ОГРАЖДАЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ 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 ограждающей 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 для установки в жилых или коммерческих зданиях, которая повышает термическую эффективность бетонных строительных панелей, [US 8881480, 2014-11-11, E04B-001/74]. Строительная конструкция включает слой бетона, первый слой ФИМ, опорный слой, второй слой ФИМ и еще один слой бетона. Слой ФИМ представляет собой плоское основание со множеством отсеков, заполненных материалом с фазовым переходом.

Известна монолитная теплосохраняющая стена с фазовым переходом [CN 108978931, 2018-12-11, E04B-001/76, E04B-001/80, E04B-002/00], в центре корпуса которой расположена полость, в которой установлена жесткая конструкция, заполненная ФИМ. В качестве ФИМ используют парафин.

Указанные конструкции сложны в изготовлении, при их изготовлении 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. Толщина второго слоя конкретно не ограничена, но предпочтительно составляет 0,1-5 мм. Теплоаккумулирующие свойства указанного стенового материала составляют 30 кДж/м².

При изготовлении указанных конструкций 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 ограждающей конструкции для зданий различного назначения из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем фазоизменяемого материала:

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

- являющейся простой в изготовлении 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 простой в изготовлении и применении ограждающей конструкции для возведения зданий различного назначения из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем фазоизменяемого материала с учётом режимов изменения температуры наружного и внутреннего воздуха.

Предложена ограждающая конструкция здания, включающая слой лёгкого теплоизоляционного материала и слой ФИМ.

Согласно изобретению, слой ФИМ в зависимости от температурного режима внутреннего воздуха расположен:

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

2) в режиме отсутствия кондиционирования (суточных синфазных колебаний температуры внутреннего воздуха с температурой наружного воздуха) слой ФИМ расположен 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 представляет собой плоский слой единого вещества материала с фазовым переходом, полностью покрывающего поверхность слоя из лёгкого теплоизоляционного материала.

Согласно изобретению, слой лёгкого теплоизоляционного материала выполнен из материала, выбираемого из группы: минеральная вата, пенополистерол, пенополиуретан, пенополиизоцианурат.

Согласно изобретению, слой ФИМ выполнен из материала, выбираемого из группы: 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.

Предлагаемая ограждающая конструкция из лёгкого теплоизоляционного материала со слоем фазоизменяемого материала (ФИМ) обладает высокой тепловой инерцией и применима 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) теплоемкости 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 формируют в виде нескольких 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 стены 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). Ограждающая конструкция здания из лёгкого теплоизоляционного материала включает слой лёгкого теплоизоляционного материала и слой ФИМ, который сформирован в виде плоского слоя единого вещества материала с фазовым переходом, покрывающего полностью поверхность слоя из лёгкого теплоизоляционного материала, и расположен в центре ограждающей конструкции из легкого теплоизоляционного материала в режиме кондиционирования; на внутренней поверхности ограждающей конструкции из легкого теплоизоляционного материала в режиме отсутствия кондиционирования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Ограждающая конструкция здания из лёгкого теплоизоляционного материала, включающая слой лёгкого теплоизоляционного материала и слой фазоизменяемого материала (ФИМ), отличающаяся тем, что слой ФИМ сформирован в виде плоского слоя единого вещества материала с фазовым переходом, покрывающего полностью поверхность слоя из лёгкого теплоизоляционного материала, и в зависимости от температурного режима внутреннего воздуха расположен:

1) в центре ограждающей конструкции из легкого теплоизоляционного материала в режиме кондиционирования,

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

причём объёмное содержание ФИМ в конструкции из лёгкого теплоизоляционного материала составляет 2-8 %.

2. Ограждающая конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что слой лёгкого теплоизоляционного материала выполнен из материала, выбираемого из группы: минеральная вата, пенополистерол, пенополиуретан, пенополиизоцианурат.

3. Ограждающая конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что слой ФИМ выполнен из материала, выбираемого из группы: парафины, жирные кислоты, неорганические соли.