Схема утепления деревянного дома снаружи: как правильно и чем лучше утеплить

Общество оценило среднюю экономию, которую можно было бы получить на собственности, если бы домовладелец действовал в соответствии с рекомендациями по улучшению, предложенными их EPC.

В нем говорится, что домовладельцы в валлийском городе Лландриндод-Уэллс сэкономят больше всего, внеся предложенные улучшения, сократив свои счета за топливо в среднем на 330 фунтов стерлингов в год.

Недалеко от него находился Шрусбери в Шропшире со средней потенциальной экономией в 266 фунтов стерлингов.

Есть несколько мер, которые люди могут предпринять, чтобы улучшить энергетический рейтинг своего дома.

Стоимость может сильно различаться, но благодаря правительственной программе грантов Green Homes Grant домовладельцы в Англии могут подать заявку на получение ваучеров, которые в большинстве случаев покроют две трети стоимости некоторых энергоэффективных улучшений, до максимум 5000 фунтов стерлингов на семью.Те, у кого низкий доход и некоторые льготы, могут потребовать полную стоимость до 10 000 фунтов стерлингов.

Есть и другие источники помощи. Ваш поставщик энергии или другая компания могут предложить помощь. Например, Nationwide предлагает зеленый дополнительный кредит, который позволяет ипотечным клиентам брать от 5000 до 25000 фунтов стерлингов по сниженной начальной процентной ставке, при условии, что они тратят не менее половины денег на энергоэффективные улучшения дома.

Здесь, с помощью Energy Saving Trust (EST), мы рассмотрим некоторые из наиболее популярных мер и улучшений, а также то, сколько вам, возможно, придется заплатить за них.

Это быстрый и простой способ сэкономить деньги на счетах: если вы хотите изолировать бак для горячей воды, кожух цилиндра можно приобрести примерно за £ 10-15 фунтов стерлингов у розничных продавцов, таких как Screwfix и B&Q. Трубы можно изолировать с помощью пенопластовых трубок, которые можно купить в магазинах «Сделай сам» всего за несколько фунтов.

Фольговый рефлектор радиатора, как правило, очень прост в установке – вы кладете его за радиатором, и он уменьшает потери тепла, отражая его обратно в комнату.Некоторые люди используют кухонную фольгу, но на этой неделе B&Q сократила пятиметровые рулоны фольги для отражателя радиатора до 1 фунта стерлингов каждый.

Изоляция чердака должна служить десятилетиями и, надеюсь, многократно окупится.

Если ваш чердак легко доступен, вы можете сделать это самостоятельно, используя рулоны изоляции из минеральной ваты. Некоторые типы предназначены для использования в качестве базового слоя, в то время как другие предназначены для пополнения существующей изоляции.Базовые версии можно купить в магазинах DIY менее чем за 20 фунтов стерлингов.

Для профессионального установщика используйте веб-сайт Национальной ассоциации изоляции, чтобы найти местного специалиста. Они могут взимать около 285 фунтов стерлингов за дом с террасой, 300 фунтов стерлингов за дом и 375-395 фунтов стерлингов за отдельно стоящую собственность. Тем не менее, EST говорит, что эти оценки основаны на установке 270 мм изоляции (рекомендуемая глубина для изоляции минеральной ватой) на чердаке, где раньше ее не было. Если вы дополняете существующую изоляцию, стоимость будет ниже.

Некоторые поставщики энергии предлагают бесплатную изоляцию чердаков подходящим домохозяйствам в соответствии со схемой официальных обязательств энергетической компании (ECO), призванной помочь сократить выбросы углерода и решить проблему нехватки топлива. Как правило, вы должны получать одно или несколько соответствующих льгот. Полную информацию можно найти на сайте What? Веб-сайт.

Если ваш дом был построен после 1920-х годов, в нем, скорее всего, будут пустотелые стены.Однако многие дома, построенные до 1990-х годов, не имеют изоляции стен.

Как правило, вы нанимаете установщика, чтобы просверлить небольшие отверстия в наружных стенах, ввести изоляционный материал в зазор, а затем заделать отверстия цементом.

Согласно EST, средняя стоимость квартиры составляет от 345 фунтов стерлингов до 610 фунтов стерлингов за многоэтажный дом.

Некоторые поставщики энергии предлагают бесплатное утепление полых стен домохозяйствам, имеющим право на участие в программе ECO (см. выше).

Дома до 1920 года, скорее всего, имели сплошные стены, которые можно было изолировать как изнутри, так и снаружи. Это могут быть изоляционные плиты, прикрепленные к стенам.

EST оценивает типичную стоимость внутренней изоляции стен примерно в 7 400 фунтов стерлингов, а внешней изоляции стен примерно в 13 000 фунтов стерлингов (обе цифры основаны на типичном полуприцепе). Возможно, вы сможете уменьшить счет, выполнив работу одновременно с другими улучшениями, или можете отказаться от выполнения всего дома сразу.

В новых домах, как правило, бетонные полы, поверх которых может быть уложена жесткая изоляция. В старых домах, скорее всего, будут подвесные деревянные полы, которые можно утеплить, подняв половые доски и уложив между балками изоляцию из минеральной ваты.

По оценкам EST, обычная установка профессионалом будет стоить от 520 до 1300 фунтов стерлингов. Однако стоимость может значительно варьироваться в зависимости от размера дома.

Установка изоляции под половицами на первом этаже обычно позволяет сэкономить около 40 фунтов стерлингов в год на счетах за отопление.Однако есть и дешевые и быстрые решения, такие как заделка щелей в полу и плинтусах тюбиком герметика из магазина «Сделай сам» или укладка ковриков и ковровых покрытий.

Солнечные фотоэлектрические панели преобразуют энергию солнца в электричество. «Это эффективная мера, которая сократит счета за электроэнергию и ваш углеродный след», — говорится в сообщении EST. Существует множество вариантов, от панелей, которые можно установить на наклонной южной или плоской крыше, до наземных панелей или солнечных панелей.Но проверьте, есть ли какие-либо ограничения, которые применяются к вашей собственности.

Они поглощают тепло из наружного воздуха для обогрева вашего дома и воды. Эксплуатационные расходы будут варьироваться в зависимости от таких вещей, как размер вашего дома и насколько хорошо он изолирован.

