عایق که در دیوارهای شما ذوب می شود – و می تواند هزینه های انرژی شما را کاهش دهد

از زمانی که اولین غارنشین این ایده را پیدا کرد که خود را در یک لکه خز پشمی ماموت گرم نگه دارد ، عایق حرارتی بخش مهمی از راحتی و بقای انسان بوده است.

پنهان در دیوارهای خانه های ما ، در طرفین فنجان های قهوه ما ، و حتی در ایستگاه فضایی بین المللی ، هر کجا که انسان برود ، ما به نوعی عایق با خود می گیریم تا ما را در دمای مناسب نگه دارد.

اما فقط به این دلیل که این ایده قدیمی است به این معنی نیست که نوآوری وجود نداشته است. طی چند سال گذشته ، یک دسته کاملاً جدید از عایق راهی بازار شده است. آن را “مواد تغییر فاز” (PCMS) نامیده می شود و آنها با ذوب و انجماد در طول یک روز ، دمای داخل یک اتاق را کنترل می کنند.

چگونه مواد تغییر فاز کار می کنند؟

برای درک چگونگی کار PCMS ، ابتدا مهم است که به یاد داشته باشید که می تواند در “مراحل” مختلف مانند جامد ، مایع یا گاز باشد. وقتی چیزی در حال تغییر فاز است ، دمای آن یکسان باقی می ماند.

به عنوان مثال آب یخ مصرف کنید. یک گلدان آب یخ ترکیبی از H جامد و مایع است₂O. تا زمانی که هنوز یخ در گلدان وجود داشته باشد ، درجه حرارت در حدود نقطه انجماد (0 درجه سانتیگراد یا 32 درجه فارنهایت) باقی می ماند ، حتی اگر آن را روی اجاق گاز داغ قرار دهید. گرمای حاصل از اجاق گاز باعث می شود یخ سریعتر ذوب شود ، اما تا زمانی که تمام یخ ها از بین نرود ، درجه حرارت افزایش نمی یابد.

ابتدا تمام انرژی حاصل از اجاق گاز ابتدا یخ جامد را ذوب می کند. سپس دمای آب افزایش می یابد تا زمانی که شروع به جوشاندن شود و دوباره فاز را از یک مایع به گاز تغییر دهد.

مواد مختلف در دمای خاص ذوب می شوند و با ترکیب مواد مختلف می توان نقطه ذوب را به خوبی تنظیم کرد. به عنوان مثال ، اضافه کردن نمک به یخ ، نقطه ذوب را کاهش می دهد ، به همین دلیل افراد در زمستان مسیرهای خود را نمک می کنند.

ایده اصلی PCMS یافتن مطالبی است که در دمایی که برای افراد راحت است ، می گویند 21 درجه سانتیگراد (70 درجه فارنهایت). اگر دمای خارج از 21 درجه سانتیگراد افزایش یابد ، این ماده شروع به ذوب شدن می کند. زیر 21 درجه ، شروع به یخ زدن می کند. بدون استفاده از برق یا گاز ، این ماده به طور طبیعی سعی می کند دمای ساختمان را در حدود 21 درجه سانتیگراد نگه دارد ، تا زمانی که تا حدی مایع و تا حدی جامد باشد (در مراحل مختلط). این همان روشی است که یک کولر از یخ ذوب برای سرد نگه داشتن داخل آن استفاده می کند.

امروز می توانید پانل های مواد PCM را خریداری کنید. آنها در چند شکل مختلف قرار می گیرند تا مخلوط مایع جامد موجود در آن نگه داشته شود. یکی یک صفحه سفت و سخت است که شبیه نوار شکلات تقسیم شده است. هر بخش مربع حاوی برخی از مواد خاص تغییر فاز است. به نظر می رسد مانند یک تشک انعطاف پذیر از کیسه های متصل ، مانند بسته بندی بزرگ حباب. اگر یکی از حباب ها را خرد کنید ، مواد داخل آن مانند عسل ضخیم می شوند و کریستال های کمی جامد بین نوک انگشتان شما خرد می شوند.

