Dołącz do czytelników
Brak wyników

Nowoczesne rozwiązania

1 lipca 2019

NR 11 (Czerwiec 2019)

Wady i zalety materiałów zmiennofazowych

0 98

Materiał zmiennofazowy (PCM), czyli substancja, która jest w stanie absorbować, akumulować i uwalniać dużą ilość energii na jednostkę masy, dzięki swoim właściwościom może pełnić funkcję akumulatora ciepła, co pozwala m.in. na stabilizację temperatury w pomieszczeniach. Jest to więc nowoczesne rozwiązanie termoizolacyjne przegród budowlanych.

Współczesne technologie wznoszenia budynków zeroenergetycznych opierają się na lekkich konstrukcjach, które spełniają wymogi stawiane obiektom zgodnie ze strategią minimalizowania energii zużywanej przez budynek zimą oraz zmniejszania zapotrzebowania na energię do chłodzenia obiektu w okresie letnim.

Efektywne zwiększenie pojemności (bezwładności) cieplnej budynku, bez znaczącego zwiększania jego masy, jest możliwe dzięki zastosowaniu materiałów zmiennofazowych.

Materiał zmiennofazowy (ang. PCM – phase-change material) – inaczej związek zmiennofazowy lub materiał przemiany fazowej – jak podają źródła naukowe, jest substancją, która jest w stanie absorbować, akumulować i uwalniać dużą ilość energii na jednostkę masy w zakresie temperatury przemiany fazowej (np. ciało stałe – ciecz).

W trakcie pochłaniania energii temperatura PCM nie ulega zmianie. Duża pojemność cieplna tych materiałów jest wynikiem przemiany fazowej (topnienie – zestalanie) zachodzącej w zakresie zmian temperatury wymuszanej czynnikami naturalnymi, tzn. wysoką temperaturą w ciągu dnia i niską temperaturą w ciągu nocy. 
W wyniku zmian fazowych materiały zmiennofazowe pełnią funkcję akumulatora ciepła, co pozwala na uzyskanie takich efektów jak: 

  • stabilizacja temperatury w pomieszczeniu w warunkach zmiennych obciążeń termicznych, czyli prowadzenie do zmniejszenia dobowych amplitud temperatury wewnątrz budynku oraz przesunięcia w fazie czasu oddawania zmagazynowanego ciepła,
  • efektywne wykorzystanie naturalnych warunków klimatycznych.
     
Fot. 1. Panele CSM z materiałami zmiennofazowymi PCM na dachu Palmiarni w Ogrodzie Botanicznym w Berlinie 

 


Materiał PCM magazynuje w sobie ciepło, dlatego też materiały te nazywa się czasem magazynami energii cieplnej (thermal energy storage) lub biernym źródłem ciepła – odbywa się dzięki nim akumulacja ciepła pozyskiwanego w kolektorach słonecznych (i innych źródłach odnawialnych).

Materiały zmiennofazowe stosowane jako dodatki do materiałów znacząco obniżają wartość przewodności tych materiałów (np. cementu czy gipsu), co prowadzi do poprawy efektywności energetycznej budynków. Dzięki temu następuje akumulacja ciepła w elementach konstrukcyjnych budynków (beton impregnowany parafiną, „night ventilation”).

Komercyjnie dostępne materiały zmiennofazowe

Obecnie na świecie wytwarzaniem materiałów zmiennofazowych oraz produkcją gotowych wyrobów zajmuje się kilkadziesiąt dużych firm1. Do najbardziej znanych należy zaliczyć takich producentów jak: Rubitherm, Doerken, BASF (Niemcy), EPS Ltd. (Wielka Brytania), PCM Thermal Solutions (USA), Climator (Szwecja), Cristopia (Francja), Mitsubishi Chemical (Japonia), TEAP Energy (Australia), PCMS (Chiny) czy PlusPolimer (Indie).

Stosowanie PCM

Wyróżniamy kilka sposobów wkomponowania materiałów PCM w materiały i przegrody budowlane:

  • bezpośrednie mieszanie mikrogranulatu – granulat o wymiarach cząsteczek rzędu kilku milimetrów oraz kulki lub rurki o średnicy rzędu 1–2 cm stosuje się bezpośrednio w procesie produkcyjnym materiałów i elementów budowlanych. Zazwyczaj udział mikrogranulatu nie przekracza 20% ze względu bezpieczeństwa pożarowego,
  • umieszczenie materiałów zmiennofazowych w specjalnych zasobnikach, pracujących jako wymienniki ciepła (o określonej wielkości i kształcie), które rozmieszcza się w wolnych przestrzeniach budynku,
  • bierna klimatyzacja w pomieszczeniu – system (np. DELTA®COOL 24) z PCM, instalowany w podwieszanych sufitach, przyczynia się do klimatyzacji budynków w sposób pasywny. System nie generuje nieprzyjemnych przeciągów ani hałasu, a jego zastosowanie nie wpływa na zmniejszenie się przestrzeni pomieszczenia,
  • wbudowywanie niewielkich ilości materiałów zmiennofazowych w elementy wyposażenia wnętrz (szczególnie żaluzji, które pełnią wtedy funkcję pojemnościowych kolektorów słonecznych, są również propozycje mebli z materiałami PCM). Ciekawym zastosowanie materiałów PCM jest połączenie ich z układami fotowoltaicznymi zintegrowanymi z budynkami. Płaskie zasobniki mocuje się do tylnych powierzchni paneli PV, w wyniku czego materiał zmiennofazowy pełni dwie funkcje: gromadzi energię z promieniowanie słonecznego, oddając ją w nocy do wnętrza budynku, oraz stabilizuje temperaturę ogniwa, co poprawia jego sprawność, gdyż ta spada wraz ze wzrostem temperatury,
  • nasycanie porowatych elementów budowlanych (cegieł, bloczków betonowych, granulatu mineralnego) przez ich zanurzenie w stopionym materiale PCM,
  • wytwarzanie płyt laminowanych (najczęściej z wełny mineralnej) z cienką, wewnętrzną warstwą materiału PCM.

