Możliwości zmniejszenia energochłonności budynków dzięki wykorzystaniu materiałów zmiennofazowych

Metody gromadzenia energii

Metody wykorzystujące materiały zmiennofazowe do zmniejszenia energochłonności budynku idealnie wpisują się w panującą obecnie (praktycznie we wszystkich dziedzinach techniki) tendencję do zmniejszania zapotrzebowania na energię przy jednoczesnym zwiększaniu efektywności jej wykorzystania. Z tym nurtem zgodne jest również pozyskiwanie niezbędnej energii z niekonwencjonalnych źródeł, tj. energii promieniowania słonecznego, ciepła geotermalnego, energii wiatru. Wykorzystywanie tych źródeł jest korzystne, ponieważ są one powszechnie dostępne i nie wymagają wytwarzania energii, a jedynie przetworzenia już istniejącej do postaci, w jakiej może być stosowana np. do ogrzewania domów czy podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Uzyskiwanie jak największej efektywności przejawia się nie tylko w możliwie najwyższej sprawności procesów, ale także w najlepszym możliwym wykorzystaniu dostępnych zasobów energii. Jednak w przypadku jej odnawialnych źródeł, takich jak energia słoneczna, pojawia się problem związany z nierównomierną ilością dostarczanego promieniowania słonecznego w ciągu dnia, a tym samym w ciągu roku. Fakt, że maksymalne zyski ciepła pojawiają się latem w godzinach popołudniowych, czyli w momencie, kiedy energia ta nie jest nam potrzebna, a wręcz generuje dodatkowe koszty związane np. z koniecznością chłodzenia pomieszczeń, utrudnia jej efektywne wykorzystanie. 

Rozwiązaniem są np. technologie polegające na akumulacji ciepła i wykorzystywaniu go w momencie, kiedy jest potrzebne. Zastosowanie takich technologii pozwala nie tylko na racjonalne wykorzystanie dostępnych zasobów np. energii słonecznej zmagazynowanej w przegrodach budowlanych, ale również na zapewnienie wymaganych parametrów przy mniejszych kosztach. W tym zakresie wykorzystuje się obecnie materiały zmiennofazowe, które należą do szerszej grupy termicznych metod gromadzenia energii. Sposoby magazynowania energii są różnorodne i mogą się opierać na wykorzystaniu zarówno urządzeń mechanicznych, reakcji chemicznych, jak i materiałów stałych (gruntu). Większość tych metod wymaga jednak rozbudowanej instalacji oraz dużej ilości miejsca. Metody wykorzystujące materiały zmiennofazowe swoje działanie opierają na zmianie fazy materiału, czemu towarzyszy pochłanianie lub oddawanie energii. Bodźcem do zmiany fazy, a tym samym do akumulowania lub oddawania ciepła jest zmiana temperatury otoczenia. Nie jest konieczne dodatkowe oprzyrządowanie ani duża powierzchnia.

Metody magazynowania energii (ang. energy storage) pozwalają na gromadzenie energii np. ciepła w momentach, gdy występuje jej nadmiar, i wykorzystanie w czasie niedoboru. Energy storage (ES) to ogólna nazwa odnosząca się do możliwości gromadzenia energii pod różnymi postaciami, która następnie może zostać przekonwertowana na różne cele, np. energię elektryczną, ciepło itp. Do metod magazynowania energii zaliczamy metody chemiczne, biologiczne, magnetyczne, mechaniczno-hydrauliczne oraz termiczne [1,2].

W zakresie możliwości efektywnego wykorzystania technologii służących do magazynowania energii w budownictwie (i nie tylko) jako elementów wspomagających instalacje grzewcze, wentylacyjne i klimatyzacyjne największe zastosowanie mają termiczne metody gromadzenia energii (ang. thermal energy storage). Metody TES są bardzo zróżnicowane i pozwalają na gromadzenie oraz oddawanie ciepła wysoko- lub niskotemperaturowego poprzez zmianę temperatury materiału (jego ogrzewanie i ochładzanie), zmianę stanu skupienia (wykorzystywanie ciepła przemian fazowych) lub połączenie tych dwóch procesów. Ogólnie termiczne metody gromadzenia energii można podzielić na grupy wykorzystujące:

• ciepło jawne (ang. sensible heat),
• ciepło utajone (ang. latent heat),
• energię chemiczną (ang. chemical energy).

