Stropný podhľad ušetrí peniaze a zvýši komfort

Využitie PCM (Phase Change Materials) v interiéroch budov znižuje nebezpečenstvo prehrievania, zvyšuje tepelný komfort a môže viesť k zníženiu spotreby energie.

Vysoká tepelná stabilita miestnosti prispieva k obmedzeniu prehrievania interiérov budov. Vnútorné aj vonkajšie tepelné zisky sú akumulované do stavebných konštrukcií – ak sú pritom použité materiály s vysokou tepelnou kapacitou, obmedzí sa prehrievanie interiérov a tepelný komfort sa môže zachovať aj bez použitia systémov chladenia. 

Vysokú tepelnú stabilitu vykazujú napríklad murované objekty alebo objekty s odhalenou železobetónovou nosnou konštrukciou. Ako však riešiť situáciu pri moderných administratívnych objektoch? Jednou z možností je použiť stropné podhľady s vysokou tepelnou kapacitou.

Zakryté stropy a podlahy sú problém

Chladenie objektov sa v poslednom čase pomerne významne podieľa na celkovej spotrebe energie v budovách. Súvisí to jednak s postupným zlepšovaním tepelnoizolačných parametrov obálok budov, ale tiež s postupným nárastom teplôt v letnom období. Spotrebu chladu však možno významne obmedziť už pri návrhu objektu, a to vhodnou dispozíciou objektu, použitím tieniacich prvkov aj vhodnou voľbou nosných a interiérových materiálov. 

Lepšie predpoklady na nižšiu spotrebu energie na chladenie a obmedzenie prehrievania interiéru majú objekty s vysokou tepelnou kapacitou, teda objekty, v ktorých konštrukcii je použité veľké množstvo hmotných materiálov (betón, murivo). Zároveň tieto materiály nesmú byť v interiéri zakryté, aby zostali aktívne. 

Väčšina nových administratívnych objektov však toto nespĺňa. Nosnú konštrukciu tvorí často vyhovujúci železobetónový skelet, stropy sú však väčšinou skryté pod podhľadmi a dvojitými podlahami. Reálna tepelná kapacita interiérov je tak nízka a aj malé tepelné zisky majú za následok rýchly nárast teploty. 

Chladiaci systém v týchto objektoch musí mať vysoký výkon a krátky reakčný čas. Ak by bola tepelná kapacita interiéru vyššia, klesli by nároky na špičkový chladiaci výkon. Ďalej by bolo možné využiť nočné predchladenie interiéru (pomocou otvorených okien alebo vzduchotechnického systému), v dôsledku čoho by došlo k poklesu celkovej spotreby energie. 

V článku predstavujeme spôsob dodatočného zvýšenia tepelnej kapacity miestnosti pomocou stropného podhľadu. Prezentujeme výsledky z merania, ktoré prebehlo v skúšobnej kabíne Univerzitného centra energeticky efektívnych budov ČVUT.

Používané materiály

Na zvýšenie tepelnej kapacity interiérov budov možno využiť tzv. PCM (Phase Change Materials). Ide o materiály, ktoré menia skupenstvo z pevnej fázy na kvapalnú pri vhodných teplotách (pre potreby interiérov budov zhruba pri 20 až 24 °C). Pri zmene skupenstva sa odoberá (pri topení) alebo uvoľňuje (pri tuhnutí) skupenské teplo. 

To je relatívne vysoké, podľa typu materiálu dosahuje bežne hodnoty približne 150 až 220 kJ/kg (40 až 60 Wh/kg) [1]. Na porovnanie, bežný betón vykazuje tepelnú kapacitu približne 1 kJ/(kg . K), keramické murivo asi 0,9 kJ/(kg . K) [2]. Pri topení 1 kg PCM sa spotrebuje množstvo energie, ktoré by stačilo na ohriatie 1 kg betónu až o 200 °C.

PCM sa v obmedzenej miere využívajú najmä v západnej Európe v interiéroch budov na zvýšenie tepelnej kapacity, prípadne v systémoch akumulácie tepla [4]. Väčšiemu rozšíreniu bráni najmä ich relatívne vysoká cena.     

Najčastejšie používané PCM sa podľa zloženia delia do dvoch základných skupín [2], a to na: 

• organické látky (parafíny a zlúčeniny bez parafínu), 
• anorganické látky (zväčša hydráty solí).

