materiały fazowo zmienne kompozyty cementowo...
Post on 03-Jul-2020
2 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
Materiały zmienne fazowo
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)
Materiały zmienne fazowo
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.
Materiały zmienne fazowo
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 zmienne fazowo
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”.
Materiały zmienne fazowo
Proces przemian fazowych ciało stałe-ciecz
Materiały zmienne fazowo
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 zmienne fazowo
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.
Materiały zmienne fazowo
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
Materiały zmienne fazowo
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).
Materiały zmienne fazowo
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.
Materiały zmienne fazowo
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
Materiały zmienne fazowo
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 zmienne fazowo
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),
Materiały zmienne fazowo
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]
Materiały zmienne fazowo
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),
Materiały zmienne fazowo
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 zmienne fazowo
Materiały fazowo zmienne można wykorzystać w celu
modyfikacji kompozytów:
gipsowych,
cementowych,
ceramicznych.
Materiały zmienne fazowo
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.
Materiały zmienne fazowo
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.
Materiały zmienne fazowo
Przykład wykorzystania granulowanej postaci materiału fazowo zmiennego w produkcji płyt gipsowo-kartonowych
Materiały zmienne fazowo 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]
Materiały zmienne fazowo
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.
Materiały zmienne fazowo
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.
Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
Materiały zmienne fazowo
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]
Materiały zmienne fazowo
Schemat układu stabilizującego temperaturę ogniw PV z wykorzystaniem
zgromadzonego ciepła do ogrzewania pomieszczeń w nocy
Na podstawie [www.izolacje.com.pl, dr inż. Maciej Jaworski]
Materiały zmienne fazowo
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]
top related