Пассивный дом – новинки энергосбережения : описание и особености, фото

Что нам стоит пассивный дом построить?

В научно-технической и массовой литературе и в Интернете все чаще встречаются словосочетания «энергоэффективный дом», «пассивный дом» и «активный дом». Что это значит? И главное, нужно ли обычному дачнику? Стоит ли в это вникать и перенимать интересные идеи и инженерные решения, чтобы применить их на любимых шести сотках?

На волне инноваций

Логичнее и грамотнее будет объединить все эти названия под «крышей» понятия «энергоэффективный дом». Этот собирательный термин — самый точный с инженерно-технической точки зрения, если говорить о современных достижениях в строительстве.

Какой дом считается энергоэффективным? Тот, в котором все бытовые приборы — миксеры и утюги, стиральные машинки, кофеварки и даже лампочки — энергосберегающие? Может быть, это «умный» дом — модная, но дорогая игрушка, одна из задач которой — обеспечить контроль энергопотребления? Или это просто хорошо утепленный дом? Или подключенный к нетрадиционным источникам энергии?

Энергоэффективный дом — это немного другое. Это дом с низким потреблением энергии и в то же время обязательно с хорошим микроклиматом. Дом, в котором комфортно жить. При этом экономия энергии в нем может достигать 90% по сравнению с обычным уровнем «разбазаривания» тепла.

Говоря об экономии, согласитесь, без цифр не обойтись. Поэтому здесь их будет не менее десятка. Сегодня пока еще нет официально принятого международного определения термина «энергоэффективный дом». Но разделение жилых домов по уровню энергопотребления в Европе уже действует. Это:

• старые здания (до 1970-х гг.) — для отопления и вентиляции требуют около 300 кВт⋅ч/(м² в год). В РФ и странах СНГ дома с таким энергопотреблением строятся до сих пор;
• новые здания (постройки 1970-2002 гг.) — 150 кВт⋅ч/(м² в год);
• дома с низким потреблением энергии (с 2002 г. в Европе не разрешается строить дома с высоким энергопотреблением) — 60 кВт⋅ч/(м² в год);
• пассивный дом — 15 кВт⋅ч/(м² в год);
• дом нулевой энергии (пассивный дом, но его инженерное оснащение потребляет только то количество энергии, которое само вырабатывает) — 0 кВт⋅ч/(м² в год);
• дом «энергия плюс» (англ. energy plus house) — дом, инженерное оборудование которого (солнечные батареи, тепловые насосы, рекуператоры и т.п.) вырабатывает больше энергии, чем само потребляет. Его еще называют активным домом.

Примечание: Показатель энергосбережения — кВт⋅ч/(м² в год) — описывает расход тепловой мощности (в кВт⋅час), которую надо затратить на обогрев 1 кв. м дома в течение всего календарного года при условии, что в доме будет комфортная температура. Разумеется, чем лучше вы утеплите дом, тем меньше придется тратить энергии, а значит, и денег на обогрев.

Пассивный дом

Первой и широко известной стала концепция «пассивного» дома, которая появилась в Германии в 1990-х. Пассивным он называется потому, что лишь за счет архитектурно-планировочного решения (т.е. пассивно) поглощает извне предельно возможное количество энергии, аккумулирует и максимально долго сохраняет ее с помощью качественной теплоизоляции.

Пассивный дом — это дом, который:

1. энергоэффективен благодаря низкой потребности в тепловой энергии,
2. комфортен для проживания,
3. наносит минимальный вред окружающей среде.

В пассивном доме комфортный микроклимат поддерживается главным образом за счет человеческого тепла, энергии солнца и тепла, выделяемого бытовыми электроприборами.

Тут уместно привести занятные цифры, которые позволяют подсчитать энергоэффективность собственного дома.

Пример подсчета:
Для отопления 1 кв. м качественно утепленного дома требуется 50 Ватт тепла. Обычно тело человека генерирует около 200 Ватт тепла. Скажем, вам необходимо отопить комнату площадью 20 кв. м. То есть для отопления требуется 1000 Ватт. Таким образом, 5 находящихся в комнате человек обеспечивают ее обогрев в мороз. Но это работает только в случае грамотно выполненной теплоизоляции.

Отлично сознаю, что данный пример приблизителен, и специалисты легко найдут здесь слабые места. Например, все эти 5 человек должны комфортно дышать — а значит, и впускать в замкнутое пространство холодный воздух, и выпускать нагретый, теряя при этом тепло. Тем не менее, читатель, не соприкасающийся с этими проблемами каждый день, сможет примерно представить себе «порядок цифр». А если вспомнить, что и электрочайник «тянет» 1500-2000 Ватт, то расчет энергоэффективности загородного дома приобретет осязаемость.

Есть 2 главных критерия для пассивного дома:

1. Удельный расход тепловой энергии не должен превышать 15 кВт⋅ч/(м² в год).
2. Общее потребление первичной энергии для всех бытовых нужд (отопление, горячая вода и электрическая энергия) не должно превышать 120 кВт⋅ч/(м² в год).

Что стоит за этими сухими цифрами? Прежде всего, они родились в Германии с ее мягким климатом и к нашей стране имеют мало отношения. Так же думают специалисты-строители в Скандинавии. Чтобы добиться «заветных» 15 единиц, дом придется буквально превратить в парник с навечно закрытыми окнами и форточками. Свежий воздух туда подается сквозь теплообменники, нагреваясь от уходящего грязного интерьерного воздуха. Поэтому серьезные специалисты-теплотехники в той же Германии считают, что 15 единиц — это чересчур, несбыточные фантазии пропагандистов- «пассивщиков». Реально комфортно можно и следует жить при потреблении около 30-40 кВт⋅ч/(м² в год).

Задача владельцев загородных домиков — изучить чужой передовой опыт и взять самые рациональные идеи для использования в наших условиях, решительно отмахнувшись от технического догматизма, совершенно не свойственного нашему менталитету.

По мнению специалистов, для обеспечения энергоэффективных критериев при проектировании дома необходимо уделить серьезное внимание:

• комплексной тепловой оболочке, включая теплоизоляцию фундамента, контактирующего с грунтом,
• исключению так называемых «мостиков холода» в ограждающих конструкциях (стенах, крыше и т.п.),
• окнам: они должны быть сертифицированы именно для пассивного дома,
• герметичной внутренней оболочке дома,
• специальным инженерным решениям механической принудительной системы вентиляции с высокоэффективной рекуперацией (т.е. обратным получением) тепла.

В нашей стране доступность дешевых энергоносителей до недавнего времени не позволяла застройщикам, как профессионалам, так и частникам, правильно оценить экономический эффект от применения современных теплосберегающих стройматериалов и инженерных решений. Но сегодня, когда цены на энергоносители растут, положение кардинально меняется. Проблема экономного использования ресурсов становится все более важной, а строительство энергоэффективных зданий — жизненно необходимым.

Увеличение энергоэффективности дома — это еще и частичное решение проблем экологии. Ведь выделение углекислого газа при сжигании топлива приводит к «парниковому эффекту». Это, в свою очередь, ведет к повышению температуры нижних слоев атмосферы Земли. А следовательно, к глобальному потеплению, повышению уровня Мирового океана, затоплениям прибрежных участков, засухам, недостатку продовольствия и, наконец, к крупным социально-экономическим проблемам.

Однако вернемся с просторов Мирового океана к нам на дачный участок.

Энергоэффективный пассивный дом

Что такое пассивный дом – это дом с чрезвычайно малым энергопотреблением примерно 15 кВтч/м 2 у год, этот показатель считается основным при возведении пассивного дома и дает полное основание считать такое сооружение формой строительства лучше всего подверженной регуляции.

