PCM ve stavebnictví Díl 2: PCM jako stavební materiál - možnosti aplikace
Tento díl seriálu pojednává o produktech z PCM, které lze použít jako stavební prvky. Je určen pro čtenáře laiky ale i odborníky a projektanty, kteří uvažují o použití ještě stále ne zcela v České republice rozšířených materiálů, využívajících výrazně lepších akumulačních vlastností, především v intervalu látkové přeměny.
V minulém díle jsme si udělali představu, z jakých sloučenin mohou být PCM. V dnešním díle se seznámíme se stavebními prvky, ze kterých se staví ve státech západní Evropy. Tento díl by tedy neměl uniknout žádnému projektantovi, který se pokouší snížit potřebu elektrické energie.
Výzkumem PCM materiálů se zabývají odborníci mnoha odvětví již několik desítek let, škála zaregistrovaných produktů s ochrannou známkou je velmi široká. Mnoho PCM sloučenin ovšem nenašlo dostatečně podporujícího výrobce a odběratele, tudíž neuspělo na stavebním trhu. Proto vybírám jen typické produkty pouze několika výrobců, které jsou snadno dostupné ve střední Evropě. Výrobky lze rozdělit na obvodové systémy, nosné systémy, interiéry a povrchové aplikace, úpravy skel a jiné.
Obvodové systémy
Užití PCM v obvodových systémech budov má za cíl zabránit přehřívání fasády, které má následně negativní vliv na teplotu vnitřního prostředí. Pro tento účel lze použít buď fasádní panely anebo nátěry.
Mezi hlavní výrobce takovýchto systémů patří společnost DuPont s produktem nazvaným Energain. Jedná se o panel, který je tvořen směsí 40 % etylenu a molekulárně uzavřených parafinových vosků (60 %). Parafín je zalaminován z obou stran do hliníkového pláště tloušťky 130 μm. Celková tloušťka panelu je 5.26 mm.
Vyrábí se v rozměrech 1000x1198 mm. Výhodou je snadná dělitelnost ostrým nástrojem. Desky jsou tedy snadno tvarově modifikovatelné (lze použít i speciální fólie). Plošná hmotnost panelu je 4.5 kg/m2 a objemová hmotnost 810 kg/m3.
 |
 |
Část panelu DuPont Energain-pohled a řez (po odkrytí fólie nabízí pohled na vosk),
vpravo fasáda s těmito panely (zdroj obrázku vlevo a vpravo energain.co.uk)
Panely mají široké využití, mohou být nainstalovány na příčky, nosné stěny a stropy, v interiéru i exteriéru. Tepelná vodivost panelu je nižší v kapalném stavu než při pevném skupenství (λsol= 0.18, λliq= 0.14 W/m*K). Výrobce udává životnost materiálu shodnou s životností stavby. Neudává počet cyklů nabití a vybití. Produkt je chemicky inertní k ostatním materiálům a lze ho použít jako součást hydroizolační ochrany.
Náplň Energain® při teplotě do 18 °C obsahuje pouze látky v pevném skupenství. Když teplota překročí 22 °C, ať už vlivem slunečního záření nebo vlivem okolní teploty, nastane fázová přeměna a vosk začne tát. V této chvíli je teplo potřebné ke změně skupenství absorbováno z místnosti do panelu, tudíž nedochází k dalšímu zvýšení teploty interiéru (dále Ti). V opačném případě, kdy teplota klesne pod 18 °C, nastává krystalizace a teplo se uvolňuje do okolí. Jde vlastně o využití výborných akumulačních schopností v čase změny skupenství. Tím se snižuje potřeba pro použití vytápění či klimatizace, takže dochází k úsporám energie. Hodnota LHSC (latent heat storage capacity), tedy hodnota latentní akumulační kapacity, je větší než 70 kJ/kg-měřená pomocí metody DSC (1 °C/min).
Porovnání akumulační kapacity betonu (2400 kg/m2) vlevo a panelu DuPont Energain vpravo v závislosti
na tloušťce vrstvy materiálu pro teploty 18-24°C (upraveno, zdroj energain.co.uk)
Z obrázku výše vyplývá, že ideálních akumulační vlastností při teplotě 18-24 °C dosahuje beton tloušťky cca 80 mm. Stejné množství energie je možno uložit do panelu DuPont Energain, již při tloušťce panelu cca 10 mm. Z toho lze usoudit, že akumulační schopnosti panelu z PCM jsou v tomto teplotním rozmezí díky látkové přeměně 8x lepší než u betonu.
Podle mého názoru je použití tohoto panelu vhodnější spíše pro interiérové aplikace než pro exteriér. Domnívám se totiž, že je vhodnější plně využít latentního tepla pro interiér, neboť Ti má zásadní vliv na pohodu vnitřního prostředí. V případě aplikace v exteriéru, je vhodnější použít materiály s vyšší teplotou tání. Příkladem špatného použití mohou být např. jarní měsíce, kdy jsou tepelné zisky ze slunečního záření vítané, ovšem při použití těchto panelů dojde k "zablokování" prostupu tepla bez závislosti na Ti (teplota fasády se sníží).
Pro výpočet systémů z materiálu DuPont Energain lze využít dynamického simulačního softwaru CoDyBa* Energain Thermal Mass Builder, který je součástí Tas Building Designeru. Tento software vyhodnocuje úspory energie, redukci CO2 atd. pří použití PCM.
Tento PCM materiál už našel i svoji aplikaci i v České republice a to při výstavbě soukromé vily v Praze. Orientační základní cena materiálu je 1 750 Kč/m2. Materiál DuPont dodala a nainstalovala společnost Kerilit. I díky aplikaci PCM lze označit tuto budovu jako pasivní dům.
 |
 |
 |
Aplikace v pražské vile (zdroj kerilit.cz)
Nosné systémy
Podobně jako použití PCM v exteriérových aplikací je efektivnost použití v nosných systémech ovlivněna tím, že mnohdy nejsou v přímém kontaktu s interiérem, tudíž jejich působení na kvalitu vnitřního prostředí je podstatně menší než v případě obkladů interiéru.
Výrobcem nosných systému s PCM je například chemická společnost BASF, její výrobek H+H Deutschland GmbH's CelBloc Plus® je tradiční betonová tvárnice doplněná příměsí Micronalu. Složení: cement, hliník, vápno, písek, disperze Micronalu.
Betonová tvárnice H+H Deutschland CelBloc Plus® (zdroj micronal.de)
Interiéry a povrchové úpravy
Fakt, že interiérové aplikace jsou zřejmě nejúčinnější aplikací PCM, se odráží v rychlém vývoji. Na materiálech se neustále projevuje snaha výrobců usnadnit práci montážníkům, vylepšit jejich design a prodloužit životnost jednotlivých produktů. Místo jednotlivých prvků nyní vznikají kompatibilní systémy prvků z PCM. Několik let zpět se v interiérech začaly objevovat sáčky s parafínem zavěšené v různých místech interiéru. V současné době jsou materiály s látkovou přeměnou "ukryty" v prvcích jako je sádrokarton, plastové podhledy, nátěry, obklady, žaluzie,...
Již výše zmíněný materiál Micronal® je složen z kapsulovaných formaldehydů, vyrobených z čistého parafínu. Micronal má širokou škálu využitelnosti. Pro materiály, kde jsou kapsle rozptýleny v kapalině se používá Micronal Dispersion. Naopak v pevných stavebních materiálech lze aplikovat Micronal Pulver, tedy prášek. Ukrytí parafinu v kapslích zaručuje delší lifetime výrobku (více cyklů) a zabraňuje vosku se roztékat do okolí.
Micronal lze použít nejen v různých materiálových prostředích, ale i v rozdílných oblastech zájmu. Různé modifikace tohoto produktu od společnosti BASF tají v teplotách od 21 °C po 26 °C v závislosti na místě a potřebném efektu. Např. Micronal DS 5000 aplikovatelný pro snížení extrémní tepelné zátěže taje při 26 °C. Pro ochlazování povrchových systému se využívá prášek DS 5029 s teplotou tání 21 °C.
Společnost BASF spolupracuje na vývoji a produkci s mnoho významnými světovými výrobci stavebních hmot jako je Maxit nebo Caparol.
Další produkty s PCM:
- Maxit clima® - Je to nástřiková omítka od společnosti Maxit Deutschland GmbH.
- Ilkazell Isoliertechnik GmbH's Ilkatherm® Systém - Výrobek, jehož vývoj je odvozený z výroby sendvičových panelů. Umožňuje zabudování vodovodních stropních chladících okruhů přímo do panelu s PCM.
Použití Micronalu, vpravo mikrokapsle o velikosti 2 - 20 μm (zdroj micronal.de)
- Micronal® PCM SmartBoardTM - Na první pohled vypadá jako běžná sádrokartonová deska, obsahuje však příměs Micronalu® vyztužený sítí skelných vláken. Veškerá manipulace odpovídá práci s ostatními sádrokartony. Plošná hmotnost prvku s PCM je dokonce nižší než u běžné sádrokartonové desky (Rigips RF 15 mm- 13.5 kg/m2).
Technické vlastnosti desky SmartBoard t=15 mm (pro typ 23/26):
| Teplota tání | 23 | °C |
|---|---|---|
| Plošná hmotnost | 11.5 | kg/m2 |
| Lat. tepelná kapacita | 330 | kJ/m2 |
| Tepelná vodivost | 0.134 | W/mK |
Akumulační vlastnosti jsou dány především množstvím (kg) PCM na m2 materiálu. Tento sádrokartonový produkt obsahuje cca 3 kg/m2.
Pokud se zabýváme produktem Micronal®, je nutno zmínit se i o českém výrobci stavebních materiálů obsahující právě tento PCM prvek a to společnost UNEGO, která nabízí několik výrobků pod názvem AKU-LATENT PCM. Podle webových stánek UNEGO tato společnost již v ČR dodala svůj produkt minimálně do dvou staveb. Jednou z nich je rodinný dům v Přerově.
Mezi produkty UNEGO patří:
- AKU-LATENT PCM-330 kJ/kg - Jedná se o polykarbonátová desku s náplní Micronalu DS 5001X a DS 5008X. Tato náplň je sypána do komůrek desky z pytlů obsahujících 15 kg Micronalu. Tloušťka desky je 10 mm. 1 m2 desky obsahuje 3 kg PCM, což odpovídá 15 mm desce SmartBoard.
- AKU-LATENT PCM-550 kJ/kg - Třístěnná polykarbonátová komůrková deska tloušťky 16 mm. 1m2 desky obsahuje 5 kg PCM.
Zajímavé je jistě finanční porovnání výrobků českého a zahraničního výrobce, který na svých webových stránkách nabízí firma UNEGO. Pro lepší orientaci do tabulky doplňuji i běžné sádrokartonové desky bez Micronalu:
| Název prvku | Latentní tepelná kapacita* kJ/m2 | Tloušťka (mm) | Cena (Kč/m2) |
|---|---|---|---|
| SmartBoard (SDK) | 330 | 15 | 1800-2200 |
| Maxit Clima 26 (omítka) | 300 | 30 | 1500-1700 |
| AKU-LATENT PCM | 330 | 10 | 800-910 |
| AKU-LATENT PCM | 550 | 16 | 1300-1600 |
| Rigips RF (bez PCM) | 0 | 15 | 110 |
* výrobci tuto hodnotu uvádějí pod pojmem tepelná kapacita, jedná se ovšem pouze
o tepelnou kapacitu během látkové přeměny (rozmezí několika stupňů Celsia)
Výpočet tep. kapacity běžného sádrokartonu:
C = c*ρ*d = 1.060 * 750 * 0.015 = 11.93 kJ/m2K
c - měrná tepelná kapacita (kJ/kg*K)
ρ - objemová hmotnost (kg/m3)
d - tloušťka vrstvy SDK (m)
Jako zástupce výrobků anorganických látek, mezi které patří hydráty solí a jejichž hlavními výhodami jsou vysoké skupenské teplo tání, dobrá tepelná vodivost a nehořlavost, uvádím výrobek značky Dörken.
