ניצול של חומרי שינוי שלב בבנייה של בקרת אקלים

הבנת חומרים לשינוי שלב ותפקידם בעיצוב בניין מודרני

דחיפה העולמית לבניינים של אפס נטו וטביעות רגל פחמן מופחתות הציבה דגש חסר תקדים על אסטרטגיות בקרת האקלים הפסיביות.בין הטכנולוגיות המבטיחות ביותר אך לא מובנת לעתים קרובות הן חומרי שינוי שלב (PCMs) חומרים מתקדמים אלה מציעים גישה שונה לחלוטין לתקנה טמפרטורה פנימית - אחת שממחשת את המסה התרמית של אבן או מים, אך עושה זאת עם יעילות רבה יותר ודיוק.

בניגוד ל בידוד קונבנציונלי, אשר בעיקר מאט את העברת החום, PCMs לאחסן באופן פעיל ושחרר אנרגיה תרמית בסף טמפרטורה מסוים.יכולות זו הופכת קירות, תקרה, וקומות לתוך מציצים דינמיים. לאמץ מוקדם באירופה וצפון אמריקה כבר הוכיחו כי כראוי פרוס PCMs יכול להפחית את הביקוש אנרגיה קירור על ידי 25-40 אחוזים באקלים מסוימים, ובמקביל לשפר את איכות האוויר מקורה על ידי צמצום ציוד HAC.

מאמר זה מספק בדיקה מקיפה של טכנולוגיית PCM - איך זה עובד, שבו הוא מספק את הערך הגדול ביותר, אסטרטגיות יישום מעשי, מגבלות נוכחיות, ואת החידושים שמניעים אימוץ רחב יותר.אם אתה בעל בניין הערכת אפשרויות רטרוfit, מקצועי עיצוב מחפש הדרכה ספציפית, או חוקר קיימות מעקב אחר חומרים מתעוררים, תובנות כי לעקוב אחר יניחו אותך עם הבנה ברורה של מה מחשבים יכולים - ולא יכול לעשות עבור בקרת אקלים.

הפיזיקה מאחורי שינוי שלב: איך PCMs למעשה עובד

ברמה הבסיסית ביותר, שינוי חומרים לנצל את העיקרון של חום מאוחר. כאשר חומר משתנה מ מוצק נוזל, הוא סופג אנרגיה מסביבתו מבלי לעבור עלייה טמפרטורה. ולהיפך, כאשר הוא מוצק, זה משחרר אנרגיה מאוחסנים אנרגיה.מדד המפתח הוא halpy של חומר זה שווה ערך של היתוך - כמות האנרגיה הנדרשת כדי להשלים את שלב האחסון המסחרי ביותר מציע חום סביר על פני שטח 1 / C 1 250 ק"ג 'מ עבור 1 / 1 סנטימטר אחד בלבד.

עבור בניית יישומים, פרמטר העיצוב הקריטי ביותר הוא נקודת התכה של PCM. חומר כי נמס ב 24 מעלות צלזיוס, למשל, יתחיל לספוג חום עודף ברגע הטמפרטורה הפנימית עולה מעל הנקודה, ביעילות "מקצוץ" עליית הטמפרטורה. כאשר תנאים מכווצים בלילה, PCM משחרר את החום המאוחסן, מניעת החלל מנפילה נמוך מדי.

חשוב גם להבין כי PCMs לא מבטל את הצורך בידוד או מערכות מכניות; אלא, הם משלימים אותם. בידוד להפחית את זרימת החום, בעוד PCMs סופג את החום כי הוא נכנס. יחד, הם יוצרים עודף חזק יותר ותגובה המעטפת בניין.אפקט העולם האמיתי הוא לחות של תנודות טמפרטורה, אשר מתורגם פחות מחזורים עבור משאבות חום ואוויר, נוחות מוגברת עבור חשמל, נוחות מוגברת.

סוגים נפוצים של חומרים לשינוי שלב המשמשים בבנייה

לא כל ה-PCMs נוצרים שווים.שלוש הקטגוריות העיקריות הן תערובת אורגניות, אורגניות ואדוקטיות, כל אחת עם תכונות נפרדות המשפיעות על עלויות, בטיחות וביצועים.