Существуют несколько основных параметров характерных для создания пассивного солнечного дома:

1. Ориентирование фасада на юг, это разрешает максимально полно использовать солнечную энергию. Именно пассивное использование солнечной энергии и полное отсутствие затененности позволяет максимально воспользоваться возможностями сооружения.
2. Герметичность на уровне n50 2 К); значением энергопроницаемости около 50%.
3. Остывание пассивного дома при наружной температуре -15 о С и неработающем отоплении не превышает 1 о С в сутки.
4. Подогрев воды с помощью солнечных коллекторов или теплового насоса.
5. Пассивный подогрев воздуха с помощью грунтового теплообменника.
6. Отсутствие мостиков холода.
7. Компактность строения, соответствует низким затратам на отопление.
8. Цена постройки пассивного дома в сравнении с обычным домом на 15% выше.
9. Снижение вредных выбросов на 65%.

Рис №1. Энергосберегающий пассивный дом

Проектирование пассивного дома

Выполнение проекта пассивного дома, значительно сложнее чем проектирование обычного здания.

В документацию проекта входят следующие составляющие, это:

1. Архитектурный проект, соответствующий нормам законодательства.
2. Проект армирования сообразно статистическим расчетам.
3. Проектирование инженерных сетей.
4. Описание процесса строительства, с полным списком используемых материалов.

Рис №2. Современные технологии, принятые в проектировании энергосберегающего пассивного дома

Инновационное строительство требует интегрированной разработки проекта с абсолютно согласованной работой всех участников проекта.

Стоимость проектирования пассивного дома. Цена зависит от отапливаемой площади строящегося объекта. Площадь потребления солнечной энергии, существенно ниже примерно на 20-30% чем общая жилая площадь дома и полностью зависит от архитектуры здания. В эту площадь не включается вспомогательные помещения: гараж, тамбура, погреб и других подсобок.

Рис №3. Проект пассивного дома, типового с гаражом и бассейном для одной семьи

Выбор оптимального решения проекта пассивного дома зависит от правильного решения нескольких задач по проектированию.

Осуществление правильной ориентации. Принимается направление на географический полюс, а не на магнитный.

Важно: Буферная зона, состоящая из хозяйственных помещений должна располагаться с противоположной северной стороны здания. Там же должна находится кухня, таким образом, достигается снижение отопительной нагрузки в зимнее время года.

При проектировании производится расчет значений коэффициентов теплоизоляции и инфильтрации. Высчитываются коэффициенты теплового сопротивления стен, пола, потолка, твердой теплоизоляции по периметру фундамента, теплового сопротивления твердой теплоизоляции, размещенной снаружи стены отапливаемого подвала или обвалованного землей, стены.

Производится расчет коэффициентов воздухообмена, подсчитывается количество слоев остекления окон, расположенных со всех сторон света.

Находится коэффициент отопительной нагрузки и коэффициент нагрузки коллектора, подсчитывается площадь пассивного солнечного коллектора.

Рис №4. Основные параметры характерные для пассивного дома

Пассивный дом — технологии

Солнечный обогрев производится прямым способом через окна,относящиеся к южной ориентации, они называются солнечными окнами. Окна выполняются в традиционном открывающемся виде или глухих окон,изготовленных в качестве стандартных изолирующих стеклянных панелей, расположенных на южном фасаде.

Некоторое количество теплоты используется моментально, остальная, избыточная теплота запасается другими элементами помещения: стенами, полом, потолком, мебелью, которые излучают тепло в пространство в любое время суток. Увеличение эффективность системы происходит при условии повышения термической массы строительного материала из которого изготовлены элементы этого помещения.

Рекомендуется устанавливать термическую массу для рационального нагрева, то есть как под воздействием прямых солнечных лучей и за пределами помещения (нагрев конвекцией воздуха). Такая технология подразумевает соотношение между площадями поверхностей теплоаккумулирующей массы и остекления южной ориентации 6:1.

Применение солнечного обогрева косвенным способом, применяется для накопления солнечной энергии в какой-либо части дома для обогрева других его зон. Наиболее эффективным способом считается использование стены Тромба, которая находится рядом с остеклением в южной части здания, на расстоянии 75-100 мм. Стена выполняется из материалов очень высокой плотности, который способен эффективно поглощать солнечное тепло, стена окрашивается в темные цвета. Для увеличения поглощения стена Тромба покрывается материалами с селективной поверхностью.

Для лучшей применения стен Тромба и быстрой теплоотдачи, в конструкции стен предусмотрены вентиляционные каналы или трубы. Воздух, который подвергается нагреву в нижней части стены поднимется наверх комнаты, а холодный воздух поглощается с низа комнаты в свободное пространство,находящееся между стеной и остеклением, так образуется конвективная отопительная петля.

Рис № 5. Энергосберегающий пассивный дом, с использованием солярия

Пассивные солнечные концепции

Кроме, стен Тромба, имеющих большую популярность в устройстве систем солнечного обогрева используются солнечные солярии.

К солярию применяются те же правила ориентации, как и к солнечным окнам, расположение строго на юг. Солярий, модифицированный встраивается в южную часть дома. Для предотвращения тепловых потерь, восточная и западная стена закрывают его с боков, окружая другими помещениями, солярий выполняет роль фокуса здания, работая в качестве «солнечного очага». Модификация солярия заключается в создании помещения со скользящими дверями, которые способствуют циркуляции тепла в различные части дома, открывая доступ в соседние помещения обоих уровней.

Вывод: Целесообразность использования пассивных домов есть свершившийся факт, перед которым большое будущее.

Строительство пассивного дома своими руками

При возведении пассивного дома, строительство принимает на вооружение все инновационные технологии по энергоэффективности и энергосбережению, это:

Рис № 6. Инженерные системы, используемые при строительстве пассивного дома

Какие нужны энергосберегающие технологии при строительства пассивного дома

Принципы постройки пассивного дома:

– все ограждающие конструкции должны иметь эффективную теплоизоляцию, по сути превращающие дом в термос и исключающие мостики холода;

– форма сооружения компактна;

– ориентация здания на юг;

– наличие контролируемой вентиляции с рекуперацией тепла.

Как уже отмечалось, под системой контролируемой вентиляции с рекуперацией тепла понимают устройство теплообменника, в котором отводящийся теплый воздух нагревает подающийся свежий воздух и сбрасывается в атмосферу.

Технология строительства пассивного дома заключается в следующем:

– важно правильно выбрать участок для постройки: он должен быть открытым, хорошо освещённым, не находиться на возвышенности, т. к. иначе ветер будут сильно его выхолаживать, что приведёт к увеличению расходов на отопление;

– фундамент должен быть сплошным – цельная плита, уложенная на слой теплоизоляции. Фундамент закладывается ниже уровня промерзания грунта.

– по периметру фундамента с помощью опалубки делается монолитная бетонная изоляция цоколя;

– для строительства тёплых стен используются керамические поризованные блоки (рис. 4.10.), газобетонные блоки, термоблоки;

Рисунок 4.10. Керамические поризованные блоки

– конструкция стен: внешняя отделка – теплоизоляция – кладка – штукатурка. Все швы кладки должны быть герметичны;

– конструкция крыши также должна быть герметична и тщательно утеплена;

– стропильная система делается либо из металла, либо из сухого дерева, чтобы его не повело в процессе высушивания, что непременно приведет к щелям и сквознякам;

– для оконных конструкций применяются стеклопакеты (двух- или трёхкамерные), стёкла – теплоизолирующие с инертным газом между ними и низкоэмиссионным напылением, что обеспечивает коэффициент теплопередачи окон

– для снижения потери тепла через систему вентиляции применяется рекуперация тепла – до 75 %. Дополнительный свежий воздух подводится через грунтовой теплообменник (труба длинной до 35 м), расположенный на глубине 1,5 м, где он летом нагревается, а зимой охлаждается;

– для отопления дома и нагрева воды используются солнечные коллекторы, тепловые насосы и низкотемпературное отопление через «теплый пол» или радиаторы (рис. 4.11.).

