Stálá teplota v létě pomocí technologie PCM
Materiály, které při teplotě okolo 25 °C mění látkové skupenství a tím uvolňují nebo přijímají velké skupenské (latentní) teplo, se začínají používat k pasivní stabilizaci vnitřní teploty staveb. Vžila se pro ně zkratka PCM (z angl. Phase Change Materials). Při změně z pevného do tekutého stavu, kdy se teplota téměř nemění, pohltí PCM ca 200krát více tepla než stejná hmota betonu při ohřátí o 1 °C. Při tuhnutí totéž teplo vydá. Teplotu v interiéru lze tak s PCM stabilizovat k určité hodnotě, což je na rozdíl od běžné akumulace nová kvalita.
V časopise Stavebnictví a interiér č. 2/2005 [1] jsme jsme jako první v republice popsali naší odborné veřejnosti princip PCM technologie na jednom konkrétním příkladě - při zvyšování tepelně akumulačních vlastností sádrových desek. Byly zde popsány výrobky společnosti BPB, která je v České republice známá dík dceřiné společnosti Rigips, s.r.o.
V tomto příspěvku popíšeme způsob, kdy je PCM (česky by se dalo říci také látka sdílející latentní teplo) neprodyšně uzavřena v obalech různých velikostí a tvarů. Většinou to jsou ploché sáčky (v anglické literatuře se jim někdy říká pouches, pošetky), které bývají sdružovány po 4 a více do větších montážních rohoží či panelů, mohou to být ale také kusové prvky - kapsle, polštářky, váčky, koule apod., se kterými se pracuje jako se sypkým materiálem (viz obr. 1). Rohožemi či kusovým materiálem se vyplní dutiny ve stropech, případně stěnách a podlahách tak, aby jimi mohl cirkulovat vzduch z interiéru a zásobovat tak interiér teplem nebo chladem od PCM.
Ve srovnání se sádrokartonovými aplikacemi je tento způsob využití PCM univerzálnější, intenzivnější (lze nasadit prakticky libovolné množství PCM) a při dobrém návrhu účinnější (transport chladu od PCM je podpořen prouděním vzduchu). Nevýhodou je komplikovanější návrh stavebního řešení a vyšší pracnost. Výsledky, které to může přinést, mohou ale být neočekávaně dobré.
Základní vlastnosti PCM
Záleží na výběru vhodného PCM a na kvalifikovaném stanovení jeho celkové hmotnosti (a plošné hmotnosti v konstrukcích, kam jej uvažujeme umístit), aby docílený efekt teplotní stability byl optimální a v souladu s plány a přáními investora. Jako ukázku průmyslové vyráběného PCM určeného pro stavebnictví vezmeme systém DELTA-COOL 24, který je v technické dokumentaci výrobce - německé firmy Dörken GmbH & Co. KG - dobře popsán1. V dalším textu budeme mít pod zkratkou PCM-D na mysli materiál obsažený ve výrobku DELTA-COOL 24 firmy Dörken GmbH & Co. KG. Závěry uvedené v článku jsou však velmi dobře přenositelné i na výrobky z PCM jiných typů a značek. „Teplotně stálé polštáře DELTA-COOL 24 využívají vysoké tepelné kapacity dané sdílením latentního tepla PCM, který je zapouzdřen injektováním PCM do pětivrstvé laminované fólie,” říká firemní prospekt, ve kterém firma Dörken sděluje, že tento systém vyvinula hlavně pro účely pasivního chlazení. Systém účinkuje jako chladič umístěný ve stropu nebo stěnách budovy za účelem zvýšení efektu velké stavební hmoty a pomáhá tak stabilizovat vnitřní teplotu budov. Myslí se všech typů budov, domů, speciálně pak lehkých montovaných rodinných domů a ostatních staveb včetně kontejnerů a obytných buněk, velkých i malých. Jednoduché schéma stropní aplikace PCM-D je na obr. 2.
Nejdůležitější vlastnosti PCM-D ukazuje tab. 1. Vedle vlastností, které se vztahují k obecným požadavkům na výstavbu, je důležité specifické skupenské teplo tání PCM-D, případně jeho hustota, specifická tepelná kapacita a součinitel tepelné vodivosti pod a nad bodem tání.
