Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych do ochrony przed przegrzewaniem budynków energooszczędnych

Rodzaje i właściwości materiałów zmiennofazowych
Jak chronić dom energooszczędny przed przegrzewaniem?
Jak chronić dom energooszczędny przed przegrzewaniem?
Fot. VELUX
Ciąg dalszy artykułu...

Innym rozwiązaniem jest umieszczenie PCM pomiędzy dwiema warstwami foli z tworzywa sztucznego o grubości ok. 1 cm. Jedna z warstw ma wgłębienia wypełniane PCM, które tworzą regularne komórki w kształcie sześcianu [16, 19]. Rozwiązanie to skutkuje większą wymianą ciepła pomiędzy PCM a otoczeniem, co wpływa na efektywność wykorzystania materiału.

W celu dokonania analizy wpływu zastosowania materiałów zmiennofazowych na ryzyko przegrzewania wnętrz wykonano symulacje warunków termicznych w budynku szkieletowym z różnymi wariantami materiałowymi przegród. Zgodnie z przyjętą strategią budynek ma spełniać założenia dotyczące obiektów energooszczędnych.

Przedmiotem porównawczych obliczeń był model budynku o charakterze usługowym zlokalizowany w Katowicach. Budynek ma wymiary 10×5×2,5 m i konstrukcję szkieletową z lekkim poszyciem (rys. 2). Ścianę zewnętrzną w wersji wyjściowej stanowi 30-centymetrowa warstwa termoizolacji obudowana od strony zewnętrznej płytą OSB, a od strony wewnętrznej płytą gipsowo-kartonową.

Dach ma również konstrukcję lekką z wypełnieniem 30-centymetrową warstwą termoizolacji. Elewację południową w 40% stanowi przeszklenie. Stolarka okienna ma bardzo dobre parametry izolacyjności termicznej (U = 0,8 W/m2 K) oraz zgodny z rozporządzeniem współczynnik przepuszczalności energii całkowitej gc = 0,5.

Przeczytaj także: Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki. Oszczędność energii i izolacyjność cieplna >>

Dodatkowo okna wyposażono w elementy zacieniające o wysięgu 0,6 m na całej ich długości. Założono, że w obiekcie w godzinach pracy będzie przebywać pięć osób oraz konieczne będzie doświetlenie wnętrza budynku światłem sztucznym. W związku z tym w godzinach użytkowania lokalu (tj. od godz. 7.00 do 18.00) uwzględniono zyski ciepła od pracujących w nim osób (5×80 W) i oświetlenia (3 W/m2).

Należy zauważyć, że w budynku zastosowano wszystkie pasywne rozwiązania mające na celu obniżenie zapotrzebowania na energię i wpisujące się w wytyczne projektowania budynku energooszczędnego.

Do symulacji przyjęto warianty materiałowe uwzględniające zastosowanie zarówno materiałów tradycyjnych, jak i ulegających przemianie fazowej. Analizowano wariant podstawowy (opisany powyżej) zrealizowany w technologii szkieletowej z wypełnieniem warstwą termoizolacji oraz wariant budynku z masywnymi ścianami z cegły pełnej. We wszystkich rozwiązaniach przewidziano docieplenie 30-centymetrową warstwą termoizolacji i wykończenie powierzchni wewnętrznej płytami gipsowo-kartonowymi.

W kategorii wykorzystującej materiały zmiennofazowe przyjęto wariant podstawowy, ale z wbudowaną pod warstwą płyty gipsowo­‑kartonowej jednocentymetrową matą wypełnioną organicznym materiałem zmiennofazowym o zróżnicowanej temperaturze przemiany. Przemianie fazowej ulegał materiał organiczny.

Przeczytaj także: Bilans cieplny w budynku. Zastosowanie izolacji transparentnych (cz. 1) >>

W symulacji wykorzystano dostępne rodzaje PCM różniące się temperaturą przemiany fazowej, tj. 23, 25 i 27°C (nazywane w dalszej części artykułu odpowiednio: PCM 23, PCM 25 i PCM 27). Przyjęte do obliczeń dane materiałowe oraz wartość entalpii zaczerpnięto z literatury [14, 16]. Symulacje prowadzone były przy użyciu programu Energy Plus, zaawansowanego narzędzia umożliwiającego dynamiczną analizę termiczną i uwzględnienie zmiennych wartości ciepła właściwego.

