Materiały fazowo zmienne Kompozyty cementowo styropianowetrucinska.zut.edu.pl/...TOB_S1_N1/...10-11-2015_-6.pdfbudownictwie” Spotkanie konferencyjne w restauracji Secesja Cafe,

2016-05-22

1

Opracowała: Dr inż. Teresa Rucińska

http://www.pcmproducts.net

Przyczyny zainteresowania źródłami energii takimi jak np.

energia słoneczna, to min.:

wysokie koszty pozyskiwania energii ,

wyczerpywanie się tradycyjnych surowców energetycznych,

bezpieczeństwo związane z funkcjonowaniem elektrowni

jądrowych (taniego źródła energii), które nabiera

szczególnego znaczenia po ostatnich wydarzeniach w Japonii

11 marca 2011r.

Materiały zmienne fazowo

11 marca 2011 fala tsunami zalała elektrownię jądrową Fukushima Daiichi w Japonii. Po katastrofie w Czarnobylu, jest to najgorsza jądrowa katastrofa naszych czasów. Ponad 300 tys. osób ewakuowano, a ogromne połacie ziemi wyłączono z użytku na najbliższe dziesięciolecia.

https://www.google.pl

Czarnobyl – 26.04. 1986 http://pl.wikipedia.org/wiki


Do najważniejszych czynników wpływających na ilość energii

niezbędną do utrzymania w pomieszczeniach wymaganych

warunków termicznych należą:

warunki klimatyczne w danym regionie (temperatura

otoczenia, szybkość wiatru, nasłonecznienie),

struktura budynku i właściwości termofizyczne

materiałów konstrukcyjnych (grubość ścian, ich

właściwości izolacyjne, powierzchnia okien)


źródła ciepła (oświetlenie, urządzenia elektryczne, liczba

pracujących osób),

krotność wymiany powietrza,

rodzaj instalacji ogrzewania/klimatyzacji.

Przykładowe roczne przebiegi temperatury otoczenia oraz

wewnątrz pomieszczenia bez zainstalowanych urządzeń

ogrzewania/klimatyzacji pokazano na wykresie.

Materiały zmienne fazowo Linia czarna pokazuje temperatury w pomieszczeniu wykonanym z betonu o przewodności cieplnej λ=0,5W/(m·K) oraz pojemności cieplnej ρcp=1,4 MJ/(m3·K).

Przykładowy, roczny przebieg temperatury otoczenia oraz w pomieszczeniach wykonanych

z materiałów o różnych właściwościach cieplnych

[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]

Linia żółta pokazuje zmiany temperatury w pomieszczeniu, które zostało zaizolowane (zastosowano izolację o przewodności cieplnej λ=0,05W/(m·K)) oraz wykorzystano materiał konstrukcyjny (hipotetyczny) o dużej pojemności cieplnej – ρcp=100MJ/(m3·K)

W wyniku takich zabiegów temperatura wewnętrzna mieści się w zakresie komfortu cieplnego mimo dużych zmian w otoczeniu.


2016-05-22

2

Współczesne technologie wznoszenia budynków, szczególnie

budynków biurowych, bazują na lekkich materiałach, które

spełniają wymogi izolacji cieplnej, ale charakteryzują się bardzo

małą pojemność cieplną.

Efektywne zwiększenie pojemności (bezwładności) cieplnej

budynku, bez znaczącego zwiększania jego masy, jest możliwe

m.in. przez zastosowanie tzw. materiałów fazowo zmiennych

(ang. Phase Phange Materials, PCM).


Materiały fazowo zmienne (PCM) charakteryzuje duża

pojemność cieplna, będąca wynikiem przemiany fazowej

(topnienie-tężenie) zachodzącej w zakresie zmian temperatury

w pomieszczeniu:

w trakcie tężenia uwalniana jest energia krystalizacji –

„efekt podwyższenia temperatury”,

w trakcie topnienia – przemiana ze stanu stałego w ciecz,

taka sama ilość energii jest absorbowana z bezpośredniego

otoczenia – efekt „obniżenia temperatury”.


Proces przemian fazowych ciało stałe-ciecz


Wykorzystanie materiałów fazowo zmiennych w celu

podwyższenia pojemności cieplnej materiałów

budowlanych jest uzasadnione tylko w umiarkowanej

strefie klimatycznej, gdzie temperatury otoczenia są

zarówno wyraźnie wyższe jak i wyraźnie niższe od

temperatur określających komfort cieplny (także w cyklu

dobowym w okresie letnim).


Materiały fazowo zmienne wykazują przydatność, gdy

podlegają cyklicznej przemianie fazowej – wtedy występuje

zjawisko pochłaniania i uwalniania ciepła przemiany

fazowej.

Przemiany te powinny być wymuszane przez czynniki

naturalne, tzn.:

wysoka temperatura w ciągu dnia powoduje topnienie materiału,

niska temperatura w nocy ułatwia odbiór ciepła i tężenie materiału.


W tablicy zestawiono wartości pojemności cieplnej wody, wybranych materiałów budowlanych oraz jednego z materiałów PCM, który jest rozważany do zastosowań w budownictwie.

W przypadku materiału PCM podane wartości ciepła właściwego są wartościami efektywnymi, uwzględniającymi ciepło przemiany fazowej.

Widać wyraźną różnicę pojemności cieplnej nawet w odniesieniu do wody.

Materiał Gęstość

[kg/m3]

Ciepło właściwe

[kJ/(kg·K]

Pojemność

cieplna [MJ/(m3·K]

Woda 1000 4,2 4,2

Beton 2300 1,0 2,3

Stal 7800 0,47 3,67

Płyta gipsowa

1400 0,84 1,18

Cegła 1600 0,84 1,34

Drewno 800 1,6 0,96

PCM 870-1000 18 15,7-18

Porównania pojemności cieplnej różnych materiałów [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]

(PCM – mieszanina kwasów tłuszczowych, temperatura topnienia 22ºC, pojemność cieplna – efektywne ciepło

właściwe – w zakresie temp. 18–28ºC


2016-05-22

3

Do materiałów fazowo

zmiennych można zaliczyć

związki:

organiczne, jak np. nasycone

kwasy tłuszczowe, poliglikole,

oleje, woski, parafiny.

Charakteryzują się one długim łańcuchem cząsteczek

polimerów węgla i wodoru, których krystalizacja zachodzi

najczęściej powyżej 0°C (32°F).


nieorganiczne, jak np. różnego rodzaju hydraty soli, które

podczas procesu tężenia (krystalizacji) mają tendencję do

zmiany fazy powyżej 0°C (32°F).

Charakteryzują się one bardzo wysokim ciepłem topnienia

(znacznie powyżej 200 kJ/kg) oraz wąskim zakresem

temperatury przemiany fazowej – pochłaniają i uwalniają

ciepło przemiany fazowej przy niewielkich zmianach

temperatury, rzędu 2–3 stopni. Wykazują także wyższą (w

stosunku do organicznych) przewodnością cieplną i są niepalne.


Grupy materiałowe wykorzystywane do badań, jako PCM; Źródło: ZAE Bayern Rucińska T., Adamczuk M., Wpływ materiału zmiennego fazowo na właściwości

wytrzymałościowe i cieplne gipsowej gładzi polimerowej; Izolacje nr 2/2016, s. 50-55


Kryteria wyboru odpowiednich materiałów PCM:

temperatura przejścia fazowego, ciepło utajone syntezy, przewodność cieplna,

separacja faz, ciśnienie pary, zmiana objętości, gęstość,

wzrost kryształów,

stabilność chemiczna, bezpieczeństwo,

dostępność, opłacalność.

Najważniejszym czynnikiem jest stabilność właściwości termicznych w kolejnych cyklach grzania/chłodzenia.


Materiały fazowo zmienne PCM wkomponowane w konstrukcję

budynku, pełnią role akumulatora ciepła.

Podobnie jak w innych systemach energetycznych, człon akumulacji

ciepła w budynku pozwala na uzyskanie takich efektów, jak:

zmniejszenie szczytowego zapotrzebowania na energię

(spłaszczenie charakterystyki dobowego zapotrzebowania; ang.

peak shaving), efekty ekonomiczne uzyskuje się przez zmniejszenie

zarówno kosztów inwestycyjnych, jak i kosztów eksploatacyjnych

(wykorzystuje się tanią energię pobieraną w nocy),


efektywne wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych,

szczególnie energii promieniowania słonecznego, ale również

energii geotermalnej;

a) b) Materiały PCM w ścianach budynku pełniące rolę akumulatora energii

promieniowania słonecznego a) wnikającego do wnętrza,

b) padającego na powierzchnię zewnętrzną przez izolację transparentną [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]


2016-05-22

4

Materiały PCM zwiększające pojemność cieplną ogrzewanej podłogi, a) wykorzystanie energii promieniowania słonecznego pozyskiwanej w kolektorach, b) wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych z pompą ciepła (PC) zasilaną tanią

energią elektryczną (w porze nocnej); [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]

stabilizacja temperatury w pomieszczeniu w warunkach zmiennych obciążeń cieplnych (w czasie działania intensywnych źródeł ciepła),


efektywne wykorzystanie naturalnych warunków klimatycznych –

niskiej temperatury w porze nocnej do wychłodzenia pomieszczeń

(ang. free cooling, night ventilation);

Materiały PCM w ścianach budynku absorbujące ciepło wydzielane np. przez urządzenia biurowe; ciepło to w porze nocnej jest usuwane do otoczenia w

wyniku intensywnej wentylacji pomieszczeń; [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]

intensywna wentylacja pomieszczeń


Materiały fazowo zmienne można wykorzystać w celu

modyfikacji kompozytów:

gipsowych,

cementowych,

ceramicznych.


