Термопанели под дерево для фасада: Термопанели для фасада под дерево: особенности и монтаж

термопанели под дерево для вашего фасада

Представляем новинку – фасадные термопанели под дерево «Стенолит». Они разработаны японскими инженерами и дизайнерами специально для российских потребителей.

Несущая основа панели – стальной формованный лист 0,3 мм толщиной. На него нанесено алюминиево-цинковое антикоррозийное покрытие, плотностью 40-60 г на м². Утеплитель — специальный пенополиуретан, с теплогидроизоляционным покрытием. Снаружи плита «Стенолит» имеет семислойное покрытие из особой краски, полученной по нанотехнологиям, которое обеспечивает наружной поверхности панели высокую стойкость к любым внешним атмосферным воздействиям.

Наружная текстура панели имитирует различные популярные отделочные материалы: кирпич, дикий камень, металлический сайдинг, дерево, гранит и т.д.

• Размер панели «Стенолит»: 3800 х 385 (380) х 16 мм.
• Площадь — 1,463 (1,444) м²).
• Вес панели – всего 5,5 кг (или 3,8 кг/кв. м²), что позволяет обходиться при монтаже без устройства мощной обрешетки.

«Стенолит» обладает самым низким коэффициентом теплопроводности по сравнению с традиционными строительными материалами: деревом, пустотелым кирпичом, керамзитобетонным шлакоблоком, газо-пенобетонным блоком и т.д.

Плиты «Стенолит» умеренно горючи (класс Г2), не ломаются и не трескаются от перепада температур, быстро и легко монтируется двумя рабочими (до 100 м² в смену), а в эксплуатации не выделяет вредных веществ или неприятных запахов, обладают антивандальными свойствами.

Запатентованная система стыковки панелей, использование «фирменных» элементов монтажа позволит Вам без особых усилий смонтировать эти панели самостоятельно. Эти панели можно с успехом использовать для устройства кровли. Она будет легкой, красивой и не потребует дополнительного утепления.

Фасадные панели такого типа широко применяются в мире для обеспечения энергосбережения жилья, признаются экологически чистым строительным материалом. Утилизируются на 95 %. Панели имеют гарантийный срок эксплуатации – 40 лет, гарантия устойчивости цвета – 10 лет.

HPL-панели для фасадов под дерево

Вентилируемые фасады из HPL-панелей – один из наиболее популярных и распространенных видов внешней отделки зданий. При этом большим спросом в экстерьерном дизайне пользуются HPL-панели для фасадов под дерево.

На сайте ООО «Компания № 1» представлена коллекция древесных декоров фасадных панелей CLADS, насчитывающая более 20 образцов.

В отличие от облицовочных панелей под дерево, изготовленных из винила, фиброцемента и металла, HPL-панели, монтируемые на вентфасады, обладают следующими преимуществами:

• небольшим весом, позволяющим проводить отделку зданий различной этажности с применением алюминиевого и стального профиля;
• универсальностью, которая обеспечивает простоту монтажа HPL-панелей на подсистемы всех типов – вертикальные, перекрестные и межэтажные;
• высокой механической прочностью, устойчивостью к перепадам температур, различным уровням влажности и воздействию ультрафиолета;
• хорошей термо- и шумоизоляцией;
• небольшой плотностью, дающей удобство сверления и резки панелей;
• привлекательным внешним видом, экологичностью, долговечностью и пожаробезопасностью.

Все реализуемые нашей компанией HPL-панели для фасадов прошли испытания на соответствие европейским стандартам по показателям прочности и пожароустойчивости (показатель горючести – Г1).

Ассортимент декоров под дерево

ООО «Компания № 1» реализует HPL-панели с оттенками и текстурами различных пород дерева. Разнообразие декоров и широкая цветовая гамма позволят выбрать облицовочные панели для фасада любого здания.

В коллекцию HPL-панелей для фасадов под дерево входят имитации разных сортов дуба, ясеня, сосны, лиственницы, ореха, клена темных и светлых, теплых и холодных тонов.

Подобрать необходимые варианты исполнения и размеры HPL-панелей, представленных в данной товарной группе, можно, обратившись к менеджерам нашей компании.

Фасадные термопанели Costune серия “дерево три доски”

Щелкните изображение для просмотра

Основные свойства

• Фасадная панель Costune прослужит не менее 50 лет. Панель устойчива к коррозии, потускнению, загрязнению, агрессивной среде и перепадам погодных условий.
• За счет пенополиуретана и алюминизированной бумаги коэффициент  теплопроводности 0,025Вт/мС. Вы снижаете затраты на отопления дома.
• Пенополиуретан так же является шумоизоляционным материалом.
• Фасадная панель Costune не поддерживает горение имеет сертификат Г1.
• За счет своей легкости не требует дополнительного усиления фундамента и конструкции дома. Панель длиной 3 м и шириной 0,38 м возможно изготовление разной длины
• Простота панели обеспечивает быстрый монтаж.
• Панели Costune можно устанавливать в вертикальном, горизонтальном положении, а так же под разными углами, что позволить осуществить любую дизайнерскую идею..
• При монтаже не видно швов.
• Costune –  вентилируемая фасадная панель

• Производитель: Costune
• Код товара: Фасадные термопанели Costune
• Доступность: Предзаказ

Доступные опции

Costune термопанели коллекция “дерево 3 доски” стоимость за 1 м2

Теги: Фасадные термопанели Costune серия “дерево три доски”, Фасадные термопанели Costune, Costune, Фасадные материалы

Фасад из дерева. Фасад под дерево

Очень часто древесину используют для строительства целого дома или для отделки фасада. Деревянный фасад не является самым дешевым. Стоит ли инвестировать такие большие финансовые средства в отделку фасада дома деревом или использовать традиционные методы отделки, такие например, как штукатурка, облицовочный кирпич, камень. Самым большим преимуществом фасада, выполненного из дерева, является его неповторимый облик, который дает каждому дому эксклюзивный вид. Деревянный фасад имеет способность «дышать», благодаря чему, он не скапливает конденсат и влагу на стенах под облицовкой, а выводит их наружу. Кроме того, коэффициент теплового расширения дерева в 3-10 раз ниже (в зависимости от породы дерева и направления волокон) чем у металла, бетона, пластика. Поэтому деревянный фасад менее подвержен нагрузкам связанным с перепадами температур, не выгибается в жару, не рвется на морозе. Так же необходимо отметить экологическую чистоту древесины, как одно из главных её достоинств в наше токсичное время.

Проблемы деревянных фасадов

К сожалению, неправильно защищенный фасад из дерева, может безвозвратно потерять свое былое очарование и свойства. Выбирая древесину для отделки фасада дома, необходимо иметь представление о способах содержания и ухода за древесиной. Только тогда вы сможете, наслаждаться его красотой, в течение многих лет. Ниже представлены некоторые сложности, связанные с использованием деревянных фасадов и простые советы, как с ними бороться.

Серая древесина

Обычно незащищенные фасадные доски, выставленные на воздействие солнечных лучей, после нескольких месяцев начинают сереть. Консервация таким способом измененной поверхности, начинается с удаления наждачной бумагой, поврежденного слоя. Это утомительная, но необходимая работа.использование механического измельчения. Для эффективного шлифования древесины,последняя шлифовка выполняется с использованием тонкозернистой наждачной бумаги (например,с зернистость 180). Гладкая поверхность лучше отводит воду, затрудняет появление грибка и менее чувствительна к грязи.

Водоросли, лишайники, мхи и грибы

Если дом построен в тенистом и влажном месте, он дополнительно подвергается появлению водорослей, лишайников, мхов и грибов. Насколько древесину с поверхностными новообразованиями можно сохранить, настолько подвергшуюся атаке грибка, можно спасти только путем замены. Зараженную изнутри древесину легко идентифицировать, поскольку она является гнилой, мягкой, легко рушится и имеет измененный цвет. Менее тяжелые внешние повреждения, могут быть устранены с помощью шпателя или кисти с жесткой щетиной и водой с моющим средством. Если мы используем воду, необходимо подождать, как минимум день, пока дерево высохнет. Следующим шагом, является шлифование досок наждачной бумагой, до незаряженного слоя. Здоровая и сухая поверхность пропитывается фунгицидной пропиткой, которая нейтрализует невидимый для глаз потенциал грибка (иногда грибок находится в более глубоких слоях древесины).

Биологическая коррозия

Некоторые виды грибов, вызывают поверхностные изменения цвета, в виде сине-серых пятен, называемых синевой древесины. Синева не влияет на прочность древесины, но твердо и навсегда изменяет эстетику фасада дома. Реконструкция фасада дома инфицированного синевой, является трудной, потому, что очень часто, синева проникает вглубь древесины. Если во время шлифования древесины видны пятна- это означает, что вам необходимо обработать дерево фунгицидной пропиткой.

Нежелательные жильцы – насекомые

Грозные для древесины насекомые, могут развиваться в любых условиях. Заселяют не только влажные и подвергшиеся атаке грибка дома, но и сухие. Их присутствие, можно определить по многочисленным отверстиям. Ослабленные элементы древесины – те, которые являются хрупкими и мягкими – нуждаются в замене. Если размер ущерба не является слишком большим, то достаточно применить инсектицидные препараты. Но мы не можем довольствоваться, для нанесения препарата, обычной кистью. Необходимо вводить препарат, непосредственно в отверстие поврежденной поверхности дерева. Эта операция, выполняется с помощью специального аппликатора или обычного медицинского шприца.

Новые технологии. Современные решения

Современные строительные технологии направлены на создание материалов, которые обладают положительными свойствами дерева и избавлены от отрицательных характеристик. В результате появились: металлический сайдинг окрашенный под древесину имитирующий кругляк или плоскую доску; виниловый сайдинг с текстурой дерева; цементные панели с текстурой и цветом древесины. Однако, необходимо отметить, лидеров среди фасадных отделочных материалов, которые наиболее близко подошли к решению проблем деревянного фасада. Это фиброцементные панели, которые в своем составе имеют ориентированную древесную стружку. Среди ассортимента панелей можно выбрать 29 видов под широкую и узкую доску, планкен. Данные панели производятся только в Японии, США и Китае. Причем производство за пределами Японии контролируется японской компанией NICHIHA.

Древесно-полимерный композит (WPC – wood plastic composite)

Еще одна альтернатива древесине. Сегодня из него производят сайдинг для фасадов, каркас для стен, террасную доску, заборы, скамейки и другие изделия. Сайдинг из древесно-полимерного композита состоит из древесной стружки на 40-60%, поэтому обладает полезными свойствами древисины, как то слабые температурные расширения, натуральный вид, легкий вес, прочность. Вместе с тем, данному материалу не страшны грибок, плесень, насекомые, влага. Выцветание происходит медленно. К тому же, в составе ДПК входят противопожарные добавки, которые делают этот материал негорючим.

Облицовка фасада деревянного дома фасадными термопанелями (фото, видео)

Дерево по-прежнему остается одним из самых популярных материалов для строительства частных домов, ни один другой материал не может сравниться с ним по экологической чистоте, кроме того, дерево является превосходным теплоизолятором и регулятором внутридомового микроклимата. Однако дерево подвержено воздействию внешних факторов, в первую очередь действию осадков и ветра, которые постепенно разрушают древесину и снижают ее характеристики. Для защиты дома применяются различные методы, например, облицовка фасада деревянного дома фасадными термопанелями отлично себя зарекомендовала как надежный способ защиты дерева и продления срока службы дома. Термопанели тестировались в самых суровых условиях и поэтому соответствуют высочайшим требованиям теплоизоляции и общей надежности.

Преимущества облицовки дома термопанелями

Облицовка фасада деревянного дома фасадными термопанелями позволяет получить следующий эффект:

• создание надежной защитной оболочки вокруг фасада, которая защитит от внешнего воздействия и убережет внутреннее тепло;
• изменение дизайна дома в соответствии с выбранной дизайн-концепцией – фасадные термопанели изготавливаются с разной расцветкой и фактурой;
• повысить потребительские характеристики дома и продлить срок его эксплуатации без проведения капитального ремонта.

Тонкости использования термопанелей

В зависимости от типа деревянного дома облицовка фасада деревянного дома фасадными термопанелями производится по слегка различной технологии. Главная особенность – это то, что под навешивание панелей необходима ровная поверхность.

На фото: Дом, облицованный фасадными термопанелями

Поэтому если дом сложен из бруса и сложен ровно, то обрешетку под панели можно не делать, а если дом сложен из бревна, или из бруса, но неровно, то придется сооружать обрешетку от цоколя до мансарды. Нужно также учитывать, что дерево со временем может дать усадку, поэтому лучше выждать определенное время для окончания этого процесса и лишь тогда навешивать термопанели. Если же ждать нет возможности, то можно соорудить специальный каркас для панелей, который позволит нивелировать усадку стен.

Не стоит забывать и про то, что материалы должны быть совместимы между собой – пока дерево сырое, оно может вступить в конфликт с термопанелями из-за разного индекса водопоглощения. Поэтому облицовка фасада деревянного дома фасадными термопанелями должна выполняться только по сухой древесине. Если же дом строится из сырого дерева, то нужно предусмотреть вентиляционную систему для фасада.

На фото: Дом, в процессе облицовки фасадными термопанелями

Если термопанели навешиваются не напрямую на фасад, а обрешетку, то между ними остается воздушная прослойка. Не стоит стремиться обязательно заполнить ее теплоизоляционными материалами, это может привести к тому, что на стенах будет концентрироваться избыточная влага. Поэтому, если требуется увеличить уровень теплоизоляции, лучше просто выбирать термопанели с толстым пенополиуретановым покрытием, оно надежно удержит тепло.

Монтаж фасадных термопанелей/видео:

Также точно, как и изоляционных материалов, следует избегать использования монтажной пены. Она может использоваться для соединения термопанелей между собой, но заполнять ей все пустоты между панелями и фасадом не рекомендуется.

И не стоит опасаться, что дом не выдержит такой нагрузки на стены. Ведь облицовка фасада деревянного дома фасадными термопанелями гораздо легче, чем кирпичная кладка вокруг фасада. Поэтому нагрузка на стены, цоколь и фундамент будет гораздо ниже, и если дом сложен правильно, то не стоит опасаться за его состояние. Кроме того, не забывайте, что термопанели могут быть весьма эффективны при восстановлении стен.

Возможно, вам будет интересно также:

металлические и ламинированные для наружной отделки фасада дома

Виды фасадных панелей

Панели для отделки фасада дома разделяются по типам материала, из которых изготовлены:

• металл,
• фиброцемент,
• древесный полимер,
• винил,
• композитная сэндвич-панель.

Каждый тип панелей обладает набором характеристик, имеет свои преимущества и недостатки, чтобы разобраться в видах панелей подробно и сделать правильный выбор, нужно рассмотреть каждый из типов по отдельности.

Металлические панели для облицовки

Облицовочные панели бывают нескольких типов – не только в стиле классической вагонки, но и в более сложном исполнении «под дерево». Если помимо фасадных панелей в отделке использовать другие элементы декора, которые будут сочетаться с панелями, то выглядеть это будет гармонично. Панелям из металла не страшен ни огонь, ни другие повреждения механического характера.

Металлические панели под дерево отличаются  прочностью, долговечностью. Этот вид отделочных материалов прост в установке за счет небольшой тяжести самого материала. Легкий вес материала разрешает снизить нагрузку на стены, имеющие несущий характер. Такие панели стоят недешево. Производство выполняется на основе:

• алюминия;
• тонкой нержавеющей стали (толщина не превышает полмиллиметра).

Недостатком такого материала является чрезмерная теплопроводность, в жару такие панели сильно нагреваются, что сказывается на стенах и фундаменте здания. Чтобы избежать термического воздействия на стены и фундамент можно при обшивке дома использовать теплоизоляционные материалы, к примеру, минеральную вату.

Фиброцемент

Облицовка строения из фиброцемента появилась недавно, но быстро получила высокую оценку потребителей. Панель состоит из цемента, добавок (минеральных) и целлюлозы. Эта смесь спрессовывается, а позже подвергается термальной обработке. Панели выглядят очень реалистично, сложно отличить от настоящего дерева. Секрет состоит в том, что в процессе изготовления в материал добавляют натуральные древесные компоненты.

Толщина облицовочной панели из фиброцемента — около восьми миллиметров. Сама панель легкая, прочная. Фиброцемент:

• не боится
  жары, заморозки,
• не теряет
  первоначального внешнего вида,
• не боится
  никаких погодных явлений.
• пожаробезопасный.

Фиброцемент продается не только в виде панелей. Облицовка имеет форму полос, мозаики. Их преимуществом является, что при выборе панелей из фиброцемента перед покупателем открывается огромный спектр различных цветов и оттенков, соответственно, клиент найдет всегда то, что ему необходимо. Панели могут имитировать текстуру таких растений как дуб, кедр, кипарис и так далее.

Виниловый

сайдинг

Самый простой материал в обращении из представленных выше. Не боится большинства механических повреждений или каких-либо погодных явлений. При этом является экологически чистым, долго держит первоначальный внешний вид.