- DELTA-COOL 24 - Jedná se o výrobek, který se zavěšuje jako stropní podhled například v administrativních budovách. Hydrát soli DC 24 se rozpouští při 22 °C až 28 °C. PCM materiál je zapouzdřen v plastovém obalu o rozměrech 610x610x17 mm. Má vroubkovaný tvar, aby teplosměnná plocha byla co největší a PCM tak rychleji reagoval na změny teplot v interiéru. Objemová hmotnost je výrobcem udávána v rozmezí 1.5 až 1.6 kg/l. Celková hmotnost desky dosahuje 4 kg. Tepelná kapacita se v kapalné fázi pohybuje okolo hodnoty 2.7 kJ/kg*K. V pevném skupenství je tato hodnota nižší - 2.2 kJ/kg*K. Latentní tepelná kapacita je 1 264 kJ/m2 (jedna deska má kapacitu 474 kJ).
Deska Delta-Cool 24 (Deska je vhodná do stropních podhledových modulů.)
Na obrázku níže je naznačeno, jak snadná je manipulace s deskou. Na obrázku vpravo jsou naznačena místa, kde se dá výrobek uchytit k nosné konstrukci. Vzhledem k velkým objemovým změnám náplně PCM je nutné dbát při montáži zvýšené pozornosti, aby nedošlo k porušení pouzdra. Z vlastní zkušenosti vím, jak obtížné je udržet látku v kapalném skupenství uvnitř plastového obalu pokud dojde k jeho porušení a následném zahřátí.
Dřívější aplikace v podobě vyměnitelných sáčků
Úpravy skel
Největší výhodu použití PCM ve dvojitých nebo trojitých zaskleních vidím v tom, že okna nebo jiné prosklené části budov v kontaktu s exteriérem jsou místy, která mají velký vliv na pohodu vnitřního prostředí. Jsou to místa, kudy sluneční záření proniká dovnitř a kde interiér od exteriéru dělí pouhých několik milimetrů. Proto schopnost ovlivnit tepelné zisky a ztráty v těchto místech je pro energetickou náročnost budov klíčová.
O vlivu procenta zasklení budov na potřebu tepla a chladu bylo sepsáno mnoho odborných článků a publikací. Za všechny vybírám jeden demonstrativní graf jižní fasády budovy s lehkou konstrukcí ze studie zpracované společností EkoWATT.
Vliv závislosti procenta zasklení na spotřebu tepla a chladu v MWh a na tepelné ztráty a zisky v kW.
(zdroj Beranovský, Kotek, Vogel)
Její produkt Delta-Cool 28 taje při teplotách 26 °C až 30 °C. Během tání je schopen absorbovat až 1.2 kWh/m2, čímž dokáže snížit teplotu v interiéru během letních extrémů až o 4 až 6 °C.
Materiálové složení je samozřejmě odlišné od interiérových desek. Jde o polykarbonátové obaly hermeticky uzavřené, obsahující směs hydrátů solí.
Základní vlastnosti výrobku Delta-Cool 28:
| Teplota tání | 26 - 30 | °C |
|---|---|---|
| Teplota krystalizace | 26 | °C |
| Latentní teplo | 188 | kJ/kg |
| Hustota | 1.6 / 1.5 | kg/l |
| Tepelná kapacita | 2.7 / 2.2 | kJ/kg*K |
| Tepelná vodivost | 1.12/ 0.56 | W/m*K |
| Max. teplota | 60 | °C |
Pozn. Údaje před lomítkem odpovídají pevnému skupenství za lomítkem kapalnému.
