7.1 Общие сведения

     Современное строительство зданий, его быстро растущий объем, требует не только увеличения объемов производства новых композиционных  строительных материалов для ограждающих конструкций, но и совершенствования их эффективности, который дает более высокий уровень комфортности современного жилья.

     Реализовать данную программу, которая связана  с научно-техническим прогрессом в области современных композиционных строительных материалов, можно путем применения новейших технологий, улучшения технологических параметров, совершенствования технологического оборудования, при этом достигается расширение и обновление основных фондов промышленности строительных материалов.

    Требования по повышению теплозащиты зданий и сооружений, основных потребителей энергии, являются важным объектом государственной политики в большинстве развитых стран мира. Данные требования рассматриваются вопросы охраны окружающей среды, рационального использования невозобновляемых природных источников и уменьшения влияния вредных выбросов в атмосферу, отходов промышленности.

    Нормы по теплозащите затрагивают часть общей задачи энергосбережения в зданиях. Но одновременно с получением эффективной тепловой защиты, в соответствии с другими нормативными документами, принимаются меры также по повышению эффективности инженерного оборудования зданий, снижению  энергии при её выработке и транспортировке. Рассматриваются и принимаются меры по сокращению расхода таких видов энергии, как тепловой и электрической, с помощью систем  автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом.

    Вновь введенные нормы по тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран. Эти нормы, как и нормы на инженерное оборудование, содержат минимальные требования, и строительство большинство зданий может быть выполнено с экономической точки зрения с высокими показателями тепловой защиты, которые предусмотренные классификацией зданий по энергетической эффективности.

    Установленные нормы предусматривают введение таких показателей энергоэффективности зданий, как удельный расход тепловой энергии на отопление в период отопительного сезона, учитывая воздухообмен,  ориентации зданий. Такие нормы устанавливают  классификацию зданий и правила оценки по показателям энергетической эффективности как при проектировании и строительстве, так и при дальнейшей эксплуатации. Нормы предоставляют более широкие возможности в выборе технических решений и способов соблюдения нормируемых параметров.

    7.2 Состояние вопроса

    На сегодняшний день многими учеными всего мира  рассматриваются и исследуются энергосберегающие технологии и материалы для строительства энергоэффективных домов.

    Таким образом, чтобы сберегать энергию зданий, немало важно применять такие строительные материалы, которые бы обеспечивали бы надежную теплозащиту конструктивных элементов. К таким элементам относятся фундаменты, перекрытия, несущие конструкции, крыши и т.д.

    Чтобы в энергоэффективных домах было комфортно, их ориентируют на местности согласно частям света, устраивают в них приточно-вытяжную вентиляцию, используют солнечные батареи и т.п. Но все это будет бесполезно, если здания не герметичны.

Обычно, в частных домах основные теплопотери происходят через ограждающие конструкции – полы, стены, потолки, кровлю и т.д. Энергоэффективные строительные материалы повышают герметичность дома. У таких материалов коэффициент теплопроводности значительно меньше, чем у обычных материалов.

    На сегодняшний день самые разные материалы для сооружения ограждающих конструкций представлены на рынке страны, которые можно назвать энергоэффективными. Например, к ним относятся газоблоки, шлакоблоки, керамзитоблоки. У данных материалов пористая структура, они принадлежит к семейству ячеистых бетонов, предназначается для строительства  зданий. Данные материалы имеют низкие теплопроводности.

    Один из самых энергоэффективных материалов - это дерево, оно обладает высокой воздухопроницаемостью и теплоизоляцией, огромный плюс – это экологичность данного материала. Все эти качества позволяют создавать оптимальный микроклимат внутри дома в любую погоду. В строительстве используют лесные материалы хвойных пород: лиственницу, сосну, ель, кедр, пихту, так как эти породы отличаются высокой прочностью, стойкостью к загниванию, а также имеют оптимальную форму, которая позволяет минимизировать отходы при строительстве. Также для энергоэффективного строительства используют газобетонные блоки, керамические кирпичи и керамоблоки. Для фундамента дома используют не стеновые материалы, так как нужны более крепкие и тяжелые изделия. В энергоэффективном строительстве используют камень, бетонные блоки. Важно отметить, что бетон считается таким материалом, который создают путем повторного использования неорганического мусора. Для крыш самыми оптимальными покрытиями считаются керамическая черепица, гонт, тростник, а также дерн (крыша с зеленой кровлей).