Pierwsza grupa materiałów wykorzystuje ciepło jawne, czyli opiera się na zmianie temperatury płynów lub ciał stałych pochodzenia naturalnego, lub sztucznego. Z kolei trzecia grupa opiera się na energii odwracalnych reakcji chemicznych.

Natomiast druga grupa – materiały TES wykorzystujące ciepło utajone jako główną zasadę swojego działania – bazuje na cieple przemian fazowych, jakie mogą zachodzić w układach: gaz-ciecz, ciało stałe-gaz, ciało stałe-ciecz, ciało stałe-ciało stałe. Działanie tych materiałów opiera się na przemianie fazowej, dlatego ogólnie materiały te nazywane są zmiennofazowymi (ang. phase change materials). Ponieważ zmiana fazy, w zależności od kierunku przemiany, jest procesem endoenergetycznym lub egzoenergetycznym, materiały te mogą być efektywnie wykorzystywane do gromadzenia i oddawania energii. Dodatkową zaletą materiałów PCM jest fakt, że pozwalają one na gromadzenie energii nie tylko poprzez wykorzystanie ciepła utajonego (przemiany fazowe), ale również ciepła jawnego (zmiany temperatury).

Największy potencjał do wykorzystania w technice upatruje się w układach ciało stałe-ciecz. Metody wykorzystujące ciepło utajone są jednym z najbardziej efektywnych sposobów magazynowania energii, pomimo jego zwykle krótkoterminowego charakteru. Autorzy różnych prac z tego zakresu wskazują, że metody te charakteryzują się wyższą gęstością magazynowanego ciepła i małą różnicą pomiędzy temperaturą pobierania (magazynowania) ciepła i jego oddawania [3]. Wynika to głównie z szerokiego zakresu substancji wchodzących w skład PCM – organicznych, nieorganicznych oraz mieszanin eutektycznych [4].

Charakterystyka materiałów zmiennofazowych wykorzystywanych w budownictwie

Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych w budownictwie polega na ich wkomponowaniu w strukturę budynku – we wszystkie przegrody, np. ściany wewnętrzne i zewnętrzne, podłogi, stropy. Jest to metoda pasywna wykorzystania materiałów zmiennofazowych, ponieważ działają one samoistnie, reagując na zmiany temperatur. PCM mogą również stanowić uzupełnienie instalacji wewnętrznych jako osobne zbiorniki/magazyny ciepła. Stanowią wówczas systemy aktywne, gdzie ciepło/chłód jest magazynowane w izolowanych zbiornikach oddzielonych od konstrukcji budynku, zgromadzona energia jest używana zgodnie z potrzebami, a nie samoistnie [5].

Działanie konstrukcji z wkomponowanym PCM polega na tym, że w przypadku podwyższenia temperatury w pomieszczeniu powyżej temperatury topnienia PCM zlokalizowanego w przegrodach, będzie on odbierał nadwyżkowe zyski ciepła, zapobiegając podwyższeniu temperatury w pomieszczeniu. Ciepło to będzie używane do zmiany fazy ze stałej w ciekłą, a dzięki temu zostanie zmagazynowane w przegrodach. Pochłanianie ciepła z pomieszczenia nie będzie jednak przebiegało bez końca. Po pobraniu przez PCM takiej ilości ciepła z pomieszczenia, która jest potrzebna do stopnienia całej objętości materiału zmiennofazowego, przestanie być ono pobierane i temperatura w pomieszczeniu wzrośnie. Mimo to zastosowanie PCM opóźni moment włączenia systemu chłodzącego powietrze, a zatem zmniejszy zużycie energii. Po zmianie fazy ciepło jest magazynowane w konstrukcji budynku i będzie oddawane do pomieszczeń, kiedy temperatura w nich spadnie do temperatury krzepnięcia charakterystycznej dla zastosowanego rodzaju PCM.

