Теплопроводность глиняных кирпичей

Как теплопроводность глиняных кирпичей способствует их успеху в качестве строительного материала

Строительный сектор является крупной отраслью в Канаде, которая в настоящее время обеспечивает работой около 1.2 миллиона канадцев. Это соответствует впечатляющим 7% всей рабочей силы страны. Поскольку население и экономика Канады продолжают расти, будет расти и потребность в высококачественной инфраструктуре и жилье. Подрядчики и строители начинают уделять больше внимания использованию высокоэффективных строительных материалов, особенно с желаемыми тепловыми свойствами, для удовлетворения этого постоянно растущего спроса. Стремление к более тепловым строительным материалам подпитывается потребностью в большей экономии энергии, которая приобретает все большее значение почти во всех странах мира. В большинстве развитых стран методы строительства и строительства составляют почти половину общего потребления энергии, а также являются источником вредных для окружающей среды выбросов CO2. Было проведено значительное количество исследований в попытке обнаружить и внедрить более экологически безопасные и устойчивые методы и методы строительства для замены устаревших и опасных, используемых в настоящее время. Одна из областей в этой области исследований связана с использованием более возобновляемых ресурсов (таких как глина) для разработки и тонкой настройки популярных и широко используемых строительных материалов. Глина — это простой материал, полученный из земли, который использовался для строительства домов и других видов инфраструктуры с 7000 г. до н.э., что делает его одним из старейших строительных материалов в этой истории цивилизации. Популярность глиняного кирпича не поколебалась с момента его первого использования тысячи лет назад, поскольку он по-прежнему остается самым востребованным строительным материалом на всей планете. Недавние исследования показали, что по крайней мере одна треть населения мира проживает в земляных жилищах того или иного типа, сделанных из глины или аналогичного по структуре материала. Высокое использование этого ресурса по всей планете показывает, насколько важно учитывать все свойства природных глиняных материалов, чтобы в полной мере использовать все полезные физические и термические аспекты для создания наиболее эффективного кирпича для строительных целей.

Из чего сделан глиняный кирпич?

Растущий интерес профессионалов в этом секторе связан с изучением использования и применения кирпича как устойчивого материала. Базовый состав кирпича состоит из двух разных материалов, связанных друг с другом особым образом, так что один из них служит матрицей, окружающей армирующий материал. Двумя наиболее распространенными используемыми материалами являются глина с низким содержанием влаги и сланец, которые помещают в формы, а затем оставляют затвердевать, прежде чем разрезать на более мелкие однородные куски для формирования отдельных кирпичей. Глиняные кирпичи представляют собой комбинацию чисто природных элементов, включая глину, песок, воду и воздух. В кирпичи при их формовании не добавляются токсичные вещества, так как они полностью изготавливаются из инертных материалов, не представляющих опасности для человека. Для подрядчиков важно учитывать токсичность строительных материалов перед их использованием, особенно тех, которые подвергаются воздействию окружающей среды, поскольку они потенциально могут разрушать и загрязнять окружающую почву или близлежащие водоемы. К счастью, это не проблема при строительстве из кирпича, поскольку он полностью сделан из материалов, полученных из земли, и обычно без добавления каких-либо искусственных веществ. Глина и суглинок, два распространенных материала, присутствующих в кирпичах, кажутся неисчерпаемыми ресурсами. Процессы раскопок, используемые для удаления глины из ее естественного местоположения, носят временный характер и охватывают ограниченную площадь поверхности, поэтому они относительно неинвазивны для окружающей природной среды обитания. После раскопок участок реконструируется, и большинство участков относительно быстро восстанавливаются до своего первоначального неизмененного состояния.

Рисунок 1: Экскаваторы, добывающие глину из открытого промышленного карьера.