Панели устанавливаются, так называемыми плитами, которые очень хорошо имитируют древесную текстуру, изготавливается такой материал из ПВХ (поливинилхлорида). В силу того, что при изготовлении материала используются специальные пигментные добавки, такие панели очень долго сохраняют первозданный внешний вид.

Материал в эксплуатации ведет себя лучше настоящего дерева. Виниловый сайдинг:

• не разлагается,
   
• гидроустойчив,
• не заводятся
  вредители, грибок, плеснь.

Популярный сайдинг, цена напрямую зависит от материала, из которого изготовлены плиты. Купить виниловую облицовку можно различной текстуры, цвета.

Древесно-стружечные панели

Панели изготавливают на основе натурального дерева. Технология производства панелей довольно проста: отходы натуральной древесины прессуются, обмачиваются в специальной смоле. Смола может быть синтетической или натуральной.

Отделочный материал напоминает ДСП, но по своему качеству он сильно обходит внешне похожего конкурента. Он не так сильно подвержен механическим воздействиям, что делает его более практичным.

Если в отделке фасада применять именно такие панели, то в результат будет красив, так как данный материал очень сильно напоминает реальную текстуру древесины.

Панели из древесно-полимерного композита (ДПК)

Отличаются высокой ценой и презентабельным внешним видом. Композитные панели под дерево не подвергаются внешним воздействиям, потому что материал покрыт специальным полимерным защищающим слоем. Фасад, обшитый панелями ДПК, выглядит шикарно и дорого, ведь на внешний слой панелей наносятся ценную, редкую древесину.

Рынок отделочных материалов разнообразен, что дает потребителю полную свободу в выборе облицовочных материалов. При выборе облицовки стоит учитывать ее цену, качество и климат, в котором будет использоваться выбранный материал.

Виды фасадных панелей по материалу изготовления

Для фасада можно выбрать разные панели, которые по внешнему виду имитируют натуральную древесину. Они могут отличаться стоимостью, материалом изготовления и размерами.

Каждый
вариант имеет как преимущества, так и недостатки, поэтому перед
непосредственной покупкой следует оценить характеристики всех панелей, предлагающихся
на рынке.

Пластиковые

Они
могут быть виниловыми или акриловыми. К их положительным параметрам относится:

• влагостойкость;
• устойчивость перед воздействиями
  атмосферы;
• возможность эксплуатации при низких
  температурах;
• привлекательный внешний вид;
• низкий вес, благодаря которому монтаж
  может выполняться даже на фасаде дома, построенном на легком фундаменте;
• доступная цена.

Хотя пластиковые панели могут использоваться для внешней отделки, но они являются хрупкими, поэтому при сильном механическом воздействии легко трескаются. Материал становится чрезвычайно хрупким при низкой температуре, поэтому зимой нужно быть очень аккуратным, чтобы не нанести непоправимый вред отделке.

Металлические

Сайдинг
из металла считается популярным материалом. Он может имитировать натуральную древесину
или блок-хаус. К параметрам таких панелей относится:

• выпускаются изделия с помощью
  формовочного метода с применением тонких листов из алюминия или нержавеющей
  стали;
• все панели оснащаются специальными
  замками и защелками, а также переформированными кромками, что позволяет легко и
  без проблем формировать надежные соединения;
• имитация древесины получается с помощью
  нанесения полимерного покрытия, обладающего нужной фактурой и цветом;
• если грамотно выполнить монтаж, то
  получаемое покрытие справляется с сильным ветром или высокой температурой, при воздействии
  которой не меняет внешний вид;
• материал прочен и стоек перед
  воздействием огня;
• срок эксплуатации полученного покрытия
  достигает 45 лет;
• панели удобны в установке и уходе;
• имеют не слишком большой вес, поэтому применяются
  даже для домов, возведенных на ленточном фундаменте;
• покрытие стойкой к механическим
  воздействиям.

К
недостаткам данного материала относится высокая теплопроводность, поэтому для
получения не только красивой, но и практичной отделки, рекомендуется между
панелями и стенами дома укладывать качественный теплоизоляционный материал. Другим
минусом считается высокая цена, поэтому позволить себе такую отделку могут
только состоятельные владельцы домов.

Фиброцементные

Они применяются для отделки стен, сделанных из разных материалов. Панели из фиброцемента появились на рынке относительно недавно, но быстро стали популярными. Это обусловлено следующими параметрами:

• в основе материала лежит смесь из цемента,
  целлюлозы и минеральных наполнителей;
• полученный раствор прессуется в
  специальных формах, после чего проходит через процесс автоклавирования, поэтому
  становится твердым и стойким перед всевозможными воздействиями;

Фасадные HPL панели Gentas под дерево

HPL панели для фасадов (high pressure laminates – ламинат высокого давления) используются, для отделки вентилируемых фасадов в экстерьере и могут быть применены для различных объектов: для индивидуальных и многоэтажных домов, для коммерческих и административных объектов, для балконов, для террас или других поверхностей на улице.

Панели вентилируемых фасадов выделяются:

• долговечностью и устойчивы всем возможным влияниям окружающей среды: свету, жаре, дождю или пожару,
• панели устойчивы к краске граффити,
• обладают повышенной звукоустойчивостью.

По мимо всего этого, вентилируемые фасады помогают постройкам летом оставаться прохладними, а зимой более тёплыми. Панели защищают от прямых солнечных лучей, а воздушный зазор, находящийся между HPL панелями и изоляционным слоем заверяют натуральную вентиляцию фасада. Между тем, зимой утеплительный материал весь год остаётся сухим и сохраняет неизменными свойства сохранности тепла.

Предлагаем особо широкий выбор цветов и поверхностей от одноцветного тона до имитации дерева или даже Вами выбранной фотографии. Различные технологии обработки могут оправдать видение самого интригующего архитектора или дизайнера.

Широкий выбор форматов разрешит максимально оптимизировать количество отрезков:

• 1220 x 2440 mm
• 1300 x 2800 mm
• 1300 x 3050 mm
• 1400 x 3600 mm
• 1400 x 3660 mm
• 1540 x 3050 mm
• 1540 x 3660 mm
• 1600 x 3200 mm
• 1600 x 4200 mm
• 1860 x 4200 mm

Ширина:

HPL фасад это широкие возможности дизайна, модерн, долговечная и надёжная инвестиция.

Вид облицовки	HPL панели
Производитель	Gentas
Страна	Турция
Материал	Ламинат высокого давления
Фактура	Под дерево

4255 Dark sevilla olive

4395 Real teak

4428 Smoked pine

4514 Bambu

4522 White pine

4525 Indian shesman

4540

4574 Grey indian shesham

4604 Redden wood

4609 Light lennox oak

4613 Sherwood

4625 America chestnut new

4649 Vanilla raspbery

24657

24661

24662

границ | Проектирование массивных деревянных панелей в качестве теплообменников (динамическая изоляция)

1. Введение

На строительство зданий приходится 28% выбросов парниковых газов (ПГ), в то время как 11% выбросов связаны со строительной деятельностью, в основном с производством строительных материалов, таких как цемент и сталь (Международное энергетическое агентство и Программа ООН по окружающей среде, 2018 г. ). В ближайшие десятилетия рост и урбанизация мирового населения создаст огромный спрос на новые здания и инфраструктуру.Таким образом, «воплощенные» выбросы в строительном секторе должны резко возрасти, так же как и глобальные выбросы должны резко сократиться (Röck et al., 2020). Возможно ли превратить эту потенциальную угрозу для глобальной климатической системы в мощное средство смягчения последствий изменения климата?

1.1. Утилизация углерода

Возрастает вероятность того, что для достижения климатических целей потребуются методы удаления углерода, также известные как «отрицательные выбросы». Ученые и практики начали анализировать потенциал новых зданий как глобального поглотителя углерода (Чуркина и др., 2020; Ходжа и др., 2020; Помпони и др., 2020). Существует ряд материалов, в которых можно хранить C или CO ₂ , включая древесину, бетон, бамбук, коноплю и солому. Бетон традиционно является источником выбросов CO ₂ из-за интенсивного производственного процесса, но может реабсорбировать значительное количество углерода в течение длительного срока службы (Cao et al., 2020). Последние достижения в области производства – адаптация процесса отверждения для поглощения большего количества углерода или минерализация CO ₂ , образующегося в дымоходе для использования в качестве заполнителя, – открывают возможности для использования углерода в бетонной промышленности помимо газирования в течение всего срока службы (Monkman and MacDonald, 2017; Habert et al., 2020). Между тем, биогенные материалы, такие как древесина и бамбук, растут путем фотосинтеза, улавливая углерод в своей биомассе. Собранные продукты биомассы могут обеспечивать отрицательные выбросы в течение жизненного цикла, если леса или посевы хорошо управляются и продукты являются достаточно долгоживущими по сравнению с их циклом роста биомассы (Guest et al., 2013; Levasseur et al., 2013). Композиты, такие как растительный бетон – бетоны, в которых в качестве связующих используются такие быстрорастущие культуры, как конопля или солома, – потенциально могут использовать влияние накопления как биогенного поглощения углерода, так и карбонизации (Pittau et al., 2018). Согласно недавнему анализу, древесина и бетон могут хранить ~ 0,5 Гт CO ₂ в год при условии надлежащей координации их производственных циклов (Hepburn et al., 2019). Эти потенциальные количества ставят новые здания в один ряд с другими лидерами в использовании атмосферного углерода в техносфере.

Если здания могут работать вместе с лесами в качестве глобального поглотителя углерода, то интеграция проектирования может многократно увеличить потенциал сокращения выбросов. Например, если массивные деревянные конструкции могут активно создавать внутренний климат, используя только низкопотенциальное тепло, потребность в дополнительных материалах и механических системах будет меньше.Показатель умножения сокращений выбросов ПГ за счет функционального замещения известен как «фактор замещения» (Smyth et al., 2018; Seppälä et al., 2019; Hurmekoski et al., 2020). Однако для полного раскрытия потенциала использования CO ₂ углеродосодержащие материалы должны делать больше, чем заменять обычные материалы по частям. Материалы должны выполнять как можно больше функций, чтобы они могли заменить целые системы с интенсивным выбросом вредных веществ.

1.2. Радикальная интеграция

Какие достижения в области материаловедения могут обеспечить такую ​​радикальную интеграцию? «Разработанные пористые среды» – это материалы, имеющие внутреннюю и внешнюю форму для обмена теплом и массой (Bejan et al., 2004). Подобно «Архитектурным материалам» (Estrin et al., 2019) и «Формоактивным структурам» (Wu et al., 2020), инновационный аспект заключается в том, как морфология материала управляет потоком энергии. Применение этих новых методов может стать ключом к совершенствованию строительных материалов, хранящих углерод.Не только для улучшения их структурных характеристик, но и для интеграции функций охлаждения и вентиляции, поэтому дополнительные материалы и механические системы не требуются.

Одним из примеров является проектирование массивных деревянных панелей в качестве теплообменников или «дышащих стен». Принцип состоит в том, чтобы ввести воздушные каналы в твердое тело и оптимизировать их размер и расстояние, чтобы исходящая проводимость нагревала входящий воздух. Этот метод может сделать изоляцию и облицовочные материалы ненужными, помогая упростить системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.Рисунок 1 объясняет концепцию теплообмена и принцип оптимизации геометрии. В недавнем исследовании использовались физические эксперименты для проверки корреляции для оптимизации теплообменных материалов (Craig and Grinham, 2017). Расчетная корреляция была первоначально разработана другими исследователями (Kim et al., 2007) для экстремальных температурных условий, но результаты исследования 2017 года показывают, что она работает и для строительных материалов в умеренных условиях. Этот документ является продолжением их работы. В нем рассматривается, как применить соотношение и принципы проектирования к массовым деревянным панелям.«Массовая древесина» относится к изделиям из инженерной древесины, ламинированным из более мелких плит в структурные компоненты, такие как клееные балки (клееный брус) или панели из поперечно-клееной древесины (CLT).

Рисунок 1 . Как оптимизировать размер и расстояние между каналами, чтобы спроектировать массивную деревянную панель в качестве теплообменника. Расчетные корреляции (уравнения 1–14) были первоначально разработаны для аэрокосмических приложений (Kim et al., 2007), но было показано, что они работают для строительных материалов (Craig and Grinham, 2017).Это исследование применяет их к массивной древесине.

1,3. Динамическая изоляция

Использование конструкционного материала в качестве теплообменника делает его разновидностью технологии динамической изоляции (DI). DI начинался как новая стратегия вентиляции сельскохозяйственных зданий в холодном климате. Инженеры описали, как всасывать свежий воздух через слой волокнистой изоляции, уменьшая потери проводимости и одновременно нагревая воздух (Bartussek, 1981). В начале девяностых исследователи установили DI в жилом доме в Японии и сообщили о сокращении потерь тепловой оболочки на 50% (Dalehaug et al., 1993). Вскоре последовали два значительных прогресса в теории DI. Была разработана простая аналитическая модель для описания устойчивого теплообмена в DI, когда известны температура внутренней поверхности или скорость поверхностной конвекции (Taylor et al., 1996, 1998; Taylor and Imbabi, 1997, 1999, 2000). Подробная аналитическая модель была также разработана, чтобы учесть эффекты аккумулирования тепла и показать влияние периодических изменений во внешней среде (Krarti, 1994).

В последние годы возобновился интерес к теории, измерениям и проектированию систем DI.Группа из Миланского политехнического университета описала микроскопические эффекты теплообмена в волокнистой изоляции и разработала прибор для тестирования панелей DI (Alongi and Mazzarella, 2015a, b). Они использовали устройство для проверки поведения теплообмена в установившихся и периодических условиях по сравнению с простыми и подробными аналитическими моделями (Alongi et al., 2017a, b, 2020). Группа из Университета Хуачжун разработала конечно-разностную модель и аппарат для тестирования DI (Wang et al., 2018; Zhang et al., 2019а, б). Их работа показывает, как уменьшить рост оболочки летом, вытесняя отработанный воздух через изоляцию. Многие сотрудники разработали стратегии управления DI и определили потенциальную экономию энергии для «переключаемых» значений U в различных контекстах (Park et al., 2015; Menyhart and Krarti, 2017; Shekar and Krarti, 2017; Rupp and Krarti, 2019). ; Даббаг и Крарти, 2020; Дехва и Крарти, 2020). Вместо использования пористого материала в качестве теплообменника они разработали перегородки, которые можно открывать или закрывать, чтобы контролировать конвекцию внутри герметичной панели.

1,4. Почему Вуд?

Было показано, как ввести воздушные каналы в стандартные строительные материалы и оптимизировать их для теплообмена (Craig and Grinham, 2017). Эта новая возможность предлагает другой способ строительства, более подходящий для задач удаления углерода. Вместо того, чтобы строить конструкцию и облицовывать ее слоями специальных материалов, можно объединить все основные функции в одном материале. Но какой материал? Как уже говорилось, такие материалы, как древесина, бетон, бамбук, солома и конопля, могут накапливать углерод в глобальном масштабе (Hepburn et al., 2019; Чуркина и др., 2020). Древесина и бетон – единственные, которые сегодня широко используются в строительной отрасли, но в каждом случае необходимо преодолеть серьезные проблемы. Например, биогенные материалы должны быть достаточно долгоживущими по сравнению с ростом их биомассы, чтобы увеличивать накопление углерода в строительном секторе, не нанося вреда лесам или запасам углерода насаждениям (Guest et al., 2013; Pingoud et al., 2018). Лесам требуются десятилетия, чтобы отрасти, в то время как для таких культур, как бамбук, конопля и солома, период ротации может составлять всего 1 год.Однако эти быстрорастущие материалы требуют более интенсивного производства и дополнительных материалов, чтобы превратить их в монолитный материал, пригодный для предлагаемого метода теплообмена. Между тем, бетон требует значительных изменений в процессах отверждения и производства, чтобы сократить выбросы от колыбели до ворот, но сохраняет карбонаты в течение десятилетий или столетий, в то время как биогенные материалы, такие как древесина, подвержены риску высвобождения в поздний срок.

Несмотря на препятствия, цепочки поставок и жизненные циклы продуктов для всех инженерных материалов нуждаются в коренном пересмотре, и в обеих областях необходимо провести важные исследования.Промышленности, вероятно, потребуются технологии как биогенного хранения углерода, так и технологии декарбонизации в бетонной промышленности, чтобы иметь шанс обратить вспять тенденцию к увеличению выбросов в ближайшие десятилетия. Основное внимание в этом исследовании уделяется древесине, поскольку она уже широко используется, а ее тепловые свойства делают ее идеально подходящей для предлагаемого метода теплообмена. На рисунке 2 сравнивается устойчивый теплообмен двух панелей, одной деревянной и одной бетонной. Оба они оптимальны, рассчитаны на одинаковую относительную скорость теплообмена.Однако бетонная панель нецелесообразна, потому что абсолютные требования к нагреву и тепловые потери слишком высоки. Причина в теплопроводности бетона, которая в 10 раз выше, чем у дерева (см. Рисунок 6 в разделе 4). Низкая теплопроводность древесины делает ее уникальной по сравнению с другими конструкционными материалами. Он не только может накапливать углерод и поддерживать здание, но также может соответствовать строгим стандартам по потерям проводимости без чрезмерной вентиляции или перегрева.

