Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2018 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Jak zwiększyć efektywność energetyczną budynków?

Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych (PCM)
dr inż. Maciej Jaworski  |  IZOLACJE 4/2009  |  20.04.2011
Mikrogranulki PCM; kuleczki polimerowe wypełnione organicznym materiałem PCM mają średnice od kilkudziesięciu do kilkuset
mikrometrów.
Mikrogranulki PCM; kuleczki polimerowe wypełnione organicznym materiałem PCM mają średnice od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów.
M. Jaworski

Materiały zmiennofazowe (PCM, ang. phase change materials) wkomponowane w różny sposób w strukturę budynku zwiększają jego pojemność (bezwładność) cieplną. Duża pojemność cieplna konstrukcji budynku (zdolność do akumulacji ciepła) przyczynia się zaś do poprawy jego efektywności energetycznej, co przejawia się zmniejszeniem zużycia energii niezbędnej do zapewnienia i utrzymania komfortu cieplnego. Pozwala też na wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych bez dodatkowych kosztów inwestycyjnych.

Szeroko pojęty sektor budownictwa (mieszkania, budynki użyteczności publicznej) w krajach Unii Europejskiej jest konsumentem ok. 37% energii finalnej. Dwie trzecie tego zużycia przeznaczone jest na zapewnienie warunków komfortu cieplnego, czyli na ogrzewanie lub chłodzenie pomieszczeń [1]. Szczególnie duże zużycie energii występuje w budynkach użyteczności publicznej, w których wskaźnik zużycia (w kWh/m²/a) jest od dwóch (w biurach) do prawie sześciu (w restauracjach) razy większy niż w mieszkaniach w budynkach wielorodzinnych. Liczby te pokazują, że w sektorze tym istnieje bardzo duży potencjał oszczędności energii, który można wykorzystać przede wszystkim dzięki racjonalizacji jej zużycia.
Do najważniejszych czynników wpływających na ilość energii niezbędną do utrzymania w pomieszczeniach wymaganych warunków termicznych należą:

  • warunki klimatyczne w danym regionie (temperatura otoczenia, szybkość wiatru, nasłonecznienie),
  • struktura budynku i właściwości termofizyczne materiałów konstrukcyjnych (grubość ścian, ich właściwości izolacyjne, powierzchnia okien),
  • źródła ciepła (oświetlenie, urządzenia elektryczne, liczba pracujących osób),
  • krotność wymiany powietrza,
  • rodzaj instalacji ogrzewania/klimatyzacji.

Przykładowe roczne przebiegi temperatury otoczenia oraz wewnątrz pomieszczenia bez zainstalowanych urządzeń ogrzewania/klimatyzacji pokazano na rys. 1 [2]. Linią czarną zaznaczono temperatury w pomieszczeniu wykonanym z betonu o przewodności cieplnej λ = 0,5 W/(m·K) oraz pojemności cieplnej ρ cp = 1,4 MJ/(m³·K). Jak widać, w długich okresach w roku istnieje konieczność ogrzewania lub chłodzenia w celu zapewnienia komfortu cieplnego (określonego przez zakres temperatury tL–tH). Analizy przepływów ciepła w budynku oraz między budynkiem a otoczeniem wskazują, że istnieje możliwość uzyskania płaskiej krzywej zmian temperatury wewnętrznej przez poprawę izolacyjności budynku oraz przede wszystkim przez zwiększenie pojemności cieplnej konstrukcji budynku. Krzywa żółta na rys. 1 pokazuje zmiany temperatury w pomieszczeniu, które zostało zaizolowane (zastosowano izolację o przewodności cieplnej λ = 0,05 W/(m·K)), ale również wykorzystano materiał konstrukcyjny (hipotetyczny) o dużej pojemności cieplnej – ρcp = 100 MJ/(m³·K). W wyniku takich zabiegów temperatura wewnętrzna mieści się w zakresie komfortu cieplnego mimo dużych zmian w otoczeniu.

