Vliv sálavého chlazení a vytápění s PCMs na vnitřní mikroklima a spotřebu energie

1 Úvod

Příspěvek se zabývá možností odvodu nadměrné tepelné zátěže v letním období z vnitřního prostředí staveb s využitím tepelně aktivovaných prvků obsahujících materiál s fázovou přeměnou (PCMs), které lze využít i pro sálavé vytápění během zimního období. Pro zajištění požadované tepelné pohody v interiérech budovy a dodržení legislativních požadavků je v rámci projektové přípravy a realizace stavby často nutné navrhnout a instalovat technické systémy, které jsou tyto požadavky schopny zajistit.

Příspěvek porovnává systém sálavého chlazení a vytápění doplněného o materiály s fázovou přeměnou, které jsou integrovány v omítce se standardně využívaným klimatizačním zařízením. Klimatizační zařízení jsou ekonomicky nákladné v době jejich provozu, kdy odebírají elektrickou energii ze sítě přes den v době špiček spotřeby. Jak se uvádí v příspěvku [1], v posledních letech se přibližuje spotřeba elektrické energie v letních měsících spotřebě v zimním období. Je reálné předpokládat, že jednou z hlavních příčin je rozšíření klimatizačních zařízení pro chlazení interiérů budov.

Doplňkem případně náhradou těchto zařízení může být sálavé či pasivní chlazení. Vývoj a využití pasivního chlazení je jedním z opatření proti přehřívání budov, ke kterému by měla být směřována pozornost dle Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU [2]. Pro účely akumulace tepla lze výhodně využít materiálů s fázovou přeměnou (Phase Change Materials = PCMs). Tyto materiály jsou schopny při teplotách běžně dosahovaných v interiéru budov akumulovat kromě citelného tepla také teplo latentní. Po dosažení teploty tání probíhá v látce fázová přeměna, při které je akumulována energie ve formě vázaného tepla. Pro opakování tohoto děje je nutné akumulované teplo ve vhodném okamžiku odvést, k čemuž je potřeba dosáhnout teploty krystalizace. Pro aktivaci PCMs je výhodné noční období, kdy klesne teplota. Takto fungující systém, který nevyužívá pro svůj provoz neobnovitelných zdrojů energie, se zpravidla nazývá pasivní [3]. Často je však nutné přirozenou konvekci vzduchu doplnit technickým systémem pro ventilaci nebo chlazení vzduchu či jiného teplonosného média. Takto fungující systémy kombinují pasivní akumulaci tepla s aktivním chlazením nebo vytápěním.

2 Komparativní měření

Pro zjištění vlivu sálavého chlazení / vytápění doplněného o materiál umožňující akumulaci tepla na interní mikroklima bylo zvoleno experimentální komparativní měření, při kterém se tento systém porovnával s provozem konvenčního klimatizačního zařízení. K měření je využita dvojice testovacích místností shodných svojí geometrií, orientací ke světovým stranám i skladbou konstrukcí. Jedná se o podkrovní místnosti s podlahovou plochou 15 m², jejichž obvodové konstrukce jsou izolovány minerální vatou tl. 200 mm. Místnosti se nacházejí v areálu fakulty stavební VUT v Brně.

V obou místnostech jsou instalovány:

• kalibrovaná termočlánková čidla pro měření povrchových teplot, teplot uvnitř konstrukcí a teplot vnitřního vzduchu;
• kulové teploměry pro měření výsledné teploty kulového teploměru.

Čidla z obou místností jsou napojena na měřící ústřednu Almemo umístěnou v serverovně.

2.1 Referenční místnost

Hodnoty naměřené v této místnosti jsou využívány jako reference pro hodnocení vlivu systému instalovaného v experimentální místnosti.

Pro porovnání vlivu sálavého chlazení / vytápění a klimatizačního systému byla do referenční místnosti umístěna klimatizační jednotka (Obr. 1). Klimatizační jednotka firmy Daikin (ozn. FTXN25KEV1B) má výrobcem udávaný jmenovitý topný výkon 3,5 kW, chladící výkon 2,8 kW. Udávaný příkon je 2,5 kW.

