Материалы и методы для увеличения теплоаккумулирующей способности стен зданий

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Принципиальной особенностью современных энергоэффективных зданий являет-ся комплексность проработки большого круга архитектурно – строительных и инженерных за-дач, связанных с процессами поступления распределения в помещениях как традиционных, гак и альтернативных видов энергии. Анализ работ ряда авторов Рёсснер Ф., Шлинского В. М., Казь-миной А.И., Щукиной Т., Глинкину С., Рубашкиной Т. И. показывает, что высокая энергоэффек-тивность зданий и сооружений достигается использованием вполне определенных архитектур-но – строительных и инженерных решений, основными из которых являются создание зданий, сооружений и их конструкции, отвечающих требованиям энергоэкономичности, способно ак-тивно поглощать, передавать в помещения тепловую энергию природной среды и обеспечивать формирование комфортных параметров микроклимата помещений; приспособленность зданий и сооружений к природным и антропогенным условиям; рациональные объёмно – планировоч-ные решения, в которых использованы возможности оптимальной ориентации, компактного формирования и блокировки объектов, теплового зонирования помещений.
Практика и анализ опыта различных стран в решении проблемы энергосбережения строитель-ных объектов показывает, что наиболее эффективным путем ее решения является сокращение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий, сооружений, промышленного оборудо-вания и тепловых сетей. В тех областях экономики, где имеет место неравномерное поступле-ние тепловой энергии, где требуется снижение энергозатрат, предлагается использование эф-фективного энергетического оборудования или альтернативных источников энергии. Одним из таких способов является использование аккумуляторов теплоты.
Целью работы является теоретическое обоснование применения теплоаккумулирующих мате-риалов в наружных ограждающих конструкциях.
Задачи исследований:
1. Обзор существующих решений по увеличению теплоаккумулирующей способности стен зданий;
2. Обоснование выбора наиболее выгодного решения методами функционально–структурного анализа;
3. Экономическая оценка и обоснование эффективности использования аккумуляторов теплоты.
Объект исследований – тепловые аккумуляторы стен зданий.
Предмет исследований – методы функционально–структурного анализа.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе об-щеизвестных методов законов теории вероятности и математической статистики. Использова-ние методов математической статистики и компьютерного моделирования изучаемых процес-сов и явлений обеспечило адекватную обработку результатов.
1. ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И
АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОТЫ
1.1 Обзор существующих решений по увеличению
теплоаккумулирующей способности стен зданий
Возможность аккумулирования тепловой энергии основана на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты.
К основным из них относятся накопление – выделение внутренней энергии при нагревании–охлаждении твердых или жидких тел, фазовые переходы с поглощением–выделением скрытой теплоты, процесс сорбции–десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с вы-делением–поглощением теплоты [1]. Отмеченные процессы реализуются в специальных устройствах – аккумуляторах теплоты (АТ) [2]. Вещества, используемые для накопления тепло-вой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами (ТАМ).
По типу процесса в аккумуляторах теплоты различают [3 – 5]:
– тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения темпера-туры вещества – теплоемкостная аккумуляция;
– тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;
– термохимическое аккумулирование тепловой энергии.
Теплоемкостная аккумуляция основана на способности веществ накапливать энергию при нагревании. При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, на кото-рую нагревается ТАМ, и его удельной теплоемкости. Этот способ является наиболее простым и давно применяется, например при отоплении печами, которые выполняются достаточно мас-сивными и накапливают во время нагрева теплоту, которая затем постепенно расходуется на обогрев помещения. С точки зрения величины удельной теплоемкости, то есть способности ак-кумулировать теплоту в расчете на 1 кг массы, одним из самых хороших веществ является вода.
Другим способом является аккумулирование тепловой энергии, основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление–затвердевание. В этом случае в качестве ТАМ используется фазопереходный материал (ФПМ). Реализация этого способа оказывается бо-лее сложной из–за необходимости усложнения конструкции. Однако в таких аккумуляторах теплоты, называемых аккумуляторами теплоты на фазовых переходах (АФП), на единицу объе-ма запасается гораздо большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки мо-жет быть осуществлен в узком температурном диапазоне, что оказывается очень важным при необходимости работы аккумуляторов теплоты в условиях небольших температурных градиен-тов.
Способ термохимического аккумулирования тепловой энергии основан на использовании обра-тимых химических реакций. Он позволяет запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых двух случаях, но сложен в реализации.