Další společností, která je expertem v dané oblasti a má za sebou již mnoho úspěšných aplikací je švýcarská GLASSX. Její systémy zasklení nabízí čtyři základní funkce:
- Transparentní tepelná izolace
- Ochrana před přehřátím
- Přeměna energie
- Akumulační schopnosti
Produkt GLASSX®crystal, izolační trojsklo, kromě tradičně výborných izolačních vlastností (např. hodnota U=0.48 W/m2K a nepropustnost solární radiace nad 35° úhlové výšky) nabízí klíčový komponent, kterým je tepelný zásobník odpovídající 20 cm betonu. Složení zásobníku je podobné jako u Delta-Cool 28. Skládá se z polykarbonátu a hydrátu soli.
Firma nabízí několik modifikací skel s aplikací PCM- Crystal, Prism, Comfort, Comfort Slim, a Comfort "Store". Jednotlivé druhy se liší uspořádáním jednotlivých skel a jejich vlastnostmi. Velikost zásobníku zůstává konstantní, tzn. kapacita je 1 185 Wh/m2. Pořadí jednotlivých vrstev ovlivňuje propustnost světla, která se pohybuje v rozmezí 0 až 54 % pro stav krystalizace. Pro kapalnou fázi se tato hodnota pohybuje od 5 do 55 %.
 |
 |
 |
 |
GLASSX®crystal. Zleva mikroskopický detail pevného skupenstvi, pevné skupenství reálný pohled,
mikroskopický detail procesu tání a sklo se zásobníkem v kapalném skupenství. (zdroj glassx.ch)
Pro porovnání běžná propustnost světla u jendnokomůrkové polykarbonátové desky je okolo 80 % (Lexan Thermoclear Dripgrad 2RS, tloušťky 6 mm- světelná propustnost 82 %). Propustnost běžného trojskla je 73 %.
Aplikace GLASSX®crystal (zdroj glassx.ch)
Závěr
Tento díl seriálu měl za cíl poukázat na množství výrobků obsahujících PCM. Měl by usnadnit práci např. progresivním projektantům, kteří uvažují o aplikaci těchto látek. Další díl seriálu seznámí čtenáře s výsledky mých laboratorních měření na vzorcích DuPont Energain a Delta Cool 24. Z následujícího článku již budeme moci objektivně posoudit, v čem jsou výhody využití PCM a zda jsou organické sloučeniny s parafínem výhodnější než anorganické.
Použitá literatura:
ZAVORALOVÁ, Pavla. Využití materiálů s fázovou přeměnou (PCM) ve stavebnictví. [s.l.], 2010. 120 s. Diplomová práce. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra technických zařízení budov.
DUPONT : Energain [online]. 2010. USA : 2010 [cit. 2010-10-06]. Dostupné z WWW: <© 2010>.
Kerilit [online]. 2010. 2010 [cit. 2010-10-07]. Energain. Dostupné z WWW.
UNEGO [online]. 2008.Studio Rozumný, 2008 [cit. 2010-10-08]. Akumulační stěna AKU-LATENT PCM. Dostupné z WWW.
DELTA : DELTA® schützt Werte. [online]. 2010 [cit. 2010-10-12]. DELTA-COOL 24. Dostupné z WWW.
DELTA : DELTA® schützt Werte. [online]. 2010 [cit. 2010-10-12]. DELTA-COOL 28. Dostupné z WWW.
GLASSX-GLASSX.CH [online]. Gxc_dok_0105.GlassX AG, 2005 [cit. 2010-10-12]. GLASSXcrystal - das Solarglas, das speichert, wärmt und kühlt. Dostupné z WWW.
This part of the series deals with the products of the PCM, which can be used as building blocks. It is intended for lay readers as well as experts and designers who are considering the use of still not fully in the Czech Republic advanced materials, using much better accumulation properties, particularly in the interval metabolism.