Анализ перспектив применения материалов с фазовым переходом в строительных конструкциях

Введение. Задачей исследования является анализ перспектив применения материалов с фазовым переходом (МФП) в строительных конструкциях. Актуальность обусловлена отраслевой тенденцией на снижение потребления тепловой энергии зданиями за счет применения современных теплоизоляционных материалов и ограждающих конструкций. В качестве объекта исследования выбраны МФП, производимые в промышленных объемах и применяемые в строительстве в зарубежных странах. Способность данных материалов поглощать и выделять тепловую энергию может быть использована для улучшения тепловых характеристик зданий. Анализ возможности применения МФП в строительных конструкциях проведен для трех городов Российской Федерации: Москвы, Санкт-Петербурга и Сочи.

Материалы и методы. Оценка эффективности использования МФП в строительных конструкциях выполнена посредством энергетического моделирования здания по алгоритму Conduction Finite Difference в программе EnergyPlus с учетом климатических условий и потребления энергии на отопление и охлаждение здания. Расчет осуществлен для конструкций, включающих МФП (три различных материала с фазовым переходом), и без них.

Результаты. Определены значения потребления энергии на отопление и охлаждение помещения, абсолютная и относительная экономия энергии от применения МФП.

Выводы. Проведенный анализ показал, что энергетический и экономический эффект от применения МФП в строительных конструкциях составляет от 2 до 13 % и зависит как от типа материала, так и от региона применения.

1. Veerakumar C., Sreekumar A. Phase change material based cold thermal energy storage: materials, techniques and applications — A review // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 67. Pp. 271–289. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.12.005

2. Бараненко А.В., Кузнецов П.А., Захарова В.Ю., Цой А.П. Применение веществ с фазовыми переходами для аккумулирования тепловой энергии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 6. С. 990–1000. DOI: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-990-1000. EDN YQZIDJ.

3. Li G., Hwang Y., Radermacher R. Review of cold storage materials for air conditioning application // International Journal of Refrigeration. 2012. Vol. 35. Issue 8. Pp. 2053–2077. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2012.06.003

4. Marco C. Phase-change materials // Smart Buildings. 2016. Pp. 179–218. DOI: 10.1016/B978-0-08-100635-1.00005-8

5. Park J.H., Berardi U., Chang S.J., Wi S., Kang Y., Kim S. Energy retrofit of PCM-applied apartment buildings considering building orientation and height // Energy. 2021. Vol. 222. P. 119877. DOI: 10.1016/j.energy.2021.119877

6. Park J.H., Kang Y., Lee J., Wi S., Chang J.D., Kim S. Analysis of walls of functional gypsum board added with porous material and phase change material to improve hygrothermal performance // Energy and Buildings. 2019. Vol. 183. Pp. 803–816. DOI: 10.1016/j.enbuild.2018.11.023

7. Beltran R.D., Martínez-Gomez J. Analysis of phase change materials (PCM) for building wallboards based on the effect of environment // Journal of Building Engineering. 2019. Vol. 24. P. 100726. DOI: 10.1016/j.jobe.2019.02.018

8. Рёсснер Ф., Рудаков О.Б., Альбинская Ю.С., Иванова Е.А., Перцев В.Т. Применение микрокапсулированных теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом в строительстве // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2012. № 5. С. 64–70. EDN PCQKAB.

9. Назиров Р.А., Тахтобин А.В. Материалы с изменяющимся фазовым состоянием в ограждающих конструкциях // Строительство и реконструкция. 2019. № 6 (86). С. 66–85. DOI: 10.33979/2073-7416-2019-86-6-66-85. EDN XMLMJZ.

10. Казарова Е.А., Перцев В.Т., Усачев С.М. Возможность применения веществ с фазовым переходом для различных строительных материалов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2013. № 7. С. 35–39. EDN RYFUFN.

11. Alawadhi E.M. Thermal analysis of a building brick containing phase change material // Energy and Buildings. 2008. Vol. 40. Issue 3. Pp. 351–357. DOI: 10.1016/j.enbuild.2007.03.001

12. Alqallaf H.J., Alawadhi E.M. Concrete roof with cylindrical holes containing PCM to reduce the heat gain // Energy and Buildings. 2013. Vol. 61. Pp. 73–80. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.01.041

13. Cellat K., Beyhan B., Kazanci B., Konuklu Y., Paksoy H. Direct incorporation of butyl stearate as phase change material into concrete for energy saving in buildings // Journal of Clean Energy Technologies. 2017. Vol. 5. Issue 1. Pp. 64–68. DOI: 10.18178/JOCET.2017.5.1.345

14. Goia F., Perino M., Serra V. Experimental analysis of the energy performance of a full-scale PCM glazing prototype // Solar Energy. 2014. Vol. 100. Pp. 217–233. DOI: 10.1016/j.solener.2013.12.002

15. Hoes P., Hensen J.L.M. The potential of lightweight low-energy houses with hybrid adaptable thermal storage: comparing the performance of promising concepts // Energy and Buildings. 2016. Vol. 110. Pp. 79–93. DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.10.036

16. Entrop A.G., Brouwers H.J.H., Rein-ders A.H.M.E. Experimental research on the use of micro-encapsulated phase change materials to store solar energy in concrete floors and to save energy in Dutch houses // Solar Energy. 2011. Vol. 85. Issue 5. Pp. 1007–1020. DOI: 10.1016/j.solener.2011.02.017

17. Heim D., Wieprzkowicz A. Positioning of an isothermal heat storage layer in a building wall exposed to the external environment // Journal of Building Performance Simulation. 2016. Vol. 9. Issue 5. Pp. 542–554. DOI: 10.1080/19401493.2015.1126649

18. Kheradmand M., Azenha M., de Aguiar J.L.B., Castro-Gomes J. Experimental and numerical studies of hybrid PCM embedded in plastering mortar for enhanced thermal behaviour of buildings // Energy. 2016. Vol. 94. Pp. 250–261. DOI: 10.1016/j.energy.2015.10.131

19. Favoino F., Goia F., Perino M., Serra V. Experimental assessment of the energy performance of an advanced responsive multifunctional facade module // Energy and Buildings. 2014. Vol. 68. Pp. 647–659. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.08.066

20. Berardi U., Manca M. The energy saving and indoor comfort improvements with latent thermal energy storage in building retrofits in Canada // Energy Procedia. 2017. Vol. 111. Pp. 462–471. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.208

21. Soudian S., Berardi U. Experimental investigation of latent thermal energy storage in high-rise residential buildings in Toronto // Energy Procedia. 2017. Vol. 132. Pp. 249–254. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.09.706

22. Qu Y., Zhou D., Xue F., Cui L. Multi-factor analysis on thermal comfort and energy saving potential for PCM-integrated buildings in summer // Energy and Buildings. 2021. Vol. 241. P. 110966. DOI: 10.1016/j.enbuild.2021.110966

23. Hamidi Y., Malha M., Bah A. Analysis of the thermal behavior of hollow bricks walls filled with PCM: Effect of PCM location // Energy Reports. 2021. Vol. 7. Pp. 105–115. DOI: 10.1016/j.egyr.2021.08.108