• (FLT:0 Organic PCMs (paraffins וחומצות שומן): 1Felos הם הנפוצים ביותר בבניית יישומים. Paraffin-based PCMs מציעים יציבות תרמית טובה, סופר-קופולינג רשלני, ומגוון רחב של נקודות נמס.
• (FLT:0) Inorganic PCMs (salt hydrates): 1FLT:1 חומרים אלה מציעים קיבולת חום גבוהה יותר נפח יחידה והם לעתים קרובות פחות יקר מאשר אורגנים.עם זאת, הם סובלים מבעיות עם supercooling (בניגוד להתישבן בטמפרטורה הצפויה) ובשלב לאחר רכיבה חוזרת על אופניים.
• (FLT:0) תערובת גלקטית: FLT:1ir הם תערובת של שני מרכיבים או יותר כי נמס בטמפרטורה יחידה, מוגדרת היטב.מחשבים אלקטרוניים ניתן להתאים לדרישות טמפרטורה ספציפיות ולהציע שינויים חדים מאוד.עם זאת, הם בדרך כלל יקרים יותר ופחות זמינים מאשר חומרים חד-כימיים.

בעת בחירת מחשב עבור פרויקט בנייה, גורמים כגון מוליכות תרמית, יציבות אופניים, תאימות עם חומרי בניין, ואת ההשפעה הסביבתית יש לשקול נגד עלות.השולחן מתחת לסמס את הפקירות המסחריות העיקריות שיש לשקול.

אסטרטגיות אינטגרציה: איפה וכיצד להתקין PCMs בבנייה

יעילותו של התקנת PCM תלויה במידה רבה במיקום שלה בתוך המעטפה הבניין ואת שיטת ההתאגדות.יש ארבע גישות עיקריות, כל אחת מתאימה לסוגים שונים של פרויקטים ומטרות ביצועים.

PCM-Enhanced Gypsum Boards and Panels

הקטגוריה המסחרית הבוגרת ביותר היא PCM-laden gypsum קירboards. אלה נראים ומתקין כמו סטנדרט יבש אבל מכיל microencapsulated PCM מפוזר לאורך הליבה של gypsum. כאשר טמפרטורת החדר עולה מעל נקודת ההמיסה של PCM, הלוח סופג חום, צמצום העומס הקירור בלילה או במהלך לחשים מגניבים, את הרשומות המאוחסנים על ידי לורנס- ברקלי לא יכול להחליף את העלות התקינה במיוחד עבור הקירור.

PCM-Insulation and Sandwich[עריכת קוד מקור | עריכה]

יישום נוסף גדל במהירות משלב PCM לתוך חומרי בידוד, כגון צמר מינרלים, עטלפים סיבי זכוכית, או ריסוס קצף. PCM הוא מוטבע לתוך סיבי בידוד או הכלול במאקרו-encapsulated pouches כי ממוקמים בין שכבות בידוד.זה מטרות חום בתוך המעטפה הבניין. במהלך הקיץ, PCM סופג חום לפני שהוא יכול לעבור בחורף; הם משולבים בתוך לוחות סולאריים קריטיים ותופסים בתוך השמש.

מערכות צמיגים ו-Pster Systems

Ceilings מייצג שטח משטח גדול כי הוא לעתים קרובות underutilized לאחסון תרמי. PCM-integrated אריחי תקרה, מושעה מתחת לplenum, יכול לספוג חום מן האזור הכבוש ולדח אותו אל האוויר הplenum, אשר לאחר מכן מותש או התאושש. חלק מהמערכות להשתמש טיח או מגמגם עם תוספי PCM עבור תקרת מונוליטיות.

רצפה וקיר מערכות

מערכות חימום וקירור ניתן לצמד עם PCMs כדי לאחסן אנרגיה תרמית עודף מאספןים תרמיים סולריים או מחוץ ל-peak חשמל. רצפת רדיו הידרוניקה עם צינורות PCM משובצים או לוחות יכול ללכוד חום במהלך היום ולשחרר אותו בהדרגה, שטוחה את פרופיל הביקוש. בדומה, לוחות קיר מ-PCM-enhanced ניתן להשתמש בשילוב עם אסטרטגיות מניעתיות טבעיות - או חום ביום, כמו גם על ידי קירור ".