       В течение последнего десятилетия для использования в различных сферах передовые технологии сохранения энергии на основе фазового изменения материалов (ФИМ) получили значительное внимание. Здания являются важнейшей отраслью промышленности, которые нуждаются в этой передовой технологии для улучшения внутреннего комфорта здания и снижение потребления энергии. Тем не менее, основной барьер, который влияет на применение этой технологии в строительной отрасли, является метод получения фазового состава строительных материалов и метод, используемый для измерения эффективности ФИМ в зданиях. Учеными исследуются и изучаются вопросы по снижению потребления энергии. [9].

           Авторами [10] были изучены электрохромные устройства, применяемые в так называемых "умных окнах", доказано, что для энергоэффективных окон они достаточно прочны в течение многих лет практического использования. Типичные устройства используют пленки на основе оксида вольфрама и оксида никеля. Получены положительные результаты при применении вместо вольфрама титановых пленок для энергоэффективных окон.

    Учеными Индиийского института [11]  было исследовано влияние внутреннего климата в пределах толщины стенки на нестационарные характеристики теплопередачи, такие как теплопередача, термический фактор. Рассматривались пять видов строительных материалов с низким энергопотреблением, такие как латеритовый камень, кирпич, ячеистый бетон, плотный бетон и шлаковый бетона. Были изучены тридцать конфигураций. Программа компьютерного моделирования была разработана для расчета нестационарного теплообмена с использованием стадии циклического допуска. Из результатов, следует отметить, что коэффициент декремента уменьшается с увеличением толщины стены внутри композитной стены для всех строительных материалов. Среди изученных строительных материалов с более низким коэффициентом декремента, энергоэффективным оказался плотный и ячеистый бетон. У плотного бетона коэффициент декремента уменьшается на 23,65% при толщине 0,02 м воздушного пространства по сравнению с обычной композитной стеной без воздушного пространства. Таким образом, результаты исследований помогут инженерам проектировщикам при проектировании энергоэффективных зданий.

    Зарубежными учеными рассматриваются годовые затраты энергии и экономии с добавлением в микро капсулированного фазово - измененного материала в наружных бетонных стенах среднего размера домов Калифорнии климатических зон Сан-Франциско, Лос-Анджелесе. Годовая энергия и экономия средств были больше для облицовки стен Юга и Запада, чем для других. Добавление  микро капсулированного  фазово - измененного материала с изменением фазы в стенах зданий уменьшил нагрузку охлаждения летом существенно больше, чем тепловую нагрузку в зимний период. Это объясняется холодными зимними температурами в результате однонаправленного потока тепла в течение многих дней. Ежегодное снижение нагрузки охлаждения в среднем составило для одной семьи в Сан-Франциско и в Лос-Анджелесе в диапазоне от 85% до 100% и от 53% до 82% соответственно, изменения фазы материала объемной фракции в диапазоне от 0,1 до 0,3. Соответствующие годовые экономии затрат на электроэнергию колебались от $ 36 до $ 42 в Сан-Франциско и от $ 94 до $ 143 в Лос-Анджелесе. С энергетической точки зрения, лучший климат для использования строительных материалов, содержащих равномерно распределенный материал,  будет иметь колебания температуры наружного воздуха, сосредоточенные вокруг оптимальной температуры в помещении в течение всего года. [12]

    Китайскими учеными изучен спрос на энергию и потенциал энергосбережения китайской промышленности строительных материалов. Метод интеграции применяется для выявления влияющих факторов использования отраслевой энергии. Результаты показывают, что, хотя отраслевые пики потребления энергии варьируется среди различных позиций, прогнозируемое использование секторальной энергии, на которую будет приходиться меньшая доля в структуре национального потребления энергии в будущем, показывает аналогичную тенденцию к снижению после первого подъема. Результаты также показывают, что секторальный потенциал энергосбережения является значительным [13].   Авторами [14] изучались проблемы сбережения энергии при строительстве зданий. Применение материалов с обратимыми фазами начали рассматриваться исследователями из-за его способности хранить и выделять тепло в определенном диапазоне температур. Изучались материалы для ограждающих, встроенные в стены, которые потенциально могут смягчить негативное воздействие тепловой энергии в пределах пространственно проксимальных зданий. Основываясь на предыдущих моделях исследований таких материалов и моделирования, было проведено несколько сетевых моделирований зданий с различными составами новых материалов в различных климатологических контекстах. Результаты показали значительную экономию (до 17%) годового потребления энергии.