В них используются трубы, закопанные в саду, для извлечения тепла из земли, которое можно использовать для радиаторов, систем напольного или теплого воздушного отопления и горячего водоснабжения в вашем доме.Опять же, эксплуатационные расходы будут различаться.

Границы | Конструкция массивных деревянных панелей в качестве теплообменников (динамическая изоляция)

1. Введение

На строительные работы приходится 28 % выбросов парниковых газов (ПГ), а 11 % выбросов приходится на строительную деятельность, в основном на производство строительных материалов, таких как цемент и сталь (Международное энергетическое агентство и Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, 2018 г. ). ). В ближайшие десятилетия рост и урбанизация населения мира создадут огромный спрос на новые здания и инфраструктуру.Таким образом, «воплощенные» выбросы в строительном секторе резко возрастут, так же как глобальные выбросы должны резко сократиться (Röck et al., 2020). Можно ли превратить эту потенциальную угрозу глобальной климатической системе в мощное средство смягчения последствий изменения климата?

1.1. Утилизация углерода

Растет 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 г.; Помпони и др., 2020). Существует ряд материалов, которые могут хранить C или CO ₂ , включая древесину, бетон, бамбук, пеньку и солому. Бетон традиционно был источником выбросов CO ₂ из-за его интенсивного производственного процесса, но может повторно поглощать значительное количество углерода в течение своего длительного срока службы (Cao et al. , 2020). Недавние достижения в производстве — адаптация процесса отверждения для поглощения большего количества углерода или минерализация CO ₂ при производстве в дымоходах для использования в качестве заполнителя — открывают возможности для использования углерода в бетонной промышленности после пожизненной карбонизации (Monkman and MacDonald, 2017; Хаберт и др., 2020). Между тем, биогенные материалы, такие как древесина и бамбук, растут за счет фотосинтеза, связывая углерод в своей биомассе. Заготовленные продукты из биомассы могут давать отрицательные выбросы в течение жизненного цикла, если леса или сельскохозяйственные культуры находятся в надлежащем порядке, а продукты являются достаточно долговечными по сравнению с их циклом роста биомассы (Guest et al., 2013; Levasseur et al., 2013). Композиты, такие как растительные бетоны — бетоны, в которых в качестве связующих используются быстрорастущие культуры, такие как конопля или солома, — потенциально могут использовать воздействие накопления как биогенного поглощения углерода, так и карбонизации (Pittau et al. , 2018). Согласно недавнему анализу, древесина и бетон могут ежегодно хранить примерно по 0,5 Гт 90 715 CO 90 716 90 717 2 90 718 при условии надлежащей координации их производственных циклов (Hepburn et al., 2019). Эти потенциальные количества ставят новые здания в один ряд с другими лидерами по использованию атмосферного углерода в техносфере.

Если здания могут работать совместно с лесами в качестве глобального поглотителя углерода, то интеграция конструкции может многократно увеличить потенциал просадки. 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 сокращения выбросов ПГ за счет функционального замещения известен как «коэффициент замещения» (Smyth et al., 2018; Seppälä et al., 2019; Hurmekoski et al., 2020). Однако для полного использования потенциала CO ₂ материалы, накапливающие углерод, должны делать больше, чем просто заменять обычные материалы по частям. Материалы должны выполнять как можно больше функций, чтобы они могли заменить целые системы с интенсивными выбросами.

1.2. Радикальная интеграция

Какие достижения в области материаловедения могут обеспечить такую ​​радикальную интеграцию? «Предназначенные 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 усовершенствованию строительных материалов, аккумулирующих углерод.Не только для улучшения их структурных характеристик, но и для интеграции тепловых и вентиляционных функций, поэтому дополнительные материалы и механические системы менее необходимы.

Одним из примеров является проектирование массивных деревянных панелей в качестве теплообменников или «дышащих стен». Принцип заключается в том, чтобы ввести в твердое тело воздушные каналы и оптимизировать их размер и расстояние, чтобы исходящая теплопроводность нагревала входящий воздух. Этот метод может сделать изоляцию и облицовочные материалы излишними, помогая упростить системы HVAC.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 тепловых условий, но результаты исследования 2017 года показывают, что она работает и для строительных материалов в умеренных условиях. Эта статья является продолжением их работы. В нем исследуется, как применять корреляцию и принципы проектирования к массивным деревянным панелям.«Массовая древесина» относится к конструкционным изделиям из древесины, склеенным из досок меньшего размера в конструкционные компоненты, такие как клееные (клееные) балки или панели из клееного бруса (CLT).

Рисунок 1 . Как оптимизировать размер и расстояние между каналами, чтобы спроектировать массивную деревянную панель в качестве теплообменника. Расчетные соотношения (уравнения 1–14) изначально были 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 своего рода технологией динамической изоляции (DI). DI начинался как новая стратегия вентиляции для сельскохозяйственных зданий в холодном климате. Инженеры описали, как всасывать свежий воздух через слой волокнистой изоляции, уменьшая потери на проводимость и одновременно нагревая воздух (Bartussek, 1981). В начале девяностых исследователи установили DI в жилом доме в Японии и сообщили о снижении тепловых потерь оболочки на 50% (Dalehaug et al. , 1993). Вскоре после этого последовали два значительных прорыва в теории DI. Была разработана простая аналитическая модель для описания устойчивого теплообмена в DI, когда известна температура внутренней поверхности или скорость поверхностной конвекции (Taylor et al., 1996, 1998; Taylor and Imbabi, 1997, 1999, 2000). Была также разработана подробная аналитическая модель, учитывающая эффекты накопления тепла и показывающая влияние периодических изменений во внешней среде (Krarti, 1994).

