Materiały fazowo zmienne Kompozyty cementowo styropianowe

2015-11-10
Materiały zmienne fazowo
Przyczyny zainteresowania źródłami energii takimi jak np.
http://www.pcmproducts.net
energia słoneczna, to min.:
 wysokie koszty pozyskiwania energii ,
 wyczerpywanie się tradycyjnych surowców energetycznych,
 bezpieczeństwo związane z funkcjonowaniem elektrowni
jądrowych (taniego źródła energii), które nabiera
szczególnego znaczenia po ostatnich wydarzeniach w Japonii
11 marca 2011r.
Opracowała: Dr inż. Teresa Rucińska
Materiały zmienne fazowo
11 marca 2011 fala tsunami zalała elektrownię jądrową Fukushima
Daiichi w Japonii. Po katastrofie w Czarnobylu, jest to najgorsza
jądrowa katastrofa naszych czasów. Ponad 300 tys. osób
ewakuowano, a ogromne połacie ziemi wyłączono z użytku na
najbliższe dziesięciolecia.

Materiały zmienne fazowo
Do najważniejszych czynników wpływających na ilość energii
niezbędną do utrzymania w pomieszczeniach wymaganych
warunków termicznych należą:
 warunki klimatyczne w danym regionie (temperatura
otoczenia, szybkość wiatru, nasłonecznienie),
 struktura
materiałów
Czarnobyl – 26.04. 1986
budynku
i
właściwości
konstrukcyjnych
(grubość
termofizyczne
ścian,
ich
właściwości izolacyjne, powierzchnia okien)
http://pl.wikipedia.org/wiki
https://www.google.pl
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Linia czarna pokazuje temperatury w
pomieszczeniu wykonanym z betonu o
przewodności cieplnej λ=0,5W/(m·K)
oraz pojemności cieplnej ρcp=1,4
MJ/(m3·K).
 źródła ciepła (oświetlenie, urządzenia elektryczne, liczba
pracujących osób),
 krotność wymiany powietrza,
 rodzaj instalacji ogrzewania/klimatyzacji.
Przykładowe roczne przebiegi temperatury otoczenia oraz
wewnątrz pomieszczenia bez zainstalowanych urządzeń
ogrzewania/klimatyzacji pokazano na wykresie.
Linia
żółta
pokazuje
zmiany
temperatury w pomieszczeniu, które
zostało zaizolowane (zastosowano
izolację o przewodności cieplnej
λ=0,05W/(m·K)) oraz wykorzystano
materiał konstrukcyjny (hipotetyczny) o
Przykładowy, roczny przebieg temperatury
otoczenia oraz w pomieszczeniach wykonanych dużej
pojemności
cieplnej
–
z materiałów o różnych właściwościach
ρcp=100MJ/(m3·K)
cieplnych
[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
W wyniku takich zabiegów temperatura wewnętrzna mieści się w
zakresie komfortu cieplnego mimo dużych zmian w otoczeniu.
1
2015-11-10
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Współczesne technologie wznoszenia budynków, szczególnie
Materiały fazowo zmienne (PCM) charakteryzuje duża
budynków biurowych, bazują na lekkich materiałach, które
pojemność cieplna, będąca wynikiem przemiany fazowej
spełniają wymogi izolacji cieplnej, ale charakteryzują się bardzo
(topnienie-tężenie) zachodzącej w zakresie zmian temperatury
małą pojemność cieplną.
w pomieszczeniu:
Efektywne zwiększenie pojemności (bezwładności) cieplnej
 w trakcie tężenia uwalniana jest energia krystalizacji –
budynku, bez znaczącego zwiększania jego masy, jest możliwe
m.in. przez zastosowanie tzw. materiałów fazowo zmiennych
(ang. Phase Phange Materials, PCM).
„efekt podwyższenia temperatury”,
 w trakcie topnienia – przemiana ze stanu stałego w ciecz,
taka sama ilość energii jest absorbowana z bezpośredniego
otoczenia – efekt „obniżenia temperatury”.
