Греют, когда холодно, и охлаждают, когда жарко — кирпичи нового поколения

9:22

07.10.2025 21:39

В холодных регионах потери тепла через стены остаются одной из главных причин перерасхода энергии. Исследователи Уральского федерального университета (УрФУ) совместно с коллегами из Ляонинского технологического университета в Китае предложили решение, которое может изменить подход к строительству. Их экспериментальные композитные кирпичи удерживают тепло внутри помещений на 15-25% лучше, чем стандартные материалы, и способны сделать здания заметно более энергоэффективными.

Что делает эти кирпичи "умными"

Как сообщает журнал Buildings, инженеры создали две версии пустотелых самоизолирующихся кирпичей: одна была обычной, а вторая — с заполнением из композитного материала с изменяемой фазой (PCM). В качестве наполнителя использовали гексадекан — разновидность парафина, отличающуюся химической стабильностью и безопасностью. Главное его достоинство — способность накапливать и отдавать тепло при смене агрегатного состояния, что делает его идеальным для "живых" строительных конструкций.

"Композитные материалы с изменяемой фазой (PCM) значительно улучшают тепловые характеристики стен и демонстрируют многообещающую экономическую целесообразность", — пояснил Науке.РФ руководитель исследования, заведующий кафедрой систем автоматизированного проектирования объектов строительства УрФУ Владимир Алехин.

По словам исследователя, такие кирпичи особенно эффективны в климатах с сильными колебаниями температуры: днём они аккумулируют излишки тепла, а ночью постепенно его возвращают, снижая нагрузку на отопительные и охлаждающие системы зданий.

Испытания в суровых условиях

Модели кирпичей протестировали в условиях холодного климата, где температура воздуха резко падает и теплоизоляция играет решающую роль. Результаты оказались впечатляющими: разница температур между внутренней и внешней поверхностями стен, выполненных из композитных кирпичей, оказалась почти на 6 °C выше, чем у традиционных. При этом интенсивность теплообмена на внутренней поверхности снизилась на 8,57 Вт/м².

В среднем температура внутренней стороны стены повысилась почти на градус, а центральной части — почти на четыре. Это означает, что тепло внутри помещения сохраняется дольше, а значит, затраты на отопление уменьшаются.

"Кирпичи, заполненные PCM, могут замедлить скорость падения температуры в зданиях, улучшая теплоизоляционные характеристики стен", — отметила аспирант кафедры систем автоматизированного проектирования УрФУ Хуань Юэ.

Учёные подчеркнули, что эффективность подобных композитов зависит от толщины слоя, места размещения и конкретных климатических условий. Правильная конфигурация позволяет добиться максимальной отдачи при умеренной стоимости.

Сравнение технологий

Параметр	Обычный пустотелый кирпич	Кирпич с PCM
Средняя разница температур между внутренней и внешней поверхностью	-	+6 °C
Интенсивность теплообмена	Стандартная	-8,57 Вт/м²
Температура внутренней поверхности	-	+0,99 °C
Температура средней части	-	+3,85 °C
Энергоэффективность	Базовая	+15-25%

Как работает материал PCM

Композитные материалы с изменяемой фазой аккумулируют тепло при плавлении и отдают его при обратном переходе в твёрдое состояние. Это свойство позволяет создавать строительные элементы, которые способны регулировать температуру без внешних источников энергии. Гексадекан, выбранный для эксперимента, плавится в диапазоне, подходящем для жилых и офисных помещений, поэтому может стабилизировать микроклимат в них круглый год.

В строительстве PCM используется в виде гранул, вставок или заполнителей. По принципу работы это своего рода "тепловые аккумуляторы". Подобные технологии уже применяются в холодильной технике, текстиле и даже в корпусах электроники, где требуется поддержание постоянной температуры.

Советы по внедрению технологии

На этапе проектирования важно определить климатическую зону и подобрать тип PCM с нужной температурой фазового перехода.
Рекомендуется использовать композиты с низкой токсичностью и высокой химической устойчивостью, такие как парафин или гексадекан.
При строительстве стен из таких кирпичей необходимо учитывать толщину слоёв и равномерность распределения наполнителя — это напрямую влияет на эффективность.
На объектах с высокой солнечной инсоляцией PCM особенно эффективны: они позволяют сглаживать суточные колебания температуры и экономить на кондиционировании.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использовать композитный кирпич без учёта климата.
Последствие: избыточное накопление тепла в тёплых регионах или слабый эффект в холодных.
Альтернатива: выбирать PCM с нужным температурным диапазоном и проводить предварительное моделирование.

• Ошибка: экономить на наполнителе.
Последствие: падение энергоэффективности стен.
Альтернатива: использовать сертифицированный парафин промышленного качества.

• Ошибка: игнорировать автоматизацию процесса заполнения.
Последствие: неравномерное распределение PCM и рост себестоимости.
Альтернатива: внедрять автоматические линии, снижающие затраты и повышающие стабильность качества.

А что если строить дома полностью из таких кирпичей?

Исследователи уверены, что в будущем это станет нормой. Если заменить хотя бы часть традиционных стеновых материалов композитными, можно значительно сократить расходы на отопление и охлаждение. При этом новые здания будут соответствовать принципам "зелёного" строительства — экономить энергию, снижать выбросы и обеспечивать комфорт жильцов без излишних затрат.

Плюсы и минусы технологии

Плюсы	Минусы
Снижение теплопотерь на 15-25%	Более высокая стоимость — +0,2-0,5 $ за кирпич
Увеличение комфорта за счёт стабильной температуры	Необходимость подбора подходящего PCM
Снижение потребления электроэнергии и топлива	Ограниченная доступность материалов
Поддержка концепции "зелёного" строительства	Требуется адаптация производственных линий

FAQ

Какова стоимость композитных кирпичей?
На стадии лабораторных испытаний стоимость одного кирпича выше обычного примерно на 0,5 доллара. При серийном производстве разница снижается до 0,2-0,3 доллара.

Можно ли использовать такие кирпичи в жарком климате?
Да. В жарких странах, например, в Китае и Японии, PCM применяют для защиты помещений от перегрева — материал поглощает избыточное тепло днём и отдаёт его ночью.

Какие производители уже внедряют технологию?
Экспериментальные здания с такими стенами возводятся в Китае, Японии и Алжире. В России исследования ведут специалисты УрФУ.

Мифы и правда

Миф: композитные кирпичи слишком дорогие.
Правда: на старте они действительно стоят дороже, но экономия на отоплении и охлаждении быстро компенсирует разницу.

Миф: парафин опасен для здоровья.
Правда: в составе используется гексадекан — безопасный, химически стабильный материал.

Миф: PCM-кирпичи нельзя использовать в холодных регионах.
Правда: именно в суровом климате они показывают наилучший эффект, удерживая тепло внутри помещений.

Исторический контекст

Идея использования материалов с изменяемой фазой возникла в середине XX века, когда инженеры искали способы аккумулировать солнечное тепло для автономных домов. Первые эксперименты с парафинами проводили в США и Германии в 1970-х, однако из-за высокой цены и отсутствия технологий массового производства проект тогда не получил распространения. Сегодня, благодаря автоматизации и снижению стоимости химических компонентов, PCM возвращаются в строительную индустрию — уже как элемент энергоэффективной архитектуры.

3 интересных факта

• Один кубометр PCM способен аккумулировать в 10 раз больше тепла, чем бетон того же объёма.
• Парафиновые материалы сохраняют свойства после тысяч циклов плавления и затвердевания.
• Китай стал мировым лидером по внедрению PCM в строительство — там уже реализованы десятки жилых комплексов с подобными стенами.