PCM ve stavebnictví Díl 3: Laboratorní ověření vlastností PCM
Článek pojednává o experimentech na vzorcích Energain a DeltaCool 24 z PCM. Materiály byly vystavovány teplotám simulujících průběh letních denních teplot, tak aby došlo k jejich látkové přeměně. Vnitřní a povrchové teploty výrobků z PCM byly porovnávány s tradičními materiály, které se měření také účastnily.
Úvod
Cílem měření bylo porovnat vlastnosti vybraných PCM produktů udávaných výrobci s teplotním chováním v reálné situaci. Pro simulaci interiérového prostředí byla použita klimatická komora v laboratoři Katedry technických zařízení budov K125 na Fakultě stavební, Českého vysokého učení technického v Praze. Pro měření byly vybrány dva PCM výrobky. První vzorek byl zástupcem organických PCM. Jednalo se o produkt od společnosti DuPont. Druhým zkoumaným vzorkem byla stropní deska od společnosti Dörken, Delta-Cool 24, obsahující anorganické látky. Aby byly výsledky dosažené PCM materiály snadno porovnatelné a i pro oko laika snadněji pochopitelné, měření proběhla paralelně i na materiálech, které mají podobné možnosti aplikace jako zmiňované PCM.
Jako zdroj tepla a chladu byly použity pro jednotlivá měření rohože zabudované ve stěnách komory. Snahou bylo nasimulovat průběh teplot v interiéru bez klimatizačního zařízení v letní den, kdy teplota během dne přesahuje hodnoty 26 °C a během noci naopak padá pod 18 °C.
Idealizovaný předpoklad průběhu teploty během dne
Experimenty s vlivem sálání
Látková přeměna u vzorku z parafínu
Vzorek společnosti DuPont, blíže popsaný v předchozím díle seriálu, byl porovnáván se vzorky podobných rozměrů a hmotností. Tuto sadu vzorků nadále označuji jako "Sada vzorků A". Tato sada, reprezentuje vzorky menších rozměrů, s kterými byla snadná manipulace.
Do měření byly zahrnuty tyto materiály:
Materiálové charakteristiky jednotlivých vzorků:
| Označení Vzorku | Název materiálu | Délka | Šířka | Výška | Povrch | Objem | Hmotnost |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| cm | cm | cm | cm2 | cm3 | g | ||
| A1a | Energain | 21 | 14.8 | 0.6 | 664.56 | 186.48 | 185 |
| A2 | SDK | 19 | 11 | 1.1 | 496 | 271.7 | 200 |
| A3 | Dřevo | 20.5 | 16 | 0.8 | 716.04 | 262.4 | 140 |
| A1b | Hliník | 130μm | ≈0 | ≈0 | |||
| Označení vzorku | Názevmateriálu | Obj.hm. | Obj.hm. | Obj.hm. (tab.) | Poznámka | Tepelná vodivost l | |
| g/cm3 | kg/m3 | kg/m3 | W/m*K | ||||
| A1a | Energain | 0.992 | 992.1 | 855 | Pevné /kapalné | 0.18-0.14 | |
| A2 | SDK | 0.736 | 736.1 | 750 | 0.22 | ||
| A3 | Dřevo | 0.534 | 533.5 | 400-600 | Tvrdší, tok kolmo k vl. | 0.49 | |
| A1b | Hliník | 2700 | Pouze po obvodě | 204 | |||
Postup měření s vlivem sálání
Prvně došlo k předchlazení na noční teplotu (pomocí ledničky) a poté zavěšení do klimatické komory (tak aby nedošlo k ovlivnění teploty vzorků sdílením tepla s jiným materiálem). Následné ohřívání a ochlazení komory mělo za následek změnu teploty v měřených prvcích.
Idealizovaný předpoklad průběhu teploty během dne. Červená linie "start" označuje, v jaké fázi dne začaly být vzorky měřeny.
Všechny vzorky byly měřeny pomocí povrchového a vnitřního teplotního čidla. Po předchlazení (i s čidly) byly vzorky nainstalovány do komory a bylo spuštěno vytápění. Jako zdroj tepla byl v komoře použit sálavý zářič o výkonu 1 kW. Právě doba než byla čidla propojena s měřící stanicí Almemo rozhodla o neshodných počátečních teplotách vzorků, při zaznamenávání prvních teplot do paměti měřící stanice. Už to napovídalo o výrazně lepších akumulačních vlastnostech vzorku Energain. Následné ochlazení interiéru proběhlo pomocí rohoží umístěných ve stěnách komory. Pozice vzorků a čidel během experimentu je čitelná z následujících obrázků.
 |
 |
 |
 |
Fotografie zobrazují jednotlivé elementy z měření. Měřící stanice Almemo, vzorky před měřením, snímač vnitřní teploty a vlhkosti, vzorky při měření.