В последние годы возобновился интерес к теории, измерению и проектированию систем прямого доступа.Группа из Политехнического университета Милана описала микроскопические эффекты теплообмена в волокнистой изоляции и разработала прибор для тестирования панелей DI (Alongi and Mazzarella, 2015a,b). Они использовали аппарат для проверки поведения теплообмена в стационарных и периодических условиях по сравнению с простыми и подробными аналитическими моделями (Alongi et al., 2017a,b, 2020). Группа из Университета Хуажонг разработала конечно-разностную модель и аппарат для тестирования DI (Wang et al. , 2018; Zhang et al., 2019а,б). Их работа показывает, как устранить усиление оболочки летом, вытесняя отработанный воздух через изоляцию. Многочисленные 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 г.; Дехва и Крарти, 2020 г.). Вместо использования пористого материала в качестве теплообменника они разработали перегородки, которые можно открывать или закрывать для контроля конвекции 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 решения задач по удалению углерода. Вместо того, чтобы строить структуру 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 (Хепберн и др., 2019; Чуркина и др., 2020). В настоящее время в строительной отрасли широко используются древесина и бетон, но в каждом случае необходимо преодолеть серьезные проблемы. Например, биогенные материалы должны быть достаточно долговечны по сравнению с ростом их биомассы, чтобы увеличить накопление углерода в строительном секторе без ущерба запасам углерода в лесах или насаждениях (Guest et al., 2013; Pingoud et al., 2018). Лесам требуются десятилетия, чтобы отрасти, в то время как у таких культур, как бамбук, конопля и солома, период севооборота может составлять всего 1 год.Однако эти быстрорастущие материалы требуют более интенсивного производства и дополнительных материалов для превращения их в монолитный материал, пригодный для предлагаемого способа теплообмена. Между тем, бетон требует значительной адаптации процессов его отверждения и производства, чтобы уменьшить его выбросы от колыбели до ворот, но хранит карбонаты в течение десятилетий или столетий, в то время как биогенные материалы, такие как древесина, подвержены риску выброса в конце срока службы.

Несмотря на препятствия, цепочки поставок и жизненные циклы продукции для всех инженерных материалов нуждаются в фундаментальном пересмотре, и в обеих областях необходимо провести важные исследования.Отрасли, вероятно, потребуются как биогенные технологии хранения углерода, так и технологии декарбонизации в бетонной промышленности, чтобы иметь шанс обратить вспять тенденцию к увеличению выбросов в ближайшие десятилетия. В центре внимания данного исследования находится древесина, так как она уже широко используется, а ее термические свойства делают ее идеально подходящей для предлагаемого метода теплообмена. На рис. 2 сравнивается установившийся теплообмен двух панелей, одной из дерева и одной из бетона. Оба оптимальны, рассчитаны на одинаковую относительную скорость теплообмена.Однако бетонная панель невозможна, поскольку абсолютные требования к теплу и тепловые потери слишком высоки. Причина в теплопроводности бетона, которая в 10 раз выше, чем у дерева (см. рис. 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 базовые потери тепла, U ₁ общий теплообмен, U ₂ приток тепла вентиляцией и U U теплообмена. ₃ тепловые потери. У дерева более низкая теплопроводность, чем у бетона, поэтому можно уменьшить потери теплопроводности ( U ₃ ) без чрезмерного проветривания ( U ₂ ) или перегрева ( U ₁ ), что делает его более подходящим к этому приложению.

1.5. Граничные условия

Одним из давних вопросов в исследованиях DI с пористыми материалами является то, какие граничные условия следует принимать при моделировании. Полевые эксперименты показали более низкие, чем предполагалось, температуры на внутренней поверхности, что отрицательно сказывается на тепловом комфорте и экономии энергии (Dalehaug et al., 1993).

Как ведет себя конвекционная граничная пленка на внутренней поверхности? Этот вопрос важен для исследования DI, потому что пористые материалы должны получить тепло из помещения, прежде чем они смогут передать его поступающему воздуху.Используя шлирен-визуализацию, 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. Конвективный теплообмен увеличивался в несколько раз, а тепло в граничной пленке отсасывалось 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. Требуется не так много нагрева. Например, для примера с деревянной панелью на рисунке 2 требуется только U1=2 (Вт/м2·K), что находится в диапазоне стандартного напольного отопления. В настоящем исследовании использовался нагрев электрическим сопротивлением, поскольку это было целесообразно с учетом имеющихся ресурсов. Для нагрева тестовых панелей в шлирен-исследовании была изготовлена ​​специальная гидроническая панель. Стандартные капиллярные трубки также подходят для прямого контактного нагрева.Для будущих применений предпочтительны гидравлические контуры. Технологии отопления или охлаждения, в которых используются большие поверхности теплообмена 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 энергия, геотермальная энергия и инфракрасное небо (Meggers et al. , 2012). ; Лим, 2019).

1.6. Естественная вентиляция

Если гидронические поверхности идеально подходят для теплообменных оболочек из мономатериала, существуют ли другие возможности для интеграции функций HVAC? Естественная вентиляция играет важную роль в минимизации инфраструктуры ОВКВ и ее выбросов в течение жизненного цикла (Kiamili et al., 2020). Значительные успехи были достигнуты в понимании гидромеханики плавучей вентиляции, которая приводится в действие теплом, а не ветром. Например, один прорыв произошел в 2009 году, когда исследователи охарактеризовали автоматический механизм рекуперации тепла, известный как «естественное смешивание» (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 изучали возможность сочетания DI с естественной вентиляцией (Etheridge and Zhang, 1998; Ascione et al. , 2015; Park et al., 2016). Связь можно усилить, используя мономатериальные теплообменные оболочки (то есть «дышащие стены»). Используя эффект плавучести, все тепло- и воздухообмены можно контролировать с помощью встроенной гидронической поверхности.На рис. 3 показаны две возможности. С левой стороны плавучесть приводит в действие вентиляцию, но рекуперация тепла на выхлопе отсутствует. В правой части показана гипотеза о том, как восстановить вентиляцию на вытяжке с помощью двойной оболочки. В данной статье не рассматриваются естественные контуры рекуперации тепла. Тем не менее, он делает первый шаг, показывая, что в идеализированных обстоятельствах можно сочетать дышащие стены с плавучей вентиляцией.

Рисунок 3 . Умозрительные схемы, предлагающие соединить «дышащие стены» с плавучей вентиляцией. (слева) Плавучесть приводит в действие вентиляцию, но рекуперации тепла на выхлопе нет. (справа) Гипотеза восстановления вентиляции на вытяжке с помощью двойной оболочки.

1.7. Outlook

В этом документе представлены результаты трех экспериментов, характеризующих поведение массивных деревянных панелей, оптимизированных для использования в качестве теплообменников. Предоставляется приложение, чтобы читатели могли сами оценить возможные варианты дизайна (Craig and Fortin, 2020). В первом эксперименте измеряется стационарное поведение панели, подвергнутой ступенчатому изменению нагрева.Второй эксперимент измеряет изменения теплообмена из-за изменения температуры. Последний эксперимент показывает, что можно всасывать вентиляцию через панели, используя тепловую плавучесть вместо вентилятора, сохраняя при этом ожидаемую скорость теплообмена.

