Interiérové tepelně akumulační omítky a obkladové prvky

Úvod

Tento projekt byl zaměřen na vývoj speciálních kompozitních materiálů, které by díky své skladbě a struktuře umožnily dobré vedení, uložení a následné uvolnění tepla zvláště v oblasti infračerveného záření. Očekávaným výstupem měla být progresivní směs pro interiérové omítky a obkladové prvky, která by v součinnosti s infračervenou topnou deskou a klimatizační technikou zajistila dostatečnou tepelnou pohodu vytápěného prostoru v zimním období a tepelnou stabilitu místnosti v letním údobí.

Pocity vnímání tepla a chladu jsou komplexním problémem. Tepelný komfort člověka není závislý pouze na teplotě okolního vzduchu, ale i na tepelném záření, a také na sálavé teplotě povrchů všech okolních ploch. Alternativní způsob zvoleného infračerveného vytápění neohřívá přednostně vzduch, teplo je šířeno sáláním, nikoliv prouděním, a stejná tepelná pohoda je zajištěna při redukované teplotě vzduchu díky rovnoměrnému rozložení teploty a vysokému podílu zářivého tepla. Tabulkově je vyjádřeno snížení teploty o 1 °C úsporou 6 % nákladů. Toto procento lze s výhodou hospodárně navýšit akumulací zářivého tepla do vnitřních povrchových úprav stěn a stropů.

Směr řešení

Při návrhu kompozitních směsí byla pozornost zaměřena na schopnost materiálu pohlcovat a akumulovat sálavou energii. Pro navýšení pohltivosti infračerveného záření a vytvoření efektivní absorpční vrstvy bylo užito aditiv s přirozeně vysokou emisivitou na bázi uhlíku a mikrozrnných složek s definovanou zrnitostí, které zvyšují účinné plochy pro dopadající záření a vytváří povrch s vhodnou mikrostrukturou. Tepelně vodivá aditiva na bázi expandovaného grafitu byla zkoušena z důvodu rovnoměrného prohřátí a přenosu tepelné energie od povrchu materiálu. Uložení získané infračervené energie bylo zajištěno tepelně akumulačními (phase change materials – PCM) absorbéry, které jsou schopny pojmout a uvolnit vyšší množství tepelné energie, a to na základě změny skupenství.

Experimentální část

Počáteční fáze výzkumu byla orientována především na proměřování emisivit různých povrchů standardních stavebních materiálů a povrchových úprav, které se běžně uplatňují v interiérech obytných částí stavebních objektů. V prvním kroku byl proto v návaznosti na zamýšlenou metodiku měření proveden návrh technické koncepce, výroba a kompletace systému pro experimentální stanovení parametrů schopnosti akumulace infračerveného záření. Dále byly upřesněny vyhodnocovací postupy a vytvořeny algoritmy pro výpočet střední poloprostorové emisivity.

Obr. 1: Schéma zařízení pro stanovení parametrů pohltivosti IČ záření

Speciálně vyvinuté zařízení vybavené deskovým výměníkem tepla umožňovalo vyhodnocovat emisivitu až 3 ohřívaných a ochlazovaných vzorků různých materiálů pomocí termovizní kamery a výpočtového softwaru. Rovnoměrné rozložení radiační teploty bylo zajištěno odcloněním nežádoucích zdrojů záření z okolí stínicími roletami. Současně byly sledovány teploty v okolí zkoumaných vzorků radiačním teploměrem, teploty uprostřed povrchů vzorků pomocí termočlánků a také vlhkost vzduchu a barometrický tlak pro definování stavu okolního prostředí. Tyto vstupní parametry sloužily ke vzájemnému srovnání obvyklých stavebních materiálů a pro vhodný výběr skladebných složek nově vyvíjených progresivních kompozitních směsí obkladových prvků a omítek.

Navržené tenkostěnné kompozitní dílce, hliněné a speciální omítky byly modifikovány specifickými přísadami s vysokou emisivitou, tepelnou vodivostí a měrnou tepelnou kapacitou a také aditivy upravujícími strukturu povrchu a probarvení. Vyzrálé kompozity byly následně povrchově upravovány broušením, pískováním či leštěním. Na referenčních vzorcích byly následně stanoveny základní fyzikálně-mechanické vlastnosti včetně směrových a poloprostorových emisivit, a rovněž byl hodnocen vliv nátěrů, barevnosti a úprav povrchů na příjem infračerveného záření.

V poslední fázi projektu bylo na vytvořených návrhových modelech provedeno srovnání energetické náročnosti při vytápění elektrickým konvektorem, plynovým topidlem a sálavým panelem. Další práce navázaly na dosavadní experimentální výzkum stanovení emisivit standardních a speciálních kompozitů v oblasti tepelného záření a byly zaměřeny především na analýzu, ověření a optimalizaci tepelně akumulačních vlastností nově navržených omítkových směsí a obkladů. V zimním období byla v praxi ověřena schopnost akumulace tepelné energie vyvinutých kompozitních obkladových dílců. Pro toto praktické ověření bylo vyrobeno 30 m² prototypových obkladových dílců o rozměru 1,0×0,5 m. Měření proběhlo na reálném modelu – stěnách a stropu zkušební místnosti. V jedné místnosti byly použity nově vyvinuté prototypové obkladové dílce z cementopískové matrice s rozptýlenou výztuží z alkalivzdorných skleněných vláken, obohacené o PCM absorbéry tepla. Referenční místnost byla osazena obyčejným sádrokartonem.

