СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ ИЗ ЛЁГКОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2024 года по МПК E04C2/26 E04B1/76 

Изобретение относится к строительной отрасли.

Изобретение относится к области энергосбережения зданий и, в частности, к энергосберегающей конструкции наружной стены здания из лёгкого теплоизоляционного материала, включающей фазоизменяемый материал (ФИМ).

Строительный сектор потребляет 20-40% всей вырабатываемой энергии, основная доля приходится на развитые страны, и около 50% этой энергии расходуется на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха. Повышения энергоэффективности лёгких зданий можно достичь, при увеличении массы ограждающих конструкций, либо за счёт использования фазоизменяемых материалов (ФИМ) [Guarino F., Athienitis A., Cellura M., Bastien D. PCM thermal storage design in building: Experimental studies and applications to solaria in cold climates // Applied energy. 2017. Vol. 185. P. 95–106]. Важное место при использовании ФИМ в ограждающих конструкциях лёгких зданий уделяется определению оптимального месторасположения ФИМ в конструкции наружной стены.

Известна многослойная строительная конструкция и способ её установки в жилых или коммерческих зданиях, которая повышает термическую эффективность бетонных строительных панелей, [US 8881480, 2014-11-11, E04B-001/74]. Способ включает формирование слоя бетона, первого слоя ФИМ, опорного слоя, второго слоя ФИМ и еще одного слоя бетона. Каждый слой ФИМ представляет собой плоское основание с множеством отсеков, заполненных материалом с фазовым переходом.

Известны монолитная теплосохраняющая стена с фазовым переходом и способ её возведения [CN 108978931, 2018-12-11, E04B-001/76, E04B-001/80, E04B-002/00]. Способ включает последовательное формирование

жесткой конструкция, заполненной ФИМ, размещение её в центре корпуса стены из теплоизоляционного материала. В качестве ФИМ используют парафин.

Указанные способы сложны. В технических решениях не учтена зависимость месторасположения ФИМ от режимов изменения температуры наружного и внутреннего воздуха, что будет существенно сказываться на энергоэффективности зданий, возводимых из этих конструкций.

Известны результаты экспериментальных исследований оптимального расположение слоя ФИМ в стене.

В работе [Jin X., Zhang S., Xu X., Zhang X. Effects of PCM state on its phase change performance and the thermal performance of building walls // Building and Environment. 2014. Vol. 81. P. 334–339] протестировано несколько расположений ФИМ на расстоянии от внутренней поверхности стены: 1/5L, 2/5L, 3/5L, 4/5L и 5/5L где L – толщина стены, и показано, что оптимальное расположение слоя ФИМ находилось на расстоянии 0,2L от внутренней поверхности стены, что приводило к снижению максимального теплового потока на внутренней поверхности стены на 41%.

В работе [Jin X., Shi D., Medina M.A., Shi X., Zhou X., Zhang X. Optimal location of PCM layer in building walls under Nanjing (China) weather conditions // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2017. Vol. 129 (3). P. 1767–1778] показано, что на оптимальное расположение слоя ФИМ в стене влияют его тепловые свойства, а также внешние условия. Оптимальное расположение слоя ФИМ в стене смещается к внешней поверхности, когда толщина ФИМ, теплота плавления и температура плавления ФИМ увеличиваются, а в случае роста внутренней температуры оптимальное расположение ФИМ смещается к внутренней поверхности стены.

В известных исследованиях тестирование стен с ФИМ проводилось в реальных условиях при различном характере изменения наружных и внутренних параметров воздушной среды, что дало противоречивые данные по оптимальному месторасположению ФИМ в лёгких стеновых конструкциях.

Известна стена, содержащая слой материала с фазовым переходом [CN 212926564, 2021-04-09, E04B-001/80, E04B-002/04]. Стена выполнена из слоя бетона с микрокапсулами с ФИМ и теплоизоляционного слоя. Слой бетона обращён внутрь здания. Теплоизоляционным слоем, обращённым наружу здания, полностью покрыта поверхность внутреннего слоя из бетона. Толщина теплоизоляционного слоя составляет 0,2-0,7 мм. Толщина слоя с микрокапсулами, содержащими материал с фазовым переходом составляет 5-9 см. Микрокапсулы с ФИМ, объёмное содержание которых составляет 5-15% от объёма бетона равномерно распределены в слое бетона. Микрокапсулы размером 20-100 мкм представляют собой сферы с кремнеземной оболочкой толщиной 5-10 мкм, заполненные органическим материалом с фазовым переходом. Температура известной стены с ФИМ, составляющим 10% от объёма бетона, снижается на 2,6°С по сравнению со стеной без ФИМ. Температура стены с ФИМ, составляющим 20% от объёма бетона, снижается на 4,3°С по сравнению со стеной без ФИМ.