Jednotlivé materiály sa príliš nelíšia skupenským teplom, ale ostatnými vlastnosťami. Výhodou hydrátov solí je ich nižšia cena a relatívne dobrá tepelná vodivosť. Medzi nevýhody patrí menšia cyklická stálosť a tzv. prechladenie materiálu, keď teplota topenia a tuhnutia môže byť za určitých podmienok odlišná (napr. teplota topenia 24 °C, tuhnutia 21 °C). Využiteľnosť materiálu tak môže byť reálne nižšia.

Materiály sa bežne priemyselne vyrábajú v niekoľkých variantoch zapuzdrenia (obr. 1), pričom najmenšie sú mikrokapsuly, ktoré predstavujú malé guľôčky PCM s polymérovým obalom. 

Veľkosť sa pohybuje približne od 20 µm až po jednotky mm. Tieto kapsuly možno pridávať do bežných stavebných materiálov, ako sú omietka či sadrokartónová doska s PCM. PCM možno ďalej získať aj v mäkkých obaloch (vrecúškach) a tiež vo väčších plastových alebo kovových kazetách.

Meranie

Pre potreby testovania reálneho prínosu použitia PCM sa posudzovalo niekoľko variantov stropného podhľadu – od bežného kazetového podhľadu až po rôzne varianty lamelových podhľadov. Na základe CDF (Computational Fluid Dynamics) simulácií vykonaných v programe ANSYS Fluent, kde bola modelovaná miestnosť aj geometrické vyhotovenie podhľadu s PCM, sa ako najvhodnejší vybral lamelový podhľad. 

Jeho výhoda spočíva vo veľkej teplovýmennej ploche lamiel a v ich dobrom obtekaní okolitým vzduchom. Použité PCM tvorili kovové kazety s rozmermi 300 × 450 × 10 mm obsahujúce približne 1 kg hydrátu soli (obr. 2) [3]. Skupenské teplo PCM dosahuje podľa výrobcu 160 kJ/kg, odhadovaná životnosť je 10 000 cyklov. Udávaná teplota topenia je 24  C, tuhnutia 23 °C. 

Kazety sa vkladali do dierovaných plechových lamiel s výškou 350 mm, šírkou 15 mm a s dĺžkou 4 000 mm (obr. 2 a 3). Každá lamela obsahovala 8 kaziet s PCM.

Vlastné meranie sa realizovalo v skúšobnej kabíne – ide o miestnosť s rozmermi 4,2 × 3,1 m a so svetlou výškou 2,85 m vstavanú do veľkého mraziaceho boxu (obr. 4). V okolí kabíny tak možno upravovať teplotu približne v rozmedzí od -18 °C až po +40 °C. 

Parametre konštrukcie kabíny (ľahká drevostavba) zodpovedajú nízkoenergetickému štandardu. Kabína tak svojou nízkou tepelnou kapacitou dobre zodpovedá administratívnej budove s podhľadmi a s dvojitou podlahou. 

Spolu sa v kabíne osadilo 10 lamiel obsahujúcich 80 kaziet s PCM. Cena jednej kazety bola pri uvedenom množstve približne 380 Kč (13,80 €) bez DPH. Celková tepelná kapacita použitého PCM v kazetách bola približne 3 500 Wh. V kabíne sa vykonali vždy dve merania –  s prázdnymi lamelami a s lamelami osadenými kazetami s PCM. Okrajové podmienky merania boli v oboch prípadoch totožné. 

Počas merania sa sledovala teplota guľového teplomera a teplota vzduchu v troch výškových úrovniach. Vo variante lamiel s kazetami PCM sa merali aj povrchové teploty lamiel a teploty kaziet s PCM. Ďalej prezentujeme výsledky v rámci týchto dvoch stavov:

Tepelná záťaž 500 W v trvaní od 9.30 do 16.45 h (7,25 h). 

Mimo obdobia s tepelnou záťažou bolo v kabíne otvorené (vyklopené) okno smerom do chladeného medzipriestoru s konštantnou teplotou 15 °C. Tento stav mal simulovať prevádzku v kancelárii s nočným chladením pomocou otvoreného okna.

Tepelná záťaž 750 W v trvaní 31 hodín. Tento stav sa zvolil s ohľadom na stanovenie maximálneho aktívneho času PCM materiálu.

Výsledky merania

Výsledky merania pri stave s tepelnou záťažou 500 W sú zhrnuté na obr. 5. Vo variante bez PCM sa dosiahli maximálne teploty 26,9 °C. Vo variante s PCM sa dosiahla teplota 25,1 °C, teda o 1,8 °C nižšia. Povrchová teplota PCM dosiahla maximum 23,9 °C. Z priebehu teplôt je zrejmé, že nedošlo k plnému využitiu PCM. Tepelné zisky boli vzhľadom na použité množstvo PCM malé. 

Výsledky meraní pri druhom stave s tepelnou záťažou 750 W sú zhrnuté na obr. 6. Dobre na ňom vidieť, že PCM začína významnejšie pôsobiť pred dosiahnutím povrchovej teploty 24 °C, keď sa rast teploty spomalí, a prestáva pôsobiť pri povrchovej teplote približne 26 °C, a to zhruba po uplynutí 12 hodín od začiatku tepelnej záťaže. V tomto čase je teplota guľového teplomera pri variante s PCM o 4 °C nižšia v porovnaní s variantom bez PCM. Na konci merania (po 31 hodinách) sa rozdiel zníži na 2,9 °C. 

Zjavný je aj počiatočný bod tuhnutia PCM v čase približne 24 h od konca tepelnej záťaže, ku ktorému dochádza pri povrchovej teplote zhruba 22,8 °C. Z výsledkov je zrejmé, že zistený aktívny čas PCM 12 hodín je príliš dlhý vzhľadom na bežnú dĺžku pracovného času. Skrátenie aktívneho času by bolo možné pomocou týchto opatrení:

• zvýšením tepelnej záťaže (na cca 1 150 W),
• avšak za cenu nežiaduceho nárastu teploty až k 30 °C koncom pracovného času,
• zvýšením rýchlosti prúdenia v okolí lamiel, v dôsledku čoho by došlo k zvýšeniu odvodu tepla z ich povrchu a tým aj k ďalšiemu zníženiu teploty v interiéri,
• znížením množstva použitého PCM v kazetách pri zachovaní teplovýmennej plochy kaziet (zníženie hrúbky z 10 mm na približne 6,5 mm); teploty na konci pracovného času by zostali rovnaké,
• použitím PCM s nižšou teplotou topenia (napr. 22 °C oproti 24 °C); zvýšil by sa teplotný rozdiel medzi PCM a okolím a tým aj odovzdávaný chladiaci výkon; dôsledkom by bolo náročnejšie nočné vychladenie PCM.

Ďalej je z výsledkov zrejmé, že na plné vychladenie PCM kaziet v nočnom období nebola intenzita výmeny vzduchu medzi kabínou a chladeným medzipriestorom dostatočná. K vetraniu vyklopeným oknom dochádzalo len v dôsledku pôsobenia vztlakových síl, k prúdeniu vzduchu (vetra) v medzipriestore nedochádzalo.   

Záver

Z výsledkov vykonaných meraní vyplýva, že využitie PCM v interiéroch budov znižuje nebezpečenstvo prehrievania, zvyšuje tepelný komfort a môže viesť k zníženiu spotreby energie. V skúšobnej kabíne došlo pri použití podhľadu s integrovaným PCM k zníženiu teploty až o 4 °C. 

Pri návrhu interiérového prvku s PCM však treba dodržať niekoľko zásad: 

• zabezpečiť voľné prúdenie vzduchu okolo prvku s PCM,
• použiť prvky s veľkou teplovýmennou plochou,
• zvoliť vhodnú teplotu topenia použitého PCM,
• použiť vhodnú geometriu prvku s PCM tak, aby nebol príliš kompaktný a aby mohlo počas pracovného času dôjsť k aktivácii všetkého množstva PCM,
• vhodne navrhnúť množstvo použitého PCM; použitie väčšieho množstva PCM nemusí mať vplyv na priebeh teplôt počas pracovného času a iba zvyšuje investičné náklady,
• bezpodmienečne zabezpečiť vychladenie prvku s PCM počas nočného obdobia; bez vychladenia sa prvok stáva len drahým interiérovým doplnkom.

Literatúra

1. Katalog stavebních materiálů, dostupné online na https://stavba.tzb-info.cz/docu/tabulky/0000/000086_katalog.html.
2. Fraunhofer IFAM Dresden, Forschung fuer die energieeffiziente Industrie, dostupné online na http://eneff-industrie.info/projekte/2014/hochtemperaturwaermespeicher-mit-einzigartiger-waermeleistung/.
3. Výrobca PCM, dostupné online na https://www.rubitherm.eu/.
4. KUMAR, A. and SHUKLA, S. K.: A Review on Thermal Energy Storage Unit for Solar Thermal Power Plant Application. Energy Procedia. 2015, Vol. 74. doi://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.728.

Práca vznikla s podporou technologickej agentúry Českej republiky, číslo projektu TJ01000457, a s podporou MŠMT v rámci programu NPU I 

č. LO1605 – Univerzitné centrum energeticky efektívnych budov – Fáza udržateľnosti.