MAGAZYNOWANIE
ENERGII
3 WYKORZYSTANIE CIEPA
A PRZEMIAN FAZOWYCH
AKUMULACJA ENERGII TERMICZNEJ
Już w starożytnym Egipcie odpowiednio ukształtowane kanały w ścianach
pozwalały na pasywne ogrzewanie znajdującego się w nich powietrza
energią słoneczną w ciągu dnia i oddawanie energii w ciągu nocy.
PODSTAWOWE METODY
PODSTAWOWE METODY
AKUMULACJI ENERGII TERMICZNEJ
wykorzystanie ciepła wykorzystanie entalpii wykorzystanie ciepła
właściwego substancji przemian fazowych reakcji chemicznych
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
WYKORZYSTANIE CIEPA
A PRZEMIAN FAZOWYCH
W układach zmiennofazowych (PCM, ang. phase change materials) wykorzystuje się
efekty towarzyszÄ…ce zjawiskom przemian fazowych. W tym przypadku do zalet
przemian fazowych można zaliczyć:
duża pojemność cieplna odniesiona do jednostki masy,
niemal stała temperatura pobierania i oddawania energii
możliwość doboru temperatury przemiany do warunków pracy
Analizując możliwość zastosowania danej substancji jako materiału zmiennofazowego,
Analizując możliwość zastosowania danej substancji jako materiału zmiennofazowego,
akumulującego ciepło, należy brać pod uwagą następujące jej właściwości:
pojemność cieplną,
temperaturÄ™ przemiany fazowej,
przewodność cieplną,
brak przechłodzenia w czasie zestalania,
stabilność w wielu cyklach topnienie-zestalanie.
Wymienione wyżej właściwości fizyczne materiałów zmiennofazowych mają podstawowe
znaczenie przy ich wyborze na etapie projektowania układu. Wpływają one bowiem
na globalny bilans ciepła oraz na warunki wymiany ciepła między otoczeniem a
układem, a więc na intensywność procesów gromadzenia i uwalniania ciepła.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła przemian fazowych
Pojemność cieplna określa zdolność do akumulacji ciepła materiałów PCM i zależy przede
wszystkim od ciepła przemiany fazowej. Parametr ten dla materiałów, które mogą być
stosowane w budownictwie, mieści się w zakresie od ok. 100 kJ/kg (odnosi się to do
gotowych produktów, gdzie materiał PCM jest zamknięty w kapsułkach i materiał samej
kapsułki zmniejsza efektywną pojemność cieplną) do ok. 250 kJ/kg (dla substancji
jednorodnych).
Istnieją materiały zmiennofazowe o znacznie wyższych pojemnościach cieplnych, ale są to
Istnieją materiały zmiennofazowe o znacznie wyższych pojemnościach cieplnych, ale są to
materiały wysokotemperaturowe, nieprzydatne w budownictwie.
Temperatura przemiany fazowej jest właściwością danej substancji i materiał ten powinien
być tak wybrany, aby jego temperatura topnienia mieściła się w zakresie temperatur
występujących w danym układzie. W przypadku zastosowań budowlanych zakres ten
wyznaczają temperatury otoczenia (zarówno najwyższe w ciągu dnia, jak i najniższe w
zimie lub w nocy), temperatury komfortu cieplnego, a także rodzaj ogrzewania
podłogowego, jeżeli materiał PCM jest wkomponowany w podłogę ogrzewaną.
Materiały wspomagające elektryczne ogrzewanie podłogowe mogą mieć temperaturę
topnienia nawet powyżej 60oC. Obecnie na rynku dostępne są materiały PCM pracujące
w zakresie od -100°C do +855°C.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła przemian fazowych
Przewodność cieplna materiału zmiennofazowego powinna wysoka gdyż materiał taki
powinien efektywnie pochłaniać lub uwalniać ciepło, i to w warunkach, kiedy między
układem a otoczeniem istnieją niewielkie różnice temperatury (niewielkie gradienty
temperatury w warstwie zawierajÄ…cej PCM).
