Analýza vlivu zabudovaných materiálů PCM do lehkých stavebních konstrukcí
Tento dokument je zaměřen na používání materiálů s fázovou změnou (PCM) v lehkých stavebních konstrukcích. Popisuje, jak se tyto materiály chovají v průběhu celého roku, jaký mají vliv na teplotní stabilitu místnosti v letním období a jak reagují v přechodném a v topném období.
Úvod
Praktické ověření účinnosti materiálů s fázovou změnou bylo provedeno na experimentálním objektu. Z důvodu potřeby komparace výsledků, bylo použito modelu dvou identických místností. Takto konstruovaný experimentální objekt umožňuje deklarovat základní chování materiálů s fázovou změnou a jejich vliv na tepelnou stabilitu místnosti. Jedná se o podkrovní místnosti půdního prostoru (obr. 1). V tabulce (tab. 1) jsou uvedeny základní geometrické a stavebně fyzikální vlastnosti místnosti.
Obr. 1
| Přehled základních vlastností místností | |
|---|---|
| Součinitel prostupu tepla obalových konstrukcí U | 0,20 W‧m−2‧K−1 |
| Součinitel prostupu tepla střešního okna Uw | 1,6 W‧m−2‧K−1 |
| Počet instalovaných panelů v experimentální místnosti | 240 ks |
| Hmotnost náplně PCM v jednom panelu | 1125 g |
| Hmotnost hliníkového panelu | 370 g |
| Tepelná kapacita PCM v jednom panelu | 150 kJ |
Měřicí a regulační technika
Experimentální a referenční místnost jsou z důvodu komparace výsledků osazeny několika druhy čidel. Pro sběr klimatických byla na střeše Ústavu pozemního stavitelství instalována meteorologická stanice HUGER. Ukládání měřených hodnot probíhalo v 15minutových intervalech. Byly zaznamenávány průměrné hodnoty z jednotlivých časových úseků. Pro měření s ústřednou Almemo AHLBORN, byla využita čidla pro měření povrchových teplot, teploty vzduchu, globální teplotu, globální sluneční záření. Systém řízeného větrání umožňuje dva způsoby přívodu čerstvého a odvodu odpadního vzduchu. V první variantě je čerstvý vzduch přiváděn přes podstropní textilní vyústku, odvod odpadního vzduchu je řešen přes lamelové vyústky nad podlahou v rozích místnosti. Druhá varianta je křížová, tzn. přívod vzduchu je lamelovou vyústkou nad podlahou a odvod je zajištěn podstropními vyústkami.
Komparace referenční a experimentální místnosti bez zatížení
Ověření totožných vlastností obou místností proběhlo srovnávacím měřením v letním období roku 2008. Měření byla využita ke kontrole osazení čidel a maximální teplotní odchylky mezi experimentální a referenční místností. Tyto hodnoty se pohybovaly do 0,7 °C, průměrná odchylka byla 0,3 °C. Na základě analýzy naměřených dat došlo k úpravě poloh termočlánkových čidel teploty vnitřního vzduchu. Experimentální místnost byla poté značena jako způsobilá pro experimentální ověření účinnosti PCM.
Teploty vzduchu v interiéru θai a exteriéru θae v období srpen 2008.
Obr. 2 Pohled do experimentální místnosti
Měření v období s přirozeným větráním
První experimentální ověření vlivu materiálu PCM na vnitřní prostředí proběhlo s přirozeným větráním. Panely s PCM byly instalovány na vnitřní povrchy stěn a stropu (obr. 2). Přirozené větrání bylo zajištěno pootevřeným okenním křídlem do polohy ventilace. Z důvodu zvýšení efektu provětrání prostoru nebyly u vstupních dveří umístěny prahy. Měření s přirozenou výměnou bylo zvoleno z důvodu minimalizace spotřeby elektrické energie pro nucené větrání.