Porovnáním hodnot specifické skupenského tepla PCM-D a specifické tepelné kapacity betonu dojdeme k důležitému zjištění. Jeden m2 betonové zdi o tloušťce 300 mm a hmotnosti 660 kg, která je dobře tepelně izolována z venkovní strany2 a která se vlivem trvalé vysoké venkovní teploty ohřeje z teploty 21 °C na 25 °C, pohltí celkové teplo 554,4 kJ. Stejné teplo při stejném vzrůstu teploty pohltí díky přechodu z pevné do kapalné fáze pouhých 3,38 kg PCM-D o objemu 2,24 l. Jinými slovy, necelých 2,5 litru PCM-D má (v rozmezí teplot 21 °C až 25 °C) podobný akumulační účinek jako hmota betonu o objemu 300 l.
Obr. 1: DELTA-COOL® 24 s chladicí systém na principu látek sdílejících latentní teplo, tzv. PCM, který je dodáván v různých způsobech neprodyšných obalech a zapouzdřeních. Zdroj: Dörken GmbH & Co. KG
Dlouhodobá teplotní stabilizace
Další příklad, jak význam čísel z tab. 1 přiblížit, se týká dřevostaveb, přesněji lehkých staveb z dřevěných nosníků, tepelné izolace a tenkostěnných desek. Jestliže každý čtvereční metr obálkových stěn bude ve smyslu zmíněných úvah obohacen 3,5 kg PCM-D, potom v létě přesáhne vnitřní teplota této lehké stavby hodnotu 24 °C později, než v případě celobetonové stavby (s vnější tepelnou izolací), která je vzorem vysoké tepelné akumulace.
Uveďme další příklad, ve kterém si pro účely tohoto článku zavedeme jednoduchou vzorovou budovu o rozměrech 10 x 10 x 3 (m), vnitřním objemu V = 300 m3 a vnitřní plochou nadzemní obálky S = 220 m2. Budiž je hned za vnitřní pohledovou deskou obvodových stěn a stropů budovy instalována rohož PCM-D o plošné hmotnosti 20 kg/m2. Při uvedené ploše obálky to představuje hmotnost PCM-D 4,4 tuny. Pro ohřátí takové stěny z 21 °C na 25 °C je třeba 721.160 kJ tepla. Pokud střední součinitel prostupu tepla obálkou bude 2 W/(m2·K), což je na současný standard nevyhovující hodnota, potom při setrvalé venkovní teplotě 40 °C dojde z roztavení PCM-D a stoupnutí teploty nad 25 °C až za více než 28 hodin (při venkovní teplotě 35 °C za 41 hodin). S takovou „termostabilizační přizdívkou” je možné překlenout i déle trvající období, pokud noční teploty klesnou pod 24 °C, kdy roztavený podíl PCM-D může tuhnout. Uvedené intervaly stabilní teploty se ovšem zkrátí větráním a také tehdy, když na chladných sáčcích PCM dojde ke kondenzaci vodní páry.
Principy chlazení PCM
- Mimo teplotu tání se PCM-D z pohledu tepelně akumulačních vlastností chová podobně jako běžný stavební materiál, tzn. jeho teplota úměrně roste s dodaným teplem. Konstantou úměrnosti je specifická tepelná kapacita pevné, resp. kapalné fáze, která je pro popisovaný PCM-D cs = 2,7 kJ·kg-1·K-1 resp. cl = 2,2 kJ·kg-1·K-1 (viz. tab. 1). Pro srovnání pro beton je c = 0,84 kJ·kg-1·K-1, cihelný blok c = 0,960 kJ·kg-1·K-1, polystyren c = 1,550 kJ·kg-1·K-1, dřevo c = 2,510 kJ·kg-1·K-1.
- Jakmile teplota PCM-D vystoupá na 24 °C, je další pohlcené teplo využito k tání PCM-D, nikoliv ke zvyšování teploty, a naopak při poklesu na 24 °C způsobí další uvolněné teplo tuhnutí, nikoliv klesání teploty. Teplota taveniny, v níž plavou neroztavené kusy, se drží na stejné hodnotě 24 °C tak dlouho, dokud veškerý PCM-D buď neroztaje nebo neztuhne3. Vratný přechod PCM-D z pevné fáze na kapalnou a naopak vyžaduje výměnu velkého množství latentního tepla s okolím, které je dáno hodnotou specifického tepla tání 158 kJ·kg-1.
- Již při relativně malém množství představuje PCM-D vydatný zásobník tepla a zároveň chladu, schopný stabilizovat vnitřní teplotu. Oproti stabilizaci založené na běžné tepelné akumulaci velké hmoty (např. betonu), jejíž teplota a potažmo i teplota interiéru závisí na množství v ní akumulovaného tepla, je s pomocí PCM-D teplota stabilizována na konstantní jmenovitou úroveň 24 °C. To je nová kvalita v oblasti pasívních tepelně technických řešení staveb. „Pracovní dobu”, po kterou PCM-D udržuje vnitřní teplotu na jmenovité úrovni, lze snadno nastavit množstvím PCM-D a vhodným systémem samovolného větrání, který odvádí chlad či teplo od PCM-D do interiéru. Teplotní stabilizace na úrovni 24 °C může trvat i celé léto, pokud jsou nejnižší denní teploty pod touto úrovní a nejvyšší nad ní.
Poznámky pro navrhování a provádění
- Systém chlazení a termostabilizace PCM-D je výrobcem určen zejména pro letní chlazení a stabilizaci vnitřní teploty na úrovni 24 °C. Ideální je tento systém pro venkovní podmínky se střední denní teplotou 24 °C, kdy noční minima klesají i hluboko pod tuto teplotu a denní maxima stoupají vysoko nad ní. Jak bylo uvedeno, dobrý návrh PCM-D překlene i déle trvající tropické teploty.
- Podmínkou pro dobrou funkčnost je intenzívní, nejlépe spontánní výměna tepla mezi PCM-D a vnitřním prostředím. Chladivé sáčky (rohože) PCM-D je vhodné umístit např. nad stropní podhled s větracími mezerami, viz obr. 2 a 4.
Vliv větrání na stabilitu teploty
Stoupne-li teplota venkovního vzduchu nad teplotu tání PCM-D, tedy 24 °C, je vhodné omezit větrání jen na hygienicky nutnou výměnu vzduchu. Velký přísun tepla horkým venkovním vzduchem (a zejména přímé sluneční záření dopadající do interiéru) urychluje tání PCM-D. Naopak v noci, klesne-li teplota pod 24 °C, je vhodné nebo nutné (podle konkrétního počasí) intenzivní větrání, aby PCM-D mohl tuhnout.
V příkladu výše uvedené vzorové budovy s PCM-D o plošné hmotnosti 20 kg/m2 se při rychlosti výměny vzduchu 2 h-1 a venkovní teplotě 40 °C zkrátí doba chlazení z 38 hodin na 23 h (při venkovní teplotě 35 °C z 55 h na 35 h). Plyne to z toho, že tepelný příkon do budovy daný vedením tepla skrze obvodové konstrukce, který je roven součinu U·S·(θe – θPCM) = 5280 W (resp. 3630 W), se větráním dané intenzity zvětší o 3130 W (resp. 2150 W), tj. téměř na 160 % a nepřímo úměrně s tím se zkrátí doba chlazení4.
Vliv venkovní vlhkosti na stabilitu teploty
Ochlazením teplého venkovního vzduchu na sáčcích PCM-D se zvětší jeho relativní vlhkost5 a může dojít až ke kondenzaci. Při teplotě 35 °C a relativní vlhkosti 50 % je částečný tlak páry 2813 Pa, při vlhkosti 70 % pak 3940 Pa. Ochlazením na 24 °C bude v prvním případě relativní vlhkost 94 % a ve druhém 100 %, přičemž v druhém případě navíc dojde ke kondenzaci vodní páry. Kondenzace zvyšuje tepelné zisky a zkracuje dobu chlazení. Je dalším důvodem, proč v době, kdy PCM-D chladí, je vhodné omezit větrání na hygienicky nutné minimum.