Obr. 1: Vnitřní nástěnná klimatizační jednotka a venkovní jednotka umístěná v půdním prostoru

2.2 Experimentální místnost – panely s Micronalem DS 5008 X

Od léta 2012 byl v experimentální místnosti instalován systém sálavého chlazení / vytápění využívající omítku modifikovanou materiálem s fázovou přeměnou. Systém se skládá z panelů, které jsou umístěny na stěnách a podhledu místnosti. Experimentálně vyrobené panely jsou složeny z podkladní desky, vrstvy pěnového polystyrenu, kapilárních rohoží a sádrové omítky modifikované PCMs (Obr. 2).

Obr. 2: Experimentální místnost s tepelně-akumulačními panely

Obr. 3: Pro účely experimentu sestavená jednotka vzduch-voda

Jako materiál s fázovou přeměnou byl použit Micronal DS 5008 X od firmy BASF. Sádrová omítka v tloušťce 10 mm byla modifikována 30 % hm. Micronalu. Panelů s takto upravenou omítkou bylo instalováno 15 m². Pro aktivaci PCMs byly ve vrstvě sádrové omítky umístěny kapilární rohože. Rohože jsou přes rozdělovač a sběrač napojeny na upravenou klimatizační jednotku ETA 2576, kdy druhý výměník, původně vnitřní jednotka, je nahrazen trubkovým výměníkem a tak je vytvořena jednotka pro systém vzduch–voda (Obr. 3). Jednotka je umístěna u experimentální místnosti v půdním prostoru. Klimatizační jednotka firmy Eta (ozn. 2576) má výrobcem udávaný jmenovitý topný výkon 3,4 kW, chladící výkon 3,2 kW. Udávaný příkon je 1,0 kW.

2.3 Experimentální místnost – panely s Micronalem DS 5040 X

Obr. 4: Experimentální místnost s tepelněakumulačními panely

V letním období roku 2013 byly původní tepelně akumulační panely nahrazeny nově vyrobenou sérií panelů. Tyto panely byly vyrobeny v dílně fakulty stavební a v experimentální místnosti byly následně vyrobené prefabrikáty pouze spojovány. Systém je založen na stejném principu jako výše popsaný, kdy na podkladní desku jsou umístěny kapilární rohože, jejíž konce jsou opatřeny systémem nástrčných spojek firmy John Guest. Na takto připravený podklad byla odlita omítková směs vyrobená ve spolupráci s firmou LB Cemix s.r.o. Do sádrového základu omítkové směsi bylo znovu přidáno 30 hm. % tentokrát Micronalu DS 5040 X od firmy BASF. Nanesená tloušťka omítkové směsi je 15 mm. Panely jsou instalovány v celkové ploše 41 m² (Obr. 4).

V září 2013 byla původní jednotka nahrazena nízkoteplotním tepelným čerpadlem vzduch–voda HPSU Bi-Bloc od firmy Rotex. Sestava se skládá z venkovní a vnitřní jednotky s přídavným elektrickým topením a akumulační nádrže (Obr. 5). Tepelné čerpadlo vzduch–voda je přes rozdělovač a sběrač napojeno na vnitřní okruhy kapilárních rohoží. Tepelné čerpadlo má dle údajů výrobce jmenovitý chladící výkon (A35/W18) 5,0 kW, jmenovitý topný výkon (A7/W35) 4,4 kW. Příkon je 1,18 kW pro chlazení a 0,87 kW pro vytápění.

Obr. 5: Sestava tepelného čerpadla s akumulační nádrží

3 Výsledky a měření

3.1 Termická analýza materiálu s fázovou přeměnou

Obr. 6: Charakteristické pojmy DSC křivky [4]

Jako akumulační látka pro akumulaci tepla byly v systémech použity dva druhy materiálu s fázovou přeměnou od firmy BASF. Rozhodujícím kritériem pro výběr konkrétního výrobku je rozsah teplot tání a množství přijatého a uvolněného tepla během změny skupenství. Pro zjištění jejich vlastností při ohřevu a chlazení byla použita diferenční skenovací kalorimetrie (DSC analýza).

