Исследователи из Литвы и Кипра утверждают, что срок окупаемости энергии при использовании материалов с фазовым переходом, новой технологии в строительной отрасли, является самым коротким в более холодном климате. Оптимальным местом для их использования является интерьер с северной стороны здания. Исследование дает обоснованные ответы относительно применения ПКМ для повышения энергоэффективности зданий.

В последние годы набирают популярность материалы с фазовым переходом (PCM), используемые для повышения энергоэффективности зданий. PCM могут накапливать и выделять большое количество энергии: в твердой фазе они могут поглощать тепло, обеспечивая охлаждающий эффект, а когда PCM находится в жидкой фазе , он может выделять тепло, обеспечивая согревающий эффект.

«Лед, плавящийся в воду, является материалом с фазовым переходом, как масло, плавящееся в масло. Почему он особенный? Когда материал меняет фазу, он также поглощает и высвобождает энергию. интегрированы в строительный элемент, такой как бетон», — объясняет Пэрис Фокайдес, главный исследователь Каунасского технологического университета (КТУ), Литва.

Вместе с коллегами из Университета Фредерика на Кипре исследователи KTU проводили исследование в различных регионах Европы с целью расчета эффективности применения ПКМ для энергетической модернизации существующих зданий. Их исследование показало, что эффективность и срок окупаемости энергии ПКМ зависят от определенных условий, таких как географическое положение и ориентация стены здания.

«Оценка тепловых характеристик существующих зданий — очень ценная информация, которая может быть полезна при принятии решений по реконструкции», — говорит Эгле Клумбите, научный сотрудник факультета строительства и архитектуры КТУ, соавтор исследования.

По ее словам, важно понимать, как и где использовать соответствующие материалы для максимальной эффективности.

В холодном климате инвестиции окупаются менее чем за год

В работе исследуется применение покрытий ПКМ в различных метеорологических условиях в Европе для всех основных ориентаций зданий. Всего было проведено 16 численных симуляций для четырех календарных месяцев января, апреля, июля и октября и для трех широт Афин, Милана и Копенгагена.

«Мы хотели, чтобы результаты наших исследований были применимы во всем мире, поэтому мы выбрали места с типичными климатическими условиями в Южной, Центральной и Северной Европе», — говорит Фокайдес.

Первые 8 численных расчетов были выполнены с фазово-изменяющимся материалом, интегрированным в структуру строительного элемента, а остальные 8 расчетов — без ПКМ. Толщина встроенного ПКМ составляла 4 см. Годовая экономия энергии была рассчитана для четырех типичных месяцев, представляющих четыре сезона года (зима, весна, лето и осень).

«Один из основных результатов исследования выявил тот факт, что ПКМ лучше работает в холодных условиях», — говорит Клумбите.

По мнению исследователей, это вполне логично — во-первых, в более холодных условиях ПКМ поглощает больше энергии, а во-вторых, поскольку в более холодном климате здания потребляют больше энергии (электроэнергии, отопления и т. д.), экономия энергии в этих условиях более эффективна.

«В исследовании мы разработали концепцию периода окупаемости энергии, которая означает баланс между энергией, используемой для производства этих материалов, и полученной при их использовании. Срок окупаемости энергии показывает, сколько времени потребуется для энергии, которая сохраняется в ПКМ. чтобы исключить энергозатраты на их производство», — объясняет Фокайдес.

Исследование показало, что внедрение ПКМ может в некоторых случаях способствовать экономии энергии, варьирующейся от 0,24 до 29,84 кВтч/м2 в год, и сроку окупаемости энергии от менее года до почти 20 лет. Наибольший срок окупаемости энергии рассчитан в более теплом климате, а наименьший — в более холодном. Оптимальной ориентацией для размещения ПКМ является запад и восток в Афинах, восток и север в Милане и север в Копенгагене. Кроме того, PCM работают лучше всего, когда они интегрированы во внутренние структуры.

Исследуемые темы, никогда ранее не обсуждавшиеся

«Разработанная численная модель демонстрирует возможность проводить тепловую оценку в различных условиях с точными результатами. Основной целью Европейского Союза является устойчивое развитие окружающей среды. Наше исследование может внести большой вклад в достижение этой цели», — убеждена Клумбите.

По словам Фокайдеса, вышеописанное исследование представляет собой исследование тем, которые ранее не обсуждались в научной литературе. Оптимальное расположение материала с фазовым переходом в здании, его оптимальная ориентация и период окупаемости энергии — это совершенно новые концепции в широкой теме энергоэффективности застроенной среды.

«Однако, будучи греком, я не могу упускать из виду тот факт, что первое описание экологичного здания было написано Сократом 2,5 тысячи лет назад. Тогда он указал, что северная стена здания должна быть толще по сравнению с южной, поэтому наша идея о том, что ориентация стены имеет решающее значение при рассмотрении ее структурной композиции, связана с идеей Сократа», — говорит исследователь KTU.

Исследователи KTU утверждают, что методология и набор данных, представленные в этой работе, могут быть использованы для дальнейшей разработки инструментов тепловой оценки зданий. В настоящее время команда начинает новый исследовательский проект, который будет сосредоточен на оцифровке результатов. Это может включать разработку интеллектуальных датчиков для измерения тепловых характеристик строительных элементов в режиме реального времени и других аспектов. По мнению ученых, эта тема имеет огромный потенциал для коммерциализации.