Рисунок 2 .Принцип теплообмена, показанный на рисунке 1, изображен в виде санки: U ₀ представляет потери тепла по базовой линии, U ₁ общий теплообмен, U ₂ прирост тепла вентиляции и U ₃ кондуктивные потери тепла. Древесина имеет более низкую теплопроводность, чем бетон, поэтому можно уменьшить потери теплопроводности ( U ₃ ) без чрезмерной вентиляции ( U ₂ ) или перегрева ( U ₁ ), что делает ее более подходящей. к этому приложению.

1,5. Граничные условия

Один давний вопрос в исследованиях DI с пористыми материалами – какие граничные условия использовать при моделировании. Полевые эксперименты показали, что температура на внутренней поверхности ниже прогнозируемой, что отрицательно сказывается на тепловом комфорте и экономии энергии (Dalehaug et al., 1993).

Как ведет себя конвективная пограничная пленка на внутренней поверхности? Этот вопрос важен для исследования DI, потому что пористые материалы должны получать тепло из комнаты, прежде чем они смогут обменять его с входящим воздухом.Используя визуализацию Шлирена, исследователи обнаружили, что пористые материалы теряют тепловой контакт с комнатным воздухом, когда входящий воздух поднимает граничную пленку с внутренней поверхности (Craig and Grinham, 2017). Они также обнаружили тонкие эффекты на внешней поверхности. Конвекционная теплопередача была увеличена в несколько раз, а тепло в граничной пленке засасывалось обратно в материал. Они пришли к выводу, что существует возможность рекуперации тепла на внешней поверхности, и что лучше всего нагревать внутреннюю поверхность путем прямого контакта.

Следуя этой рекомендации, тестовые панели в настоящем исследовании нагреваются непосредственно на внутренней поверхности. Не требуется много обогрева. Например, для примера деревянной панели на Рисунке 2 требуется только U1 = 2 (Вт / м2 · К), что находится в диапазоне стандартных полов с подогревом. В настоящем исследовании использовался электрический резистивный нагрев, поскольку это было практично с учетом имеющихся ресурсов. Специальная гидравлическая панель была изготовлена ​​для нагрева испытательных панелей в исследовании Шлирена. Стандартные капиллярные трубки также подходят для прямого контактного нагрева.Для будущих применений предпочтительнее гидравлические контуры. Технологии обогрева или охлаждения, в которых используются большие теплообменные поверхности внутри помещений, называются излучающими системами или термоактивными поверхностями (TAS) (Moe, 2010; Rhee and Kim, 2015; Rhee et al., 2017). Большой TAS с водяным контуром, подключенным к тепловому насосу с низким подъемом, может использовать небольшие перепады температур от возобновляемых поглотителей и источников, таких как солнечная, геотермальная и инфракрасная область неба (Meggers et al., 2012 ; Лим, 2019).

1.6. Естественная вентиляция

Если гидронные поверхности идеально подходят для мономатериальных теплообменных оболочек, есть ли другие возможности для интеграции функций HVAC? Естественная вентиляция играет важную роль в минимизации инфраструктуры HVAC и ее выбросов в течение жизненного цикла (Kiamili et al., 2020). Значительные успехи были достигнуты в понимании жидкостной механики выталкивающей вентиляции, которая управляется теплом, а не ветром. Например, прорыв произошел в 2009 году, когда исследователи охарактеризовали автоматический механизм рекуперации тепла, известный как «естественное перемешивание» (Woods et al., 2009). Когда теплый воздух поднимается и выходит, свежий воздух заменяет его, попадая через то же отверстие. Выходящий воздух предварительно нагревает входящий воздух в состоянии динамического равновесия.

Некоторые исследователи изучили возможность сочетания DI с естественной вентиляцией (Etheridge and Zhang, 1998; Ascione et al., 2015; Park et al., 2016). Связь может быть усилена за счет использования мономатериалов, теплообменных оболочек (то есть «дышащих стен»). Используя эффект плавучести, все тепло- и воздухообмены можно контролировать с помощью встроенной гидравлической поверхности.На рисунке 3 показаны две возможности. С левой стороны плавучесть обеспечивает вентиляцию, но на выходе нет рекуперации тепла. Справа показана гипотеза о том, как восстановить вентиляцию на выходе с помощью двойной оболочки. В этой статье не рассматриваются естественные контуры рекуперации тепла. Тем не менее, он делает первый шаг, показывая, что возможно соединить дышащие стены с выталкивающей вентиляцией в идеальных условиях.

Рисунок 3 . Умозрительные схемы, подсказывающие, как соединить «дышащие стены» с вытяжной вентиляцией. (Слева) Плавучесть обеспечивает вентиляцию, но на выходе нет рекуперации тепла. (справа) Гипотеза о том, как восстановить вентиляцию на выходе с помощью двойной оболочки.

1,7. Outlook

В данной статье представлены результаты трех экспериментов, которые характеризуют поведение массивных деревянных панелей, оптимизированных в качестве теплообменников. Предоставляется приложение, чтобы читатели могли самостоятельно оценить возможные варианты дизайна (Craig and Fortin, 2020). В первом эксперименте измеряется устойчивое состояние панели, подвергшейся ступенчатому изменению нагрева.Во втором эксперименте измеряются изменения теплообмена из-за изменения температуры. Последний эксперимент показывает, что можно втягивать вентиляцию через панели, используя тепловую плавучесть вместо вентилятора, при сохранении ожидаемой скорости теплообмена.

2. Теория

2.1. Устойчивый теплообмен

Рисунок 1 иллюстрирует принцип оптимизации параллельных каналов в твердом материале для «встречного» теплообмена. Для этого сценария были разработаны две численные корреляции (Kim et al., 2007). Обе корреляции были экспериментально подтверждены (Craig and Grinham, 2017). Первая корреляция дает оптимальное расстояние между каналами:

HoptL = 3,22 Be − 1/3 Φ − 0,85 (kka) 0,17 (1)

, где H _opt – оптимизированное расстояние между каналами, L – толщина панели, k – теплопроводность материала панели и k _a – теплопроводность воздух. Число Беджана, Be , определяется как:

. Be = ΔP L2μα (2)

, где Δ P – расчетное давление, μ – динамическая вязкость воздуха, а α – коэффициент температуропроводности воздуха.Пустотная доля панели Φ определяется как:

Φ = π D24 h3 (3)

, где D – диаметр каналов. Геометрия показана на рисунке 4.

Рисунок 4 . Определение геометрии панели.

Вторая корреляция предсказывает общую (нормализованную) теплопередачу через оптимальную конструкцию:

NTU = 0,41Be1 / 3 Φ0,6 (kka) -0,65 (4)

Количество тепловых единиц, NTU , представляет собой отношение общего коэффициента теплопередачи во время теплообмена, U ₁ , к базовому условию при отсутствии теплообмена, U ₀ :

NTU = U1U0 = q1 ″ / (Ts-Te) k / L (5)

, где q1 ″ – тепловой поток на обогреваемой внутренней поверхности, T _s – температура нагретой внутренней поверхности, а T _e – температура наружного воздуха (который входит по каналам).Во время ощутимого устойчивого теплообмена поверхностный тепловой поток (q1 ″) частично передается входящему воздуху (q2 ″), а оставшаяся часть (q3 ″) теряется во внешнюю среду из-за теплопроводности:

q1 ″ = q2 ″ + q3 ″ (6)

Рисунок 2 иллюстрирует этот баланс теплообмена, который также может быть определен в терминах коэффициентов теплопередачи:

где:

U1 = q1 ″ (Ts-Te) = NTU U0 (8) U2 = q2 ″ (Ts-Te) = ε NTU U0 (9) U3 = q3 ″ (Ts-Te) = (1-ε) NTU U0 (10)

и ε – эффективность теплообмена:

Эти определения ε и NTU действительны до тех пор, пока поверхностный тепловой поток (q1 ″) или температура поверхности ( T _s ) постоянны и однородны.Интегрированная гидроника может точно аппроксимировать оба граничных условия (Craig and Grinham, 2017). В любом случае ε эквивалентно относительному увеличению температуры поступающего воздуха:

ε = Ти-ТэЦ-Те (12)

, где T _i – температура входящего воздуха в момент его выхода из каналов и попадания во внутреннее пространство. Обратите внимание, что при ε → 1, T _i → T _s .

Следуя соглашению в литературе по динамической изоляции, U ₃ в уравнении (10) может называться «динамическим значением U ». Однако важно подчеркнуть баланс, выраженный в уравнении (7) и проиллюстрированный на рисунке 2. То есть достижение низких значений для U ₃ не должно происходить за счет чрезмерной вентиляции ( U ₂ ) или перегрев ( U ₁ ). Расход воздуха на единицу площади панели определяется как:

. u = D2 Φ ΔP32 мкл (13)

и имеет единицы измерения м / с или м ³ / м ² / с .Наконец, есть важный предел размеров, на который следует обратить внимание:

.

Уравнения (1) и (4) недействительны, если этот предел превышен. Панель слишком тонкая относительно расстояния между каналами. Физически недостаточно места для того, чтобы тепло могло отклоняться к каналам, как показано в правой части рисунка 1 (тепло распространяется только на более низкие температуры, поэтому “ изгиб ” потока более чем на 90 ° будет противоречить второму закону термодинамика).

Приведенные выше уравнения описывают устойчивый теплообмен в оптимизированных панелях.Каковы последствия проектирования для массивной древесины? На рисунке 5 показан снимок экрана приложения, которое можно загрузить бесплатно и которое решает приведенные выше уравнения, чтобы помочь оценить варианты оптимизации массовых деревянных панелей в качестве теплообменников (Craig and Fortin, 2020). В приложении есть четыре управляющих параметра. Дизайнеры могут выбирать значения для каждого параметра из указанного диапазона (эти диапазоны легко настроить, изменив исходный код):

• Теплопроводность к ( Вт / м · к ) основного материала.Диапазон 0,1 < k <0,4 был выбран для охвата большинства пород древесины хвойных и лиственных пород, независимо от ориентации зерен (см. Рисунок 6).

• Коэффициент теплопроводности, то есть U3 (Вт / м2 · К), «динамическое значение U ». Этот широкий диапазон был выбран для того, чтобы исследователи могли оценивать различные конструкции, выбирая между стандартами U в разных странах или высокопроизводительными стандартами, такими как Passivhaus .

• Коэффициент нагрева поверхности U1 (Вт / м2 · K) (который можно регулировать с помощью встроенного водяного обогрева).Диапазон 1 < U ₁ <4 намеренно занижен, как и у стандартных полов с подогревом. (Напомним, что иметь низкие потери теплопроводности бессмысленно, если для достижения этой цели требуется слишком много тепла)

• Расчетное давление △ P ( Па ), которое прикладывается к панели посредством всасывания. Диапазон 2 <△ P <8 был выбран потому, что эти давления можно поддерживать механически с помощью вентилятора или естественным образом с использованием тепловой плавучести (эффект суммирования).

Рисунок 5 . Скриншот приложения, написанного для партнера по этой статье, которое можно бесплатно загрузить здесь (Craig and Fortin, 2020). Он решает уравнения (1) – (14), показывающие, как оптимизировать массовые деревянные панели в качестве теплообменников.

Рисунок 6 . Измерения тепловых свойств сосны южной желтой: проводимость ( k) , коэффициент диффузии (α) и объемная теплоемкость (ρ c ). Измерения проводились на радиальных и поперечных образцах.Данные нанесены на график вместе с другими древесными материалами и строительными материалами для справки. Образцы сосны были испытаны в комнатных условиях (T = 23 C и относительная влажность 49%).

В таблице 1 сравниваются три возможных проекта теплообменных массивных деревянных панелей, рассчитанных с помощью приложения. Во всех трех гипотетических случаях достигается одно и то же низкое «динамическое значение U », U3 = 0,2 Вт / м2 · К, что находится в диапазоне значений U , предусмотренных строгими стандартами энергоэффективности. Различия между вариантами дизайна связаны с панельным отоплением, которое изменяется с небольшими приращениями (U1 = 2,3,4 Вт / м2 · K).Панели становятся тоньше по мере увеличения нагрева поверхности ( L ≈ 23, 18, 15 см ). Обратите внимание, что эта толщина находится в диапазоне стандартных толщин для панелей CLT. Другое изменение касается расхода воздуха на единицу площади панели, который увеличивается ( u ≈ 10, 14, 16 л / с / м ² ) по мере того, как панели становятся тоньше. Эти показатели означают, что примерно один квадратный метр панели удовлетворяет потребности одного человека в вентиляции. Для контекста международные стандарты рекомендуют скорость вентиляции ~ 10 л / с на человека в офисной среде, хотя неблагоприятные последствия для здоровья или производительности были задокументированы, когда скорость вентиляции достигает 25 л / с на человека (Carrer et al., 2015).

Таблица 1 . Три примерных варианта деревянных теплообменных панелей, каждый из которых оптимизирован для U3 = 0,2 Вт / м2 · K.

Прилагаемое приложение показывает, что относительно высокая скорость вентиляции (5 < u <20 л / с / м ² ) необходима для обеспечения эффективности теплообмена (ε> 0,6), что приводит к низкому тепловыделению. -коэффициенты потерь (0,1

Поскольку для панелей требуется относительно высокая интенсивность вентиляции, они лучше всего подходят для относительно больших зданий с высокой посещаемостью. Рассмотрим кубическое здание квадратной длины x = 12 м . Он террасированный, поэтому видны только два фасада. Скорость вентиляции на единицу площади панели составляет u = 0,01 м ³ / с / м ² (т.е.е., 10 л / с / м ² ). Количество воздухообменов в час составляет N = 3, 600 · u · 2 x ² / x ³ = 7200 u / x . Если панели занимают 100% площади фасада, N = 6. Если панели занимают 50% площади фасада, N = 3 и так далее.

2.2. Переходный теплообмен

Работа деревянных панелей при устойчивом теплообмене является многообещающей, но сколько времени требуется для достижения устойчивого состояния и как суточные колебания внешней температуры влияют на теплообмен?

Модель 1994 года, описывающая переходное поведение динамической изоляции, недавно была проверена в контролируемых периодических условиях (Krarti, 1994; Alongi et al., 2020). Однако эта модель предназначена для теплообмена в одном пространственном измерении. Он подходит для волокнистых изоляционных материалов или изоляционных материалов с открытыми порами в противофлюсе, но не применяется к материалам, где поток проводимости изменяется в двух или трех пространственных измерениях, как показано на Рисунке 1. Основа принципа «дышащей стены», показанного на На рисунке 1 показано исследование, показывающее, как оптимизировать параллельные каналы для устойчивого теплообмена в экстремальных тепловых условиях (Kim et al., 2007). Эти исследователи расширили свою работу, оптимизировав древовидные каналы в установившемся состоянии, а затем охарактеризовав переходную реакцию на внезапное нагревание (Kim et al., 2008, 2009). Однако их переходный анализ применим только к древовидным каналам.

2.2.1. Время перехода в устойчивое состояние

Похоже, что в литературе нет модели для описания переходного встречного теплообмена в панели с параллельными каналами. Вместо этого тепловой отклик можно аппроксимировать как функцию числа Фурье:

Fo = α tLc2 (15)

, где α – коэффициент температуропроводности материала, t – время в секундах, а L _c – характерная длина, определяемая как отношение объема твердого тела к открытой площади поверхности, которая для геометрия, определенная на рисунке 4, составляет:

Lc = (h3-π D24) L 2 (h3-π D24) + π D L (16)

Число Фурье – это мера времени без единиц измерения.Это соотношение, где 1 означает, что тепло проникло на всю глубину объекта. Тепловая реакция «дышащей стены» на скачкообразное изменение температуры поверхности или теплового потока поверхности теперь может быть охарактеризована как:

NTU (t) = (a1 NTU + a2Fo) LLc (17)

, где NTU – расчетное значение в установившемся режиме, определенное уравнением (4), а a ₁ и a ₂ – эмпирические коэффициенты. Напомним, что трехмерная эволюция теплового потока через материал неизвестна.Следовательно, оба коэффициента действуют как поправочные коэффициенты для эффектов формы. На графике NTU ( t ) по сравнению с Fo , a ₁ контролирует положение кривой (и, следовательно, величину теплопередачи), тогда как a ₂ контролирует кривизну. Стандартные аналитические растворы служат полезным ориентиром для калибровки (Bart and Hanjalić, 2003; Incropera et al., 2007). Плоская стена – это сплошная стена, подверженная нагреву с обеих поверхностей.При панельном отоплении с постоянным тепловым потоком:

А при панельном отоплении с постоянной температурой:

, где a ₁ = 0 для обоих условий. Таким образом, мы предполагаем, что при ступенчатом изменении нагрева поверхности общий теплоперенос через «дышащую стену» будет развиваться аналогично плоской стенке той же характерной длины с небольшими различиями из-за формы. эффекты.

