PCM materijali: Materijali koji menjaju agregatno stanje

Osobine skladištenja i oslobađanja energije PCM materijala (Phase-change materials – materijali koji menjaju agregatno stanje) omogućavaju njihovo korišćenje za poboljšanje toplotnih performansi i energetske potrošnje čak i kod laganih konstrukcija.

PCM materijal jeste supstanca koja zahteva relativno veliku količinu toplote da promeni svoje agregatno stanje iz čvrstog u tečno, pa je zato sposoban da skladišti i oslobođa velike količine energije. PCM materijali su korišćeni za širok spektar aplikacija tokom poslednjih decenija, ali tek relativno skoro, sa napretkom u pogledu njihove dugovečnosti, se koriste i u građevinarstvu.

Kako bi se koristili u objektima oni se obično nalaze u kaseti koja je ugrađena u plafonsku ploču ili zid, i imaju sličnu ulogu termalnoj masi kamena ili betona. Kako temperatura raste tokom dana, toplota se apsorbuje u materijalu, što pomaže u održavanju prijatne temperature u prostoru. Kada se ova toplota raspline, bilo putem hlađenja noću ili uz pomoć mehaničke ventilacije, PCM materijali se „resetuju“ za sledeći dan, tako da oni ponovo mogu početi da apsorbuju toplotu kako se prostorija zagreva.

Prednost PCM materijala nad termički masivnim materijalima jeste ta što su oni daleko lakši, skladišteći relativno velike količine toplote po jedinici zapremine, i mogu se relativno lako postaviti kao deo projekta renoviranja kako bi se povećala termalna masa lakih konstrukcija i time poboljšale njihove toplotne performanse i efikasnost ventilacionog sistema, kao i smanjenje potrošnje električne energije za grejanje i hlađenje.

Kako oni rade?

Kada se toplota primeni na supstancu, energija se prenosi na jedan od dva načina. Prvi je da supstanca dobije toplotu. Na primer, ako se toplota primeni na vodu, njena temperatura će porasti na maksimalnih 100°C, što je njena tačka ključanja. Isto tako, ako se toplota ukloni, temperatura vode će pasti, na minimum od 0°C, ili njenu tačku mržnjenja. Ovaj tip prenosa toplote, ili skladištenja, zove se senzibilna toplota.

Međutim, dodavanje toplote ne prouzrokuje uvek povećanje temperature neke supstance. Ako se toplota doda vodi koja već ključa, ona ostaje na 100°C, a apsorbovana toplota umesto toga pretvara vodu iz tečnosti u paru.

Ovo je fenomen zajednički svim čistim supstancama. Kako apsorbuju toplotu, oni na kraju dostignu tačku topljenja (u čvrstom obliku) ili tačku isparavanja (u tečnom obliku), i u tom trenutku oni menjaju svoje agregatno stanje – od čvrstog u tečno, ili od tečnog u gasovito. Tokom ovog procesa, oni apsorbuju toplotu ali ne postaju topliji. Ovaj tip skladištenja toplote je poznat kao latentna toplota.

Upravo ta latentna toplota omogućava PCM materijalima da kontrolišu temperaturu u prostoriji. PCM materijali koji se koriste u građevinarstvu obično se menjaju iz čvrstog u tečno agregatno stanje na temperaturama od 23 do 26°C. (Računarske simulacije pokazuju da je 26°C optimalna temperatura za menjanje agregatnog stanja za pasivno smanjenje letnje toplote u zgradama, dok je temperatura od 23°C potrebna za situacije u kojima su PCM materijali deo mehaničkog klimatizacionog sistema.) Kako se tope, umesto da sami dobijaju toplotu, oni počinju da apsorbuju toplotu iz prostorije. Na ovaj način, sobna temperatura može biti održavana konstantnom dok promena stanja – ili fazna promena – nije završena. PCM materijal može da se vrati u svoje čvrsto stanje pomoću noćne ventilacije (sve dok je noćni vazduh hladniji od temperature na kojoj se dešava promena agregatnog stanja), ili mehaničkim sredstvima u toplijim podnebljima. Fazno-promenljivi ciklus je onda spreman da ponovo počne sledećeg dana.