2. Теория

2.1. Стационарный теплообмен

На Рисунке 1 показан принцип оптимизации параллельных каналов в твердом материале для теплообмена с противопотоком. Для этого сценария были разработаны две числовые корреляции (Kim et al., 2007). Обе корреляции были подтверждены экспериментально (Craig and Grinham, 2017). Первое соотношение дает оптимальное расстояние между каналами:

Поскольку панели требуют относительно высокой скорости вентиляции, они лучше всего подходят для относительно больших зданий с высокой посещаемостью. Рассмотрим кубическое здание квадратной длины х = 12 м . Он террасный, поэтому открыты только два фасада. Скорость вентиляции на единицу площади панели составляет u = 0,01 м ³ / с / м ² (т.д., 10 л / с / м ² ). Количество воздухообменов в час: Н = 3, 600 · u · 2 х ² / х ³ = 7200 u х / / / Если панели занимают 100 % площади фасада, N = 6. Если панели занимают 50 % площади фасада, N = 3 и т. д.

2.2. Переходный теплообмен

Характеристики деревянных панелей при постоянном теплообмене многообещающие, но сколько времени требуется, чтобы они достигли установившегося режима, и как суточные колебания внешней температуры влияют на теплообмен?

Модель 1994 года, описывающая переходное поведение динамической изоляции, недавно была подтверждена 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 материалов с открытыми порами в условиях противопотока, но не применяется к материалам, в которых поток проводимости изменяется в двух или трех пространственных измерениях, как показано на рис. 1. Основа принципа «дышащей стены», показанная на рис. Рисунок 1 представляет собой исследование, которое показало, как оптимизировать параллельные каналы для устойчивого теплообмена в экстремальных тепловых условиях (Ким и др., 2007). Эти исследователи расширили свою работу, оптимизировав древовидные каналы в установившемся режиме, 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, описывающей переходный встречный теплообмен в панели с параллельными каналами. Вместо этого тепловой отклик можно аппроксимировать как функцию числа Фурье:

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

Число Фурье — это мера времени без единиц измерения.Это соотношение, где 1 означает, что тепло проникло на всю глубину объекта. Тепловой отклик «дышащей стены» на ступенчатое изменение температуры поверхности или поверхностного теплового потока теперь можно охарактеризовать как:

, где NTU — расчетное значение в установившемся режиме, определяемое 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), а a ₂ контролирует кривизну. Для калибровки используются стандартные аналитические растворы, являющиеся полезным эталоном (Bart and Hanjalić, 2003; Incropera et al., 2007). Плоская стена представляет собой сплошную стену, подвергающуюся нагреву с обеих сторон.При поверхностном отоплении с постоянным тепловым потоком:

А при поверхностном нагреве с постоянной температурой:

, где a ₁ = 0 для обоих условий. Таким образом, мы предполагаем, что при ступенчатом изменении поверхностного нагрева общая теплопередача через «дышащую стенку» будет развиваться аналогично плоской стенке той же характерной длины с небольшими отличиями из-за формы. последствия.

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, чтобы получить квази установившееся состояние, полная (нормализованная) теплопередача должна периодически колебаться вокруг установившегося среднего 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):

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

2.3. Теплообменник с поплавковой вентиляцией

Рассмотрим здание в левой части рис. 3, работающее в установившемся режиме и без людей.Только встроенная TAS (термически активная поверхность) обогревает помещение. Других ощутимых притоков тепла или скрытых эффектов теплопередачи нет. Часть тепла от TAS передается в помещение, а остальное теряется в окружающую среду за счет теплопроводности:

, где q ₀ — общий нагрев от (обеих сторон) ТАС, q _hx — общий теплообмен с помещением, а q _{— это общий теплообмен с помещением. полная потеря проводимости через оболочку.Теплообмен от ТАС к помещению ( q hx ) происходит двумя путями. Во-первых, переходом на приточный воздух, через теплообменную панель. Во-вторых, при прямом контакте с комнатным воздухом через открытую поверхность:}

Свойства материала, необходимые для прогнозирования установившейся и переходной теплопроводности, включают теплопроводность k ( Вт / м K ), температуропроводность α ( м ² / с ) и объемную теплоемкость1 ρ 9071 5 . c ( J / m ³ · K ).Для древесины эти свойства зависят от породы, направления и места измерения, а также условий окружающей среды. Для измерения тепловых свойств южной желтой сосны использовали измерительное устройство (анализатор теплопроводности C-Therm) и метод переходного плоского источника (ASTM D7984). Образцы были изготовлены из той же партии, что и тестовая панель, и разрезаны в радиальном и поперечном направлениях до волокон. Было приготовлено по пять образцов каждого направления зерна, каждый испытан десять раз.Результаты показаны на рисунке 6 в сравнении с другими породами древесины и строительными материалами.

3.1.2. 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 углубление таким образом, чтобы TAS (см. раздел 3.1.3) располагался заподлицо с поверхностью. Размер датчиков теплового потока определял расстояние между каналами в панелях. Температуру воздуха измеряли термопарами Omega Type T.Температуру T _e измеряли, помещая наконечники двух термопар над центром двух каналов, затем взяв среднее значение. Это измерение было близко сопоставимо с температурой, отслеживаемой вне испытательного бокса. Измерения были записаны с помощью регистратора данных GL240. Малый канал не позволял измерять термопарами T _и . При расположении над каналом ТАС воздействовал на термопару, и введение термопары в канал блокировало поток.

3.1.3. Термоактивная поверхность

Поверхностный нагреватель, называемый здесь термоактивной поверхностью (ТАС), был изготовлен с использованием нагревательных проводов электрического сопротивления. Массив нихрома 60 26 Ga был прикреплен к алюминиевому листу толщиной 0,063 дюйма, в котором были просверлены отверстия, соответствующие каналам в тестовой панели. Массив проводов был намотан на секции высотой 1/4 дюйма из стержня из ПТФЭ диаметром 1/2 дюйма. Стержни были прикреплены к алюминиевой пластине с шагом 1 дюйм, чтобы создать расстояние между проводами 1/2 дюйма. Провод был электрически изолирован от алюминия листом полиэфирной пленки с клейкой основой.Полиэфирная пленка с алюминиевым покрытием была закреплена на проволочном массиве с помощью аэрозольного клея. ТАС была разделена на две параллельные цепи и подключена к регулируемому источнику питания Extech мощностью 600 Вт.

