PCM technologie a sádrové desky s vysokou tepelnou akumulací

Význam tepelné akumulace stěn je v poslední době u nás zlehčován a to přesto nebo právě proto, že jde o tradiční hodnotu českého stavitelství i ve výstavbě pro bydlení. Naproti tomu v zemích, kde kamenné stavby pro bydlení nemají tradici, jsou hledány cesty, jak u konstrukcí z deskových materiálů a izolantů tepelnou akumulaci docílit. Výsledkem tohoto snažení je tzv. CPM technologie aplikovaná na sádrové desky.

Jestliže je do porézní struktury stavební desky impregnována látka, která taje při teplotě kolem 25 °C (nebo obecně při této teplotě mění skupenství) tak, že k této fázové změně je třeba velkého množství tepla, potom získává deska novou akumulační schopnost. Teplo, které deska pohltí od okolního ohřátého vzduchu, se v desce nejprve spotřebuje ke změně skupenství impregnační látky a teprve potom k jejímu ohřátí. Akumulační schopnost desek může být vysoká proto, že skupenská tepla (specifická tepla fázových změn) přidaných látek bývají o více než dva řády větší než je číselná hodnota specifické tepelné kapacity pevných stavebních materiálů.

Impregnační látky, které jsou přidávány do stavebních materiálů a které mění při teplotě kolem 25 °C skupenství, se nazývají v anglosaské literatuře zkratkou PCMs (Phase Change Materials). Způsoby jejich aplikace ve stavebních konstrukcích jsou označovány jako PCM technologie.

Je zřejmé, že látkou s fázovým přechodem při optimální pokojové teplotě lze impregnovat jakoukoliv stavební desku, ovšem význam mají pouze desky dostatečně porézní, což je např. případ sádrokartonu, který je až ze dvou třetin vyplněn póry a kapilárami. U sádrových desek v tomto článku zůstaneme.

V tab. 1 jsou uvedeny teploty tání a skupenská tepla tání některých látek, které jsou používány v PCM technologii při zatím nejrozšířenější aplikaci na sádrokartonových deskách. Návod pro hledání vhodných látek je zdánlivě snadný: fázový přechod, nejčastěji teplota tání vhodné látky je mezi 20 a 30 °C s tím, že teplotní interval, během kterého probíhá fázová změna, musí být:

a) nejlépe mezi teplotami 20 až 25 °C,
b) dostatečně ostrý, tj v rozmezí cca 1 °C,

Z druhé podmínky plyne, že je nutno hledat mezi tzv. analyticky čistými látkami s definovanými molekulami. Obvykle nelze hledat např. mezi polymerními látkami, které jsou tvořeny zpolymerovanými molekulami různých délek a které nemají pevně definovaný bod tání, nýbrž širokou teplotní oblast postupného měknutí. Zpočátku byly tyto látky hledány mezi anorganickými sloučeninami, jako jsou hydrosole typu Glauberova sůl NaSO₄·10H₂O, která taje při teplotě 32 °C, či jiné sole.
Brzy se však začalo hledat v oblasti organické chemie. Dnes se pro převážnou většinu aplikací PCM technologie ve stavebnictví používají parafíny (vosky), vyšší mastné kyseliny (např. laurová, kaprová), estery vyšších karboxylových kyselin (stearáty, palmitáty) apod. Dobrý vstup do problematiky PCM je např. v [2]. Nejstarší, přesto používaný postup je, že se impregnační látka - PCM se roztaví a do taveniny se cca na 10 min. ponoří deska. Tímto způsobem se docílí max. 30 % hmotnostního podílu složky s fázovou změnou. Jiný způsob je přimíchat granule PCM do mokré sádrové, suspenze a nechat ztvrdnout.
Oběma technikami ale většinou nelze docílit dobrého výsledku zejména kvůli problémům s malou tepelnou vodivostí a komplikovaným přenosem tepla.

Novější způsob je požívat mikrokapslí (mikrogranulí) PCM o rozměrech 100 až 250 mikronů, které se před mokrým procesem při výrobě desky dobře promísí se sádrovým prachem. Takto, v podstatě náhodným uspořádáním mikrokapslí z PCM, se docílí až 46 % hmotnostního podílu složky s fázovou změnou.
Nejnovější způsob, který rozvíjí především světový koncern BPB, používá tzv. laminované sádrové desky, kde jsou částice o rozměrech do 2,5 desetin milimetru pravidelně uspořádány v čtvercové nebo trojúhelníkové síti s periodou v řádu milimetrů. Trojúhelníková síť je lepší než čtvercová z hlediska transportu a rychlosti transportu tepla. Menší laminované částice PCM uvolňují více tepla než částice velké a také se ukázalo, že jsou méně náchylné k migraci do hloubky desky.
Laminované desky docílily ca 56 % hmotnostního podílu, který v celkové akumulační bilanci připadá na latentní teplo fázové změny, proti 46 % u desek s náhodným uspořádáním částic PCM. Laminované desky mohou uvolnit o 31 % více tepla než desky s náhodnou texturou. Více o tom v [3].

Měření a hodnocení

Základní a přitom srozumitelnou veličinou, podle které lze dobře hodnotit účinnost různých PCM, je veličina, která se v anglosaské literatuře nazývá duration index, jež by se mohla česky nazvat index (teplotní) setrvačnosti. Ten je dán výrazem:

I je index setrvačnosti,
h_f je skupenské teplo fázové změny,
ρ je hustota PCM,
T je teplotní interval, uvnitř kterého se považuje teplota desky za stabilizovanou.

Index I je mírou toho, jak dlouho zůstane daná látka PCM na konstantní teplotě beěhem fázové změny. Dalším parametrem je již zmíněný hmotnostní podíl PCM v sádrové desce. Čím je větší, tím je efekt teplotní stabilizace silnější.

Pro zjištění časového průběhu teplotního pole v desce je již potřeba použít silnějších matematických nástrojů, tzn. řešit rovnici vedení tepla, ve které vystupují oblasti s částicemi PCM jako aktivní tepelné zdroje. Problematice PCM technologií se budeme věnovat v dalších číslech tohoto časopisu.

Literatura a odkazy:

[1] Hawes D.W., Feldman D., Banu D.:, Energy and Building, 20 (1993), pp. 77-86.
[2] Rutr Kelly BSc. (Eng): Latent heat storage in building materials, AMEC Design, http://www.cibse.org/pdfs/Latent% 20heat%20storage.pdf
[3] Darkwa Jo: Development of phase change drywall systems, Applied Energy & Environmental Engineering Group (AE&EEG), Nottingham Trent University. http://www.iukt.com/Presentations/BE%2004walls.ppt