Charakteristické pojmy DSC křivky jsou vyznačeny na Obr. 6. Nulová čára je křivka naměřená s prázdným zařízením, tj. bez vzorků a bez misek nebo bez vzorků s prázdnými miskami. Počáteční teplota peaku je odečtena v okamžiku, kdy se křivka začíná odchylovat od základní linie, onsetové teploty (extrapolovaný počátek a konec) jsou body v místě, kde se tečny vedené inflexními body křivky protnou se základní linii. Teplota peaku je bod, kterému odpovídá maximální tepelný tok a konečná teplota je bod, v kterém se křivka přestává odchylovat od základní linie [4].

Vlastnosti PCMs a omítky zjištěné termickou analýzou jsou popsány v Tab. 1.

Z porovnání je zřejmé, že přidáním mikro pelet do sádrové omítky dochází k snížení akumulační kapacity v porovnání s čistým PCMs a k posunu teplotních peaků jak při tání, tak při tuhnutí. Toto snížení tepelně akumulační kapacity je poměrně zásadní a odpovídá hmotnostnímu podílu PCMs v omítce. Při porovnání Micronalu DS 5008 a 5040 X, které mají výrobcem deklarovanou shodnou teplotu tání (23 °C) je zřejmé, že jednotlivé materiály se ve sledovaných tepelných charakteristikách od sebe liší, především Micronal DS 5040 X má větší tepelně akumulační kapacitu.

Přijaté a uvolněné teplo během jednoho cyklu by mělo být sobě rovné. Naměřený rozdíl je dán způsobem analýzy vzorku během diferenciální skenovací kalorimetrie a tato diference má několik od sebe špatně oddělitelných důvodů. Základem je to, že tání (endotermní děj) je proces termodynamický a tuhnutí (exotermní děj) kinetický, což vyvolá odlišný průběh těchto dvou jevů. DSC analýza je kalibrována na endotermní děje, proto je pro další práci a vyhodnocení třeba počítat s teplem tání. V neposlední řadě je diference také způsobena tím, že během DSC analýzy nedochází často k úplné krystalizaci v okamžiku, kdy je očekávána a měřena, ale vzorek dokrystalizuje během regulace při změně směru chlazení.

3.2 Vliv instalovaných systémů na vnitřní mikroklima

Měření vlivu sálavého chlazení a vytápění na vnitřní prostředí a srovnání s klimatizačním zařízením probíhá od letního období roku 2012. Byly zkoumány různé režimy nastavení systémů primárně za účelem zjištění vlivu na interní mikroklima. Sledována je také spotřeba elektřiny a doba, po které je tepelné čerpadlo, případně klimatizační jednotka, v provozu pro zajištění nastavených požadavků.

Pilotním režimem zkoumání systému s integrovaným materiálem s fázovou přeměnou ve struktuře omítky byla situace, kdy vnitřní prostředí v experimentální ani v referenční místnosti není aktivně ovlivňováno žádným technickým systémem (chladící jednotky jsou vypnuty). Z tohoto pohledu se jedná o systém pasivního chlazení.

Obr. 7: Průběhy teplot v testovacích místnostech ve dnech 18. 8.–19. 8. 2012

V tomto režimu je aktivace PCMs provedena přirozenou konvekcí vzduchu. V období, kdy teplota během nočních hodin klesne pod teplotní rozsah fázové přeměny PCMs, není s aktivací akumulačního materiálu problém. Takto je možné snížit teplotu v místnosti během dne o 1,5 až 2,0 °C (Obr. 7). Jestliže teplota v nočních hodinách neklesne nebo klesne na krátký časový úsek pod teplotní rozsah fázové přeměny, PCMs se zcela neaktivuje a následující den má sníženou tepelně akumulační kapacitu.

