Zastosowanie materiałów zmiennofazowych w zewnętrznej warstwie termoizolacji

Zgodnie z wytycznymi Międzynarodowej Agencji Energetycznej oraz wymaganiami dyrektywy dotyczącej efektywności energetycznej budynków, zaktualizowanej przez UE w 2010 r., w procesie projektowania budynków silny nacisk kładzie się na poprawę izolacyjności cieplnej elementów budynku, co ma prowadzić do zmniejszenia zapotrzebowania na ciepło. Stosowanie materiałów wypełniających o coraz lepszych parametrach izolacyjnych powoduje jednocześnie zmniejszenie ciężaru konstrukcji, a tym samym zmniejszenie masy termicznej obudowy budynku. W konsekwencji brak stabilności wewnętrznych warunków termicznych, będącej rezultatem m.in. znacznych i nagłych zysków ciepła od promieniowania słonecznego, powoduje wzrost zapotrzebowania na energię do chłodzenia pomieszczeń. Obniżenie zapotrzebowania na energię, nie tylko w sezonie grzewczym, ale również w lecie, jest wyzwaniem stawianym izolacyjnym materiałom przyszłości [1].

Niezwykle niska przewodność cieplna jest dziś podstawowym wymaganiem dla materiałów izolacyjnych wysokiej jakości. Jednakże, biorąc pod uwagę nowoczesną architekturę (konstrukcje lekkie, duże powierzchnie przeszklone), wymagania dotyczące eksploatacji budynków i urządzeń budowlanych, koncentrujące się jedynie na redukcji strat ciepła, nie są wystarczające do osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju oraz standardów budynków niskoenergetycznych. Coraz częściej zapotrzebowanie na energię systemów chłodzących przekracza zapotrzebowanie na energię cieplną, nawet w warunkach klimatu umiarkowanego. Duża różnica temperatur między dniem i nocą oraz pomiędzy sezonami występującymi w ciągu roku wymusza poszukiwanie nowych materiałów izolacyjnych, które się przyczynią nie tylko do zmniejszenia strat cieplnych dzięki dobrej przewodności cieplnej, ale również pozwolą zapobiegać przegrzaniu i nadmiernym zyskom ciepła w pomieszczeniach.

W artykule przedstawiono i omówiono wyniki badań lekkiej przegrody budowlanej izolowanej wełną mineralną zmodyfikowaną od strony zewnętrznej warstwą materiałów fazowozmiennych (MFZ, ang. PCM – Phase Change Material).

Izolacyjność termiczna a pojemność cieplna

Efektywność energetyczna przegród zewnętrznych budynku może być określana jako zdolność utrzymania stabilnych warunków cieplnych wewnątrz pomieszczeń, podczas gdy parametry środowiska zewnętrznego zmieniają się w sposób dynamiczny i nieregularny. Tłumienie wpływu wahań warunków termicznych środowiska zewnętrznego oraz stabilizacja warunków wewnętrznych są ważne zarówno dla komfortu użytkowników/mieszkańców, jak i szczytowej mocy zapotrzebowania na energię do ogrzewania oraz chłodzenia. Podstawowym parametrem wpływającym na wielkość strumienia ciepła przenikającego przez warstwę materiału jest współczynnik przewodzenia ciepła, pozwalający określić oporność cieplną pojedynczej warstwy lub całej przegrody. Nie uwzględnia on jednak bezwładności cieplnej oraz dynamiki reakcji przegrody na zmieniające się warunki termiczne na zewnątrz oraz wewnątrz pomieszczenia. Od nowo projektowanych ścian budynków się wymaga, aby nie tylko ograniczały one straty ciepła, ale również w efektywny sposób pozwalały wykorzystywać zyski ciepła w ciągu całego roku [2]. Zdolność do magazynowania ciepła i stabilizacji termicznej przegród determinowana jest masą termiczną materiałów, a zatem zdolnością akumulacji ciepła, zarówno jawnego, jak i utajonego.

Fot. Struktura ściany z pokazaniem poszczególnych jej warstw: a) powłoka zewnętrzna, b) kompozyty izolacyjne, c) powierzchnia wewnętrzna

Zwiększenie pojemności cieplnej obudowy budynku może się przyczynić do redukcji szczytowych mocy systemów ogrzewania i chłodzenia, przesunięcia ich w czasie oraz stabilizacji temperatury wewnątrz budynku [3]. Wpływ zwiększenia masy termicznej na możliwość oszczędności energii na ogrzewanie i chłodzenie jest problemem rozważanym od dawna, niemniej jednak jest nadal aktualny [4]. W literaturze można znaleźć wyniki analiz i rozważania nad wpływem rozkładu masy cieplnej na grubości przegrody [5] oraz próby zaproponowania współczynników charakteryzujących dynamikę cieplną ścian, uwzględniających zarówno współczynnik przewodzenia ciepła, jak i pojemność cieplną warstw obudowy budynku [6].

Zastosowanie materiałów fazowozmiennych

Pojemność cieplna obudowy budynku może być zwiększona przez zastosowanie materiału o wysokiej gęstości i cieple właściwym lub poprzez zastosowanie materiału fazowozmiennego charakteryzującego się dużym ciepłem utajonym. Drugi z wymienionych materiałów wykazuje zdolność magazynowania znacznej ilości energii cieplnej podczas zmiany fazy z cieczy w ciało stałe i uwalniania tej energii podczas procesu odwrotnego. Ze względu na zmianę stanu fizycznego materiału określona ilość energii cieplnej może być magazynowana w określonym zakresie temperatur. Wybór konkretnego materiału, charakteryzującego się zakresem temperatur przemiany fazowej, dostosowany do konkretnego zastosowania jest kwestią dość złożoną [7].

Materiały fazowozmienne znajdują zastosowanie w różnych formach: jako mikro- lub makrokapsułki, komponenty o stabilnym kształcie lub jako materiał, którym nasączany jest inny porowaty materiał [8]. W zależności od postaci MFZ może być stosowany jako niezależny komponent lub może być zintegrowany z innymi materiałami. W niektórych przypadkach determinuje to pozycję i ilość MFZ w danym komponencie. Najczęściej stosowaną w praktyce oraz badaną teoretycznie formą MFZ jest materiał mikrokapsułkowany zintegrowany z płytą gipsową jako wewnętrzna warstwa zewnętrznej ściany [9, 10]. Niemniej jednak jest to rozwiązanie drogie i ograniczone pod względem wyboru temperatury przemiany.

W artykule przedstawione zostały wyniki badań innowacyjnego komponentu zawierającego MFZ, charakteryzującego się znacznie obniżonymi kosztami wywarzania oraz zaawansowaniem procesu produkcji.

Rys. 1 Usytuowanie czujników temperatury w przekroju poprzecznym ściany

Badania eksperymentalne

Efektywność termiczna zastosowania MFZ jako zewnętrznej warstwy izolacji termicznej została zbadana eksperymentalnie w pomieszczeniach badawczych zrealizowanych w latach 2014-2015, w ramach polsko-niemieckiego projektu GPEE dotyczącego badania efektywności energetycznej w budownictwie. Instalację eksperymentalną stanowi ściana zewnętrzna, wykonana w systemie fasady wentylowanej, podzielona na 12 sekcji stanowiących odrębne pola badawcze (fot.). Podział na poszczególne sekcje pozwolił na równoległe prowadzenie monitoringu odpowiedzi termicznej przegrody wykonanej w czterech innowacyjnych rozwiązaniach oraz odniesienie otrzymanych wyników do przypadku referencyjnego.

Rys. 2 Wahania temperatury na zewnętrznej powierzchni

Pokazane zostaną wyniki otrzymane dla rozwiązania podstawowego (warstwa izolacji o grubości 20 cm) oraz dla przypadku gdy od zewnątrz dodana została warstwa MFZ w ilości 3,5 kg/m², co odpowiada grubości warstwy ok. 5 mm. Każda z sekcji została wyposażona w osiem czujników temperatury, umieszczonych na grubości przegrody. Pierwszy czujnik mierzy temperaturę na wewnętrznej powierzchni wełny mineralnej, drugi w środku warstwy izolacyjnej, a kolejne cztery czujniki znajdują się wokół warstwy MFZ (rys. 1). Taki układ umożliwia dokładne monitorowanie zmian temperatury na głębokości ściany. Dwa ostatnie czujniki mierzą temperaturę powietrza w przestrzeni wentylowanej fasady oraz na tylnej powierzchni jej zewnętrznej powłoki. Pomiary prowadzone były przez cały rok kalendarzowy i zapisywane z 5-minutowym krokiem czasowym.

Wyniki

Na rysunkach pokazano rozkład temperatury w trzech punktach na głębokości przekroju poprzecznego dwóch paneli jedynie dla wybranego tygodnia czasu. Jednak analiza przeprowadzona dla całego okresu pomiarowego potwierdziła słuszność przedstawianych poniżej wniosków dla całego roku.