Współczesne technologie wznoszenia budynków, szczególnie budynków biurowych, bazują na lekkich materiałach, które spełniają wymogi izolacyjności cieplnej, ale mają bardzo małą pojemność cieplną. Efektywne zwiększenie pojemności (bezwładności) cieplnej budynku, bez znaczącego zwiększania jego masy, jest możliwe dzięki zastosowaniu tzw. materiałów zmiennofazowych (PCM), których duża pojemność cieplna jest wynikiem przemiany fazowej (topnienie – zestalanie) zachodzącej w zakresie zmian temperatury w pomieszczeniu. Metoda ta została zaproponowana już w latach 70. XX w., jednak wyraźny postęp w jej wdrażaniu obserwuje się dopiero w ostatnich latach, co wynika z konieczności opracowania technologii wytwarzania trwałych elementów budowlanych z materiałami PCM.
Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych do podwyższenia pojemności cieplnej materiałów budowlanych jest uzasadnione tylko w umiarkowanej strefie klimatycznej, gdzie temperatury otoczenia są zarówno wyraźnie wyższe, jak i wyraźnie niższe (także w cyklu dobowym w okresie letnim) od temperatur określających komfort cieplny. Materiały zmiennofazowe powinny bowiem podlegać cyklicznej przemianie fazowej – wtedy pochłaniane jest i uwalniane ciepło przemiany fazowej. Przemiany te powinny być wymuszane przez czynniki naturalne, tzn. wysoka temperatura w ciągu dnia powoduje topnienie materiału, a niska temperatura w nocy ułatwia odbiór ciepła i zestalenie materiału.
W tabeli 1 zestawiono wartości pojemności cieplnej wody, wybranych materiałów budowlanych oraz jednego z materiałów PCM, którego zastosowanie w budownictwie jest rozważane. W przypadku materiału PCM podane wartości ciepła właściwego są wartościami efektywnymi, uwzględniającymi ciepło przemiany fazowej. Widać wyraźną różnicę pojemności cieplnej nawet w odniesieniu do wody.

Rola materiałów zmiennofazowych wbudowanych w strukturę budynku

Materiały zmiennofazowe (PCM) są przede wszystkim wykorzystywane jako czynniki robocze w układach akumulacji energii na sposób ciepła (ang. thermal energy storage). W tradycyjnych układach akumulacji ciepła materiał PCM stanowi wypełnienie wymiennika (regeneratora) ciepła, który w zależności od wielkości jest umiejscowiony w pomieszczeniach gospodarczych lub na zewnątrz budynku. W tym artykule omawiana jest metoda, w której materiał PCM jest wbudowany w strukturę budynku – jest częścią materiałów budowlanych (betonowych, gipsowych, pustaków) lub w postaci niewielkich zasobników jest rozmieszczony w wolnych przestrzeniach budynku, np. nad sufitami podwieszanymi lub pod podłogą.
Materiały zmiennofazowe, nawet wtedy, gdy są wkomponowane w konstrukcję budynku, pełnią rolę akumulatora ciepła. Podobnie jak w innych systemach energetycznych, człon akumulacji ciepła w budynku pozwala na uzyskanie takich efektów, jak:

  • zmniejszenie szczytowego zapotrzebowania na energię (spłaszczenie charakterystyki dobowego zapotrzebowania, ang. peak shaving), efekty ekonomiczne uzyskuje się przez zmniejszenie zarówno kosztów inwestycyjnych, jak i kosztów eksploatacyjnych (wykorzystuje się tanią energię pobieraną w nocy),
  • efektywne wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych, szczególnie energii promieniowania słonecznego, ale również energii geotermalnej (rys. 2 i 3),
  • efektywne wykorzystanie naturalnych warunków klimatycznych – niskiej temperatury w porze nocnej do wychłodzenia pomieszczeń (ang. free cooling, night ventilation) (rys. 4),
  • stabilizację temperatury w pomieszczeniu w warunkach zmiennych obciążeń cieplnych (w czasie działania intensywnych źródeł ciepła).

Na rys. 5 pokazano wyniki badania wpływu materiału PCM na zmiany temperatury w pomieszczeniu biurowym [3]. Linią niebieską zaznaczono krzywą zmian temperatury w pomieszczeniu bez żadnych instalacji klimatyzacyjnych – wzrost temperatury jest spowodowany pracą urządzeń biurowych oraz jest związany z obecnością pracowników. Linia czerwona i zielona wskazują zmiany temperatury po wstawieniu do pomieszczenia (nad sufitem podwieszanym) specjalnych zasobników zawierających materiał zmiennofazowy PCM. Badania przeprowadzono dla dwóch różnych materiałów – o różnej charakterystyce topnienia (jeden topił się w temperaturach od 18 do 32C, DT14, drugi – od 24 do 26C, DT2) oraz dla różnych ilości materiału w odniesieniu do jednostki powierzchni pomieszczenia [kg/m²]. Widać wyraźne obniżenie maksymalnej temperatury w pomieszczeniu, a więc przy odpowiedniej ilości materiału zmiennofazowego możliwe jest utrzymanie temperatury w zakresie komfortu cieplnego bez konieczności używania klimatyzatorów.

Sposoby wkomponowania materiałów zmiennofazowych w budynek

Istnieją następujące sposoby wkomponowania materiałów pcm w strukturę budynku, przy czym istotne znaczenie mają w zasadzie dwa pierwsze [4, 5]:

  • wykorzystanie przy budowie materiałów i elementów budowlanych, których składnikiem jest materiał zmiennofazowy,
  • umieszczenie materiałów zmiennofazowych w specjalnych zasobnikach (o odpowiednim kształcie i wielkości), które rozmieszczone są w wolnych przestrzeniach budynku (np. nad sufitami podwieszanymi lub pod podłogą),
  • wbudowanie niewielkich ilości materiałów zmiennofazowych w elementy wyposażenia wnętrz, szczególnie żaluzji, które pełnią wtedy rolę pojemnościowych kolektorów słonecznych.

Jeżeli chodzi o materiały budowlane, to najczęściej są to elementy gipsowe lub betonowe, przy których produkcji dodaje się do gipsu lub cementu odpowiednio spreparowany materiał PCM. Występuje on w postaci mikrogranulatu – kulek o wymiarach od kilku do kilkuset mikrometrów, otoczonych powłoką polimerową. Takie kuleczki zawierają do 80% właściwego materiału PCM. Dzięki małym wymiarom kuleczek oraz ich osłonięciu polimerem właściwości mechaniczne utworzonego kompozytu nie ulegają degradacji (należy pamiętać, że w czasie topnienia materiał zmiennofazowy zwiększa swoją objętość o kilkanaście procent). Zazwyczaj udział mikrogranulatu PCM nie przekracza 20%, także ze względów bezpieczeństwa pożarowego – największą grupą materiałów zmiennofazowych stosowanych w budownictwie są węglowodory. Oprócz mikrokapsułek stosowany jest również granulat o wymiarach cząsteczek rzędu milimetrów (z takiego surowca wykonywane są np. warstwy pojemnościowe w podłogach podgrzewanych), a także małe zasobniki – w postaci kulek lub rurek o średnicach rzędu 1–2 cm, które umieszczane są w wolnych przestrzeniach pustaków lub są zatapiane w betonie.