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Wykorzystanie materiałów fazowo zmiennych w celu
podwyższenia
pojemności
cieplnej
materiałów
budowlanych jest uzasadnione tylko w umiarkowanej
strefie klimatycznej, gdzie temperatury otoczenia są
zarówno wyraźnie wyższe jak i wyraźnie niższe od
temperatur określających komfort cieplny (także w cyklu
dobowym w okresie letnim).
Proces przemian fazowych ciało stałe-ciecz
Materiały zmienne fazowo
Materiały fazowo zmienne wykazują przydatność, gdy
podlegają cyklicznej przemianie fazowej – wtedy występuje
zjawisko pochłaniania i uwalniania ciepła przemiany
fazowej.
Przemiany te powinny być wymuszane przez czynniki
naturalne, tzn.:
 wysoka temperatura w ciągu dnia powoduje topnienie
materiału,
 niska temperatura w nocy ułatwia odbiór ciepła i tężenie
materiału.
Materiały zmienne fazowo
Materiał
Gęstość
[kg/m3]
Ciepło właściwe
[kJ/(kg·K]
Pojemność
cieplna [MJ/(m3·K]
4,2
Woda
1000
4,2
Beton
2300
1,0
2,3
Stal
7800
0,47
3,67
Płyta
gipsowa
1400
0,84
1,18
1,34
Cegła
1600
0,84
Drewno
800
1,6
0,96
PCM
870-1000
18
15,7-18
Porównania pojemności cieplnej różnych materiałów
[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
(PCM – mieszanina kwasów tłuszczowych, temperatura
topnienia 22ºC, pojemność cieplna – efektywne ciepło
właściwe – w zakresie temp. 18–28ºC
W tablicy zestawiono
wartości pojemności
cieplnej wody, wybranych
materiałów budowlanych
oraz jednego z materiałów
PCM, który jest rozważany
do zastosowań w
budownictwie.
W przypadku materiału
PCM podane wartości
ciepła właściwego są
wartościami efektywnymi,
uwzględniającymi ciepło
przemiany fazowej.
Widać wyraźną różnicę
pojemności cieplnej nawet
w odniesieniu do wody.
2
2015-11-10
Materiały zmienne fazowo
Do materiałów fazowo
zmiennych można zaliczyć
Materiały zmienne fazowo
 nieorganiczne, jak np. różnego rodzaju hydraty soli, które
podczas procesu tężenia (krystalizacji) mają tendencję do
zmiany fazy powyżej 0°C (32°F).
związki:
 organiczne, jak np. nasycone
kwasy tłuszczowe, poliglikole,
oleje, woski, parafiny.
Charakteryzują się one długim łańcuchem cząsteczek
polimerów węgla i wodoru, których krystalizacja zachodzi
Charakteryzują się one bardzo wysokim ciepłem topnienia
(znacznie
powyżej
200
kJ/kg)
oraz
wąskim
zakresem
temperatury przemiany fazowej – pochłaniają i uwalniają
ciepło
przemiany
fazowej
przy
niewielkich
zmianach
temperatury, rzędu 2–3 stopni. Wykazują także wyższą (w
stosunku do organicznych) przewodnością cieplną i są niepalne.
najczęściej powyżej 0°C (32°F).
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Grupy materiałowe wykorzystywane do badań, jako PCM; Źródło: ZAE Bayern
Grupy materiałowe wykorzystywane do badań, jako PCM; Źródło: ZAE Bayern
Tłumaczenie z ang. - M. Bochenek, ZUT/WBiA
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Kryteria wyboru odpowiednich materiałów PCM:
 temperatura przejścia fazowego, ciepło utajone
syntezy, przewodność cieplna,
 separacja faz, ciśnienie pary, zmiana objętości,
gęstość,
 wzrost kryształów,
 stabilność chemiczna, bezpieczeństwo,
 dostępność, opłacalność.
