تقليل استهلاك الطاقة والبصمة الكربونية للمنازل يبدأ بتطوير مواد البناء لخفض الطاقة

وفقًا للمجلس العالمي للأبنية الخضراء، فإن قطاع المباني والتشييد مسؤول عن 39٪ من انبعاثات الكربون العالمية المرتبطة بالطاقة.

تحمل تدفئة وتبريد المنازل ثمناً اقتصادياً وبيئياً باهظاً، أفادت إدارة معلومات الطاقة الأمريكية، أن أكثر من نصف الطاقة المنزلية في الولايات المتحدة تستخدم للتدفئة والتبريد، كما أنها تمثل أكثر من 14٪ من إجمالي استخدام الطاقة في البلاد.

تعالج ميريان فيلاي ليزانكوس، الأستاذ المساعد في الهندسة المدنية بجامعة بوردو من كلية لايلز للهندسة المدنية في كلية الهندسة، هذه القضايا، قامت هي والباحثون في مختبرها بتطوير عملية قابلة للتطوير وقابلة للتشغيل الآلي في انتظار براءة الاختراع تعمل على تحسين الطريقة التقليدية لدمج مواد تغيير الطور، أو PCM ، في مواد البناء.

البيئة الداخلية

دمج PCMs مثل البارافين والإسترات وهيدرات الملح في عناصر غلاف المبنى يخفف من تأثير تغيرات درجة الحرارة الخارجية على البيئة الداخلية، يحولون التغيرات في الطاقة الحرارية إلى تغيرات في الطور بالانتقال من مادة صلبة إلى سائل، أو العكس، توفر تبريدًا مفيدًا أو تسخينًا عن طريق امتصاص أو إطلاق الطاقة أثناء تلك التحولات.

أوضحت ميريان فيلاي، أن دمج أجهزة PCM يقلل من استهلاك الطاقة في المباني، مما يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتكاليف التشغيل، كما أنه يقلل من نفاذية المياه لمواد البناء.

تُستخدم أجهزة PCM في غلاف المبنى أو الأبواب والجدران الخارجية والأساسات والأسقف والنوافذ والمكونات الأخرى التي تخلق حاجزًا بين الداخل والخارج، تلعب الخصائص الحرارية لأغلفة المبنى دورًا رئيسيًا في استهلاك الطاقة للمبنى.

وقالت فيلايـ “زيادة قدرات تخزين الحرارة لأغلفة المبنى سيقلل من تأثير تقلبات درجات الحرارة في المبنى”، “سيؤدي هذا إلى زيادة الراحة الحرارية للمبنى وتقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون والتكاليف الاقتصادية ذات الصلة للتدفئة والتبريد، كما أنه سيجعل المباني أكثر مرونة واستقلالية عن الطاقة وأقل عرضة لانقطاع التيار الكهربائي وقضايا إمدادات الطاقة الأخرى.”

الغمر السائل والفراغ

قالت فيلاي، إن الطرق التقليدية لإضافة PCMs في مواد البناء لها عيوب، وأضافت “حاليًا، يتم دمج PCMs في مواد أخرى عن طريق الكبسلة الدقيقة أو الكبسلة الكبيرة”، ” فهذه الأساليب تحد من استخدام PCMs الكبسلة الدقيقة لها تأثير سلبي على قوة ومتانة مواد البناء، تحد الكبسلة الكبيرة من شكل وطريقة إنتاج مواد البناء.”

تستخدم طريقة فيلاي الغمر السائل والفراغ لدمج PCMs بعد تشكيل مواد البناء مثل الطوب والجدران الجافة والخرسانة، حيث قالت فيلاي “هذا يزيد القوة، ويعزز المتانة ويزيد من الجمود الحراري لمواد البناء”، “توزع هذه الطريقة الجديدة أيضًا PCMs بحيث تتركز في الطبقة السطحية لمواد البناء، المزيد من أجهزة PCM على اتصال بالأسطح الخارجية لمغلف المبنى، مما يجعل أجهزة PCM أكثر فعالية.”

تتطلب طريقة فيلاي فقط نظام فراغ، والذي قالت إنه سهل الوصول إليه ويسهل على الشركات المصنعة العمل معه.
“سيحتاج المستخدمون إلى التعرف على العملية وتدريب خاص”، “يمكن أتمتة العملية بسهولة ودمجها في سلسلة إنتاج العناصر الجاهزة مثل الطوب والألواح الخرسانية والجدران الجافة والأرضيات، من بين أمور أخرى.”

زيادة في القصور الذاتي الحراري 24%

أجريت حملة تجريبية كبيرة على الملاط الأسمنتي بثلاث نسب ماء إلى أسمنت وبالتالي مستويات مسامية أولية مختلفة.
تم دمج PCMs في الهاون لثلاث فترات فراغ مختلفة: 15 دقيقة، 1 ساعة و 4 ساعات.

لاحظت فيلاي وفريقها زيادة في القصور الذاتي الحراري بنسبة 24٪ وأكثر من 22٪ من الزيادة في مقاومة الانضغاط، مع 7٪ فقط من حجم العنصر مملوء بـ PCM.

قال فيلاي إن التوزيع غير المتكافئ لـ PCM المركّز في الطبقة السطحية يجعل PCM أكثر فعالية في تعزيز الخصائص الحرارية.
الطريقة المستخدمة في هذه الدراسة تقدم PCM في طبقة المادة الأقرب إلى سطح المادة، مما يعني أن المزيد سيكون على اتصال مع الأسطح الخارجية لمغلف المبنى، مما يؤدي إلى استخدام أكثر فعالية لـ PCM .

وتدفع هذه الطريقة مادة PCM إلى المسام الشعرية من خلال الفراغ. وبسبب القوى الشعرية ، لم يتم ملاحظة تسرب PCM ، حتى عندما تعرض المركب النهائي لدرجات حرارة عالية أعلى بكثير من نقطة انصهار PCM المستخدمة.

تم نشر ورقة تصف طرق البحث والنتائج في عدد مارس 2023 من مجلة .Construction and Building Materials
يتمثل المعلم التالي لتطوير طريقة دمج PCM في بناء نموذج أولي واسع النطاق.

قالت فيلاي، سيتيح لنا ذلك تصور الأداء الحراري لغلاف المبنى بالكاميرات وأجهزة الاستشعار، وسيكون لدى العملاء البيانات الصلبة وقادرين على تصور مزايا هذه التقنية.

تابعنا على تطبيق نبض