2.2.2. Периодический теплообмен

Что делать, если внешняя температура периодически меняется в течение суточного цикла? Когда применяется постоянная температура поверхности или поверхностный тепловой поток, и по прошествии достаточного времени для достижения стационарного состояния квази общий (нормализованный) теплообмен должен периодически колебаться вокруг среднего стационарного значения.Поведение должно приближаться к полубесконечному твердому телу, но, опять же, с различиями из-за эффектов формы (Bart and Hanjalić, 2003; Incropera et al., 2007):

NTU (t) = NTU + a1 Lcω / α sin (ωt + π / 4) (20)

, где ω – угловая частота (2π / 86400). Здесь коэффициент a ₁ калибруется для величины колебаний. Мы предполагаем, что значение для a ₁ будет одинаковым в обоих уравнениях (17) и (20).

2.3. Теплообменник с вытяжной вентиляцией

Рассмотрим здание в левой части рисунка 3, работающее в устойчивом состоянии и без людей.Только встроенный TAS (термоактивная поверхность) обогревает комнату. Других явных тепловыделений или скрытых эффектов теплопередачи нет. Часть тепла от TAS передается в комнату, а остальное теряется в окружающую среду за счет теплопроводности:

, где q ₀ – общий нагрев от (с обеих сторон) TAS, q _hx – общий теплообмен в комнату, а q _cl – полная потеря проводимости через оболочку.Теплообмен от ТАС к помещению ( q _hx ) происходит двумя способами. Во-первых, за счет передачи поступающему воздуху через теплообменную панель. Во-вторых, при прямом контакте с комнатным воздухом через открытую поверхность:

qhx = q1 ″ A1 ε + h A1 (Ts-Tii) (22)

Новые термины: A ₁ , h и T _ii – это общая площадь интегрированного TAS, средний коэффициент теплопередачи между нагретой поверхностью и воздухом в помещении, а также температура внутреннего воздуха соответственно.Для простоты предположим, что теплообмен внутри комнаты незначителен, а внутренний воздух хорошо перемешан.

Потери проводимости ( q _cl ) также происходят двумя способами. Во-первых, через заднюю часть теплообменных панелей, а во-вторых, через части ограждающей конструкции здания, не участвующие в теплообмене:

qcl = q1 ″ A1 (1-ε) + UA (Tii-Te) (23)

Термин UA – это общая проводимость ( Вт / K ) ограждающей конструкции здания, которая не участвует в теплообмене.Тепло, содержащееся в вентиляционном потоке, теперь можно определить как:

Q ρcp (Tii-Te) = q0 – qcl (24)

, где ρ c _p – объемная теплоемкость воздуха, а Q – интенсивность вентиляции за счет разницы температур внутри / снаружи:

Q = A * (г ZTii-TeTe) 12 (25)

, где g, – сила тяжести Земли, Z – это изменение высоты между входом и выходом потока (например, от середины теплообменной панели до верха дымохода) и A ^* – общая эффективная вентиляционная площадь (Acred, 2014)

А * = (12c12A12 + 12c22A22) -12 (26)

, который возникает из определения объемной скорости:

, где A ₁ и A ₂ – это физические площади входа и выхода, а c ₁ и c ₂ – соответствующие коэффициенты расхода соответственно.Для теплообменных панелей общая площадь поверхности составляет A ₁ , а коэффициент расхода равен:

. c1 = (△ Pρu2 / 2) -12 (28)

Переставив уравнение (13), перепад давления в теплообменнике можно определить как:

△ P = 32 мкл uD2 Φ (29)

Для простоты предположим, что перепад давления по высоте панели одинаков. На рисунке 3 показано более реалистичное изменение давления из-за плавучести. Подстановка уравнения (29) в уравнение (28) дает:

c1 = (64 L μD2 u ρ Φ) -12 (30)

Наконец, коэффициент расхода для выпускного отверстия, если предположить, что он имеет острую кромку, можно приблизительно оценить как (Acred, 2014)

Следующие уравнения описывают существенные особенности тепловой связи между «дышащими стенками» и вытяжной вентиляцией.Забегая вперед, в разделе 4.3 представлены результаты экспериментального устройства, предназначенного для демонстрации этой связи в действии. Теплообменная панель устанавливается горизонтально на уровне пола, поэтому давление по поверхности панели равномерное, а внутренний воздух хорошо перемешивается. Следует подчеркнуть, что это идеализированные обстоятельства. Возможна горизонтальная установка, но в будущем более вероятны вертикальные или наклонные оболочки. Если панель расположена вертикально, давление на ней будет изменяться с высотой, равно как и скорость и теплообмен.Внутренний воздух может расслаиваться ниже верхней части панели, в зависимости от высоты дымохода относительно верхней части панели. В этом случае будет отток через верхние каналы. Все эти эффекты были специально разработаны на основе эксперимента, описанного в 4.3, чтобы проверить основные элементы тепловой связи.

Аппарат высотой с комнату (для создания разумного давления в дымовой трубе) по пропорциям напоминает тонкий дымоход. Следовательно, вместо сжатия потока на выходе необходимо вычислить потери на трение на боковых стенках.После преобразования коэффициентов трения в коэффициенты расхода (Jones et al., 2016), если поток ламинарный, то:

, а если поток турбулентный, то:

c2 = 10,079 Re − 0,25 (33)

, где число Рейнольдса потока:

3. Материалы и методы

Эксперименты были спроектированы и выполнены для проверки эффективности теплообмена в установившихся и переходных условиях, а также когда вентиляция приводится в действие плавучестью, а не вентилятором. Первый эксперимент измеряет теплообмен в установившемся режиме и время достижения установившегося состояния, когда панели подвергаются ступенчатому изменению нагрева.Второй эксперимент измеряет, как теплообмен периодически изменяется при ежедневных изменениях внешней температуры. В последнем эксперименте измеряется внутренняя температура и скорость потока внутри прокси-здания, когда вентиляция через испытательную панель приводится в действие тепловой плавучестью, а не вентилятором.

3.1. Тестовые панели

Были изготовлены две испытательные панели: одна из цельной древесины, другая из акрила. Для деревянного панно была выбрана южная желтая сосна. Акрил был выбран в качестве контроля, потому что он имеет такие же тепловые свойства, что и древесина, за исключением того, что тепловые свойства изотропны, а не анизотропны, и он не впитывает влагу.Панели имели размеры 12 дюймов × 16 дюймов (30,48 × 40,64 см) с площадью теплообмена 12 дюймов × 12 дюймов (30,48 × 30,48 см) и толщиной 2 дюйма (5,08 см). Обе панели были оптимизированы для расчетного давления 3 Па. В таблице 2 приведены свойства каждой панели, и они показаны рядом на рисунке 7.

Таблица 2 . Параметры конструкции тестовой панели.

Рисунок 7 . Экспериментальная установка для вентиляции с вентилятором. Этот прибор использовался для первого и второго экспериментов (см. Раздел 3.2), измерение (1) стационарного поведения панели, подвергшейся ступенчатому изменению нагрева и (2) периодических изменений теплообмена из-за изменения внешней температуры.

3.1.1. Тепловые свойства

Свойства материала, необходимые для прогнозирования устойчивой и переходной проводимости, включают теплопроводность к ( Вт / м K ), температуропроводность α ( м ² / с ) и объемную теплоемкость ρ . c ( Дж / м ³ · К ).Для древесины эти свойства зависят от породы, направления и места измерения, а также от условий окружающей среды. Для измерения тепловых свойств южной желтой сосны использовали измерительное устройство (анализатор теплопроводности C-Therm) и метод источника переходной плоскости (ASTM D7984). Образцы были приготовлены из той же партии, что и испытательная панель, и разрезаны в радиальном и поперечном направлениях к волокнам. Было приготовлено по пять образцов каждого направления зерен, каждый испытан по десять раз.Результаты показаны на Рисунке 6 в сравнении с другими древесными породами и строительными материалами.

3.1.2. Датчики

Датчики

FluxTeq Ultra 09 (85 × 95 мм) использовались для измерения теплового потока и температуры на обеих поверхностях тестовых панелей. «Внутренний» датчик теплового потока был помещен в выемку с выемкой так, чтобы TAS (см. Раздел 3.1.3) прилегал к поверхности заподлицо. Размер датчиков теплового потока определял расстояние между каналами в панелях. Температуру воздуха измеряли с помощью термопар Omega Type T.Температура T _e была измерена путем размещения наконечников двух термопар над центром двух каналов с последующим усреднением. Это измерение было близко сравнимо с измерением температуры вне испытательной камеры. Измерения регистрировались с использованием регистратора данных GL240. Небольшой канал сделал невозможным измерение T _и с помощью термопар. При размещении над каналом TAS воздействовал на термопару, и вставка термопары в канал блокировала поток.

3.1.3. Термоактивная поверхность

Поверхностный нагреватель, называемый здесь термически активной поверхностью (TAS), был изготовлен с использованием нагревательных проводов электрического сопротивления. Матрица из 26 Ga нихрома 60 была установлена ​​на алюминиевом листе толщиной 0,063 дюйма, в котором просверлены отверстия, соответствующие каналам в испытательной панели. Проволочная решетка была намотана вокруг секций из ПТФЭ стержня 1/2 дюйма высотой 1/4 дюйма. Стержни были приклеены к алюминиевой пластине с шагом 1 дюйм для создания расстояния между проволоками 1/2 дюйма. Проволока была электрически изолирована от алюминия листом полиэфирной пленки с клейкой основой.Покрытая алюминием полиэфирная пленка была закреплена на проволочной сетке с помощью аэрозольного клея. TAS был разделен на две параллельные цепи и был подключен к регулируемому источнику питания Extech 600 Вт.

3.2. Аппарат с вентилятором

Это устройство позволяло всасывать воздух через испытательную панель при постоянном давлении. Испытательная камера была сделана из деревянных рам, собранных с натянутым на них тонким прозрачным пластиковым листом (см. Рис. 7). Использовались тонкие листы, поэтому камера была герметичной, но не накапливала тепло.Стыки камеры были заделаны герметиком и слоем ленты. К одному концу коробки прикрепляли деревянную раму с непрерывным уплотнительным кольцом, которое прижималось к краю испытательной панели. Стержни с резьбой, по одному в каждом углу, проходили через панель. Для крепления панели к раме и сжатия прокладки использовались резиновые шайбы и гайки. На другом конце коробки был установлен кусок жесткой изоляционной панели размером 2 дюйма с отверстием для установки откалиброванного вентилятора серии RetroTec 5000. Вентилятор снижает давление внутри коробки, имитируя интерьер здания.Перепад давления контролировали и отслеживали с помощью расходомера RetroTec DM32 и набора трубок Пито. TAS наносили на поверхность панели, обращенную внутрь камеры, и управляли регулируемым источником питания Extech 600 Вт.

3.2.1. Устойчивый теплообмен, время до установившегося состояния

Испытания проводились при расчетном давлении (3 Па) и увеличивающихся приращениях давления (5, 7, 9 Па). Устойчивое состояние было определено как точка, когда тепловой поток (q1 ″) достиг ± 5% от заданного теплового потока.Для каждого давления был проведен цикл из трех испытаний с использованием расчетного теплового потока (то есть теплового потока, оптимизированного для 3 Па). Затем был проведен еще один цикл из трех испытаний для каждого давления, на этот раз постепенно увеличивая тепловой поток, как если бы панель была оптимизирована для этого давления. Разница между обоими методами была незначительной, и результаты для всех раундов были объединены для расчета стандартной ошибки.

3.2.2. Периодический теплообмен

В этом эксперименте использовалось то же оборудование, что и в стационарном эксперименте.Тест проводился на открытом воздухе в затененном месте. Постоянное давление ( P = 3 Па ) поддерживалось на протяжении всего эксперимента, который длился 5 дней. Также поддерживалась постоянная электрическая мощность TAS, так что средний тепловой поток находился в пределах ± 5% от расчетного теплового потока.

3.3. Аппарат с приводом от плавучести

Отдельная камера, выступающая в качестве прокси-здания, была изготовлена ​​для испытания муфты с вытяжной вентиляцией. Теплообменная панель была установлена ​​горизонтально на уровне пола, чтобы обеспечить равномерное давление на поверхности TAS и хорошее перемешивание внутреннего воздуха (как описано в разделе 2.3, если бы панель была вертикальной, давление на ней изменялось бы с высотой, как и скорость и теплообмен, и возник бы риск обратного потока, если бы внутренний воздух расслаивался; эти эффекты будут изучены в будущих исследованиях). Аппарат имел высоту 8 футов (2,44 м), высоту помещения, для создания приемлемого давления в дымовой трубе. Камера была тонкой с конусом, похожим на дымоход, чтобы избежать обменных потоков наверху. Камера была покрыта войлоком и жесткой изоляцией (см. Рис. 8). Испытательная панель была установлена ​​на дне камеры так, чтобы ТАС была обращена внутрь.Слой ленты был наложен на стык между камерой и панелью для создания герметичного уплотнения. Верхнее отверстие камеры было 2 на 2 дюйма (5 × 5 см). Вся сборка была установлена ​​на ножках, которые удерживали дно камеры 2 ′ (60 см) от земли. Термопары были расположены в тех же местах над каналами, что и эксперимент с вентилятором, и с равными интервалами внутри дымохода. Датчики перепада давления Sensirion SDP800 были прикреплены к трубке Пито для измерения скорости воздуха на выходе.Испытания проводились путем постепенного увеличения мощности нагрева ТАС. Перед проведением измерений панели позволили достичь установившегося состояния (определяемого в этом исследовании, когда тепловой поток достигает ± 5% от расчетного теплового потока).

Рисунок 8 . Экспериментальная установка для вентиляции, управляемой плавучестью. Этот прибор использовался в третьем эксперименте (см. Раздел 3.3), измеряя внутреннюю температуру и скорость потока в прокси-здании, когда вентиляция через испытательную панель приводится в действие тепловой плавучестью, а не вентилятором.

4. Результаты и обсуждение

4.1. Устойчивый теплообмен

На рис. 9 показаны общие нормализованные результаты теплопередачи для обеих панелей. Черные пунктирные линии представляют уравнение (4), а заштрихованные маркеры показывают измерения при расчетном давлении, а именно 3 Па. Слева направо незатененные маркеры показывают измерения при нерасчетном давлении, а именно 5, 7 и 9. Па. Таблицы 3, 4 суммируют результаты в терминах U ₁ , NTU и ε.

Рисунок 9 .Измерения устойчивого теплообмена для акрила (слева) и сосны (справа). Данные нанесены на график относительно прогнозируемого теплообмена по уравнению (4) при расчетном (заполнено) и нерасчетном давлении (открыто). Вторичные пунктирные линии показывают новые корреляции (уравнения 35, 36) для теплообмена для всего диапазона давлений.

Таблица 3 . Замеры для устойчивого теплообмена, сосновая панель.

Таблица 4 . Замеры для устойчивого теплообмена, акриловая панель.

Обратите внимание, что «расчетное давление» – это давление, для которого оптимизирована данная панель. Уравнение (1) показывает, как оптимизировать геометрию панели при расчетном давлении. Уравнение (4) предсказывает общую (нормализованную) теплопередачу оптимизированной панели при расчетном давлении. Его можно использовать для прогнозирования производительности при гибком изменении технических характеристик (например, теплопроводности, толщины панели) после указания расчетного давления, как показано в прилагаемом приложении (Craig and Fortin, 2020).

Таблица 3 показывает, что нормализованная теплопередача при расчетном давлении составила NTU = 1,47 ± 0,05 для деревянной испытательной панели по сравнению с прогнозируемым значением NTU = 1,53 ± 0,03. Для «контрольной» тестовой панели согласие было еще более тесным (см. Таблицу 4). Тесное соответствие между прогнозами и измерениями при расчетном давлении расширяет результаты недавней экспериментальной проверки (Craig and Grinham, 2017) и подчеркивает надежный характер исходных корреляций.Эти корреляции были разработаны для экстремальных тепловых условий (Kim et al., 2007), поэтому примечательно, что они так точно переносятся на строительные материалы в условиях окружающей среды. Анизотропия текстуры древесины не оказала существенного влияния на результаты при расчетном давлении, вызывая лишь небольшое снижение общей теплопередачи. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, существует ли способ использования текстуры древесины для повышения эффективности теплообмена.

Уравнение (4) только предсказывает теплопередачу при расчетном давлении.Поэтому неудивительно, что измерения при 5, 7 и 9 Па отклоняются от уравнения (4). Производительность для всего диапазона давлений коррелировала для акриловой панели следующим образом:

NTU акрил = 1,12 NTU 0,44 (35)

, а для сосновой панели:

NTUpine = 1,37 NTU 0,15 (36)

Где NTU – полная теплопередача при расчетном давлении, определяемом уравнением (4). Коррелирующие коэффициенты и показатели в уравнениях (35) и (36) были найдены автоматически с помощью функции LinearModelFit в системе Mathematica.Коэффициент детерминации (R ² ) был> 0,999 для обеих моделей линейной подгонки. В следующих экспериментах уравнение (36) используется для прогнозирования устойчивой теплопередачи испытательной панели при нерасчетных давлениях (давлениях, для которых панель не была оптимизирована).