Przykłady zastosowania materiałów PCM w przegrodach budowlanych [2]

  • Ściany [2]
    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 [2]
    płyty laminowane z PCM,
    granulat kapsułkowany PCM,
    kompozyty stabilnego PCM;
  • Okna i żaluzje [2]
    rolety zawierające PCM,
    PCM stosowany bezpośrednio w zespołach szybowych;
  • Rozwiązanie wykorzystujące systemy zysków bezpośrednich [2]
    mikrokapsułki PCM w formie granulatu,
    makrokapsułki PCM w formie wkładek.

Właściwości materiałów zmiennofazowych

Analizując możliwość zastosowania danej substancji jako materiału zmiennofazowego, akumulującego ciepło, należy już na etapie projektowania brać pod uwagę następujące jej właściwości:

  • Pojemność cieplna

Zdolność materiałów PCM do akumulacji ciepła zależy przede wszystkim od ciepła przemiany fazowej. Parametr ten dla materiałów stosowanych w budownictwie mieści się w zakresie:

  • 100 kJ/kg – dla gotowych produktów, w których materiał PCM jest zamknięty w kapsułkach i materiał samej kapsułki zmniejsza efektywną pojemność cieplną,
  • 280 kJ/kg – dla jednorodnych substancji.

Materiały zmiennofazowe o znacznie wyższych pojemnościach cieplnych, zwane inaczej materiałami wysokotemperaturowymi, nie są przydatne w budownictwie, ale mogą być stosowane do magazynowania ciepła w instalacjach.

  • Temperatura przemiany fazowej

Najwięcej energii jest pochłaniane (i uwalniane) przez materiał PCM w czasie przemiany fazowej. Należy tak dobrać materiał, aby jego temperatura topnienia mieściła się w zakresie temperatur występujących w danym układzie. W przypadku zastosowań budowlanych zakres ten wyznaczają temperatury otoczenia (zarówno najwyższe w ciągu dnia, jak i najniższe w zimie lub w nocy) oraz temperatury komfortu cieplnego (wewnętrzne w pomieszczeniu). Temperatura przemiany fazowej materiału PCM powinna być o 1–3 stopnie wyższa niż średnia temperatura w pomieszczeniu.
 

 

  • Przewodność cieplna

Materiały zmiennofazowe powinny bardzo efektywnie pochłaniać lub uwalniać ciepło, nawet w warunkach, kiedy między układem a otoczeniem istnieją niewielkie różnice temperatury (niewielkie gradienty temperatury w warstwie zawierającej PCM). Warunkiem tego jest wysoka przewodność cieplna substancji. W przypadku, gdy substancja nie spełnia tego warunku, stosuje się różne techniki, które mają na celu zwiększenie efektywnej przewodności cieplnej. Zazwyczaj dodaje się materiały dobrze przewodzące, takie jak grafit czy wióry metalowe. Żeby poprawić wymianę ciepła do/z materiału PCM, stosuje się powierzchnie użebrowane w zasobnikach oraz używa się materiału bardzo rozdrobnionego (np. w postaci mikrogranulatu) w strukturach kompozytowych.

  • Brak przechłodzenia w czasie zestalania

W niektórych materiałach proces zestalania rozpoczyna się w chwili osiągnięcia temperatury topnienia (Tt), natomiast w innych – po przechłodzeniu fazy ciekłej do temperatury znacznie niższej od Tt (o kilka, a nawet kilkanaście stopni). W tym drugim przypadku czynnik pobierający ciepło powinien mieć bardzo niską temperaturę (Tot). 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, to w budownictwie jego zastosowanie może nie spełniać swojej funkcji.

  • Stabilność w wielu cyklach „topnienie – zestalanie”

Materiał zmiennofazowy podlega najczęściej dobowym cyklom pochłaniania i uwalniania ciepła, dlatego też powinien zachować swoje właściwości w ciągu kilku do kilkunastu tysięcy takich cykli.

  • Szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne, do których zalicza się:
    małe zmiany objętości w czasie topnienia; kompensacja zmian objętości wymaga stosowania specjalnych zasobników lub bardzo dużego rozdrobnienia materiału (mikrokapsułki),
    stabilność chemiczną,
    kompatybilność z materiałami budowlanymi (cement, gips) or...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań magazynu "Forum Nowoczesnego Budownictwa"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy