Zastosowania materiałów zmiennofazowych (PCM) w budownictwie

Materiał zmiennofazowy (ang. PCM - phase-change material) to związek lub grupa związków będących w stanie absorbować, akumulować i oddawać dużą ilość energii w zakresie temperatury przemiany fazowej. Wielkościami charakteryzującymi PCM oraz ich możliwości wykorzystania w budownictwie są:

• zdolność do akumulacji ciepła (zależy od ciepła przemiany fazowej związku - 100-280 kJ/kg),
• przewodność cieplna substancji,
• zachowanie substancji w warunkach przegrzania i przechłodzenia,
• zakres oraz wartości temperatury, w których dochodzi do przemiany fazowej,
• stabilność związku przy wielu cyklach przemiany fazowej.

Parametry te bardziej szczegółowo opisano w pracy M. Jaworskiego [1].

Podział materiałów zmiennofazowych

Podstawowym kryterium podziału materiałów zmiennofazowych, mającym wpływ na ich cechy fizyczne i chemiczne, jest budowa i skład chemiczny. Rozróżnia się materiały organiczne i nieorganiczne.

PCM organiczne

Materiały te składają się m.in. z: węglowodorów nasyconych (alkanów), estrów, alkoholi, kwasów tłuszczowych oraz niektórych polimerów glikolu etylenowego. Mają następujące właściwości:

• ciepło przemiany fazowej - 100-190 kJ/kg,
• brak korozji metali podczas przemiany fazowej,
• niska wartość współczynnika przewodzenia ciepła (0,15-0,30 W/(m·K)),
• duża rozszerzalność objętościowa podczas przemian fazowych,
• łatwopalność,
• większa stabilość w przypadku dużej liczby przemian fazowych w stosunku do nieorganicznych materiałów zmiennofazowych.

W TABELI 1 przedstawiono przykładowe materiały zmiennofazowe organiczne wykorzystywane w budownictwie [2,3].

PCM nieorganiczne

Materiały zmiennofazowe nieorganiczne najczęściej stosowane w budownictwie to uwodnione sole litowców i berylowców oraz ich eutektyki. PCM nieorganiczne mają następujące właściwości:

• wyższe niż w przypadku PCM organicznych ciepło przemiany fazowej (>200 kJ/kg),
• niestabilność termiczna,
• możliwość dojścia do nieodwracalnego oddzielenia wody hydratu od soli,
• wysoka wrażliwość na przechłodzenie związków,
• większa agresywność w porównaniu z PCM organicznymi,
• wyższa cena.

W TABELI 2 przedstawiono przykładowe materiały zmiennofazowe nieorganiczne wykorzystywane w budownictwie [2,3].

Zastosowanie

Dzięki swoim właściwościom materiały zmiennofazowe znajdują zastosowania w budownictwie od lat 60. XX w. Stosowanie tych substancji w przegrodach budowlanych skutkuje zmniejszeniem dobowych amplitud temperatury wewnątrz budynku oraz przesunięciem w fazie czasu oddawania zmagazynowanego ciepła. Zjawisko to przedstawiono na RYS. 1.

Obecnie materiały zmiennofazowe stosowane są zarówno w przegrodach budowlanych, jak i do zwiększenia efektywności kolektorów słonecznych, ścian kolektorowo-akumulacyjnych, zbiorników ciepła oraz niskotemperaturowych pomp ciepła.

Przedstawione w pracy D. Heima [4] wyniki badań numerycznych uzasadniają stosowanie PCM wewnątrz przegrody budowlanej tylko do określonej grubości substancji, na którą mają wpływ parametry przegrody oraz dane klimatyczne. Przykładowe miejsca zastosowania produktów zawierających PCM (RYS. 2) to:

• ściany
  - płyty kartonowo-gipsowe z mikrokapsułkami zawierającymi PCM,
  – pustaki z mikrokapsułkami z PCM,
  – bloczki z mikrokapsułkami PCM i sproszkowanym aluminium,
  – wkładki PCM aplikowane w drążeniach pustaków ceramicznych,
• podłogi
  – płyty laminowane z PCM,
  – granulat kapsułkowany PCM,
  – kompozyty stabilnego PCM,
• okna i żaluzje
  – rolety zawierające PCM,
  – PCM stosowany bezpośrednio w zespołach szybowych,
• zasobniki ciepła (makrokapsułki z PCM),
• rozwiązanie wykorzystujące systemy zysków bezpośrednich
  – mikrokapsułki PCM w formie granulatu,
  – makrokapsułki PCM w formie wkładek.

Metody łączenia konwencjonalnymi materiałami budowlanymi

Stosowane są następujące sposoby łączenia materiałów zmiennofazowych tradycyjnymi materiałami budowlanymi:

• łączenie kapsułek, mikrokapsułek zawierających PCM z cementem lub gipsem,
• nasączanie materiałów porowatych, np. gazobetonu, cegieł ceramicznych,
• bezpośrednie mieszanie PCM z cementem lub gipsem,
• wytwarzanie stabilnych kompozytów zawierających do 80% czystego PCM z osnową polimerową (HDPE shape stabilized PCM),
• płyty laminowane wełną mineralną z wewnętrzną warstwą PCM,
• jako zasobniki ciepła w postaci walców lub prostopadłościanów o wymiarach kilku- kilkunastu centymetrów pokryte powłoką polimerową, umieszczane w wolnych przestrzeniach elementów drążonych.