Уравнения (35) и (36) имеют разные наклоны (показатели степени). Поэтому кажется, что анизотропия действительно играет роль в ограничении общей теплопередачи при нерасчетных давлениях. Пологий наклон для NTU, как видно из уравнения (36), подразумевает значение U с двумя состояниями.То есть значение U , которое не сильно зависит от давления, но которое переключает между расчетными значениями U ₀ и U ₃ .

Общая теплопередача ( U ₁ , q1 ″, NTU) ведет себя так, как ожидалось. Однако таблицы 3, 4 показывают несоответствие между предсказаниями и измерениями ε. Какое объяснение? Он помогает рассмотреть методы измерения эффективности теплообмена, которых существует четыре. Первый метод – измерить его косвенно, измерив NTU:

.

Этот метод делает предположение о том, как ведет себя эффективность теплообмена, на основе стандартной теории теплообменников.Второй метод измеряет отношение исходящей проводимости к общей теплопередаче:

ε = 1-U3U1 = 1-q3 ″ q1 ″ (38)

Это прямое измерение, которое использовалось в настоящем исследовании. Чтобы подтвердить это измерение, необходимо отслеживать теплообмен с вентиляционным потоком, который можно измерить напрямую двумя способами. Либо:

ε = U2U1 = q2 ″ q1 ″ (39)

или:

ε = Ти-ТэЦ-Те (40)

Оба метода требуют точного измерения T _i , поскольку q2 ″ = u ρc (Ti-Te).Однако было невозможно измерить T _и с помощью существующего прибора. Малый диаметр каналов означал, что термопара либо блокировала канал, либо находилась под воздействием TAS (см. Раздел 3.1.2). Следовательно, хотя этот эксперимент подтверждает общую теплопередачу, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, какая часть тепла передается входящей вентиляции. Вопреки здравому смыслу, тепло, исходящее от внешней поверхности, не может полностью передаваться окружающей среде.Оптическое отображение Шлирена показало, что во время всасывания конвекция на внешней поверхности усиливается, а граничная пленка втягивается в каналы (Craig and Grinham, 2017). Следовательно, более высокие, чем ожидалось, значения для q3 ″ и U ₃ могут быть признаком рекуперации тепла в действии, а не увеличения потерь. В дальнейших исследованиях для измерения T _и можно использовать такой метод, как «Фоново-ориентированный Шлирен», так что измерения эффективности теплообмена могут быть триангулированы, а влияние рекуперации тепла внешней пленки может быть измерено. определенный.

4.2. Переходный теплообмен

4.2.1. Время перехода в устойчивое состояние

На рис. 10 показано, как теплообмен развивается при ступенчатом изменении нагрева поверхности. Данные взяты из сосновой панели, усредненные по трем испытаниям при расчетном давлении (3 Па). Электрическая мощность, нагревающая поверхность, была постоянной на протяжении всего эксперимента. Левый график показывает общую теплопередачу ( NTU ( t )), правый график показывает эффективность теплообмена (ε). Оба графика отслеживают изменение числа Фурье, определяемого уравнением (15), относительного показателя того, как проводимость развивается внутри объекта с течением времени.Характерная длина панели составляла L _c = 0,021, рассчитанная с использованием уравнения (16). Эксперименты длились чуть более 240 мин. Следовательно, Fo = 1 означает ~ 1 час. Это также знаменует важный порог: время, когда тепло предположительно проникает на всю глубину объекта.

Рисунок 10 . Испытательная панель из сосны, время достижения устойчивого теплообмена в зависимости от числа Фурье. Fo = 1 составляет ~ 1 час. Измерения общего теплообмена (NTU) и эффективности теплообмена (ε) сравниваются с эталонными прогнозами для плоской стенки (уравнения 17–19).

На поверхности испытательной панели тепловой поток q1 ″ достигал ± 5% от прогнозируемого значения через ~ 110 мин, когда Fo ~ 1,8. (После этого данные использовались для измерения устойчивого теплообмена, см. Раздел 4.1). Fo ~ 1.8 знаменует собой еще один важный момент, когда данные выходят за рамки тестов, обозначенных черными пунктирными линиями. Эти эталоны представляют собой передачу тепла через плоскую стенку той же характерной длины во время ступенчатого изменения нагрева, с постоянной температурой или постоянным тепловым потоком, приложенным к обеим поверхностям (см. Уравнения 17–19).Как и предполагалось, до достижения установившегося состояния теплопередача развивается аналогично плоской стенке той же характерной длины с небольшими различиями из-за эффектов формы. Данные для NTU ( т ) хорошо коррелируют с уравнением (17), когда:

и:

, когда уравнение (36) заменяет уравнение (4). Напомним, что a ₁ управляет положением кривой, описанной уравнением (17), а a ₂ контролирует кривизну.Необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить, в какой степени эти коэффициенты формы для переходной проводимости изменяются в зависимости от размеров панели, если вообще изменяются. Физические эксперименты или анализ методом конечных элементов – подходящие способы решения этого вопроса.

Правый график показывает, как эффективность теплообмена изменяется со временем в соответствии с двумя методами ее измерения. Как уже говорилось, остается вопрос относительно фактической эффективности теплообмена и дополнительных измерений, необходимых для ее подтверждения.Кривая отклонения на правом графике фиг. 10 может отражать улучшенную теплопередачу на внешней поверхности из-за всасывания. Кроме того, рекуперация тепла на внешней поверхности из-за засасывания пограничной пленки в каналы может компенсировать отклонение между двумя кривыми. Короче говоря, хотя U ₃ и q3 ″ больше, чем ожидалось, значительная часть этого тепла, вероятно, рекуперируется, а не теряется во внешнюю среду.

4.2.2. Периодический теплообмен

Панель из сосны была испытана в тени на открытом воздухе с использованием того же устройства с вентилятором, что и в предыдущих экспериментах.Постоянное давление (3 Па) и постоянная электрическая мощность для нагрева применялись в течение 3 дней. Цель эксперимента состояла в том, чтобы увидеть, будет ли общая (нормализованная) теплопередача периодически изменяться около установившегося значения, как предсказывается уравнением (20). На рисунке 11 показаны результаты. График (a) показывает изменение температур ( T _e , T _s , T _s – T _e ) во времени, пока график (б) показано изменение коэффициентов теплоотдачи ( U ₁ , U ₃ ).Обратите внимание, что базовое значение U составляет U ₀ = k / L = 2,95 (см. Таблицу 2).

Рисунок 11 . Периодический теплообмен в уличных условиях для испытательной панели из сосны. (A) Температуры. (B) Коэффициенты теплопередачи. (C) Полная (нормализованная) теплопередача. (D) Эффективность теплообмена.

Графики (a) и (b) включены для справки, но графики (c) и (d) представляют собой результаты, представляющие общий интерес, поскольку шаблоны для NTU (t) и ε должны воспроизводиться в разных климатических условиях с разными дизайнами панелей. .Общая (нормализованная) теплопередача действительно вела себя так, как предсказано уравнением (20), несмотря на воздействие легкого бриза и нормальных изменений внешней температуры (то есть изменений, которые не были идеально синусоидальными). Уравнение (20) включает коэффициент a ₁ , который учитывает эффекты формы и калибрует величину теплопередачи. Здесь использовалось значение a ₁ , определенное в предыдущем эксперименте, уравнение (41). Тот факт, что и ₁ одинаковы в обоих экспериментах, предполагает, что это допустимый коэффициент формы для переходной проводимости (Bart and Hanjalić, 2003).Если это правда, это не изменится существенно, если размеры панели будут отличаться (хотя и оптимизированы).

Предыдущие два эксперимента выявили несоответствие между двумя методами измерения ε (см. Таблицу 3 и Рисунок 10B). Это несоответствие усиливается на Рисунке 11D. Сигнал данных от метода измерения 2 (уравнение 38) ниже и более изменчив, чем метод измерения 1 (уравнение 37). На рисунке 11 метод измерения 2, показанный на графике (d), накладывает сигналы для U ₁ и U ₃ , показанных на графике (b).Напомним, что более высокие, чем ожидалось, значения для U ₃ не обязательно приводят к большим потерям. Как обсуждалось, необходимы дальнейшие исследования для измерения теплопередачи к вентиляционному потоку (уравнения 39 и 40), чтобы можно было полностью определить граничные эффекты на внешней поверхности и их влияние на ε.

4.3. Теплообменник с вытяжной вентиляцией

Отдельная камера, выступающая в качестве прокси-здания, была изготовлена ​​для испытания муфты с выталкивающей вентиляцией в установившемся режиме.На рисунке 12 представлены результаты. График (а) показывает относительную температуру внутри помещения ( T _ii – T _e ) как функцию общего нагрева от TAS ( q ₀ ). График (b) показывает скорость выталкивающей вентиляции (Q), а также как функцию общего нагрева от TAS. На графиках показаны две прогнозируемые кривые, представляющие ламинарный (синий) или полностью турбулентный (красный) поток. Эти прогнозы были сделаны путем численного решения системы уравнений из раздела 2.3, где уравнения (32) и (33) оценивают коэффициент расхода дымохода в соответствии с любым режимом потока.

Рисунок 12 . Испытательная панель из сосны, теплообменник сцепления с вытяжной вентиляцией. (A) Температура внутри помещения (относительно наружного воздуха) и (B) скорость потока вентиляции в зависимости от увеличения тепловложения.

По мере увеличения обогрева ( q ₀ ), то же самое происходит с интенсивностью выталкивающей вентиляции (Q) и средней температурой внутри помещения ( T _ii ).Большинство точек попадают в заштрихованную область, подтверждая теорию, описанную в разделе 2.3. Эти результаты являются дополнительным подтверждением того, что ожидаемые скорости теплообмена имеют место.

Обратите внимание, что погрешность измерения температуры больше, чем для вентиляции. Скорость вентиляции измерялась в самом узком месте дымохода, чуть ниже его вершины, где поток сходился перед выходом. Измерения температуры проводились в нескольких точках вверх по дымоходу и усреднялись.Изменение температуры с высотой было незначительным, но датчики действительно испытывали турбулентность.

Этот эксперимент демонстрирует, что можно втягивать вентиляцию через панели, используя тепловую плавучесть вместо вентилятора, при сохранении ожидаемых скоростей теплообмена и давления. Следует подчеркнуть, что это идеализированные обстоятельства. Возможна горизонтальная установка, но в будущем более вероятны вертикальные или наклонные оболочки. Если бы панель была вертикальной, давление на ней изменялось бы с высотой, равно как и скорость и теплообмен.Внутренний воздух может расслаиваться ниже верхней части панели (в зависимости от высоты дымохода относительно верхней части панели). В этом случае был бы отток через верхние каналы. Все эти эффекты были специально разработаны вне эксперимента, чтобы подтвердить основные элементы тепловой связи. Требуются дальнейшие исследования, чтобы определить, что происходит, когда панели расположены вертикально (или наклонно), а не горизонтально. Также необходимы дальнейшие исследования, чтобы увидеть, есть ли способы естественной рекуперации тепла из вентиляции.В правой части рисунка 3 показана одна возможная конфигурация.

5. Заключение

Общая тема заключается в том, как радикально упростить проектирование деревянных зданий, чтобы снизить объемные и эксплуатационные выбросы углерода и облегчить хранение углерода в глобальном масштабе. Наше исследование было сосредоточено на том, как оптимизировать каналы в массивных деревянных панелях, чтобы они обменивались теплом с входящим воздухом. Анализ и эксперименты показывают, что можно достичь низких тепловых потерь (0,1 0,6), что, в свою очередь, требует относительно высокой скорости вентиляции (5

Мы предоставили приложение, чтобы коллеги-исследователи могли оценить влияние различных параметров на оптимальную геометрию и теоретические характеристики деревянных панелей при устойчивом теплообмене. Можно быстро увидеть, как теплопроводность, расчетное давление, внутренний тепловой поток и целевое значение U влияют на эффективность теплообмена и скорость вентиляции, а также на толщину панели, размер и расстояние между каналами. .

Мы провели эксперимент, чтобы проверить общую теплопередачу при установившемся теплообмене, измерить эффективность теплообмена и изолировать влияние анизотропии из-за структуры волокон в древесине. Нормализованная теплопередача при расчетном давлении составила NTU = 1,47 ± 0,05 по сравнению с прогнозируемым значением NTU = 1,53 ± 0,03. Следовательно, анизотропия древесины не оказала существенного влияния на общую теплопередачу при расчетном давлении. Расчетный теплообмен при расчетном давлении составил ε = 0.78 ± 0,01 по сравнению с косвенным измерением ε = 0,62 ± 0,02. В будущих экспериментах потребуется изолировать эффекты внешнего пограничного слоя, чтобы правильно измерить эффективность теплообмена.

Затем мы использовали те же экспериментальные данные, чтобы охарактеризовать переходную реакцию испытательной панели на скачок нагрева. Мы обнаружили, что общая теплопередача развивается, как это происходит через плоскую стенку эквивалентной характеристической толщины, переходя в стационарное состояние, когда Fo ≈ 2.Затем мы протестировали устройство на открытом воздухе, чтобы охарактеризовать теплопередачу в ответ на естественные колебания внешней температуры, применяя постоянный нагрев поверхности и давление. Общая теплопередача периодически изменялась около среднего значения – расчетного значения в установившемся режиме. Простая модель, описывающая периодические колебания, которая включала эмпирический коэффициент формы, полученный в эксперименте со ступенчатым изменением, учитывала теплопередачу с точностью до R ² = 0,9953 ± 0,0023.

Наконец, мы показали, что возможно соединить дышащие стены с вытяжной вентиляцией.Образец для испытаний устанавливали горизонтально на дне дымохода. Аппарат был сконструирован таким образом, чтобы воздух в помещении оставался хорошо перемешанным. Хотя это представляло идеализированные условия, это позволило нам подтвердить ключевые отношения тепловой связи, как выражено системой уравнений в разделе 2.3. Измерения внутренней температуры и скорости вентиляции находились в пределах прогнозируемых значений в зависимости от ламинарного или турбулентного потока. Согласно этим результатам, скорость теплообмена через панель произошла, как и ожидалось.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные во время и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны в репозитории Scholars Portal Dataverse, https://doi.org/10.5683/SP2/DCEJJR.

Авторские взносы

SC: концептуализация, методология, программное обеспечение, формальный анализ, ресурсы, курирование данных, написание – первоначальный черновик и написание – просмотр и редактирование. AH, KF, PR и JE: программное обеспечение, формальный анализ, расследование, курирование данных, написание – первоначальный черновик, написание – просмотр и редактирование, визуализация и администрирование проекта.AF: надзор, ресурсы, администрирование проекта, получение финансирования и написание – проверка и редактирование. ДК и КМ: надзор и написание – просмотр и редактирование. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Финансирование. Это исследование было поддержано подарочным фондом Rural Studio (http://ruralstudio.org/give/) и инициативой McGill Sustainability Systems Initiative (MSSI).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить весь персонал и преподавателей сельской студии Обернского университета, особенно Стивена Лонга, за предоставленные ресурсы и среду, которые сделали это исследование возможным. Также спасибо доктору Дэниелу Харрису и доктору Чандону Рою, которые помогли с тестированием тепловых свойств. Наконец, спасибо Инициативе устойчивого лесного хозяйства за интерес и поддержку.

Список литературы

Acred, A. (2014). Естественная вентиляция в многоэтажных зданиях: эскизный подход (докторская диссертация), Имперский колледж Лондона.

Google Scholar

Алонги А., Анджелотти А. и Маццарелла Л. (2017a). Аналитическое моделирование «дышащих стен»: экспериментальная проверка на лабораторном стенде с двойным вентилируемым тепловым боксом. Energy Proc . 140, 36–47. DOI: 10.1016 / j.egypro.2017.11.121

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алонги А., Анджелотти А. и Маццарелла Л. (2017b). Экспериментальное исследование стационарного поведения дыхательных стенок с помощью нового лабораторного оборудования. Сборка. Окружающая среда . 123, 415–426. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2017.07.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алонги А., Анджелотти А. и Маццарелла Л. (2020). Экспериментальная проверка устойчивой периодической аналитической модели для дыхательных стен. Сборка. Окружающая среда . 168: 106509. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2019.106509

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алонги А. и Маццарелла Л. (2015a). Характеристика волокнистых изоляционных материалов при их применении в технологии динамической изоляции. Energy Proc . 78, 537–542. DOI: 10.1016 / j.egypro.2015.11.732

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Алонги А. и Маццарелла Л. (2015b). Термобокс с двойной вентиляцией: лабораторный прибор для тестирования технологий воздухопроницаемых ограждающих конструкций. Energy Proc . 78, 1543–1548. DOI: 10.1016 / j.egypro.2015.11.198

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ascione, F., Bianco, N., Stasio, C.D., Mauro, G.M., и Vanoli, G.П. (2015). Динамическая изоляция оболочки здания: численное моделирование в переходных условиях и связь с ночным естественным охлаждением. заявл. Therm. Eng . 84, 1–14. DOI: 10.1016 / j.applthermaleng.2015.03.039

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Барт, Г. К. Дж., И Ханьялич, К. (2003). Оценка коэффициента формы для переходной проводимости. Внутр. Дж. Рефриг . 26, 360–367. DOI: 10.1016 / S0140-7007 (02) 00079-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бартуссек, Х.(1981). Porenluftung, eine zugfreie Stalluftung. DLZ 32, 48–58.