Из перечисленных трех типов процессов аккумулирования теплоты наибольшую перспективу для строительно–энергетического комплекса имеют аккумуляторы теплоты на фазовых пере-ходах, которые применяются на теплоэлектростанциях в качестве резервных накопителей теп-лоты, в системах утилизации сбрасываемого тепла, в системах отопления воздуха для улучше-ния тепловой эффективности и теплозащиты стеновых ограждающих конструкций.
Из–за своих основных достоинств – большого количества запасаемой теплоты и способности к термостабилизации при относительной простоте конструкции АФП находят все новые области применения. Основные направления применения АФП связаны с определенным температур-ным диапазоном. По интервалу рабочих температур их можно разделить на 4 класса (табл. 1).
Таблица 1 – Классы аккумуляторов теплоты на фазовых переходах
в зависимости от диапазона температур
Использование АФП для производства холода связано с необходимостью хранения пищевых продуктов и медицинских тканей, в том числе в условиях транспортировки. Средне– и высоко-температурные АФП пока не нашли широкого применения в промышленности. Использование среднетемпературных АФП связано в основном с энергетическими установками и системами утилизации тепла. Высокотемпературные АФП применяют в металлургии и энергетике. Наибо-лее широкое применение нашли низкотемпературные АФП, использование которых связано с системами жизнеобеспечения человека, экологически чистыми способами производства энер-гии и оптимизацией потребления энергии [6]. Кроме этого АФП классифицируются по времен-ному фактору их использования, в соответствии с которым они бывают краткосрочного (суточ-ные) и долгосрочного действия.
Время цикла работы АФП краткосрочного действия не превышает продолжительности суток. В АФП долгосрочного действия продолжительность процесса зарядки и разрядки может достигать годового периода. Конструктивное различие между первыми и вторыми сказывается в первую очередь на их размерах, что связано с необходимостью аккумулирования разного количества теплоты. Кроме того, АФП долгосрочного действия необходимо хорошо теплоизолировать из–за необходимости длительного хранения запасенной теплоты [7]. Для расчета и конструирования АФП необходимо знать особенности поведения систем, в которых осуществляется фазовый пе-реход из твердой фазы в жидкую и обратно.
Известный химический концерн BASF разработал и наладил промышленное производство ново-го материала Micronal PCM, который способен поглощать и высвобождать тепло. Такие матери-алы называют «материалами с фазовым переходом» (МФП). Они представляет собой микрокап-сулы из полимеров, внутри которых находится вещество, имеющее фазовый переход при тем-пературах близких к комнатной, например, парафин (рисунок 1).
Рисунок 1 – Электронное изображение микрокапсулированного
гексадекана в меламинформальдегидной смоле
Над созданием продукта Micronal PCM работала группа исследователей – Ф. Виттвер, Э. Янс, П. Шоссиг и др. Они изучили серию МФП, высокая эффективность которых обусловлена проявле-нием теплофизических процессов. Так, при переходе из твердого состояния в жидкое, эти мате-риалы без нагрева поглощают из окружающей среды значительное количество энергии. Данный эффект имеет место в определенном температурном диапазоне – от 21 до 26 ºС. Поглощенное тепло как бы «прячется» внутри материала, хранится там в латентном (от латинского latens – "скрытый") виде, и высвобождается только при снижении внешней температуры (рисунок 2).
Рисунок 2 – Принципиальная схема образования латентной теплоты
Когда комнатная температура поднимается выше определенного значения, соответствующего точке изменения агрегатного состояния воска (например, 23 оС), воск плавится, и в результате этого фазового перехода ходит поглощение избыточного тепла из помещения. Соответственно, увеличение температуры прекращается; никакие другие технологии не позволяют добиться по-добного эффекта. При снижении комнатной температуры воск затвердевает, и капсулы «отда-ют» поглощенное тепло в окружающее пространство.
Температура МФП и окружающих его объектов остается почти постоянной на протяжении всего процесса. В ходе обратного процесса охлаждения скрытая теплота, которая сохраняется в МФП, высвобождается в окружающую среду в пределах определенного температурного диапазона, и происходит обратный фазовый переход из жидкого состояния в твердое. В ходе такого процесса кристаллизации температура ПФМ и окружающих его предметов остается постоянной. После того, как фазовый переход, завершится, продолжающийся процесс нагревания (или охлажде-ния) приводит к дальнейшему повышению (или понижению) температуры. Способность к тако-му поглощению или высвобождению большого количества скрытой теплоты без изменения температуры делает ПФМ привлекательными для использовании в качестве подходящего сред-ства сохранения теплоты.
