GETTING ENERGY-SAVING BUILDING MATERIALS BASED ON TRADITIONAL RAW MATERIALS AND HEAT-RETAINING ADDITIVES

Левина Ю.С.¹, Усачев С.М.² , Усачев А.М.³

¹ Студент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, ² Кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, ³ Кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ  НА ОСНОВЕ ТРАДИЦИОННОГО СЫРЬЯ И ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ ДОБАВОК

Аннотация

Проанализированы современные достижения в области создания строительных материалов, в состав которых входят микрокапсулы с фазовым переходом, позволяющие аккумулировать тепловую энергию за счет поглощения и отдачи теплоты. Представлены процессы и способы аккумуляции тепловой энергии, применяемые в современном строительстве, рассмотрены основные типы аккумуляторов с фазовым переходом в зависимости от вида теплоносителя, изучены свойства компонентов теплоаккумулирующих материалов. Проведен анализ достоинств и недостатков микрокапсул по сравнению с более распространенными теплоизоляционными строительными материалами.

Ключевые слова: аккумуляция теплоты, теплоаккумулирующий материал, аккумуляторы теплоты на фазовых переходах, микрокапсулы, сохранение теплоты.

 

Levina J.S.¹, Usachev S.M.², Usachev A.M.³

¹Student, Voronezh State University of Architecture and Construction, ² PhD in Engineering, the docent, Voronezh State University of Architecture and Construction, ³ PhD in Engineering, the docent, Voronezh State University of Architecture and Construction

GETTING ENERGY-SAVING BUILDING MATERIALS BASED ON TRADITIONAL RAW MATERIALS AND HEAT-RETAINING ADDITIVES

Abstract

Modern achievements in the field of creation of new construction materials in which structure the substance with the phase transition is included, allowing to accumulate thermal energy at the expense of absorption and return of heat. Processes and ways of accumulation of the thermal energy, applied in modern construction are analysed, the main types of accumulators with phase transition depending on the heat carrier are considered, properties of components of a heat-retaining material are studied. The analysis of the strengths and weaknesses of the microcapsules compared to the more common insulation building materials.

Keywords: accumulation of heat, the head storage material, warmth accumulators on phase transition, microcapsules, preservation of warmth.

Проблема сбережения теплоты, рационального использования энергетических и тепловых ресурсов занимает особое место в строительных технологиях. С позиции строительного материаловедения, исследователи стремятся создать материал, имеющий низкую среднюю плотность и пониженную теплопроводность. На основании этого создано большое количество теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов, которые снижают теплопотери через ограждающие конструкции зданий и сооружений, а также изолируют промышленное оборудование и тепловые сети.

На современном строительном рынке существуют различные теплоизоляционные материалы, различающиеся: по виду основного сырья (неорганические и органические), структуре (волокнистые, зернистые, ячеистые), форме (рыхлые, штучные, фасонные, шнуровые)и другим признакам. На практике наиболее часто применяют следующие виды теплоизоляционных материалов: минеральную вату, стекловату, пеностекло, ячеистые бетоны (пенобетон, газосиликат), бетоны на основе легких заполнителей, древесностружечные и древесноволокнистые плиты, пенополиуретан, пенополистирол и другие. Вместе с тем, не смотря на все многообразие теплоизоляционных материалов, каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

В данной статье мы хотим рассмотреть материал, способный накапливать (аккумулировать) тепловую энергию, а затем отдавать ее в окружающую среду. 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-дисорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с выделением-поглощением теплоты [2]. Отмеченные процессы реализуются в специальных устройствах – аккумуляторах теплоты (АТ) [3]. Вещества, используемые для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами (ТАМ).

В качестве материала с фазовым переходом чаще всего применяются гидраты солей и органические материалы, в том числе парафины. Ключевым свойством, определяющим эффективность использования ТАМ, является величина изменения энтальпии в интервале температуры использования. В настоящее время наиболее пригодными для аккумулирования теплоты считаются парафины, представляющие собой смесь алифатических углеводородов ряда , также называемые предельными углеводородами. Парафины обладают большой теплотой фазового перехода и низким коэффициентом вязкости, у них отсутствует эффект переохлаждения. Парафин в жидком состоянии – это неполярная жидкость и поэтому не смешивается с полярными, такими, как вода и спирт. Это важно при использовании их в качестве теплоносителей в прямом контакте с ТАМ. Парафины имеют низкую электропроводность, из-за которой их относят к хорошим электроизоляторам. Плотность термических парафинов в жидком состоянии колеблется от 750 до 850 кг/.

Основные физические свойства парафинов различного типа представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Физические свойства парафинов.

У них отсутствует эффект переохлаждения. Таким образом, рассматривается теплоаккумулирующий материал, состоящий из полимерного связующего и теплоаккумулирующего вещества, представляющего собой синтезированные микрокапсулы, ядерным материалом которых является парафин, оболочкой – кремнийорганическое соединение [1].