Teplota uvnitř omítky bez PCMs je vyšší než u omítky s PCMs v období mezi 11:30 až 19:30. V tomto období sádrová omítka akumuluje energii ve formě citelného tepla, což se projeví narůstající teplotou akumulační látky. Sádrová omítka s PCMs naopak akumuluje energii ve formě vázaného (latentního) tepla, což se projevuje pozvolnějším růstem teploty prvku. V nočním a dopoledních hodinách je naopak vyšší teplota u omítky s PCM, jelikož ta se aktivuje (vybíjí naakumulované teplo), což má za následek zvýšení teploty. V tomto období je vyšší také teplota v interiéru experimentální místnosti, jelikož je do něj zpětně předána během dne akumulovaná tepelná zátěž.

Ve druhém případě je porovnán systém chlazení v experimentální místnosti, který je popsán v kapitole 2.2 s referenční místností. Systémy pracovaly v následujícím režimu:

• tepelně akumulační panely v experimentální místnosti byly aktivovány chladivem v kapilárních rohožích v období 1:00–1:30, 3:00–3:30 a 10:00–17:00 vždy, když teplota v místnosti během nastaveného období překročila 25 °C;
• v referenční místnosti byla klimatizační jednotka nastavena tak, že v období 10:00–17:00 udržovala teplotu na 25 °C.

Obr. 8: Průběhy teplot v testovacích místnostech ve dnech 2. 8.–3. 8. 2013

Výsledky zobrazené na Obr. 8 jsou výsekem ze sledovaného období 1. 8.–6. 8. 2013. Na připojení chladícího zařízení pro experimentální místnost i klimatizace v referenční místnosti do elektrické sítě byl osazen měřič spotřeby elektrické energie. Ve sledovaném období (188 hodin) běžela klimatizační jednotka 33 hod naproti tomu chladící jednotka 13 hod, což je 40 % doby spotřeby klimatizace. Jelikož pro účely experimentu vyrobená chladící jednotka má vyšší příkon než klimatizační jednotka, celková spotřebovaná energie je pro experimentální místnost 11,2 kWh a pro referenční místnost 8,4 kWh.

Teplota v experimentální místnosti osciluje mezi 23–26 °C po dobu celého dne. V referenční místnosti po vypnutí klimatizace teplota vzroste tak, že oproti experimentální místnosti je vyšší o 3 °C. Z křivek, které sledují teplotu v omítkách, je zřejmá akumulace energie ve formě vázaného tepla. To se projeví pozvolnějším nárůstem teploty v omítce s Micronalem. Efektem tohoto vlivu je, že teplota v místnosti i po vypnutí kapilárního dochlazování neroste.

Ve třetím případu je porovnán systém vytápění, který pracoval v následujícím režimu:

• v experimentální místnosti bylo zapnuto tepelné čerpadlo ve dvou blocích 7:00–9:00 a 12:00–14:00 a místnost vytápělo na teplotu 24 °C.
• v referenční místnosti byla klimatizační jednotka v pohotovostním režimu od 7:00 do 17:00 a v případě potřeby místnost vytápěla na 24 °C.
• ve zbylém období není klima v místnostech aktivně ovlivňováno.

Obr. 9: Průběhy teplot v testovacích místnostech ve dnech 15. 3.–16. 3. 2014

Na Obr. 9 je znázorněn průběh teplot části sledovaného jarního období (14. 3.–18. 3.). Teploty v exteriéru se během dne pohybovaly v rozmezí 1–13 °C. Nastavením systémů byla požadována v obou místnostech teplota v rozmezí legislativního rámce v období od 7:00 do 17:00. Spotřebovaná energie je pro referenční místnost 7,8 kWh a pro experimentální místnost 7,1 kWh. Teplota v experimentální místnosti osciluje mezi 22–24 °C ve sledovaném období 7:00–17:00. V noci teplota v interiéru klesá pozvolněji v experimentální místnosti z důvodu postupného uvolňování naakumulované energie ve formě vázaného tepla.

Z křivek, které sledují teplotu v omítkách je zřejmá akumulace energie ve formě vázaného tepla. To se projevuje pozvolnějším nárůstem teploty v omítce s Micronalem. Po vypnutí kapilárního vytápění a poklesu teploty k oblasti fázové přeměny se PCMs vybíjí, což je zřejmé z pozvolnějšího poklesu teploty v omítce s PCMs.