Jeżeli substancja nie spełnia tego warunku, stosuje się różne techniki mające na celu
zwiększenie efektywnej przewodności cieplnej, zwykle przez dodawanie materiałów
zwiększenie efektywnej przewodności cieplnej, zwykle przez dodawanie materiałów
dobrze przewodzących, takich jak grafit lub wióry metalowe. Poprawę transportu ciepła
do/z materiału PCM zapewnia też stosowanie powierzchni użebrowanej w zasobnikach,
oraz używanie w strukturach kompozytowych materiału bardzo rozdrobnionego (np. w
postaci mikro-granulatu).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła przemian fazowych
Brak przechłodzenia w czasie zestalania (ang. supercooling). W niektórych materiałach proces
zestalania rozpoczyna się nie w chwili osiągnięcia temperatury topnienia, lecz po przechłodzeniu fazy
ciekłej do temperatury znacznie niższej od Ttopnienia (o kilka, a czasami kilkanaście stopni). W tym
drugim przypadku czynnik odbierający ciepło (otoczenie) powinien mieć temperaturę niższą niż
temperatura przechłodzenia. W przypadku zastosowań materiałów PCM w budownictwie, Totoczenia jest
to najniższa temperatura w pomieszczeniu (np. dolny zakres temperatury komfortu cieplnego), lub
temperatura powietrza zewnętrznego w porze nocnej (gdy materiał jest zastosowany na zewnątrz).
Jeżeli w materiale PCM występują duże przechłodzenia, jego zastosowanie w budownictwie jest
Jeżeli w materiale PCM występują duże przechłodzenia, jego zastosowanie w budownictwie jest
nieuzasadnione, ponieważ mogą nie wystąpić warunki zapewniające jego zestalenie, a więc materiał
ten przestanie  pracować jako cykliczny zasobnik ciepła.
Ttopnienia
przechłodzenie
Totoczenia, min
Czas
Zmiany temperatury materiału PCM w czasie zestalania przy braku przechłodzenia
(po lewej) i z przechłodzeniem (po prawej)
Temperatura
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła przemian fazowych
Stabilność w wielu cyklach topnienie-zestalanie. W zastosowaniach w budownictwie,
materiał zmiennofazowy podlega najczęściej dobowym cyklom topnienie-zestalenie
(pochłanianie i uwalnianie ciepła), powinien więc zachować swoje właściwości w ciągu kilku
do kilkunastu tysięcy takich cykli. Wiele materiałów, które mają wysoką pojemność cieplną,
nie spełnia tego warunku. Dotyczy to szczególnie substancji o złożonej budowie, np.
hydratów. Hydraty tworzą ściśle określoną strukturę krystaliczną. Jednakże ze względu na
hydratów. Hydraty tworzą ściśle określoną strukturę krystaliczną. Jednakże ze względu na
różną gęstość składników (wody i soli) w czasie krystalizacji może dojść do segregacji
składników  zamiast kryształu tworzy się woda z osadem soli, substancja, która nie ma
właściwości akumulacyjnych hydratu. Istnieją sposoby zapobiegania segregacji w czasie
zestalania. Najczęściej osiąga się to przez dodawanie substancji zwiększających lepkość w
fazie ciekłej, np. związków pochodnych celulozy (tzw. żelowanie).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła przemian fazowych
Oprócz wcześniej wymienionych istnieje szereg innych właściwości i parametrów, które także
mogą mieć wpływ na szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne:
niskie ciśnienie nasycenia par (zbyt wysokie ciśnienie pary wymusza konieczność
stosowania ciśnieniowych zasobników materiału PCM),
małe zmiany objętości w czasie topnienia , zbyt duża zmian objętości wymaga stosowania
małe zmiany objętości w czasie topnienia , zbyt duża zmian objętości wymaga stosowania
specjalnych zasobników lub bardzo dużego rozdrobnienia materiału (mikrokapsułki),
stabilność chemiczna,
kompatybilność z materiałami budowlanymi (cement, gips) oraz metalami i tworzywami
sztucznymi,
względy bezpieczeństwa  nietoksyczność, niepalność,
niska cena,
możliwość regeneracji.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe (PCM) w budownictwie
Materiały zmiennofazowe wykorzystuje się najczęściej w postaci wkomponowanych elementów
w strukturę budynku. Pozwala to zwiększyć jego pojemność (bezwładność) cieplną. Duża
bezwładność cieplna konstrukcji budynku (zdolność do akumulacji ciepła) przyczynia się do
poprawy jego efektywności energetycznej, co przejawia się zmniejszeniem zużycia energii
niezbędnej do utrzymania warunków komfortu cieplnego.
Materiały PCM są wykorzystywane także do pasywnego chłodzenia sprzętu elektronicznego i
budynków, w elektrowniach słonecznych, do odzysku ciepła odpadowego
budynków, w elektrowniach słonecznych, do odzysku ciepła odpadowego
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
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Rodzaje materiałów zmiennofazowych
Ze względu na wyraz
nie różne właściwości, materiały zmiennofazowe PCM
dzieli siÄ™ na:
organiczne
nieorganiczne.