Немецкие исследователи нашли способ применения хранящих «скрытое» тепло материалов в качестве компонентов строительных конструкций. Сотрудники Института солнечных энергоси-стем (Германия) Ф. Виттвер и П. Шоссиг предложили оригинальную идею, суть которой заключа-лась в следующем. Небольшие частицы материала, обладающего способностью к фазовому пе-реходу, подвергались процедуре микрокапсулирования, т.е. помещения внутрь крошечных капсул. Э. Янс разработал необходимую технологию, а также установил, что особо чистый пара-финовый воск является подходящим для этого материалом. Разработчики поместили мельчай-шие капельки воска в полиакриловые сферы, диаметр которых составлял всего несколько мкм. Полученные микрокапсулы можно без проблем вводить в состав различных строительных ма-териалов (шпатлевки, штукатурки, ДСП, ДВП и др.). Эти капсулы обладают высокой прочностью, и поэтому их добавка не требует каких–либо ограничений либо изменений в технологиях рабо-ты со строительными материалами, и не препятствует таким операциям, как сверление отвер-стий и забивка гвоздей. Благодаря большой суммарной площади поверхности, многочисленные микрокапсулы способны быстро обмениваться энергией с окружающей средой. Избыточное тепло, поглощенное ими в течение дня, в ночное время высвобождается обратно, что "сглажи-вает" температурные колебания, создавая сбалансированный и комфортный климат внутри по-мещений.
На рисунке 3 приведен пример гипсокартона SmartBoard PCM фирмы Knauf (Германия), в кото-рый включено до 3 кг/м2 гранул Micronal PCM. Теплоемкость 2 плит гипсокартона толщиной 15 мм каждая сопоставима с теплоемкостью стены из бетона толщиной 14 см или 36,5 см кирпичной стены.
Рисунок 3 – Гипсокартон SmartBoard PCM с микрокапулированным ПФМ (Knauf)
Начиная с 1999 г. эти разработки были использованы в различных проектах в Европе, неизменно привлекая большое внимание архитекторов и строителей. Это связано, в частности, с тем фак-том, что содержащие Micronal PCM строительные материалы (в качестве интегрированного элемента энергосберегающей концепции возведения и эксплуатации зданий) могут сделать возможным полный либо частичный отказ от традиционных систем охлаждения – без дополни-тельных затрат на электроэнергию и техническое обслуживание. Разработаны конструкционные материалы на основе сырьевого продукта Micronal® PCM, позволяющие осуществлять регулиро-вание температуры внутри помещений: гипсовые штукатурные смеси, гипсобетонные панели и модифицированные вакуумированные бетонные блоки.
Наличие МФП в строительных конструкциях является предпосылкой для того, чтобы в жилых помещениях, школах и офисах температура летом не поднималась выше, а зимой не опускалась ниже комфортных уровней. Кроме того, применение таких материалов ведёт к устойчивому со-кращению выбросов углеродсодержащих соединений в атмосферу. В оптимальном случае при-менение ПФМ позволяет в течение летнего периода обходиться без использования кондицио-неров. Эти разработки показали хорошую эффективность в условиях средиземноморского кли-мата [8–11].
Недостатком ПФМ инкапсулированных в меламинформальдегидные смолы, в другие типичные полимерные и поликонденсационные материалы является их горючесть и способность при тер-модеструкции или старении выделять токсичные продукты, что типично для достаточно широко-го спектра полимерных материалов. Новым подходом, позволяющим получить менее пожаро-опасные ПФМ, которые при этом хорошо сочетаются с неорганическими вяжущими, является получение микрогранул ПФМ, заключенных в кремнеземную оболочку. Ф. Рёсснером и Д. Эль-берфельд из Ольденбургского университета (Германия) был предложен способ инкапсулирова-ния гексадекана и других парафинов, высших спиртов и высших карбоновых кислот с помощью кремнийорганических соединений – триалкилсилоксанов [9–11].
Последовательность этапов синтезирования инкапсулирвоанного материала следующая: из-готовление эмульсии основного материала (аккумулятора скрытой теплоты) в водном раство-ре, поликонденсации алкокси – алкил силоксана, фильтрация и сушка (рисунок 4).