حتی اگر این مواد در دسترس باشند ، اما به طور گسترده ای پذیرفته نشده اند. یکی از موانع اصلی شکاف اطلاعات در مورد عملکرد مواد و نحوه استفاده به بهترین وجه از آنها است. این امر باعث می شود که خانه داران و مهندسان بدانند که آیا PCMS برای ساختمان خاص خود هزینه دارد یا خیر.

یافتن راه هایی برای اندازه گیری مقادیر ، از جمله موارد غیرمعمول ، همان کاری است که NIST بهترین کار را انجام می دهد. مهندس مکانیک NIST Jae Hyun Kim انواع عایق را مطالعه می کند و در حال کار بر روی راه های اندازه گیری PCM ها به طور مؤثر است.

کیم برای اولین بار در هنگام تحقیق در مورد کاپشن برای یک شرکت پوشاک ورزشی ، به مطالعه عایق گرم شد. کیم می گوید: “بین عایق کردن یک خانه و عایق کاری یک شخص شباهت های زیادی وجود دارد.” “یک ژاکت و یک خانه هر دو برای مدیریت رطوبت ، دما و بازتاب آفتاب به لایه نیاز دارند.”

چگونه اثربخشی عایق را اندازه گیری می کنید؟

در NIST ، کیم نقش مهمی در کمک به آزمایشگاه ها و صنعت خصوصی دارد که اندازه گیری های بهتری از عملکرد عایق کاری بهتر انجام می دهد.

وی می گوید: “یکی از مأموریت های اصلی آزمایشگاه من اندازه گیری مقاومت حرارتی عایق تا حد ممکن است.” “آزمایشگاه های دیگر و صنعت از کار ما برای اطمینان از دقیق بودن اندازه گیری های خود استفاده می کنند.”

اگر عایق را در یک فروشگاه بهسازی خانه خریداری می کنید ، خواهید دید که با یک مقدار R برچسب گذاری شده است. هرچه مقدار R بالاتر باشد ، در جلوگیری از حرکت گرما از یک طرف به طرف دیگر بهتر است. به همان روشی که حقایق تغذیه به شما امکان می دهد به راحتی مواد غذایی را در فروشگاه های مواد غذایی مقایسه کنید ، ارزش R به شما امکان می دهد انواع مختلف عایق را مقایسه کنید.

تاریخ آزمایشگاه عایق

برچسب زدن به ارزش R امروز امری عادی است ، اما تا اوایل دهه 1900 وجود نداشت. تهویه مطبوع و یخچال در آن زمان فناوری های جدیدی بودند و هر دو برای مؤثر بودن به عایق بسیار خوبی نیاز داشتند.

در سال 1912 ، سلف کیم ، هابارت دیکینسون، پیشگام راهی برای اندازه گیری دقیق اثربخشی عایق. اصل اساسی ساده است: شما یک طرف عایق را داغ و طرف دیگر سرد می کنید. سپس ، شما اختلاف دما بین هر دو طرف را اندازه گیری می کنید.

قسمت دشوار این است که اطمینان حاصل شود که گرما دقیقاً به جایی که می خواهید و در هیچ جای دیگر پیش می رود. یک صفحه داغ معمولی کار نخواهد کرد زیرا نمی توان دانست که چه میزان گرما از طریق عایق عبور می کند و چقدر از طرف صفحه داغ فرار می کند.

محلول دیکینسون این بود که صفحه داغ را با یک صفحه داغ دوم دقیقاً در همان دما احاطه کند ، که با یک شکاف کوچک از هم جدا شده بود. گرما همیشه از گرم به سرما حرکت می کند ، بنابراین اگر دو شیء یکسان هستند ، هیچ گرما به هیچ وجه نمی تواند بین آنها حرکت کند. این صفحه داغ دوم تضمین می کند که گرما نمی تواند در اطراف لبه ها فرار کند ، و تمام گرمای حاصل از صفحه اول داغ از طریق عایق عبور می کند. کل دستگاه را “صفحه داغ محافظت شده” می نامند. این هنوز استاندارد طلا برای اندازه گیری اثربخشی عایق است.

NIST دارای دو صفحه داغ محافظت شده است. قدیمی تر در دهه 1980 ساخته شده است و امروزه هنوز هم به طور مرتب در پیکربندی اصلی خود مورد استفاده قرار می گیرد. این یک دستگاه بزرگ است و می تواند عایق های ضخیم را اندازه گیری کند. در بشقاب داغ جدیدتر نمونه های کوچکتر را اندازه گیری می کند ، اما می تواند دمای شدید تری را تحمل کند و به ویژه در داخل یک محفظه خلاء ساخته شده است تا عایق را در محیط های مختلف آزمایش کند.