Výsledky měření s vlivem sálání
Výsledky měření prokázaly (jak je patrno z následujících grafů), že fázová přeměna u vzorku Energain opravdu začala při teplotě udávané výrobcem, a to při 18 °C uvnitř vzorku a skončila při teplotě okolo 22 °C. V rozmezí těchto teplot vzorek vykazoval výjimečné akumulační vlastnosti a jeho teplota se pohybovala oproti ostatním vzorkům mnohem častěji v zóně komfortu. Při opačné fázové přeměně, tedy při krystalizaci, vzorek začal měnit skupenství při teplotě 24 °C a krystalizace byla ukončena při teplotě cca 20 °C. Z toho lze vyvodit, že teplotní rozmezí procesu tání a krystalizace nejsou shodné a jsou závislé na rychlosti ohřívání/ochlazování. Tak jako například při DSC analýze, jejíž základní okrajovou podmínkou je rychlost změny teploty udávanou v °C/min.
Výpočet tepelné kapacity jednotlivých vzorků:
Celkový graf zaznamenávající průběh celého měření
Dle vzorce Cvzorek= c*ρ*d *A
| Materiál | c | ρ | d | C | A | Cvzorek | Cvzorek |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| kJ/kg*K | kg/m3 | m | kJ/m2*K | m2 | kJ/K | Wh/K | |
| SDK | 1.06 | 736 | 0.011 | 8.58 | 0.021 | 0.18 | 0.05 |
| Dřevo | 2.51 | 533 | 0.008 | 10.7 | 0.033 | 0.35 | 0.1 |
| Parafin-pevné (bez lat.tepla) | 1.2 | 992 | 0.006 | 7.14 | 0.031 | 0.22 | 0.06 |
Pozn. Vzhledem k nedostatku informaci o měrné tepelné kapacitě Energainu počítám s hodnotou konkurenčního Micronalu.
Latentní tepelná kapacita Energainu je 70 kJ/kg. Hmotnost vzorku je 0.185 kg.
=> Latentní kapacita vzorku Qlat=70*0.185= 12.65 kJ = 3.51 Wh
KdeC měrná tepelná kapacita (kJ/kg*K)
Ρ objemová hmotnost (kg/m3)
D tloušťka vrstvy SDK (m)
A půdorysná plocha vzorku (m2)
Z výpočtu vyplývá, že pro teploty, kdy parafín nemění skupenství, největší potřebu tepla na ohřátí o jeden Kelvin potřebuje vzorek dřeva. Chování SDK a PCM by v těchto teplotách měli být velmi podobné vzhledem k shodným tepelným kapacitám vzorku. K rapidní změně dochází v intervalu, kdy PCM mění skupenství.
Graf zobrazující změnu skupenství pevné -kapalné
Graf zobrazuje průběh teplot uvnitř jednotlivých vzorků. Na hodnotách vzorku Energain je čitelný proces tání. Z grafu je patrné, kdy probíhá změna skupenství a jak se charakteristiky Energainu mění. Bohužel výrobce nikde ve svých technických informačních podkladech neuvádí hodnotu tepelné kapacity pro jednotlivá skupenství, tudíž nelze spočítat rozdíl mezi materiály ani ve fázi předávání citelného tepla. Tento graf taktéž napovídá o tom, že teoretická interpretace procesu látkové přeměny a známý graf, kdy skupenské teplo tání udrží teplotu materiálu konstantní, má od reálné situace daleko. Ke změně rychlosti ohřívání vzorku dochází, ovšem teplota se stále mění.
Po ukončení vytápění, díky němuž se teplota interiéru vyšplhala až k 35 °C, došlo k otevření dveří komory a provětrání prostoru (teplota v místnosti před komorou byla 25 °C).
Teplota dřeva a sádrokartonu začala rychle následovat teplotu interiéru. Po zapnutí chlazení se opět projevily akumulační schopnosti PCM. Teplota uvnitř vzorku z Energainu se v rozmezí mezi 26 až 18 °C udržela 1h 35min. Naopak čidlo uvnitř sádrokartonu zaznamenalo teploty v tomto intervalu pouhých 35 minut, tedy o celou hodinu méně.