Na potrzeby symulacji przyjęto dane pogodowe dla okresu od 1 czerwca do 30 września. W rozważaniach analizowano tzw. temperaturę operatywną, która uwzględnia wpływ temperatury powietrza i powierzchni przegród na odczucia termiczne osób przebywających wewnątrz danego obiektu.

Pojemność cieplna przegród zewnętrznych może istotnie wpływać na skrócenie okresu przegrzewania budynku. W przypadku przyjęcia masywnego wypełnienia ścian cegłą pełną następuje skrócenie okresu występowania temperatury nieakceptowanej przez organizm ludzki w okresie letnim, tj. powyżej 27°C, o prawie 18% w stosunku do wariantu podstawowego z lekkim wypełnieniem warstwą termoizolacyjną.

Analiza zastosowania materiałów zmiennofazowych wskazuje na ich bardzo dużą skuteczność – wszystkie warianty z PCM skracają zdecydowanie okres przegrzewania w porównaniu do wariantu podstawowego, a nawet do wariantu z masywnymi ceglanymi przegrodami (rys. 3).

Największą skuteczność w obniżaniu temperatury przekraczającej 27°C wykazuje rozwiązanie z PCM 25 – skraca czas jej występowania z 587,3 godzin do 220,6 (redukcja o ponad 62%, ponad trzykrotnie większa niż przy zastosowaniu masywnych ceglanych przegród).

Powyższe analizy są zbieżne z maksymalnymi temperaturami operatywnymi wewnątrz przyjętego budynku. I tak najwyższa temperatura (dochodząca do 33°C) i najdłuższy łączny czas jej występowania dotyczą wariantu podstawowego. Wraz ze zwiększającą się pojemnością cieplną przegród maleją zarówno szczytowe temperatury, jak i okres ich występowania.

W przypadku zastosowania PCM 27 maksymalna temperatura operatywna będzie niższa o prawie 4 K (przy jednoczesnym krótszym okresie jej występowania) niż w wariancie wyjściowym (rys. 4).

Podsumowanie

Analizie poddano budynek, w którym zastosowano wszystkie możliwe pasywne rozwiązania zmierzające do minimalizacji zapotrzebowania na ciepło. Zdolności akumulacyjne przegród odgrywają dużą rolę w redukcji czasu przegrzewania się budynku.

Wkomponowanie materiałów zmiennofazowych w strukturę budynku, mające na celu zwiększenie pojemności cieplnej przegród, wskazuje na dużą skuteczność w obniżaniu temperatury wewnętrznej. Stosując materiały zmiennofazowe, jesteśmy w stanie wpłynąć na mikroklimat wnętrza budynku i ograniczyć ryzyko przegrzania obiektu.

Przeczytaj także: Bilans cieplny w budynku. Jak zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło? >>

W aspekcie efektywności pracy PCM najbardziej korzystne w analizowanym budynku jest rozwiązanie z materiałem o przemianie fazowej zachodzącej w temperaturze 25°C, gdyż łączny czas przegrzewania się wnętrza budynku jest w tym przypadku najkrótszy. Z kolei zastosowanie PCM 27 powoduje wyeliminowanie najwyższych szczytowych temperatur.

Żeby odpowiedzieć na pytanie, który wariant jest korzystniejszy dla przebywających wewnątrz osób, należałoby głębiej przeanalizować problem w aspekcie wskaźników komfortu cieplnego.

Bardzo dużą zaletą magazynowania ciepła w postaci ciepła utajonego przemiany fazowej jest bierność tego systemu, niewymagająca dodatkowych nakładów eksploatacyjnych. Jednak rozwiązania te wiążą się z dodatkowymi, niemałymi kosztami inwestycyjnymi. Dlatego określenie optymalnych parametrów pracy PCM (np. grubości warstwy, miejsca zastosowania w strukturze przegrody, temperatury przemiany fazowej, rozmieszczenia w pomieszczeniu) jest warunkiem niezbędnym dla ich powszechnego stosowania.

W budownictwie energooszczędnym należy szukać takich rozwiązań, które umożliwią uzyskanie komfortu cieplnego nie tylko w zimie, ale również w okresie letnim. Rozwiązania te muszą być zgodne ze strategią minimalizowania energii zużywanej przez budynek – zmniejszania zapotrzebowania na energię do chłodzenia obiektu z jednoczesną minimalizacją strat ciepła w sezonie grzewczym. W przypadku analizowanego budynku zastosowanie materiału zmiennofazowego wpisuje się w powyższe cele.

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!