Тепловые свойства глиняного кирпича

Глиняный кирпич предлагает домовладельцу уникальное экономическое преимущество с точки зрения экономии денег на счетах за тепло и электроэнергию. Поначалу строительство дома из кирпича может показаться крутым вложением, но оно, несомненно, окупится в долгосрочной перспективе. Кирпич обладает низкой теплопроводностью, которая в среднем составляет 0.5–1.0 Вт/(м/К). Теплопроводность материала напрямую связана с его способностью эффективно передавать через себя тепло. Материалы с низкой теплопроводностью, такие как глиняный кирпич, называются теплоизоляционными, поскольку они ограничивают движение тепла, проходящего через них. Это тепловое свойство чрезвычайно желательно с точки зрения строительства дома, поскольку оно обеспечивает регулирование температуры в помещении, ограничивая попадание холодного воздуха в дом и блокируя выход более теплого воздуха из помещения в окружающую среду. На температуру окружающей среды в доме влияют три основных режима теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Большая часть движения тепла через здание может быть объяснена теплопроводностью, поскольку тепло по-разному проходит через материалы с различными значениями теплопроводности. Глиняные кирпичи обладают низкой теплопроводностью, в основном из-за наличия полостей, содержащих пузырьки воздуха и промежутков между ними. Воздух обладает чрезвычайно высоким термическим сопротивлением и низкой теплопроводностью, что придает кирпичу еще большую изоляционную способность. Материал с высоким термическим сопротивлением ограничивает теплопередачу и является тем свойством, которое позволяет кирпичу действовать как естественный кондиционер в жаркие летние месяцы или как мощный обогреватель зимой.

Рисунок 2: Механизм теплопередачи.

Влияние климата на теплоизоляционные свойства керамического кирпича.

К сожалению, изоляционная способность кирпича неодинакова во всех регионах и климатических условиях мира. В тропических регионах, где среднегодовая температура составляет 22-35 ºC, кирпич действует как отличный изоляционный материал и может поддерживать более низкую температуру в помещении, несмотря на жаркую окружающую среду. В районах, где температура часто падает ниже 10ºC, изоляционная прочность кирпича может быть снижена из-за изменения теплового баланса влаги, а в некоторых случаях может вызвать проблемы с влажностью, такие как повреждение конструкции или стены от замерзания и оттаивания. Этот риск заставляет многих дизайнеров интерьеров искать способы избежать этой проблемы, которая может привести к значительным потерям энергии, что, в свою очередь, сделает здание менее удобным и пригодным для использования, чем если бы оно было должным образом изолировано. Одним из новых решений этой проблемы является включение других материалов с аналогичными тепловыми свойствами в конструкцию из кирпича, чтобы улучшить их изоляционные свойства и защитить их от повреждения водой. В настоящее время наиболее эффективными добавками к кирпичам являются стекловата или натуральная пробка, а также полиэтилен.

Читайте также:

Как это сделать

Рисунок 3: Изоляция из стекловаты – используется в качестве обычной добавки при формировании глиняных кирпичей.

Рисунок 4: Натуральная пробка – используется в качестве обычной добавки при формировании глиняных кирпичей.

Экологичные глиняные кирпичи

Ряд производителей также используют отходы при строительстве и формовании своих глиняных кирпичей. Эта растущая тенденция среди производственных компаний, вероятно, может быть связана с стремлением потребителей и местных органов власти к более устойчивым методам строительства и добычи ресурсов. Органические отходы иногда включали в кирпичи, и было обнаружено, что они обладают отличными энергосберегающими свойствами и выдающимися теплоизоляционными свойствами. Еще один путь, которым пользуются некоторые компании, заключается в использовании переработанной бумаги для повышения термостойкости кирпича. Перечень материалов, которые могут быть включены в состав глиняных кирпичей, постоянно растет, однако такой высокий спрос на кирпич оказывает повышенное давление на запасы аллювиальных почв, которые находятся под угрозой истощения. Поскольку спрос на экологичные строительные материалы продолжает расти, компаниям в этом секторе будет еще важнее избегать чрезмерной эксплуатации, особенно если потребители продолжат заменять такие материалы, как сталь и бетон, глиняными кирпичами. Исследования в этой области продолжаются, поскольку новые смеси постоянно тестируются на тепловые и энергетические преимущества.

Рисунок 5: Строитель укладывает и устанавливает глиняные кирпичи.