Obr. 10: Spotřebovaná energie a doba provozu systémů pro referenční a experimentální místnosti

Spotřebovaná elektřina pro tři režimy chlazení / vytápění popsané výše jsou shrnuty na Obr. 10. V období 18. 8.–19. 8. 2012 je využito k odvodu tepelné zátěže pasivní chlazení, jelikož je díky příznivým nočním teplotám zajištěna aktivace materiálu s fázovou přeměnou. Po většinu ročního období, v podmínkách České republiky, je však nutné tyto materiály kombinovat s technickými prostředky k zajištění aktivace PCMs. Toto opatření vede k provozním nákladům, které jsou srovnatelné s konvenčním klimatizačním zařízením v měřítku experimentální realizace. Soustava instalovaného tepelného čerpadla s elektrickým dohřevem a akumulační nádrží je k ploše kapilárních rohoží v jedné experimentální místnosti předimenzovaná. Je předpoklad, že v praktické realizaci by instalované tepelné čerpadlo bylo schopné vytápět/chladit podstatně větší plochu, na rozdíl od klimatizace instalované v referenční místnosti.

4 Závěr

Tepelně aktivované panely představují alternativu ke klimatizačním zařízením. Pracují s akumulací energie ve formě vázaného tepla, což zvýší tepelnou kapacitu obalových konstrukcí místností. Pro zajištění opakovaného využití je nutné PCMs aktivovat. K tomu slouží systém kapilárních rohoží v omítce, pomocí kterých je možné omítku dochlazovat, jestliže aktivaci nezajistí přirozená konvekce vzduchu. Při podmínkách, kdy je k aktivaci PCMs možné použít pouze přirozeného proudění vzduchu, je třeba počítat s tím, že odvedená tepelná zátěž během dne bude v noci při aktivaci PCMs zpětně předána do místnosti. Sálavé chladicí systémy je tak možné s výhodou použít jak pro odvod naakumulované tepelné zátěže mimo interiér místnosti, tak k dochlazování teplotních špiček.

Systém sálavého chlazení s integrovaným PCMs má oproti klimatizaci kratší dobu, kdy je odebírána elektrická energie ze sítě a období odběru je z části nebo zcela možné přesunout do období platnosti nízkého tarifu dle místně příslušného distributora elektřiny. Systém je reversibilně možné použít i v zimním období pro vytápění. Další možností je vzhledem ke klesajícím cenám fotovoltaických panelů jejich využití pro provoz tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo může být v provozu po dobu přeměny elektřiny ve fotovoltaických panelech, kdy dochází v létě k akumulaci chladu a v zimním a přechodném období k akumulaci tepla. V době mimo provoz tohoto obnovitelného zdroje elektřiny může být potřebný chladicí nebo topný výkon pokryt akumulační schopností panelů.

Poděkování

Příspěvek vznikl s pomocí grantového projektu GAČR P104/12/1838 „Využití akumulace latentního tepla materiály s fázovou změnou pro snížení spotřeby primární energie v budovách“.

Literatura

• [1] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2010/31/EU: o energetické náročnosti budov. In: Úřední věstník Evropské unie. 2010.
• [2] POLÁK, P. Klimatizace budov adiabatickým chlazením. In: TZB-info [online]. 6. 2. 2012 [cit. 2012-09-25]. ISSN 1801-4399. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/klimatizace-a-chlazeni/8261-klimatizace-budov-adiabatickym-chlazenim#pozn2.
• [3] GARG, H. P.; MULLICK, S. C.; BHARGAVA, A. K. Solar Thermal Energy Storage. Dortrecht: D. Reidel Publishing Comnpany, 1985. 642 p. ISBN 90-277-1930-6
• [4] KLOUŽKOVÁ, A., P. ZEMENOVÁ, J. KLOUŽEK a W. PABST. Termická analýza. 2012, 66 s.