Literatura

1. Sadowska B., Model projektowania niskoenergetycznych budynków mieszkalnych w zabudowie jednorodzinnej, „Izolacje” nr 1/2013.
2. Grudzińska M., Zapotrzebowanie na energię pomieszczeń o różnej konstrukcji, „Izolacje” nr 1/2013.3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady Europy 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz UE L 153 z 18.06.2010 r.).
4. Wnuk R., Instalacje w domu pasywnym i energooszczędnym, Wydawnictwo Przewodnik Budowlany, 2007.
5. Heim D., Izolacyjność termiczna przegród pełnych i jej wpływ na charakterystykę energetyczną budynków, „Izolacje” nr 7–8/2012.
6. Mojkowska W., Gładyszewska-Fiedoruk K., Analiza strat ciepła domu jednorodzinnego wykonanego w dwóch technologiach, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska” Vol. 1, No. 3, 2010.
7. Staszczuk A., Kuczyński T., Wpływ wysokich temperatur letnich na projektowanie termiczne podłóg w jednokondygnacyjnych budynkach mieszkalnych w Polsce, „Izolacje”nr 6/2012.
8. Żmijewski K., Wykład z fizyki budowli, wektor.il.pw.edu.pl.9. Jaworski M., Zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) do zwiększenia bezwładności cieplnej budynków, „Izolacje” nr 4/2010.
10. Garbalińska H., Siwińska A., Pojemność cieplna wybranych materiałów ściennych, „Materiały Budowlane” nr 2/2012.
11. Garbalińska H., Bochenek M., Sposoby wbudowania materiałów zmiennofazowych w elementy ścienne, „Materiały Budowlane” nr 2/2012.
12. Kurtz K., Najder M., Materiały zmiennofazowe w budownictwie niskoenergetycznym, „Materiały Budowlane” nr 2/2012.
13. Garbalińska H., Bochenek M., Izolacyjność termiczna a akumulacyjność cieplna wybranych materiałów ściennych, „Czasopismo Techniczne” z. 11. „Architektura” z. 2-A2, 2011.
14. Pogorzelski J.A., Fizyka cieplna budowli, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1976.
15. Kucypera M., Nowak H., Modelowanie energetycznego bilansu domu jednorodzinnego z pasywnym systemem słonecznych zysków bezpośrednich, „Energia i Budynek” nr 7–8/2009.
16. Muruganantham K., Application of Phase Change Material in Buildings: Field Data vs. EnergyPlus Simulation, Arizona State University, 2010.
17. Kisilewicz T., Wpływ izolacyjnych, dynamicznych i spektralnych właściwości przegród na bilans cieplny budynków energooszczędnych, Monografia nr 364, Wydawnictwo PK, Kraków 2008.
18. Soares N., Costab J.J., Gasparb A.R., Santosc P., Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings’ energy efficiency, „Energy and Buildings” No. 59, 2013.
19. Muruganantham K., Phelan P., Horwath P., Ludlam D., McDonald T., Experimental investigation of a bio-based phase change material to improve building energy performance, Proceedings of ASME 2010 4th International Conference on Energy Sustainability ES2010, May 17-22, 2010, Phoenix, Arizona, USA.
20. Wnuk R., 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”, Solina 2008.
21. Jaworski M., Materiały zmiennofazowe w elementach konstrukcyjnych ścian i podłóg, „Izolacje” nr 11–12/2009.
22. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).

   30.09.2014

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 



Jak osiągnąć 99% skuteczność bakteriobójczej w wentylacji » Któremu producentowi systemów grzewczych i wodociagowych zaufać »
bezpieczeństwo instalatora rury wielowarstwowe
czytam więcej » poznaj go dziś »

 


Zdradzamy sposób na projektowanie instalacji najwyższej jakości »

projektowanie

 



Z jakiego powodu tworzywa sztuczne zdominowały rynek wod-kan » Jak bez problemowo przeprowadzić iniekcję mikropali, kotew i gwoździ gruntowych »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go dziś »

 


Czy można dobrze odseparować wodę kanalizacyjną od gruntowej »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jak zabezpieczyć wentylatory dachowe »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Jaka pompa ciepła zwalcza bakterię Legionella »

pompy ciepła

 



Czy łatwo zainstalować podwieszaną toaletę » Z jakego powodu ta pompa wyprzedza przyszłość »
podwieszana toaleta pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
11/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 11/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Dobór wymienników płytowych
  • - Rekuperatory ścienne a prawo
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl