Akumulace tepla pro snížení spotřeby energie v nízkoenergetických budovách

Úvod

Běžné masivní konstrukce jako jsou zdivo, betonové stěny nebo stropní desky mohou akumulovat tepelnou energii díky své vlastní tepelně akumulační kapacitě. Závisí to především na hmotnosti jednotlivých konstrukcí. Nízkoenergetické budovy s lehkými obvodovými plášti mají malou tepelně akumulační schopnost způsobenou malou hmotností nosných i nenosných konstrukcí. V případech, kdy je akumulováno teplo, například ze slunečního záření, musí projektanti navrhovat speciální masivní tepelně akumulační prostředky. Jejich objem je možné redukovat pomocí materiálů s fázovou změnou (Phase Change Materials - PCM). Instalace materiálů s fázovou změnou je jedna z cest jak zlepšit tepelně akumulační vlastnosti lehkých obvodových konstrukcí. Princip spočívá v tom, že namísto zvyšování hmotnosti obvodové konstrukce je využíváno latentní teplo skupenské změny materiálů s nízkou teplota tání.

1. Akumulace tepla

Jsou tři metody akumulace tepelné energie [2]:

• akumulace citelného tepla;
• akumulace skupenského tepla;
• termochemická akumulace tepla.

Je mezi nimi rozdíl v množství tepla, které může být naakumulováno na jednotku hmotnosti nebo objemu akumulačního média, v teplotách tání média a v tom na jakém stupni současného vývoje je technologie akumulace.

1.1 Akumulace citelného tepla

V tomto případě je tepelná energie akumulována pouze změnou teploty akumulačního média [2]. Množství akumulovaného tepla závisí na tepelné kapacitě média, na změně teploty a na množství akumulačního média. Na akumulaci citelného tepla mohou být využity pevné nebo kapalné látky. Proces může být popsán rovnicí (1).

Q	množství akumulovaného tepla [J]
m	hmotnost tepelně-akumulačního média [kg]
c	průměrný součinitel tepelné kapacity mezi teplotami T1 a T2 [J.kg-1.K-1]
T1	počáteční teplota [K]
T2	konečná teplota [K]

Nejoblíbenější kapalné médium je voda, která musí být umístěna v nějakém kontejneru. Obvykle je voda používána jako teplonosné kapalné médium ale často je použita také jako akumulační médium. Jako akumulační média z pevných látek mohou být použity kámen, betonové konstrukce nebo cihelné zdivo. Akumulace citelného tepla je nejméně efektivní metoda akumulace tepla, poněvadž je třeba mnohem méně tepelné energie na zvýšení teploty látky než je tomu při tání krystalických sloučenin nebo při rozbití chemických vazeb.

1.2 Akumulace skupenského tepla

Při akumulaci skupenského tepla je tepelná energie shromažďována prostřednictvím vratných změn stavu nebo skupenství akumulačního média [2]. Přeměna pevná látka-kapalina je využívána nejčastěji, ačkoli byl zkoumán i přechod pevná látka-pevná látka. Akumulátory skupenského tepla také využívají určitý obsah citelného tepla v systému. Teplo potřebné pro tání obvykle převažuje, ale jisté množství tepla může být přidáno akumulací citelného tepla.

Q	množství akumulovaného tepla [J]
m	hmotnost tepelně-akumulačního média [kg]
T1	počáteční teplota [K]
T2	konečná teplota [K]
Tm	teplota tání [K]
cps	průměrný součinitel tepelné kapacity mezi teplotami T1 a Tm - pevná fáze [J.kg-1.K-1]
cpl	průměrný součinitel tepelné kapacity mezi teplotami Tm a T2 - kapalná fáze [J.kg-1.K-1]
lm	skupenské teplo tání na jednotku hmotnosti [J.kg-1]
Δhm	hmotnostní podíl látky účastnící se fázové změny [-]

Skupenské teplo je z hlediska lidské zkušenosti méně známé než teplo citelné. Akumulátory skupenského tepla mají výhodu ve vyšší tepelné kapacitě, takže může být redukován objem a hmotnost akumulačních jednotek.

Používání materiálů s fázovou změnou (PCM) pro akumulaci tepla je opožděno oproti akumulací citelného. Je to částečně způsobeno tím, že systémy skupenských změn představují vyšší technologickou úroveň.