Google Scholar

Бежан, А., Динсер, И., Лоренте, С., Мигель, А., и Рейс, Х. (2004). Пористые и сложные структуры течения в современных технологиях . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer-Verlag.

Google Scholar

Цао, З., Майерс, Р. Дж., Луптон, Р. К., Дуан, Х., Сакки, Р., Чжоу, Н. и др. (2020). Эффект губки и потенциал сокращения выбросов углерода в глобальном цементном цикле. Нац. Коммуна . 11: 3777. DOI: 10.1038 / s41467-020-17583-w

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Carrer, P., Wargocki, P., Fanetti, A., Bischof, W., Fernandes, E. D. O., Hartmann, T., et al. (2015). Что научная литература говорит нам о взаимосвязи вентиляции и здоровья в общественных и жилых зданиях? Сборка. Окружающая среда . 94, 273–286. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2015.08.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чуркина, Г., Органски А., Рейер К. П. О., Рафф А., Винке К., Лю З. и др. (2020). Здания как глобальный поглотитель углерода. Нац. Выдержать . 3, 269–276. DOI: 10.1038 / s41893-019-0462-4

CrossRef Полный текст

Крейг, С., и Гринхэм, Дж. (2017). Дышащие стены: конструкция из пористых материалов для теплообмена и децентрализованной вентиляции. Энергетическая сборка . 149, 246–259. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2017.05.036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Даббаг, М., и Крарти, М. (2020). Оценка эффективности системы динамической изоляции, подходящей для изменяемой оболочки здания. Энергетическая сборка . 222: 110025. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2020.110025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Далехауг А., Фукусима А. и Йошинори Х. (1993). Динамическая изоляция в стене: изоляция, вентиляция, энергосбережение . Собрание отчетов Архитектурного института Японии, № 66, 261–264.

Google Scholar

Дехва, А.Х.А., Крарти М. (2020). Влияние переключаемой изоляции крыши на энергоэффективность жилых домов в США. Сборка. Окружающая среда . 177: 106882. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2020.106882

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эстрин Ю., Бреше Ю., Данлоп Дж. И Фратцл П. (ред.). (2019). Архитектурные материалы в природе и технике: Архиматы . Чам: Издательство Springer International.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Этеридж, Д.У. и Чжан Дж. Дж. (1998). Динамическая изоляция и естественная вентиляция: технико-экономическое обоснование. Сборка. Серв. Англ. Res. Технол . 19, 203–212. DOI: 10.1177 / 0143624498013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гость, Г., Керубини, Ф. и Стрёмман, А. Х. (2013). Потенциал глобального потепления выбросов углекислого газа из биомассы, хранящейся в антропосфере и используемой для биоэнергетики в конце жизни. J. Ind. Ecol . 17, 20–30. DOI: 10.1111 / j.1530-9290.2012.00507.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Habert, G., Miller, S. A., John, V. M., Provis, J. L., Favier, A., Horvath, A., et al. (2020). Воздействие на окружающую среду и стратегии обезуглероживания в цементной и бетонной промышленности. Нац. Rev. Earth Environ . 1, 559–573. DOI: 10.1038 / s43017-020-0093-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хепберн, К., Адлен, Э., Беддингтон, Дж., Картер, Э. А., Фасс, С., Доуэлл, Н. М. и др.(2019). Технологические и экономические перспективы утилизации и удаления CO ₂ . Природа 575, 87–97. DOI: 10.1038 / s41586-019-1681-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ходжа, Э., Пассер, А., Сааде, М. Р. М., Триго, Д., Шаттлворт, А., Питтау, Ф. и др. (2020). Биогенный углерод в зданиях: критический обзор методов LCA. Сборка. Города 1, 504–524. DOI: 10.5334 / bc.46

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хурмекоски, Э., Myllyviita, T., Seppälä, J., Heinonen, T., Kilpeläinen, A., Pukkala, T., et al. (2020). Влияние структурных изменений в деревообрабатывающей промышленности на чистые выбросы углерода в Финляндии. J. Ind. Ecol . 24, 899–912. DOI: 10.1111 / jiec.12981

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Incropera, F., DeWitt, D., Bergman, T. L., and Lavine, A. S. (2007). Основы тепломассообмена . Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья.

Google Scholar

Джонс, Б.М., Кук, М. Дж., Фицджеральд, С. Д., и Иддон, К. Р. (2016). Обзор терминологии в области вентиляционных отверстий. Энергетическая сборка . 118, 249–258. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2016.02.053

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Киамили К., Холлберг А. и Хаберт Г. (2020). Детальная оценка воплощенного углерода систем HVAC для нового офисного здания на основе BIM. Устойчивое развитие 12: 3372. DOI: 10.3390 / su12083372

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, С., Лоренте, С., Бежан, А. (2007). Васкуляризированные материалы с нагревом с одной стороны и нагнетанием охлаждающей жидкости с другой стороны. Внутр. J. Тепломассообмен 50, 3498–3506. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2007.01.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, С., Лоренте, С., Бежан, А. (2008). Дендритная васкуляризация для противодействия интенсивному нагреву сбоку. Внутр. J. Тепломассообмен 51, 5877–5886. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2008.04.063

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким С., Лоренте С. и Бежан А. (2009). Преходящее поведение васкуляризированных стенок при внезапном нагревании. Внутр. J. Therm. Sci . 48, 2046–2052. DOI: 10.1016 / j.ijthermalsci.2009.03.019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Левассер А., Лесаж П., Маргни М. и Самсон Р. (2013). Биогенный углерод и временное хранение решаются с помощью динамической оценки жизненного цикла. Дж.Инд. Ecol . 17, 117–128. DOI: 10.1111 / j.1530-9290.2012.00503.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Меггерс, Ф., Риттер, В., Гоффин, П., Бетчманн, М., и Лейбундгут, Х. (2012). Внедрение низкоэксергетических строительных систем. Энергия 41, 48–55. DOI: 10.1016 / j.energy.2011.07.031

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Менихарт, К., и Крарти, М. (2017). Возможная экономия энергии за счет использования динамических изоляционных материалов для жилых домов в США. Сборка. Окружающая среда . 114, 203–218. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2016.12.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мо, К. (2010). Термически активные поверхности в архитектуре . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Princeton Architectural Press.

Google Scholar

Монкман, С., и Макдональд, М. (2017). Об использовании углекислого газа как средстве повышения устойчивости товарного бетона. J. Clean. Прод . 167, 365–375. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2017.08.194

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, Б., Срубар, В. В., и Крарти, М. (2015). Анализ энергоэффективности ограждающих конструкций с переменным тепловым сопротивлением в жилых домах. Энергетическая сборка . 103, 317–325. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2015.06.061

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пак, К.-С., Ким, С.-В., и Юн, С.-Х. (2016). Применение дышащих архитектурных элементов для естественной вентиляции пассивного солнечного дома. Энергия 9: 214. DOI: 10.3390 / en14

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пингоуд, К., Экхольм, Т., Сиеванен, Р., Хуусконен, С., и Хайнинен, Дж. (2018). Компромисс между запасами углерода в лесах и урожайностью в устойчивом состоянии – многокритериальный анализ. J. Environ. Манаг . 210, 96–103. DOI: 10.1016 / j.jenvman.2017.12.076

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pittau, F., Krause, F., Lumia, G., and Habert, G.(2018). Быстрорастущие материалы на биологической основе как возможность хранения углерода в наружных стенах. Сборка. Окружающая среда . 129, 117–129. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2017.12.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Помпони, Ф., Харт, Дж., Арехарт, Дж. Х. и Д’Амико, Б. (2020). Здания как глобальный поглотитель углерода? Проверка на реальность пределов осуществимости. Одна Земля 3, 157–161. DOI: 10.1016 / j.oneear.2020.07.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ри, К.-N., И Ким, К. В. (2015). 50-летний обзор фундаментальных и прикладных исследований в области систем лучистого отопления и охлаждения для искусственной среды. Сборка. Окружающая среда . 91, 166–190. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2015.03.040

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ри, К.-Н., Олесен, Б. В., и Ким, К. В. (2017). Десять вопросов о системах лучистого отопления и охлаждения. Сборка. Окружающая среда . 112, 367–381. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2016.11.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рек, М., Сааде, М. Р. М., Балукци, М., Расмуссен, Ф. Н., Биргисдоттир, Х., Фришкнехт, Р. и др. (2020). Воплощенные выбросы парниковых газов от зданий – скрытая проблема для эффективного смягчения последствий изменения климата. заявл. Энергия 258: 114107. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2019.114107

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рупп, С., и Крарти, М. (2019). Анализ многоступенчатых стратегий управления системами динамической изоляции. Энергетическая сборка . 204: 109459. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2019.109459

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сеппала, Дж., Хейнонен, Т., Пуккала, Т., Килпеляйнен, А., Маттила, Т., Мюллювиита, Т., и др. (2019). Влияние увеличения объемов заготовки и использования древесины на требуемые коэффициенты вытеснения парниковых газов древесными продуктами и топливом. J. Environ. Манаг . 247, 580–587. DOI: 10.1016 / j.jenvman.2019.06.031

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шекар В. и Крарти М.(2017). Стратегии контроля динамических изоляционных материалов, применяемых в коммерческих зданиях. Энергетическая сборка . 154, 305–320. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2017.08.084

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит, К. Э., Смайли, Б. П., Маньян, М., Бердси, Р., Дуган, А. Дж., Ольгин, М. и др. (2018). Смягчение последствий изменения климата в лесном секторе Канады: пространственно конкретное тематическое исследование для двух регионов. Управление балансом углерода . 13:11. DOI: 10.1186 / s13021-018-0099-z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тейлор, Б.Дж., Коуторн, Д. А., и Имбаби, М. С. (1996). Аналитическое исследование стационарного поведения динамических и диффузионных ограждающих конструкций зданий. Сборка. Окружающая среда . 31, 519–525. DOI: 10.1016 / 0360-1323 (96) 00022-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тейлор, Б. Дж., И Имбаби, М. С. (1997). Влияние термического сопротивления воздушной пленки на поведение динамической изоляции. Сборка. Окружающая среда . 32, 397–404. DOI: 10.1016 / S0360-1323 (97) 00012-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тейлор, Б.Дж. И Имбаби М. С. (1999). Динамическая изоляция в многоэтажных домах. Сборка. Серв. Англ. Res. Технол . 20, 179–184. DOI: 10.1177 / 0143624490403

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тейлор, Б. Дж., И Имбаби, М. С. (2000). «Экологический дизайн с использованием динамической изоляции», ASHRAE Transactions . 106, 15–28.

Google Scholar

Тейлор Б. Дж., Вебстер Р. и Имбаби М. С. (1998). Оболочка здания как воздушный фильтр. Сборка. Окружающая среда . 34, 353–361. DOI: 10.1016 / S0360-1323 (98) 00017-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Дж., Ду, К., Чжан, К., Сюй, X., и Ганг, В. (2018). Механизм и предварительный анализ эффективности изоляции вытяжного воздуха ограждающей стены здания. Энергетическая сборка . 173, 516–529. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2018.05.045

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вудс, А. В., Фицджеральд, С., и Ливермор, С. (2009).Сравнение требований к предварительному подогреву в зимнее время для естественной вытеснительной и естественной смешанной вентиляции. Энергетическая сборка . 41, 1306–1312. DOI: 10.1016 / j.enbuild.2009.07.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ву, Х., Лью, А., Меле, Т. В., и Блок, П. (2020). Анализ и оптимизация сводчатого перекрытия с ребрами жесткости для обеспечения динамических характеристик. англ. Struct . 213: 110577. DOI: 10.1016 / j.engstruct.2020.110577

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, К., Ганг, В., Сюй, X., Ли, Л., и Ван, Дж. (2019a). Моделирование, экспериментальные испытания и проектирование активной воздухопроницаемой стены с использованием низкокачественного отработанного воздуха. заявл. Энергия 240, 730–743. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2019.02.087

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, К., Ван, Дж., Ли, Л., и Ганг, В. (2019b). Динамические тепловые характеристики и параметрический анализ ограждающих конструкций здания с рекуперацией тепла на основе воздухопроницаемых пористых материалов. Энергия 189: 116361.DOI: 10.1016 / j.energy.2019.116361

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Номенклатура

Ваш 2021 Руководство по облицовке из фиброцемента

По сравнению с другими строительными материалами, такими как камень, плитка или древесина, которые существуют дольше, фиброцемент существует всего около 40 лет.

Но, несмотря на то, что это относительно новая концепция в строительной отрасли, фиброцемент стал невероятно популярным благодаря своим преимуществам.

Фиброцемент – идеальный строительный материал. Он доступен по цене, прочен и представляет собой отличную альтернативу другим вариантам облицовки, таким как камень или дерево.

Если у вас есть проект строительства или реконструкции, есть несколько причин, по которым вы можете рассмотреть вариант облицовки из фиброцемента.

Что такое фиброцементная облицовка?

Фиброцемент, разработанный Джеймсом Харди в начале 1980-х годов, представляет собой композитный материал, состоящий из цемента, армированного наполнителями и целлюлозными волокнами.

Этой смеси можно придать индивидуальные формы до того, как она будет полностью сформирована, что позволяет использовать ее в различных областях.

Этот материал в основном сравнивается с другими тщательно обработанными, но экономичными облицовочными материалами, такими как алюминиевые панели и ПВХ. Однако некоторые архитекторы предпочитают использовать облицовку из фиброцемента, потому что она может выглядеть более дорогим и элегантным продуктом при соответствующей детализации.

Его плотные высококачественные панели могут имитировать внешний вид бетона и камня, и все это по очень низкой цене.Панели часто являются фоновыми материалами и имеют легкую текстуру.

Материал может казаться слегка вымытым в серых тонах и аккуратно выделенным винтами или выложенным плиткой в ​​виде фракталов.

Но вы можете найти несколько цветовых вариаций, которые подходят вашему цвету или дизайну здания.

Материал идеален для облицовки наружных стен зданий. Его также можно использовать в качестве подкладки для плитки внутри зданий или в качестве основания для облицовки пола.

Кроме того, фиброцемент выпускается в нескольких вариантах оформления фасада, что делает его идеальным для наружных и внутренних поверхностей.

Еще один аспект, который делает фиброцемент такой отличной альтернативой облицовки, – это его очень рентабельные и не требующие особого ухода материалы.

Он также водостойкий, поэтому не гниет, не коробится и не трескается. Кроме того, он также огнестойкий, что делает его безопасным. При правильной установке он может прослужить более 60 лет.

Преимущества фиброцементной облицовки

Процесс производства этого облицовочного материала делает продукт достаточно надежным.Различные элементы, такие как частицы песка и древесная масса, проходят строгий производственный процесс для получения фиброцемента.

Вот список других преимуществ, благодаря которым этот материал стал настолько популярным.

Высокая прочность

Процесс производства фиброцементных изделий делает их очень прочными и долговечными. Кроме того, в отличие от других облицовочных материалов, он защищает от нескольких элементов, что делает его полезным в строительстве.

Материал не трескается и не коробится. Он устойчив к жаре, огню, снегу, льду и граду. Кроме того, он устойчив к плесени и влаге и поэтому не испортится из-за сырости или каких-либо проблем, связанных с водой.

Материал облицовки также не разрушается под воздействием ультрафиолетовых лучей и не подвергается риску повреждения ветром, птицами или домашними животными. Он может оставаться в прекрасном состоянии десятилетиями.

Хотя фиброцементная облицовка сама по себе не может обеспечить 100% защиту от влаги, производители выпускают подкладочные плиты для улучшения влагозащитных свойств облицовки.

Обратите внимание, что оболочка из фиброцемента имеет низкий коэффициент сопротивления теплопередаче. Поэтому, если вы хотите улучшить его теплоизоляционные свойства и обеспечить долговечность, вам следует усилить его дополнительным утеплителем.

Легко установить

Еще одна причина, по которой фиброцемент так популярен, – это короткое время установки. Материал легкий, поэтому с ним легко работать и маневрировать во время установки. Это значительно сокращает время, так как его можно быстро и надежно установить на свое место.

В зависимости от бренда подрядчикам может быть сложно добиться бесшовного угла с его помощью. Чтобы избежать этого, попробуйте работать с брендами, которые используют скошенные углы для создания угла в 90 градусов. Чтобы получить хороший угол, вы можете сломать панели в том месте, где форма здания начинает меняться.