Известен двухслойный стеновой материл для здания, выбранный в качестве прототипа, [JP 7217452, 2023-02-03, C09K-005/06, E04B-001/76, E04F-013/08], обеспечивающий огнестойкость и теплоаккумулирование. Первый слой выполнен из основного материала с 10-30 мас.% ФИМ, второй слой выполнен из основного материала. В качестве основного материала используют одно из веществ: диатомит, сдвиговые вещества, полугидраты, известь, заполнители, загустители, неорганические порошки и органические порошки. ФИМ представляет собой микрокапсулы диаметром 1~500 мкм, в которые инкапсулирован ФИМ. ФИМ выбран из парафиновых соединений и эфиров жирных кислот. Толщина первого слоя конкретно не ограничена, но предпочтительно составляет 0,5-6 мм, более предпочтительно 1-5 мм и особенно предпочтительно 2-4 мм. Толщина второго слоя конкретно не ограничена, но предпочтительно составляет 0,1-5 мм, более предпочтительно 0,5-3 мм и особенно предпочтительно 1-2 мм. Теплоаккумулирующие свойства указанного стенового материала составляют 30 кДж/м².

В конструкциях изготавливаемых известными способами не учтена зависимость месторасположения ФИМ от температурного режима возводимого здания, что будет существенно сказываться на энергоэффективности здания. Кроме того, выполнение слоя с ФИМ в виде микрокапсул с ФИМ в основном материале менее эффективно, чем в виде плоского слоя из материала с фазовым переходом, как в предлагаемом изобретении. В предлагаемом изобретении также учтён температурный режим здания, при этом теплоаккумулирующие свойства полученного стенового материала составляют 659 кДж/м², что более, чем в 20 раз выше, чем в прототипе.

Задачей настоящего изобретения является создание способа формирования ограждающих конструкций для возведения зданий различного назначения из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем фазоизменяемого материала:

- позволяющего повысить тепловую инерционность здания без увеличения массы и объёма ограждающих конструкций (стен и кровли),

- являющегося недорогим и простым в реализации и применении.

Технический результат – повышение тепловой инерционности здания из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем ФИМ без увеличения массы и объёма ограждающих конструкций (стен и кровли).

Задача решается путём создания простого способа формирования ограждающих конструкций для возведения зданий различного назначения из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем фазоизменяемого материала с учётом режимов изменения температуры наружного и внутреннего воздуха.

Предложен способ, включающий следующие этапы:

1. формирование слоя из лёгкого теплоизоляционного материала,

2. формирование слоя ФИМ.

Согласно изобретению, слой ФИМ формируют в зависимости от температурного режима возводимого здания:

- в режиме кондиционирования (поддержания температуры воздуха внутри помещения постоянной) слой ФИМ формируют в центре ограждающей конструкции из лёгкого теплоизоляционного материала,

- в режиме отсутствия кондиционирования (суточных синфазных колебаний температуры внутреннего воздуха с температурой наружного воздуха) слой ФИМ формируют на внутренней поверхности ограждающей конструкции из лёгкого теплоизоляционного материала.

Согласно изобретению, объёмное содержание ФИМ в обоих режимах составляет от 2 до 8%.

Согласно изобретению, слой ФИМ формируют в виде плоского слоя единого вещества материала с фазовым переходом, покрывающего полностью поверхность слоя из лёгкого теплоизоляционного материала.

Согласно изобретению, лёгкий теплоизоляционный материал выбирают из группы, включающей минеральную вату, пенополистерол, пенополиуретан, пенополиизоцианурат.

Согласно изобретению, ФИМ выбирают из группы, включающей парафины, жирные кислоты, неорганические соли.

