Jak zwiększyć efektywność energetyczną budynków?

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 ρc_p = 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 – 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 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].

Właściwości materiałów zmiennofazowych

Analizując możliwość zastosowania danej substancji jako materiału zmiennofazowego, akumulującego ciepło, należy brać pod uwagę jej właściwości [4, 5]: pojemność cieplną, temperaturę przemiany fazowej, przewodność cieplną, brak przechłodzenia w czasie zestalania, stabilność w wielu cyklach topnienie – zestalanie.

Pojemność cieplna

Zdolność materiałów PCM do akumulacji ciepła zależy przede wszystkim od ciepła przemiany fazowej. Parametr ten dla materiałów, które mogą być stosowane w budownictwie, wynosi od ok. 100 kJ/kg (odnosi się to do gotowych produktów, gdzie materiał PCM jest zamknięty w kapsułkach) do ok. 250 kJ/kg (dla substancji jednorodnych). Istnieją materiały zmiennofazowe o znacznie wyższych pojemnościach cieplnych, ale są to materiały nieprzydatne w budownictwie. Dla efektywnej pojemności cieplnej istotne znaczenie ma również ciepło właściwe zarówno fazy stałej, jak i ciekłej. W warunkach pracy materiały PCM są bowiem przechładzane i przegrzewane w stosunku do temperatury topnienia – od kilku do kilkunastu stopni, a więc w bilansie energii zmiana entalpii związana z tymi procesami jest także istotna.

Temperatura przemiany fazowej

Materiał PCM najwięcej energii pochłania (i uwalnia) w czasie przemiany fazowej. Materiał ten powinien być tak wybrany, aby jego temperatura topnienia mieściła się w zakresie temperatur występujących w danym układzie. W przypadku zastosowań budowlanych zakres ten wyznaczają temperatury otoczenia (najwyższe w ciągu dnia i najniższe zimą lub w nocy), temperatury komfortu cieplnego (wewnętrzne w pomieszczeniu), a także rodzaj ogrzewania podłogowego, jeżeli materiał PCM jest wkomponowany w podłogę ogrzewaną. Temperatura ta musi być dobierana indywidualnie w każdym przypadku. W zależności od tego, gdzie w strukturze budynku wkomponowany jest PCM, inny jest nośnik ciepła (powietrze zewnętrzne lub wewnętrzne), a więc i jego temperatura. Jeżeli materiał jest umieszczony w ścianach lub w stropach, to zazwyczaj przyjmuje się, że temperatura przemiany fazowej materiału PCM powinna być o 1–3°C wyższa niż średnia temperatura w pomieszczeniu. Natomiast temperatura topnienia materiałów wspomagających elektryczne ogrzewanie podłogowe może wynosić nawet powyżej 60ºC.

Przewodność cieplna

Materiały zmiennofazowe powinny bardzo efektywnie pochłaniać lub uwalniać ciepło, i to warunkach, kiedy między układem a otoczeniem istnieją niewielkie różnice temperatury (niewielkie gradienty temperatury w warstwie zawierającej PCM). Jest to możliwe dzięki wysokiej przewodności cieplnej substancji. Jeżeli substancja nie spełnia tego warunku, stosuje się różne techniki mające na celu zwiększenie efektywnej przewodności cieplnej, zwykle przez dodawanie materiałów dobrze przewodzących, takich jak grafit lub wióry metalowe. Poprawę transportu ciepła do/z materiału PCM zapewnia też stosowanie powierzchni użebrowanej w zasobnikach oraz używanie w strukturach kompozytowych materiału bardzo rozdrobnionego (np. w postaci mikrogranulatu).

Brak przechłodzenia w czasie zestalania (ang. supercooling)

W niektórych materiałach proces zestalania rozpoczyna się nie w chwili osiągnięcia temperatury topnienia (Tt na rys. 7), lecz po przechłodzeniu fazy ciekłej do temperatury znacznie niższej od Tt (o kilka, a czasami kilkanaście stopni). W tym drugim przypadku czynnik odbierający ciepło powinien mieć bardzo niską temperaturę (Tot na rysunku). W przypadku zastosowań materiałów PCM w budownictwie, Tot jest to najniższa temperatura w pomieszczeniu (np. dolny zakres temperatury komfortu cieplnego) lub temperatura powietrza zewnętrznego w porze nocnej. Jeżeli w materiale PCM występują duże przechłodzenia, jego zastosowanie w budownictwie jest nieuzasadnione, ponieważ mogą nie wystąpić warunki zapewniające jego zestalenie, a więc materiał ten przestanie „pracować” jako cykliczny zasobnik ciepła. Stopień przechłodzenia można zmniejszyć przez dodawanie substancji, które pełnią rolę zarodków nukleacji.

