CZYTELNIKU

Odbierz bezpłatne wydanie miesięcznika IZOLACJE [PDF] 

 

Materiały zmiennofazowe (PCM) w budownictwie – właściwości i rodzaje

dr inż. Maciej Jaworski  |  18.10.2010
Ciąg dalszy artykułu...

Rodzaje materiałów zmiennofazowych wykorzystywanych w budownictwie

Ze względu na wyraźnie różne właściwości, materiały zmiennofazowe PCM dzieli się na dwie grupy: organiczne i nieorganiczne. W bardziej szczegółowej klasyfikacji wprowadza się jeszcze podział na substancje jednorodne, mieszaniny, mieszaniny eutektyczne [2].

Materiały organiczne to węglowodory nasycone (alkany, parafiny) o liczbie atomów węgla w łańcuchu od 16 do 20 (dotyczy zastosowań w budownictwie), kwasy tłuszczowe, estry, alkohole (np. dodekanol) i inne pochodne węglowodorów. Do tej grupy zalicza się polimer glikolu etylenowego o masie cząsteczkowej ok. 600 g/mol (PEG600).

Zaletą materiałów organicznych jest stabilność w wielu cyklach topnienia-zestalania oraz zestalanie bez przechłodzeń. Węglowodory nasycone mają bardzo wysokie ciepło przemiany fazowej – rzędu 250 kJ/kg. Są to jednak substancje stosunkowo drogie i są używane jako materiały PCM tylko w szczególnych zastosowaniach (ale nie budowlanych, gdzie konieczne są duże ilości materiału). Kwasy tłuszczowe, estry oraz ich mieszaniny mają znacznie niższe pojemności cieplne (poniżej 200 kJ/kg). Przemiany fazowe występują też w szerszym zakresie temperatury, co nie jest korzystne, ponieważ wymaga większych zmian temperatury otoczenia.

Wśród wad materiałów organicznych należy wymienić: bardzo niską przewodność cieplną (rzędu 0,15÷0,30 W/(m·K)), dużą rozszerzalność objętościową w procesie topnienia oraz palność (jest to istotne tylko przy dużych koncentracjach materiału PCM, powyżej 20%).

W tabeli 1 przedstawiono wybrane materiały organiczne (z podstawowymi parametrami fizycznymi), które są stosowane (lub brane pod uwagę) w budownictwie. Dużą grupę materiałów w tablicy stanowią mieszaniny kwasów tłuszczowych. W wyniku mieszania substancji zmniejsza się ciepło przemiany fazowej (co jest niekorzystne), jednakże można w ten sposób dopasować temperaturę przemiany fazowej do konkretnego zastosowania. Kwasy kaprynowy, laurynowy i mirystynowy mają wysokie temperatury topnienia (odpowiednio 32, 43 i 58oC), ale ich mieszaniny topią się w temperaturze ok. 20oC, czyli takiej, jaka jest wymagana przy zastosowaniach budowlanych.

Tabela 1. Organiczne materiały zmiennofazowe [3-6]
Materiał
Tt,oC
Ct, kJ/kg
Ester kwasu stearynowego i butanolu;
CH3(CH2)16COO(CH2)3CH3
18-23
140
Ester kwasu palmitynowego i propanolu
CH3(CH2)12COO(CH2)2CH3
19
186
Dodecanol, CH3(CH2)11OH
17-23
189
Kwas kaprynowy (82%)
Kwas laurynowy (18%)
19,1-20,5
147
Kwas kaprynowy (61,5%)
Kwas laurynowy (38,5%)
19,1
132
Kwas kaprynowy (45%)
Kwas laurynowy (55%)
21
143
Kwas kaprynowy (76,5%)
Kwas laurynowy (23,5%)
22
171
Kwas kaprynowy (73,5%)
Kwas mirystynowy (26,5%)
21,4
152
Polimer glikolu etylenowego, PEG600
22
127

 

Substancje nieorganiczne to przede wszystkim sole, ich hydraty oraz mieszaniny eutektyczne. Charakteryzują się one bardzo wysokim ciepłem topnienia (znacznie powyżej 200 kJ/kg) oraz wąskim zakresem temperatury przemiany fazowej – pochłaniają i uwalniają ciepło przemiany fazowej przy niewielkich zmianach temperatury, rzędu 2–3 stopni. Mają też wyższe (w stosunku do organicznych) przewodności cieplne i są  niepalne.

Materiały nieorganiczne mają dwie poważne wady: przy zestalaniu występują często kilkunastostopniowe przechłodzenia, są również niestabilne w procesach przemian fazowych (dotyczy to hydratów, które ulegają całkowitej segregacji na sól i wodę często już po kilku cyklach topnienie-zestalanie). Wysoka pojemność cieplna hydratów uzasadnia podejmowanie starań w celu usunięcia tych wad przez zastosowanie dodatków przyspieszających krystalizację i stabilizujących.

Obserwuje się też korozyjne działanie tego typu substancji zarówno na materiały budowlane jak i metale. Nie można więc bezpośrednio mieszać tego typu substancji z materiałami budowlanymi, a dobór materiału na zasobniki też wymaga specjalnej uwagi.

W tabeli 2 przedstawiono materiały nieorganiczne, stosowane w budownictwie, także substancje wysokotemperaturowe, które wykorzystywane są w układach ogrzewania podłogowego.