Ze względu na ilość składników substancje PCM dzieli się na:
substancje jednorodne,
mieszaniny zwykłe,
mieszaniny eutektyczne.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe organiczne
Organiczne PMC to węglowodory nasycone (alkany, parafiny) o liczbie atomów węgla w
łańcuchu od 16 do 20, kwasy tłuszczowe, estry, alkohole (np. dodekanol) i inne pochodne
węglowodorów. Do tej grupy zalicza się także polimer glikolu etylenowego (PEG600).
Zalety:
- stabilność w wielu cyklach topnienia-zestalania,
- zestalanie bez przechłodzeń,
- zestalanie bez przechłodzeń,
- wysokie ciepło przemiany fazowej
Wady:
- stosunkowo drogie ,
- bardzo niska przewodność cieplnÄ… (rzÄ™du 0,15÷0,30 W/(m·K)),
- dużą rozszerzalność objętościową w procesie topnienia
- palność (jest to istotne tylko przy dużych koncentracjach materiału PCM, powyżej 20%).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe organiczne
Materiał Temperatura Ciepło
topnienia topnienia
W tabeli przedstawiono wybrane
[oC] [kJ/kg]
materiały organiczne, które są stosowane
(lub brane pod uwagÄ™) w budownictwie. Ester kawasu stearynowego i 18-23 140
butanolu
Dużą grupę materiałów w tablicy stanowią
Ester kwasu palmitynowego i 19 186
mieszaniny kwasów tłuszczowych. W
propanolu
wyniku mieszania substancji zmniejsza siÄ™
Dodecanol 17-23 189
Dodecanol 17-23 189
ciepło przemiany fazowej (co jest
ciepło przemiany fazowej (co jest
niekorzystne), jednakże można w ten
Kwas kaprynowy (82%) 19.1-20.5 147
Kwas laurynowy (18%)
sposób dopasować temperaturę
przemiany fazowej do konkretnego Kwas kaprynowy (61.5%) 19.1 132
Kwas laurynowy (38.5%)
zastosowania. Kwasy kaprynowy,
Kwas kaprynowy (45%) 21 143
laurynowy i mirystynowy majÄ… wysokie
Kwas laurynowy (55%)
temperatury topnienia (odpowiednio 32,
Kwas kaprynowy (76.5%) 22 171
43 i 58oC), ale ich mieszaniny topiÄ… siÄ™ w
Kwas laurynowy (23.5%)
temperaturze ok. 20oC, czyli takiej, jaka
Kwas kaprynowy (73.2%) 21.4 152
jest wymagana przy zastosowaniach
Kwas laurynowy (26.5%)
budowlanych.
Polimer glikolu etylenowego 22 127
PGE600
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe nieorganiczne
Nieorganiczne PCM to przede wszystkim sole, ich hydraty oraz mieszaniny eutektyczne.
Zalety:
- bardzo wysokie ciepło topnienia (znacznie powyżej 200 kJ/kg)
- wysokie (wyższe w stosunku do organicznych) przewodności cieplne ,
- sÄ… niepalne.
Wady:
- przy zestalaniu występują często kilkunastostopniowe przechłodzenia,
- niestabilne w procesach przemian fazowych (dotyczy to hydratów, które ulegają całkowitej
segregacji na sól i wodę często już po kilku cyklach topnienie-zestalanie). Wysoka pojemność
cieplna hydratów uzasadnia podejmowanie starań w celu usunięcia tych wad przez
zastosowanie dodatków przyspieszających krystalizację i stabilizujących.
-korozyjne działanie niektórych typu substancji zarówno na materiały budowlane jak i metale
(co powoduje, że nie można bezpośrednio mieszać tego typu substancji z materiałami
budowlanymi i dobór materiału na zasobnik wymaga specjalnej uwagi).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe nieorganiczne
W tabeli przedstawiono materiały nieorganiczne, stosowane w budownictwie oraz substancje
średniotemperaturowe, które wykorzystywane są w układach ogrzewania podłogowego.
