הבנת העקרונות התרמודינמיקה שמאחורי שלב שינוי אינטגרציה חומרית בבנייה חומות

מבוא: התפקיד של שינוי שלב בבניית אנרגיה

חומרים לשינוי בשלב (PCMs) מייצגים מעמד של חומרים המוסמכים לספוג, לאחסן ולשחרר כמויות גדולות של אנרגיה תרמית בטמפרטורה כמעט קבועה במהלך מעברי שלב - באופן חד-משמעי בין מצבים מוצקים ונוזלים.כאשר משולבים בתוך קירות בנייה, הפונקציה PCMs מתפקדת כמו buffers תרמיים, המנו את זרימת החום לייצוב טמפרטורות מקורה ולהפחית את ההסתמכות על מערכות חימום מכני וקירור.

מגזר הבנייה העולמי מהווה כ-30-40% מסך צריכת האנרגיה הכוללת, עם חלק משמעותי המוקדש למיזוג חלל. PCM אינטגרציה יכול לקצץ עומסי קירור שיא על ידי 30-50% באקלים מסוימים ולצמצם את השימוש באנרגיה חימום שנתי וקירור על ידי 10-30% בהתאם ליישום ועיצוב.

עקרונות התרמודינמיקה של חומרים לשינויי שלב

הליבה של פונקציונליות PCM היא בקליטה או שחרור של חום מאוחר במהלך מעבר שלב.בניגוד חום הגיוני, אשר משנה את הטמפרטורה של חומר, חום מאוחר נספג או שוחרר ללא שינוי טמפרטורה מתאים. הנכס הזה מאפשר PCMs לאחסן כמויות גדולות של אנרגיה בתוך חלון טמפרטורה צר, מה שהופך אותם יעילים במיוחד עבור רגולציה פסיבית בבניינים.

חום לא עקבי ו אנתלפי של Fusion

ברמה המולקולרית, כאשר מחשב PCM נמס, המולקולות שלו סופגות אנרגיה כדי להתגבר על כוחות בלתי-חלפיים, מעבר מנקה מוצקה מסודרת למצב נוזלי יותר מהפרעה.האנרגיה הנדרשת למעבר זה היא ה-FLT:0 חום לא עקבי של היתוך FLT:1 - כמעט 150-300 kJ / ק"ג עבור מחשבי משותף, לעומת רק 1-2 / ג'י עבור שכבה של אנרגיה מדויקת של חום זה יכול להיות הרבה יותר מחוסמתק של חומר מתכתי או הרבה יותר.

חוק התרמודינמיקה הראשון של המערכת עולה במהלך ההמיסה וירידה במהלך ההחזקה.החוק הראשון של התרמודינמיים מכתיב כי שינוי האנרגיה הזה חייב להיות מאוזן על ידי החלפת חום עם הסביבה שמסביב.לכן, שכבת PCM בקיר סופג חום עודף מבפנים או חיצוני במהלך היום (מסתת יתר) ובאותו לילה (מרווחה נוספת).

טמפרטורה של מעבר לטמפרטורה Hysteresis

קצבה תרמודינמית חשובה היא FLT:0hysteresisFLT 1:1 - ההבדל בין התכה וטמפרטורות מקפיאות. רבים PCMs להציג התחלה קלה (1-5 ° C) בשל קינטיקה נינקיה.זה היסטריה ניתן לנצל עדינה טווח ההפעלה עבור מצבים אקלים ספציפיים.

הוראות מערכת ומערכת

החוק השני של התרמודינמיות הוא גם משחק: השלב משתנה מ מוצק לנוזל מגביר את הטרופיה של PCM כמו מולקולות להרוויח חופש תרגום. כאשר PCM מוצק, entropy יורדת, ואת החום המשוחרר זורם לסביבה קרירה יותר. זה התנהגות אנטרופית תחת בסיס היכולת של החומר להחליק תנודות טמפרטורה, ביעילות להגדיל את התרמית של בנייה קלפה.

איך PCMs Regulate Indoor טמפרטורה

כאשר מוטבעים בקירות בנייה, PCMs פועלים על מחזור דיווראלי המיישר עם וריאציות טמפרטורה חיצונית.הרכבת הקיר פועלת ככובע תרמי, הטעינה במהלך תקופות חמות וניתוק במהלך תקופות מגניבות.

יום היט חום Absorption

כאשר קרינה סולארית מחמם את החיצוני של קיר, הטמפרטורה של שכבת PCM עולה. ברגע שהיא מגיעה לנקודת ההיתוך, PCM סופג כמות גדולה של חום מאוחר בעוד הטמפרטורה שלו נשאר כמעט קבוע.זה מונע את החום מ חודר עוד לתוך הפנים, צמצום העומס הקירור.אפקט בולט ביותר באקלים עם תנודות טמפרטורה גדולות, שבו PCM יכול להתמוסס במלואו בלילה מלא.

Nighttime Heat להורדה

בלילה, כאשר טמפרטורות ממושכות מתחת לנקודת הקפאה של PCM, האנרגיה התרמית המאוחסן שוחרר כחומר מוצקות.חום זה יכול להיות מכוונת בתוך הבית כדי להתחיל את הביקוש חימום, או אם הקיר תוכנן עם בידוד חיצוני, זה יכול להיות משוחרר מבחוץ (קירור חינם) הכיוון של זרימת חום תלוי במיקום של PCM יחסית לשכבות ונקודת המוצא של המערכת בתוך קיר קריטי.

אפקט אזור Buffer

PCMs ליצור לוח זמנים ממוצע 24 שעות, טמפרטורת פני השטח של קיר מ- PCM-enanced עשוי להשתנות על ידי רק 1-2C, בהשוואה ל 5-10 מעלות צלזיוס בקיר סטנדרטי.זה מקטין את תדירות של אופניים ומשפר את הנוחות של הדיירים, בנוסף לעומס אחד עד 2 מעלות צלזיוס, בהשוואה ל-5-10 מעלות צלזיוס.

המונחים: key thermodynamic Concepts in PCMאינטגרציה

כדי לעצב כראוי ולהעריך את קירות PCM-enhanced, מהנדסים חייבים לשקול כמה תכונות תרמודינמיקה הקשורות:

• (FLT:0) קיבולת חום עקבית (kJ/kg): אנדרל 1 (האנרגיה הכוללת מאוחסנים במסה יחידה במהלך שינוי שלב.
• (FLT:0) נקודת מפנה ( ° C): FIRLT:1 חייב להתאים את טווח טמפרטורת הנוחות של היעד (בדרך כלל 18-28 מעלות צלזיוס לצורך בניית יישומים).
• (FLT:0) מוליכות תרמית (W/mKirteau): 1:1 מולי מוליכות נמוכה יכול להגביל את העברת החום לתוך ומחוץ למחשבי ה-PCM, תוך הקטנת זמן התגובה.
• (FLT:0) קיבולת חום (kJ/kgKá): בעוד משני חום מאוחר, הוא תורם לאחסון אנרגיה הגיוני מעל ומעבר לטווח המעבר של שלב.
• (ב) ⁇ (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (הדגשה:0) סופרקולינג (התביעה): ⁇ 1) הנטייה של כמה PCMs להישאר נוזלי מתחת לנקודת הקפאה שלהם, עיכוב בחיזוקים או סוכנים מניקה יכול להקטין את זה.

קצב ההפוגה וההעברה החמימות

הגוון העשר (α= k / ⁇ ccioFLT:0 ;pearFeloph:1) שולט כמה מהר הטמפרטורה משתנה propagate דרך PCM. במשטר שינוי שלב, את ה diffusivity התרמית האפקטיבי מושפע על ידי ממשק הנעה-לחי.עבור ביצועים אופטימליים, PCM חייב לספוג ולשחרר חום במהירות מספיק כדי להגיב למחזורי מתכת (למשל, לדוגמה, חומרים תרמיים).

דרישות עיצוב עבור שילוב PCMs בבניית קירות

שילוב PCM יעיל דורש גישה הוליסטית אשר מאזן ביצועים תרמודינמיים עם מגבלות מבניות, כלכליות ומעשיות.

PCM בחירה המבוססת על אקלים ונקודת מפנה

נקודת ההיתוך צריכה להיות נבחרת כדי לזרז את נקודת הטמפרטורה הרצויה בתוך האקלים, באקלים מוצלב קירור, לבחור PCM כי מתמיס כמה מעלות מעל נקודת המוצא לספוג חום עודף במהלך דיקור.באקלים מבוקר חימום, נקודה מתמוססת נמוכה יותר ליד נקודת המיסה יכולה ללכוד רווחים סולאריים במהלך היום ולהשתחרר בלילה.

סליחות והתאמה

(המחשבים) חייבים להיות מלוכדים כדי למנוע האינטראקציה הכימית עם חומרי קיר.שיטות נפוצות כוללות: - FLT:0 Macrocapsulation:veFLT:1M חתום בפאנלים, צינורות, או pouches. Easy to Treating aricial Bridges (FLT:2Microencapsulation:FLT 3:3 מ"מ זעירים, או pouches.

חומר ה-capsulation חייב להיות תואם את ההרכב הכימי של PCM (למשל, לחות מלח יכול לשחיקה מתכות; PCMs אורגני עשוי לנפח פלסטיק מסוים). בדיקות אופניים הירומאל חיוני כדי להבטיח יציבות ארוכת טווח - רוב המחשבים המסחריים טוענים 10,000 + מחזורים.

מקום בתוך האסיפה של החומה

המיקום של שכבת PCM ביחס בידוד מכתיב את התנהגותה התרמית.שלוש תצורה משותפת הן:

1. (FLT:0)PCM בצד הפנימי (מאחורי ייבוש יבש): FLT:1 מגיב במהירות לרווחים פנימיים וקרינת השמש הנכנסת דרך חלונות.
2. (FLT:0)PCM בתוך שכבת בידוד: ⁇ 1) מספק עיכוב לחות מתון וזמן.
3. (ב) [ה]0]PCM בצד החיצוני (הבהביעה המפחידה: FLT:1 Absorbs השמש רווח ישירות, צמצום גלי החום לתוך הבניין.

מיקום אופטי תלוי ביחס של איחור ליכולת הגיונית ואת היישום המטרה (עומס peak משתנה לעומת קירור חינם). מודלים Computational באמצעות שיטות אלמנט סופי (למשל, עם כלים כמו אנרגיהPlus או COMSOL) מומלץ להתאים את העיצוב.

שיפור התנהגותיות

רבים PCMs יש מוליכות תרמית נמוכה (0.2-0.5 W / mK עבור פרפרפין), אשר יכול להגביל את העברת החום.טכניקות שיפור כוללים: - הוספת גרפן, סיבי פחמן, או חלקיקים מתכת. - שימוש בפליפי מתכת או קצף כמו השלד התנהגותי. - encapsulating PCM בפגז מאוד התנהגותי (למשל, לוחות נחושת).

עם זאת, הוספת חומרים מוליכים מגבירה את המשקל ואת העלות.מאזן חייב להיות נפגע בין תגובה תרמית לבין יכולת כלכלית.

ביצועים ומודלים

קביעת החיסכון באנרגיה ושיפורי נוחות מקירות PCM דורשות מדדים מתאימים וכלי סימולציה.

חסכון ב-Flux Reduction

PCMs יכול להפחית את גלי החום שיא דרך קיר על ידי 30-60% בהשוואה לקיר דומה ללא PCM. זה מתורגם לעומסי קירור שיא נמוכים יותר וציוד HVAC קטן יותר.ה-HFLT:0decrement factorcioFLT:1 ו-FLT:2time lagphFLT 3: הם אינדיקטורים מרכזיים -PCs להגדיל, עלייה של עומסי המעבר עד שעות ספורות.

אנרגיה מצילה את האסטיגמציה

חיסכון שנתי באנרגיה תלוי באקלים, בניית אוריינטציה, בידוד קיר, ויעילות HVAC. לדוגמה, מחקר באקלים ים-תיכוני עם נקודת מפנה של 25 מעלות צלזיוס בקירות לבנים הראה ירידה של 15-20% באנרגיה קירור.באקלים יבשתי (למשל, שיקגו), חומת דו-PCM מופחתת אנרגיה על ידי 12% וקירור על ידי 18%.

המונחים:

סימולציות תרמיות באמצעות שיטת קיבולת חום דינמית:0 (המודלים של מתודולוגיית סימולציה) 1 (FLT:2 סימולציה תרמית יעילה) , שיטת קיבולת חום יעילה (FLT) 3) הן סטנדרטיות עבור מודלים ממוחשבים.מודלים מדגימים שינוי שלב חד בטמפרטורה אחת, אך מודלים מדויקים יותר משלבים hysteresis ושינויים מרובים.

סוגים של PCMs ונכסים השוואתיים

שלוש משפחות עיקריות של PCMs משמשות בבניית יישומים:

• (ב) [ה]0 [המחשבים] (פראפיינים, חומצות שומן): FLT:1 Stable, non-corrosive, no supercooling, but flamable and low מוליכות תרמית.
• (FLT:0) Inorganic PCMs (salt hydrates, מלחים אקוקטיים): פיתוי 1 חום גבוה איחור (עד 300 kJ / ק"ג), עלות נמוכה, לא פגום, אבל נוטה סופרקולינג והפרדה.
• (FLT:0) תערובת גלקטית: שילובים של תרכובות אורגניות ולא אורגניות שממסות בטמפרטורה חד-צדדית, חד-משמעית, מציעים תכונות מותאמות אך הם לעתים קרובות יקרים יותר.

הבחירה צריכה לשקול לא רק ביצועים תרמודינמיים, אלא גם בטיחות אש, השפעה סביבתית (הטבעה, הרעילות), ועלות ל- קילוואט של יכולת אחסון (IRLT:0 ScienceDirect מספק מסד נתונים השוואתי של ההרחבה FLT:1).

יתרונות ומגבלות של קירות משולבים PCM-Integrated Walls

יתרונות

• (ב) ,0) ,העברה של צריכת האנרגיה HVAC: ⁇ FLT:1 על ידי שינוי וצמצום העומסים שיא, חשבונות חשמל נמוכים יותר ומזהמים:203FLT 3.
• (ב) ,0) שיפור נוחות תרמי: FLT:1; אני מתחודות טמפרטורה פנימית הם קטנים יותר, צמצום הטיוטה וסימטריה קורנת.
• יעילות:0 (איור 1: 1) שכבות מחשב רזה יכולות להחליף קירות מסה תרמיים עבים, שימושיות ב רטרופיטות או בנייה קלה.
• (FLT:0) תפעול פסיבי: 1FLT (המכונה: 1) פעם מותקנת, PCMs לא דורש שום קלט אנרגיה - הם מחזור באופן אוטומטי עם שינויים בטמפרטורה.

הגבלות

• (FLT:0) עלות חומרית גבוהה יותר: 1FLT:1 PCMs יכול להכפיל את העלות של הרכבה קיר. תקופות Payback טווח בין 5-15 שנים בהתאם למחירי האקלים והאנרגיה.
• (FLT:0) יעילות מופחתת באקלים מתון: קיד 1 (אם הטווח הדיווראלי קטן מדי, PCM עשוי לא להמיס או לחזק לחלוטין, להפחית את היתרונות.
• (ב) ⁇ :0.19: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• מורכבות:0 (עיצוב מורכבות: ⁇ 1) דורש מודלים תרמיים זהירים ושילוב עם בקרת HVAC עבור תועלת מקסימלית.

כיוונים עתידיים: מערכות מחשב חכם וקירות רב-תפקודיים

מחקר מתפתח מתמקד ב-FLT:0 למערכות מחשב חכם M מערכות IntegratedFLT:1 אשר יכול להתאים באופן פעיל את נקודת ההריסה שלהם או מוליכות תרמית.לדוגמה, מחשבי טונה מגנטיים או חשמליים משתמשים חלקיקים כדי לשנות תכונות על הביקוש. רעיון אחר הוא FLT:2dual-layer M קירותFLT 3 עם שתי נקודות נמס שונות, נשלט על ידי מאוורר קטן שיכול להפעיל אינטגרציה מתאימה או חימום יותר.

(המחשבים המבוססים על הביולוגית שמקורם בשמן צמחי או שומנים בעלי חיים זוכים לתשומת לב לטביעת הפחמן הנמוכה שלהם ולאמינות הביולוגית שלהם.התכונות התרמיות שלהם דומות לפריפין, והם בטוחים יותר לאיכות האוויר הפנימית.בנוסף, FLT:0PCM-infused Building Materials FLT:1 (למשל, לוחות ג'יאום, בלוקים קונקרטיים או בידוד) הם נכנסים לשוק של 3.

מסקנה

עקרונות תרמודינמיקה תחת שינוי חומרים - ספיגת חום עקבית, שינוי אנטרופי, ודימום תרמי - יחד עם בסיס חזק לשיפור ביצועי הבנייה. על ידי בחירה בקפידה של סוג PCM, נקודת התכה, מיקום, ו encapsulation תרמי, מעצבים יכולים להשיג הפחתה משמעותית בצריכת אנרגיה ונוחות פנימית מוגברת. בעוד אתגרים נשארים בעלות וארוכת זמן רב, חומרים מתמשכים במדע, והם הופכים כלים גמישים יותר עבור פיתוח מחשב נייד.

לקריאה נוספת, ה-FLT:0) National Renewable Energy Laboratoryal LaboratoryFLT (הראשונה) מספק מסכמי מחקר, ו-FLT:2DOE's Energy Saver GuideveFLT:3 מציע ייעוץ מעשי לבעלי בתים ובניה.