3.2. Вентиляторный аппарат

Этот аппарат позволял 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). Были использованы тонкие листы, поэтому камера была герметичной, но не аккумулировала тепло.Стыки камеры заделывал герметиком и слоем скотча. К одному концу коробки была прикреплена деревянная рама со сплошным уплотнительным кольцом, которое прижималось к краю испытательной панели. Резьбовые стержни, по одному на каждом углу, проходили через панель. Резиновые шайбы и гайки использовались для крепления панели к раме и сжатия прокладки. На другом конце коробки был установлен кусок жесткой изоляционной панели диаметром 2 дюйма с отверстием для установки калиброванного вентилятора RetroTec серии 5000. Вентилятор снижает давление внутри бокса, имитируя интерьер здания.Разность давлений контролировалась и контролировалась расходомером RetroTec DM32 и набором трубок Пито. ТАС наносили на поверхность панели, обращенной внутрь камеры, и управляли регулируемым источником питания Extech мощностью 600 Вт.

3.2.1. Установившийся теплообмен, время до установившегося состояния

Испытания проводились при расчетном давлении (3 Па) и возрастающих приращениях давления (5, 7, 9 Па). Стационарное состояние определялось как точка, когда тепловой поток (q1″) достигал ±5% целевого теплового потока.Для каждого давления был проведен цикл из трех испытаний с расчетным тепловым потоком (т. е. тепловым потоком, оптимизированным для 3 Па). Затем для каждого давления был проведен еще один раунд из трех испытаний, на этот раз с постепенным увеличением теплового потока, как если бы панель была оптимизирована для этого давления. Разница между обоими методами была незначительной, и результаты 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.Испытания проводились 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 ТАС, так что средний тепловой поток находился в пределах ±5% от расчетного теплового потока.

3.3. Аппарат плавучести

Для проверки муфты с поплавковой вентиляцией была изготовлена ​​отдельная камера, служащая вспомогательным зданием. Теплообменная панель была установлена ​​горизонтально на уровне пола, чтобы обеспечить равномерное давление на поверхности ТАС и хорошее перемешивание внутреннего воздуха (как обсуждалось в разделе 2.3, если бы панель была вертикальной, давление на ней зависело бы от высоты, а также скорость и теплообмен, и был бы риск обратного потока, если бы внутренний воздух расслоился; эти эффекты будут исследованы в будущих исследованиях). Устройство было высотой 8 футов (2,44 м), высотой с комнату, для создания разумного давления в дымовой трубе. Камера была тонкой с конусом, как дымоход, чтобы избежать обменных потоков наверху. Камера была обшита войлоком и жесткой изоляцией (см. рис. 8). Тестовая панель была установлена ​​на дне камеры так, чтобы ТАС был обращен внутрь.На стык между камерой и панелью был наложен слой ленты для создания воздухонепроницаемого уплотнения. Верхнее отверстие камеры имело размеры 2 дюйма на 2 дюйма (5 × 5 см). Вся сборка была установлена ​​на ножках, которые удерживали дно камеры на высоте 2 фута (60 см) над землей. Термопары располагались в тех же местах над каналами, что и в эксперименте с вентилятором, и через равные промежутки внутри дымохода. Датчики дифференциального давления Sensirion SDP800 были прикреплены к узлу трубки Пито для измерения скорости воздуха на выходе.Испытания проводились путем постепенного увеличения мощности нагрева ТАС. Перед проведением измерений панели дали достичь стационарного состояния (в данном исследовании это определяется как момент, когда тепловой поток достигает ±5% расчетного теплового потока).

Рисунок 8 . Экспериментальная установка для принудительной вентиляции. Этот прибор использовался в третьем эксперименте (см. раздел 3.3) для измерения внутренней температуры и расхода воздуха в второстепенном здании, когда вентиляция через тестовую панель осуществляется за счет тепловой плавучести вместо вентилятора.

4. Результаты и обсуждение

4.1. Стационарный теплообмен

На рис. 9 показаны результаты общего нормированного теплообмена для обеих панелей. Черные пунктирные линии представляют уравнение (4), а заштрихованные маркеры показывают измерения при расчетном давлении, а именно 3 Па. Слева направо незаштрихованные маркеры показывают измерения при непроектном давлении, а именно 5, 7 и 9 Па. Таблицы 3, 4 суммируют результаты по U ₁ , NTU и ε.

Рисунок 9 .Измерения устойчивого теплообмена для акрила (слева) и сосны (справа). Данные нанесены на график в зависимости от прогнозируемого теплообмена по уравнению (4) при расчетном (заполненном) и не расчетном давлениях (открытом). Второстепенные пунктирные линии показывают новые корреляции (уравнения 35, 36) для теплообмена для всего диапазона давлений.

Таблица 3 . Измерения для устойчивого теплообмена, сосновая панель.

Таблица 4 . Измерения 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 (нормированную) теплопередачу оптимизированной панели при расчетном давлении. Его можно использовать для прогнозирования производительности, когда характеристики (например, теплопроводность, толщина панели) гибко изменяются после указания расчетного давления, как показано в предоставленном приложении (Craig and Fortin, 2020).

Таблица 3 показывает, что нормализованная теплопередача при расчетном давлении составила NTU = 1,47 ± 0,05 для тестовой панели из дерева по сравнению с прогнозируемым значением NTU = 1,53 ± 0,03. Для «контрольной» тестовой панели совпадение было еще более близким (см. табл. 4). Тесное соответствие между прогнозами и измерениями при расчетном давлении расширяет результаты недавней экспериментальной проверки (Craig and Grinham, 2017) и подчеркивает надежный характер первоначальных корреляций.Эти корреляции были разработаны для экстремальных тепловых условий (Kim et al., 2007), поэтому удивительно, что они так точно переносятся на строительные материалы в условиях окружающей среды. Анизотропия волокон 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 древесных волокон для повышения эффективности теплообмена.