Do trudności, jakie mogą się pojawić w przypadku

stosowania materiałów organicznych można zaliczyć

fakt, że są one:

mniej odporne na proces starzenia,

w przypadku łączenia z betonem mogą wchodzić w

reakcje z produktami hydratacji.


Na rysunku pokazano wyniki badania wpływu materiału PCM na zmiany temperatury w

pomieszczeniu biurowym. Linią niebieską pokazano krzywą zmian temperatury w

pomieszczeniu bez żadnych instalacji klimatyzacyjnych – wzrost temperatury jest

spowodowany pracą urządzeń biurowych oraz obecnością pracowników.

Wpływ materiału zmiennofazowego na przebieg temperatury w pomieszczeniu biurowym; różne ilości PCM na jednostkę powierzchni; linie czerwone – materiał DT2

(charakterystyka topnienia od 24 do 26°C), linie zielone materiał DT14 (charakterystyka topnienia od 18 do 32°C), linie niebieskie – bez PCM

[www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]

Udział PCM - 2,5 kg Udział PCM - 5 kg Udział PCM - 10 kg

Materiały zmienne fazowo Materiały zmienne fazowe

Sposoby wkomponowania materiałów PCM w strukturę budynku,

(przy czym istotne znaczenie mają w zasadzie dwa pierwsze):

wykorzystanie w materiałach i przy budowie elementów

budowlanych,

• umieszczenie materiałów

zmiennofazowych w specjalny

zasobnikach (o odpowiednim

kształcie i wielkości), które

rozmieszczone są w wolnych

przestrzeniach budynku (np. nad

sufitami podwieszanymi lub pod

podłogą), http://www.pcmproducts.net/files/TES-2008.pdf

2016-05-22

5

Materiały zmienne fazowe

wbudowanie niewielkich ilości materiałów zmiennych fazowo w

elementy wyposażenia wnętrz;

wprowadzanie w struktury podłóg w przypadkach: ogrzewania

podłogowego oraz w podłogach na teleskopach (podwyższanych,

stosowanych np. w pomieszczeniach serwerowni).

http://www.pcmproducts.net/files/TES-2008.pdf

W przypadku materiałów budowlanych są to najczęściej

elementy gipsowe lub betonowe, przy produkcji których dodaje

się do gipsu lub cementu odpowiednio spreparowany materiał

PCM. Ma on postać mikrokapsułek – kulek o wymiarach od kilku

do kilkuset mikrometrów, otoczonych powłoką polimerową.

Kuleczki takie zawierają do 80% właściwego materiału PCM.


Przykład wykorzystania granulowanej postaci materiału fazowo zmiennego w produkcji płyt gipsowo-kartonowych

Materiały zmienne fazowo Materiały zmienne fazowo


a) Żaluzje przeciwsłoneczne z PCM, Źródło: ZAE Bayern b) Lekka konstrukcja ściany – mikrokapsułki PCM zintegrowane w tynku

wewnętrznym/*; c) woreczki z mikrokapsułkami w funkcji „sufitu chłodzącego”,

Źródło: Dörken;

/*Schossig P., Henning H., Gschwander S., Micro-encapsulated phase-change materials integrated into construction materials, Solar Energy Material & Solar Cells 89 (2005), s. 297-306

Dzięki małym wymiarom kuleczek oraz ich osłonięciu

polimerem, właściwości mechaniczne utworzonego

kompozytu nie ulegają degradacji (należy pamiętać, że

w czasie topnienia materiał zmienny fazowo zwiększa swoją

objętość o kilkanaście procent).

Zazwyczaj udział mikrokapsułek PCM nie przekracza 20%,

także ze względów bezpieczeństwa pożarowego – największą

grupą materiałów zmiennych fazowo stosowanych

w budownictwie są węglowodory.

Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]


2016-05-22

6

Mikrogranulki PCM (BASF), szerokość obrazu ok. 1,8 mm

Oprócz mikrokapsułek stosowany jest również granulat o wymiarach

cząsteczek rzędu milimetrów (z takiego surowca wykonywane są np.

warstwy pojemnościowe w podłogach podgrzewanych), a także małe

zasobniki – w postaci kulek lub rurek o średnicach rzędu 1–2 cm,

które umieszczane są w wolnych przestrzeniach pustaków lub są

zatapiane w betonie.