Měření v letním období
V letních měsících bylo úkolem prokázat účinnost akumulace latentního tepla do akumulačních panelů PCM ve formě hliníkových panelů plněných směsí DELTA®COOL 24. Akumulace tepla při fázové přeměně byla prezentována na týdenních i denních průbězích teplot. V letních měsících bylo hlavním úkolem prokázat účinnost akumulace latentního tepla do akumulačních panelů PCM. První měření na experimentálním objektu začala na konci srpna 2008. V rámci konce letní sezóny se podařilo provést pouze jedno kontinuální experimentální měření s klimatickými podmínkami prezentujícími horké letní klima. Toto měření proběhlo v termínu 29. 8. až 5. 9. Přehled maximálních teplot vzduchu v interiéru místností z monitorovaného letního období je uveden v tabulce 5. Rozdíly denních maximálních teplot se pohybovaly od 1,2 až do 4,1 °C. V nočních hodinách byl rozdíl teplot v rozmezí 0,4 °C až 1,0 °C. Experimentální místnost s instalovaným PCM vykazovala vyšší tepelnou stabilitu. V průběhu monitorovaného letního týdne nedocházelo k vyšším rozdílům maximální denní teploty vzduchu v interiéru θ*ai,max. Maximální teploty vzduchu se pohybovaly po celou dobu okolo hodnoty θ*ai,max = 26 °C [1]. Jak je z grafu patrno, díky vyšší tepelně akumulační kapacitě obalových konstrukcí PCM v experimentální místnosti došlo ke snížení nejvyšší teploty vzduchu v experimentální místnosti ve srovnání s teplotou vzduchu v referenční místnosti. Vyšší teplota vzduchu v nočních hodinách v experimentální místnosti je způsobena vybíjením tepelné energie naakumulované v materiálu PCM.
Průběhy teplot vnitřního a exteriérového vzduchu v průběhu horkého letního týdne [1].
Přechodné období
Přechodné období se vyznačuje teplotami vzduchu v exteriéru nižšími než hodnoty teplot umožňující fázovou změnu z pevné látky na kapalinu. Analýzou získaných dat bylo zjištěno, že materiály PCM mají pozitivní vliv na tepelnou setrvačnost místnosti. Toto se projevuje dlouhodobě vyšší teplotou vzduchu v interiéru θai. Po dobu čtyř dní byla teplota vzduchu v interiéru θai chladnoucí experimentální místnosti o 2 °C vyšší než identické referenční místnosti.
Topné období
Experiment monitorování vlivu PCM na parametry vnitřního prostředí v topném období probíhal s topnými tělesy nastavenými na maximální výkon. Experiment měl demonstrovat chování materiálů PCM při odlišných parametrech fázové přeměny (fázová přeměna okolo 20 °C). Na přívodu elektrické energie byly instalovány digitální spínací hodiny spolu s měřičem spotřeby elektrické energie. Byla provedena měření s přerušovaným způsobem vytápění. Vytápění řízena pouze termostaty topných těles. Ohřev vzduchu interiéru byl zajištěn elektrickými přímotopy o výkonu 750 W. Jestliže v topném období dochází v materiálu PCM k opakovanému procesu fázové přeměny, dochází i zde k redukci teplotních amplitud vzduchu v interiéru. Při použití elektrických konvektorů pro ohřev vzduchu v místnosti došlo k jevu, kdy instalované materiály PCM velmi aktivně akumulovaly teplo distribuované z topných těles. V experimentální místnosti tak nárůst teploty vzduchu v interiéru a teploty vzduchu na výstupu z topného tělesa neměl tak strmý průběh jako v místnosti referenční.
Teploty vzduchu v interiéru θai při maximálním výkonu topných těles.
Jakým způsobem se podílí materiály PCM na energetické spotřebě systému vytápění, bylo sledováno v únoru 2009. Vytápění bylo řízeno bimetalovými termostaty, které jsou součástí topných těles. Termostaty byly v obou místnostech nastaveny na stupeň 6 (teplota 27 °C). Spotřeba elektrické energie za sledované období jednoho týdne byla u referenční místnosti 118,6 kWh u místnosti experimentální 127,4 kWh. Rozdíl 8,8 kWh za sledované období byl způsoben spotřebou akumulačních desek k fázové přeměně materiálu PCM na počátku měření. Od třetího dne již jednotlivé denní odečty spotřeby energie byly identické. Na konci otopné sezóny byla tato energie vrácena zpět do prostředí sáláním při inverzní fázové přeměně obdobně jako na začátku přechodného období.
Závěry experimentální metody
Experimentální metoda umožnila podrobně popsat chování materiálů s fázovou změnou instalovaných do stavebních konstrukcí v průběhu celého klimatického roku. Srovnávací měření potvrdila možnost provádět komparativní měření na experimentálním objektu s využitím referenční a experimentální místnosti. V letním období byla úspěšně prokázána účinnost akumulace latentního tepla do výše zmíněných materiálů. Při použití materiálů PCM byla prokazatelně splněna podmínka na maximální denní teplotu v místnosti. V přechodném období podzimu experimentální místnost vykazovala vyšší tepelnou stabilitu. Po dobu čtyř dnů byla teplota vzduchu v experimentální místnosti vyšší přibližně o 2 °C než v místnosti referenční. Měření parametrů vnitřního prostředí v zimním období prokázala identickou spotřebu elektrické energie na vytápění bez rozdílu místnosti. Lze tedy konstatovat, že materiály PCM nemají negativní vliv na spotřebu energie na vytápění.