Фиброцемент экологичен

Хотя материал в его готовой форме не подлежит переработке, он не разрушается с выделением токсинов на свалках. Это делает его очень экологически чистым.

Кроме того, материал состоит из песка, воды, цемента и некоторых других безопасных добавок. Он также производит меньше пыли, чем обычный цемент, что делает его менее токсичным, обеспечивая лучшую и безопасную рабочую среду.

Не требует особого обслуживания

Фиброцементная облицовка требует минимального обслуживания. После правильной установки его нужно мыть только время от времени. В перекрашивании не требуется, так как в процессе отверждения материал впитывает очень мало влаги по сравнению с другими облицовочными материалами.

Он также интегрирован с технологией ColourPlus, которая гарантирует, что он не отслаивается, не трескается и не трескается в течение как минимум десяти лет.

Его универсальный характер

Передовой метод производства, используемый для его производства вместе с их натуральным составом, предлагает различные цвета на выбор. Кроме того, дизайн и оттенки фасада, такие как текстура древесины или лепнина, могут создать большую эстетическую привлекательность.

Его отделка варьируется от гладкой до сильно текстурированной, причем некоторые бренды предлагают на выбор более 15 различных отделок.

Equitone, современный цветной материал из фиброцемента, может использоваться в различных областях, особенно в фасадах. Панели Eternit, производимые под названием Eternit с 1950-х годов, демонстрируют необработанную, уникальную и необработанную текстуру основного материала облицовки.

Его можно использовать в любом строительном объекте, включая фестивальные залы, частные резиденции, многофункциональные здания и павильоны, независимо от размера и типа здания.

Итоги

Фиброцементная облицовка – это долгий путь.Однако эти строительные материалы можно эффективно использовать в самых разных проектах.

Например, если вы хотите добиться внешнего вида камня, но у вас ограниченный бюджет, фиброцемент должен служить отличной альтернативой.

Вы можете легко вырезать из него любую форму, которую вы хотите, и, поскольку это широко распространено в отрасли, любой подрядчик должен быть знаком с его использованием.

Если вы хотите узнать больше о фиброцементной облицовке, почему бы вам не позвонить нам по телефону 360-825-2404?

У нас есть обученный и опытный персонал, который будет более чем рад помочь вам найти лучшие материалы для вашего проекта.

RENOLIT COMPACT – Фасадная отделка

RENOLIT COMPACT – Фасадная отделка

+200 ДЕКОРОВ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ВАШЕГО ФАСАДА

RENOLIT COMPACT – это новая линейка, разработанная RENOLIT Ondex для вашей фасадной отделки и проектов внешней теплоизоляции.
Три вида отделки: NUANCE, SKIN и ROCK – предлагают широкий выбор цветов и декоров, всего более 200 цветов.
Настоящая палитра для воплощения ваших желаний и проектов.

ПОЧЕМУ ВЫБИРАЮТ КОНТАКТНЫЕ ПАНЕЛИ RENOLIT

Ударопрочный

Рейтинг за 4 квартал Наивысший рейтинг, допускающий установку на незащищенном первом этаже

Устойчив к ультрафиолетовому излучению

Долговечность продукта сертифицирована QB организацией CSTB и 10-летней гарантией

Сейсмобезопасность

Превосходная прочность для неограниченного использования

Простота установки

Простое и быстрое сверление, резка и обработка

Сгибается на стройплощадке

Панели из ПВХ легко сгибаются в холодном состоянии, хотя они жесткие.

Нулевой лом

По запросу панели можно обрезать по длине и ширине.

Вторичная переработка

100% переработка в цепочке переработки ПВХ

Сделано во Франции

Разработано и произведено во Франции

Сертифицированный продукт

Продукт, прошедший техническую экспериментальную оценку (ATEX) CSTB для деревянных и металлических конструкций.

Поскольку каждый архитектурный проект уникален, панели RENOLIT COMPACT – единственные, которые могут быть изготовлены по длине в соответствии с вашими потребностями *.

Желая предоставить решение для значительного снижения воздействия отходов на окружающую среду и финансов, RENOLIT ONDEX интегрировала эту индивидуальную услугу прямо из производственного процесса.

• 100% ПЕРЕРАБОТКА И ПЕРЕРАБОТКА

ПВХ можно измельчать и перерабатывать до 9 раз без потери своих механических свойств.

Хотя уничтожение – единственный выход для многих материалов, панели RENOLIT COMPACT могут быть переработаны для создания новых продуктов.
Кроме того, все отходы производства повторно интегрируются в производственный процесс.

Хотите сэкономить время, получив панели, готовые к установке, в размерах вашего макета?

Вам нужен индивидуальный цвет, соответствующий вашему графическому уставу, или для «подписи» вашего проекта?
RENOLIT COMPACT можно обрезать по размеру, а цвета NUANCE могут быть подобраны по запросу **.
Ваш проект становится уникальным и адаптируется к самым смелым архитектурным программам.
** В зависимости от осуществимости, минимального количества и особых гарантийных условий.

RENOLIT COMPACT: ТРИ ОТДЕЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БЕЗ ОГРАНИЧЕНИЙ

Серия

SKIN – Декоративные пленки с непревзойденной устойчивостью к ультрафиолету!

Ламинированные декоративные пленки, покрывающие двери, окна и ставни уже более 50 лет, придают нашим листам исключительную устойчивость к УФ-лучам.После 30 000 часов, проведенных в устройстве искусственного выветривания, выцветание их цвета остается незаметным невооруженным глазом!
Множество цветов, декоров и узоров
позволяет персонализировать ваши панели по своему желанию – имитация дерева, имитация металла, красочная, классическая или
современная.

Обычно оценка окрашенных внешних покрытий составляет 3000 часов.

Линия NUANCE – палитра художника для бесконечного раскраски

Имея 120 стандартных оттенков RAL, этот ассортимент панелей, покрытых высокотехнологичным полиуретановым лаком, позволяет сочетать почти все цвета из цветовой таблицы RAL.
Это зарекомендовавшее себя поверхностное покрытие уже 25 лет используется при производстве оконных ПВХ-профилей.
С RENOLIT COMPACT NUANCE это больше не проект, который адаптируется к цветовой таблице, это панель, которую можно раскрасить в соответствии с вашим воображением или вашим графическим представлением.

Серия

ROCK – материал нового поколения «имитация камня»!

Каждая панель уникальна, как и необработанные камни, добываемые в карьерах.Текстуры и оттенки меняются для подлинного результата. Панели
ROCK естественного цвета и тонированные в массе изготовлены из высококачественного минерального полимера.
> Гидрофобный
> Ударопрочный
> Нет сейсмических ограничений
> Легко сверлить и резать
Серия ROCK позиционируется как реальная альтернатива керамическим и минеральным листам.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Листы RENOLIT COMPACT	Шт. Стандартная ширина	мм	1200	1200	1200
Стандартная длина	000 800	000	3000	3000
Толщина	мм	8	8	8
Вес	кг / кв.м	12			9000 Коэффициент расширения	° K -1	40 x 10 -6	40 x 10 -6	40 x 107620005-6
Ударопрочность		Q4	Q4	Q4
F Рейтинг воспламенения		B s3 d0	B s3 d0	B s3 d0 (металлическая конструкция)
97640 0005 Устойчивость к ультрафиолетовому излучению ****	****	*****
ATEX (французский технический экспериментальный , оценка CSTB)		Да	Есть	Есть

Эта страница недоступна на этом языке и будет отображаться на английском языке.

Пассивная солнечная фасадная система – Gast

Пассивная солнечная фасадная система

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТА

Gast Home PSF – это фасадная система для внешних стен, в которой используются панели из дерева и стекла, которые работают с солнцем, помогая естественным образом регулировать внутреннюю температуру здания. Традиционные фасадные системы пытаются полностью разделить внешние и внутренние климатические условия, пытаясь создать герметичный, энергонепроницаемый барьер. Этот пассивный солнечный фасад направляет солнечную энергию на внешнюю кожу и использует ее для создания теплового буфера.

технологии

GH Passive Solar Facade Technology

Основная технология для этого пассивного солнечного фасада состоит из 1) поглотителя из массивной древесины, примыкающего к изолированной стене, 2) воздушного зазора, который увеличивает изоляционные свойства, и 3) стеклянного фасада с задней вентиляцией. который защищает древесный поглотитель и удерживает тепло. Его можно установить поверх любой несущей стены, включая стены из легкого каркаса из дерева или легких металлических каркасов, стены CMU или стену существующего здания.

SE Индивидуальные характеристики

Зимой панели фасада нагреваются в течение дня за счет использования солнечной энергии за счет пассивного поступления солнечного тепла.Когда солнце садится, древесный абсорбер остывает в течение 4–12 часов, обеспечивая здание тепловым одеялом, которое длится до ночи. Этот цикл значительно снижает теплопотери здания.

Сезонный цикл пассивного солнечного фасада

Летом имеет место обратный процесс. Когда солнце находится выше в небе, тщательно расположенные под углом деревянные планки теплоизолятора закрывают фасад от солнца, а стекло с задней вентиляцией выводит из системы чрезмерное тепло, в результате чего поглотитель прогревается меньше, чем зимой. .

устойчивость

Эти панели PSF – невероятно экологичный продукт и, возможно, самая экологичная облицовочная система на рынке. Это происходит не только из-за значительной экономии энергии, но и из-за низкого содержания углерода. Это чрезвычайно ресурсоэффективное решение, ведущее к действительно устойчивому будущему. Это также полезный продукт для жителей здания.

• Дерево и стекло – природные богатые ресурсы
• Вся наша древесина получена из экологически чистых источников
• Древесина сохраняется и поэтому не гниет, как при воздействии элементов (т.е. дождь или УФ-излучение)
• Наши панели PSF могут сэкономить до 85% выбросов углерода на протяжении всего жизненного цикла по сравнению с другими высокоэффективными стеновыми системами
• Мы максимально используем панели, чтобы сократить количество отходов.
• Панели снижают потребность в тепле до 90%
• Без вредных для здоровья ЛОС
• Панели подлежат 100% вторичной переработке в конце своего жизненного цикла

ДИЗАЙН

Панели

Gast Home PSF обеспечивают уникальное тепло в современной системе наружных стен из дерева за стеклом.Мы также предоставляем архитекторам и подрядчикам широкий выбор вариантов дизайна и, следовательно, гибкость в выборе эстетики.

• Порода древесины : Стандартно эти PSF изготавливаются из пихты Дугласа или сосны. Пихта Дугласа от природы темнее по цвету, что придает ей больше цветовых вариаций и более эксклюзивный вид. Сосна имеет более светлый цвет и придает особый эстетический вид.
• Варианты цвета: Древесина в этой системе может быть окрашена или окрашена в любой цвет.
• Размер: Размер панелей ограничен только размером стеклянных листов, но стеклянная панель не должна превышать 9 футов в любом направлении.

Текстуры и визуальный диапазон

Так как дерево – это натуральный материал, его цвет может отличаться от одного полотна к другому.Чтобы свести к минимуму вариации цвета, мы предпринимаем следующие шаги:

• Камеры отверждения с контролируемым климатом и влажностью
• Жесткая спецификация и контроль внешнего вида
• Точное дозирование материала в соответствии с
• Строгие процедуры управления качеством поступающего сырья

* Более темные цвета имеют большую вероятность цветового отклонения

Индивидуальные панели PSF

Gast Home разработал широкий спектр нестандартных текстур, узоров, перфораций, форм и профилей.Однако мы всегда стремимся к инновациям и продвижению новых технологий, систем и методов в поисках лучших решений для конечных пользователей по лучшей цене. Пожалуйста, свяжитесь с нами как можно скорее в процессе проектирования, чтобы наша команда могла помочь вам в оптимизации характеристик материалов, производственного процесса и бюджета.

Установка панелей PSF

Пассивные солнечные фасады

Gast Home могут использоваться с навесными вентилируемыми фасадными стенами (дождевыми экранами), с постоянной внешней изоляцией или без нее.Они также совместимы с широким спектром подрамников и могут использоваться с конструкциями навесных стен с горизонтальной и непрерывной ориентацией рельсов, прикрепленных к подрамнику.

Gast Home предлагает заказ из одного источника на несколько компонентов и систем монтажного оборудования для наших деревянных панелей. Предлагаем рельсы, зажимы, торцевые крепления и анкеры скрытого монтажа.

• Рельсы доступны длиной 12, 16 и 20 футов
• Панели просверлены на заводе под анкеры KEIL с подрезкой и могут поставляться с прикрепленными зажимами.
• Зажимы и направляющие изготовлены из вторичного сырья

Наш экструзионный профиль с зажимом специально разработан таким образом, чтобы анкеры KEIL с подрезкой механически сцеплялись с панелью без передачи внутреннего напряжения.

суставов и тепловых перемещений

Размер стыка определяется предпочтениями проектировщика, допусками на установку и перемещением здания. Температурное движение незначительно и не влияет на размер шва. Коэффициент линейного расширения 36-дюймовой панели при колебании температуры 68 градусов по Фаренгейту составляет 0,016 дюйма (0,4 мм).

Сертификаты

Деревянные панели

Gast Home проходят испытания в соответствии с методами ASTM. Все результаты испытаний превышают требования для классификации типа А, степени IV (высшая оценка).

Разработка проекта и техподдержка

Дизайнеры и менеджеры проектов

Gast Home могут участвовать в проектах от начала до производства, доставки и даже установки. Мы можем предоставить экспертные знания на каждом этапе процесса и всегда готовы помочь с тем, что вам нужно. Пожалуйста, свяжитесь с нашей группой технической поддержки с любыми требованиями.

Облицовка фенольных панелей – представители Pace

Архитектурные панели Stonewood производятся компанией Fiberesin, экспертом в области термоядерного синтеза, смешения умов и опыта для создания материалов с исключительными характеристиками, прочностью и консистенцией.

Панели Stonewood представляют собой твердые фенольные термоплавкие материалы, состоящие из нескольких листов крафт-бумаги. Эта крафт-бумага может быть сертифицирована FSC® и содержать 16% или более постиндустриальных вторичных древесных волокон. Для производства панелей из каменного дерева Fiberesin пропитывает крафт-листы с необработанной сердцевиной фенольными смолами. Затем обработанную бумагу подвергают горячему прессованию, в результате чего слои сплавляются в сплошную панель. Панель Stonewood не выделяет формальдегид, устойчива к горению и может выдерживать значительный вес, не ломаясь.

Количество использованной крафт-бумаги определяет толщину панели. Fiberesin производит архитектурные панели 4 ‘x 8’ различной толщины, чтобы удовлетворить различные требования проекта.

ProdEx – это линия наружной облицовки из натурального дерева от Prodema, разработанная для создания вентилируемых фасадов в уникальном стиле, который идеально сочетается с природой и городской средой. Этот высокотехнологичный продукт не требует регулярного ухода, который обычно требуется для деревянных фасадов.Панели ProdEX имеют фенольную сердцевину, покрытую шпоном из натурального дерева, обработанную для обеспечения максимальной устойчивости к УФ-лучам. Все панели доступны в широком диапазоне тонов, и нет двух одинаковых панелей. Существует множество вариантов толщины панелей, отвечающих требованиям всех проектных приложений.

ProdEx – облицовка вентилируемого фасада обеспечивает защиту от дождя, солнечных лучей и перепадов внешней температуры. ProdEx предотвращает проникновение воды в стены и изоляцию, оставляя их свободными от влаги за счет циркуляции воздуха за панелями.Может монтироваться с помощью открытой или скрытой системы.

Жалюзи – дополняют вентилируемый фасад, предназначены для закрытия стеклянных пространств и других поверхностей, позволяя контролировать солнечный свет и потребление энергии в здании.

Clapboard – скрытая система обшивки, которая превращает ваш фасад в традиционный обшивочный сайдинг или уникальный современный дизайн.

Щелкните здесь, чтобы увидеть монтаж стен в соответствии с требованиями NFPA 285 и IECC.

Присмотритесь к модифицированной древесине

Одно из замечательных преимуществ древесины – ее гибкость для новаторского использования в строительстве.Модифицированная древесина может быть не знакомым термином, но этот прочный строительный материал используется в домах, коммерческих и общественных зданиях, а также во внешних помещениях по всему миру.

Термин «модифицированная древесина» описывает изделия из древесины, которые были модифицированы путем обработки химическим, биологическим или физическим агентом для улучшения их характеристик.

Что отличает модифицированное дерево от традиционного, так это то, что его модификация увеличивает срок службы, что делает его идеальным для внешней облицовки, настилов, уличной мебели и многого другого.

Лучший в своем классе

Наиболее распространенными породами древесины, используемыми в процессе модификации, являются лучистая сосна, ясень, платан и тополь.

Accoya создает прочный, нетоксичный, стабильный по форме материал путем химической модификации древесины хвойных пород, выращенной на плантациях, например, сосны лучистой. Он в основном используется для внешней облицовки и деревянной обшивки, внешней террасы и столярных изделий, но портфель проектов Accoya демонстрирует основные достижения с использованием этого новаторского материала, включая восстановление линкора!