1.3 Termochemická akumulace tepla

Termochemické systémy spočívají na energii absorbované a uvolňované při rozbití nebo znovuvytvoření molekulárních vazeb při plně reverzibilních chemických reakcích [2]. Naakumulované teplo závisí na množství akumulačního média, na endotermickém teple reakce a rozsahu přeměny.

Q	množství akumulovaného tepla [J]
m	hmotnost tepelně-akumulačního média[kg]
ar	podíl látky účastnící se reakce [-]
Δhr	reakční teplo na jednotku hmotnosti [J.kg-1]

Termochemické akumulátory tepla mají výhodu více kompaktních systémů s dlouhodobou akumulací, malými ztrátami a akumulací bez izolace. Avšak produkty nesmí být korozivní vůči materiálům stavby a všechny použité chemikálie musí být bezpečné a ekologické. Technologie termochemických akumulátorů je relativně více sofistikovaná než u akumulace citelného a skupenského tepla.

2. Akumulace tepla změnou skupenství

Materiály s fázovou změnou (Phase Change Materials - PCM) mají ve srovnání s akumulátory citelného tepla podstatně vyšší měrnou akumulaci tepelné energie a jsou schopné absorbovat větší množství energie při konstantní teplotě během skupenské změny. Jako PCM [1] pro přeměnu kapalina-pevná látka mohou být použity:

• Anorganické sloučeniny
  • Hydráty solí s teplotou tání od 0 až do 150°C
  • Další anorganické sloučeniny s vyšší teplotou tání
• Organické sloučeniny
  • parafíny
  • neparafínové organické látky: mastné kyseliny a další organické sloučeniny

2.1 Organické látky

Organické PCM mají horší teplosměnné vlastnosti, nižší hustoty a větší nebezpečí požáru. Obecně mají vyšší cenu než anorganické. Parafíny jsou produkty z minerálních olejů. Skládají se většinou ze skupiny organických alkenů, které mají obecný vzorec C_nH_2n+2. Tato skupina nasycených uhlovodíků vytváří směsi s podobnými vlastnostmi. Parafíny splňují mnoho požadovaných vlastností PCM pro účely akumulace:

• jsou snadno dostupné;
• nejsou korozivní ani toxické;
• mají vysoké skupenské teplo tání;
• jsou chemicky stabilní;
• mají nízkou hustotu;
• mají malé objemové změny během tání;
• jsou schopné vlastní nukleace (vykrystalizování prvotních zárodků krystalu).

2.2 Hydráty solí

Jsou důležitou skupinou anorganických látek v teplotním rozsahu od 0°C do 150°C (Obr. 1). Jako skupina nabízejí dobré hodnoty skupenského tepla tání a dobře vedou teplo. Všechny tyto materiály vykazují tenzi par způsobenou obsahem vody. Všechny musí být uzavřeny v hermeticky těsných pouzdrech.

Obr. 1 - Teplota tání pro vybrané hydráty solí

Byly zkoumány dva problémy těchto PCM:

• Nestejnoměrné tání;
• přechlazování.

Krystalizační voda uvolněná během tání nestačí k rozpuštění pevných součástí. Pevné usazeniny klesají z důvodu své vyšší hustoty do spodní části pouzdra. Během zpětného procesu se značná část usazené soli není schopna dostat do kontaktu s vodou potřebnou pro její krystalizaci. Hustota akumulované energie se tedy sníží po několika cyklech pohlcení a uvolnění tepla.

Druhým problémem je přechlazování. V případě chlazení nedochází k tuhnutí nebo krystalizaci při teplotě tání. Z důvodu přechlazení PCM nevydávají naakumulovanou energii při teplotě tání, jak by se očekávalo očekávalo. Přechlazení v hydrátech solí může být značně sníženo podpořením nukleace jedním z následujících způsobů:

• přidáním malého množství nukleační přísady, která má podobnou strukturu krystalu jako PCM;
• mechanickými prostředky jako hrubým povrchem stěny pouzdra a hrubým teplosměným povrchem k podpoření heterogenní nukleace (počátek krystalizace v nehomogenním prostředí).

Hydráty solí jsou obecně kompatibilní s plastovými pouzdry, až na to, že některé plasty nejsou použitelné při teplotách tání některých PCM s vyššími teplotami tání.