Obr. 2: Dvoukomorová laboratoř osazená kompozitními obklady

Testování místností bylo naplánováno formou vypnutí a zapnutí vytápění v místnostech v intervalu 6 hodin v rámci nízkého tarifu cen elektrické energie, a to po dobu 8 hodin denně s nejdelší přestávkou 6 hodin. Při měření byly v intervalech zaznamenávány parametry vnitřního prostředí a byl vyhodnocen tepelný komfort. Výsledky měření byly zpracovány pro analýzu tepelné pohody a energetické bilance. Nad rámec původně stanovených cílů projektu bylo řešení rozšířeno o ověření možného využití vyvíjených materiálů pro ochlazování interiérů budov v letním období (tzv. pasivní klimatizace). Za pomocí simulačních metod proběhlo v letním klimatu týdenní měření bez tepelných zisků z přímého slunce pro posouzení výhodnosti použití vyvinutých obkladových prvků.

Závěr

Pohltivost infračerveného záření byla vyjádřena emisivitou povrchu materiálu. Vzorky stavebních materiálů i vyvíjených kompozitů měly obdobnou a většinou poměrně vysokou emisivitu. Z porovnání hladkých a drsných povrchů je zřejmé, že emisivity ve směru normály jsou u stejných materiálů prakticky totožné. Střední poloprostorové emisivity drsných povrchů jsou větší než v případě hladkých povrchů z téhož materiálu. Nejvyšší hodnoty emisivity vykazovaly hliněné omítky, vláknocementové kompozity obohacené o tepelně akumulační příměsi a speciální mikrozrnné omítky s PCM absorbéry.

Simulace spotřeby energie potvrdily rozdílnost poměrů přenosu tepla konvekcí a sáláním pro různé způsoby vytápění. Sálavý panel zajišťoval stejnou tepelnou pohodu při nižší spotřebě energie a menším rozdílu teploty vzduchu oproti teplotě sálání.

Graf 1: Vyhodnocování tepelné pohody v dvoukomorových laboratořích při přerušovaném vytápění

V rámci provedených měření vykazovala zkušební místnost osazená tepelně-akumulačními obklady s PCM materiálem v porovnání s referenční místností při stejné energetické náročnosti na vytápění vyšší tepelnou pohodu o 2 °C. Pozitivně působila možnost akumulace solárních zisků. Místnost se stala teplotně velmi stabilní v regionu teploty tání aktivní látky PCM. Při využití přerušovaného elektrického vytápění byla v místnosti s PCM látkou zajištěna shodná tepelná pohoda při nižší spotřebě energie o 20 %.

Graf 2: Ověření klimatizačního potenciálu s odstíněním solárních zisků

Pomocí simulačních metod byla prokázána vhodnost využití vyvinutých obkladových PCM desek pro snížení nejvyšší denní teploty interiéru a zajištění letní tepelné stability místnosti. Dosažený maximální výkyv povrchových teplot akumulačního PCM obložení byl v týdenním měřicím cyklu v průměru o 3 °C nižší než u referenčního modelu se sádrokartonem. Teplota v místnosti s PCM deskami klesla z 29,3 °C na 27 °C, což je velké snížení tepelné zátěže. Při obdobné simulaci s využitím nočního chlazení dvou stěn bylo dosaženo rozdílu operativních teplot až 3,5 °C. Počítačovou simulací bylo prokázáno možné snížení příkonu klimatizace přibližně o 20 %.

Speciálně vyvinuté tepelně akumulační obkladové desky a omítky by vzhledem k těmto vlastnostem měly najít vhodné uplatnění v objektech s vysokou energetickou kvalitou a přerušovaným způsobem vytápění, ale také v budovách z lehkých konstrukčních materiálů s nízkou schopností akumulace energie, kde mohou navíc v letních měsících snížit přehřívání interiéru, a tím přispět k zajištění větší tepelné pohody při úspoře energie za provoz klimatizačního zařízení.

Tento příspěvek vznikl za podpory MPO ČR na základě řešení projektu Trvalá prosperita 2A – 3TP1/090.

Literatura

• [1] Základní principy infračerveného záření. Cit. [13. 5. 2012].
• [2] HUPKA, J. a kolektiv: Fyzikální terapie.Martin, Osveta 1993.
• [3] JONES, S. S., a BAILEY, B. K.: Sweat your way to radiant health. Let´S Live Magazine, June 1994.
• [4] Journal of the Americal Medical Association (JAMA), 7. srpna 1981.
• [5] KABRHEL, M. Akumulace tepelné energie do stavebních konstrukcí. Březen 2003. Cit. [13. 5. 2012]. Dostupný z: https://oze.tzb-info.cz/akumulace-tepla/1401-akumulace-tepelne-energie-do-stavebnich-konstrukci.
• [6] KALOUSEK, M. Akumulační schopnosti materiálů a potřeba tepla na vytápění. Závěrečná výzkumná zpráva projektu MPO č. 2A – 3TP1/090 (2008-2001). Brno: VUT-Fakulta stavební, 2011.
• [7] PAVELEK, M. a JANOTKOVÁ, E. Speciální kompozitní materiály s vysokou schopností akumulace infračerveného záření. Závěrečná výzkumná zpráva projektu MPO č. 2A – 3TP1/090 (2008–2001). Brno: VUT-Fakulta strojního inženýrství, 2011.