Рисунок 4.11. Технологические особенности пассивного дома

Энергоэффективные дома дороже традиционных на 15-20 %, но экономия на эксплуатации позволяет окупить эти расходы за 7-10 лет.

Теплоизоляция

Проблема утепления жилища возникла, пожалуй, одновременно с зарождения самого искусства строительства. Известно, что уже в каменном веке первобытные люди строили землянки, потому что знали – покрыв дом сверху слоем рыхлой земли, можно сделать его теплее. Современная же строительная наука предлагает нам множество материалов, способных сделать жилище уютным и теплым, не потратив при этом лишних трудов и денег.

Одной из важнейших задач энергосбережения зданий является сохранение тепла в холодное время, которое в России может составлять большую часть года. Грамотная теплоизоляция стен, кровли и коммуникаций важна в плане энергосбережения, что приводит к большой экономии финансовых средств, затрачиваемых на содержание жилья.

Теплоизоляция частных жилых домов должна начинаться ещё на стадии строительства и быть комплексной – от фундамента и стен до крыши.

Наибольший эффект энергосбережения достигается благодаря применению современных минеральных и органических утеплителей. К ним относятся: минвата, базальтовые плиты, пенополиуретан, пенополистирол, стекловолокно и многие другие, имеющие различные коэффициенты теплопроводности, влияющие на толщину теплоизоляции.

Энергосберегающие кон­струкции должны быть, во-первых, прочными, жёсткими и воспринимать нагруз­ки, то есть быть несущей конструкцией, а во-вторых, должны защищать внутреннее пространство от дождя, жары, холода и других атмосферных воздействий, то есть обладать низкой теплопроводностью, быть водостой­кими и морозоустойчивыми.

В природе не существует материала, который удовлетворял бы всем этим требованиям. Для жестких конструкций идеальным материалом являются ме­талл, бетон или кирпич. Для теплоизоляции годится только эффективный утепли­тель, например, минеральная (каменная) вата. Поэтому для того, что бы ограждающей конст­рукция была прочной и теплой, используют композицию или комбинацию как минимум двух материалов – конструкционного и теплоизоляционного.

Композиционная ограждающая конструкция может быть представлена в виде нескольких отличных друг от друга систем:

1. Жесткий каркас с заполнением межкаркасного пространства эффективным утеплителем;

2. Жесткая ограждающая конструкция (например, кирпичная или бетон­ная стена), утеплённая со стороны внутреннего помещения – так называемое внутреннее утепление;

3. Две жесткие пластины и эффективный утеплитель между ними, напри­мер, «колодезная» кирпичная кладка, железобетонная панель «сэндвич» и т. д.;

4. Тонкая ограждающая конструкция (стена) с утеплителем с внешней стороны – так называемое внешнее утепление.

Применение той или иной системы ограждающей конструкции определяется конструктивными осо­бенностями модернизируемого здания и технико-экономическими расчета­ми, основанными на приведенных затратах.

Стоимость утепления 1 м 2 наружной стены колеблется от 15 до 50 $ без учета стои­мости заполняемых оконных блоков, модернизации систем вентиляции и отопления. Тем не менее, потенциал энергосбережения при эксплуатации существующего жилого фонда достаточно велик и составляет около 50 %.

Каждая из этих конструкций имеет свои достоинства и недостатки, и вы­бор её зависит от многих факторов, включая местные условия.

Наиболее эффективным представляется четвертый тип утепления здания (внешнее утепление), который наряду, естественно, с недостатками обладает рядом существенных достоинств, а именно:

— надежная защита от неблагоприятных внешних воздействий, суточных и сезонных температурных колебаний, которые ведут к неравномерной де­формации стен, вызывающей образование трещин, раскрытие швов, от­слоение штукатурки;

— невозможность образования на поверхности стены какой-либо поверхностной флоры из-за избытка влаги и льда, образовавшегося в толще стены, в результате конденсационной влаги, поступающей из внутренних помещений, и влаги, проникшей внутрь массива ограждающих кон­струкций из-за повреждения поверхностного защитного слоя;

— препятствование охлаждению массива ограждающей конструкции до температуры точки росы и, соответственно, образованию конденсата на внут­ренних поверхностях;

— снижение уровня шума в изолируемых помещениях;

— отсутствие зависимости температуры воздуха во внутренних помещениях от ориентации здания, то есть от нагрева солнечными лучами или ох­лаждения ветром.

Для устранения теплопотерь в старых зданиях разработа­ны и осуществляются различные проекты теплотехнической реконструкции и утепления, например, так называемая термо­шуба, представляющая собой многослойную конструкцию из различных материалов.

Утепление стен. Большая часть тепла теряется через стены дома. В среднем через каждый квадратный метр обычной стены за год может теряться 150-160 кВт тепловой энергии. Поэтому утепление наружных стен здания приводит к следующим, несомненно, положительным моментам: экономия времени и средств на обогрев помещений; дополнительное укрепление конструкции дома; увеличение вариантов оформления фасадов зданий за счёт применения различных материалов.

Сегодня уже никто не строит домов с толстыми стенами – к проблеме энергосбережения подходят по-другому.

Для начала необходимо разобраться, какую часть стены целесообразно утеплять – внутреннюю или наружную. Если утеплить внутреннюю поверхность стены, то под слоем утеплителя может выпасть конденсат, что приведет к образованию грибка, а скопившаяся в порах стены влага при замерзании будет постепенно разрушать стену, что впоследствии приведет к необходимости ремонта. Следовательно, утепление жилого дома целесообразно производить снаружи.

В качестве наружной теплоизоляции чаще всего используются следующие утеплители:

— керамзит, представляющий собой обожжённую глину, вспененную особым методом – достаточно дешёвый, доступный и долговечный утеплитель, используемый как заполнитель пустот и в виде засыпки;

— базальтовое волокно – отличается высокой механической прочностью, огнестойкостью и биологической устойчивостью;

— вспененный полиэтилен – очень эффективный и долговечный утеплитель, обладающий благодаря своей ячеистой структуре высокими тепло- и гидроизолирующими свойствами;

— пенополиуретан – неплавкая теплоизоляционная пластмасса, получаемая путём смешивания двух компонентов и отличающаяся высокой ценой и долговечностью.

Применяются различные способы наружного, или фасадного, утепления:

— система вентилируемого фасада.

Мокрый, или штукатурный, метод наиболее приемлем для владельцев загородного жилья.

Сухой метод представляет собой обшивку стен дома сайдингом или вагонкой.

Система вентилируемого фасада состоит из подоблицовочной конструкции, на которую крепится защитно-декоративное покрытие – алюминиевые панели, стальные компоненты облицовки, керамогранит и т.д. Утепление жилого дома с применением такой системы является самым дорогим, но при этом можно добиться ощутимой экономии на системах кондиционирования и отопления.

Утепление помещений изнутри имеет как положительные, так и отрицательные стороны. К плюсам относится то, что при этом не требуется изменять конструкцию здания, работать можно в любое время года и утеплят не все площади помещений, а только самые уязвимые места. Минусы – уменьшение полезной площади помещений и увеличение вероятности образования конденсата в холодное время года.

