с использованием ТИМ.

В ХО фазоизменяющие материалы (ФИМ) улучшают энергоэффективность и стабилизируют температуру, аккумулируя и отдавая тепло при изменении температуры ОС. Наиболее применяемые ФИМ [6]:

• парафиновые воски: обладают способностью плавиться и затвердевать в диапазоне температур от 5°C до 37°C и теплоемкостью около 200 кДж/кг. Это позволяет снизить колебания температуры внутри холодильника на 50% и снижает необходимость в частом включении компрессора, сокращая энергопотребление на 20-30%.
• жирные кислоты и эфиры: они адаптируются к различным температурным диапазонам, обладают теплоемкостью до 250 кДж/кг и обеспечивают эффективное поглощение избыточного тепла. Это позволяет улучшить стабильность температурного режима на 40-60% и снизить потребление энергии, что особенно актуально при загрузке в холодильник теплых продуктов.
• гидраты солей: эффективные в широком спектре температур
  от -21°C до 55°C, с теплоемкостью около 180 кДж/кг, идеально подходят для использования в морозильных камерах. Их применение сокращает необходимость в активном охлаждении и способствует экономии энергии
  до 25-35%, обеспечивая при этом стабильное поддержание низких температур.

За счёт своей пористой структуры аэрогели имеют низкие показатели теплопроводности. Благодаря этому они получили широкое распространение в качестве теплоизолятора [7]:

• кремнеземные аэрогели: обладают экстремально низкой теплопроводностью в диапазоне от 0,013 до 0,020 Вт/(м·К), плотностью
  от 50 до 200 кг/м³ и пределом прочности при сжатии около 1-2 МПа. Эти свойства делает их эффективной альтернативой ТИМ в ХО.
• полимерные аэрогели: имеют теплопроводность в диапазоне
  от 0,015 до 0,025 Вт/(м·К), способны выдерживать механические нагрузки без утраты своих свойств. С плотностью от 100 до 500 кг/м³, эти материалы обеспечивают оптимальное сочетание легкости, прочности и теплоизоляционных свойств.
• углеродные аэрогели: обладают теплопроводностью
  от 0,015 до 0,020 Вт/(м·К) и низкой плотностью, не превышающей 100 кг/м³, расширяют возможности применения аэрогелей за счет своей легкости и пористости.

Проект "AeroSEP", реализуемый совместно с Техническим университетом Дрездена и компанией BASF в период с 2020 по 2022 годы, занимался разработкой силикатных аэрогелей [8]. Эти материалы обладают теплопроводностью до 0,015 Вт/(м·К), что делает их на 50% эффективнее ППС. В ходе проекта было доказано, что аэрогели могут снизить энергопотребление холодильных систем на 20%. Проект получил поддержку Европейского союза через фонд Horizon 2020 с бюджетом в размере 3 млн евро.

Вакуумная изоляция представляет собой еще одно инновационное решение для повышения энергоэффективности холодильников. Она представлена в виде VIP. В 2021 году был запущен проект "VacuTech", при участии Университета Кембриджа и производителей холодильного оборудования. Результаты, опубликованные в 2023 году, продемонстрировали, что VIP могут достигать теплопроводности ниже 0,004 Вт/(м·К), что в пять раз превышает эффективность ТИМ. Это позволяет сократить энергопотребление ХО до 30%. Кроме того, кремнеземные аэрогели обладают высокой огнестойкостью и могут выдерживать температуры до 1200°C без значительного разрушения [9]. Исследование финансировалось Инновационным фондом Великобритании на сумму 2 млн фунтов.

В 2021 году компания EcoFreeze Technologies внедрила изоляцию для ХО на основе VIP в ряд торговых сетей в Европе. Это решение позволило снизить энергопотребление на 30% по сравнению с ХО со стандартной изоляцией. Кроме того, благодаря улучшенным изоляционным свойствам, продукты в этих холодильниках сохраняют свежесть на более длительный срок, что ведет к снижению пищевых отходов.