Bezpośrednie łączenie PCM z materiałami budowlanymi jest bardzo rzadko stosowane ze względu na trudności z łączeniem poszczególnych elementów oraz ryzyko powstania korozji chemicznej.

Wykorzystanie PCM w ścianach i podłogach

Z opisanych metod łączenia najczęściej stosowane jest łączenie gipsu lub cementu z kapsułkami i mikrokapsułkami z PCM. Kapsułki są kulkami o średnicach od kilku do kilkunastu milimetrów, zawierającymi do 80% czystego PCM, powleczonymi osłoną polimerową. Stosuje się je jako granulat, dodatek do pustaków betonowych oraz jako warstwę magazynującą ciepło w podłogach podgrzewanych.

Mikrokapsułki mają średnicę rzędu kilku- do kilkuset mikrometrów, podobnie jak w przypadku większych kapsułek są powlekane osłoną polimerową. Stosuje się je jako komponent płyt kartonowo-gipsowych.

Zaletami tych rozwiązań są niewielkie rozmiary kapsułek, dzięki czemu właściwości mechaniczne nowo utworzonego komponentu nie ulegają degradacji w związku ze zmianami objętości PCM spowodowanymi zmianą ich stanu skupienia.

Najczęściej stosowanymi materiały zmiennofazowymi w kapsułkach są węglowodory, a udział kapsułek nie przekracza 20% objętości elementu. Dokładniejszy opis kapsułek oraz sposób ich powstawania opisano w pracy w M. Jaworskiego [1].

Produkowane są również bloczki ze spienionego betonu z dodatkiem zawiesiny PCM. W celu zwiększenia przewodności cieplnej bloczki zawierają drobinki aluminium. Dzięki porowatej strukturze bloczki mają dobre właściwości izolacyjne, a dodatek aluminium zwiększa efektywność transportu ciepła wewnątrz przekroju, w którym znajduje się PCM.

Do zwiększenia izolacyjności oraz pojemności cieplnej stropów stosowane są płyty wełny mineralnej bądź innego włóknistego materiału z wewnętrzną warstwą mikrokapsułek.

Opisywane rozwiązanie charakteryzuje się dużym udziałem masowym PCM (60-80%) oraz temperaturą topnienia 20–22°C. Stosowane w tych produktach PCM są pochodzenia organicznego.

Kolejnym rozwiązaniem wykorzystującym PCM do zwiększenia pojemności cieplnej jest stosowanie kapsułek w formie granulatu, który umieszcza się przy oporowych przewodach elektrycznych lub rurkach wodnego wymiennika ciepła.

Następnym rozwiązaniem wykorzystującym PCM przy budowie podłóg są kompozyty o trwałej strukturze (shape stabilized PCM). Materiałami fazowo zmiennymi są związki organiczne, natomiast osnowę stanowią substancje mineralne (Al₂0₃, SiO₂) i polimery. Powyższe kompozyty charakteryzują się znaczną zawartością PCM.

PCM stosowane są podczas betonowania elementów monolitycznych o dużych objętościach [1]. Wysokie ciepło przemiany fazowej pozwala na czasowe zmagazynowanie oraz oddanie w późniejszym czasie ciepła powstałego podczas egzotermicznej reakcji wiązania betonu.

Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych zmniejsza ryzyko powstania rys wskutek skurczu termicznego elementu. Ponadto zatopione w elementach betonowych kapsułki z PCM wpływają pozytywnie na uczucie komfortu cieplnego przez zmniejszenie dobowych wahań temperatur oraz ich przesunięcie w czasie.

Wykorzystanie PCM w przegrodach przezroczystych

Należy wspomnieć również o możliwościach stosowania PCM we współpracy z przegrodami transparentnymi, gdzie możliwe jest czasowe magazynowanie ciepła z bezpośredniego promieniowania słonecznego [5–7].

System zysków bezpośrednich charakteryzuje się dużą sprawnością chwilową i jest wrażliwy na zmiany temperatury powietrza zewnętrznego oraz zmiany natężenia promieniowania słonecznego.

Zastosowanie w tym przypadku materiałów zmiennofazowych znacząco zwiększa sprawność rozwiązań konwencjonalnych przez zwiększenie pojemności cieplnej, a tym samym zmniejszenie wrażliwości rozwiązań na warunki atmosferyczne.

Wadą opisanych rozwiązań jest zmniejszenie przezierności przegród [5] przez zastosowanie PCM wewnątrz zespołu szybowego.

Przykładowe wykorzystanie PCM w przegrodach przeziernych opisano w pracy K. Ismail, A.R. Henriequez [5].

Autor przedstawił wyniki badań użycia glikolu propylenowego (organicznego PCM) wewnątrz jednokomorowego zespołu szybowego. Badania przeprowadzono z użyciem różnych grubości szyb i warstw PCM umieszczonych między nimi. Mierzone parametry porównano z wynikami modelu numerycznego.