Zasobnikami z materiałami PCM są wymienniki ciepła o prostej konstrukcji, dostosowane gabarytowo i wielkością do istniejących warunków zabudowy. Często są one wyposażone w kanały dolotowe powietrza (które jest nośnikiem ciepła) oraz wentylatory. Wypełnienie zasobników stanowi materiał zmiennofazowy znajdujący się w prostych torebkach plastikowych (elastycznych ze względu na zmiany objętości) lub w walcowych pojemnikach.
Ciekawą propozycją jest zastosowanie materiałów zmiennofazowych w układach ogniw fotowoltaicznych zintegrowanych z budynkami (na ścianach lub dachach). Płaskie zasobniki z tymi materiałami mocuje się do tylnych powierzchni paneli PV (rys. 6). W tym wypadku materiał PCM pełni dwie funkcje – gromadzi część energii promieniowania słonecznego, która w nocy przekazywana jest do wnętrza budynku, oraz stabilizuje temperaturę ogniwa, co istotnie poprawia jego sprawność (sprawność ogniw PV znacznie spada ze wzrostem temperatury) [6].

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 4/2009

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Uszczelnij dach! Zobacz, jak to zrobić skutecznie »


Dobra robota zaczyna się od dobrego materiału... ZOBACZ »


Łatwa hydroizolacja dachu bez mieszania i odmierzania »

Gdzie stosować izolację polimocznikową?

Wymagania dotyczące dachów płaskich będą zawsze kompleksowe. Już od dawna dachy płaskie stają się „dachami użytkowymi“, przykładowo dla urządzeń fotowoltaicznych, klimatyzacyjnych, wymienników ciepła i wielu innych...
czytaj dalej »

Być może wciąż zastanawiasz się czy Twoja firma powinna zainwestować w posadzki epoksydowe? Jeśli szukasz odpowiedniego materiału na podłogę w hali produkcyjnej... czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Uszczelnianie dachu - to warto wiedzieć »

Zarabiaj pieniądze sprzedając prąd »

Przeczytaj, zanim zdecydujesz się na zakup konkretnego materiału. czytaj dalej » Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego... czytaj dalej »

Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Akustyczne płyty ścienne i sufitowe »

Energooszczędne płyty warstwowe z izolacją z wełny mineralnej o unikalnych właściwościach przeciwpożarowych i strukturalnych...  czytaj dalej »


Jak przyspieszyć prace budowlane?

Zobacz, jak możesz zaoszczędzić czas (i pieniądze). Uzyskaj bezpłatną wycenę materiałów w 48 godzin!  czytaj dalej »


Jak ochronić przed wodą podpiwniczenia i fundamenty?

Wykańczasz dom i potrzebne Ci wysokiej jakości materiały?

W przypadku aplikacji na podłożach wykazujących mikropęknięcia, przy wykonywaniu izolacji wodoszczelnej wanien...
czytaj dalej »

Dopasuj rozwiązanie do Twoich potrzeb i rodzaju wykonywach prac... czytaj dalej »


Jak trwale zabezpieczyć budynki przed wodą?

Skutecznie zabezpiecz budowane konstrukcje przed pożarem »

Rozwijamy kreatywne rozwiązania dla osiągniecia pożądanego sukcesu nawet w przypadku specjalnych projektów czytaj dalej » Masywne elementy budowlane w starych obiektach często nie spełniają wymagań przeciwpożarowych określonych w obowiązujących przepisach. czytaj dalej »

Chcesz ograniczyć straty ciepła z budynku? Zobacz »


W obecnych czasach rosnące ceny energii cieplnej i elektrycznej skłaniają do analizy strat ciepła w budynkach mieszkalnych. Jedynym sposobem ograniczenia kosztów jest... ZOBACZ »



Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Triflex Polska Triflex Polska
Triflex zyskał na rynku europejskim pozycję lidera w zakresie opracowywania, kompleksowego doradztwa oraz zastosowania uszczelnień i powłok...
6/2019

Aktualny numer:

Izolacje 6/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Problemy eksploatacyjne tynków wewnętrznych
  • - Warunki techniczne robót murarskich
Zobacz szczegóły
Jaką technologię wykonania tarasu wybrać w naszym klimacie?

Jaką technologię wykonania tarasu wybrać w naszym klimacie?

Zarówno w starych, jak i nowo wzniesionych budynkach coraz częściej można zauważyć bardzo zły stan balkonów i tarasów. Dlaczego tak się dzieje?
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.