Zastosowanie płyt gipsowo­-kartonowych z dodatkiem PCM o różnej temperaturze przemiany fazowej

Zastosowanie w budynkach o lekkiej konstrukcji wyrobów zawierających materiały zmiennofazowe może przyczynić się do zmniejszenia dobowego wahania temperatury wewnątrz pomieszczeń, a tym samym do poprawy komfortu cieplnego i zmniejszenia zapotrzebowania energetycznego budynku. W przypadku budynków bez instalacji chłodzących jest pasywnym rozwiązaniem, które może zmniejszyć ryzyko przegrzewania wnętrza.

Przedmiotem podjętych badań jest analiza porównawcza zachowania się lekkiej przegrody z zastosowaniem wewnętrznych płyt wykończeniowych w zmiennych warunkach temperatury powietrza. Głównym celem jest ocena możliwości akumulacyjnych płyt gipsowo-kartonowych zawierających materiały zmiennofazowe o różnej temperaturze przemiany.

Opis stanowiska pomiarowego

Stanowisko pomiarowe zostało zamontowane w laboratoryjnej komorze klimatycznej (RYS. 1, FOT. 1). Poddana badaniom lekka ściana szkieletowa o wymiarach 195×210 cm, umiejscowiona jest pomiędzy tzw. komorą zimną a komorą ciepłą. Podstawowe warstwy przegrody stanowią płyta styropianowa gr. 16 cm i wewnętrzna okładzina z płyty gipsowo-kartonowej.

W celu wykluczenia możliwości cyrkulacji powietrza pomiędzy termoizolacją a płytą gipsowo-kartonową, zamontowana płyta została dodatkowo uszczelniona po obwodzie silikonem.

Z tego powodu przyrosty temperatury nie następowały w sposób ciągły, ale zgodny ze schematem przedstawionym na RYS. 4. Schemat przedstawia przebieg cyklu rozkładu temperatury dla jednego cyklu.

Istotną z punku widzenia komfortu cieplnego pomieszczeń jest informacja o różnicy pomiędzy wartością temperatury powietrza w pomieszczeniu a wartością temperatury powierzchni wykończeniowych.

Przedstawiony na RYS. 6 wykres pozwala zaobserwować przebieg różnicy temperatury, jaka występowała na powierzchniach czołowych zwykłej płyty gipsowo-kartonowej i płyt zawierających PCM 23 i PCM 26.

W procesie przyrostu temperatury powietrza temperatura na powierzchniach płyt zawierających PCM była niższa niż na powierzchni płyty zwykłej maksymalnie o 3,6°C. Ten korzystny dla płyty z PCM przebieg temperatury związany jest z większą możliwością akumulacji nadmiaru ciepła w tym materiale.

Przedstawiony na RYS. 5 wykres pozwala zaobserwować, iż w przypadku płyt zawierających materiały zmiennofazowe na korzystny przebieg rozkładu temperatury wpływa temperatura przemiany.

W analizowanym rozkładzie podczas wzrostu temperatury powietrza od 18°C do 36°C korzystniejsze jest stosowanie płyty PCM 23, której temperatura powierzchni jest niższa o 3,5°C od płyty zwykłej i o 1,8° od powierzchni płyty PCM 26.

Po zakończeniu cyklu grzania i ustabilizowaniu temperatury powietrza powyżej 35°C układ ten jest odwrócony. Następuje wzrost temperatury powierzchni płyt zawierających PCM powyżej 28°C.

Korzystniejsze w tym przypadku jest stosowanie płyt o wyższej temperaturze przemiany (temperatura powierzchni PCM 26 jest niższa maks. o 3,2° w stosunku do płyty zwykłej).

Istotnym aspektem związanym z możliwością magazynowania energii w materiale PCM był pomiar różnicy temperatury, jaka występowała w danej chwili czasowej pomiędzy powierzchniami czołową a tylną wszystkich analizowanych płyt. RYS. 7 przedstawia rozkłady temperatury dla omawianego przypadku.

Przedstawiony na RYS. 7 przebieg temperatury powierzchni za płytami zawierającymi PCM pozwala zaobserwować niższe o 4,8°C wskazania niż na powierzchni za płytą zwykłą. Te niższe wartości temperatury są skutkiem absorbowania strumienia ciepła wnikającego w ten materiał i znacznie wolniejszego docierania do powierzchni tylnej płyty.

Istotne jest, że maksymalna różnica wskazań temperatury pomiędzy powierzchnią tylną płyty PCM 23 a płyty zwykłej występuje w okolicy temperatury przemiany fazowej (23,7°C), natomiast dla płyty PCM 26 jest przesunięta do temperatury 27,3°C.

Możliwości akumulacyjne analizowanych płyt dokładniej przedstawiają przebiegi gęstości strumieni ciepła przejmowanych i oddawanych przez poszczególne powierzchnie. Wyniki pomiarowe przedstawione zostały na RYS. 8.

Wykresy przedstawiają wyraźnie większą absorbcję ciepła dla płyt zawierających materiały zmiennofazowe. Ze względu na różną temperaturę przemiany (23°C i 26°C) obserwowane jest wyraźne przesunięcia ekstremów w czasie dla porównywanych materiałów.