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

и для соснового щита:

Где NTU — общая теплопередача при расчетном давлении, определяемом уравнением (4). Коррелирующие коэффициенты и показатели степени 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 последующих экспериментах уравнение (36) используется для прогнозирования устойчивой теплопередачи испытательной панели при нерасчетном давлении (давлении, для которого панель не была оптимизирована).

Уравнения (35) и (36) имеют разные наклоны (показатели). Таким образом, кажется, что анизотропия действительно играет роль в ограничении общей теплопередачи при нерасчетном давлении. 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 переключается 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 для ε. Каково объяснение? Это помогает рассмотреть методы измерения эффективности теплообмена, которых существует четыре. Первый способ – 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 теплопроводности к общей теплопередаче:

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

Или:

Оба метода требуют точного измерения T _i , поскольку q2″=u ρc (Ti-Te).Однако измерить Т _и нынешним прибором не удалось. Малый диаметр каналов означал, что термопара либо блокировала канал, либо находилась под влиянием TAS (см. раздел 3.1.2). Следовательно, хотя этот эксперимент подтверждает общую теплопередачу, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, какая часть тепла передается приточной вентиляции. Вопреки здравому смыслу, тепло, исходящее от внешней поверхности, может не полностью отдаваться окружающей среде.Оптическая шлирен-визуализация показала, что во время всасывания конвекция усиливается на внешней поверхности, 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 увеличением потерь. В дальнейших исследованиях для измерения T _i можно было бы использовать такой метод, как фоново-ориентированный шлирен, так что измерения эффективности теплообмена можно триангулировать, а влияние рекуперации тепла внешней пленки можно оценить. определенный.

4.2. Переходный теплообмен

4.2.1. Время перехода в устойчивое состояние

На рис. 10 показано, как меняется теплообмен при ступенчатом изменении поверхностного нагрева. Данные для сосновой панели усреднены по трем испытаниям при расчетном давлении (3 Па). Электрическая мощность нагрева поверхности была постоянной на протяжении всего эксперимента. На левом графике показан общий теплообмен ( NTU ( t )), на правом графике показана эффективность теплообмена (ε). Оба графика отслеживают изменение числа Фурье, определяемого уравнением (15), относительным показателем изменения проводимости внутри объекта с течением времени.Характеристическая длина панели составила L _c = 0,021, рассчитанная по уравнению (16). Эксперименты длились чуть более 240 минут. Следовательно, Fo = 1 отмечает ~1 час. Он также отмечает важный порог: время, за которое тепло предположительно проникает на всю глубину объекта.

Рисунок 10 . Тестовая 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 тестовой панели тепловой поток q1″ достигал ±5% от расчетного значения через ~110 мин, когда Fo ~1,8. (После этого момента данные использовались для измерения установившегося теплообмена, см. раздел 4.1). Fo ~1,8 знаменует собой еще один важный момент, когда данные отклоняются от эталонных значений, обозначенных черными пунктирными линиями. Эти эталоны представляют собой передачу тепла через плоскую стенку одинаковой характеристической длины при ступенчатом изменении нагрева при постоянной температуре или постоянном тепловом потоке, прикладываемом к обеим поверхностям (см. уравнения 17–19).Как и предсказывалось, до достижения стационарного состояния теплопередача развивается аналогично плоской стенке той же характерной длины с небольшими отличиями из-за эффектов формы. Данные для NTU ( t ) хорошо коррелируют с уравнением (17), когда:

и:

, когда уравнение (36) заменяет уравнение (4). Напомним, что числа и ₁ управляют положением кривой, описываемой уравнением (17), а числа и ₂ управляют кривизной.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 являются правильными подходами к решению этого вопроса.

На правом графике показано изменение эффективности теплообмена со временем в соответствии с двумя методами ее измерения. Как обсуждалось, остается вопрос относительно фактической эффективности теплообмена и дополнительных измерений, необходимых для ее подтверждения.Отклоняющаяся кривая на правом графике рисунка 10 может отражать усиление теплопередачи на внешней поверхности из-за всасывания. Кроме того, рекуперация тепла на внешней поверхности из-за всасывания граничной 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 и не теряется во внешней среде.

4.2.2. Периодический теплообмен

Сосновая панель была протестирована в тени на открытом воздухе с использованием того же аппарата 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 общий (нормализованный) теплоперенос периодически изменяться вокруг стационарного значения, как предсказывает уравнение (20). На рис. 11 показаны результаты. Участок (а) показывает вариацию температур ( T _E , T _S , T _S — T _E ) Со временем во время участия (б) показывает изменение коэффициентов теплоотдачи ( U ₁ , U ₃ ).Обратите внимание, что базовое значение U равно U ₀ = k / L = 2,95 (см. Таблицу 2).

Рисунок 11 . Периодический теплообмен в уличных условиях для тестовой панели из сосны. (А) Температура. (Б) Коэффициенты теплопередачи. (C) Суммарная (нормированная) теплопередача. (D) Эффективность теплообмена.

Графики (a) и (b) включены для справки, но графики (c) и (d) представляют собой результаты, представляющие общий интерес, поскольку графики для NTU (t) и ε должны воспроизводиться в различных климатических условиях с различными конструкциями панелей. .Общий (нормализованный) теплообмен вел себя так, как предсказывает уравнение (20), несмотря на воздействие легкого бриза и нормальные колебания наружной температуры (т. е. колебания, которые не были идеально синусоидальными). Уравнение (20) включает коэффициент a ₁ , который учитывает влияние формы и калибрует величину теплопередачи. Здесь использовалось значение для a ₁ , определенное в предыдущем эксперименте по уравнению (41). Тот факт, что a ₁ одинаковы в обоих экспериментах, предполагает, что это действительный коэффициент формы для переходной проводимости (Bart and Hanjalić, 2003).Если это так, то существенно не изменится при изменении размеров панели (хотя и оптимизированной).