Одним из слабых мест в системе теплоизоляции дома можно назвать окна и входные двери. Грамотное утепление дверей способно уменьшить теплопотери помещения на 25-30 %. Выбор качественного утеплителя для входной двери является залогом успеха в борьбе за экономию энергоресурсов.

Наиболее доступными и дешёвыми являются поролоновые уплотнения, однако этот материал нельзя назвать оптимальным выбором..

В настоящее время широкое распространение получили профильные резиновые уплотнения на самоклеящейся основе, отличающиеся большей долговечностью и надежностью, что вполне подходит для входных дверей. Практически единственным способом утепления деревянной двери является её обивка. В качестве утеплителей в данном случае обычно применяются вата, поролон и изолон.

В качестве обивочного материала, в зависимости от вкуса и финансовых возможностей, применяется кожа, дермантин и различные типы кожзаменителей.

Утеплители для металлической входной двери также разнообразны. Стандартные металлические двери обычно поставляются без внутреннего утеплителя. В качестве внутренних утепляющих материалов обычно применяются минеральные утеплители и пенопласт.

Минеральные утеплители – пожаробезопасны, обеспечивает надежную тепло- и звукоизоляцию. Желательно применение материала с высокой плотностью.

Кроме стен и крыши (глава 4.8.5) для наилучшего энергосбережения здания необходимо утеплять коммуникационные системы здания. Систему снабжения холодной водой и канализацию надо защищать от замерзания, трубы с горячей водой – для уменьшения тепловых потерь. Современные теплоизоляционные материалы для трубпозволяют эффективно решить эту задачу.

Существует множество решений выполнения теплоизоляции, все они зависят от условий эксплуатации трубопровода.

Существуют и альтернативные способы снижения теплопотерь, за которыми, возможно, будущее:

— предизоляция. Заключается в обработке трубных заготовок пенополиуретаном в заводских условиях, на стадии производства. К потребителю труба поступает уже защищённой от возможных теплопотерь. При монтаже остаётся утеплить только стыки труб;

— краска, обладающая теплоизоляционными свойствами. Сравнительно недавняя разработка учёных. В её состав входят различные наполнители, придающие уникальные свойства. Даже тонкий слой такой краски способен обеспечить теплоизоляцию, которая достигается большим объемом пенопласта, минеральной ваты и другими материалами. Легко наносится на поверхность, позволяет обработать коммуникации даже в труднодоступных местах. Помимо всего прочего, обладает антикоррозийными свойствами.

Современные теплоизоляционные материалы применяются на различных трубопроводных линиях. Они способны работать как при высоких температурах, так и в крайне жестких условиях вечной мерзлоты.

Применение теплоизоляции позволяет достичь следующих результатов:

— снижение утечек тепловой энергии на линиях отопления и горячего водоснабжения;

— защита различных трубопроводов от перемерзания в условиях отрицательных температур;

— повышение срока эксплуатации сетей благодаря снижению агрессивного воздействия окружающей среды;

— в холодильных установках и системах кондиционирования значительное снижение затрат на поддержание требуемой температуры;

— снижение риска получения травм и ожогов от контактов с горячей или холодной поверхностью.

Применение качественной теплоизоляции трубопроводов позволяет повысить срок безаварийной работы коммуникаций и окупается в течение нескольких лет эксплуатации.

Пассивный дом должен иметь эффективную тепловую изоляцию. Фотография в инфракрасных лучах (рис. 4.12.) показывает, насколько эффективна теплоизоляция пассивного дома (справа) по сравнению с обычным домом (слева).

Ограждающие конструкции (стены, окна, крыши, пол) стандартных домов имеют довольно большой коэффициент теплопередачи. Это приводит к значительным потерям: например, тепловые потери обыкновенного кирпичного здания составляют 250-350 кВт·ч в год с 1 м 2 отапливаемой площади.

Технологическая концепция пассивного дома предусматривает эффективную теплоизоляцию всех ограждающих поверхностей – не только стен, но и пола, потолка, чердака, подвала и фундамента. В пассивном доме формируется несколько слоёв теплоизоляции – внутренняя и внешняя.

Как правило, для утепления стен и пола пассивного дома на грунте используется слой теплооизоляции с коэффициентом теплопроводности не более 0,04 Вт/(м∙К) толщиной 30 см, а крыши – 40 см. Это позволяет одновременно не выпускать тепло из дома и не впускать холод внутрь него. Кроме того, перегородки в пассивном доме должны обладать высокой способностью аккумулировать тепло. Также производится устранение «мостиков холода» в ограждающих конструкциях. В результате в пассивных домах теплопотери через ограждающие поверхности, как правило, не превышают 15 кВт·ч/м² в год, что практически в 20 раз ниже, чем в обычных зданиях.

Пассивный дом: энергоэффективные технологии

В целях экономии природных и энергетических ресурсов человечеством разработаны комплексные меры по утеплению зданий и доведению уровня тепловой изоляции до значения близкого к абсолютному. В этом материале будет раскрыта суть пассивного дома как современного и экономного типа жилья.

• Понятия пассивности и энергоэффективности
• В чем основная идея пассивного дома
• Материалы для теплоизоляции
• Кровля и теплый чердак
• Окна, двери и другие места утечек
• Энергообеспечение пассивного дома

Понятия пассивности и энергоэффективности

Наш обзор обойдет стороной общепринятый перечень преимуществ и технических показателей. Например, энергоэффективным считается строение, потеря тепла в котором не превышает 10 кВт·ч с каждого квадратного метра в течение года, но о чем это должно сказать читателю? Если пересчитать, то за год с небольшого (до 150 м 2 ) дома уходит примерно 1,5–2 МВт энергии, что сопоставимо с энергопотреблением обычного коттеджа за один зимний месяц. Столько же потребляют 2–3 лампы накаливания по 100 Вт, включенные постоянно в течение одного года, что эквивалентно 200 м 3 природного газа.

Столь малое энергопотребление позволяет в принципе отказаться от системы отопления в доме, используя для обогрева тепло, выделяемое человеком, животными и бытовыми приборами. Если дом не требует целенаправленных затрат энергии на работу отопительных установок (или требует, но незначительный минимум), такой дом называют пассивным. Точно так же пассивным может называться дом с весьма высокими потерями тепла, потребность в котором восполняется собственной энергетической установкой, работающей на возобновляемых источниках энергии.

Так что энергоэффективный дом не обязательно претендует на звание пассивного, справедливо и обратное. Дом же, который не только покрывает собственные энергетические нужды, но и передает какой-либо вид энергии в общественную сеть, называют активным.

В чем основная идея пассивного дома

Все три вышеперечисленных понятия принято объединять: пассивный дом обладает максимально расширенным комплексом мер по обеспечению энергетической автономности. В конце концов, никому не интересно годами тестировать свое жилище, добиваясь норматива по теплопотерям для получения почетного звания. Важно, чтобы внутри было сухо, тепло и комфортно.

Существует мнение, что сегодня любая новостройка должна возводиться по технологии пассивного дома, благо, что технические решения есть даже для многоэтажных зданий. Это не лишено смысла: затраты на обслуживание дома за период междуремонтной эксплуатации обычно даже выше затрат на строительство.

Пассивный же дом при более объемных первоначальных вложениях практически не требует затрат весь срок службы, который, к тому же, превышает срок эксплуатации обычных зданий за счет абсолютной защиты несущих и ограждающих конструкций в комплексе с самыми современными и технологичными решениями строительства и ремонта.