Vliv materiálů s fázovou změnou na vnitřní prostředí budov v průběhu klimatického roku
Na základě provedených měření v průběhu let 2008 až 2009 je možno konstatovat, že:
- v letním období experimentální místnost s instalovaným PCM vykazovala vyšší tepelnou stabilitu. Rozdíly denních maximálních teplot se pohybovaly od 1,2 °C až do 4,1 °C. V nočních hodinách byl rozdíl teplot v rozmezí 0,4 °C až 1,0 °C. Maximální teploty vzduchu v experimentální místnosti se pohybovaly po celou dobu okolo hodnoty θ*ai,max = 26 °C. V referenční místnosti se maximální denní teploty pohybovaly ve shodném období v intervalu 25 °C až 30 °C,
- v přechodném období bylo zjištěno, že materiály PCM mají pozitivní vliv na tepelnou setrvačnost místnosti. Toto se projevuje dlouhodobě vyšší teplotou vzduchu v interiéru θai. Po dobu čtyř dní byla teplota vzduchu v interiéru θai chladnoucí experimentální místnosti o 2 °C vyšší než identické referenční místnosti.
- v topném (zimním) období se při běžném způsobu vytápění materiály podílí na akumulaci pouze citelného tepla. Nedosahuje-li teplota vzduchu v interiéru teploty fázové přeměny, nedochází k akumulaci latentního tepla. Jestliže je teplota fázové přeměny nižší než teplota vzduchu v interiéru, dochází k akumulaci latentního i citelného tepla. Tento jev však nemá negativní vliv na celkovou spotřebu energie na vytápění.
Sestavení rámcového metodického postupu návrhu aplikace materiálů s fázovou změnou v budovách
Na základě poznatků při měřeních s aplikovanými materiály ve stavebních konstrukcích byl sestaven základní metodický postup návrhu aplikace PCM. Ve výpočtech musí být uvažováno s předpokládanými zdroji tepla a chladu, s programem výměny vzduchu v místnosti a se způsobem stínění otvorových výplní dle předpokládaného užívání. Rámcový postup a výsledky z numerických modelů budou uvedeny v některém z dalších příspěvků zabývajících se materiály s fázovou změnou.
Literatura
- [1] OSTRÝ, M., BEČKOVSKÝ, D. Influence of Panels with Phase Change Materials on the Thermal Stability of Attic Spaces, příspěvek na konferenci 8th IIR Conference on Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning, Karlsruhe: International Institute of Refrigeration, 2009, p. 163–169. ISBN 978-2-913149-69-4.
- [2] ČSN 73 0540-2. Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky, Praha: Český normalizační institut, 2007
Téma článku považuji v současnosti za aktuální z hlediska energetických úspor i přínosu pro zajištění tepelné pohody ve vnitřním prostředí zejména podkrovních místností. Důvodem je stále vzrůstající počet rekonstruovaných či nově budovaných obytných podkrovních místností, pro jejichž navrhování je tato práce a její téma vysoce přínosné.
Z hlediska výpočtů podmínek vnitřního klimatu v zimním období lze tyto prostory dostatečně dimenzovat na požadovanou úroveň tepelných ztrát. Z hlediska letního období a tepelné pohody, zejména pak z hlediska teplotního útlumu a fázového posunutí, většina těchto prostorů nevyhovuje nebo se skutečné uživatelské podmínky značně odlišují od vypočtených hodnot nebo pro jejich naplnění vyžadují stavebně i nákladově náročná konstrukční řešení.
Systémy a materiály s fázovou změnou jsou v našich podmínkách málo známé jak technické veřejnosti, tak i investorům. A již prakticky vůbec nejsou uvažovány jako výpočtové, konstrukční či realizační možnosti.
Ing. Vladimír Tichomirov, CSc.
This paper deals with the impact of using phase change materials (PCM) in light building constructions. It describes how these materials react during the whole year, how they impact the summer temperature stability of a room and how they react in the transtition period and in the heating period. Measuring was carried out in the experimental and reference room in the attic of the Institute of Building Structures. The layout of these identical rooms enables to compare the measured values. The measuring of the indoor climate which had been carried out during the whole year in the reference and experimental room was analysed. The analysis was used to create the basic methodological procedure for using PCM in light building constructions. These materials proved to be efficient in the summer time. During the heating period the power consumption was monitored in relation to the application of the phase change materials.