Oddawanie zakumulowanego ciepła zapobiegnie zbytniemu spadkowi temperatury w pomieszczeniu (spadnie ona dopiero po oddaniu całego zmagazynowanego ciepła) i opóźni moment włączenia ogrzewania lub zmniejszy ilość energii, jaka jest niezbędna do utrzymania wymaganej temperatury. Ten sposób działania można szeroko wykorzystywać w obiektach użyteczności publicznej i biurach, kiedy temperatura w pomieszczeniach może być w nocy niższa – dotyczy to głównie okresów zimowych. Natomiast w lecie, kiedy nie występuje potrzeba nocnego dogrzewania pomieszczeń, ciepło zakumulowane może być oddawane do powietrza nocnego dostarczanego poprzez przewietrzanie, dzięki czemu zmniejszymy koszty chłodzenia i ponownie przygotujemy przegrody do odbierania ciepła. Działanie PCM może polegać nie tylko na ogrzewaniu (magazynowaniu ciepła), ale także na magazynowaniu chłodu. W okresie letnim poza odbieraniem ciepła w ciągu dnia materiały zmiennofazowe umieszczone w przegrodach mogą również magazynować zimno nocą i oddawać do pomieszczeń w ciągu dnia, kiedy występują zyski ciepła. W ten sposób uzyskuje się dodatkowy układ chłodzący.

Dodatkowo materiały zmiennofazowe dzięki zdolności do magazynowania i oddawania ciepła pełnią funkcję izolacyjną, ponieważ chronią daną przestrzeń (środowisko wewnętrzne) przed negatywnym wpływem zmieniających się warunków zewnętrznych (np. nasłonecznienie) oraz wewnętrznych (np. wzrost zysków ciepła od urządzeń). Funkcja izolacyjna nie jest jednak trwała i trwa do momentu, kiedy PCM albo zmagazynuje maksymalną ilość ciepła, albo odda całą zmagazynowaną energię. PCM może zatem wspomagać nie tylko układy grzewcze i chłodnicze, ale również izolację. 

Przeprowadzono już wiele badań skuteczności takiego rozwiązania. Jedne z nich wykazały, że zastosowanie płyty gipsowo-kartonowej z PCM w budynku pasywnym może ograniczyć dzienny wzrost temperatury w pomieszczeniach o 4°C i znacząco zmniejszyć obciążenie grzewcze w nocy [6].Co ważne, zastosowanie materiałów zmiennofazowych wskazane jest jedynie w umiarkowanej strefie klimatycznej, gdzie występują duże dobowe wahania temperatur umożliwiające cykliczną pracę PCM (cykle ładowania i rozładowywania) [7].PCM użyty w budownictwie powinien mieć:   

• temperaturę topnienia i krzepnięcia dostosowaną do zakresu dopuszczalnych temperatur w pomieszczeniu [7,8];
• stosunkowo dużą pojemność cieplną, która pozwoli na zmagazynowanie, a następnie oddanie jak największej ilości ciepła;
• dużą przewodność cieplną, która zagwarantuje szybkie reagowanie na zmieniające się dynamicznie warunki;
• zmianę fazy w całej objętości materiału zmiennofazowego;
• zjawisko przechładzania i przegrzewania w stosunku do temperatury topnienia [8];
• kompatybilność z innymi materiałami budowlanymi, metalem oraz tworzywami sztucznymi [9].

Materiały zmiennofazowe dzięki swoim właściwościom są bardzo przydatne i mogą posłużyć do rozwoju wielu dziedzin nauki, jednak tak jak w przypadku większości rozwiązań mają również wady, których wyeliminowanie zwiększy efektywność oraz rozszerzy możliwości wykorzystania. Do podstawowych problemów związanych z PCM zalicza się m.in. [1]:

• trudność z dopasowaniem temperatury topnienia i krzepnięcia dostępnych materiałów zmiennofazowych do wymaganego zakresu pracy;
• trudność z ocenieniem stabilności układu przy wielokrotnym zmienianiu fazy w dłuższym okresie;
• zwiększone koszty i zmniejszenie efektywności magazynowania energii w związku z efektem rozcieńczania PCM poprzez dodawanie substancji stabilizujących;
• możliwość wystąpienia powolnej utraty wody na rzecz hydratów znajdujących się w mikrokapsułkach, co może powodować zmiany właściwości termicznych.

