Charakterystyka materiałów zmiennofazowych

Badania materiałów zmiennofazowych rozpoczęto w latach 40. XX wieku ze względu na ich zdolność do przechowywania utajonej energii. Dzięki swoim właściwościom znalazły praktyczne zastosowania w poszczególnych dziedzinach nauki:

w budownictwie, transporcie, przemyśle rolno-spożywczym, przemyśle samochodowym, chemicznym, medycynie czy w przemyśle tekstylnym. Intensyfikacja badań nad PCM miała miejsce w ostatniej dekadzie zeszłego wieku i trwa do dziś.

Motorem tych badań były poszukiwania rozwiązań technologicznych redukujących zużycie energii w różnych sektorach przemysłu m.in. w budownictwie, gdzie ten sektor zużywa najwięcej energii ogólnej, co przedstawia rys. 3.15. [3.28]. Jak mawiają Amerykanie „Buildings are energy guzzlers” – Budynki są pożeraczami energii.

Rys.3.15 Zużycie energii przez główne sektory gospodarki, na podstawie [ 3.28].

Znaczna część zużytej energii w budynkach służy do ich ogrzewania lub chłodzenia.

W budownictwie głównym kierunkiem tych badań była chęć działania w duchu zrównoważonego rozwoju, zmniejszenia zużycia energii i chęć sprostania bardziej restrykcyjnym wymaganiom stawianym budynkom. Kolejnym celem było zmniejszenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery i zagwarantowanie zdrowszego powietrza, a także komfortu cieplnego w budynkach.

32%

29%

21%

18%

Przemysł i produkcja Transport Budynki mieszkaniowe Budynki handlowe

Materiały PCM wkomponowane w strukturę budynku, zwiększają jego pojemność cieplną – czyli zdolność do akumulacji ciepła. Przyczynia się to do poprawy efektywności energetycznej, czyli zmniejszenia zużycia energii niezbędnej do otrzymania warunków komfortu cieplnego [3.29].

Ciepło utajone materiałów stosowanych w budownictwie mieści się w zakresie od 100 do 250 kJ/kg. Temperatura przemiany fazowej powinna mieścić się w zakresie wartości temperatur występujących w danym zastosowaniu.

Istnieje kilka możliwości wkomponowania materiałów zmiennofazowych w budynek lub łączenia z materiałami budowlanymi:

a) wykorzystanie przy budowie materiałów i elementów budowlanych, których składnikiem jest materiał zmiennofazowy;

b) umieszczenie materiałów zmiennofazowych w specjalnych zasobnikach (o odpowiednim kształcie i wielkości), które rozmieszczone są w wolnych przestrzeniach budynku (np. nad sufitami podwieszanymi lub pod podłogą) lub w ciągach wentylacyjnych;

c) wbudowanie niewielkich ilości materiałów zmiennofazowych w elementy wyposażania wnętrz; szczególnie żaluzji, które pełnią wtedy rolę pojemnościowych kolektorów słonecznych, ale są również propozycje mebli z materiałami PCM.

Pierwsze próby zastosowania materiałów PCM do zwiększenia pojemności cieplnej budynków były przeprowadzone w latach sześćdziesiątych XX wieku. Od tego czasu badano różne technologie łączenia materiałów zmiennofazowych z materiałami budowlanymi. Najważniejsze z nich to:

- bezpośrednie mieszanie surowego materiału PCM z cementem lub gipsem w procesie produkcyjnym (ang. direct incorporation);

- nasycenie porowatych elementów budowlanych (cegieł, bloczków betonowych, granulatu mineralnego) przez ich zanurzenie w stopionym materiale PCM (immersion);

- kapsułkowanie materiału PCM – wytwarzanie mikrogranulatu PCM, tzn. kuleczek średnicy od kilku do kilkuset mikrometrów, które otoczone są warstwą polimerową;

taki granulat jest mieszany z cementem lub gipsem w procesie produkcji;

- wytwarzanie zasobników z materiałem PCM o wymiarach od kilkunastu do kilkudziesięciu mm (kulki lub walce polimerowe wypełnione PCM, elastyczne maty

z wgłębieniami wypełnionymi PCM) i umieszczanie ich w wolnych przestrzeniach elementów budowlanych, takich jak pustaki, cegły, jak również między przewodami elektrycznymi lub rurkami ogrzewania podłogowego;

- wytwarzanie specjalnych, stabilnych struktur kompozytowych (ang. shapestabilized PCM) z dużą zawartością PCM (do 80%);

- wytwarzanie płyt laminowanych (najczęściej z wełny mineralnej) z cienką, wewnętrzną

warstwą materiału PCM.