Materiał Temperatura topnienia [oC] Ciepło topnienia [kJ/kg]
KF 4H2O 18.5 231
Mn(NO2) 6H2O 25.8 126
2
CaCl 6H O 29-30 171-190
CaCl2 6H2O 29-30 171-190
LiNO2 3H2O 30 196
Na2SO4 10 H2O 32 254
Na2HPO4 12H2O 35-44 280
Na2S2O3 5H2O 48-55 187-209
Na(CH3COO) H2O+Na2HPO4 7H2O 58 226-264
CaCl2(48%)+H2O(47%) +NaCl(4.3%)+KCl 27 188
(0.4%)
MgNO3 6H2O(58.7%)+MgCl26H2O(41.3%) 58-59 132
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe mieszaniny eutektyczne
Eutektyk (eutektyka, mieszanina eutektyczna) to mieszanina dwóch lub
więcej faz krystalicznych o określonym składzie, która wydziela się z
roztworów ciekłych lub stopów w określonej temperaturze, zwanej
temperaturą eutektyczną. Jest ona na ogół znacznie niższa od
temperatury krzepnięcia czystych składników. Kryształy eutektyku są
temperatury krzepnięcia czystych składników. Kryształy eutektyku są
czystymi kryształami składników lub roztworami stałymi o różnych
składach.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe - gotowe wyroby
Obecnie na świecie wytwarzaniem materiałów zmiennofazowych do zastosowań
budowlanych, jak również produkcją gotowych wyrobów, zajmuje się kilkadziesiąt
dużych firm. Do najbardziej znanych należy zaliczyć: Rubitherm, Doerken, BASF
(Niemcy), EPS Ltd. (Wielka Brytania), PCM Thermal Solutions (USA), Climator
(Szwecja), Cristopia (Francja), Mitsubishi Chemical (Japonia), TEAP Energy (Australia),
PCMS (Chiny), PlusPolimer (Indie).
PCMS (Chiny), PlusPolimer (Indie).
Produkty handlowe mają postać gotowych elementów, np. płyt gipsowo-
kartonowych czy też elastycznych torebek z materiałem
zmiennofazowym, które mogą stanowić wypełnienie zasobników ciepła.
Dostępne są też półprodukty, np. granulat do wytwarzania zaprawy
gipsowej lub warstw akumulacyjnych w podłodze.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe - gotowe wyroby
Nazwa Tt Ct Rodzaj Producent
handlowa [oC] [kJ/kg materiału
Granulat firmy BASF (®Micronal), kuleczki
]
polimerowe wypełnione organicznym
RT20 22 130
materiałem PCM mają średnice od
RT27 28 179 parafina
kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów
RT31 31 168
(szerokość obrazu ok. 1,8 mm)
Rubitherm
SP 22 A4 22 165 eutektyka
SP 25 A8 25 180
SP 25 A8 25 180
ClimSetC22 22 144
ClimSetC24 24 108
ClimSetC28 28 126 Hydraty Climator
ClimSetC32 32 195 soli
STL 27 27 213 Hydrat Mitsubishi
soli
STL 27 27 207 Hydrat Cristopia
soli
HS 22 22 190 Materiał Plus Polimer Indie
HS 22 24 155 nieorganiczny
HS 22 29 205
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Materiały zmiennofazowe (PCM) w budownictwie- przykład
Światło przenika przez szyby o niskiej przepuszczalności cieplnej, druga warstwa
przeszklenia posiada powierzchnię pryzmatyczną, która pełni rolę sezonowej ochrony przed
przegrzewaniem. Latem, gdy promienie słoneczne padają pod dużym kątem, są one
odbijane przez powierzchniÄ™ pryzmatycznÄ… z powrotem na zewnÄ…trz. ZimÄ… promienie
padają pod małym kątem i przenikają przez powierzchnię pryzmatyczną do wewnątrz.
Ostatnią warstwę stanowią kostki z tworzywa sztucznego, wypełnione parafiną, warstwa ta
magazynuje ciepło. Zastosowany wosk w temperaturze pokojowej przyjmuje stan ciekły, a
magazynuje ciepło. Zastosowany wosk w temperaturze pokojowej przyjmuje stan ciekły, a
przy zmianie stanu skupienia magazynuje ciepło.
Podczas słonecznego zimowego dnia, ściana
(po roztopieniu siÄ™ wosku) staje siÄ™
jaśniejsza i przepuszcza więcej światła. Przy
niskich temperaturach ściana oddaje
zgromadzoną energię do wnętrza i znów się
przyciemnia (wosk zastyga). Latem ściana
pozostaje przyciemniona, dzięki odbijaniu
letnich promieni przez warstwÄ™
pryzmatycznÄ… (wosk siÄ™ nie topi).