Graf zobrazující změnu skupenství kapalné - pevné
Měření s vlivem sálání
Látková přeměna u vzorku z parafínu
Další měření, které proběhlo na sadě vzorků s Energainem, mělo za cíl zjistit vlastnosti materiálů, které nejsou vystaveny žádnému sálavému zdroji tepla. Proto byla sada položena do izolační roury z reflexního materiálu a jako zdroj tepla a chladu byly použity pouze rohože zabudované ve stěnách klimatické komory. Tentokrát byl zvolen obrácený postup, tedy simulace, která začíná večerním ochlazováním.
Vzorky byly před pokusem ponechány několik hodin v konstantní teplotě nad 25 °C tak, aby teplota vzorku obsahující Energain byla výše než je interval, kdy mění skupenství. Teplota vzorků na začátku měření byla pro všechny vzorky shodná, a to 25 °C. Vzorek PCM byl v kapalném skupenství.
 |
 |
Pozice vzorků v reflexní rouře zabraňující vlivu sálání
Výsledky a vyhodnocení
Výsledky měření s omezeným vlivem sálavé složky ještě zřetelněji poukazují na výborné vlastnosti produktu DuPont Energain. V prvním grafu (níže, teplota uvnitř PCM je znázorněna zelenou barvou) vykazuje tento materiál na první pohled výrazně lepší akumulační vlastnosti než dřevěný a sádrokartonový vzorek. Toto tvrzení je ovšem platné pouze v teplotách do 30 °C. Poté, co PCM kompletně ukončí změnu skupenství, vykazuje podobné chování jako SDK a dřevo.
Celkový graf zaznamenávající průběh celého měření
Graf zobrazující změnu skupenství pevné - kapalné
Graf zobrazující změnu skupenství kapalné - pevné
Výpočet potřeby energie k ochlazení vzorků v teplotním rozmezí 24-18 °C:
Pro PCM-DuPont Energain:
Pro látky bez změny skupenství-SDK, dřevo:
Vlastnosti pro teplotní rozmezí 24-18 °C:
| Materiál | m (kg) | cp (kJ/kg*K) | lt (kJ/kg) | Qcitelné (kJ) | Qlatentní (kJ) | Qcelkové (kJ) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SDK | 0.2 | 1.06 | 0 | 1.275 | 0 | 1.275 |
| Dřevo | 0.14 | 2.51 | 0 | 2.108 | 0 | 2.108 |
| DuPont Energain | 0.185 | 1.2/2.75 | 70 | 1.33 | 12.95 | 14.28/16 |
Pozn. Pro DuPont uvažuji cp shodnou pro pevné i kapalné skupenství, tučně jsou zvýrazněny opravené hodnoty.
Z podkladů výrobce víme, že v teplotním rozmezí 18-24 °C jeden m2 desky DuPont je schopen naakumulovat 515 kJ. Z toho plyne, že pokud měřený vzorek má plochu 0.031m2 měl by proporcionálně naakumulovat teplo o hodnotě 16 kJ. Z toho plyne, že uvažovaná cp byla pravděpodobně příliš nízká. Pro kapalné a pevné skupenství dosahuje hodnota měrné tepelné kapacity průměrné hodnoty 2.75 kJ/kg*K.
Z tohoto výpočtu vyplývá, že pro ochlazení vzorku z PCM je potřeba zhruba 7.6krát více energie, než je tomu u vzorku dřeva a více než 12.5krát více energie oproti vzorku sádrokartonu.
Výsledky experimentů výrobce DuPont
Společnost DuPont ve spolupráci s EDF (Electricite de France) uskutečnila experiment nazvaný Real Life Experiment. Cílem tohoto experimentu bylo ověřit účinky produktu DuPont Energain během všech ročních období v reálném objektu nedaleko Paříže. Pokus se uskutečnil na domku, který byl rozdělen do tří zón. První zóna obsahovala skladbu bez DuPont Energain, druhá zóna měla shodné složení, ale jako finální vrstva byl použit obklad z tohoto PCM. Třetí vrstva tzv. Bufferzone, tedy nárazníková zóna, oddělovala prvně zmiňované měřené zóny, aby nedošlo k ovlivnění výsledků.
 |
 |
Pokus společnosti DuPont-rozdělení zón a instalace kulových teploměrů (zdroj kerilit.cz)
Místnost, kde byl nainstalován PCM, měla objem 68 m3. V obou místnostech bylo pro měření výsledné teploty využito kulových teploměrů zohledňujících teplotu vzduchu i sálání okolních povrchů a několik dalších analytických přístrojů.
