970×90

Materiały zmiennofazowe i ich zastosowanie w wentylacji

Nowy obraz mapy bitowej (2)

Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne stosowane w budynkach mieszkalnych, przemysłowych oraz użyteczności publicznej mają za zadanie stworzyć w pomieszczeniu mikroklimat odpowiedni dla ludzi w nim przebywających. Mikroklimat pomieszczenia to zbiór parametrów, które mają wpływ na każdy żywy organizm. Odpowiedni mikroklimat w pomieszczeniu, w którym przebywa człowiek zapewnia mu dobre samopoczucie i umożliwia uzyskanie wysokiej wydajności pracy. Fakt ten ma duże znaczenie biorąc pod uwagę, że w obecnych czasach człowiek przebywa w zamkniętych pomieszczeniach około 70-80 % swojego życia. Mikroklimat pomieszczenia nierozerwalnie łączy się z pojęciem komfortu cieplnego człowieka. Komfort cieplny człowieka to stan w którym organizm utrzymuje się w równowadze termicznej z otoczeniem. Czynniki środowiskowe mające wpływ na komfort cieplny odczuwany przez człowieka są w większości kształtowane przez urządzenia wentylacyjne i klimatyzacyjne [2]. W sezonie letnim, gdy temperatury powietrza zewnętrznego utrzymują się na wysokim poziomie ważne jest zapewnienie dostawy chłodu do budynku.

 

Jedną z klasycznych metod chłodzenia budynków jest chłodzenie wentylacyjne. Zwykle chłodzenie wentylacyjne polega na wprowadzaniu do pomieszczeń świeżego i chłodnego powietrza z zewnątrz z zapewnieniem odpowiedniej jego prędkości. Proces ten odbywa się głównie w ciągu dnia, gdy aktywność ludzi w budynkach jest zwiększona. Innym wariantem powyższego chłodzenia jest nocne chłodzenie wentylacyjne, w którym przegrody budowlane schładzane są w nocy i działają jako pochłaniacz ciepła z powietrza wewnętrznego
w ciągu dnia. Jedną z odmian nocnego chłodzenia jest metoda zwana free coolingiem.

Metoda free coolingu opiera się na magazynowaniu chłodu dostępnego na zewnątrz w nocy i wykorzystywaniu go do chłodzenia powietrza wewnętrznego w ciągu dnia.

Na ogół energia cieplna na potrzeby free coolingu jest gromadzona przez zmianę energii wewnętrznej materiału magazynującego (ciepło jawne), poprzez zmianę fazy materiału magazynującego (ciepło utajone) lub występuje jako kombinacja tych dwóch metod [4]. Pierwszy sposób wymaga jednak znacznie większych ilości i objętości materiału magazynującego niż pierwszy [1].

Materiałami magazynującymi mogą być tzw. materiały zmiennofazowe znane jako PCM-y.

Działanie free coolingu składa się z dwóch etapów:

  • Pierwszym z nich jest etap ładowania, kiedy to materiał magazynujący ulega krzepnięciu. Proces ten przebiega w nocy, kiedy temperatura otoczenia jest niższa od temperatury wewnątrz pomieszczenia. Chłodne powietrze pobrane z zewnątrz opływa jednostki magazynujące, odbierając ciepło od materiału magazynującego i powodując tym samym zmianę jego fazy. Etap ten trwa do momentu kiedy temperatura otoczenia jest odpowiednio niższa niż temperatura zmiany fazy stałej PCM-u, na ciekłą. Etap ładowania został przedstawiony na rysunku 2a, zamieszczonym poniżej.

 

  • Drugim etapem jest etap rozładowywania, kiedy to następuje chłodzenie powietrza. Zmagazynowany w PCM chłód, zostaje rozładowywany kiedy temperatura powietrza wewnętrznego wzrośnie powyżej granicy komfortu. Gorące powietrze opływa jednostki magazynujące, oddając ciepło do PCM który po procesie ładowania jest w stanie stałym. W ten sposób powietrze wewnętrzne ochładza się do temperatury komfortowej i poprzez wentylator trafia do strefy przebywania ludzi. Natomiast PCM dzięki oddanemu przez powietrze ciepłu zaczyna ulegać procesowi topnienia. Proces rozładowywania przedstawiono na rysunku 2b. W czasie ładowania przepływ powietrza powinien być od 3 do 4 razy większy niż w procesie rozładowywania.
Zasada działania free coolingu, a) etap ładowania, b) etap rozładowywania
Rys.1. Zasada działania free coolingu, a) etap ładowania, b) etap rozładowywania (Waqas i in., 2013)

 

Do zaprojektowania jednostki chłodzącej niezbędna jest znajomość temperatury przemiany fazowej danego PCM-u. W procesie rozładowywania temperatura powietrza opuszczającego jednostkę chłodzącą powinna wahać się w granicach komfortu cieplnego, czyli dla sezonu wiosenno-letniego wynosić 23 ÷ 27°C. Jednocześnie zaleca się by temperatura topnienia PCM-u miała wartość 19 ÷ 24°C [4].