Американские ученые выяснили, что в Соединенных Штатах, на коммерческие здания приходится около 19% от общего потребления первичной энергии в 2012 году. Кроме того, 29% от общей энергии в коммерческих зданиях необходимо для отопления и охлаждения помещений. Применение изоляционных материалов для строительства оболочки является эффективным способом снижения потребления энергии для отопления и охлаждения, а также ограничено негативное воздействие на окружающую среду. В то время как изоляционные материалы имеют положительное воздействие на окружающую среду из-за снижения потребления энергии, они также имеют некоторые негативные последствия. Учеными были представлена оценка воздействия на окружающую среду отдельных изоляционных материалов для коммерческих зданий в Северной Америке. Факторы воздействия были рассчитаны для двух категорий: первичного потребления энергии и потенциала глобального потепления. Факторы, непосредственно влияющие, были рассчитаны с использованием данных из существующей литературы и программного обеспечения оценкидолговечности. Косвенные факторы воздействия были вычислены путем моделирования набора стандартных моделей всего здания [15].

Зарубежными учеными [16] изучен новый вид строительного материала для энергоэффективного строительства зданий. Алюминиевый полиэтилен высокой плотности функционально-градиентных материалов (ФГМ) был изготовлен ​​в качестве одного из важнейших компонентов многофункциональной оболочки здания для высокой производительности, энергетической эффективности и устойчивости. Массовое производство ФГМ было реализовано с помощью алюминия и частицы мелкого порошка полиэтилена высокой плотности с помощью специальной технологии. Механические и теплофизические свойства ФГМ, такие как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициенты теплового расширения и теплопроводности были получены различными экспериментальными характеристиками. Результаты исследований показали, что изготовленные из данного состава панели и связанные с ними экспериментальные методы определения характеристик, могут служить основой для контроля качества производства зеленого строительства энергии оболочки материалов.

Передовые технологии хранения энергии на основе фазового изменения материалов (ПКМ) применялись в течение последнего десятилетия, использовались в различных приложениях. Здания являются важнейшей отраслью промышленности, которая нуждается в этой передовой технологии для улучшения внутреннего комфорта здания и снижение потребления энергии. Тем не менее, основной барьер, который влияет на применение этой технологии в строительной отрасли - метод, используемый для измерения эффективности фазового изменения материалов, и использование таких материалов в зданиях [17]. В этой статье представлен обзор модифицированных материалов, их теплофизические и химические свойства, и применение их в зданиях в качестве энергоэффективных материалов.

    Учеными [18] представлены результаты всестороннего исследования влияния воздушного пространства в пределах толщины стенки на нестационарные характеристики теплопередачи, такие как теплопередача, термический фактор, проводимость декремента и времени. Рассмотрены пять видов  строительных материалов стен для дизайна с низким энергопотреблением здания корпуса. Пять видов строительных материалов для стены, такие как латеритовый камень, сырцовый кирпич, ячеистый бетон, плотный бетон и шлаковый бетон, были рассмотрены.

Были изучены тридцать конфигураций. Программа компьютерного моделирования была разработана для расчета нестационарного теплообмена с использованием процедуры циклического допуска. Из представленных  результатов, следует отметить, что коэффициент декремента уменьшается с увеличением толщины разделенного воздуха внутри композитной стены для всех строительных материалов. Среди пяти материалов низкий коэффициент декремента наблюдается у плотного бетон, явивший энергоэффективным. Коэффициент декремента у плотного бетона уменьшается на 23,65% при толщине 0,02 м воздушного пространства по сравнению с обычной композитной стеной.  Результаты исследования помогут проектироващикам при проектировании энергоэффективных зданий.

    Таким образом, зарубежными учеными рассматриваются и изучаются вопросы энергопотребления, исследуются возможности получения энергоэффективных материалов. Проблемы энергосбережения весьма актуальны.