Главной технической особенностью пассивного дома можно назвать непрерывный контур теплоизоляции, от фундамента до кровли. Такой «термос» хорошо сохраняет тепло, но не все материалы пригодны для его устройства.

Материалы для теплоизоляции

Пенополистирол в таких объемах неприменим, он горюч и токсичен. В ряде проектов это решается огнезащитным слоем у несущего целика и под фасадной отделкой, что ведет к неоправданному удорожанию. Использование стеклянной и минеральной ваты также не решает проблему. В ней, так же как и в пенополистироле, активно селятся вредители (насекомые и грызуны), да и срок службы у ваты в 2–3 меньше, чем у самого пассивного дома.

Пригодный для целей пассивного дома материал — пеностекло. Краткий свод характеристик: наименьшая теплопроводность из известных материалов широкого потребления, полная экологичность за счет инертности стекла, простая обработка и хорошая способность к склеиванию. Из минусов — высокая цена и сложность производства, но материал однозначно стоит своих денег.

Менее дорогостоящий, но пригодный для утепления пассивного дома материал — вспененный полиуретан. Технически такие дома пассивными назвать нельзя, их теплопотери составляют 30–50 кВт·ч с квадратного метра в год, но и эти показатели вполне приемлемы. Полиуретан может устанавливаться как листовой материал, либо наноситься методом торкрет-оштукатуривания.

Кровля и теплый чердак

Другое ключевое отличие пассивных домов — наличие неотапливаемой мансарды или теплого чердака и качественное утепление кровли без мостиков холода. При таком подходе выделяется две границы температур: на перекрытии верхнего этажа и в самой кровле. Благодаря разнесению теплозащиты гарантированно устраняется образование конденсата в утеплителе кровли и существенно снижаются потери тепла.

Перекрытие верхнего этажа обычно делают каркасным на деревянных балках, пустоты заполняют слоем минеральной ваты средней плотности толщиной в 20–25 см. Перекрытие лучше утеплять листовыми материалами с устройством перекрестного ячеистого каркаса и точной подгонкой плит утеплителя. Все швы и стыки заполняются специальным клеем или монтажной пеной. Особое внимание уделяется устройству защитного пояса в месте опоры стропильной системы на стены.

Теплый чердак устраивается по принципу рекуперации вентиляционной системы. Каналы вытяжной вентиляции выходят прямо в герметичное чердачное помещение, откуда выводятся через единственное отверстие с принудительным оттоком. Часто этот канал снабжают рекуперационной установкой, передающей часть тепла от вытяжного воздуха приточному.

Окна, двери и другие места утечек

С окнами для пассивного дома все просто: они должны быть высокого качества и обязательно сертифицированными для применения в отрасли энергосбережения. Признаками подходящего изделия считаются стеклопакеты с двумя или более камерами, заполненными газом, низкоэмиссионные стекла разной толщины и двойное примыкание стеклопакета к профилю, уплотненное каучуковой лентой. Для дверей важно сотовое наполнение и наличие двойного притвора по всему периметру. Не менее важно соблюдать правила монтажа и защиты мест примыканий.

Пассивный дом имеет свои особенности устройства фундамента. Для защиты структуры бетона его гидрофобизируют инъекционным способом и дополнительно защищают внешним слоем обмазочной гидроизоляции. Утеплитель опускается на всю глубину фундамента, таким образом цокольный этаж становится второй после теплого чердака буферной зоной.

Энергообеспечение пассивного дома

К пассивному дому обычно не подводят газ, для бытовых целей и обогрева полностью хватает однофазной электросети. С электрическими нагревателями все просто: сколько киловатт вложено в дом, столько в нем и остается, КПД составляет почти 99%, в отличие от газовых котлов.

Но электрическая сеть в качестве единственного источника энергоснабжения имеет массу недостатков, заключающихся по большей части в ненадежности подключения. Часто дома снабжаются достаточно сложной электросетью, включающей аварийный генератор с автозапуском, либо используют для резервной подпитки парк аккумуляторов или солнечные батареи.

Нагрев воды для бытовых нужд обычно выполняется солнечными коллекторами, преимущественно вакуумными. Вообще автономные источники энергии достаточно разнообразны, среди разновидностей можно подобрать оптимальное решение для объектов с разными условиями.

Технология пассивации металла, виды и составы

Пассивация — это защита металла стойкими к коррозии тонкими поверхностными пленками. Свойства и применение пассивированных металлов и сплавов. Виды пассивирования и состав электролитов. Особенности и поэтапное описание технологии.

Пассивация — это формирование на поверхности металла тонких оксидных или солевых пленок, которые защищают его от внешней коррозии. Такое покрытие препятствует контакту металла с кислородом и агрессивными средами. При пассивировании защитные пленки могут образовываться на металлической поверхности как естественным, так и искусственным путем. В первом случае они состоят из оксидов химических элементов, входящих в состав самого металла, а во втором могут включать в себя оксиды и соли других химических элементов. Например, чистый алюминий естественным способом образует очень стойкую оксидную пленку, поэтому устойчив к большинству видов коррозии. А вот изделия из его сплавов, содержащих химически активные компоненты, уже нуждаются в искусственной коррозионной защите и поэтому подвергаются пассивированию в солевых растворах.

Пассивацию широко применяют для защиты поверхностей изделий из стали, меди, никеля, алюминия и их сплавов. Даже защитные цинковые и кадмиевые покрытия пассивируют солями хрома для повышения их коррозионной и механической стойкости. Пассивирование металла вызывает образование на его поверхности слоя оксидов или солей толщиной в несколько микрон, что практически не влияет на геометрические размеры изделий. С другой стороны, такие пленки могут снижать контактную проводимость основного материала, но, как правило, в меньшей степени, чем слой корродированного металла.

Суть и описание процесса пассивации металла

При пассивировании поверхности металлических изделий обрабатывают растворами химических соединений, обладающих окислительными свойствами. В этой роли чаще всего выступают кислоты, нитриты и растворы солей хрома (реже — молибдена). Нанесение раствора на поверхность металлических заготовок производится методом погружения или вручную, с помощью специального оборудования. Применяемые при пассивировании растворы обычно состоят из основного реагента и нескольких добавок, ускоряющих и стабилизирующих процесс пассивации.

В общем виде процесс пассивирования состоит из следующих этапов:

1. Механическая очистка поверхностей изделия.
2. Химическое обезжиривание в растворе едкого натра и кальцинированной соды.
3. Промывка в проточной горячей, а затем холодной воде.
4. Пассивирование в течение заданного времени.
5. Нейтрализация в растворе кальцинированной соды.
6. Промывка путем многократного погружения в проточную холодную воду.
7. Сушка в сушильном шкафу или обдувом теплого воздуха.
8. Контроль качества поверхности после пассивирования производится визуальным или инструментальным способом. При неудовлетворительном результате процесс пассивирования повторяется, начиная с п. 1.

Свойства пассивированного металла и его применение

Пассивация железа и его сплавов в виде конструкционных и специальных сталей обычно проводится по покрытию из никеля, цинка или кадмия с использованием солей хрома. Такое пассивирование укрепляет поверхностный слой и позволяет эксплуатировать стальные изделия в течение длительного периода без опасности коррозии, а в случае ее проявления обрабатывать только пораженные участки. Пассивирование меди и ее сплавов (бронзы и латуни) выполняется как в защитных, так и в декоративных целях с применением хроматных растворов. В этом случае на поверхности медного изделия образуется тонкая прозрачная пленка, предохраняющая металл от окисления и сохраняющая его товарный вид.

