Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych do ochrony przed przegrzewaniem budynków energooszczędnych

Już od dłuższego czasu jesteśmy świadkami intensywnych wysiłków mających na celu przekształcenie budownictwa tradycyjnego w energooszczędne. Wyznacznikiem tych działań jest zdefiniowanie budynku o niemal zerowym zużyciu energii jako modelu, do którego mamy zmierzać na mocy dyrektywy 2010/31/UE i który ma się stać w 2021 r. standardem dla nowo wznoszonych budynków.

Obecnie w Polsce nie istnieje jednolita klasyfikacja budynków w zależności od ich jakości energetycznej [1]. Pojęciem budynku energooszczędnego posługujemy się powszechnie, ale nie zostało one zdefiniowane w żadnym akcie prawnym. W potocznym rozumieniu do tej grupy budynków zalicza się obiekty, w których zastosowano rozwiązania skutkujące niskim zapotrzebowaniem na energię przy jednoczesnym spełnieniu komfortowych warunków higieniczno-sanitarnych.

Jednak nie zostało precyzyjnie określone, o jak niskim zużyciu energii mowa. W literaturze branżowej można się spotkać z różnie sformułowanym wyznacznikiem standardu energooszczędnego, np. zapotrzebowaniem budynku na ciepło poniżej 60 kWh/m² rok (dla porównania budownictwo tradycyjne zużywa na cele grzewcze 120–180 kWh/m₂ rok), lub z ogólnym stwierdzeniem, że budynki energooszczędne to takie, których zapotrzebowanie na ciepło jest niższe, niż to wynika z obowiązujących przepisów.

Wymagania zostały dość jasno sprecyzowane dla budynków pasywnych, ale standard ten nie ma umocowania prawnego (poniżej 120 kWh/m² rok zużycia energii pierwotnej na wszystkie cele i poniżej 15 kWh/m² rok energii wynikającej z zapotrzebowania na ogrzewanie). Jest to poziom, do którego można się zbliżyć, stosując jedynie zaawansowane technologie instalacyjne, w tym mechaniczną wentylację z rekuperacją i kolektory słoneczne jako element wspomagający instalację c.w.u.

W odróżnieniu od budynków pasywnych budynki energooszczędne mogą być wyposażane w proste systemy centralnego ogrzewania hydraulicznego oraz wentylację grawitacyjną.

Zarówno w przypadku budynków pasywnych, jak i energooszczędnych preferowane jest obniżanie zapotrzebowania na energię głównie poprzez zastosowanie rozwiązań pasywnych, pozwalających na minimalizację strat ciepła oraz maksymalizację wykorzystania energii pochodzącej z otoczenia [4, 6]. Dlatego już na etapie projektowania niezbędne staje się przestrzeganie szeregu zaleceń.

W zakresie architektonicznym bardzo ważnym czynnikiem jest właściwe usytuowanie budynku na działce, pozwalające na wykorzystanie biernych zysków ciepła od słońca, które mogą pokryć nawet ok. 40% zapotrzebowania na energię. Determinuje to stosowanie dużych przeszkleń na elewacji południowej.

Zamknięta strona północna oraz zwarta konstrukcja obiektu wpływają natomiast na ograniczenie strat ciepła. Należy również uwzględnić ochronę przed przegrzaniem w okresie letnim (wykorzystanie biernych sposobów ograniczenia zysków ciepła, tj. zadaszenia, światłołamacze, żaluzje) z równoczesnym optymalnym wykorzystaniem światła naturalnego.

W przypadku wyrobów budowlanych zaleca się dobór takich materiałów, żeby przegrody zewnętrzne charakteryzowały się wysoką izolacyjnością termiczną – według zaktualizowanego rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [22] współczynnik przenikania dla ścian zewnętrznych ma zmierzać do wartości mniejszej niż 0,2 W/m² K. Sprowadza się to do stosowania materiałów o bardzo niskim współczynniku przewodzenia ciepła (l) oraz używania warstw termoizolacji o dużej grubości.