Najważniejszym czynnikiem jest stabilność właściwości
termicznych w kolejnych cyklach grzania/chłodzenia.
Materiały fazowo zmienne PCM wkomponowane w konstrukcję
budynku, pełnią role akumulatora ciepła.
Podobnie jak w innych systemach energetycznych, człon akumulacji
ciepła w budynku pozwala na uzyskanie takich efektów, jak:
 zmniejszenie
szczytowego
zapotrzebowania
na
energię
(spłaszczenie charakterystyki dobowego zapotrzebowania; ang.
peak shaving), efekty ekonomiczne uzyskuje się przez zmniejszenie
zarówno kosztów inwestycyjnych, jak i kosztów eksploatacyjnych
(wykorzystuje się tanią energię pobieraną w nocy),
3
2015-11-10
Materiały zmienne fazowo
 efektywne
wykorzystanie
energii
ze
źródeł
Materiały zmienne fazowo
odnawialnych,
szczególnie energii promieniowania słonecznego, ale również
energii geotermalnej;
a)
b)
Materiały PCM w ścianach budynku pełniące rolę akumulatora energii
promieniowania słonecznego
a) wnikającego do wnętrza,
b) padającego na powierzchnię zewnętrzną przez izolację transparentną
[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
Materiały PCM zwiększające pojemność cieplną ogrzewanej podłogi,
a) wykorzystanie energii promieniowania słonecznego pozyskiwanej w kolektorach,
b) wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych z pompą ciepła (PC) zasilaną tanią
energią elektryczną (w porze nocnej);
[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
 stabilizacja
temperatury w pomieszczeniu w warunkach
zmiennych obciążeń cieplnych (w czasie działania intensywnych
źródeł ciepła),
Materiały zmienne fazowo
 efektywne wykorzystanie naturalnych warunków klimatycznych –
niskiej temperatury w porze nocnej do wychłodzenia pomieszczeń
(ang. free cooling, night ventilation);
Materiały zmienne fazowo
Materiały fazowo zmienne można wykorzystać w celu
modyfikacji kompozytów:
 gipsowych,
 cementowych,
 ceramicznych.
intensywna wentylacja
pomieszczeń
Materiały PCM w ścianach budynku absorbujące ciepło wydzielane np. przez
urządzenia biurowe; ciepło to w porze nocnej jest usuwane do otoczenia w
wyniku intensywnej wentylacji pomieszczeń;
[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Na rysunku pokazano wyniki badania wpływu materiału PCM na zmiany temperatury w
Do trudności, jakie mogą się pojawić w przypadku
stosowania materiałów organicznych można zaliczyć
pomieszczeniu biurowym. Linią niebieską pokazano krzywą zmian temperatury w
pomieszczeniu bez żadnych instalacji klimatyzacyjnych – wzrost temperatury jest
spowodowany pracą urządzeń biurowych oraz jest związany z obecnością pracowników.
Udział PCM - 2,5 kg
Udział PCM - 5 kg
Udział PCM - 10 kg
fakt, że są one:
 mniej odporne na proces starzenia,
 w przypadku łączenia z betonem mogą wchodzić w
reakcje z produktami hydratacji.
Wpływ materiału zmiennofazowego na przebieg temperatury w pomieszczeniu
biurowym; różne ilości PCM na jednostkę powierzchni; linie czerwone – materiał DT2
(charakterystyka topnienia od 24 do 26°C), linie zielone materiał DT14
(charakterystyka topnienia od 18 do 32°C), linie niebieskie – bez PCM
[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
4
2015-11-10
Materiały zmienne fazowe
Materiały zmienne fazowe
Sposoby wkomponowania materiałów PCM w strukturę budynku,
 wbudowanie niewielkich ilości materiałów zmiennych fazowo w
(przy czym istotne znaczenie mają w zasadzie dwa pierwsze):
 wykorzystanie w materiałach i przy budowie elementów
budowlanych,
umieszczenie
materiałów
zmiennofazowych w specjalny
zasobnikach (o odpowiednim
kształcie i wielkości), które
rozmieszczone są w wolnych
przestrzeniach budynku (np. nad
sufitami podwieszanymi lub pod
http://www.pcmproducts.net/files/TES-2008.pdf
podłogą),
•
elementy wyposażenia wnętrz;
 wprowadzanie w struktury podłóg w przypadkach: ogrzewania
podłogowego oraz w podłogach na teleskopach (podwyższanych,
stosowanych np. w pomieszczeniach serwerowni).