ביצועים אמיתיים: מה תצוגות הנתונים

בדיקות מעבדה ומחקרי שדה בעשור האחרון סיפקו בסיס ראיות מוצק לביצועים של PCM. A meta-analysis of 45 מחקרים שפורסמו ב-FLT:0Renewable and Sustainable Energy ReviewsFLT:1 מצאו כי אינטגרציה PCM בבניין המעטפות מופחתת חימום שנתי וקירור אנרגיה על ידי ממוצע של 28 אחוזים, עם אקלים מבוזר לראות את היתרונות הגדולים ביותר של טמפרטורה מקורה בין 2 מעלות צלזיוס ל- 6 מעלות צלזיוס בהתאם ל-6%.

מחקר אחד של מקרה בולט הוא בניין הניסוי של המכון Fraunhofer בפרייבורג, גרמניה, שבו PCM-impregated Wallboards במשרד בדרום-הפונה הפחית את הביקוש לקירור מכני של יותר מ-90% בחודשי הקיץ.המבנה השיג נוחות תרמית כמעט-מסגורה ללא מערכת קירור פעילה, תוך התבססות רק על ריצוף טבעי של שעות הלילה כדי לשחזר את המחשב באקלים חם, כמו ירידה של 30% משיעורי חשמל באריזונה, עם ירידה של 30 שנה, עם ירידה פיזית, עם ירידה של 30 שנים של מחזורי זיכרון, עם ירידה של 30 אחוזים, עם ירידה של מחזורי זיכרון רפואי, ו טמפרטורות של 30 אחוזים של 30 אחוזים, 000 שנים של מחזורי זיכרון רפואי, עם ירידה של 30 שנים של מחזורי זיכרון רפואי, 000 שנים של מחזורי זיכרון רפואי, עם ירידה של מחזורי זיכרון רפואי, עם ירידה של 30 שנים של ירידה של ירידה של מחזורי קירבה, עם ירידה של 30 שנים של מחזורי קירבה, עם ירידה של מחזורי זיכרון רפואי, עם ירידה של 30 שנים של מחזורי זיכרון רפואי, עם ירידה של 30 שנים של מחזורי זיכרון רפואי, עם ירידה של 30 שנים של 30 שנים של 30 שנים של ירידה של מחזורי זיכרון רפואי, 000 שנים של מחזורי זיכרון רפואי

עם זאת, ביצועים משתנים באופן משמעותי עם אזור האקלים, סוג הבנייה, התנהגות הדיירים.בניה עם עומסים פנימיים גבוהים (למשל, משרדים עם מחשבים רבים ואנשים) נהנים יותר מאשר מגורים כבושים קלות.התועלת היא גם עונתית: באקלים עם קיץ מתון, העלות הנוספת של PCM עשויה לא להיות מוצדקת על ידי חיסכון באנרגיה.

כתובת: עלויות, יציבות ובטיחות

למרות ביצועים טכניים חזקים, האימוץ של PCM כבר איטי על ידי מכשולים אמיתיים ונצפים.המשמעותיים ביותר היא עלות מעלה: מחשבי PCMs מבודדים יכולים להוסיף 5-15 דולר רגל רבוע של שטח פני השטח מטופלים, בהתאם לסוג PCM וריכוז. עבור בניין מסחרי טיפוסי, זה יכול לייצג עלייה של 5-15% בעלויות הבנייה המעטפת.

Durability הוא עוד דאגה.מחשבים אורגניים יכולים להידרדר לאורך זמן בשל חמצון, במיוחד אם כי capsulation הוא לא מושלם. hydrates מלח הם נוטים קורוזיה של מזרז מתכת הסמוך או חיזוק mesh. רוב היצרנים מכובדים עכשיו להבטיח את המוצרים שלהם עבור 10,000 מחזורי תרמי - שווה ערך ל - 27 שנים של אופניים יומיות - אבל לטווח ארוך מעבר 10 שנים נשארות מוגבל.