Рисунок 4 – Процесс синтезирования микрокапсул, способных
аккумулировать теплоту
Одним из путей реализации принципов «зеленого» строительства является повышение энер-гоэффективности зданий, например, за счет преобразования тепловых потерь зданий в элек-тричество. Такое преобразование может быть осуществлено в универсальных термоэлектри-ческих пре-образователях, путем встраивания их в вентилируемые фасады и крышные ограж-дения зданий, что позволит снизить нагрев ограждающих конструкций, использовать теплоту наружного воздуха и солнечных лучей для трансформации их тепла в электрическую энергию в летнее время, а также использовать холод наружного воздуха и тепловые потери наружных ограждений для их трансформации в электрическую энергию в зимнее время [12, 13.].
Принцип работы универсального термоэлектрического преобразователя (УТЭП), принципи-альная схема которого приведена на рисунке 5, основан на термоэлектрическом эффекте, за-ключающемся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары).
1 – корпус; 2 – параллельные ребра; 3 – пазы; 4 – контурная арматура; 5 – термоэмиссионные элементы; 6, 7 – проволочные отрезки из разных металлов М1 и М2; 8 – ряды из проволочных отрезков; 9 – перемычка; 10, 11 – коллекторы; 12 – решетка; 13 – рамка; 14 – продольные полосы
Рисунок 5 – Универсальный термоэлектрический преобразователь:
Так как контурная арматура 4 изготовлена из парных проволочных отрезков 6 и 7, выполнен-ных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, то при нагреве (охла-ждении) одних спаянных концов проволочных отрезков 6 и 7 термоэмиссионных элементов 5 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им спаянных концов, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта (спае) металлов М1 и М2 происхо-дит термическая эмиссия электронов, в результате чего в рядах 8 появляется термоэлектриче-ство.
При соприкосновении ребер 2 одной стороны корпуса 1 с холодной средой, а ребер 2 проти-воположной стороны корпуса 1 с горячей средой (ребра 2 выполнены из материала с вы-сокой теплопроводностью и в них размещены спаи проволочных отрезков 6 и 7 термоэмисси-онных элементов 5), спаи термоэмиссионных элементов 5 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны корпуса 1 нагреваются, на них устанавливаются разные темпе-ратуры, происходит процесс передачи тепла от горячей среды к холодной. При этом, одно-временно с процессом теплопередачи в результате разности температур охлажденных и нагретых спаянных концов проволочных отрезков 6 и 7, выполненных из металлов М1 и М2 термоэмиссионных элементов 5 в рядах 8 появляется термо-электричество, которое через од-нополюсные коллекторы электрических зарядов 10 и 11 поступает в электрический аккуму-лятор, откуда подается потребителю. При условии, что горячая или холодная среда представ-ляют собой твердое тело, на сторону корпуса 1, соприкасающегося с ним, в пазы 3 вставля-ется решетка 12 и теплопередача от твердого те-ла к спаям термоэмиссионных элементов 5 происходит через материал с высокой теплопроводностью продольных полос 14 решетки 12 и материал также с высокой теплопроводностью ребер 2 корпуса 1, минуя дополнительное сопротивление промежуточного слоя, создаваемого газовой или жидкой средой, что увеличива-ет значение коэффициента теплопередачи.
Величина разности электрического потенциала на коллекторах 10 и 11 и сила электрического тока зависит от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены проволоч-ные отрезки 6 и 7, числа их пар в рядах 8 и их числа в УТЭП, разности температур на противо-положных спаянных концах элементов М1 и М2 и количества УТЭП в случае их компоновки в одну теплообменную поверхность.
Компоновка множества универсальных термоэлектрических преобразователей в одну тепло-обменную поверхность в вентилируемых фасадах и крышных ограждениях, позволяет:
- уменьшить нагрев наружных ограждений здания в летнее время и снизить тепловые потери от них в окружающую среду в зимнее время, что повышает комфортные условия в помещениях летом и снижает расход тепла на их обогрев в зимнее время;
- снизить вероятность возникновения наледей на кромках крыши здания, что повышает безопасность городских жителей;
- снизить расход электроэнергии здания за счет генерирования в термоэлектрических пре-образователях термоэлектричества;
- снизить расход природного газа на отопление здания в зимнее время.