Предыдущие два эксперимента выявили несоответствие между двумя методами измерения ε (см. Таблицу 3 и Рисунок 10B). Это несоответствие усиливается на рисунке 11D. Сигнал данных для метода измерения 2 (уравнение 38) ниже и более изменчив, чем для метода измерения 1 (уравнение 37). На рисунке 11 метод измерения 2, показанный на графике (d), накладывает сигналы для U ₁ и U ₃ , показанные 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 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 поплавковой вентиляцией

Отдельная камера, выступающая в качестве прокси-здания, была изготовлена ​​для испытания муфты с поплавковой вентиляцией в стационарном режиме.На рис. 12 представлены результаты. На графике (а) показана относительная температура внутри ( T _ii − T _e ) в зависимости от общего нагрева от TAS ( q _{0 0 717 0 0 717 0 0 0 0 0 ). На графике (b) показана скорость вентиляции плавучести (Q), а также в зависимости от общего нагрева от TAS. На графиках показаны две расчетные кривые, представляющие ламинарный (синий) или полностью турбулентный (красный) поток. Эти прогнозы были сделаны путем численного решения системы уравнений в разделе 2.3, где уравнения (32) и (33) оценивают коэффициент расхода дымовой трубы в соответствии с любым условием потока.}

Рисунок 12 . Тестовая панель из сосны, совмещенный теплообмен с поплавковой вентиляцией. (A) Внутренняя температура (относительно наружной) и (B) расход вентиляции в зависимости от увеличения подводимого тепла.

По мере увеличения нагрева ( q ₀ ) также увеличивается интенсивность плавучей вентиляции (Q) и средняя температура внутри ( T _ii ).Большинство точек попадают в заштрихованную область, что подтверждает теорию, описанную в разделе 2.3. Эти результаты дают дополнительное подтверждение того, что ожидаемые скорости теплообмена имеют место.

Обратите внимание, что погрешность измерения температуры больше, чем погрешность измерения вентиляции. Интенсивность вентиляции измерялась в самом узком месте дымохода, чуть ниже 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 испытывали турбулентность.

Этот эксперимент демонстрирует, что можно всасывать вентиляцию через панели, используя тепловую плавучесть вместо вентилятора, сохраняя при этом ожидаемые скорости 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 зависело бы от высоты, равно как и скорость и теплообмен.Внутренний воздух мог расслоиться ниже верха панели (в зависимости от высоты дымохода относительно верха панели). В этом случае имелся бы отток по верхним каналам. Все эти эффекты были специально разработаны вне эксперимента, чтобы проверить 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 регенерации тепла от вентиляции.В правой части рисунка 3 показана одна из возможных конфигураций.

5. Заключение

Общая тема заключается в том, как радикально упростить конструкцию деревянных зданий, чтобы уменьшить физические 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 поступающим воздухом. Анализ и эксперименты показывают, что можно добиться низких теплопотерь (0,1 0,6), что, в свою очередь, требует относительно высокой скорости вентиляции (5 < u < 20 л/с).

Мы предоставили приложение, чтобы коллеги-исследователи могли оценить влияние различных параметров на оптимальную геометрию и теоретические характеристики деревянных панелей в условиях устойчивого теплообмена. 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 устойчивом теплообмене, измерить эффективность теплообмена и выявить влияние анизотропии из-за структуры волокон древесины. Нормированный теплообмен при расчетном давлении составил NTU = 1,47 ± 0,05 по сравнению с расчетным значением NTU = 1,53 ± 0,03. Таким образом, анизотропия древесины не оказывала существенного влияния на общую теплопередачу при расчетном давлении. Расчетный теплообмен при расчетном давлении 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 провести точные измерения эффективности теплообмена.

Затем мы использовали те же экспериментальные данные, чтобы охарактеризовать переходную реакцию тестовой панели на ступенчатое изменение нагрева. Мы обнаружили, что общая теплопередача развивается так же, как и через плоскую стенку эквивалентной характеристической толщины, достигая стационарного состояния, 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. Суммарная теплопередача периодически изменялась вокруг среднего значения — расчетного значения в установившемся режиме. Простая модель, описывающая периодические колебания, которая включала эмпирический коэффициент формы, полученный в эксперименте по ступенчатому изменению, учитывала передачу тепла с точностью до R ² = 0,9953 ± 0,0023.

Наконец, мы показали, что можно сочетать дышащие стены с плавучей вентиляцией.Испытываемый образец был установлен горизонтально в нижней части дымовой трубы. Устройство было сконструировано таким образом, чтобы воздух внутри оставался хорошо перемешанным. Хотя это представляло собой идеализированные условия, это позволило нам подтвердить ключевые взаимосвязи тепловой связи, выраженные системой уравнений в разделе 2.3. Измерения внутренней температуры и скорости вентиляции находились в прогнозируемых пределах в зависимости от ламинарного или турбулентного потока. Согласно этим результатам, скорость теплообмена через панель происходила, 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.

Вклад авторов

SC: концептуализация, методология, программное обеспечение, формальный анализ, ресурсы, обработка данных, написание — первоначальный проект и написание — обзор и редактирование. AH, KF, PR и JE: программное обеспечение, формальный анализ, исследование, обработка данных, написание — первоначальный проект, написание — проверка и редактирование, визуализация и администрирование проекта.AF: надзор, ресурсы, администрирование проекта, получение финансирования и написание — обзор и редактирование. ДК и КМ: контроль 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 могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить всех сотрудников и преподавателей Сельской студии Обернского университета, особенно Стивена Лонга, за предоставление ресурсов и условий для проведения этого исследования. Также благодарим доктора Дэниела Харриса и доктора Чандона Роя, которые помогали в тестировании термических свойств. Наконец, спасибо Инициативе по устойчивому лесному хозяйству за интерес и поддержку.

Ссылки

Акред, А. (2014). Естественная вентиляция в многоэтажных зданиях: предварительный подход к проектированию (докторская диссертация), Имперский колледж Лондона.