Stolarka okienna i drzwiowa powinna się również charakteryzować niskimi wartościami współczynnika przenikania ciepła – według wymienionego powyżej rozporządzenia poniżej 0,9 W/m2 K. W zakresie rozwiązań konstrukcyjnych szczególną uwagę przykłada się do dbałości w konstruowaniu detali i połączeń zmierzającej do ograniczenia mostków termicznych oraz zapewnienia szczelności budynku w celu uniknięcia niekontrolowanej infiltracji powietrza.

Zalecenia architektoniczno-konstrukcyjne, których przestrzeganie jest koniecznością warunkującą spełnienie założenia energooszczędności obiektu, napędzają kształtowanie się trendu budowania w systemie szkieletowym z bardzo dużym udziałem lekkiego materiału termoizolacyjnego.

Obiekty tego typu mają niewątpliwą zaletę, jaką jest niewielkie przenikanie strumienia ciepła przez przegrody, ale również wady w postaci niskiej masy termicznej. Zastosowanie okien o dużej powierzchni w celu pozyskiwania energii słonecznej i redukcji zapotrzebowania na ogrzewanie zimą skutkuje zmniejszonym zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania, ale także zwiększa ryzyko przegrzewania się wnętrza budynku w okresie letnim. Przyczyną jest powstawanie dysproporcji pomiędzy ilością energii docierającej do wnętrza i możliwościami akumulacyjnymi budynku.

Występowanie zbyt wysokiej temperatury wewnątrz pomieszczeń jest szczególnie dotkliwe zarówno ze względu na odczucia ludzi, jak i konieczność stosowania kosztownych i energochłonnych urządzeń klimatyzacyjnych (chłodzenie jest obecnie trzy razy droższe od ogrzewania). W budownictwie energooszczędnym, w którym dąży się do osiągnięcia jak najniższego zapotrzebowania na energię, aspekt pojemności cieplnej nabiera szczególnego znaczenia.

Jednym z biernych sposobów akumulacji energii cieplnej w obiektach budowlanych jest zastosowanie materiałów zmieniających stan skupienia – PCM. W trakcie przemiany fazowej następuje akumulacja bądź oddawanie dużej ilości ciepła, którym towarzyszy niewielka zmiana temperatury danego materiału zmiennofazowego. Wykorzystuje się najczęściej przemianę ciecz–ciało stałe.

Materiały zmiennofazowe, które znalazły zastosowanie w budownictwie, można podzielić na: organiczne (parafiny, kwasy tłuszczowe), nieorganiczne (sole uwodnione) oraz eutektyki, czyli mieszaniny związków z różnych grup. Ze względu na problemy z zachowaniem stabilności chemicznej zastosowanie materiałów nieorganicznych jest mało popularne. Natomiast rozwój technologii mikrokapsułowania materiałów organicznych przyczynił się do ich szerszego stosowania w niskotemperaturowych magazynach ciepła utajonego.

Do głównych parametrów PCM, istotnych przy ich doborze i sposobie wbudowania, należą: zakres temperatury, w którym zachodzi przemiana fazowa, oraz efektywna pojemność cieplna (zależna przede wszystkim od ciepła przemiany fazowej). Istotne są też właściwości związane z przewodnością cieplną i stabilnością materiału podczas powtarzających się cyklicznie przemian.

W przypadku tradycyjnych materiałów budowlanych wartość ciepła właściwego nie przekracza 2 kJ/kg K (tabela 1). Materiały zmiennofazowe charakteryzują się znacznie większą pojemnością cieplną – w danym zakresie temperatury (odpowiadającej przemianie fazowej) może być ona nawet kilkadziesiąt razy większa (rys. 1). Pozwala to zastosować zdecydowanie mniejszą ilość materiału z dodatkiem PCM, który zakumuluje tę samą ilość energii co materiały tradycyjne.

Istnieją różne możliwości integracji PCM z elementami przegród budowlanych. Przykładem mogą być płyty gipsowo-kartonowe czy gips z dodatkiem materiału zmiennofazowego w postaci mikrokapsułek (o średnicach 50–200 mm). Materiały te charakteryzują się stosunkowo niewielką zawartością PCM (np. w przypadku płyt gipsowych maksymalna ilość to 30% udziału wagowego) [18].

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 g_c = 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. 

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. 

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.

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.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!