Далее в нижеследующем описании изобретения под термином «ограждающая конструкция» следует понимать только стены и кровлю здания, под термином «внутренняя сторона ограждающей конструкции» – сторону ограждающей конструкции, обращённую внутрь помещений здания, под термином «внешняя сторона ограждающей конструкции» – сторону ограждающей конструкции, обращённую наружу здания, «внутренний воздух» – воздух внутри помещений здания, «внешний воздух» – воздух снаружи здания.

Предлагаемый способ позволяет формировать обладающие высокой тепловой инерцией ограждающие конструкции, стены и кровлю, из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем фазоизменяемого материала (ФИМ) для возведения энергоэффективных жилых, производственных и административных зданий.

Тепловая инерция в строительстве - это свойство ограждений сохранять относительно постоянную температуру при изменяющихся внешних тепловых воздействиях.

Тепловая инерционность здания зависит, прежде всего, от двух параметров материала наружных ограждающих конструкций (стен и кровли):

1) теплопроводности материала, которая характеризует тепловой поток через материал;

2) теплоёмкости материала (способность аккумулирования тепла).

В качестве основного материала ограждающей конструкции здания предлагается использовать такие широко применяемые в строительстве лёгкие теплоизоляционные материалы, как минеральная вата, пенополистерол. Также можно использовать любые другие лёгкие современные теплоизоляционные материалы, обладающие низкой теплопроводностью, в частности, пенополиуретан и полиизоцианурат, которые значительно превосходят по своим характеристикам многие традиционные теплоизоляционные материалы.

Ограждающую конструкцию (стену, кровлю) формируют в виде двух слоёв, а именно слоя выбранного теплоизоляционного материала (основного материала) и слоя ФИМ. Слой ФИМ в виде плоского слоя единого вещества материала с фазовым переходом размещают либо на внутренней поверхности основного теплоизоляционного материала, либо внутри него.

Температурный режим здания зависит от характера теплообмена между ограждающей конструкцией, содержащей ФИМ, и окружающей средой, внешней и внутренней. На практике условно можно выделить два основных суточных температурных режима здания:

1. Режим синфазных колебаний температур наружного, T_out, и внутреннего, T_in, воздуха здания, когда T_out = T^out_mid +A_Toutsin(2πt/τ)°С; T_in= Tⁱⁿ_mid +A_Tinsin(2πt/τ)°С.

Данный режим достаточно часто встречается в зданиях при отсутствии систем кондиционирования.

2. Режим поддержания температуры внутреннего воздуха постоянной, T_in=const, путём кондиционирования, при колебаниях температуры наружного воздуха, T_out = T^out_mid +A_Toutsin(2πt/τ)°С.

Здесь: A_Tout - амплитуда колебаний температуры наружного воздуха, A_Tin- амплитуда колебаний температуры внутреннего воздуха, t – время, а τ –суточный период времени, T^out_mid – средняя температура наружного воздуха, Tⁱⁿ_mid– средняя температура внутреннего воздуха.

Материал с фазовым переходом (ФИМ) выбирают из группы материалов, включающей парафины, жирные кислоты, неорганические соли, имеющие широкий диапазон изменения температуры фазового перехода. Место расположения слоя ФИМ в ограждающей конструкции из основного материала и объёмное содержание ФИМ определяют в зависимости от температурного режима здания. Для режима зданий с кондиционированием внутреннего воздуха, поддержанием температуры внутреннего воздуха постоянной, T_in=const, слой ФИМ размещают в центре ограждающей конструкции из основного материала. Для режима зданий при отсутствии кондиционирования внутреннего воздуха, то есть в режиме синфазных колебаний температур наружного и внутреннего воздуха здания, слой ФИМ размещают на внутренней поверхности основного материала.

Объёмное содержание ФИМ выбирают в диапазоне 4-8%. Когда содержание ФИМ в слое меньше выбранного диапазона, свойства аккумулирования тепла уменьшаются, а когда объёмное содержание ФИМ превышает выбранный диапазон, значительно снижается термическое сопротивление и увеличивается вес ограждающей конструкции.

Для подтверждения осуществления изобретения было выполнено численное исследование влияния слоя фазоизменяемого материала (ФИМ) на повышение теплоинерционных свойств наружной стены здания из лёгкого теплоизоляционного материала с учётом температурного режима.

Расчёты проведены для здания, у которого наружная стена толщиной 100 мм выполнена из лёгкого теплоизоляционного материала с тонкой прослойкой ФИМ. В качестве теплоизоляционного материала стены использовался вспененный полиуретан плотностью 35 кг/м³, а в качестве ФИМ – парафин с различными температурами фазовых переходов. Основные характеристики материалов наружной стены, используемые в расчётах, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики используемых в расчётах материалов.

Материал Плотность, кг/м³ Телоёмкость, Дж(кг K) Теплопроводность, Вт/(м K) Теплота фазового перехода, Дж/кг Вспененный полиуретан 35 1400 0.035 - Парафин 920 2190 0.268 179000

Рассматривались два режима относительно температуры внутреннего воздуха:

1. Режим с кондиционированием внутреннего воздуха (поддержание постоянной температуры воздуха в помещении T_in =const);

2. Режим без кондиционирования внутреннего воздуха (при суточных колебаниях температуры внутреннего воздуха синфазных с колебаниями температуры наружного воздуха, T_in=21+5sin(2πt/τ)°С).

При этом считалось, что температура наружного воздуха T_out при её среднем значении 25°С совершала суточные колебания с амплитудой 10°С, T_out = 25+10sin(2πt/τ)°С, где t – время, а τ – суточный период времени. Коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхности стены принимались постоянными, соответственно, на внутренней h_in=8,7 Вт/м², а на наружной h_out=23 Вт/м². Объёмное содержание ФИМ в серии расчётов составляло 4-8%.

Были выполнены расчёты с использованием компьютерного кода Comsol Multihysics 6.1 для разного расположения слоя ФИМ в стене.

Пример 1.

Рассмотрен режим кондиционирования температуры воздуха внутри помещения: T_in =const, T_out = 25+10sin(2πt/τ)°С.

Средняя температура фазового перехода ФИМ была принята 23°С, что соответствовало средней температуре в центре стены без ФИМ, а ширина температурного диапазона фазовых переходов ФИМ составляла ΔT_f = 5°С.

Тепловой расчёт был проведен для стены из пенополиуретана для двух положений слоя ФИМ объёмным содержанием 4%:

1. в центре стены;

2. на внутренней поверхности стены.

Согласно результатам расчёта, в случае расположения слоя ФИМ в центре стены, амплитуда колебаний плотности теплового потока на внутренней поверхности стены с ФИМ снизилась в 13 раз по сравнению с базовым вариантом расчёта стены без ФИМ. Также получено, что временной сдвиг между максимальными значениями наружной температуры воздуха и максимальным значением плотности теплового потока на внутренней поверхности стены при расположении в её центральной зоне ФИМ составил 6,2 часа. Такой значительный временной сдвиг позволяет сместить время максимальных теплопоступлений с дневного времени на вечернее, когда пик энергопотребления на летнее кондиционирование уже пройден.

Согласно результатам расчёта, в случае расположения слоя ФИМ на внутренней поверхности стены также наблюдался временной сдвиг между максимальными значениями наружной температуры воздуха и максимальным значением плотности теплового потока на внутренней поверхности стены, но меньший, чем при расположении ФИМ в центре.

Расчёты показали, что при расположении в центре стены 4 об.% ФИМ только 45% ФИМ претерпевало фазовые превращения в суточных циклах изменения температуры. Это позволило в 2 раза уменьшить содержание ФИМ до 2 об.% в центре стены, и при этом получить близкие значения изменения плотности тепловых потоков на внутренней поверхности стены в суточном цикле с 4 об.%.

В качестве основного результата расчётов показан график, Фиг. 1, относительного снижения амплитуды колебаний теплового потока на внутренней поверхности стены при различном расположении установки слоя ФИМ, здесь: k – коэффициента снижения амплитуды колебаний плотности теплового потока на внутренней поверхности стены: k = А_{q without PCM}/А_{q with PCM}, Aq_{без ФИМ} и Aq_{с ФИМ} – соответственно амплитуды колебаний плотности теплового потока на внутренней поверхности стены с ФИМ и без ФИМ, d – толщина стены, l –координата места установки слоя ФИМ от наружной поверхности стены.