Tabela 2. Nieorganiczne materiały zmiennofazowe [3-6]
Materiał
Tt,oC
Ct, kJ/kg
KF·4H2O
18,5
231
Mn(NO3)2·6H2O
25,8
126
CaCl2·6H2O
29-30
171-190
LiNO3·3H2O
30
196
Na2SO4·10H2O
32
254
Na2HPO4·12H2O
35-44
280
Na2S2O3·5H2O
48-55
187-209
Na(CH3COO)·3H2O + Na2HPO4·7H2O (nukl.)
58
226-264
CaCl2(48%) + H2O (47%) + NaCl (4,3%) + KCl (0,4%)
27
188
MgNO3·6H2O (58,7%) + MgCl2·6H2O (41,3%)
58-59
132

 

Obecnie na świecie wytwarzaniem materiałów zmiennofazowych do zastosowań budowlanych, jak również produkcją gotowych wyrobów, zajmuje się kilkadziesiąt dużych firm. Do najbardziej znanych należy zaliczyć: Rubitherm, Doerken, BASF (Niemcy), EPS Ltd. (Wielka Brytania), PCM Thermal Solutions (USA), Climator (Szwecja), Cristopia (Francja), Mitsubishi Chemical (Japonia), TEAP Energy (Australia), PCMS (Chiny), PlusPolimer (Indie). Wybrane produkty handlowe niektórych z tych firm, z podstawowymi parametrami oraz informacją o rodzaju materiału (firmy nie podają dokładnych informacji o materiale, podawana pojemność cieplna ma także wartość orientacyjną), przedstawiono w tabeli 3.

Produkty handlowe mają postać gotowych elementów, np. płyt gipsowo-kartonowych czy też elastycznych torebek z materiałem zmiennofazowym, które mogą stanowić wypełnienie zasobników ciepła. Dostępne są też półprodukty, np. granulat do wytwarzania zaprawy gipsowej lub warstw akumulacyjnych w podłodze. Na rysunku 2 pokazano granulat firmy BASF (®Micronal), kuleczki polimerowe wypełnione organicznym materiałem PCM mają średnice od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów.

Metody wytwarzania elementów budowlanych zawierających materiały zmiennofazowe oraz konkretne przykłady zastosowań będą tematem następnej publikacji.

Tabela 3. Produkty handlowe do zastosowań w budownictwie na bazie materiałów zmiennofazowych PCM
Nazwa handlowa
Tt,oC
Ct, kJ/kg
Rodzaj materiału
Producent
RT 20
22
130

Parafina
 Rubitherm
RT 27
28
179
RT 31
31
168
SP 22 A4
22 165
 Eutektyka
SP 25 A8
25
180
ClimSel C22 22
144
 Hydrat soli  Climator
ClimSel C24 24
108
ClimSel C28 28
126
ClimSel C32 32
195
STL 27
27
213
Hydrat soli Mitsubishi
S 27
27
207
Hydrat soli
Cristopia
HS 22
22
190
 Materiał nieorganiczny
 Plus Polimer, Indie
HS 24
24
155
HS 29
29
205

 

Rys. 2, BASF
Rys. 2. Mikrogranulki PCM (BASF), szerokość obrazu ok. 1,8 mm

 

Literatura

1. Jaworski M.: Zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) do zwiększenia bezwładności cieplnej budynków. www.izolacje.cpm.pl, 2009.
2. Mehling H., Cabeza L.F.: Heat and cold storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications. Springer, 2008.
3. Zalba B., Martyn J.M., Cabeza L.F., Mehling H.: Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering, vol. 23, No 25, 2003, pp. 251–283.
4. Zhang Y., Zhou G., Lin K., Zhang Q., Di H.: Application of latent heat thermal energy storage in buildings: State-of-the-art and outlook, Building and Environment, vol. 42, 2007, pp. 2197–2209.
5. Pasupathy A., Velraj R.: Effect of double layer phase change material in building roof for year round thermal management. Energy and Buildings, vol. 40 (2008), pp. 193–203.
6. Tyagi V.V., Buddhi D.: PCM thermal storage in buildings: A state of art. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 11 (2007), pp. 1146–1166.
7. Kenisarin M., Mahkamov K.: Solar energy storage using phase change materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 11 (2007), pp. 1913–1965.

STYCZEŃ 2009

Polecamy:

Wady polskich dachów, cz. 2 - przykładyWady polskich dachów, cz. 2 – zobacz >

 

Nowe PRODUKTY!
Rozwiązania dla ścian z fasadą wentylowaną

Analizy prawdziwych pożarów

Wszystko o grupie PAROC
Wszystko o Schomburg Polska

Drewno lite i klejone dla budownictwa - seminarium szkoleniowe ITB

System tarasowy

Pobierz darmowe e-booki

I

Jeśli jesteś związany z szeroko pojętą branżą izolacyjną lub budowlaną, możesz łatwo zyskać dostęp do fachowych artykułów i najnowszych informacji.

Odbierz bezpłatny newsletter serwisu www.izolacje.com.pl.

 

NAJCZĘŚCIEJ CZYTANE!
System izolacji wewnętrznej ścian – Superwand DS®


Wymagania w zakresie EP a izolacyjność termiczna przegród

Gładź czy masa szpachlowa?

Izolacje podłóg na gruncie

Komentarze

(0)
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 »
Zamów bezpłatny newsletter!
Najnowsze informacje na Twoją skrzynkę
10/2014

Aktualny numer:

Izolacje 10/2014
W miesięczniku m.in.:
  • - Zastosowanie krystalicznych zapraw uszczelniających
  • - Balkony oszklone jako systemy szklarniowe cz. 3
Zobacz szczegóły
TIKAL POLSKA Sp. z o.o. TIKAL POLSKA Sp. z o.o.
TIKAL POLSKA oferuje pod marką INJECTOR : szeroką paletę odpowiednich iniektorów (pakery iniekcyjne), pompy profesjonalne...
POLECANE PUBLIKACJE
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowo-akcyjna, nr KRS: 0000439720. 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

.