בטיחות אש היא נושא של פיתוח רגולטורי פעיל.מחשבים אורגניים רבים הם קובעוטים, וקודים בנייה באזורים מסוימים דורשים כי מוצרי PCM לעמוד בדירוג A או B באש כאשר מותקנים בחללים הכבושים. Newer ניסוחים כוללים תוספי להבה או מכוסים בקודים שאינם מיושבים על ידי פגזי מחשב (למשל, מיקרו-קפיצ'רים מבוססי סימס).

שיקולים סביבתיים ובריאות

לא כל החומרים PCMs הם בר קיימא באותה מידה.חומרים המבוססים על פרפין נגזרים מנפט, העלאת חששות לגבי צריכת משאבים בלתי מתחדשת וסילוק מקצה החיים.מחשבים המבוססים על ביו-פי, עשויים משמן קוקוס, שמן דקלים, או סויה על ידי תוצרי לוואי לא-חדשניים, מציעים חלופה מתחדשים עם טביעת רגל פחמן נמוכה יותר.

השפעות איכות אוויריות פנימיות הן בדרך כלל רשלנות עבור מחשבי PCMs. Microencapsulation מונע מגע ישיר בין PCM לבין הסביבה הפנימית, ואין פליטות VOC משמעותיות זוהה במבחנים סטנדרטיים תאים. עם זאת, ההתקנה צריכה לטפל לוחות PCM-laden עם טיפול כדי למנוע לשבור את הקפסולות, וכל לוחות פגומים צריך להיות מוחלפים במקום תיקון.

חידושים נהיגה ב-Broader אימוץ

תעשיית PCM מתפתחת במהירות, עם כמה התקדמות טכנולוגית הפודינג לפתוח שווקים חדשים.אחד המשפיעים ביותר הוא פיתוח של מחשבי PCM ממותקים בצורת-יציבות.בחומרים אלה, ה- PCM נספג לתוך ⁇ תמיכה ממטריקס - כגון גרפן מורחב, קצף פחמן, או דיאטומה כדור הארץ - המונעת דליפות אפילו כאשר המחשב מומס.

כיוון מבטיח נוסף הוא השימוש של שלב שינוי סלילות, שבו חלקיקים מיקרו-מבודדים PCM מושעה בנוזל העברת חום.החלות האלה ניתן להפיץ באמצעות מערכות חימום הידרוניקה וקירור, ובכך להפוך למעשה את כל רשת ההקפאה לניסויי שדה תרמיים ביפן ובגרמניה הוכיחו כי מזחלות מחשב יכולות להפחית את גודל הצמרן על ידי 30–40 במערכות קירור מחוזיות.

שילוב בקרה חכם מתקדם גם.מערכות ניהול בנייה מודרניות יכולות כעת לפקח על טמפרטורות בזמן אמת ולתאים את האוורור, השמצה, או HVAC נקודות כדי להתאים את ביצועי PCM. לדוגמה, מערכת עשויה לפני זמן רב לעקוב אחר בניין במהלך הלילה באמצעות אוורור טבעי, להבטיח כי PCM הוא מלא מוצק לחלוטין לפני עומס חום היום מגיע. אלגוריתמים למידה יכול גם לחזות דיקור וטמפרטורה תרמית כדי למקסם את הטמפרטורה של אנרגיה מאוחסן לאחר זמן אחסון פעיל.