Микрокапсулы ТАМ предназначены для накопления и аккумуляции тепловой энергии за счет фазового перехода (ФП) в области температур 10-50 ºС. При этом используется энергетический  эффект обратимого фазового преобразования, который позволяет при температуре выше плюс 25-30 ºС осуществляют накопление тепла, а при температуре ниже плюс 20 ºС – производить отдачу тепла, что способствует созданию эффективных теплосберегающих помещений.

Микрокапсулы ТАМ, как материалы с фазовым переходом, хорошо совместимы с минеральными, силикатными и полимерными вяжущими веществами и предназначены для изготовления различным строительных материалов.

Микрокапсулы ТАМ могут использоваться:

-для существующих строительных объектов в виде внутреннего или внешнего нанесения на элементы стен, потолков, полов;

-для добавления в бетонные смеси, строительные растворы, сухие строительные смеси, лакокрасочные материалы, строительные изделия (стеновой кирпич или камни, панели, пенобетонные блоки, плиты перекрытия и др.);

-в виде теплоаккумулирующей засыпки пустот для пустотелых и многослойных изделий (пустотелый кирпич и камни, многослойные плиты и др.) [1].

Применение микрокапсул с теплоаккумулирующим эффектом в различных строительных материалах или объектах имеет следующие преимущества. Теплоаккумулирующий материал в условиях высокой температуры, например, в течение дня, при солнечном облучении, принимает тепло и отдает его в окружающую среду ночью. В этом случае температурные колебания будут уравновешиваться, что приведет к улучшенному климату жилого помещения.

Конструктивные требования к ТАМ не предъявляются. Важными являются его технические параметры, основные из которых следующие: точка плавления в области температур плюс 20-50 ºС; высокая теплота плавления на единицу массы и согласованные характеристики плавления адсорбтива и адсорбента; химическая устойчивость; высокая коррозионная устойчивость; низкая токсичность; малое переохлаждение и устойчивость к перегреву; небольшие изменения объема при фазовом переходе; высокая теплопроводность и теплоемкость.

Такие микрокапсулы ничуть не уступают по своим свойствам передовым теплоизоляционным материалам. Проведем сравнительный анализ нескольких показателей  микрокапсул ТАМ и некоторых эффективных теплоизоляционных материалов (табл. 2).

Таблица 2 – Сравнительные показатели качества применяемых (традиционных) теплоизоляционных материалов и микрокапсул ТАМ.

Из приведенных показателей видно, что микрокапсулы практически ничем не уступают теплоизоляционным материалам. Кроме того у традиционных теплоизоляционных материалов есть свои недостатки. Минеральная вата неспособна держать форму, даже плитный материал монтируют только на обрешетку; склонна к проседанию и слеживанию. Не рекомендуется использовать минеральную вату для утепления вертикальных конструкций; высокая трудоемкость при монтаже.

Пенополистирольные плиты достаточно хрупкий материал, нередко ломаются, крошатся. Пенополистирол подвержен биокоррозии и воздействию мышей и других грызунов. При утеплении пенопластом, придется позаботиться об улучшении вентиляции, иначе может появиться конденсат на стенах, так как этот материал обладает низкой паропроницаемостью.

В итоге хотелось бы сказать, что рассмотренный в статье теплоаккумулирующий материал может составить конкуренцию существующим теплоизоляционным материалам, но требует дополнительного изучения. Прежде всего, это оценки теплофизических свойств при работе в  реальных конструкциях, точное определение количества накопленной и отдаваемой тепловой энергии, а также циклов нагревания и охлаждения.

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ и правительства Воронежской области в рамках научного проекта № 16-43-360174 р_а.

Литература

1. Ю.С. Альбинская, С.М. Усачев, Ф. Ресснер, О.Б. Рудаков Направление создания микрокапсулированных теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом / Научный вестник. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. Выпуск № 2 (7), 2013 г. – 21-27 с.
2. Эккерт Э.Р., Дрейк Р.М. Теория тепло - и массообмена. – М.Л.: Госэнергоиздат, 1961. – 521 с.
3. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Михайлова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

 References

1. Nauchnyj vestnik. Voronezhskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet. Serija: Fiziko-himicheskie problemy i vysokie tehnologii stroitel'nogo materialovedenija. Vypusk №2(7), 2013g. Ju.S. Al'binskaja, S.M. Usachev, F. Ressner, O.B. Rudakov / Napravlenie sozdanija mikrokapsulirovannyh teploakkumulirujushhih materialov s fazovym perehodom, 2013 – 21-27 s.
2. Jekkert Je.R., Drejk R.M. Teorija teplo - i massoobmena. – M.L.: Gosjenergoizdat, 1961. – 521 s.
3. Fizicheskie velichiny. Spravochnik / Pod red. I.S. Grigor'eva, E.Z. Mihajlova. – M.: Jenergoatomizdat, 1991. – 1232 s.