logo TZB-info

estav.tv nový videoportál

Reklama

Interiérové tepelně akumulační omítky a obkladové prvky

Článek popisuje projekt zaměřený 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.

Reklama

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
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 obkladyObr. 2: Dvoukomorová laboratoř osazená kompozitními obkladyObr. 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
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
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.
 
Komentář recenzenta Ing. Petr Tůma, Ph.D., autorizovaný inženýr a soudní znalec

Článek se zaměřuje na dnes velmi aktuální problematiku tepelných úspor při vytápění a chlazení interiérů. Představuje experimentální program zaměřený na vývoj materiálu pro povrchové úpravy v interiéru, který bude schopný zvýšené pohltivosti infračerveného záření a jeho pozdější emitování v chladnějším období. Vliv vyvinutého materiálu je pak porovnán s povrchovou úpravou ze sádrokartonových desek.
Příspěvek ukazuje na odborně fundovaný přístup autorů k řešené problematice. Doporučuji jej k uveřejnění.

English Synopsis
Thermal accumulation interior plasters and cladding elements

The purpose of this paper is to inform about research and development results of special composite materials with enhanced capacity to accumulate infrared radiation. The aim of this project was to create an adjustment for wall and ceiling surfaces enabling good conduction, absorption and storage of thermal radiation with subsequent slow release of heat energy stored during periods of intermittently heating. This proposed solution in conjunction with infrared heaters and air conditioning equipment provides sufficient thermal comfort in heated spaces during winter season and thermal stability of rooms in summer. The main emphasis was on cost saving and increased efficiency of heating systems and cooling units.
The article presents one possible solution and principle for increasing absorption of infrared radiation and accumulative ability. The emissivity and surface temperatures of the developed sample were measured within the frame of the experimental works on real laboratory models in cooperation with specialists from Brno University of Techology (BUT) in Faculty of Mechanical Engineering (FME) and Faculty of Civil Engineering (FCI). The analysis of thermal comfort and energy balances including the assessment of the suitability in summer and winter was performed as well.

 
 

Reklama


© Copyright Topinfo s.r.o. 2001-2024, všechna práva vyhrazena.