Vrste PCM materijala

Postoji mnogo vrsta PCM materijala, ali nisu sve pogodne za upotrebu u zgradama. Voda, na primer, ima prelazne temperature od 0°C i 100°C, od kojih nijedna nije pogodna za životnu ili radnu sredinu. Kriterijumi za izbor pri odabiru PCM materijala uključuju:

• Temperature topljena u željenom operativnom opsegu – u građevinarstvu bi ovo bilo 23°C ili 26°C.
• Visoka latentna toplota fuzije po jedinici zapremine – drugim rečima, oni mogu da skladište veliku količinu toplote po jedinici zapremine, minimizirajući površinu PCM ploča koje su potrebne.
• Visoka toplotna provodljivost. Što pre PCM materijal reaguje na promene u temperaturi, više će biti efikasnije fazne promene.
• Minimalne promene u zapremini – supstance se šire ili smanjuju kada menjaju stanje. Zbog činjenice da PCM materijali u građevinarstvu moraju biti držani unutar kasete, velike promene u zapremini mogu da stvore probleme.
• Podudarno topljenje. To znači da je sastav u tečnom stanju isti kao sastav u čvrstom stanju, što je važno kako bi se sprečilo odvajanje i superhlađenje.
• Potpuno reverzibilni ciklus zamrzavanja/topljenja.
• Izdržljivost u velikom broju ciklusa.
• Nekorozivnost građevinskih materijala.
• Nezapaljivost.

Dva glavna tipa PCM materijala koji se koriste u građevinarstvu su neorganske soli (hidrati) i organski parafin ili masne kiseline, a oba materijala imaju niz prednosti i nedostataka koji se moraju uzeti u obzir.

Neorganski: slani hidrati

Prednosti: Neorganske soli su jeftini, lako dostupni PCM materijali. Oni imaju visok latentni kapacitet skladištenja toplote i visoku toplotnu provodljivost. Oni su takođe nezapaljivi.

Nedostaci: Promene zapremine između čvrstog i tečnog stanja su veoma velike. Drugi problem sa tranzicijom iz čvrstog u tečno stanje jeste opasnost od superhlađenja. To se dešava kada temperatura tečnosti padne ispod tačke zamrzavanja, a da ona ne pređe u čvrsto agregatno stanje.

Aditivi koji se zovu „nukleacioni agensi“ (Nucleating agents) mogu da pomognu u tom procesu, ali oni postaju manje efikasni tokom vremena. Neorganske soli su takođe veoma hidroskopne, što znači da zarobljavaju vlažnost. Čineći to, sadržaj vode varira i tačka topljenja takođe varira. To predstavlja opasnost za dugoročnu stabilnost.

Organski: parafin i masne kiseline

Prednosti: Parafin i masne kiseline se ne povećavaju kako se tope, i zamrzavaju se bez mnogo superhlađenja, tako da njima nisu potrebni nukleacioni agensi. Oni su hemijski stabilni, kompatibilni sa konvencijalnim građevinskim materijalima i mogu se reciklirati. Parafini su hidrofobni, što znači da odbijaju vodu. Kao rezultat toga, njihove tačke fazne promene su pouzdane. Čisti parafini su takođe veoma izdržljivi i ne degradiraju u kontaktu sa kiseonikom. Niti mogu čiste materije, koje se sastoje od jedne supstane, da se odvoje od sebe - za razliku od neorganskih soli, koje mogu da se otcepe od njihovog sadržaja vode pri čestoj promeni ciklusa.

Nedostaci: Organski PCM materijali su zapaljivi i imaju nisku toplotnu provodljivost i nizak latentni kapacitet skladištenja toplote. Nečistoće dodatno smanjuju toplotni kapaciet, tako da je veoma važno koristi parafine koji su u čistom stanju. To, međutim, podiže cenu jer oni moraju u potpunosti biti prerađeni od nafte.

Kada se koriste PCM materijali

PCM materijali su posebno pogodni za primenu u učionicama, kancelarijama, maloprodajnim i zdravstvenim objektima, koje se generalno zagrevaju u toku radnog dana, kroz toplotu koju generišu ljudi i oprema, ali se mogu ohladiti noćnim vazduhom kada se ne koriste.

PCM materijali se mogu koristiti na sledeći način:

• Dizajnirani u saradnji sa KGH sistemima kako bi se povećala efikasnost aktivnih ili pasivnih strategija hlađenja. Od prirodno ventilisanih prostora do integrisanih plafonskih hlađenja, većina vrsta KGH sistema može biti efikasnija.
• Za smanjenje potrebe za klimatizacijom, što samim tim štedi na energiji i troškovima.
• Za optimizovanje korišćenja regenerativnih izvora grejanja i hlađenja.