Stabilność w wielu cyklach topnienie – zestalanie

W zastosowaniach w budownictwie materiał zmiennofazowy podlega najczęściej dobowym cyklom topnienie – zestalenie (pochłanianie i uwalnianie ciepła), powinien więc zachować swoje właściwości w ciągu kilku-kilkunastu tysięcy takich cykli. Wiele materiałów, które mają wysoką pojemność cieplną, nie spełnia tego warunku. Dotyczy to szczególnie substancji o złożonej budowie, np. hydratów. Hydraty tworzą ściśle określoną strukturę krystaliczną. Jednakże ze względu na różną gęstość składników (wody i soli) w czasie krystalizacji może dojść do segregacji składników – zamiast kryształu tworzy się woda z osadem soli, substancja, która nie ma właściwości akumulacyjnych hydratu. Istnieją sposoby zapobiegania segregacji w czasie zestalania. Najczęściej osiąga się to przez dodawanie substancji zwiększających lepkość w fazie ciekłej, np. związków pochodnych celulozy (tzw. żelowanie).

Inne ważne właściwości

Wymienione właściwości fizyczne materiałów zmiennofazowych mają podstawowe znaczenie przy ich wyborze na etapie projektowania układu. Wpływają one na globalny bilans ciepła oraz na warunki wymiany ciepła między otoczeniem a układem, a więc na intensywność procesów gromadzenia i uwalniania ciepła. Istnieje jednak wiele innych właściwości i czynników, które również mogą mieć wpływ na szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne, a także decydować o celowości stosowania danego materiału. Należą do nich:

• niskie ciśnienie nasycenia par (zbyt wysokie ciśnienie pary wymusza konieczność stosowania ciśnieniowych zasobników materiału PCM),
• małe zmiany objętości w czasie topnienia; kompensacja zmian objętości wymaga stosowania specjalnych zasobników lub bardzo dużego
• rozdrobnienia materiału (mikrokapsułki),
• stabilność chemiczna,
• kompatybilność z materiałami budowlanymi (cement, gips) oraz metalami i tworzywami sztucznymi,
• względy bezpieczeństwa – nietoksyczność, niepalność,
• niska cena,
• możliwość regeneracji.

Liczba parametrów, które należy uwzględniać przy ocenie potencjalnego materiału PCM, jest więc dość duża, i, jak można się spodziewać, nie ma materiałów, które spełniają większość z tych wymagań. W praktyce wyboru materiału dokonuje się na podstawie wielkości pojemności cieplnej i temperatury przemiany fazowej (oraz oczywiście ceny). Wady materiału eliminuje się lub redukuje różnymi zabiegami fizycznymi (np. stosując dodatki stabilizujące i zarodki nukleacji) lub odpowiednim projektem układu (kształt i wymiary zasobników PCM, granulacja tego materiału, gdy jest on mieszany z gipsem lub betonem), a także dzięki optymalizacji usytuowania elementów z PCM w strukturze budynku.

Rodzaje PCM wykorzystywanych w budownictwie

Ze względu na wyraźnie różne właściwości materiały zmiennofazowe 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 (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 2 przedstawiono wybrane materiały organiczne (z podstawowymi parametrami fizycznymi), które są stosowane (lub ich stosowanie jest brane pod uwagę) w budownictwie. 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 58C), ale ich mieszaniny topią się w temperaturze ok. 20C, czyli takiej, jaka jest wymagana przy zastosowaniach budowlanych.

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, wynoszących 2–3°C. Mają też wyższe (w stosunku do organicznych) wartości przewodności cieplnej, są również 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 działania mające na celu usunięcie tych wad przez zastosowanie dodatków przyspieszających krystalizację i stabilizujących.

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

W tabeli 3 przedstawiono materiały nieorganiczne stosowane w budownictwie, także substancje wysokotemperaturowe, które wykorzystywane są w układach ogrzewania podłogowego. Obecnie na świecie wytwarzaniem materiałów zmiennofazowych do zastosowań budowlanych oraz produkcją gotowych wyrobów zajmuje się kilkadziesiąt dużych firm. 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 (fot.).

Literatura

1. L. Pérez-Lombard, J. Ortiz, Ch. Pout, „A review on buildings energy consumption information”, „Energy and Buildings” vol. 40/2008, pp. 394–398.
2. Y. Zhang, G. Zhou, K. Lin, Q. Zhang, H. Di, „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. G. Hed, „Service life estimations in the design of a PCM based night cooling system”, Doctoral Thesis, University of Gävle, Sweden 2005.
4. B. Zalba, J.M. Martyn, L.F. Cabeza, H. Mehling, „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. H. Mehling, L.F. Cabeza, „Heat and cold storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications”, Springer Berlin Heidelberg, 2008.
6. M.J. Huang, P.C. Eames, B. Norton, „Thermal regulation of building-integrated photovoltaics using phase change materials”, „Int. J. Heat and Mass Transfer” vol. 47/2004, pp. 2715–2733.
7. A. Pasupathy, R. Velraj, „Effect of double layer phase change material in building roof for year round thermal management”, „Energy and Buildings” vol. 40/2008, pp. 193–203.
8. V.V. Tyagi, D. Buddhi, „PCM thermal storage in buildings: A state of art”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” vol. 11/2007, pp. 1146–1166.
9. M. Kenisarin, K. Mahkamov, „Solar energy storage using phase change materials”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews”, vol. 11/2007, pp. 1913–1965.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!