Bio-based and Recycled PCMs: The Sustainability Frontier

כמה סטארט-אפים וקבוצות מחקר מפתחים PCMs נגזר לחלוטין מזרמי פסולת.דוגמה בולטת אחת משתמשת חומצות שומן מופקות משמן בישול פסולת כדי ליצור PCM עם נקודת התכה של 22%C - אידיאלי עבור בניית יישומים. אחרים הם חקר PCMs עשויים מ beeswax, גבוה, או אפילו מפלטי-מחשב ממוחזרים אלה מציעים גישה לכלכלה מעגלית לאחסון תרמי, הפחתת מחירי הדיור והשומן הרגישים של פחמן-ה, בעוד שעדיין עלולים של עלויות נמוכות יותר של פחמן-משקל-משקל-משקל-ה-ה-המין-המין-ה-ה-המין-הה-המין-ההשפעה של עלויות נמוכות יותר, או אפילו מאפקטים-הטמפרטורה נמוכה יותר, כמו גם כן, או אפילו מ-הטמפרטורה נמוכה יותר, או אפילו מ-הטמפרטורה נמוכה יותר, או אפילו מ-החליפעל-החליפעל-החלומיים של מוצרי PCM.

ניסיון מעשי עבור מפרטים ובנייה

ההחלטה אם וכיצד לשלב את PCMs דורשת גישה שיטתית.הצעדים הבאים מתווה תהליך טוב-מעשי להערכת שילוב PCM בבנייה חדשה או בפרויקטים רטרוfit.

1. מטרות ביצועים:0 (Define Performance:FLT:1 Determine אם המטרה העיקרית היא הפחתה של עומס שיא, חיסכון באנרגיה שנתית, שיפור נוחות תרמי, או השגת הסמכה מסוימת (למשל, LEED, Passive House, Net Zero Energy).
2. (FLT:0Climate and העומס ניתוח: FLT:1 השתמש בתוכנת סימולציה שעה כדי מודל הביצועים התרמיים של הבניין עם וללא PCM. Key קלטs כוללים נתונים מקומיים, רווחים חום פנימיים, רמות בידוד, ואת מאפייני מערכת HVAC. להתמקד על עונות הכתף כאשר PCMs הם פעילים ביותר - לא רק ימים החמים או הקרים ביותר.
3. (FLT:0Select PCM סוג ונקודת ההמיסה: ההרחבה של PCM למגוון הנוחות של היעד בתוך היעד והאקלים המקומי.עבור מבנים מחוסנים באקלים חם, נקודה מתמוססת של 24-26 מעלות צלזיוס היא טיפוסית.עבור אקלים מועשר, 18-21 מעלות צלזיוס הוא יותר מתאים ליצרן נתונים עבור סדינים ויציבות אופניים.
4. (FLT:0) שיטת הגאומטריה והכמות: FIRLT:1) לקבוע את עובי PCM אופטימלי ואת המיקום מבוסס על הגיאומטריה והמגבלות מבניות של הבניין באופן כללי, מיקוד משטחים דרומה ומערביים מניב את התשואה הגבוהה ביותר בחצי הכדור הצפוני. Adequate שטח - באופן -10% עד 30% מהקומה - הכרחי כדי להשיג אחסון תרמי משמעותי.
5. (FLT:0) ניתוח מתאים: FIRLT:1 Cal משערים את העלות המצטברת של אינטגרציה PCM בהשוואה לאסיפה בסיסית, ולאחר מכן להעריך את החיסכון השנתי באנרגיה באמצעות תוצאות מודל.כולל עלויות תחזוקה, תוחלת החיים הצפויה, ותמריצים זמינים.פשוט תשלום צריך להיות באופן אידיאלי מתחת 10 שנים, אם כי פרויקטים ממוקדים על נוחות או חוסן עשויים לקבל יותר תקופות תשלום.
6. (FLT:0Sourcing and Commissioning:FreaLT:1) רכישה של ספקים עם איכות ייצור מוכחת ובדיקה של צד שלישי ל- ASTM E2144 או סטנדרטים דומים. במהלך ההתקנה, להגן על חומרים מפני לחות ונזק פיזי.המערכת לאחר התקנת פרופילי טמפרטורה במשך לפחות שבוע אחד כדי לוודא כי המחשב הוא רכיב אופניים.

עתיד Outlook: PCMs כטכנולוגיית בניין Mainstream

כשקודי בנייה ברחבי העולם הופכים מחמירים יותר והעלות של אנרגיה מתחדשת ממשיכה לרדת, הצעת הערך של חומרי שינוי שלב היא רק חיזוק.הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה זיהתה את המעטפות של PCM-enhanced כמפתח שמאפשרת טכנולוגיה להשגת בניינים אפס פחמן עד שנת 2050. באיחוד האירופי, תיקונים לביצוע האנרגיה של הוראת בנייה (EPBD) צפויים לכלול אשראי מפורש עבור אנרגיה תרמית בבנייה, אשר יהיה שימוש נוסף ב-PC.