Badania wykazały dużą redukcję ilości energii przesyłanej przez komponent (w zakresie podczerwieni i ultrafioletu) przy zachowaniu dobrej przezierności. Odnosiły się jednak jedynie do sytuacji przegrzewania pomieszczeń i nie uwzględniały klimatu umiarkowanego.

Kolejnym sposobem wykorzystania PCM w systemach zysków bezpośrednich jest stosowanie ruchomych rolet wypełnionych PCM.

Rolety działają w systemie 24-godz., są otwierane i zamykane w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego i natężenia promieniowania słonecznego, co pozwala na magazynowanie ciepła w ciągu dnia i oddawanie zmagazynowanej energii w nocy.

Wyniki badań przeprowadzonych w Karlsruhe i Kassel (Niemcy) [6] wykazały, że system jest dobrym rozwiązaniem w przypadku lekkich konstrukcji, szczególnie zimą, gdy zwiększona bezwładność cieplna przegrody zwiększa komfort termiczny. Latem wykazano natomiast niewielkie przyrosty temperatury powietrza wewnątrz pomieszczeń, co zmniejszyło szczytowe obciążenie klimatyzatorów.

Coraz częściej materiały zmiennofazowe znajdują także zastosowanie w systemach wykorzystujących energię odnawialną jako zasobniki ciepła oraz pozyskują energię z systemów zysków bezpośrednich. Przykładowe zastosowania to:

• pochłanianie nadmiaru ciepła z paneli fotowoltaicznych nadmiernego wzrostu temperatury. Wzrost temperatury paneli wpływa negatywnie na ich sprawność [1];
• modyfikacja materiałami zmiennofazowymi zasobników ciepła (często połączone z instalacją kolektorową);
• modyfikacja ścian kolektorowo-akumulacyjnych.

Podsumowanie

Przedstawione właściwości materiałów zmiennofazowych, wspomagających działanie w rozwiązaniach wykorzystujących systemy zysków bezpośrednich oraz zwiększających pojemność cieplną tradycyjnych materiałów budowlanych, sprawiają, że są one coraz częściej stosowane w branży budowlanej.

Ze względu na dążenia do minimalizacji ilości energii potrzebnej do utrzymana temperatury wewnątrz budynku w granicach komfortu termicznego (ogrzewanie zimą i chłodzenie latem) stosowanie PCM w wymienionych w artykule przypadkach jest uzasadnione. Niezbędne są jednak dodatkowe badania, aby poprawić właściwości opisywanych substancji oraz dopracować technologię ich stosowania.

Literatura

1. M. Jaworski, "Materiały zmiennofazowe (PCM) w budownictwie - właściwości i rodzaje", www.izolacje.com. 
2. 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, s. 251–283. 
3. V.V. Tyagi, D. Buddhi, "PCM thermal storage in buildings: A state of art", "Renewable and Sustainable Energy Reviews", vol. 11/2007, s. 1146–1166. 
4. D. Heim, "Efektywna głębokość wnikania ciepła w przegrodzie pełnej wypełnionej MFZ", "Budownictwo i Inżynieria Środowiska", z. 58, nr 3/2011. 
5. K. Ismail, A.R. Henriequez, "PCM Glazing Systems", "International Journal of Energy Research", vol. 21/1997, s. 1241–1255. 
6. N. Soares, J.J. Costa, A.R. Gaspar, P. Santos, "Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings’ energy efficiency", "Energy and Buildings", vol. 59/2013, s. 82–103. 
7. S. Grynning, F. Goia, E. Rognvik, B. Time, "Possibilities for characterization of a PCM window system using large scale measurements", "International Journal of Sustainable Built Environment", vol. 2, Issue 1/2013, s. 56–64. 
8. M. Hsino, J. Pasławski, "Materiały zmiennofazowe jako modyfikator betonu dojrzewającego w klimacie gorącym i suchym", "IZOLACJE", nr 2/2014, s. 46–49. 
9. F. Kuznik, J. Virgone, K. Johannes, "In-situ study of thermal comfort enhancement in a renovated building equipped with phase change material wallboard", "Renewable Energy", vol. 36/2011, s. 1458–1462.
10. S.A. Memon "Phase change materials integrated in building walls: A state of the art review", "Renewable and Sustainable Energy Reviews", vol. 31/2014, s. 870–906.
11. M.A. Izquierdo-Barrientos, J.F. Belmonte, D. Rodríguez-Sánchez, A.E. Molina, J.A. Almendros-Ibáńez, "A numerical study of external building walls containing phase change materials (PCM)", "Applied Thermal Engineering", vol. 47/2012, s. 73–85.
12. F. Kuznik, D. David, K. Johannes, J.J. Roux, "A review on phase change materials integrated in building walls", "Renewable and Sustainable Energy Reviews", vol. 15/2011, s. 379–391.
13. J. Pfafferott, M. Fischer, T. Strohmeyer, D. Wirth, "Ein einfaches Modell zur Vorhersage der Fassaden-und Grenzschichttemperatur", "Bauphysik", vol. 33/2011, s. 1437–1980.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!