Пассивирование серебра проводят для этих же целей с применением аналогичных технологий.

Виды пассивирования

Химическое

Химическое пассивирование происходит в результате притяжения отрицательных ионов растворенных в воде солей к поверхности металла, атомы которого имеют положительный потенциал. Для этого металлические изделия, предварительно очищенные и обезжиренные, помещаются в специальную ванну, заполненную соответствующим раствором. Основным компонентом в таком электролите является соль металла, образующего защитную пленку на поверхности изделия. Химическая пассивация также может выполняться по месту установки изделия. В этом случае все процессы, начиная от очистки и заканчивая пассивацией, нейтрализацией и обмывкой, выполняются вручную с помощью специального оборудования.

Электрохимическое

Содержание составов для пассивации

Все соли хрома (особенно шестивалентного) очень токсичны. Поэтому проводить хромовую пассивацию металлических изделий можно только на специализированных производствах, имеющих соответствующие системы очистки и водоотведения, а также специально обученный персонал.

Нигде не пишут, каким образом выполняется пассивирование солями хрома непосредственно в местах установки оборудования. Как в этих случаях удаляют химические реагенты? Или при такой обработке применяют другие составы? Если кто-нибудь располагает информацией по данному вопросу, поделитесь, пожалуйста, в комментариях к нашей статье.

Пассивация металла

Одним из эффективных методов защиты поверхности металла от воздействия коррозии является обработка поверхности с помощью специальных химических растворов. При их взаимодействии с металлом протекает химическая реакция, в результате которой на поверхности образуется нейтральное (пассивное) соединение способное противостоять протеканию коррозийных процессов. Такая обработка называется пассивация металла. После завершения этого процесса на поверхности образуется оксидная плёнка. Она обладает химическими свойствами не вступать в реакцию окисления и тем самым предотвращает разрушение не только поверхностного слоя, но и всей детали.

Описание технологии

В основу пассивации положены принципы химического взаимодействия поверхностного слоя металла с различными растворами других металлов, в результате, которого, на поверхности образуется поверхностный слой с новыми физическими и химическими свойствами. Процесс пассивации предполагает создание абсорбционных (фазовых) слоёв, которые изменяют структуру первоначального металла. Слой пассивации создаёт надёжный барьер, который препятствует процессу окисления и служит надёжной защитой от коррозии.

Для проведения подобных химических реакций используется различный металл. Это зависит от состава исходного металла, из которого изготовлена деталь. Для придания ей специфических свойств могут применяться: хром, никель, кобальт, марганец, молибден и другие редкоземельные металлы. В зависимости от их процентного содержания готовят раствор для пассивации и выбирают необходимое оборудование.

При пассивации нержавеющей стали в процессе её производства в её состав добавляют различные легирующие металлы. Они обеспечивают лучшее взаимодействие с химическими элементами, входящих в состав пассивирующего раствора.

Например, для создания на поверхности стали надёжной антикоррозийной плёнки применяют оксид хрома. Производится операция хромирования.Она полностью меняет физико-химические свойства поверхностного слоя. При правильном проведении обработки получают ровный и одинаковый по плотности слой. Для проведения пассивации применяют различные кислоты. Чаще всего создаётся раствор на основе азотной кислоты. Именно созданные соли на основе этой кислоты создают на поверхности стали защитную плёнку с высокими защитными характеристиками.

После завершения технологического процесса проводят проверку качества полученного слоя. Это необходимо для оценки поверхности обработанной детали. На практике используют различные методы проверки. Например, используют химический метод: обрабатывают поверхность раствором ферроцианида калия в азотной кислоте. Такое воздействие позволяет визуально определить места некачественной обработки. В местах, где слой достаточно тонкий или отсутствует, то есть присутствует большое количество свободного железа, появиться характерный синий цвет. Этот способ применяется в заводских лабораториях. Им проверяют выборочные детали из готовой партии.

Более простым, но длительным считается способ помещения готового изделия в обычную воду. После длительного пребывания в воде, места с плохой обработкой покрываются ржавчиной.

Технология проведения пассивации цветных металлов практически не отличается от технологии обработки стали. Основным отличием является состав применяемых растворов. Например, для обработки алюминия, меди, никеля применяют хроматы калия и натрия или хромовый ангидрид. Ускорения процесса обработки осуществляется при добавлении в состав раствора различных солей и кислот. Пассивация меди производится в растворах серной кислоты, обработка поверхности меди производится в растворе фосфорной кислоты, цинка и кадмия в растворах соляной и азотной кислоты.

В некоторых случаях процесс взаимодействия раствора с металлом применяют для решения других важных технических задач.Процесс разложения металла под воздействием окислов применяется для изготовления печатных плат в радиотехнике. Эта процедура называется травление. В этом случае на поверхность металлизированной текстолитовой пластины наносится с помощью краски рисунок будущих токопроводящих полос и мест размещения радиодеталей. Затем пластину с нанесённым рисунком опускают в ванну с раствором, под воздействием которого происходит химическое удаление слоя металла с поверхности текстолита. В результате пассивации на поверхности остаётся только метал, защищённый краской. После этого пластину промывают в проточной воде и с помощью растворителей удаляют слой нанесённой краски. Результатом такой пассивации (травления) становиться готовая печатная плата для конкретного радиоэлектронного устройства.

Технология нанесения на основной слой изделия декоративного слоя не отличается от общего процесса пассивации. При создании ювелирных украшений на поверхность серебряной заготовки наносят тонкий слой золотой плёнки. Она формируется аналогичным образом. Таким образом, получают изделие с характерным золотым цветом.

Важным моментом для получения качественной плёнки при пассивации является финишная обработка. Во всех случаях необходимо после извлечении детали из ванны с раствором качественно её промыть. Это необходимо для того, чтобы прекратить процесс пассивации. Если оставить часть активного раствора или даже его разбавленные компоненты, будет нарушена технология и качество полученной плёнки значительно снижается. После тщательной промывки рекомендуется просушить готовую деталь. Это можно осуществить при естественной сушке или с применением специальных фенов. На производстве применяют сушильные камеры, которые обеспечивают равномерный поток тёплого воздуха. Качественная подготовка поверхности, соблюдение всех режимов обработки, соблюдение времени пассивации, качественная промывка исушка позволяют получить качественный равномерный защитный слой, способный прослужить достаточно длительный срок.

Применение пассивации

К основным задачам пассивации относятся:

• предотвращение коррозийных процессов, протекающих в верхних слоях металла;
• защита от разрушения вновь созданных соединений, например, в месте сварочного шва (пассивациясварных швов);
• повышение электропроводности в месте электрического контакта;
• создание печатных плат по подготовленным шаблонам (травление);
• обработка готового изделия с целью придания новых декоративных и потребительских свойств.

Первая задача решается для большого количества металлов и их сплавов.Одним вариантов такой защиты является воронение. Во втором случае для создания прочного сварного соединения применяется пассивация анодов и конечная обработка полученного соединения после сварки. Проведение пассивации позволяет значительно повысить герметичность, полученных соединений. Это особенно важно припрокладке трубопроводов. Такая обработка очень полезна при проведении сварки трудно свариваемых металлов, например алюминия. Пассивация меди или латуни производится для создания временной защиты от потускнения поверхности изделия на определённый срок (обычно около месяца). Иногда это используется как временная консервация подготовленных деталей для хранения между операциями дальнейшей обработки или сборки.

