Materiały zmiennofazowe w elementach konstrukcyjnych ścian i podłóg

Materiały  zmiennofazowe (PCM), o dużej pojemności cieplnej, w różny sposób  wkomponowane w strukturę budynku mają za zadanie zwiększyć jego  pojemność cieplną. Duża bezwładność cieplna budynku zapewnia bardziej  stabilne warunki termiczne w jego wnętrzu, jak również pozwala na  wykorzystanie naturalnych źródeł ciepła (np. promieniowania słonecznego)  i chłodu (niskiej temperatury w nocy), dzięki czemu zmniejsza się  zużycie energii na ogrzewanie i klimatyzację.

Materiały PCM mogą być stosowane jako dodatek do materiałów budowlanych, a także jako wypełnienie specjalnych zasobników ciepła, które rozmieszczane są w wolnych przestrzeniach budynku (np. nad sufitami podwieszanymi, pod podłogami). W tym artykule omówione zostaną metody modyfikacji pojemności cieplnej elementów budowlanych stosowanych przy budowie (wykończeniu) ścian i stropów (podłóg, sufitów).

Sposoby łączenia materiałów zmiennofazowych z materiałami budowlanymi

Pierwsze próby zastosowania materiałów PCM do zwiększenia pojemności cieplnej budynków były przeprowadzone w latach 60. XX w. Od tego czasu badano różne technologie łączenia materiałów zmiennofazowych z materiałami budowlanymi. Do najważniejszych należy zaliczyć:

• bezpośrednie mieszanie surowego materiału PCM z cementem lub gipsem w procesie produkcyjnym (direct incorporation),

• nasycanie porowatych elementów budowlanych (cegieł, bloczków betonowych, granulatu mineralnego) przez ich zanurzenie w stopionym materiale PCM (immersion),

• kapsułkowanie materiału PCM – wytwarzanie mikrogranulatu PCM, tzn. kuleczek o średnicy od kilku do kilkuset mikrometrów, które otoczone są warstwą polimerową; taki granulat mieszany jest z cementem lub gipsem w procesie produkcji,

• wytwarzanie zasobników z materiałem PCM o wymiarach rzędu kilkunastu, kilkudziesięciu mm (kulki lub walce polimerowe wypełnione PCM, elastyczne maty z wgłębieniami wypełnionymi PCM) i umieszczanie ich w wolnych przestrzeniach elementów budowlanych, takich jak pustaki, cegły,

• wytwarzanie specjalnych, stabilnych struktur kompozytowych z dużą zawartością PCM (do 80%) z osnową polimerową, najczęściej HDPE (shape stabilized PCM),

• wytwarzanie płyt laminowanych (najczęściej z wełny mineralnej) z cienką, wewnętrzną warstwą materiału PCM.

Technologie, w których materiał zmiennofazowy bezpośrednio kontaktuje się z materiałem budowlanym, są bardzo rzadko wykorzystywane ze względu na brak kompatybilności między materiałami, co może prowadzić do korozji chemicznej lub erozji.
Z pozostałych technologii szczególnie interesująca wydaje się ta, w której materiał zmiennofazowy ma postać kapsułek o mikrometrowych wymiarach. Powszechnie stosowanym półproduktem jest Micronal firmy BASF [3, 4]. W dużym uproszczeniu proces wytwarzania mikrokapsułkowanego PCM składa się z następujących etapów:

• wytworzenie koloidowej mieszaniny PCM z wodą w temperaturze powyżej temperatury topnienia PCM; w wyniku intensywnego mieszania tworzą się krople PCM o średnicy kilku mikrometrów,

• dodanie do zawiesiny monomeru, substancji inicjującej proces polimeryzacji oraz dodatków zmieniających odczyn pH,

• obniżenie temperatury zawiesiny; w wyniku polimeryzacji przebiegającej na powierzchni kropel PCM pokrywają się one trwałą powłoką.

Następnie uzyskuje się wodną zawiesinę PCM o udziale mikrokapsułek ok. 42%. Może być ona używana jako półprodukt przy wytwarzaniu elementów gipsowych lub cementowych. Można także uzyskać suchy produkt w procesie suszenia rozpylanej zawiesiny (tzw. spray drying). W czasie suszenia prowadzonego w ten sposób następuje agregacja cząsteczek, w wyniku czego tworzą się drobiny o wymiarach od 50 do 500 mikrometrów. Taka granulacja jest lepsza, ponieważ nie występuje zjawisko pylenia (początkowa granulacja – w zawiesinie – jest na poziomie kilku mikrometrów).