Na rys. 2-4 znajdują się przebiegi wahań temperatur dla panelu z MFZ (oznaczony jako P4) oraz panelu referencyjnego (P6). Na podstawie wyników przedstawionych na rys. 2 można zaobserwować, że temperatura na zewnętrznej powierzchni paneli z MFZ jest wyraźnie niższa w ciągu dnia i wyższa w porze nocnej w porównaniu z panelem referencyjnym. Można stwierdzić, że zastosowanie MFZ pozwoliło na zmniejszenie dziennych amplitud temperatury na powierzchni zewnętrznej. Można również zauważyć, że w okresach intensywnego promieniowania słonecznego na skutek akumulacji ciepła utajonego temperatura na powierzchni warstwy MFZ wzrasta znacznie wolniej niż w przypadku panelu referencyjnego. Ponadto gdy temperatura spada do temperatury zestalania MFZ, uwalnianie zakumulowanego ciepła powoduje bardzo powolne obniżenie się temperatury.

Rys. 3 Wahania temperatury w środkowym punkcie izolacji

Wpływ izotermicznej akumulacji ciepła podczas zmiany stanu skupienia MFZ jest również widoczny w środkowym punkcie warstwy termoizolacyjnej. Można zauważyć, że w wybranym okresie temperatura warstwy izolacyjnej wahała się od 20 do 32°C dla sekcji P4, podczas gdy dla panelu referencyjnego P6 – od 16 do 40°C. Dla panelu z MFZ temperatura utrzymywała się w zakresie temperatur przejścia fazowego, a moment występowania wartości maksymalnych temperatur był przesunięty w czasie. Wahania temperatury przedstawione na rys. 4 obrazują wpływ zastosowania MFZ w punkcie oddzielonym od MFZ 20-centymetrową warstwą izolacji termicznej. Ze względu na niską przewodność i grubość warstwy izolacyjnej efekt akumulacji ciepła utajonego jest znacznie wytłumiony, ale nadal widoczny. Można zaobserwować, że w okresach intensywnego promieniowania słonecznego MFZ hamuje wzrost temperatury również na powierzchni wewnętrznej przegrody oraz pozwala na utrzymanie tej temperatury na stosunkowo stałym poziomie.

Rys. 4 Wahania temperatury na wewnętrznej powierzchni

Podsumowanie

Na podstawie zaprezentowanych wyników można stwierdzić, że dodanie nawet 5-milimetrowej warstwy MFZ ma znaczący wpływ na ograniczenie efektu przegrzewania pomieszczenia w okresie letnim. Ponadto warstwa ta wpływa na zmniejszenie amplitudy wahań temperatury po obu stronach izolacji oraz przesunięcie w czasie dobowych wartości maksymalnych.

mgr inż. Anna Wieprzkowicz

dr hab. inż. Dariusz Heim

Politechnika Łódzka

Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska

Literatura

1. H. Garbalińska, Ewolucyjne zmiany rozwiązań zewnętrznych przegród budowlanych jako efekt skokowych zmian formalnych wymogów cieplnych, „Wiadomości Projektanta Budownictwa” nr 4 C303D/201B.
2. T. Iharaa, A. Gustavsena, B.P Jellec, Effect of facade components on ener- gy efficiency in office buildings, „Applied Energy” vol. 158/2015.
3. K.O. Lee, M.A. Medina, E. Raith, X. Sun, Assessing the integration of a thin phase change material (PCM) layer in a residential building wali for heat transfer reduction and management, „Applied Energy” vol. 137/2015.
4.  D. Heim, Isothermal storage of solar energy in building constructlon, „Renewable Energy” vol. 35/2010.
5. PT. Tsilingiris, Parametric space distribution effects of wali heat capacity and thermal resistance on the dynamic thermal behavior of walls and structures, „Energy and Buildings” vol. 38/200B.
6. B. E. Kossecka, J. Kosny, Reiations between structural and dynamic thermal characterlstlcs of building walls, Proceedings of International Symposium of CIB WB7 „Energy and Mass Flow in the Life Cycle of Buildings”, Vienna, August 4-10, 199B.
7. S.E. Kalnss, B.P Jelle, Phase change materials and products for building applications: A state-of-the-art review and futura research oppor- tunities, „Energy and Buildings” vol. 94/2015.
8. E. Rodriguez-Ubinas, L. Ruiz-Valero, S. Vega, J. Neila, Applications of Phase Change Material in highiy anargy-afficient houses, „Energy and Buildings” vol. 50/2012.
9. K. Nowak, A. Zastawna-Rumin, The possibility of uslng PCM impragnatad gipsum boards of diffarant temperature phase change, „Czasopismo Techniczne. Budownictwo”, 2014.
10. F Kuznik, J. Virgone, K. Johannes, Davalopmant and vlidation of a new TRNSYS type for the slmulatlon of axtarnal building walls containing PCM, „Energy and Buildings” vol. 42/2010.