Норвежская компания Kebony производит экологически чистую и долговечную версию модифицированной древесины, в том числе из таких пород, как сосна, копируя характеристики древесины твердых пород.Он в основном используется для настилов и облицовки, но также использовался для бассейнов, на приморских объектах и ​​в странах с суровыми погодными условиями, например, в его родной стране.

ThermoWood от Metsa Wood производится путем термообработки выращенной финской сосны и ели до температур выше 200 градусов по Цельсию. Во время термообработки в древесине происходят химические и структурные изменения, которые изменяют и улучшают некоторые из ее основных характеристик. В результате получается более прочная и устойчивая древесина, идеальный материал для облицовки открытых участков, таких как внешние стены.

Tricoya, продукт Medite Smartply, представляет собой более прочную и стабильную версию традиционной панели МДФ. Tricoya можно разрезать, покрасить и обернуть без ущерба для ее прочности и устойчивости. В основном он используется на дверных обшивках и дверных панелях, облицовке фасадов, отделке, фасадах и потолках.

Британский Brimstone создается из быстрорастущих лиственных пород, таких как ясень, платан и тополь, выращиваемых в Великобритании. Его производят иначе, чем другую модифицированную древесину, поскольку в нем используется технология термической модификации древесины, что означает, что он перегревается в контролируемой обедненной кислородом среде.Это создает стабильный и прочный продукт, идеально подходящий для наружной облицовки, настилов и уличной мебели.

Разрушение формы

Наука, лежащая в основе модифицированной древесины, позволила ей проникнуть на рынки, которые часто не были затронуты рынком древесины, предоставив себя для маловероятных проектов, таких как облицовка каналов, мостик для пингвинов в аквариуме и внешняя стена для скалолазания, которые обычно создаются из таких материалов, как как камень или бетон.

Модифицированная древесина обеспечивает дополнительную прочность, устойчивость к грибкам и гниению и плохо усваивается термитами.Он сохраняет тепло, которое традиционные изделия из дерева вносят в суровый внешний вид или элементы из камня, бетона, кирпича или стали.

Основываясь на естественной приятной эстетике дерева, метод Shou Sugi Ban производит обугленные версии облицовки Accoya, Kebony и Yukari – современную форму древнего японского искусства обжига древесины. Традиционное мастерство сочетается с современными технологиями, чтобы дерево обугливалось равномерно. Это создает огнестойкий углеродный слой и создает поразительный эстетический вид.

Продукция для экономики замкнутого цикла

Модифицированная древесина не только улучшает внешний вид, но и обладает многими другими преимуществами. Это экологически чистый продукт, содержащий углерод и вносящий свой вклад в экономику замкнутого цикла с использованием большинства модифицированных деревянных изделий, использующих дизайн от колыбели до колыбели. Это стало причиной того, что Bangaroo House, проект трехэтажного ресторана в Сиднее, Австралия, выбрал модифицированную древесину Accoya. Экологичность была в центре внимания проекта, и в сочетании с Shou Sugi Ban результатом стал потрясающий образец архитектуры.Если когда-либо потребуется разобрать модифицированную древесину, ее можно будет переработать или использовать повторно, что приведет к нулевым отходам.

В своем недавнем отчете «Будущее устойчивого развития в дизайне: растущие тенденции в 2018 году и далее» Кебони рассматривает более «умные» изделия из дерева и то, как модифицированная древесина обладает впечатляющей долговечностью. Кебони утверждает, что «желание создать более экологически чистые конструкции, естественно, повлияло не только на дизайн домов или коммерческих зданий, но и привело к эволюции самих строительных материалов.Это усиливает экологические преимущества, которые модифицированная древесина может принести миру строительства.

Вариант для большего комфорта

Наряду с устойчивыми преимуществами модифицированной древесины, она имеет преимущества для здоровья и благополучия. Древесина известна своими успокаивающими свойствами, уменьшением восприятия стресса, снижением кровяного давления, улучшенным качеством воздуха и в целом повышенным чувством комфорта. Ни одно из этих преимуществ не теряется при модификации древесины. Модифицированная древесина также нетоксична, что делает ее популярной в детских и школьных учреждениях.

Дерево – идеальный материал для сокращения счетов за электроэнергию. Жилищная ассоциация в Уэст-Мидлендсе хотела предоставить своим жителям доступное жилье и была обеспокоена уровнем топливной бедности среди их арендаторов. Архитектор Architype предложил использовать принципы Passivhaus для решения этой проблемы, и они выбрали Brimstone для облицовки домов. Облицовка не только является износостойким продуктом, но и помогает сократить счета за электроэнергию и сделать дома более комфортными.

Инновации с древесиной

Модифицированная древесина – один из примеров того, как деревообрабатывающая промышленность использует науку и технику для совершенствования этого природного материала. По этой причине модифицированной древесине есть отдельная глава в книге Питера Уилсона «Современный деревянный дом в Великобритании, новые парадигмы и технологии», опубликованной издательством Wood for Good в 2017 году.

Защитник древесины и архитектор Питер Уилсон объясняет методы и преимущества модификации древесины, прежде чем приступить к изучению множества невероятных примеров, демонстрирующих использование модифицированной древесины в недорогих домах и частных проектах.

Скачать или заказать копию книги можно здесь.

Дополнительная информация

Как указать изделия из модифицированной древесины? Прочтите наше интервью с Гордоном Эубэнком, Ассоциация защиты древесины.

Найдите другие тематические исследования модифицированной древесины.

Изображения : Дом Барангару от Рори Гардинера

Влияние термической обработки на термические свойства древесины бука европейского

Это уже было показано (например,Хуанг и Ян 1995 г., Монтеу 2008 г., Чайковский и др. 2016b), что обратный анализ применительно к оценке значений коэффициентов (здесь свойств материала) задачи теплопроводности, заданной уравнениями. У (2), (3), (4) есть серьезные ограничения, т.е. одновременное определение теплоемкости и теплопроводности приводит к нахождению бесконечного числа пар коэффициентов. Таким образом, Kim et al. (2003) предложили сначала провести измерения теплоемкости, а затем использовать измеренные значения для идентификации теплопроводности анизотропных материалов с помощью обратного моделирования.Тот же подход был использован в настоящем исследовании.

Исследуемый материал характеризуется низкой теплоемкостью, что предполагает выделение относительно небольшого количества тепла при калориметрических измерениях. Следовательно, требуется предоставить образцы относительно большой массы ( м ), в данном случае ок. 400 г (таблица 2). Измерения также требовали допущения, связанного с минимальным повышением температуры калориметрической системы (Δ T ), которое было обнаружено Czajkowski et al.(2016a) равным 2 К. Это предполагало установку начальной температуры ( t _{составляет} ) на уровне прибл. 90 ° C и равновесная температура калориметрической системы ( t _e ) до прибл. 20 ° С (таблица 2). Калориметрические измерения удельной теплоемкости также сопровождались определением сухой плотности материала, то есть необработанной и термически модифицированной древесины бука. Результаты измерений удельной теплоемкости и плотности представлены в таблице 2, и каждое значение было средним из 5 повторов.Поскольку исследовательский материал был тщательно отобран и подготовлен, применяемая калориметрическая система обеспечила высокую повторяемость экспериментальных результатов, а стандартное отклонение для измерений удельной теплоемкости было ниже 4 Дж / (кг · К).

Таблица 2 Удельная теплоемкость, плотность и объемная удельная теплоемкость необработанной и термически модифицированной древесины бука

Полученные результаты измерений удельной теплоемкости для высушенного в печи состояния также представлены в таблице 2. Среднее значение, наблюдаемое для необработанного бука древесина была ок.На 250 Дж / (кг · К) выше по сравнению со значением, указанным Sonderegger et al. (2011) при влажности древесины 0%. Разница, вероятно, была связана с тем, что Sonderegger et al. (2011) получили значения удельной теплоемкости из измерений с помощью устройства с защищенной горячей пластиной, то есть λ -Meter EP500, и пересчитали полученные значения теплоемкости из коэффициента температуропроводности. Кроме того, данные об удельной теплоемкости бука европейского, полученные калориметрическими измерениями, в литературе отсутствуют.В случае термомодифицированной древесины бука европейского нет отчетов об измерениях удельной теплоемкости каким-либо экспериментальным методом. Поэтому сравнить полученные результаты с другими данными не представлялось возможным. Однако наблюдаемые изменения удельной теплоемкости могут быть связаны с изменениями плотности и ультраструктуры древесины. Плотность древесины после обработки при температуре 180 ° С практически не изменилась, и это сопровождалось лишь незначительным уменьшением теплоемкости (табл. 2). Это можно объяснить очень ограниченным разложением компонентов древесины во время термической модификации в относительно мягких условиях.Однако теплопроводность была намного более чувствительной к модификации при низкой температуре. Это свойство значительно увеличилось в тангенциальном и продольном анатомическом направлениях, в то время как было обнаружено снижение в радиальном направлении (таблица 3), что можно объяснить дополнительной реорганизацией паракристаллической целлюлозы, вызванной термической обработкой. Более того, высокие значения продольной теплопроводности после модификации аналогичны значениям, указанным для древесного вещества в том же направлении (Kollmann and Malmquist 1956), что можно объяснить разложением менее упорядоченных компонентов клеточной стенки и дополнительным упорядочением. кристаллической целлюлозы (Олек и Бонарски, 2014).

Таблица 3 Идентифицированная теплопроводность необработанной и термически модифицированной древесины бука

Фахлен и Салмен (2003) обнаружили изменения в ультраструктуре целлюлозы, вызванные гидротермальной обработкой, и заявили, что полимеры матрицы были достаточно размягчены, чтобы получить перегруппировку целлюлозы, т.е. были замечены агрегаты целлюлозы. Точно так же Туонг и Ли (2010) обнаружили, что термическая обработка может привести к дополнительному упорядочению квазикристаллических или аморфных областей целлюлозы из-за перегруппировки или переориентации полимера.Результаты были поддержаны Олеком и Бонарски (2014), которые использовали кристаллографическую текстуру для количественной оценки ультраструктурных изменений древесины, вызванных термической модификацией. Преобладающий компонент текстуры, связанный с целлюлозой, увеличивается после модификации при 180 ° C. Другое наблюдение было связано с увеличением индекса текстуры, являющегося общей мерой текстуры, то есть индекс увеличился с 0,76 (необработанная древесина) до 0,87 (термически модифицированная древесина при 180 ° C). Сообщенные ультраструктурные изменения могут объяснить увеличение теплопроводности в тангенциальном направлении после модификации при 180 ° C.Однако уменьшение свойства в радиальном направлении имеет другую природу. Древесина европейского бука характеризуется высоким содержанием лучей, превышающим среднее содержание 17% от общего объема ксилемы лиственных пород (Ressel 2007). Fengel и Wegener (1984) сообщили, что содержание лучей в древесине европейского бука достигает 27%. Лучи представляют собой анатомические элементы, способствующие передаче тепла в радиальном направлении в необработанной древесине. Эти анатомические элементы построены из паренхимы, которая подвержена термической деградации даже в относительно мягких условиях термической модификации, т.е.е. при 180 ° С. Это, по-видимому, самая важная причина значительного снижения теплопроводности в радиальном направлении после обработки при 180 ° C. Отношение радиальной теплопроводности к тангенциальной было снижено с 0,2361 / 0,1467 = 1,61 (необработанная древесина) до 0,1761 / 0,1622 = 1,09 (древесина, модифицированная при 180 ° C) (Таблица 3).

Повышение температуры обработки до 220 ° С повлияло на изменение всех исследованных свойств древесины бука. Плотность значительно снизилась с 690 до ок.620 кг / м ³ , и это было связано с разложением компонентов древесины, приводящим к разупорядочению ультраструктуры (Fahlén and Salmén 2003). Наибольшее снижение теплопроводности наблюдалось в радиальном направлении, так как свойство снизилось с 0,2361 Вт / (м · К) (необработанная древесина) до 0,1505 Вт / (м · К) (термически модифицированная древесина при 220 ° C) (Таблица 3 ). Согласно Олеку и Бонарски (2014), интенсивность текстурного компонента, связанного с целлюлозой, уменьшалась при 220 ° C. Это ясно показывает, что даже прочный и организованный компонент древесины бука подвергся разложению.Разложение упорядоченных областей материала, обработанного при 220 ° C, также отображалось нормированным индексом текстуры. Полученное значение индекса составило 0,62, то есть было ниже значений, наблюдаемых для термически модифицированной древесины при 180 ° C, и особенно для необработанной древесины. Эти ультраструктурные изменения ясно показывают, что обработка при 220 ° C вызывает разложение ультраструктуры древесины даже по сравнению с необработанным материалом.

Значения теплопроводности, определенные для тангенциального и радиального анатомических направлений, также сравнивались с единственным доступным исследованием влияния термической модификации на теплопроводность древесины, т.е.е. Кол, Сефил (2011) (таблица 4). Измерения проводились с использованием метода горячей проволоки, что связано с проблемами, связанными с определением количества тепла, выделяемого нагревательным элементом, а также с уменьшением контактного сопротивления на границе раздела между нагревательным элементом и изученный материал (Hammerschmidt, Sabuga 2000). Таким образом, в случае измерений, проводимых для древесины, метод горячей проволоки может быть причиной высокой неточности определения теплопроводности.Это, по-видимому, соответствует результатам, представленным Колом и Сефилом (2011), то есть данными теплопроводности, характеризующимися исключительно низкой анизотропией для тангенциального и радиального анатомических направлений, полученными для необработанной и термически модифицированной древесины бука при температуре 212 ° C.

Таблица 4 Сравнение значений теплопроводности для тангенциального и радиального анатомических направлений. Результаты обратной идентификации по сравнению с измерениями горячей проволоки

Качество калориметрических измерений и идентификация теплопроводности были подтверждены путем сравнения результатов моделирования нестационарного теплопереноса с эмпирическими данными экспериментов, которые не использовались для идентификации теплового проводимость.Проверка была проведена для свойств, измеренных и идентифицированных в настоящем исследовании, а также для данных, доступных в литературе. К сожалению, полные данные о тепловых свойствах, то есть удельной теплоемкости и анизотропной теплопроводности, доступны только для необработанной древесины бука. Для термически модифицированной древесины такие наборы полных данных не приводятся. Хотя Коль и Сефил (2011) использовали метод горячей проволоки для определения теплопроводности термомодифицированной древесины бука, предоставленные данные были ограничены только радиальным и тангенциальным направлениями.Кроме того, отсутствуют результаты измерения теплоемкости термомодифицированной древесины. В отличие от этого, Sonderegger et al. (2011) предоставили полный набор данных по необработанной древесине европейского бука, который включает удельную теплоемкость и теплопроводность для всех основных анатомических направлений древесины. Таким образом, проверка была ограничена результатами, полученными в настоящем исследовании, и данными, доступными для необработанной древесины бука (например, Sonderegger et al. 2011). Анализ также использовался для оценки точности прогноза температуры в случае применения тепловых свойств необработанной древесины для моделирования переходной теплопередачи в термически модифицированной древесине.

Пример выполненной проверки представлен на рис. 2, где полученные численно изменения температуры во времени сравнивались с эмпирическими данными. Подтверждение количественно оценивалось по двум ошибкам, которые были введены Олеком и др. (2003), т.е. относительная ошибка по времени e ₁ :

$$ e_ {1} \ left ({{\ mathbf {x}} _ {i}, \ tau_ {j}} \ справа) = 100 \ frac {{\ left | {\; t _ {\ exp} \ left ({{\ mathbf {x}} _ {i}, \ tau_ {j}} \ right) – t \ left ({{\ mathbf {x}} _ {i} , \ tau_ {j}} \ right) \;} \ right |}} {{t _ {\ exp} \ left ({{\ mathbf {x}} _ {i}, \ tau_ {j}} \ right) }},\;\;\;\;\;\;\;я\; = \; 1 ,…, {NS} \;, \; \; \; j \; = \; 1, …, {NT} $$

(5)

, где т _эксп ; ° C – температура, NS – количество термопар, NT – количество временных интервалов,

и глобальная относительная погрешность во времени e ₂ :

Рис. 2

Прогнозируемые значения температуры в виде функция времени для измеренных и идентифицированных тепловых свойств и данных, представленных Sonderegger et al. (2011) по сравнению с экспериментальными данными (верхний график) и относительной погрешностью e ₁ моделирования (нижний график).{2}}}}}, \; \; \; i \; = \; 1, …, {NS}. $$

(6)

Глобальная относительная погрешность во времени ( e ₂ ) была равна 0,73% для измеренных и идентифицированных термических свойств (настоящее исследование) и 7,78% для термических свойств необработанной древесины европейского бука, как сообщили Sonderegger et al. (2011). Анализ локальной по времени относительной ошибки e ₁ (нижний график на рис.2) наглядно показал, что максимум ошибки e ₁ меньше единицы.7% для моделирования с измеренными и идентифицированными тепловыми свойствами и более 12% для свойств, измеренных для необработанной древесины.