Заключение

Глиняные кирпичи являются одними из старейших строительных материалов на земле, играя ключевую роль в строительстве и развитии древней архитектуры. Перенесемся в 21 век, и они по-прежнему остаются самым популярным строительным материалом на всей планете. Большая часть их популярности может быть связана с их низкой теплопроводностью, высокой термостойкостью и способностью к устойчивой добыче и переработке. Поскольку глобальный акцент продолжает смещаться в сторону создания более зеленой планеты, эволюция и совершенствование материалов, из которых состоят кирпичи, будет по-прежнему сосредоточена на повышении теплового сопротивления, чтобы способствовать более энергоэффективному зданию за счет ограничения ненужного теплового потока. В климате, похожем на канадский, который слишком знаком с суровыми и холодными зимами, возможность сохранять тепло и экономить деньги за счет снижения потребления энергии чрезвычайно полезна как для домовладельца, так и для окружающей среды. Строительство домов и инфраструктуры из глиняного кирпича может обеспечить все эти преимущества экономии энергии и ресурсов просто за счет правильного использования природных характеристик этого устойчивого ресурса.

Читайте также:

Можно ли класть плитку на бетон?

Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Термтест

Термическая масса

«Тепловая масса» описывает способность материала поглощать, хранить и выделять тепло. Например, вода и бетон обладают высокой способностью сохранять тепло и называются материалами с «высокой теплоемкостью». Изоляционная пена, напротив, имеет очень маленькую теплоемкость и упоминается как имеющая «низкую тепловую массу».

Распространенной аналогией является тепловая масса как разновидность тепловой батареи. Когда тепло применяется (до предела) за счет излучения или более теплого соседнего воздуха, батарея заряжается до тех пор, пока она не станет полностью заряженной. Он разряжается, когда тепло начинает уходить, так как прилегающее воздушное пространство становится относительно холоднее.

Хотя тепловая масса всегда была аспектом зданий, только в последние годы она превратилась в инструмент, который можно использовать для сохранения энергии. Отчет ‘Жилье в Великобритании и изменение климата‘ от Arups в 2005 году, в частности, были восприняты производителями материалов с высокой теплоемкостью как raison d’etre для «тяжелой» конструкции. Арупс нарисовал картину повышения температуры по всей Великобритании и утверждал, что будущие средиземноморские климатические условия оправдывают использование тяжелых конструкций. Arups был прав — в определенной степени (хотя и каменные, и деревянные каркасные конструкции могут выдерживать тепловую массу), но немедленный захват отчета интересами производственного сектора и его последующее распространение продолжали скрывать более сложное сообщение о термической массе: что это не концепция «один размер подходит всем».

Понимание свойств тепловой массы и ее использования, особенно в контексте, имеет решающее значение для понимания как преимуществ, так и потенциальных ловушек.

Тепловая проводимость, или «значение Y», или коэффициент теплопередачи

Тепловая проводимость количественно определяет способность материала поглощать и выделять тепло из помещения при изменении температуры в помещении в течение определенного периода времени. Значения коэффициента проводимости могут быть полезным инструментом на ранних стадиях проектирования при оценке тепловых потоков, входящих и исходящих из теплоаккумулятора.

Адмиттанс измеряется в Вт/(м 2 К). Чтобы

h = ΔQ / A x ΔT

Где: h = коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 К)
ΔQ = тепловложение или теплопотери, Вт
A = поверхность теплообмена, м 2
ΔT = разница температур между твердой поверхностью и прилегающим к ней воздушным пространством.

Более высокие значения проводимости указывают на более высокую тепловую массу.

Термическая проводимость полностью описана в EN ISO 13786:2007. Описанная структура также обеспечивает основу для «Простой динамической модели» CIBSE для расчета охлаждающих нагрузок и температур в помещении в летнее время (CIBSE (2005) Руководство A: Экологический дизайн).

Значения проводимости для типичных элементов наружной стены (на основе 24-часового цикла)

Внешняя стена	Внутренняя отделка	Значение допуска
Деревянный каркас (кирпичный наружный лист)	штукатурная плита	1.0
Деревянный каркас (кирпичный наружный лист)	Мокрая штукатурка
Кладка пустотелой стены (100мм газобетонные блоки)	штукатурная плита	1.85
Кладка пустотелой стены (100мм газобетонные блоки)	Мокрая штукатурка	2.65
Полая кладка стены (100 мм плотный заполнитель)	штукатурная плита	2.65
Полая кладка стены (100 мм плотный заполнитель)	Мокрая штукатурка	5.04

Источник: The Concrete Center (рассчитано в соответствии с EN ISO 13786:2007).