Данный вид обработки необходим при эксплуатации изделий из металлов в следующих случаях:

• применение крепёжных элементов, особенно в условиях агрессивных сред и больших механических нагрузок;
• при сборке трубопроводов, особенно в местах сварных швов;
• для защиты котельного оборудования;
• деталей машин и механизмов, контактирующих с морской водой;
• элементы конструкций, работающих при изменении температурных режимов;
• отдельные элементы ручного и механического инструмента;
• готовые изделия, применяемые в быту (дверные ручки, мебельная фурнитураи тому подобное);
• декоративные поделки для интерьера;
• в радиоэлектронике для улучшения качества контактов;
• ювелирные украшения.

Решение задач повышения электропроводности решается с помощью нанесения наповерхность изготовленных контактов тонкого слоя металл, обладающего повышенной электропроводностью, например золота или серебра.

Виды пассивации

Основными и наиболее хорошо отработанными видами пассивации являются:

• химическая;
• электрохимическая.

Химическая

Химическая пассивацияпредполагает применение растворов солей различных металлов.Наиболее эффективно пассивация производится азотной кислотой. Кроме неё для формирования раствора пользуются серной кислотой или лимонной. Для повышения качества процесса в раствор добавляют небольшое количество бихромата натрия. Его количество не превышает 6% от общей массы. Состав раствора подбирается индивидуально и во многом зависит от марки обрабатываемого металла. Например, для пассивации железа применяют соли металлов, растворённые в серной кислоте высокой концентрации.

Сущность химической пассивации заключается в активном притяжении отрицательных ионов, которые присутствуют в растворе, к атомам металла.Это происходит благодаря наличию у них положительного заряда. В результате такой диффузии образуется поверхностный слой.

Для пассивации обязательно проводят предварительную подготовку поверхности изделия. Её тщательно зачищают механическими и химическими методами.От качества этой процедуры зависит конечный результат и надёжность образованной плёнки.Большое значение это имеет при пассивации цветных металлов: латуни, меди, бронзы.

Электрохимическая

Этот вид пассивации основан на принципах, заложенных в технике гальванической обработки изделий. Ускорение обработки осуществляется благодаря воздействию постоянного тока, который протекает через раствор, ускоряя химическую реакцию. Такая пассивация называется электрохимическая.

В состав такой установки кроме ванны, в котором размещают электролит, используется источник постоянного тока, соединительные провода и один электрод. Вторым электродом является сама деталь.Другим вариантом контактов являются один электрод и корпус ванной (она должна быть изготовлена из металла, стойкого к воздействию электролита и электрического тока). На практике применяют электрические установки с относительно невысоким уровнем напряжения. Его величина не превышает 12В.

В обоих случаях при включении установки через раствор пропускают электрический ток. Он является стимулятором протекания процесса пассивации на поверхности заготовки. На практике различаю анодную и катодную пассивацию.

При такой пассивации положительный потенциал подается на заготовку, а отрицательный — на корпус ванны. При использовании электрохимического способа защитная пленка образуется быстрее и получается более ровной. Но такая технология дороже химической пассивации, т. к. в ней применяется более сложное оборудование и происходит расход электроэнергии.Под его действием защитная пленка получается равномерной. Именно так формируется плёнка на поверхности медных заготовок. Ток пропускают через растворы с растворёнными в них солями хрома. Именно в них медь приобретает наибольшую стойкость к коррозии.

Важными параметрами в этом процессе является время протекания пассивации, плотность и состав электролита, критическая величина тока пассивации. Эти параметры рассчитаны для различных металлов и приведены в специальных таблицах. На основании этих данных рассчитывают допустимое время обработки.

Свойства металла после обработки

Основной задачей пассивации является улучшение физико-химических и механических характеристик поверхностного слоя материала, из которого изготовлена деталь. Остальные характеристики более глубоких слоёв сохраняются неизменными. Поэтому после завершения пассивации в поверхностном слое изменяются следующие свойства и характеристики:

• возникает слой с новым химическим составом;
• изменяется антикоррозийная активность (она значительно замедляется);
• улучшаются физические характеристики материала (только поверхностного слоя);
• в отдельных случаях повышается механическая прочность изделия;
• изменяется цвет детали (она приобретает более эстетичную форму);
• повышаются потребительские свойства, и улучшается товарный вид.

Пассивация нержавеющей стали позволяет значительно повысить антикоррозийные свойства и придать готовой детали совершенно другой цвет. Применение хрома или никеля в составе пассивирующего раствора позволяет получить блестящий металлический цвет.

Пассивация железа близкими к нему химическими элементами позволяет создать достаточно стойкий к коррозии внешний слой. Таки образом расширяется область применения таких изделий. Их можно использовать даже в активных и агрессивных средах. Кроме различных марок стали пассивации подвергают чугун. Основной задачей является создание защитной плёнки от коррозии. В отдельных случаях при применении загущенного нитрата натрия поверхностный слой приобретает некоторую эластичность. В этом случае добиваются снижения хрупкости всей детали. Одним из видов стали является так называемое воронение. В результате обработки получается надёжный внешний слой чёрного цвета

Аналогичным образом изменяются свойства поверхностного слоя цветных металлов. В результате пассивации образуются определённой толщины адсорбционные или фазовые слои. Помещение заготовки из алюминия стимулирует процесс естественной пассивации поверхностного слоя этого металла. При воздействии кислотных растворов защитные свойства поверхностного слоя алюминия увеличиваются.

Электролитическое и химическое пассивирование металлов

Пассивирование, (или пассивация) металлов является особой обработкой, в ходе которой внешний слой материала приобретает новые свойства, делающие металлы похожим на благородные – то есть не поддающимися окислению и каким-либо другим негативно влияющим на него действиям.

В ходе обработки получаются оксидные плёнки на поверхности. И если эта плёнка не будет как-то нарушена грубым физическим воздействием, то любой метал, ранее требовавших особых условий эксплуатации, делается перед ними защищённым и стойким.

Суть и описание процесса

Для защиты от коррозии или других видов химических разрушений на поверхности металла формируют фазовый или адсорбционный слой (плёнку). Технически это выглядит как нанесение такого защитного покрытия с помощью специальных растворов (химическое пассивирование) или к созданию защитного барьера прибегают другими способами (электролитическая пассивация).

Электролитическая является более предпочтительной как химически более стойкая.

Целью процесса является снижение химической активности металлов с возможностью их сохранения. Ведь убытки от коррозии как от атмосферных воздействий, так и от реагентов в технологических процессах во всём мире может достигать величин десятков миллиардов долларов. И для защиты этих металлов практически к каждому из них придуман свой механизм нанесения защитных слоёв (потому что универсальных методов не существует, каждый металл требует своего подхода). На практике это вылилось в разработку особых режимов воздействия, уникальных составов электролитов и расчёта напряжения и силы тока для каждого конкретного случая нанесения плёнок на металл.

Пассивирование металла можно рассматривать как образование своего рода ржавчины на его поверхности. Только «ржавчина» эта рукотворная и с заранее заданными свойствами.

Химическая пассивация

Это обработка металлов растворами соединений, которые способны быстро образовать оксидную поверхность. Но чтобы процесс не пошёл вглубь, особенно активно разрушая слабые места в кристаллических решётках металлов. На определённой стадии его останавливают, применяя вещества-нейтрализаторы, а затем подвергая металл промывке в разных средах и при разной температуре.