PCM-y dzielą się na trzy podstawowe kategorie, są to :

  • PCM-y organiczne

  • PCM-y nieorganiczne

  • Eutektyki.

Wybór materiału na potrzeby free coolingu odbywa się na podstawie warunków klimatycznych oraz pożądanej temperatury powietrza na wyjściu z jednostki chłodzącej. Najszerzej, bo aż w 67% zostały zbadane parafiny, należące do grupy PCM-ów organicznych. Główną wadą parafin jako materiałów zmiennofazowych jest ich niska przewodność cieplna wynosząca około 0,2 W/m·K, która utrudnia ich zastosowanie na szeroką skalę. Natomiast charakteryzują się dużą pojemnością cieplną kształtującą się na poziomie 130 kJ/kg w zakresie temperatur 15 ÷ 30°C, czyli w granicach komfortu cieplnego dla budynków w większości krajów. Ponadto cechuje je brak właściwości korozyjnych oraz nie powodowanie zjawiska dochłodzenia. To zjawisko najczęściej występuje w PCM-ach z soli hydratyzowanych (grupa PCM-ów nieorganicznych) i wymusza konieczność schłodzenia materiału poniżej temperatury topnienia, zanim ulegnie procesowi krzepnięcia. Z powodu dochłodzenia PCM wymaga dodatkowego czasu podczas krzepnięcia. PCM-y nieorganiczne wykazują charakter korozyjny w stosunku do większości metali, ale mają wysoką temperaturę topnienia, dobrą przewodność cieplną i są tanie. Ponadto cechuje je niepalność, w przeciwieństwie do parafin.

Materiały zmiennofazowe zaczęły być uznawane za magazyny ciepła już przed rokiem 1980. Od tamtego czasu zaczęto intensywnie je badać. Dowiedziono, że PCM-y są w stanie zwiększyć bezwładność cieplną ścian budynku i w połączeniu takiej ściany z izolacją, znacznie zmniejszyć zużycie energii przez budynek oraz wyrównać wahania temperatury w jego wnętrzu [3].

Zaletą wykorzystywania do free coolingu materiałów zmiennofazowych jest:

  • wysoka gęstość magazynowania energii oraz izotermiczny przebieg procesu.
  • PCM-y charakteryzują się wysokim ciepłem topnienia i krzepnięcia w danej temperaturze.
  • Materiały zmiennofazowe zdolne są do przechowywania i uwalniania dużej ilości energii cieplnej w danym zakresie zmiany temperatury. Energia cieplna jest absorbowana i uwalniana kiedy materiał magazynujący zmienia swój stan skupienia ze stałego na ciekły i odwrotnie.

System free coolingu o mocy równej mocy konwencjonalnej jednostki klimatyzacji, zużywa o 9 % mniej energii elektrycznej, a jej koszt inwestycyjny choć 10 % wyższy, zwraca się po około 3-4 latach. Zastąpienie tradycyjnych systemów wentylacji czy klimatyzacji systemami free coolingu przyczyniło by się zatem do zmniejszenia poboru energii elektrycznej przez budynek, jak również do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla [4].

Opracowała: mgr inż. Wiktoria Matyjaszczyk
 
Bibliografia:
  • [1]. Agyenim F., Hewitt N., Eames P., Smyth M., 2010, A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS), Renewable and Sustainable Energy Reviews,14, 615-528 
  • [2]. Baumgarth S., Hörner B., Reeker J., Poradnik klimatyzacji. Tom I: Podstawy, C.F Müller, Poznań 2011. 
  • [3]. Barreneche C., Ines Fernandez A., Niubo M., Chimenos J., Espiell F., Segarra M., Sole C., Cabeza L., 2013, Development and characterization of new shapestabilized phase change material (PCM)—Polymer including electrical arc furnace dust (EAFD), for acoustic and thermal comfort in buildings, Energy and Buildings, 61,210-214. 
  • [4]. Waqas A., Zia U., 2013, Phase change material (PCM) storage for free cooling of buildings-A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews,18, 607-625 

Zostaw odpowiedź

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


dziewięć − = 5