Факторы, определяющие тепловую массу

Удельная теплоемкость

Плотность

Теплопроводность

Эффективность некоторых распространенных материалов:

Материалы	Удельная теплоемкость	Теплопроводность	Плотность	эффективность
	воды	4200	0.60	1000	высокая
	камень	1000	1.8	2300	высокая
	кирпич	800	0.73	1700	высокая
	бетон	1000	1.13	2000	высокая
	необожженные глиняные кирпичи	1000	0.21	700	высокая
	плотный бетонный блок	1000	1.63	2300	высокая
	гипсовая штукатурка	1000	0.5	1300	высокая
	газобетонные блоки	1000	0.15	600	среда
	стали	480	45	7800	низкий
	лесоматериалы	1200	0.14	650	низкий
	изоляция из минерального волокна	1000	0.035	25	низкий
	ковер	–	0.05	–	низкий

SAP и тепловая масса

SAP 2009 использует тепловую массу при расчете отопительной и охлаждающей нагрузки здания.

SAP использует значение каппа (k) для определения тепловой массы. k — мера теплоемкости на единицу площади в кДж/м 2 K «термически активной» части конструктивного элемента:

k = 10 -6 Σ_i p_i c_i d_i

p_i = плотность слоя «i» в конструкции (кг/м 3 )
c_i = удельная теплоемкость слоя i (Дж/кг К)
d_i = толщина слоя i (мм)

Расчет выполняется для всех слоев строительного элемента, начиная с внутренней поверхности и заканчивая тем, какое из этих условий наступит первым (включая его возникновение на полпути через слой):

• в середине строительства
• изоляционный слой
• максимальная толщина 100 мм

Он используется при расчете теплового параметра массы (TMP):

ТМД = см / ТЖК

Cm = сумма (площадь x теплоемкость) элементов конструкции
TFA = общая площадь пола

Значение «k» — это относительно грубый способ определения тепловой массы. Он делает предположения о степени термически активных объемов материала и игнорирует влияние теплопроводности при расчете периода, в течение которого тепло поглощается и выделяется из материала.

ISO 13786 предлагает более эффективный метод определения тепловой массы.

Как работает тепловая масса

Поочередно накапливая и выделяя тепло, высокая тепловая масса «сглаживает» экстремальные дневные температуры. В теплом / жарком климате, где существуют значительные колебания температуры между днем и ночью («суточные» колебания), тепло поглощается в течение дня, а затем выделяется вечером, когда избыток может быть либо «выброшен» через естественную вентиляцию, либо использовать для обогрева помещений при понижении температуры наружного воздуха. Затем весь процесс можно повторить на следующий день.

Летнее охлаждение

Зимнее отопление

Характер нагрева и охлаждения не обязательно должен соответствовать суточным колебаниям температуры. Например, там, где существуют модели человеческой деятельности, например, в офисах или школах, тепловая масса может быть спроектирована так, чтобы поглощать тепло, выделяемое офисной техникой, светом и самими людьми, а затем выделяться, когда занятие пространства прекращается.

Определение тепловой массы

• Термическая масса должна подвергаться воздействию («сцепляться») с нагретым внутренним пространством.

• Термическая масса должна быть изолирована от влияния температуры наружного воздуха. Это достигается за счет размещения массы в изолированной оболочке здания.

• Любой тяжелый материал будет служить тепловой массой. Она может образовывать любую часть внутренней ткани, будь то пол, стены или потолок.

• Хотя это часто желательно, тепловая масса не должна подвергаться воздействию прямых солнечных лучей для поглощения тепла. Тепло может передаваться посредством конвекции и излучения между другими поверхностями.

Эффективная толщина

Учитывая тепловую массу на основе суточного цикла, наиболее эффективная глубина материала составляет первые 50 мм. Между 50 и 100 мм эффективность еще больше снижается, а после 100 мм массовый эффект практически не имеет значения.

Важность толщины и тепловой массы является ключом к развитию возможностей включения значительной тепловой массы в легкие конструкции. Недавно был разработан ряд систем, демонстрирующих, что, хотя наружные стены могут быть из суперизолированного деревянного каркаса, внутренняя отделка, включая полы, потолки и перегородки, может обеспечить достаточно высокую тепловую массу, не прибегая к каменной кладке (например, RuralZed).

Открытые терракотовые потолочные блоки, обеспечивающие тепловую массу конструкции деревянного каркаса

Тепловая масса и жилье в Великобритании

Во всех случаях проектирования с использованием тепловой массы использование компьютерного моделирования совершенно необходимо.

В дополнение к отчету Arups был проведен ряд исследований на основе моделирования, чтобы изучить взаимодействие изоляции, вентиляции, занятости и широты.

• В будущих сценариях, отражающих потепление климата, жилье на юге Англии получит значительную выгоду за счет использования тепловой массы в сочетании с затенением для смягчения воздействия пиковых температур в летнее время. В более высоких широтах выгода становится относительно меньше. 1

• Строительство с меньшей тепловой массой на юге Великобритании может быть маргинальным, даже если оно закрыто в периоды пиковых летних температур. 1

• В более высоких широтах тепловая масса не нужна для смягчения низких летних температур. В тех случаях, когда включается тепловая масса, следует учитывать дополнительное тепло, необходимое для нагревания массы до того, как температура воздуха повысится. Туохи и др. исследование показало, что в более высоких широтах использование тепловой массы может быть контрпродуктивным.

Пассивхаус и тепловая масса

Отличительной чертой Passivhaus является суперизолированная коробка с механической вентиляцией. Сочетание теплоизоляции и воздухонепроницаемости настолько эффективно, что зданию требуется немного больше тепла от людей и бытовых нужд, чтобы поддерживать общую внутреннюю температуру на комфортных уровнях, которые мало меняются без каких-либо экстраординарных воздействий — будь то солнечная энергия или дополнительное тепло. тепла, выделяемого людьми и машинами.

Поскольку тепловая масса зарекомендовала себя как инструмент для демпфирования температурных амплитуд, она лучше всего работает там, где накапливается избыточное тепло, требующее поглощения и гораздо более поздней утилизации. Например, там, где избыточное тепло, выделяемое солнечными лучами, поглощается тканью здания в светлое время суток или когда в школьной среде избыточное тепло вырабатывается учащимися и поглощается для излучения в более прохладное ночное пространство.

Там, где здания обычно испытывают такие перепады температур, использование тепловой массы может иметь большой смысл, но там, где нормальные колебания амплитуды, типичные для жилища Passivhaus, невелики, становится все более очевидным необходимость в специальном рассмотрении и использовании тепловой массы. маргинальные и сложные.

В домах по мере того, как климат становится теплее, более заметная тепловая нагрузка будет все больше приходиться на солнечную энергию в летние месяцы. В жилище Passivhaus усиление станет серьезной проблемой для дизайна дома. Возможно, одним из способов борьбы с жарой будет использование термальной массы для поглощения излишков, но чтобы избежать перегрева, обычно необходимо смывать тепло ночью. Скорее всего, потребуется частое открывание окон, и тогда это будет успешным только в том случае, если ночная температура будет значительно ниже пиковой дневной температуры.

Другой альтернативой, конечно же, было бы предотвращение проникновения солнечного света за счет контроля того, сколько солнечного света передается в здание. В любом случае проектирование и использование тепловой массы будут тщательно интегрированы в контекст как других средств контроля, так и модели использования конкретного здания. Тепловая масса будет зависеть от контекста.

Разработка технологий и методик

• Материалы с фазовым переходом, которые обеспечивают теплоемкость за счет фазового перехода. Особое внимание уделяется материалам, основанным на переходе парафина из твердой фазы в жидкую. Продукция включает панели с алюминиевым покрытием, содержащие парафин (см. Энергейн выше( и инкапсулированные парафиновые капсулы, смешанные с гипсом.

• Использование конструкции из цельных деревянных панелей – обеспечивает полезную степень тепловой массы при ограничении количества воплощенной энергии в кирпичной конструкции.

• Продолжение проектных исследований по оптимизации материалов с теплоизоляцией в деревянных каркасных зданиях.