Типичная картина может выглядеть так:

• зачистка поверхности металла, предназначенного для пассивации, абразивными материалами;
• обезжиривание поверхности едким натром или кальцинированной содой;
• удаление обезжиривающий веществ вместе с растворёнными ими соединениями напором горячей, а затем холодной воды;
• пассивирование подходящим к данному металлу составом в заранее рассчитанном времени»
• нейтрализация химического реагента-пассиватора кальцинированной содой;
• промывка в проточной холодной воде»
• сушка обдувом тёплого или горячего воздуха;
• визуальный и инструментальный контроль поверхности, в т. ч. и с помощью оптических датчиков, настроенных на типичную структуру получившейся оксидной плёнки.

При неудовлетворительном качестве полученных результатов процесс повторяют, начиная с абразивной зачистки.

Электролитическая пассивация

Основана на свойстве металлов переходить через электролит с приложенным напряжением на поверхность обрабатываемого металла. Для каждого конкретного вида металла подбирается присущий только ему электролит. А в качестве анода также используется металл, подходящий по своим физико-химическим показателям.

При анодной пассивации поляризующий ток должен превысить некоторую критическую величину, при которой природа металл, электролита, его температура и концентрация начинают работать на покрытие погружённого в ванну металла защитной плёнкой. Которая не даёт возникнуть обратному «ионному току». Этот момент и является началом образования «непробиваемого» оксидного слоя, перед которым оказываются бессильными вещества-окислители. Кроме самых агрессивных, для которых будут предусмотрены особые режимы пассивации и особые вещества для неё.

Пассивирование стали

Входящее в состав любых видов сталей железо, как её основа, подвержена коррозии больше, чем какой-бы то ни было металл. Лучшей защитой от коррозии для железосодержащих материалов является добавление легирующих добавок в железный расплав, которые делают сталь нержавеющей. Но нержавеющая сталь дорога. Поэтому защитить более простые марки стали от ржавчины можно обработкой их в электролитических ваннах с добавлением в электролит ингибиторных пигментов в виде суриков – железных или свинцовых.

Указанные пигменты могут работать и как химические пассиваторы, без применения сложного механизма их соединения с покрываемым металлом. Нанесение таких пигментов осуществляется обычными малярными принадлежностями, и связано обычно с большими габаритами обрабатываемых поверхностей, которые не поместишь в электролитическую ванну (корпуса судов всех видов). Но в этом случае защитное действие будет слабее.

При анодном же покрытии с помощью пигментов в пограничном обрабатываемом внешнем слое возникает высокая плотность тока в порах образуемой защитной плёнки. В железе как части стального сплава защитные оксидные плёнки в естественных условиях образоваться не могут, то пассивирование возможно только в случае включения в механизм покрытия пигментов-ингибиторов.

Но основное различие в образовании защитных слоёв на металле методами химической и электролитической пассивации заключается в скорости процесса и прочности образуемой фазовой плёнки. Ведь и в химической ванне, и в ней же, но с добавленным к процессу электрическим током и напряжением процесс образования оксидной или солевой плёнки идёт по одному сценарию.

Пассивация конструкционных и специальных сталей

Для надёжной пассивации сталей их желательно предварительно покрыть, все или частично (те их элементы, которые будут испытывать наибольшее воздействие неблагоприятных факторов) никелем, цинком или кадмием с использованием хромовых солей. Пассивирование этими солями выгодно тем, что после укрепления поверхностного слоя изделия эксплуатируются без опасности возникновения коррозий очень длительное время. А в случае начала ржавления отдельных участков их можно, не разбирая и не снимая с места конструкцию, пассивировать этим же составом с солями хрома прямо на месте, методом аппликации пропитанных растворами накладок.

Пассивация алюминия

На алюминии оксидная и очень прочная плёнка образуется в естественных условиях под воздействием кислорода воздуха. Многие помнят школьный опыт, когда с алюминиевой проволоки, опущенной в ртуть, надфилем снимается небольшой слой , а потом этот обработанный надфилем кончик вынимался из ртути. И обработанный конец на воздухе мгновенно покрывался «шубой» из кристаллов окисла. Но в обычных условиях атмосферного воздействия оксида на алюминии образуются не столь быстро и имеют вид прозрачной плёнки толщиной всего несколько мМк. По своим свойствам она очень близка к химически-инертному оксиду алюминия корунду. Недостаток такой природной плёнки – её неустойчивость при значительном повышении температуры или при длительном воздействии активных кислот.

Для стойкой защиты не обойтись без процесса анодирования, результатом которого бывает получение защитных плёнок толщиной от 5 до 20 мМк. А в отдельных режимах можно получить и сверхпрочные плёнки,(выдерживающие нагрузку до 1500 кг на мм, то есть выше, чем у инструментальной стали.

Пассивация серебра

Серебро относится к благородным металлам, несмотря на изменение его свойств на свету (оно темнеет). До наступления эры цифровой фотографии эта способность серебра использовалась в создании светочувствительных материалов (фотоплёнки и фотобумаги).

Но потемнение изделий из серебра в быту – процесс часто нежелательный, и для его предотвращения используют химические способы предохранения верхнего, пограничного с воздухом, слоя металла, от воздействия света и воздуха. Лучше же всего предотвращает такие изменения пассивация методом обработки серебра в хромпике – двухромовокислый калий K₂ Cr₂ O_7.

Для его осуществления хромпик в количестве 60 г разводят в 1 литре кипячёной нежёсткой воды. Рабочая температура раствора от 25 до 40 градусов, это не критично. Пассивацию проводят, просто погрузив серебряное изделие в ванну полностью на 20 минут и периодически перемешивать раствор. В случаях, когда разведённое количество хромпика не покрывает изделие полностью (статуэтка сложной формы или объёмный серебряный канделябр) попеременное обрабатывание поверхности частями лучше не практиковать, а развести реактив в необходимом для нормального объёма количестве воды.

Химическое пассивирование нержавейки

Несмотря на то, что нержавеющая сталь как в своей массе, так и в поверхностном слое уже инактивирована в смысле воздействия на неё неблагоприятных условий среды, иногда коррозия находит у этой стали слабые места.

Сталью железо делают легирующие добавки. А основной такой добавкой, делающей сталь нержавеющей, является хром. Но при его 12% в составе сплава он защитит сталь только от атмосферных воздействий. При 17% выдержит уже обработку азотной кислотой, одной из самых агрессивных кислот.

Дело ещё и в состоянии поверхности нержавеющего материала. И если поверхностный слой нарушен, если на нём есть глубокие царапины, задиры, микроскопические ударные кратеры, то даже легированный металл будет подвержен коррозии.

А иногда достаточно сварного шва на поверхности. И пусть сварка тоже выполняется специальными электродами и в специальном режиме, образующееся в шве чистое железо станет центром коррозии, которая примет цепной характер. Да что сварка? Даже если резать или пилить рядом с нержавеющей конструкцией обычную, нелегированную сталь, то опилки, стружки и любой формы частички от неё, попавшие на нержавейку, тоже быстро станут такими центрами.

Заключение

А в итоге, когда начинаешь разбирать причины появления ржавчины на нержавеющей стали, выясняется, что виной было уничтожение естественной для этого вида стали оксидной плёнки. Поэтому дополнительной защитой, которая нужная нержавейке – это обработка кислотами: серной, соляной, азотной с последующей нейтрализацией её остатков после того, как она уже образовала химически-нейтральный защитный слой на металле. И смыть остатки нейтрализатора водой, а потом вытереть насухо. Теперь только очередное грубое механическое нарушение оксидной плёнки способно запустить механизм коррозии.

По этой же причине домохозяйкам ни в ком случае не стоит чистить посуду из полированной нержавейки абразивными составами, да ещё с примесью хлора. Пример? «Комет». Очистит эффективно, это да. Но параллельно запустит процесс коррозии металла.