Tepelný odpor obalových konstrukcí podkroví byl R=5 m2K/W. Pro správnou funkci PCM je vždy nutno provést tzv. "recharge", tzn. vrátit prvek z kapalného do pevného skupenství (nebo naopak v zimě). Proto pro správnou aplikaci PCM hraje výraznou roli noční ventilace. Pro tento pokus byla zvolena 2.4násobná výměna vzduchu za hodinu během noci. Během dne v letním období a v zimě po celých 24 hodin byla výměna vzduchu n=0.5 (h-1).
Část výsledků z pokusu společnosti DuPont (zdroj energain.co.uk, kerilit.cz)
Během testu byla měřena potřeba energie na vytápění v obou zónách. V období mezi 15. 12. 2006 a 14. 4. 2007 byla potřeba v místnosti bez Energainu 603 kWh a s Energainem 557 kWh. Rozdíl byl tedy 7.7 %. Pokud chceme vyjádřit porovnání nákladů na vytápění pro jednotlivé zóny (pouze pro silovou elektřinu bez poplatku za jističe apod. běžná cena 1 kWh = 3 Kč) rozdíl za zimní období je pouhých 138 Kč (udávaný objem místnosti odpovídá rozměrům 5x4x3.4 m). Výsledky tohoto testu ukázaly, že tento materiál má pro úsporu energie největší potenciál v podzimních a jarních měsících. Během měsíce ledna dosahovala úspora energie pouhé 2.4 %.
Látková přeměna u podhledové desky z hydrátu solí
Další měření, která mělo za cíl seznámit se více s reakcemi PCM na změnu teploty v interiéru, proběhlo na stropním prvku společnosti Dörken. Stejně jak tomu bylo u měření na vzorcích parafínu, v klimatické komoře nebyl měřen pouze PCM vzorek, ale i několik dalších běžně dostupných materiálů. Mezi ně patří tvárnice autoklávového pórobetonu značky Ytong, betonová tvárnice a voda. Ohřev a chlazení komory proběhla pouze pomocí rohoží ve stěnách a stropech klimatické komory.
Materiálové charakteristiky jednotlivých vzorků:
| Označení vzorku | Název materiálu | Délka | Šířka | Výška | Povrch | Objem | Hmotn. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| cm | cm | cm | cm2 | cm3 | g | ||
| B1a | DC 24 | 60.6 | 60.6 | 1.3 | 11489.76 | 1967.7 | 3000 |
| B2 | Voda | 49 | 34 | 1.8 | 3630.8 | 2998.8 | 3000 |
| B3 | Ytong | 49 | 24.5 | 4.9 | 3121.3 | 5882.4 | 3200 |
| B4 | Beton | 35 | 21 | 4 | 1918 | 2940 | 5300 |
| B1b | Plast | 61 | 61 | 1.7 | 11785.2 | 235.7 | 250 |
| Označení vzorku | Název materiálu | Obj..hm. | Obj.hm. | Obj.hm. (tab.) | Poznámka | Tepelná vodivost l | |
| g/cm3 | kg/m3 | kg/m3 | W/m*K | ||||
| B1a | DC 24 | 1.525 | 1524.6 | 1500 | pev./kap. | 1.12/0.56 | |
| B2 | Voda | 1.000 | 1000.4 | 1000 | 20°C | 0.56 | |
| B3 | Ytong | 0.544 | 544.0 | 560 | 0.09 | ||
| B4 | Beton | 1.802 | 1802 | ≈2100 | 1.23 | ||
| B1b | Plast | 1.061 | 1060.7 | 1200 | 0.2 | ||
Výsledky a vyhodnocení
Vzorek Delta-Cool 24 byl měřen několikrát a mnoha způsoby. V tomto článku prezentuji pouze výsledky měření, kde byl částečně omezen vliv sálavé složky. Vzorky byly umístěny do shodné výšky nad podlahou. Nad nimi byl nainstalován reflexní materiál (alobal) zabraňující nerovnoměrnému zahřívání vzorků vlivem sálání z aktivovaného stropního vytápění/chlazení. Jak je zřetelné z obrázku níže, během tohoto pokusu byly měřeny i menší vzorky, mezi kterými byl i DuPont Energain. To umožňuje přímou konfrontaci obou materiálů PCM.
 |
 |
Uspořádání pro měření sady vzorků bez vlivu radiace
Před samotným měřením byly vzorky ponechány 12 h ve shodném prostředí, aby teplota na začátku měření byla pro všechny vzorky shodná.