Zasobniki z materiałami PCM są wymiennikami ciepła o prostej

konstrukcji dostosowanymi gabarytowo i wielkością do istniejących

warunków zabudowy. Często są one wyposażone w kanały

dolotowe powietrza (jako nośnika ciepła) oraz wentylatory. Materiał

zmienny fazowo najczęściej znajduje się w prostych torebkach z

tworzywa sztucznego (elastycznych ze względu na zmiany objętości)

lub w walcowych pojemnikach.



Ciekawą propozycją jest zastosowanie materiałów zmiennych fazowo

w układach ogniw fotowoltaicznych, zintegrowanych z budynkami (na

ścianach lub dachach).

Płaskie zasobniki z tymi materiałami mocuje się do tylnych

powierzchni paneli PV

W tym przypadku materiał PCM pełni dwie funkcje:

gromadzi część energii promieniowania słonecznego, która w nocy

przekazywana jest do wnętrza budynku,

stabilizuje temperaturę ogniwa, co istotnie poprawia jego

sprawność (sprawność ogniw PV znacznie spada ze wzrostem

temperatury). Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]


Schemat układu stabilizującego temperaturę ogniw PV z wykorzystaniem

zgromadzonego ciepła do ogrzewania pomieszczeń w nocy



Restauracja Secesja Cafe

W dniu 8 grudnia 2011 r., w ramach współpracy Zakładu Materiałów Budowlanych i Fizyki Budowli z firmą BASF Polska odbyła się KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA "Wykorzystanie materiałów zmiennofazowych w budownictwie” Spotkanie konferencyjne w restauracji Secesja Cafe, gdzie w ramach remontu pomieszczeń wykorzystano materiał zmienny fazowo w zaprawie tynkarskiej oraz wylewce posadzkowej.

Prace remontowe w restauracji Secesja Cafe

2016-05-22

7

Restauracja Secesja Cafe

Zaprawa ZCW ZPG ZPG-PCM

10% ZPG-PCM

20% ZPG-PCM

30% ZPG-P-PCM

Rozpływ, [mm] 152,0 162,0 161,0 161,5,0 164,5 169,5

Stosunek woda/tynk [-] 0,337 0,425 0,436 0,470 0,516 0,584

Czas początku wiązania [min.]

≤ 600 148 131 126 125 156

Gęstość objętościowa świeżej mieszanki, ρo,m[g/cm3]

1630 1630 1460 1200 1110 1140

Gęstość objętościowa zaprawy w stanie suchym ρo,s [g/cm3]

1330 1210 1010 950 830 880

Wytrzymałość na zginanie [MPa]

≥ 1,8 ≥ 1,0 - - - -

Wytrzymałość na ściskanie [MPa]

4,30 7,26 2,99 2,29 1,51 2,09

Wytrzymałość na ściskanie - kategoria wg PN-EN 982-1 CIII CIII CII CII CII CII

Wyniki badań w zakresie cech podstawowych gładzi polimerowo gipsowej z udziałem Micronalu

Źródło: praca dyplomowa Magdy Adamczuk, WBiA, 2014

Badania własne

Badania własne

Mikrokapsułki– powiększenie 25x Źródło własne

Mapa zidentyfikowanych pierwiastków na zaznaczonym obszarze

mikrokapsułek– powiększenie 150x: Źródło własne

Procentowa zawartość pierwiastków w badanym obszarze próbki: Źródło własne Polimetakrylan metylu – C5H8O2

Porównanie średnich wartości objętościowej pojemności cieplnej badanych zapraw w odniesieniu do temperatury pomiaru

Badania własne

Rucińska T., Adamczuk M., Wpływ materiału zmiennego fazowo na właściwości wytrzymałościowe i cieplne gipsowej gładzi polimerowej; Izolacje nr 2/2016, s. 50-55

Wyniki przeprowadzonych badań w zakresie cech podstawowych gładzi polimerowo gipsowej z udziałem Micronalu

Badania własne

Rucińska T., Adamczuk M., Wpływ materiału zmiennego fazowo na właściwości wytrzymałościowe i cieplne gipsowej gładzi polimerowej; Izolacje nr 2/2016, s. 50-55

Materiały fazowo zmienne

Modelowy budynek badawczy zawierający pomieszczenie

wykończone tynkiem z PCM oraz pomieszczenie referencyjne,

niemodyfikowane PCM [Schosig]

Porównanie temperatury w dwóch pomieszczeniach – referencyjnym i z

zastosowanym tynkiem z dodatkiem PCM; w obu zainstalowano wentylację i zacienienie w celu redukcji zysków

słonecznych [Schosig]

Documents

Materiały fazowo zmienne Kompozyty cementowo styropianowetrucinska.zut.edu.pl/...TOB_S1_N1/...10-11-2015_-6.pdfbudownictwie” Spotkanie konferencyjne w restauracji Secesja Cafe,