Wyniki całkowania strumienia gęstości cieplnego przejmowanego przez trzy analizowane płyty w badanym okresie czasowym wskazują na większą możliwość akumulacji ciepła przez płytę z PCM 26.

Podczas cyklu ogrzewania akumuluje ona 3,5 razy więcej ciepła niż płyta gipsowo-kartonowa bez dodatku materiałów zmiennofazowych. Równie korzystnie zachowała się płyta PCM 23 – podczas badania zakumulowała blisko 3,11 razy więcej ciepła niż zwykła płyta.

PODSUMOWANIE

Uzykane wyniki całkowania strumienia gęstości cieplnego przejmowanego przez obydwie płyty zawierające materiał zmiennofazowy w badanym okresie czasowym wskazują na dużo większe możliwości akumulacji ciepła w porównaniu do zwykłej płyty. Wskazuje to na możliwość znaczącego zwiększenia pojemności cieplnej pomieszczenia przy jednoczesnym zastosowaniu tej samej ilości materiału wykończeniowego, ale z dodatkiem PCM.

Analizie poddano przegrodę pracującą w ekstremalnych warunkach temperatury okresu letniego. Zaprezentowane wyniki pozwalają na stwierdzenie, że temperatura przemiany fazowej zastosowanego materiału będzie miała istotny wpływ na jego efektywność. W przypadku wybranych do badań bardzo wysokiej maksymalnej temperatury powietrza wydaje się celowe równoczesne zastosowanie płyt o niższej i wyższej temperaturze przemiany fazowej.

Takie analizy będą przedmiotem kolejnych prób badawczych.

Artykuł przygotowano w ramach prac L-1/115/DS/2014

Literatura

1. R. Wnuk, M. Jaworski, „Badania charakterystyk cieplnych elementów budowlanych akumulujących ciepło zawierających materiały PCM (Phase Change Materials)”, Polska Energetyka Słoneczna 2 4/2010, 1/2011, s. 5–11.
2. R. Wnuk, „Magazynowanie ciepła, pozyskanego z energii promieniowania słonecznego, z wykorzystaniem materiałów fazowo-zmiennych, w budownictwie, II Konferencja SOLINA 2008, Innowacyjne Rozwiązania Materiały i Technologie dla Budownictwa.
3. N. Soares, J.J. Costab, A.R. Gasparb, P. Santosc, „Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings’ energy efficiency”, „Energy and Buildings” 59/2013, pp. 82–103.
4. R. Wnuk, „Bilans energetyczny pomieszczenia ze strukturalnym, funkcjonującym w cyklu dobowym, magazynem ciepła z materiałem fazowo-zmiennym”, Czasopismo Techniczne 2009 z. 5, Budownictwo z. 1-B, s. 269–277.
5. F. Berrouga, E.K. Lakhala, M. El Omaria, M. Faraji, H. El Qarniac, „Thermal performance of a greenhouse with a phase change material north wall”, „Energy and Buildings” 43 (2011), pp. 3027–3035.
6. K. Peippo, P. Kauranen, P.D. Lund, „Multicomponent PCM wall optimized for passive solar heating”, „Energy Build” 17 (4)/1991, pp. 259–270.
7. F. Kuznik, D. David, K. Johannes, J. Roux, „A review on phase change materials integrated in building walls”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 15/2011, pp. 379–391.
8. D.A. Neeper, „Thermal dynamics of wallboard with latent heat storage”, „Solar Energy”, USA 68 (5)/2000; pp. 393–403.
9. D. Heim, J.A. Clarke, „Numerical modelling and thermal simulation of PCM–gypsum composites with ESP-r”, „Energy Build”, UK 36 (8)/2004, pp. 795–805.
10. F. Jiang, X. Wang, Y. Zhang, „A new method to estimate optimal phase change material characteristics in a passive solar room”, „Energy Conversion and Management” 52 (2011), pp. 2437–2441.
11. D. Chwieduk, „Wybrane aspekty stosowania materiałów zmiennofazowych w przegrodach zewnętrznych w polskich warunkach klimatycznych”, Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej Budownictwo i Inżynieria Środowiska z. 59 (2/2012/II).
12. S. Scalat, D. Banu, D. Hawes, J. Paris, F. Haghighata, D. Feldman, „Full scale thermal testing of latent heat storage in wallboard”, „Solar Energy Materials and SolarCells” 44 (1)/1996, pp. 49–61.
13. J. Kooa, H. Sob, S.W. Honga, H. Honga, „Effects of wallboard design parameters on the thermal storage in buildings”, „Energy and Buildings” 43 (2011), pp. 1947–1951.
14. N. Soaresa, J.J. Costab, A.R. Gasparb, P. Santosc, „Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings’ energy efficiency”, „Energy and Buildings”, 59 (2013), pp. 82–103.
15. B. Zalba, J.M. Marin, L.F. Cabeza, H. Mehling, „Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications”, „Applie Thermal Engineering” 23 (2003), pp. 251–283.
16. A. Sharma, V.V. Tyagi, C.R. Chen, D. Buddhi, „Review on thermal energy storage with phase change materials and applications”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 13 (2009), pp. 318–345.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!