Отопление и охлаждение домов сопряжено с большими экономическими и экологическими затратами. Управление энергетической информации США сообщило, что более половины всей бытовой энергии в Соединенных Штатах используется для отопления и охлаждения, а также составляет более 14% общего потребления энергии в стране. По данным Всемирного совета по экологическому строительству, на сектор зданий и строительства приходится 39% глобальных выбросов углерода, связанных с энергетикой.

Этими вопросами занимается Мириан Велей-Лизанкос, доцент кафедры гражданского строительства Университета Пердью из Школы гражданского строительства Лайлса в Инженерном колледже. Она и исследователи в ее лаборатории разработали запатентованный, масштабируемый, автоматизированный процесс, который улучшает традиционный метод включения материалов с фазовым переходом или PCM в строительные материалы.

Включение таких ПХМ, как парафин, сложные эфиры и гидраты солей, в элементы ограждающих конструкций смягчает влияние изменений температуры наружного воздуха на внутреннюю среду. Они преобразуют изменения тепловой энергии в фазовые переходы, переходя из твердого состояния в жидкое или наоборот. Они обеспечивают полезное охлаждение или тепло, поглощая или выделяя энергию во время этих переходов.

«Включение PCM снижает потребление энергии в зданиях, что снижает выбросы углекислого газа и эксплуатационные расходы», — сказал Велай-Лизанкос. «Это также снижает водопроницаемость строительных материалов».

PCM используются в оболочке здания или дверях, наружных стенах, фундаментах, крышах, окнах и других компонентах, которые создают барьер между внутренним и внешним пространством. Тепловые свойства ограждающих конструкций играют ключевую роль в энергопотреблении здания.

«Увеличение способности аккумулирования тепла ограждающих конструкций уменьшит влияние колебаний температуры в здании», — сказал Велай-Лизанкос. «Это повысит тепловой комфорт здания и снизит потребление энергии, выбросы углекислого газа и связанные с этим экономические затраты на отопление и охлаждение. Это также сделает здания более устойчивыми и энергетически независимыми и менее подверженными перебоям в подаче электроэнергии и другим проблемам с энергоснабжением».

Велей-Лизанкос сказал, что традиционные методы добавления ПХМ в строительные материалы имеют недостатки.

«В настоящее время ПКМ включают в другие материалы посредством микроинкапсуляции или макроинкапсуляции», — сказал Велей-Лизанкос. «Однако эти методы ограничивают использование ПКМ. Микроинкапсуляция отрицательно влияет на прочность и долговечность строительных материалов. Макроинкапсуляция ограничивает форму и метод производства строительных материалов».

В методе Веле-Лизанкоса используется погружение в жидкость и вакуум для включения ПКМ после того, как строительные материалы, такие как кирпичи, гипсокартон и бетон, уже сформированы.

«Это увеличивает прочность, повышает долговечность и увеличивает тепловую инерцию строительных материалов», — сказал Велай-Лизанкос. «Этот новый метод также распределяет ПКМ так, что они концентрируются в поверхностном слое строительных материалов . Больше ПКМ контактирует с внешними поверхностями оболочки здания, что делает ПКМ более эффективными».

Для метода Веле-Лизанкос требуется только вакуумная система , которая, по ее словам, очень доступна и проста в использовании для производителей.

«Пользователям нужно будет ознакомиться с процессом, но им не потребуется специальная подготовка», — сказал Велай-Лизанкос. «Этот процесс можно легко автоматизировать и включить в производственную цепочку сборных элементов, таких как кирпич, бетонные панели, гипсокартон и брусчатка, среди прочего».

Велей-Лизанкос и ее исследовательская группа протестировали инновацию в лаборатории Панкова в Школе гражданского строительства Лайлса. Первоначальные испытания проводились с коммерческими кирпичами и 15-минутным вакуумированием.

Была проведена большая экспериментальная кампания на цементных растворах с тремя водоцементными отношениями и, следовательно, с разным уровнем начальной пористости. PCM вводили в растворы в течение трех различных периодов вакуумирования: 15 минут, 1 час и 4 часа. Велей-Лизанкос и ее команда наблюдали увеличение тепловой инерции на 24% и увеличение прочности на сжатие более чем на 22%, при этом всего 7% объема элемента было заполнено ПКМ.

Велей-Лизанкос сказал, что неравномерное распределение ПКМ, сконцентрированного в поверхностном слое, делает ПКМ более эффективным в улучшении тепловых свойств.

«Метод, использованный в этом исследовании, вводит ПКМ в слой материала, который находится ближе к поверхности материала, а это означает, что больше будет контактировать с внешними поверхностями оболочки здания, что приведет к более эффективному использованию ПКМ». — сказал Веле-Лизанкос.

«Кроме того, этот метод проталкивает материал ПКМ в капиллярные поры через вакуум. Из-за капиллярных сил утечки ПКМ не наблюдалось, даже когда конечный композит подвергался воздействию высоких температур, значительно превышающих температуру плавления используемого ПКМ. »

Статья с описанием методов и результатов исследования была опубликована в мартовском номере журнала Construction and Building Materials за 2023 год .

Следующей вехой в разработке метода включения PCM является создание полномасштабного прототипа.

«Это позволит нам визуализировать с помощью камер и датчиков тепловые характеристики оболочки здания», — сказал Велай-Лизанкос. «Клиенты будут иметь достоверные данные, а также смогут визуализировать преимущества этой технологии».