a) Při kondenzaci vodní páry se uvolňuje obrovské výparné (= kondenzační) teplo 2257 kJ/kg, víc než o řád větší, než je latentní teplo PCM-D, tj. 158 kJ/kg! Na to, aby se jeden kg PCM-D roztavil a tím se vyčerpal jeho chladivý potenciál, by stačilo teplo uvolněné kondenzací 70 g vodní páry. Na 4,4 tuny PCM-D obsažených v našem vzorovém domě by tak muselo zkondenzovat 308 kg páry. Té je ve vzduchu za běžných podmínek naštěstí málo (4 % objemová a 2,4 % hmotnostní při teplotě 35 °C a 70 % rel. vlhkosti), takže významná část latentního tepla od PCM-D může tedy sloužit ke chlazení vzduchu. Vliv kondenzace na saturaci PCM-D ale nelze zanedbat.
b) Uvažujme opět naši vzorovou budovu s obsahem 4,4 t PCM-D, v níž je větráním zajištěna výměna 600 m3 vzduchu za hodinu (to odpovídá rychlosti výměny 2 h-1, ČSN 730540-2 doporučuje 0,6 h-1). Uvažujme dále střední součinitel prostupu tepla nadzemní částí obálkových konstrukcí U = 2 W·m-2·K-1 a vedle tepelných zisků daných prostupem uvažujeme také zisky z větrání. Nebýt kondenzace, byla by vnitřní teplota stabilizována po dobu 35 hodin, viz předchozí podkapitola.
Při ochlazení 600 m3 vzduchu o teplotě 35 °C a rel. vlhkosti 70 % na teplotu 24 °C se 100 % rel. vlhkostí kondenzuje celkem v domě 3,3 l vody za hodinu, což odpovídá tepelnému zisku z této kondenzace ve výši 2045 W na celou budovu6. Započtením tohoto příspěvku, který představuje zvýšení zisků o 35 %, se doba chlazení zkrátí na 25,6 hodiny. Přitom kondenzuje 83,5 l vody (0,18 l/m2 s rychlostí 4,12·10-6 kg·m-2·s-1).
Při doporučené výměně 0,6 h-1 roztaje PMC-D za 41 hodinu a přitom zkondenzuje 40 l vody (0,014 l/m2 s rychlostí 1,23·10-6 kg·m-2·s-1).
c) Začne-li se na sáčcích PCM srážet pára, sráží se jí tím více, čím intenzivněji se větrá. Také růst venkovní teploty při stejné nebo rostoucí relativní vlhkosti zvýší kondenzaci a zkrátí chladicí interval. Při intenzitě větrání 5 h-1, venkovní teplotě vzduchu 40 °C a rel. vlhkosti 90 % kondenzuje celkem v domě už 33,3 l vody za hodinu, tepelný zisk z kondenzace vzroste na 20860 W (o 160 %), interval chlazení klesne na 5,9 hodiny a za tuto dobu zkondenzuje 196 l vody (0,89 l/m2 s rychlostí 42·10-6 kg·m-2·s-1).
Návrh by měl zajistit, aby před zimou stačil případný kondenzát vždy vyschnout. Aby vlhkost, která pochází z chlazení PCM-D, nezatěžovala nosné zdivo (či nosné panely) s tepelnou izolací, by se neměla technologie PCM-D používat pro chlazení vnitřního „přetopeného” vzduchu v zimě ani k odstraňování vlhkosti pocházející z vnitřních zdrojů, např. z intenzívního vaření nebo sprchování.
d) Vysoká relativní vlhkost vzduchu, vznikající při ochlazování, může být účinně snížena sádrovými deskami. Z [1] plyne, že jeden m2 sádrové desky (sádrokarton, sádrovláknité desky) o tloušťce 12 mm pohltí při změně relativní vlhkosti z 60 % na 100 % při teplotě 25 °C 120 g vodní páry (srovnej s množstvím kondenzace 70 g/m2 v odstavci b). Přitom se uvolní teplo, které odpovídá přibližně výparnému teplu stejného množství vody. Tepelná bilance tedy zůstane přibližně stejná, uvolněné teplo ohřeje PCM-D, ale nepříjemná kondenzace se sníží, v lepším vůbec nenastane. Sádrokarton či sádrovláknité desky se tak mohou stát, ze stavebně fyzikálního hlediska, ideálně kompatibilním konstrukčním materiálem k systémům chlazení PCM-D.