Академия Google

Алонги, А., Анджелотти, А., и Мацарелла, Л. (2017a). Аналитическое моделирование дышащих стен: экспериментальная проверка с помощью лабораторной установки с двойным вентилируемым термобоксом. Энергетический процесс . 140, 36–47. doi: 10.1016/j.egypro.2017.11.121

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Алонги, А., Анджелотти, А., и Мацарелла, Л. (2020). Экспериментальная проверка стационарной периодической аналитической модели для дышащих стен. Стр. Окружающая среда . 168:106509. doi: 10.1016/j.buildenv.2019.106509

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Алонги, А., и Мацарелла, Л. (2015a). Характеристика волокнистых изоляционных материалов при их применении в технологии динамической изоляции. Энергетический процесс . 78, 537–542. doi: 10.1016/j.egypro.2015.11.732

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Алонги, А., и Мацарелла, Л. (2015b). Термобокс с двойной вентиляцией: лабораторный прибор для испытаний технологий воздухопроницаемых ограждающих конструкций. Энергетический процесс . 78, 1543–1548. doi: 10.1016/j.egypro.2015.11.198

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Асьоне, Ф., Бьянко, Н., Стасио, К.Д., Мауро, Г.М., и Ваноли, Г.П. (2015). Динамическая изоляция оболочки здания: численное моделирование в переходных условиях и сопряжение с ночным естественным охлаждением. Заяв. Терм. Eng . 84, 1–14. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.03.039

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бартуссек, Х.(1981). Porenluftung, eine zugfreie Stallluftung. ДЛЗ 32, 48–58.

Академия Google

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.

Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Каррер П., Варгоцки П., Фанетти А., Бишоф В., Фернандес Э.Д.О., Хартманн Т. и др. (2015). Что сообщает нам научная литература о взаимосвязи вентиляции и здоровья в общественных и жилых зданиях? Стр. Окружающая среда . 94, 273–286. doi: 10.1016/j.buildenv.2015.08.011

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чуркина Г., Organschi, A., Reyer, C.P.O., Ruff, A., Vinke, K., Liu, Z., et al. (2020). Здания как глобальный поглотитель углерода. Нац. Поддержать . 3, 269–276. doi: 10.1038/s41893-019-0462-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Академия Google

Дехва, А.Х.А. и Крарти М. (2020). Влияние переключаемой изоляции крыши на энергетические характеристики жилых зданий в США. Стр. Окружающая среда . 177:106882. doi: 10.1016/j.buildenv.2020.106882

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Эстрин Ю., Бреше Ю., Данлоп Дж. и Фратцль П. (ред.). (2019). Архитектурные материалы в природе и технике: архиматы . Чам: Springer International Publishing.

Реферат PubMed | Академия Google

Этеридж, Д.В. и Чжан, Дж. Дж. (1998). Динамическая изоляция и естественная вентиляция: технико-экономическое обоснование. Стр. Серв. англ. Рез. Технол . 19, 203–212. дои: 10.1177/014362449801

3

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гест, Г., Черубини, Ф., и Стрёмман, А. Х. (2013). Потенциал глобального потепления выбросов углекислого газа из биомассы, хранящейся в антропосфере и используемой для получения биоэнергии в конце жизни. J. Ind. Ecol . 17, 20–30. doi: 10.1111/j.1530-9290.2012.00507.х

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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. Преподобный Земля Окружающая среда . 1, 559–573. doi: 10.1038/s43017-020-0093-3

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Hepburn, C., Adlen, E., Beddington, J., Carter, E.A., Fuss, S., Dowell, N.M., et al.(2019). Технологические и экономические перспективы утилизации и удаления СО ₂ . Природа 575, 87–97. doi: 10.1038/s41586-019-1681-6

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Hoxha, E., Passer, A., Saade, M.R.M., Trigaux, D., Shuttleworth, A., Pittau, F., et al. (2020). Биогенный углерод в зданиях: критический обзор методов LCA. Стр. Города 1, 504–524. doi: 10.5334/bc.46

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Инкропера, Ф., ДеВитт, Д., Бергман, Т.Л., и Лавин, А.С. (2007). Основы тепломассообмена . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons.

Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ким, С., Лоренте, С., и Бежан, А. (2009). Преходящее поведение васкуляризированных стенок при внезапном нагревании. Междунар. Дж. Терм. Наука . 48, 2046–2052 гг. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2009.03.019

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Меггерс, Ф., Риттер, В., Гоффин, П., Баетшманн, М., и Лейбундгут, Х. (2012). Внедрение строительных систем с низкой эксергией. Энергия 41, 48–55. doi: 10.1016/j.energy.2011.07.031

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Академия Google

Монкман, С., и Макдональд, М. (2017). Об использовании диоксида углерода как средстве повышения устойчивости товарного бетона. Дж. Чистый. Товар . 167, 365–375. doi: 10.1016/j.jclepro.2017.08.194

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пингоуд, К., Экхольм, Т., Сивенен, Р., Хуусконен, С., и Хининен, Дж. (2018). Компромиссы между запасами углерода в лесах и заготовками в устойчивом состоянии – многокритериальный анализ. Дж. Окружающая среда. Манаг . 210, 96–103. doi: 10.1016/j.jenvman.2017.12.076

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Питтау Ф., Краузе Ф., Люмия Г. и Хаберт Г.(2018). Быстрорастущие материалы на биологической основе как возможность хранения углерода в наружных стенах. Стр. Окружающая среда . 129, 117–129. doi: 10.1016/j.buildenv.2017.12.006

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Помпони, Ф., Харт, Дж., Арехарт, Дж. Х., и Д’Амико, Б. (2020). Здания как глобальный поглотитель углерода? Реальная проверка пределов выполнимости. Одна Земля 3, 157–161. doi: 10.1016/j.oneear.2020.07.018

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Рёк, М., Saade, M.R.M., Balouktsi, M., Rasmussen, F.N., Birgisdottir, H., Frischknecht, R., et al. (2020). Воплощенные выбросы парниковых газов зданий — скрытая проблема для эффективного смягчения последствий изменения климата. Заяв. Энергия 258:114107. doi: 10.1016/j.apenergy.2019.114107

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Seppälä, J., Heinonen, T., Pukkala, T., Kilpeläinen, A., Mattila, T., Myllyviita, T., et al. (2019). Влияние увеличения заготовки и использования древесины на требуемые коэффициенты вытеснения парниковых газов древесными продуктами и топливом. Дж. Окружающая среда. Манаг . 247, 580–587. doi: 10.1016/j.jenvman.2019.06.031

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шекар В. и Крарти М.(2017). Стратегии управления динамическими изоляционными материалами, применяемыми в коммерческих зданиях. Энергетическая сборка . 154, 305–320. doi: 10.1016/j.enbuild.2017.08.084

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тейлор, Б.Дж. и Имбаби, М.С. (1999). Динамическая изоляция в многоэтажных домах. Стр. Серв. англ. Рез. Технол . 20, 179–184. дои: 10.1177/014362449