2.3 Skupenství měnící materiály PCM v lehkých konstrukcích

PCM mohou být zapouzdřeny v plastové fólii. Použití plastových fólií k zapouzdření PCM v tepelně akumulačních aplikacích je zajímavé z ekonomických důvodů a pro svou všestrannost. Vaky s materiály s fázovou změnou jsou umístěny v energii akumulujících boxech zajištěných výztuhami. Ploché vaky mohou být položeny na zavěšený podhled, např. ze sádrokartonu. Jiným vyvinutým prvkem jsou trubice z HDPE. Tyto trubice jsou naplněny PCM a hermeticky utěsněny. Tato konstrukce poskytuje pevnou a nepropustnou bariéru, zajišťující dlouhodobě neměnné vlastnosti.

Další možnost pro zapouzdření PCM používá francouzská firma Cristopia. Ta nabízí energetické moduly průměru 77, 78 a 98 mm. Na zapouzdření je používána směs polyolefinů. Penwalt Corp. vyrábí přibližně kulové tablety. Pouzdrem je tuhý polymerní plášť, který může mít různou tloušťku v závislosti na použití. Německá firma Ruritherm GmbH nabízí PCM na bázi parafínu s teplotou tání od -3°C do 100°C. Společnost dodává PCM jako vláknité desky, granule nebo prášek.

3. Praktické měření

Cílem našeho výzkumu na VUT v Brně bylo ověření pozitivního vlivu PCM na tepelnou stabilitu budov v letním období. Pro tento účel jsme potřebovali dva identické experimentální objekty na ověření chování PCM. Pro zkoušky vlastností PCM z hydrátů solí byly postaveny dva stejné experimentální objekty ve vesnici Vrtežiř nacházející se západně od Brna. Každý z nich je postaven z lehkých obvodových konstrukcí. V každém objektu jsou v obvodových konstrukcích okna s jednoduchým zasklením. Jako PCM byla v objektu č. 2 použita směs solí na bázi hexahydrátu. Instalovány tam byly PVC trubice se směsí solí. Umístěno bylo 6 trubic o průměru 63mm v prostoru pod stropem Délka každé trubice byla 1,0m. Každý konec trubic byl uzavřen zátkou z PVC. Byl ponechán prostor pro proudění vnitřního vzduchu mezi trubkami a stropem. Na obrázku (Obr. 2) je pohled na trubice s PCM. Další rok byly namísto trubek s PCM použity desky ze sádry se zapouzdřeným PCM (Obr. 3).

Obr. 1 - Pohled na trubice se směsí hydrátu solí

Obr. 2 - Pohled na stěnové desky s PCM

Materiál	Bod tání [°C]	Skupenské teplo [kJ/kg]	Měrné teplo - kapalina [kJ/kg.K]	Měrné teplo - pevná fáze [kJ/kg.K]
Směs solí	25,5 to 27,0	192,0	2,2	1,4
Stěnová deska	23,0 to 27,0	18,0	1,0	1,0

Tab. 1 - Tepelné vlastnosti použitých materiálů

Experiment byl úspěšný, protože maximální denní teploty v objektu s PCM byly nižší než v objektu bez PCM. Například maximální denní teplota dne 10.9. byla v objektu č. 1 (bez PCM) 36,1 °C a v objektu č. 2 byla maximální denní teplota 32,3 °C. Takže rozdíl je 3,8°C. Na druhou stranu, během noci byla teplota v objektu č. 2 vyšší než v objektu č. 1. Bylo to způsobeno tuhnutím hydrátu solí. Naakumulované teplo v soli bylo uvolněno do vnitřního prostoru.

4. Závěr

Obecně lze říci, že materiály s fázovou změnou mají dva efekty na tepelnou stabilitu vnitřního mikroklimatu. Během dne tyto materiály způsobují snížení teploty díky změně skupenství pevná látka-kapalina a během noci zvyšují vnitřní teplotu při změně skupenství kapalina-pevná látka.

Tato práce byla podporována Českou grantovou agenturou pod číslem projektu 103/07/0907.

Reference

[1] GARG, H., MULLICK, S., BHARGAVA, A. Solar Thermal Energy Storage. Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland 1985.
[2] LANE, G. Solar Heat Storage: Latent Heat Materials, Volume I : Background and Scientific Principles. CRP Press,Inc. Boca Raton, Florida 1983
[3] LANE, G. Solar Heat Storage: Latent Heat Materials, Volume II : Technology. CRP Press,Inc. Boca Raton, Florida 1983
[4] OSTRÝ, M. Effect of the Thermal Storage properties of the phase Change Materials on the Indoor Environment, Ph.D. Thesis, Brno 2005
[5] http://www.rubitherm.com/

Přeloženo z anglického originálu - překlad ing. Josef Knob (TZB-info)

Originál článku v PDF.