Mikrogranulat jest obecnie wykonywany tylko na bazie organicznych materiałów PCM, głównie parafin. Tylko z tego rodzaju substancji udaje się wytworzyć zawiesinę koloidową, co jest niezbędnym etapem technologii wytwarzania. Trwają jednak badania mające na celu opracowanie technologii wytwarzania mikrogranulatu z materiałów nieorganicznych, szczególnie hydratów, które mają lepsze właściwości jako akumulatory ciepła w stosunku do parafin.

Do zastosowań w budownictwie oferowane są dwa rodzaje Micronalu, o temperaturze topnienia PCM ok. 23 i ok. 26°C. Rzadziej oferowany jest Micronal o temperaturze topnienia 21°C. Inną technologię wytwarzania granulatu z materiałami PCM opracowała firma Rubitherm, która jest wytwórcą szerokiej gamy materiałów zmiennofazowych do różnych zastosowań [5]. Granulat Rubitherm do zastosowań budowlanych jest wytwarzany na bazie porowatego SiO₂ (substancja mineralna), który jest nasycany materiałem PCM (tutaj także stosowane są parafiny). Uzyskiwany półprodukt ma granulację od 0,3 do 3 mm, w ofercie są produkty o temperaturach topnienia od 38 do 77°C, o pojemności cieplnej ok. 60 kJ/kg (przy zmianie temperatury 15 K). Głównym zastosowaniem tego typu granulatu (co wynika ze stosunkowo wysokiego poziomu temperatury topnienia) jest zwiększenie pojemności cieplnej podłóg ogrzewanych (zarówno elektrycznie, jak i wodą).

Chociaż granulki Rubitherm nie są osłonięte szczelną powłoką, tak jak Micronal, są one trwałe, tzn. że materiał PCM po stopnieniu nie wypływa z porów. Dodatkową zaletą tej struktury (twardy minerał nasycony PCM) jest praktycznie zerowa rozszerzalność cieplna. Duża rozszerzalność cieplna surowych materiałów PCM (nawet kilkanaście procent w czasie topnienia) jest jedną z głównych ich wad.

Przykładowe elementy budowlane z materiałami zmiennofazowymi do zabudowy w ścianach i sufitach

Najczęściej wytwarzanym elementem budowlanym z mikropaułkowanym PCM są płyty gipsowo-kartonowe, np. płyty o nazwie handlowej SmartBoard 23/26 firmy BASF (oznaczenie liczbowe 23/26 wskazuje na rodzaj granulatu, tzn. jego temperaturę topnienia). Według producenta zawierają one ok. 30% Micronalu (ok. 3 kg suchego Micronalu na m² płyty). Taka ilość nie powoduje pogorszenia właściwości mechanicznych płyty, jak również nie powoduje zagrożenia pożarowego (materiałem zmiennofazowym w mikrogranulkach jest parafina, która jest substancją palną).

Przy grubości płyty 1,5 cm jej pojemność cieplna wynosi 330 kJ/m². Pojemność cieplną o porównywalnej wartości ma ściana betonowa grubości 9 cm, natomiast ściana wykonana z cegły lub gipsu powinna mieć grubość 12 cm. To porównanie pokazuje efektywność materiału PCM w podwyższaniu pojemności cieplnej materiałów budowlanych.

Do wykańczania ścian można używać gotowej do użycia zaprawy gipsowej z dodatkiem Micronalu – przykładem jest zaprawa Maxit-Clima [6], zawierająca 20% PCM. Właściwości termiczne powłoki wykonanej z tej zaprawy są podobne do właściwości płyt gipsowo-kartonowych BASF.

Elementy budowlane o zwiększonej pojemności cieplnej są szczególnego rodzaju wymiennikami (zasobnikami ciepła). Najczęściej w cyklu dobowym powinny one najpierw pochłonąć pewną ilość ciepłą, a następnie uwolnić je do otoczenia. Powinny więc charakteryzować się względnie dużą przewodnością cieplną, co jest sprzeczne z zasadniczą cechą materiałów budowlanych, jaką jest ich dobra izolacyjność cieplna.

