Zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) do zwiększenia bezwładności cieplnej budynków

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.

Na rysunku 1 pokazano przykładowe roczne przebiegi temperatury otoczenia oraz wewnątrz pomieszczenia bez zainstalowanych urządzeń ogrzewania/klimatyzacji [2]. Linia czarna pokazuje temperatury w pomieszczeniu wykonanym z betonu o przewodności cieplnej λ = 0,5 W/(m·K) oraz pojemności cieplnej ρc_p = 1,4 MJ/(m3·K).

Jak widać w długich okresach roku występuje konieczność ogrzewania lub chłodzenia w celu zapewnienia warunków 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 izolacji budynku oraz, przede wszystkim, przez zwiększenie pojemności cieplnej konstrukcji budynku.

Krzywa żółta na rysunku 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 – ρc_p= 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 izolacji cieplnej, ale mają bardzo małą pojemność cieplną. Efektywne zwiększenie pojemności (bezwładności) cieplnej budynku, bez znaczącego zwiększania jego masy, jest możliwe przez zastosowanie tzw. materiałów zmiennofazowych (ang. phase change materials, PCM).

Duża pojemność cieplna tych materiałów 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 w dopiero w ostatnich latach, co wynikało 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 i uwalniane jest 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 tablicy 1 zestawiono wartości pojemności cieplnej wody, wybranych materiałów budowlanych oraz jednego z materiałów PCM, który jest rozważany do zastosowań w budownictwie. 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 są przede wszystkim wykorzystywane jako czynniki robocze w układach akumulacji energii na sposób ciepła (ang. thermal energy storage). Na świecie działa wiele firm produkujących zasobniki ciepła (lub chłodu), o pojemności od setek kg do setek ton, które pozwalają na poprawę efektywności gospodarowania energią w systemach ogrzewania/chłodzenia.

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 omawiane jest metoda, w której materiał PCM jest wbudowany w strukturę budynku – jest częścią materiałów budowlanych (betonowych, gipsowych, pustaków) lub istnieje w postaci niewielkich zasobników rozmieszczonych w wolnych przestrzeniach budynku, np. nad sufitami podwieszanymi lub pod podłogą.

Materiały zmiennofazowe PCM nawet wtedy, gdy są wkomponowane w konstrukcję budynku, pełnią role 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 rysunku 5 pokazano wyniki badania wpływu materiału PCM na zmiany temperatury w pomieszczeniu biurowym [3]. Linią niebieską pokazano 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 pokazują 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 zakresie temperatury od 18 do 32°C, DT14, drugi w węższym zakresie od 24 do 26°C, DT2), oraz dla różnych ilości materiału w odniesieniu do jednostki powierzchni pomieszczenia [kg/m2].

Widać wyraźne obniżenie maksymalnej temperatury w pomieszczeniu. 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 specjalny 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, są również propozycje mebli z materiałami PCM.

Jeżeli chodzi o materiały budowlane, to najczęściej są to elementy gipsowe lub betonowe, przy produkcji których dodaje się do gipsu lub cementu odpowiednio spreparowany materiał PCM. Ma on postać mikrogranulatu – kulek o wymiarach od kilku do kilkuset mikrometrów, otoczonych powłoką polimerową. Kuleczki takie 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.

Zasobniki z materiałami PCM są wymiennikami ciepła o prostej konstrukcji dostosowanymi gabarytowo i wielkością do istniejących warunków zabudowy. Często są one wyposażone w kanały dolotowe powietrza (jako nośnika ciepła) oraz wentylatory.

Materiał zmiennofazowy najczęściej znajduje się w prostych torebkach plastykowych (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 tym materiałami mocuje się do tylnych powierzchni paneli PV, rys. 6. W tym przypadku 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].

Literatura

1. Pérez-Lombard L., Ortiz J., Pout Ch.: A review on buildings energy consumption information, Energy and Buildings. vol. 40, 2008, pp. 394–398.
2. 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.
3. Hed G.: Service life estimations in the design of a PCM based night cooling system, Doctoral Thesis, University of Gävle, Sweden, 2005.
4. 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.
5. Mehling H., Cabeza L.F.: Heat and cold storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications. Springer, 2008.
6. Huang M.J., Eames P.C., Norton B.: Thermal regulation of building-integrated photovoltaics using phase change materials. Int. J. Heat and Mass Transfer. vol. 47 (2004), pp. 2715–2733.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!