В результате выполненных расчётов показано, что в режиме поддержания температуры воздуха внутри помещения постоянной применение в стене из лёгкого теплоизоляционного материала слоя ФИМ 2-4 об.% позволило снизить амплитуду колебаний теплового потока на внутренней поверхности стены от 2 до 13 раз в зависимости от места расположения ФИМ. Наибольшее снижение теплового потока получено при установке слоя ФИМ в центральной области стены.

Пример 2.

Рассмотрен режим отсутствия кондиционирования воздуха в помещении (при суточных колебаниях температуры внутреннего воздуха синфазных с колебаниями температуры наружного воздуха, T_in=21+5sin(2πt/τ)°С, T_out = 25+10sin(2πt/τ)°С.

Тепловой расчёт был проведён для стены из пенополиуретана для двух положений слоя ФИМ объёмным содержанием 4%:

1- в центре стены;

2 - на внутренней поверхности стены.

При размещении слоя ФИМ в центре стены снизить амплитуду колебаний теплового потока на внутренней поверхности стены не удалось, более того, она даже несколько увеличилась.

На Фиг. 2 показан результат при размещении слоя ФИМ 4 об.% и 8 об.% на внутренней поверхности стены в виде суточных изменений температуры наружного воздуха, t °С, и плотности теплового потока, q Вт/м²: 1 – суточные изменения температуры наружного воздуха; 2 – суточные изменения плотности теплового потока на внутренней поверхности, ФИМ 4 об.%,; 3 – суточные изменения плотности теплового потока на внутренней поверхности, ФИМ 8 об.%.

Установлено, что временная задержка между временем максимальной наружной температуры воздуха и максимальным значением теплового потока на внутренней поверхности стены составила 10,5-11 часов, то есть они изменялись практически в противофазе. В дневное время, когда температура воздуха в помещении синфазно с наружной температурой воздуха увеличивалась, на внутренней поверхности стены возникал тепловой поток из помещения, который способствовал охлаждению помещения. В ночное время, наоборот, когда температура внутреннего воздуха снижалась, на внутренней поверхности стены тепловой поток направлен внутрь помещения, что способствовало повышению температуры воздуха в помещении.

Наибольший эффект в повышении тепловой инерции стены из лёгкого теплоизоляционного материала в режиме суточных синфазных колебаний температуры внутреннего воздуха с температурой наружного получен при установке ФИМ 4-8 об.% на внутренней поверхности стены.

Изобретение относится к строительной отрасли, а именно к области энергосбережения зданий и, в частности, к энергосберегающей конструкции наружной стене здания из лёгкого теплоизоляционного материала, включающей фазоизменяемый материал (ФИМ). Технический результат – повышение тепловой инерционности здания из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем ФИМ без увеличения массы и объёма ограждающих конструкций (стен и кровли). Описан способ формирования ограждающей конструкции здания, включающий следующие этапы: формирование слоя из лёгкого теплоизоляционного материала, формирование слоя ФИМ в виде плоского слоя единого вещества материала с фазовым переходом, в зависимости от температурного режима возводимого здания: в режиме кондиционирования – в центре конструкции из лёгкого теплоизоляционного материала; в режиме отсутствия кондиционирования – на внутренней поверхности конструкции. Объёмное содержание ФИМ составляет от 2 до 8%. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 2 пр.

1. Способ формирования ограждающей конструкции здания из лёгкого теплоизоляционного материала, включающий: формирование слоя из легкого теплоизоляционного материала, формирование слоя фазоизменяемого материала (ФИМ), отличающийся тем, что слой ФИМ формируют в виде плоского слоя единого вещества материала с фазовым переходом, покрывающего полностью поверхность слоя из лёгкого теплоизоляционного материала, слой ФИМ формируют в зависимости от температурного режима внутреннего воздуха:

1) в режиме кондиционирования слой ФИМ формируют в центре ограждающей конструкции из лёгкого теплоизоляционного материала,

2) в режиме отсутствия кондиционирования слой ФИМ формируют на внутренней поверхности ограждающей конструкции из легкого теплоизоляционного материала,

причём объёмное содержание ФИМ составляет 2-8%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лёгкий теплоизоляционный материал выбирают из группы, включающей минеральную вату, пенополистирол, пенополиуретан, пенополиизоцианурат.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ФИМ выбирают из группы, включающей парафины, жирные кислоты, неорганические соли.