• Kao zamenu za izolaciju - PCM materijali se ponašaju kao jedinice za toplotno skladištenje, a ne za blokiranje ili zadržavanje toplotne energije.
• Na spoljašnjim zidovima - izloženost solarnom dobitku veoma smanjuje kapacitet PCM materijala.
• Kao dodatak postojećem aktivnom hlađenju ili grejanju.
• Kao zamena za klimatizaciju kako bi upravljali unutrašnjom vlagom - PCM materijali mogu samo da upravljaju termalnim komforom.

Građevinski materijal

Mikroenkapsulacija

Upotreba fazno-promenljivih materijala u građevinarstvu je ograničena na njihovu promenu između čvrstog i tečnog agregatnog stanja, a ne između tečnog i gasnog stanja, pošto je promena zapremne daleko manja. Ovo predstavlja praktični problem održavanja materijala u njegovom tečnom stanju. Efikasno rešenje ovde jeste mikroenkapsulacija.

Ideje je da se PCM, u vidu voska, sadrži u izuzetno čvrstoj plastičnoj ljusci. Svaka kapsula je mala - na primer, mikrokapsule Micronal DS 5000 X kompanije BASF koje se koriste u Armstrong proizvodima CoolZone imaju prečnik od oko 2 do 20 mikrona – ili 0,002 do 0,02 milimetara. Pošto kapsule imaju veoma veliki odnos površine i zapremine, one omugućavaju visok stepen prenosa toplote, a takođe obezbeđuju da parafin ostane u svom čistom obliku.

Čisti parafin je pogodan materijal za vosak jer on prolazi kroz manju ekspanziju u odnosu na druge PCM materijale, zadržava svoju formu u tečnom stanju i veoma je izdržljiv – nakon 10.000 testirnih ciklusa mikrokapsula Micronal DS 5000 X (koje koriste čisti parafin) nije bilo oštećenih kapsula. Formulacija parafinskog voska može biti podešena da joj tačka topljenja bude bilo 23°C ili 26°C.

PCM materijali u plafonskim pločama

Zbog činjenice da toplota raste, efikasna upotreba PCM mikrokapsula jeste da ih postavite u kasetu i dodate ih sistemu spuštenog plafona. Pošto je parafin zapaljiv, PCM umetak mora biti smešten između ploča u materijalu sa odličnim protivpožarnim karakteristikama, kao što je metal. Metalna ploča takođe nudi dobru toplotnu provodljivost, povlačeći toplotu unutra u PCM materijal.

Postavljanje 50 odsto PCM ploča u plafonu će održavati temperaturu u jednoj tipično mehanički ventilisanoj kancelariji na 24°C za četiri do pet sati. Nakon toga, prostorija će nastaviti da se zagreva kao i ranije, sve dok se ne smanji opterećenje na grejanje. Drugih 50 odsto ploča mogu biti servisne ili standardne akustične plafinske ploče. PCM ploče ne treba seći i nisu pogodne za postavku po obodima ili za pristup nadplafonskom prostoru.

Sa hladnijim noćnim temperaturama, PCM materijal se vraća u čvrsti oblik, prenoseći toplotnu energiju nazad u prostoriju. To znači da prostorija nije previše hladna rano ujutru, već je u udobnoj radnoj temperaturi, a PCM ploče su resetovane za još jedan radni dan.

Metalne PCM plafonske ploče mogu biti smeštene u standarne spuštene plafonske sisteme, čineći postavku jednostavnom. Svaka PCM kaseta teži oko 9 kilograma, tako da će verovatno biti potrebno ojačanje rešetkaste konstrukcije plafona.

Korišćenje metalnih PCM plafonskih ploča na ovaj način može da dovede do značajnih smanjenja u korišćenju energije. Na primer, 10 kvadratnih metara ploča CoolZone može da uskladišti do 2kWh energije. Tokom tridesetogodišnjeg životnog veka, ovo štedi 6MWh toplotne energije, što bi stvorilo oko 1.140 kilograma ugljen-dioksida, ako bi se ta energija isporučila uz pomoć mehaničkog hlađenja.