Interesującą technologią wydaje się ta, w której materiał zmiennofazowy ma postać kapsułek o mikrometrowych wymiarach. Mikrogranulat jest obecnie wykonywany tylko na bazie organicznych materiałów PCM, głównie parafin. Tylko z tego rodzaju substancji udaje się wytworzyć zawiesinę koloidową, co jest niezbędnym etapem technologii wytwarzania [3.30].

Przykładem zastosowań materiałów zmiennofazowych jest praca [3.31], gdzie zwiększono wymiary okien, aby do środka budynku dochodziło więcej światła słonecznego, które jest zdrowsze dla osób przybywających w danym pomieszczeniu i jednocześnie zmniejsza rachunek za oświetlenie, gdzie PCM miały za zadanie utrzymać pomieszczenia w pożądanym zakresie temperatur. Kolejne zastosowanie PCM w celu zagwarantowania komfortu mieszkalnego miało miejsce w Polsce, a konkretnie w Szczecinie. W restauracji „Secesja Cafe” (rys. 3.16.) zaprojektowano pomieszczenie wykorzystujące technologię materiałów zmiennofazowych PCM, gdzie dokonano bilansu energetycznego uwzględniającego energię wprowadzaną do danego pomieszczenia oraz energię, której należy się pozbyć w celu utrzymania odpowiedniego komfortu mieszkalnego, definiowanego poprzez temperaturę pomieszczenia na poziome 22-24˚C.

Rys.3.16. Restauracja „Secesja Cafe” w Szczecinie

W opisanym przykładzie zastosowano technologię zwaną „Klima-Tynk PCM 544” firmy CSV z wykorzystaniem Micronalu na ścianach o powierzchni 175 m² przy aplikacji 1 kg Micronalu/m² co daje całkowitą pojemność akumulowania ciepła: 175 kg Micronalu x 110 kJ/kg/3600 h=5,3 kWh (jest to pojemność samego tynku, nie uwzględniono dodatkowej pojemności cieplnej muru ceglanego). Energia akumulowana w tynku, po spadku temperatury poniżej 24^o C czyli poniżej temperatury przemiany fazowej 24^o C - co ma miejsce najczęściej wieczorem - jest emitowana w trakcie trwania procesu krystalizacji.

W Kempen, Szwajcaria (rys.3,17) zbudowano budynek biurowy zero energetyczny wykorzystujący przezroczyste PCM w budowie okien.

Rys. 3.17. widok budynku zero energetycznego w miejscowości Kempen, Szwajcaria [3.32].

W tym projekcie co drugi panel okienny został wyposażony w PCM. Celem jest efektywne przechowywanie energii słonecznej w ciągu dnia i uwalnianie energii cieplnej w chłodniejsze godziny , aby zmniejszyć całkowitą energię wymaganą do ogrzewania pomieszczeń [3.33]. Dzięki zastosowanemu rozwiązaniu obniżono koszty ogrzewania

o 23,29%. Efekty zastosowania PCM w warunkach obniżonej temperatury [3.24], obejmują zarówno fazę wstępnego dojrzewania (ograniczenie możliwości zamarzania betonu), jak i fazę eksploatacji – zmniejszenie liczby cykli zamrażania-rozmrażania dzięki buforowi ciepła przemiany fazowej.

Na przestrzeni ostatnich lat odnotowano wzrost zainteresowania PCM i ich aplikowania w budynkach (ściany, podłogi, okna, dachy itp.) w celu utrzymania komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Niektórzy badacze sugerują wręcz , że PCM z powodzeniem mogą zastąpić klimatyzację. Przykładami takich tendencji są prace

takich autorów , jak : [3.34],[3.35], [3.36], [3.37], [3.38], [3.39], [3.40], [3.41], [3.42], [3.43], [3.44], [3.45], [3.46], [3.47]. Tak duża liczba prac wyraźnie wskazuje, że zainteresowanie PCM rośnie na całym świecie.