По данным специалистов Уральского федерального университета и их коллег из Ляонинского технологического университета (Китай), использование композитных кирпичей позволяет уменьшить теплопотери в помещениях на 15–25% по сравнению с обычными строительными материалами. В ходе исследования были проанализированы свойства «умных» кирпичей в условиях холодного климата, результаты опубликовали в журнале Buildings.
Были созданы две версии кирпичей с самоизолируемой внутренней полостью: одна модификация содержит наполнитель из композитного материала с переменной фазой (PCM), другая — не содержит его. В качестве PCM использовали гексадекан (парафин). Данное вещество, в отличие от существующих аналогов, демонстрирует высокую эффективность в поглощении и высвобождении тепла, отличается химической стабильностью и безопасностью, обладает широким диапазоном температур фазового перехода и, самое главное, характеризуется низкой стоимостью в сравнении с другими PCM.
«Изменение тепловых характеристик стен достигается за счет использования композитных материалов с изменяемой фазой (PCM), что делает их экономически привлекательными в разных климатических зонах. Так, по словам руководителя исследования, заведующего кафедрой систем автоматизированного проектирования объектов строительства УрФУ Владимира Алехина, в условиях жаркого климата добавление PCM в многослойные стены позволяет повысить их теплоемкость на 35%, что приводит к уменьшению перепадов температуры в помещениях и, как следствие, к сокращению энергопотребления.
В ходе испытаний, проведенных в условиях холодного климата, было установлено, что у новых кирпичей разница температур между внутренней и внешней поверхностями на 6 °C больше, чем у стандартных. Интенсивность теплообмена на внутренней поверхности кирпичей, содержащих PCM, уменьшилась на 8,57 Вт/м 2. Модернизированные пустотелые кирпичи продемонстрировали увеличение температуры внутренней поверхности на 0,99 °C, а температуры в средней части – на 3,85 °C, по сравнению с традиционными аналогами.
«На производительность композитных материалов влияют такие параметры, как расположение, толщина и климатические особенности региона, причем наилучшие показатели достигаются благодаря продуманному размещению слоев PCM в стенах. Однако полученные данные свидетельствуют о том, что кирпичи, содержащие PCM, способны замедлять снижение температуры в зданиях, что существенно улучшает теплоизоляцию стен. Кроме того, они демонстрируют выдающуюся способность к накоплению тепла, эффективно уменьшая теплопотери внутри помещений, что соответствует принципам проектирования экологичных зданий, способствуя сокращению потребления энергии и повышению удобства для жильцов, — отмечает аспирантка кафедры систем автоматизированного проектирования объектов строительства УрФУ Хуань Юэ.
По словам исследователей, кирпичи, содержащие PCM, медленно отдают тепло, накопленное в периоды высокой солнечной активности. Это позволяет, с одной стороны, уменьшить затраты электроэнергии, а с другой — сократить использование ископаемого топлива, такого как газ и уголь. Данный фактор может частично оправдать более высокую цену кирпичей, содержащих композитный наполнитель.
«Хотя гексадекан и обходится дешевле, чем схожие композиционные материалы, кирпичи с добавлением PCM по-прежнему стоят дороже стандартных. На этапе лабораторных исследований стоимость такого кирпича возрастает приблизительно на 0,5 доллара. По мере внедрения технологии и переходе к серийному производству с использованием промышленного парафина, при оптовых закупках сырья и организации автоматизированного заполнения на производственной линии, стоимость каждого кирпича снизится по сравнению с лабораторным образцом, однако останется выше на 0,2–0,3 доллара относительно обычных кирпичей. Тем не менее, это инновационная технология, активно развивающаяся во всем мире. Из таких кирпичей уже возводятся экспериментальные здания, например, в Китае, Японии, Алжире. Уверен, в этом направлении не должны отставать и мы, — считает Владимир Алехин.
В настоящее время исследователи изучают разные варианты расположения кирпичей и определяют наилучшее соотношение заполнения конструкций, чтобы повысить энергоэффективность и уменьшить общую стоимость.
Справка
Композитные материалы с изменяемой фазой (PCM) – это вещества, способные поглощать или выделять значительное количество тепловой энергии в процессе перехода между различными агрегатными состояниями, например, из твердого в жидкое и обратно. Благодаря этому процессу обеспечивается эффективное накопление и высвобождение тепла, что позволяет поддерживать стабильную температуру в окружающей среде. Такие материалы находят применение в строительстве, текстильной промышленности и холодильной технике. PCM обладают определенной температурой плавления и застывания, что позволяет точно регулировать температурный режим. В отличие от материалов, которые подвергаются нагреву и охлаждению без фазовых переходов, композитные материалы способны накапливать значительно больше тепловой энергии при меньшем объеме.
Научные изыскания в Уральском федеральном университете осуществляются при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Сообщение поступило из пресс-службы Уральского федерального университета