هوا بخش مهمی از بسیاری از انواع عایق است. مواد اسفنجی مانند Styrofoam و مواد کرکی مانند پرهای پایین عایق های خوبی هستند زیرا تعداد زیادی جیب هوا را ایجاد می کنند. اما همه هوا یکسان نیست.

هوای کوه نازک ممکن است عایق کمتری نسبت به هوا در سطح دریا باشد. بنابراین با قرار دادن یک صفحه داغ محافظت شده در یک محفظه خلاء ، NIST می تواند آزمایش کند که چگونه عایق به خوبی در ارتفاعات مختلف و در محیط های شدید مانند هواپیماها یا ماهوارهبشر

نحوه اندازه گیری مواد تغییر فاز (PCMS)

این رویکرد صفحه داغ محافظت شده برای عایق سنتی به خوبی کار کرده است ، اما اندازه گیری PCMS به یک رویکرد متفاوت نیاز دارد. هنگامی که او برای اولین بار در سال 2022 با یک پنل PCM نمونه اولیه روبرو شد ، کیم مطمئن نبود که چگونه آن را اندازه گیری کند. شکل غیرمعمول باعث شده است تا در دستگاه های اندازه گیری موجود قرار گیرد. او همچنین مطمئن نبود که کدام تعداد مهم خواهد بود. به عنوان مثال ، آیا بهتر است یک پنل PCM را به جای اینکه چقدر سریع گرما از طریق آن حرکت می کند ، اندازه گیری کند؟

در یک خانه واقعی ، PCMS در انزوا کار نمی کند. آنها بخشی از یک سیستم کامل عایق ، بام ، هوای خارج و تهویه مطبوع هستند. بنابراین او تصمیم گرفت با ساخت مدل های در مقیاس کوچک شروع کند.

در آخرین آزمایش کیم ، او و تیمش خانه های تخته سه لا کوچک را در کنار هم قرار دادند. آنها مکعب های ساده ای در مورد یک متر (یا حیاط) در هر طرف هستند که می توانند با بسیاری از ترکیبات مواد بام ، عایق و مواد تغییر فاز پوشانده شوند. اولین آزمایش آنها میزان نور خورشید را که منعکس کننده سقف جعبه ها است ، تنظیم می کند تا ببیند چگونه این عملکرد PCM ها را تغییر می دهد.

کیم می گوید: “هنوز مشخص نیست که PCM ها از کجا مؤثر هستند یا چگونه می توان آنها را با عایق سنتی ترکیب کرد.” “اما ما هرگز نمی دانیم تا زمانی که آنها را آزمایش کنیم.”

در بهترین سناریوها ، PCM ها می توانند تأثیر زیادی در شبکه انرژی داشته باشند. علاوه بر کاهش قدرت مورد نیاز برای تهویه مطبوع ، آنها همچنین می توانند “منحنی” مصرف انرژی را صاف کنند. در یک روز تابستانی معمولی ، سنبله های مصرف انرژی در گرمترین قسمت روز که تهویه هوا سخت ترین کار خود را انجام می دهد. این قدرت اضافی از سوخت های فسیلی ناشی می شود که سوزاندن در صورت تقاضا آسان تر است. قدرت در آن قسمت از روز نیز گرانترین آن است. PCMS می تواند به گسترش آن سنبله در مصرف برق در اواخر روز کمک کند. این امر به افراد امکان می دهد هزینه های انرژی خود و استفاده از سوخت های فسیلی را کاهش دهند.

اما این صنعت هنوز در اوایل توسعه خود است. برای اندازه گیری PCMS به روشی واضح ، استاندارد ، قابل اعتماد و قابل تکرار نیاز دارد.

کیم می گوید: “حتی اگر ما بیش از 100 سال است که در NIST در حال مطالعه عایق هستیم ، هنوز مشکلات جدیدی برای حل وجود دارد و ما می توانیم با استفاده از مواد و ایده های جدید ، آن را بهتر کنیم.”