http://www.pcmproducts.net/files/TES-2008.pdf
Materiały zmienne fazowo
W przypadku materiałów budowlanych są to najczęściej
elementy gipsowe lub betonowe, przy produkcji których dodaje
Materiały zmienne fazowo
Przykład wykorzystania granulowanej postaci materiału fazowo
zmiennego w produkcji płyt gipsowo-kartonowych
się do gipsu lub cementu odpowiednio spreparowany materiał
PCM. Ma on postać mikrokapsułek – kulek o wymiarach od kilku
do kilkuset mikrometrów, otoczonych powłoką polimerową.
Kuleczki takie zawierają do 80% właściwego materiału PCM.
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
a) Żaluzje przeciwsłoneczne z PCM, Źródło: ZAE Bayern
b) Lekka konstrukcja ściany – mikrokapsułki PCM zintegrowane w tynku
wewnętrznym/*;
c) woreczki z mikrokapsułkami w funkcji „sufitu chłodzącego”,
Źródło: Dörken;
/*Schossig P., Henning H., Gschwander S., Micro-encapsulated phase-change materials
integrated into construction materials, Solar Energy Material & Solar Cells 89 (2005), s. 297-306
5
2015-11-10
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Dzięki małym wymiarom kuleczek oraz ich osłonięciu
polimerem,
właściwości
mechaniczne
Mikrogranulki PCM (BASF),
szerokość obrazu ok. 1,8 mm
utworzonego
kompozytu nie ulegają degradacji (należy pamiętać, że
w czasie topnienia materiał zmienny fazowo zwiększa swoją
objętość o kilkanaście procent).
Oprócz mikrokapsułek stosowany jest również granulat o wymiarach
Zazwyczaj udział mikrokapsułek PCM nie przekracza 20%,
cząsteczek rzędu milimetrów (z takiego surowca wykonywane są np.
także ze względów bezpieczeństwa pożarowego – największą
warstwy pojemnościowe w podłogach podgrzewanych), a także małe
grupą
zasobniki – w postaci kulek lub rurek o średnicach rzędu 1–2 cm,
materiałów
zmiennych
fazowo
stosowanych
w budownictwie są węglowodory.
które umieszczane są w wolnych przestrzeniach pustaków lub są
zatapiane w betonie.
Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
Materiały zmienne fazowo
Materiały zmienne fazowo
Zasobniki z materiałami PCM są wymiennikami ciepła o prostej
Ciekawą propozycją jest zastosowanie materiałów zmiennych fazowo
konstrukcji dostosowanymi gabarytowo i wielkością do istniejących
w układach ogniw fotowoltaicznych, zintegrowanych z budynkami (na
warunków zabudowy. Często są one wyposażone w kanały
ścianach lub dachach).
dolotowe powietrza (jako nośnika ciepła) oraz wentylatory. Materiał
Płaskie zasobniki z tymi materiałami mocuje się do tylnych
zmienny fazowo najczęściej znajduje się w prostych torebkach z
powierzchni paneli PV
tworzywa sztucznego (elastycznych ze względu na zmiany objętości)
W tym przypadku materiał PCM pełni dwie funkcje:
 gromadzi część energii promieniowania słonecznego, która w nocy
lub w walcowych pojemnikach.
przekazywana jest do wnętrza budynku,
 stabilizuje temperaturę ogniwa, co istotnie poprawia jego
sprawność (sprawność ogniw PV znacznie spada ze wzrostem
Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
Materiały zmienne fazowo
temperatury).
Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
Restauracja Secesja Cafe
Schemat układu stabilizującego temperaturę ogniw PV z wykorzystaniem
zgromadzonego ciepła do ogrzewania pomieszczeń w nocy
Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
W dniu 8 grudnia 2011 r., w ramach współpracy Zakładu Materiałów
Budowlanych i Fizyki Budowli z firmą BASF Polska odbyła się KONFERENCJA
NAUKOWO-TECHNICZNA "Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych w
budownictwie” Spotkanie konferencyjne w restauracji Secesja Cafe, gdzie w
ramach remontu pomieszczeń wykorzystano materiał zmienny fazowo w
zaprawie tynkarskiej oraz wylewce posadzkowej.
6
2015-11-10
Prace remontowe w restauracji Secesja Cafe
Restauracja Secesja Cafe
Badania własne
Badania własne
Wyniki badań w zakresie cech podstawowych gładzi polimerowo gipsowej
z udziałem Micronalu
Źródło: praca dyplomowa Magdy Adamczuk, WBiA, 2014
ZCW
ZPG
ZPG-PCM
10%
ZPG-PCM
20%
ZPG-PCM
30%
ZPG-PPCM
Rozpływ, [mm]
152,0
162,0
161,0
161,5,0
164,5
169,5
Stosunek woda/tynk [-]
0,337
0,425
0,436
0,470
0,516
0,584
≤ 600
148
131
126
125
156
1630
1630
1460
1200
1110
1140
1330
1210
1010
950
830
880
≥ 1,8
≥ 1,0
-
-
-
-
4,30
7,26
2,99
2,29
1,51
2,09
CIII
CIII
CII
CII
CII
CII
Zaprawa
Czas początku wiązania
[min.]
Gęstość objętościowa
świeżej mieszanki,
ρo,m[g/cm3]
Gęstość objętościowa
zaprawy w stanie suchym
ρo,s [g/cm3]
Wytrzymałość na zginanie
[MPa]
Wytrzymałość na ściskanie
[MPa]
Wytrzymałość na ściskanie
- kategoria wg PN-EN 982-1
Mapa zidentyfikowanych pierwiastków
na zaznaczonym obszarze
mikrokapsułek– powiększenie 150x:
Źródło własne
Mikrokapsułki– powiększenie 25x
Źródło własne
Procentowa zawartość pierwiastków w
badanym obszarze próbki:
Źródło własne
Polimetakrylan metylu – C5H8O2
Badania własne
Badania własne
Wyniki przeprowadzonych badań w zakresie cech podstawowych gładzi
polimerowo gipsowej z udziałem Micronalu
Wyniki przeprowadzonych badań w zakresie cech podstawowych gładzi
polimerowo gipsowej z udziałem Micronalu
0,7
1,6
1,4
ZCW
ZPG
ZPG-PCM 10%
ZPG-PCM 20%
ZPG-PCM 30%
ZPG-P-PCM
1,2
1,0
0,8
0,6
17
21
24
27
Temperatura [oC]
30
wilgotne
Współczynnik przewodzenia ciepła [W/(mK)]
Objętościowa pojemność cieplna [10 6 J/m3K]
1,8
0,6
0,5
0,4
CW
ZPG
ZPG-PCM 10%
ZPG-PCM 20%
ZPG-PCM 30%
ZPG-P-PCM
0,3
0,2
0,1
0,0
17
21
24
27
30
wilgotne
Temperatura [ o C]
7
2015-11-10
Materiały fazowo zmienne
Modelowy budynek badawczy
zawierający pomieszczenie
wykończone tynkiem z PCM oraz
pomieszczenie referencyjne,
niemodyfikowane PCM [Schosig]
Porównanie temperatury w dwóch
pomieszczeniach – referencyjnym i z
zastosowanym tynkiem z dodatkiem PCM;
w obu zainstalowano wentylację i
zacienienie w celu redukcji zysków
słonecznych [Schosig]
8