Materiały zmiennofazowe [1, 2] mają zazwyczaj małą przewodność, zmieszane z gipsem lub cementem tworzą produkt także o małej przewodności. To sprawia, że charakterystyki termiczne tego typu elementów (tzn. efektywność pochłaniania i uwalniania ciepła) nie są najlepsze. Z tego względu w ostatnich latach opracowano aktywny system pokryć gipsowych (dla ścian i sufitów) zawierających materiał PCM. W systemie tym pod warstwą wykonaną np. z zaprawy Maxit-Clima rozkłada się wymiennik ciepła wykonany z wielu rurek o średnicy kilku mm.

W systemie tym warstwa z PCM akumuluje ciepło w sposób niejako naturalny (pochłaniając ciepło z ogrzanego powietrza lub absorbując promieniowanie słoneczne). W tej fazie materiał PCM topi się. Uwalnianie ciepła (a więc także zestalenie PCM) jest natomiast wspomagane przez czynnik roboczy (zimną wodę) płynący w wymienniku ciepła. Naturalne zestalenie PCM wymagałoby znacznego obniżenia temperatury w pomieszczeniu, np. stosując intensywną wentylację w nocy. Nie jest to jednak możliwe w budynkach mieszkalnych.

Firma H+H Celcon [3] produkuje bloczki ze spienionego betonu (o nazwie AirCrete), z dodatkiem zawiesiny Micronal. Bloczki te zawierają także sproszkowane aluminium. Porowata struktura materiału zapewnia dobre właściwości izolacyjne bloczku, jednocześnie dodatek aluminium zapewnia efektywny transport ciepła w obrębie osnowy stałej, w której znajdują się granulki PCM – dzięki czemu procesy przemian fazowych (topnienie/zestalanie) przebiegają w miarę efektywnie.

Do izolacji stropów i jednocześnie zwiększenia pojemności cieplnej tych elementów budynków, używa się płyt z materiału włóknistego (np. wełny mineralnej) z wewnętrzną warstwą mikrokapsułkowanego PCM. Elementy takie charakteryzują się dużymi udziałami masowymi PCM i dużymi pojemnościami cieplnymi na jednostkę powierzchni. Na przykład płyty produkowane przez firmę Mitsubishi zawierają do 80% PCM (mikrokapsułki z parafiną C₁₆-C₂₀, o temperaturze topnienia ok. 20°C). Jednostkowa pojemność cieplna wynosi 690 kJ/m². Podobne, elastyczne płyty firmy DuPont zawierają do 60% mikrokapsułkowanej parafiny o temperaturze topnienia 22°C. 

Elementy budowlane z materiałami zmiennofazowymi do stosowane przy budowie podłóg

Materiały zmiennofazowe wprowadza się do struktury podłóg w dwóch zasadniczych przypadkach: przy ogrzewaniu podłogowym oraz w przypadku specjalnych podłóg podwyższanych (stosowanych np. w pomieszczeniach serwerowni).
Przy ogrzewaniu podłogowym używa się materiałów PCM w postaci:

• granulatu (np. opisanego wyżej produktu Rubitherm), który zasypuje się na przewodach elektrycznych lub rurkach wymiennika wodnego. Na warstwę granulatu nakłada się warstwę betonu,

• specjalnych zasobników wykonanych z elastycznej folii z wytłoczeniami, które wypełnia się materiałem PCM, przykrywa drugą, płaską folią i obie zgrzewa. Tworzy się w ten sposób tzw. makrokapsułki z PCM, które ze względu na elastyczną powłokę są podatne na zmiany objętości w czasie topnienia. Takie zasobniki rozkłada się na stropie i między rzędami wytłoczeń z PCM rozciąga się przewody elektryczne lub wężownicę wodną. W tego typy zasobnikach można wykorzystywać nieorganiczne materiały zmiennofazowe (np. LiNO₃•3H₂O).

Przy wytwarzaniu podłóg podwyższanych stosuje się specjalne elementy zawierające PCM. Są to kompozyty o trwałej strukturze (shape stabilized PCM), w których osnową są polimery lub substancje mineralnych (SiO₂, AL₂O₃). Jako materiały PCM stosuje się substancje organiczne (parafiny, mieszaniny kwasów tłuszczowych, polimer glikolu etylenowego). Kompozyty te charakteryzują się bardzo duża zawartością materiałów zmiennofazowych – do 80%, zachowują przy tym dużą sztywność i zwartość struktury nawet po stopnieniu PCM.