Celkový graf zaznamenávající průběh celého měření
Graf zobrazující změnu skupenství kapalné - pevné
Graf zobrazuje krystalizaci vzorku PCM. Teploty uvnitř jednotlivých vzorků jsou velmi podobné (rozdíl do 0.5 °C). Rozdílné teplotní chování zaznamenává PCM během látkové přeměny, kdy dochází k lehkému zvlnění křivky.
Graf zobrazující změnu skupenství pevné - kapalné
Z grafu zobrazujícího tání vzorku se mi jeví, že začátek procesu tání PCM začal poněkud pozdě, a to za teploty vzorku okolo 27 °C. Změna skupenství je dobře patrná i z grafu zobrazujícího celého měření. V době, kdy začalo tání PCM, byla teplota interiéru už na 34,7 °C. Rychlost ohřívání testovací komory odpovídala situaci, která jistě může nastat i v reálné situaci (největší akcelerace je mezi 32 °C a 35°C, tedy rozdíl 3 °C během jedné hodiny).
Akumulační vlastnosti vody jsou kromě doby tání PCM lepší než u DC 24. Proto nelze hodnotit výsledky mého měření tohoto materiálu jinak než jako zklamání z dosažených výsledků PCM. Vzhledem k cenovým relacím v jakých lze tento prvek pořídit si nemyslím, že ekonomická návratnost tohoto výrobku je v současné době únosná.
Vlastnosti zástupců akumulátorů citelného tepla a PCM desky DC 24:
| Materiál | cpkJ/kg*K | ρ kg/m3 |
|---|---|---|
| Beton | 1.02 | 1 802 |
| Ytong | 1.0 | 544 |
| DC 24 pevný | 2.7 | 1 524 |
| DC 24 kapalný | 2.2 |
Pro porovnání uvádím i celkový graf obou měřených PCM materiálů. Je však nutné upozornit na to, že výsledky nejsou vzhledem k velikosti vzorku porovnatelné (vzorek DuPont Energain obsahuje pouhých 185g parafínu a deska Delta-Cool 24 obsahuje 3kg hydrátu solí).
Graf porovnávající oba měřené PCM materiály
Závěr
Kromě laboratorních měření, jejichž výsledky jsou prezentovány v dnešním (třetím díle seriálu), jsem se během mé diplomové práce zabývala také analýzou nejlepšího využití PCM v administrativní budově pomocí výpočetních programů. Kalkulace byla provedena pro rozdílné skladby, procento zasklení, nosné systémy atd. Tyto faktory, které výrazně ovlivňují celkovou akumulaci tepla v dané budově, jsou měřítkem, které rozhoduje o použití či nepoužití PCM.
Obecně lze analýzu vyhodnotit tak, že PCM má své největší uplatnění v budovách s nízkou akumulační kapacitou a vysokým procentem zasklení, které zásadně ovlivňuje rychlost změn teploty v interiéru. Dalším významným bodem pro využití PCM je také vyhodnocení lokace stavby, především z pohledu klimatické oblasti. V ČR dochází k největším úsporám energie během jara a podzimu, a to z důvodu rychlých změn teplot exteriéru.Teploty během dne stoupají a klesají nad/pod teplotu tání PCM. Tím je zabezpečeno kompletní vybití/nabití PCM (látkový změna). V oblastech s jinými klimatickými podmínkami (např. v Řecku) je úspora energie pomocí PCM výrazně vyšší (až pětinásobně).
Další díl seriálu se bude zabývat podle mého názoru ještě zajímavějším tématem, a to využitím PCM v oblasti TZB. Vzhledem k faktu, že v různých odvětvích TZB se vyskytují rozdílné teploty, je i použití PCM mnohem variabilnější.
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
EnergiForumDanmark [online]. 2008 [cit. 2010-11-04]. PhaseChangeMaterial-Micronal. Dostupné z WWW.
DuPont GlobalWebsite : DuPont Energain [online]. Copyright © 2010. Luxembourg : 2010 [cit. 2010-10-14]. Real life experiment. Dostupné z WWW
The paper deals with experiments on samples Energain DeltaCool and 24 of the PCM. Materials were exposed to temperatures simulating daily temperatures during the summer, so in order for their metabolism. Internal and surface temperatures of PCM products were compared with traditional materials, which also participated in the measurements.