Technologie instalacyjne wykorzystujące materiały zmiennofazowe

Wyróżnia się następujące sposoby wkomponowania PCM w konstrukcję budynku [8]:

• wytwarzanie specjalnych stabilnych struktur kompozytowych z dużą zawartością materiału zmiennofazowego (do 80%) z osnową polimerową [10]; dodawanie PCM (w postaci cieczy, proszku, granulatu) przy produkcji elementów budowlanych, np. zapraw tynkarskich, płyt gipsowych itp.;
• nasycanie gotowych materiałów budowlanych PCM;
• kapsułkowanie;
• umieszczanie jako elementu konstrukcji danego materiału budowlanego, np. wytwarzanie płyt laminowanych z wełny mineralnej z cienką wewnętrzną warstwą PCM [11];
• umieszczanie PCM w pustych przestrzeniach podpodłogowych lub nadsufitowych;
• możliwe jest również umieszczenie PCM w wewnętrznych urządzeniach lub wyposażeniu.

PCM mogą zostać umieszczone w każdej przegrodzie budowlanej, tj. ściany, podłogi i stropy. Wkomponowanie materiałów zmiennofazowych w strukturę budynku może polegać na ich dodaniu jako domieszek do składników wyrobów budowlanych, np. pustaków, betonu, płyt gipsowych, czy umieszczeniu w wolnych przestrzeniach pod podłogą lub nad sufitem albo jako dodatkowej warstwy powlekającej [12]. Odnośnie do materiałów budowlanych materiały zmiennofazowe najczęściej wkomponowywane są w płyty gipsowe. Domieszki PCM nie pogarszają właściwości mechanicznych płyt, nie ograniczają znacząco możliwości pokrycia ich farbami itp. ani nie wywołują zagrożenia pożarowego. Zgodnie z przeprowadzonymi badaniami oraz symulacjami zastosowanie płyty z PCM w znacznym stopniu przyczynia się do obniżenia temperatury wewnętrznej powietrza, oraz przegród budowlanych (rzędu kilku stopni) [13,14].

Możliwości wkomponowania materiałów zmiennofazowych w konstrukcję budynku są przedmiotem wielu publikacji naukowych. Część z nich zawiera wyniki uzyskane na stanowiskach badawczych, dzięki czemu można określić potencjalne korzyści wynikające z wykorzystania opisywanych rozwiązań. Zastosowanie materiałów zmiennofazowych jako elementu składowego:

• betonowych ścian zewnętrznych [15] oraz wykończenia ścian wewnętrznych [16] – pozwala na obniżenie temperatury przegród o kilka stopni;
• kurtyn/rolet okiennych nieingerujących w konstrukcję okna – umożliwia zmniejszenie zysków ciepła przez przegrody przezroczyste o ok. 20% [17];
• konstrukcji stropów/dachów, np. poprzez umieszczenie PCM w cylindrycznych zagłębieniach w warstwie konstrukcyjnej stropu [18] – pozwala na zmniejszenie wahań temperatury stropu, a tym samym ogranicza ilość transportowanego ciepła o ok. 12–17%;
• konstrukcji podłogi przy elektrycznym ogrzewaniu podłogowym – pozwala na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło w okresie szczytowym o prawie połowę [19] dzięki wytworzeniu tej ilości energii w okresie pozaszczytowym i jej zmagazynowaniu.

Powyższa lista możliwości zastosowania materiałów zmiennofazowych w budownictwie ma charakter enumeratywny i nie wyczerpuje tematu. Otrzymywane wyniki badań są obiecujące, ale nie uniwersalne dla każdej strefy klimatycznej i warunków temperaturowych. Każdorazowo należy przeanalizować zakres temperatur występujących w danym układzie oraz ich wahania i dobrać materiał PCM dopasowany do panujących warunków.

Podsumowanie i wnioski

Na podstawie opisanych metod można stwierdzić, że materiały zmiennofazowe mają bardzo szerokie zastosowanie. Dostępne technologie pozwalają na ich wkomponowanie zarówno w przegrody budowlane, jak i instalacje, np. klimatyzacyjne, solarne, grzewcze. Dzięki swojej pojemności cieplnej oraz cyklicznej zmianie fazy stanowią one dodatkowy magazyn energii, która zgodnie z potrzebami może być wykorzystana do ogrzewania lub usunięta w momencie, kiedy odprowadzenie nadwyżkowej energii jest najtańsze, np. wykorzystując powietrze zewnętrzne w nocy.

