Сравнительный анализ теплопроводности ручного и механического кирпича, используемого в объектах культурного наследия – PMC

Сравнительный анализ теплопроводности ручного и механического кирпича, используемого в объектах культурного наследия

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Абстрактные

Во время мероприятий по повышению энергоэффективности культурного наследия обычно используются методологии, которые используются для существующих зданий с различным тепловым поведением. По этой причине было проведено исследование термического поведения старых кирпичных стен путем проведения испытаний на тепловую текучесть в лаборатории на образцах кирпичной кладки, чтобы сравнить поведение кирпича ручной работы и механического кирпича более чем столетней давности, и проанализировать взаимосвязь между значениями теплопроводности, влажности, плотности и пористости, а также сравнить эти результаты с результатами, полученными при применении процедуры стандарта EN-1745. Сделан вывод, что кирпичи ведут себя термически по-разному, в зависимости от способа изготовления: ручного или механического, в обоих видах кирпича установлено, что чем выше были влажность и плотность, тем выше значение теплопроводности кирпича. Также был сделан вывод, что старые кирпичи имеют значения теплопроводности, отличные от указанных в EN-1745 в зависимости от плотности, и что соотношение, обнаруженное в этих образцах в сухом состоянии и во влажном состоянии, не соответствует указанным процессам. в стандарте. Что касается пористости, важно отметить, что чем больше закрытая пористость, тем ниже электропроводность. Сделан вывод, что для вмешательства в здания культурного наследия необходимо провести специальное исследование поведения систем, с помощью которых они были построены.

Ключевые слова: теплопроводность, испытания теплопроводности, кирпичи, кирпичная кладка, энергоэффективность, культурное наследие

1. Введение

Сохранение культурного наследия представляет большой интерес для общества по культурным, социальным и экономическим причинам, но в настоящее время необходимо найти решения по повышению энергоэффективности этих зданий, чтобы их сохранение представляло интерес и с экологической точки зрения. зрения. Устойчивое управление культурным наследием является стратегическим вариантом, рассматриваемым Европейским союзом, включая энергоэффективность. По этим причинам в последние годы различные комитеты и исследовательские группы разработали рекомендации по повышению энергоэффективности, такие как EN 16883 [1] и публикации [2,3,4,5]; даже Европейский союз финансировал такие проекты, как HELLO [6], Co2olBricks [7] или 3ENCULT [8], в которых были разработаны различные предложения по повышению энергоэффективности, особенно в зданиях, построенных из кирпича. Как правило, они основаны на таких параметрах, как коэффициент пропускания оболочек, и на улучшении этого параметра с помощью конструктивных решений, включающих крепление или включение теплоизоляционных листов в оболочки.

Несмотря на значительные успехи в конкретном изучении поведения материалов и строительных систем зданий культурного наследия, стандарты и программы моделирования часто используют те же методы и исходные данные, что и для новых зданий, когда эти здания построены с использованием очень разных материалов и конструкций. системы, чем нынешние; следовательно, их тепловые характеристики различны [9]. Еще один фактор, который необходимо изучить, заключается в том, что материалы, используемые в каждом географическом районе, как правило, имеют особые характеристики, поэтому важно проводить местные исследования поведения этих материалов, чтобы получить информацию для будущих вмешательств.

Чтобы лучше понять тепловое поведение зданий культурного наследия из кирпича ручной работы в центральном районе Кастилии и Леона, Испания, в континентальных климатических зонах Csb и Csa, в соответствии с климатической классификацией Кеппена [10], где использование этого материала была постоянной на протяжении всей истории [11,12] (см. рис. 1), было проведено несколько исследований, в ходе которых была установлена ​​зависимость между электропроводностью этих древних кладок, плотностью и влажностью кирпича; таким образом, эту информацию можно использовать для лучшего понимания их теплового поведения [13,14,15,16,17].

Слева – мудехарская церковь Аревало, Авила (кирпич ручной работы), а справа – Институт Соррилья, Вальядолид (механический кирпич).

При строительстве зданий культурного наследия за последние два столетия механический кирпич использовался вместо кирпича ручной работы, характерного для старых зданий; они имеют разные свойства из-за их механического производственного процесса. По этой причине с этими типами кирпича была проведена кампания испытаний с использованием методики [13], аналогичной той, что проводилась с кирпичами ручного изготовления, для сравнительного анализа поведения кирпичей ручного изготовления и механических кирпичей с точки зрения связи теплопроводности с плотностью кирпича и влажностью кладки, а также проверить, можно ли результаты исследований с кирпичом ручной работы [9] экстраполировать на механический кирпич.

Предыдущее исследование кирпича ручной работы [13] проанализировало взаимосвязь между проводимостью, плотностью и содержанием воды. Эта взаимосвязь, очевидно, влияет на характеристики фасада из пористых материалов, способных поглощать значительное количество дождевой воды [18,19,20]. В этом исследовании реальная и кажущаяся пористость также включены в исследование, так как эта характеристика может быть определяющей в теплопроводности [21,22,23], и различна в кирпичах ручной работы и механических кирпичах. Эти характеристики кирпичей также анализируются в данном сравнительном исследовании.

Были проведены многочисленные исследования кирпичей различных типов [24], в которых анализировались взаимосвязи между физическими свойствами, такими как пористость, водопоглощение и т. д., и их термическим поведением. Объем, размер и фактор формы пор являются определяющими факторами проницаемости и теплового поведения, однако не было обнаружено исследований кирпичей, произведенных в изучаемой области, которые бы связывали теплопроводность с плотностью и пористостью; таким образом, было сочтено целесообразным провести это исследование.

Конечная цель испытаний состоит в том, чтобы сравнить образцы кирпичной кладки, изготовленные из трех различных типов кирпича, ранее охарактеризованных, и узнать взаимосвязь между проводимостью, плотностью и пористостью кирпича и водой, которую они могут содержать; Остается выяснить, сходны ли соотношения между этими характеристиками для кирпичей, изготовленных разными способами: ручным, прессованием и прессованием, а где обжиг тоже разный: первый в печах арабского типа [25], а остальные – промышленные печи [20]. В этой же строке устанавливается сравнение результатов, когда расчет электропроводности определяется посредством испытания, проведенного на образцах, или на основе применимого стандарта EN 1745 [26].

2. Материалы и методы

Исследование проводилось на разных этапах, как подробно описано ниже.

2.1. Расположение и выбор учебного материала

Необходимый материал был получен из построек 19 – начала 20 веков, которые в то время ремонтировались или частично сносились, что позволило получить фрагменты их стен. Метод отбора проб из существующих конструкций и выбор кирпича основывались на результатах предыдущих исследований, проведенных в зданиях, а также на характеристиках кирпича и производственных процессах [11,27,28,29,30].

Полученные материалы были отобраны в соответствии с их производственным процессом в 3 группы (ручной работы, экструдированные и прессованные), чтобы можно было связать их характеристики с проводимостью исследуемых образцов кирпича [30]. Внутри каждой группы кирпичи были классифицированы по типу кирпича на 6 подгрупп в соответствии с их происхождением и размерами, при этом отбирались кирпичи одинаковой формы, которые впоследствии использовались для изготовления различных опытных образцов. Всего было собрано от 18 до 25 кирпичей для каждого образца, всего для этого исследования было изготовлено 6 кирпичей, как описано ниже.

Обозначение изделий в зависимости от технологии изготовления и типа кирпича показано на рисунке 2: HMB (кирпич ручной работы), EXB (кирпич экструдированный) и PRB (кирпич прессованный).

Покупка и цена лучших видов термокирпича

Теплопроводность (теплопроводность) огнеупорного кирпича, то есть способность передавать тепло, обычно выражается теплопроводностью. Коэффициент теплопередачи относится к количеству тепла, переданному в процессе передачи энергии на единицу площади в единицу времени при единичном градиенте температуры. Помимо температурных факторов (таких как кирпичи с высоким содержанием глинозема, магнезиальные кирпичи и т. д.), теплопроводность огнеупорных кирпичей тесно связана с их химическим составом и организационной структурой. При получении огнеупорных кирпичей кристаллизацией эффективность кристаллизации оказывает значительное влияние на теплопроводность. Теплопроводность тяжелого муллитового кирпича относится к коэффициенту теплового потока, который проходит через единицу площади поверхности через единицу температурного градиента. Чем больше коэффициент пористости, тем меньше теплопроводность. При производстве общего отопительного оборудования следует учитывать потери тепла после прохождения через огнеупорные кирпичи и рассчитывать изоляционный эффект изоляционных огнеупорных кирпичей. Для некоторых огнестойких термических печей, таких как коксовые печи, следует рассмотреть возможность использования огнеупорных кирпичей. Коэффициент теплопроводности перегородок из огнеупорного кирпича относительно высок, поэтому коэффициент теплопроводности перегородок из огнеупорного кирпича является одним из основных показателей теплового расчета. Метод измерения теплопроводности огнеупорного кирпича Горячая проволока из чистой платины прокладывается между двумя огнеупорными образцами с постоянной прочностью, а скорость нагрева горячей проволоки зависит от величины теплового потока от горячей проволоки к части с постоянной температурой. тестового образца. Увеличение сопротивления платиновой проволоки и соответствующее изменение во времени между испытательным сопротивлением в середине испытуемого образца. Используя этот метод, можно получить точную скорость нагрева горячей проволоки. По формуле Фурье коэффициент теплопередачи рассчитывается исходя из скорости нагрева нагревательного провода и подводимой мощности. При одинаковой насыпной плотности теплопроводность муллитового изоляционного кирпича из пенопласта ниже, чем у прессованного или машинного прессования. Теплопроводность тесно связана с пористостью продукта. Увеличение пористости вызывает увеличение площади поверхности твердого газа и фононного рассеяния теплопроводности твердой фазы и, как следствие, снижает теплопроводность огнеупора. В то же время теплопроводность тесно связана с пористостью. При высокой температуре движение молекул газа интенсифицируется, увеличивается вероятность столкновения и уменьшается длина свободного пробега. теплопроводность стекловаты В образцах она белая и желтая. Этот материал производится путем плавления стекла и превращения его в тонкие волокна. Эти волокна имеют форму рулонов или панелей. Стекловата устойчива к огню. Стекловата легко режется и укладывается. Коэффициент теплопроводности стекловаты в 0.055 раза выше коэффициента теплопроводности кирпича и цемента и в 0.05 раза выше коэффициента теплопроводности нашей тройки. Теплопроводность каолинового кирпича Каолиновый кирпич, теплопроводность которого имеет относительно широкий диапазон значений, является наиболее популярным и применяемым материалом. Такая популярность этого продукта обусловлена ​​его полезностью и простотой использования. Кроме того, быстровозводимые здания из подобных материалов обладают прекрасными характеристиками устойчивости и прочности. Теплопроводность кирпича в таких условиях отходит на второй план. Для создания более комфортных условий внутри здания производится дополнительное утепление с использованием специальных изоляционных материалов с наименьшим значением коэффициента. Силикатный кирпич (стандартный) нельзя использовать для печей и каминов, так как он очень устойчив к температуре. Максимальный нагрев, который она может выдержать, составляет 550 градусов (если усовершенствовать аналоги), при этом поверхность печи нагревается до 700 гр. теплопроводность древесины Текстура древесины зависит от анатомического строения древесины. Хвойная древесина, имеющая простую структуру, имеет тонкую текстуру, лиственная древесина, имеющая более сложную структуру и разнообразную текстуру. Использование древесины зависит от направления рубки, ширины колец, разницы в окраске летнего и весеннего леса, лучей и направления волокон. Наиболее блестящая фактура получается при резке по касательной. Хвойные леса имеют желательную текстуру сосны и сосны и палисандра, лиственные породы пористой древесины с характерными изогнутыми лучами; Межвенцовый джутовый утеплитель сохраняет тепло в 3.5 раза лучше, чем сосновая древесина. Другими словами, стыки между бревнами, при условии их заполнения сварочной изоляцией, являются самыми «горячими местами» в стене. Вода, заполняющая полости клеток, сосудистые капилляры и межклеточные пространства, называется капиллярной или рыхлой. Вода, депонированная в клеточной мембране и во внеклеточных пространствах, имеет гидроксильные группы или связана с водой. Леса составляют в среднем около 30% водно-болотных угодий. Наибольшее количество свободной воды зависит от породы древесины.

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)

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

Факторы, определяющие тепловую массу

Удельная теплоемкость

Плотность

Теплопроводность

Эффективность некоторых распространенных материалов:

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.

Рекомендации

1 Тепловая масса, изоляция и вентиляция в устойчивом жилье – исследование климата и условий проживания – Туохи и др., 2004 г.

Подробнее о строительной физике:

• Теплопередача: теплопроводность, конвекция и излучение БОЛЬШЕ
• Изоляционные материалы: тепловые свойства ПОДРОБНЕЕ
• Значение U для чайников БОЛЬШЕ
• Герметичность БОЛЬШЕ
• Конструкция воздушного барьера БОЛЬШЕ
• Тепловой байпас БОЛЬШЕ
• Декрементная задержка и тепловая буферизация БОЛЬШЕ
• Тепловая масса БОЛЬШЕ

GreenSpec не несет ответственности за любые убытки или расходы любого типа, возникающие в результате или каким-либо образом связанные с использованием вами этого веб-сайта. Данные и информация предоставляются только в информационных целях и не предназначены для торговых целей. Ни GreenSpec, ни кто-либо из его партнеров не несут ответственности за какие-либо ошибки в содержании или за любые действия, предпринятые на основании этого.

Greenspec® является зарегистрированным товарным знаком № 253941.
Компания Greenspec зарегистрирована в соответствии с Законом о защите данных (DPA).