PCM v budovách mohou výrazně snížit spotřebu energie

Nová analýza ukázala, že materiály s fázovou změnou mohou výrazně snížit spotřebu energie budov, pokud jsou přesně umístěny ve stěnách, stropech a podlahách.

Tento závěr mění pohled na běžné stavební povrchy: mohou fungovat jako aktivní tepelné regulátory, které vyrovnávají vnitřní teplotu ještě před spuštěním systémů vytápění a chlazení.

Proč na umístění záleží

Ve více než 3 300 záznamech týkajících se stěn, střech, stropů a podlah se stále opakoval stejný vzorec výkonu těchto materiálů.

Prof. Frédéric Kuznik z INSA Lyon při analýze těchto důkazů prokázal, že o tom, zda uložené teplo ovlivní vnitřní prostředí, přímo rozhoduje umístění materiálu i jeho volba.

Výkon se výrazně zvyšoval, nebo naopak klesal, podle toho, zda materiál dosáhl bodu tání ve správnou chvíli denního teplotního cyklu budovy.

Toto omezení potvrzuje, že samotná kapacita akumulace nezaručuje přínos, a zdůrazňuje potřebu pochopit, jak tyto materiály v praxi řídí teplo.

PCM ve stavebních stěnách

Technici je označují jako materiály s fázovou změnou (PCM): jde o sloučeniny akumulující teplo, které tají a tuhnou v blízkosti cílové teploty.

Při tání umožňuje latentní teplo, tedy energie pohlcená bez zvýšení teploty, aby stěna absorbovala teplo namísto jeho propouštění do interiéru.

Organické směsi se často chovají předvídatelně, zatímco hydráty solí, tedy soli zadržující vodu v krystalech, mohou teplo přenášet rychleji.

Tyto kompromisy vysvětlují, proč neexistuje jediný vhodný recept pro každou budovu, klima, rozpočet či požadavek na bezpečnost.

Co PCM budovám přinášejí

Vytápění a chlazení stále tvoří hlavní část energetické poptávky budov, takže i malé zpomalení toku tepla může přinést rychlou úsporu.

Při terénních i laboratorních zkouškách snížilo přimíchání PCM do vláknité izolace tok tepla přibližně o 30%.

Jiné celoroční srovnání zjistilo zlepšení tepelné pohody o 54% mezi podobnými budovami, z nichž jedna obsahovala PCM a druhá nikoli.

Přínosy pro komfort jsou nejvýraznější tam, kde lidé pociťují prudké odpolední nárůsty teplot nebo noční ochlazení, protože tepelná pohoda se zlepšuje dříve, než se plně projeví na účtech.

Přizpůsobení místnímu klimatu

O tom, zda PCM vůbec správně cykluje, rozhoduje klima: materiál, který nikdy zcela neroztaje nebo neztuhne, nemůže uložit mnoho energie.

Výzkum v Kazachstánu zjistil, že bod tání okolo 26,1 °C zajistil v modelované budově letní účinnost 39.1%.

V šesti kazašských městech vedl optimalizovaný výběr k přibližně o 37% vyšší tepelné energetické účinnosti, což ukazuje zásadní význam místního počasí.

Projektanti proto potřebují údaje o klimatu stejně jako údaje o materiálech, zejména v oblastech s velkými rozdíly mezi denními a nočními teplotami.

Umístění PCM do stropů

Jakmile chemické vlastnosti vypadají vhodně, stává se náročnějším úkolem začlenit PCM do omítky, betonu nebo panelů tak, aby nedocházelo k únikům.

Přímé přimíchání je jednoduché, avšak prosakování kapaliny a chemické reakce mohou oslabovat vazby ve vysoce alkalických stavebních materiálech.

Zapouzdření, tedy uzavření PCM do obalu, pomáhá, protože teplo se může přenášet, zatímco kapalina zůstává na místě.

Cena i výkon závisejí na zvoleném zapouzdření, jelikož menší kapsle rozvádějí teplo lépe, ale obvykle jsou dražší.

Nejvhodnější místa v interiéru

Sádrokartonové desky jsou oblíbené, protože se již používají v příčkách a stropech, kde se změny vnitřní teploty projeví nejdříve.

Zkoušky shrnuté v přehledu ukázaly, že teplota v místnostech zůstala nad 27,8 °C jen 5 hodin, zatímco ve standardních místnostech to bylo 50 hodin.

Na střechách snížila kombinace PCM a reflexního povrchu tepelný tok o 66.8% a teplotu povrchu přibližně o 2,2 °C.

Právě takové rozdíly ve výkonu vysvětlují, proč je poloha tak důležitá: jednotlivé vrstvy budovy čelí velmi odlišným tepelným podmínkám.

Rychlejší přenos tepla

PCM funguje jen tak rychle, jak rychle se k němu dokáže dostat teplo, a to zůstává jedním z největších omezení tohoto oboru.

Někteří výzkumníci zvýšili tepelnou vodivost, tedy schopnost přenášet teplo, přidáním grafitu, oxidů kovů nebo uhlíkových nanotrubic.

Nedávné studie shrnuté v přehledu uváděly zvýšení tepelné vodivosti o 40% až 150%, což urychlilo nabíjení a vybíjení uvnitř stavebních materiálů.

Rychlejší tok tepla může zajistit užitečnost i menším vrstvám PCM, avšak další přísady mohou zvyšovat náklady nebo komplikovat výrobu.

Odolnost a rizika

Skutečné budovy materiály zatěžují po celé roky, proto o přežití slibných laboratorních výsledků rozhoduje požární riziko, netěsnosti a opakované cyklování.

Organické PCM mohou snadněji hořet, zatímco některé hydráty solí trpí podchlazením, tedy opožděným tuhnutím, které zpomaluje uvolňování tepla při ochlazování místností.

Opakované rozpínání může také poškodit okolní materiál trhlinami nebo oddělit promíchané složky, což po mnoha cyklech postupně snižuje akumulační schopnost.

Požární nebezpečí, úniky i poškození cyklováním vysvětlují, proč standardizované požární zkoušky a dlouhodobé testy stále zaostávají za laboratorním pokrokem.

Další kroky pro PCM v budovách

Náklady nadále brání rozsáhlým projektům, zvláště pokud projektanti do stěn přidávají více než přibližně 10% až 20% PCM podle hmotnosti.

Směsi na biologické bázi a levnější minerální nosiče se jeví jako slibné, protože mohou snížit cenu materiálu a omezit obavy z požáru.

Jeden nedávno vyvinutý kompozit zůstal stabilní po 2 000 cyklech, což naznačuje cestu k praktičtějším výrobkům pro skutečné budovy.

Stavebníci přesto potřebují normy, dodavatelské řetězce a srovnávací terénní data, než se skrytá tepelná akumulace stane běžnou součástí staveb.

Důkazy ukazují, že PCM uspěje tehdy, když chemie, klima a umístění odpovídají každodennímu rytmu tepla.

Při správném použití mohou PCM proměnit běžné stěny a střechy ve vestavěné úložiště tepla, avšak nevhodné sladění stále znamená plýtvání penězi a prostorem.