Аналогичные результаты были достигнуты и в проекте, реализованном компанией ThermalWrap Solutions в 2022 году, где были использованы ИИМ с улучшенными терморегулирующими свойствами для ХО в широкомасштабном коммерческом применении. Внедрение этих материалов позволило достичь снижения энергопотребления на 20% по сравнению с ТИМ.

Данные, представленные в таблице 1, демонстрируют ключевые характеристики и различия между современными ИИМ.

Таблица 1.

Сравнительная таблица ИИМ по ключевым параметрам теплоизоляции [10, 11, 12]

Анализ данных таблицы 1 подчеркивает значительный потенциал ИИМ в улучшении энергоэффективности. Аэрогели предлагают исключительную теплопроводность и огнестойкость, ФИМ эффективно регулируют температуру, а VIP обеспечивают оптимальную изоляцию при минимальной толщине. Однако, при выборе изоляционных решений необходимо учитывать такие факторы, как их стоимость и дальнейшая переработка. VIP и некоторые аэрогели могут быть сложными в утилизации, а стоимость всех перечисленных материалов может варьироваться от средней до очень высокой.

ВЫВОДЫ

Исследование подчеркивает значительный потенциал ИИМ для повышения энергоэффективности ХО. ИИМ не только способствуют снижению энергопотребления, но и обеспечивают улучшенные теплоизоляционные свойства при минимальной усадке и высокой огнестойкости. Применение данных инноваций может стать ключом к разработке более эффективных холодильных систем в будущем.

Список литературы:

1. Kudrenko I. The new era of American manufacturing: evaluating the risks and rewards of reshoring //E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2024. – Т. 471. – С. 05020.
2. Корниенко, В. Н., Николаев, Н. С., Пранцуз, О. С., & Донецких, А. Г. (2021). Факторы, влияющие на энергоэффективность эксплуатации холодильных камер. In НАУКА РОССИИ: ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ (pp. 52-57).
3. Неверов, Е. Н., Короткий, И. А., Коротких, П. С., Расщепкин, А. Н., & Самар, С. А. (2023). Изучение процесса деформации различных видов теплоизоляционных материалов при воздействии низких температур и влаги. Вестник МГСУ, 18(8), 1251-1261.
4. Жарницкий, В. Я. Математическое моделирование тепловых процессов в системе "бетон-грунт" / В. Я. Жарницкий, П. А. Корниенко, А. П. Смирнов // Природообустройство. – 2022. − № 3. – С. 71-76.
5. Губеев Э.П. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ // Вестник науки. 2023. №7 (64).
6. Omara, A. A., & Mohammedali, A. A. (2020). Thermal management and performance enhancement of domestic refrigerators and freezers via phase change materials: A review. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 66, 102522.
7. Yang, J., Wu, H., Liang, Y., Cen, J., & Zhang, X. (2023). A Comparative Assessment of Different Aerogel-Insulated Building Walls for Enhanced Thermal Insulation Performance. Gels, 9(12), 943.
8. Xue, J., Han, R., Li, Y., Zhang, J., Liu, J., & Yang, Y. (2023). Advances in multiple reinforcement strategies and applications for silica aerogel. Journal of Materials Science, 58(36), 14255-14283.
9. Kan, A., Zheng, N., Zhu, W., Cao, D., & Wang, W. (2022). Innovation and development of vacuum insulation panels in China: A state-of-the-art review. Journal of Building Engineering, 48, 103937.
10. Патракеева О.Ю., Богданова М., Плотникова Т.В., Липчанская И.В. (2023). Вопросы энергосбережения и политики энергоэффективности: зарубежный и российский опыт. В книге «Умные для климата инновации: социальное предпринимательство и устойчивое развитие в экологической экономике» (стр. 253–267).
11. Gareev I.F., Valiullin A.A., Gubeev E.P., Khakimova T.S., Farkhullin R.R., Semko D.V., Potapov I.V., Volkov V.S. Development of measures to activate the territories of historical settlements // Russian Journal of Housing Research. - 2023. - Vol. 10. - N. 4. - P. 403-424. doi: 10.18334/zhs.10.4.119968
12. L R Abdullina et al (2022) Improving the environmental safety of vehicle operation by using flywheel batteries // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 1227, Krasnoyarsk, Russia