Na podstawie analizy dostępnych publikacji z tego zakresu można stwierdzić, że zastosowanie elementów budowlanych z PCM jest korzystne i znacząco przyczynia się do obniżenia kosztów utrzymania wymaganej temperatury w pomieszczeniu. Trudno jednak precyzyjnie określić moment rozpoczęcia pochłaniania ciepła lub oddawania zakumulowanej energii, dodatkowo przedstawione przez producentów wartości mogą w warunkach rzeczywistych ulec pogorszeniu. Możliwe jest również zaburzenie pracy cyklicznej, co prowadzi do zmniejszenia ilości pobieranej/oddawanej energii. W związku z powyższym przed każdym zastosowaniem materiału zmiennofazowego należy przeprowadzić analizy i symulacje, które pozwolą na określenie pracy PCM w danych warunkach. Ważne jest również zastosowanie układu automatycznej regulacji temperatury, który pozwoli na dopasowanie pracy instalacji do działania materiałów zmiennofazowych.

Literatura

1. Dincer I., Rosen M.A., Thermal energy storage: systems and applications, WILEY, 2011.
2. Domański R., Jaworski M., Rebow M., Thermal energy storage problems, „Biuletyn Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej” nr 79, 1995.
3. Farid M.M., Khudhair A.M., Razack S.A.K., Al-Hallaj S., A review on phase change energy storage: materials and applications, „Energy Conversion and Management” No. 45, 2004.
4. Zalba B., Marin J.M., Cabeza L.F., Mahling H., Review on thermal energy storage with chase change: materials, heat transfer analysis and applications, „Applied Thermal Engineering” No. 23, 2003.
5. Ravikumar M., Srinivasan PSS.,Phase change material as a thermal energy storage material for cooling of building, „Journal of Theoretical and Applied Information Technology”.
6. Kelly R., Latent heat storage in building materials, AMEC Design.
7. Jaworski M.,Zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) do zwiększenia efektywności energetycznej budynków, „Izolacje” nr 4, 2009.
8. Jaworski M., Możliwości poprawy efektywności energetycznej budynków przez zastosowanie materiałów PCM, „Chłodnictwo” nr 9, 2009.
9. Jaworski M., Materiały zmiennofazowe (PCM) do zastosowania w budownictwie, „Polska Energetyka Słoneczna” nr 1–4, 2008.
10. Jaworski M., Materiały zmiennofazowe (PCM) w budownictwie – właściwości i rodzaje, „Izolacje” nr 1, 2009.
11. Jaworski M., Materiały zmiennofazowe w elementach konstrukcyjnych ścian i podłóg, „Izolacje” nr 11–12, 2009.
12. Jaworski M., Deuszkiewicz M., Wybrane zagadnienia dotyczące możliwości zastosowania materiałów zmiennofazowych (PCM) w budownictwie, „Prace naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje”, z. 26, 2009.
13. Kalnaes S.E., Jelle B.P.,Phase change materials and products for building applications: A state-of-the-art. Review and future search opportunities, „Energy nad Buildings” No. 94, 2015, p. 150–176.
14. Shi X., Memon S.A., Tang W.C., Cui H.Z., Xing F.,Experimental assessment of position of macro encapsulated phase change material in concreto walls on indoor temperatures and humidity levels, „Energy and Buildings” No. 71, 2014, p. 80–87.
15. Cabeza L.F., Castellon C., Nogues M., Medarno M., Leppers R., Zubillaga O.,Use of microencapsulated PCM in concrete walls for energy savings, „Energy and Buildings” No. 39, 2007, p. 113–119.
16. Evola G., Marletta L., Sicurella F.,A methodology for investigating the effectiveness of PCM wallboard for summer thermal comfort in buildings, „Energy and Environment” No. 59, 2013, p. 517–527.
17. Alawadhi E.M., Using phasechange materials in window shutter to reduce the solar heat gain, „Energy and Buildings” No. 47, 2012, p. 421–429.
18. Alqallaf H.J., Alawadhi E.M., Concrete roof with cylindrical holes containing PCM to reduce the heat gain, „Energy and Buildings” No. 61, 2013, p. 73–80.
19. Lin K., Zhang Y., Xu X., Di H., Yang R., Qin P., Experimental study of under-floor electric heating system with shape-stabilized PCM plates, „Energy and Buildings” No. 37, 2005, p. 215–220.
20. Konstantinidou Ch.V., Integration of thermal energy storage in buildings, The University of Texas at Austin, 2010, p. 31.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!