בצד הייצור, כלכלות של שיפורים בקנה מידה ותהליך הם נהיגה עלויות.השוק העולמי של PCM עבור בניית יישומים צפוי לגדול בשיעור שנתי מורכב של 18 אחוזים עד 2030, על פי אנליסטים בתעשייה.צמיחה זו נמשכת השקעה מחברות חומרי בניין גדולות, אשר משלבים מחשבים אישיים לתוך קווי המוצר שלהם. בתוך העשור הבא, חומרים PCM-enhanced הם כנראה להיות נפוץ כמו חלונות כפולים או מדורגת בשפע באזורים רבים.

עם זאת, אימוץ רחב ידרוש גם חינוך מתמשך בין אדריכלים, מהנדסים וקבלנים.אנשי מקצוע רבים עדיין חסרים היכרות עם מפרט PCM, מודלים, והתקנה שיטות הטובות ביותר. אגודות תעשייה כגון FLT:0 American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conating Engineers (ASHRAE)FLT:1 ו-FLT2 המכון הלאומי של מדעי הנדסה (BS: 5) לפתח את שיטות הכשרה עצמאיות כגון:

עבור ארגונים מחקריים כמו ה-FLT:0.U. המחלקה של טכנולוגיות בניין אנרגיה OfficeLACFIRLT:1, PCMs נשאר אזור פרטיות גבוהה למחקר יישומי. יוזמות נוכחיות להתמקד בפיתוח מחשבי PCMs המבוססים על ביולוגית נמוכה, שיפור מוליכות תרמית עם ננו-adtives, ואימות עמידות ארוכת טווח באמצעות רשתות ניטור שדה.

מסקנה: טכנולוגיה שהגיעה הזמן

חומרי שינוי שלב מייצגים התכנסות נדירה של חיסכון באנרגיה, שיפור נוחות וקיימות.על ידי רתום הפיזיקה של חום מאוחר, הם מאפשרים מבנים להחליק תנודות טמפרטורה באופן פסיבי, צמצום ללבוש ודמיע על מערכות HVAC והורדת עלויות התפעוליות. בעוד אתגרים הקשורים עלות, עמידות, וקוד נשאר, קצב החדשנות והצמיחה בשוק מציע כי מחסומים אלה מטופלים עבור בעלי ומתכננים מוכנים להשקיע מודל לא יעיל של למידה, אלא גם ביצועים נוחים, אך לא רק כדי ליצור ביצועים מתקדמים, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אך לא יעילים, אלא גם כן, אך קוד פתוח, אלא גם כן, אך ורק פיתוח מחשב, אך ורק פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, צמיחה בשוק, צמיחה, צמיחה, צמיחה, צמיחה, מבטיח, פיתוח, פיתוח, צמיחה, צמיחה בשוק, פיתוח, צמיחה, פיתוח, פיתוח, הוא מציע, פיתוח, פיתוח, צמיחה של טכנולוגיות יעיל, פיתוח, פיתוח, פיתוח יעיל, פיתוח, פיתוח, פיתוח מחשבי ביצועים נוחים, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח מחשב, פיתוח יעיל, פיתוח וצמיחה בשוק, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח מחשבי ביצועים נוחים, פיתוח, אך יעיל,

ההחלטה לשלב את PCMs צריכה להיות מונעת על ידי נתונים, לא ההייפ. להתחיל עם ניתוח תאימות יסודי עבור האקלים הספציפי שלך סוג הבניין. לעבוד עם ספקים מנוסים ויועצים כדי לבחור את האסטרטגיה החומרית והאינטגרציה הנכון. [+] ולעקוב אחר ביצועים בפועל לאחר ההתקנה כדי לבנות את בסיס הידע האמפירי אשר יודיע פרויקטים עתידיים.