Závěr:
Provádění „termostabilizačních” výplní a přizdívek pomocí látek sdílejících latentní teplo - PCM nepožaduje a zřejmě v dohledné době ani nebude požadovat žádná norma. Záleží proto na technické osvícenosti a peněžence investora, jestli si toto řešení vybere, a invenci projektanta, jak se se zadáním vypořádá. Je jisté, že pro pasívní dům bude jiný odhad množství a umístění PCM, než pro standardní novostavbu, rekonstruovanou stavbu, letní rekreační chatu atd.
Investorům a stavebníkům by však nemělo uniknout, že chlazení interiéru v létě spotřebovává přibližně třikrát větší příkon energie, než ohřev interiéru o stejný teplotní rozdíl v zimě. Připočteme-li k tomu v létě daleko vyšší intenzitu větrání (otevřená okna, dveře) jsou příkony do chlazení ještě vyšší. Pasívní stabilizace pomocí PCM technologie ve spojení s „větrací disciplínou” může řešit většinu nebo dokonce všechny požadavky na chlazení interiéru. Případy, kdy chlazení PCM už nestačí, mohou být mnohem lehčeji než dříve trpěny, nebo překlenuty jednodušším aktivním chlazením s mnohem kratším provozem.
O zdařilé aplikaci materiálů PCM se dočtete v článku Veletrh BAU 2007 nasměroval další vývoj ve stavebnictví.
Literatura a zdroje:
[1] Hejhálek, J: Mohou sádrové materiály ovlivňovat vnitřní vlhkost? (II), Stavebnictví a interiér 6/2004, str. 24.
1 Nejde ale zdaleka o jediného výrobce. Na jiném místě tohoto časopisu je také informace o PCM technologii od firmy BASF.
2 To znamená tak, aby teplota betonu v celé jeho tlouš.ce byla vždy prakticky stejná a na úrovni vnitřní teploty
3 Vzhledem k tomu, že jde o nerovnovážný systém, kde existují toky tepla, neplatí toto tvrzení přesně. Nepřesnosti jsou ale podstatně menší, než v odhadu běžných akumulačních vlastností např. betonových stěn a stěn z dřevěného masívu, u kterých probíhá transport tepla z hloubi materiálu k povrchu na dlouhou vzdálenost a je provázen chladnutím.
4 Celkový tok tepla do budovy ΦPROUD daný prouděním (větráním) je dán vztahem:
kde pro naše konkrétní podmínky θPCM = 24 °C je teplota tání PCM-D a θe je venkovní teplota, c = 1005 J·kg-1·K-1 je specifická tepelná kapacita vzduchu při venkovní teplotě θe = 40 °C (resp. 35 °C), v = 2 h-1 = 5,56·10-4 s-1 je rychlost výměny vzduchu v budově, ρ = 1,17 kg·m-3 je hustota vzduchu při venkovní teplotě, V = 300 m3 je (vnitřní) objem budovy a S = 220 m2 je plocha nadzemní obálky budovy. Tepelné zisky dané vedením tepla nadzemními obálkovými konstrukcemi (vedení tepla mezi zemí a vnitřkem budovy ve výpočtu zanedbáváme) jsou počítány jako ΦVED = U·S= 24 Wm-2 , kde U·= 2 Wm-2·K-1.
5 Předpokládáme, že vnitřní vlhkost není upravena aktivní klimatizací.
6 Celkový tok tepla do budovy ΦKOND daný kondenzací je dán vztahem:
kde rhe je relativní vlhkost venkovního vzduchu při teplotě θe ve °C, ps je tlak syté páry při teplotě θe v Pa, v je rychlost výměny vzduchu větráním v s-1 (1 h-1 = 1/3600 s-1), V je větraný objem v m3, mm = 18 kg/kmol je hmotnost 1 kmol vodní páry, lv = 2.257.000 J/kg je specifické výparné teplo vody a R = 8314 K-1·kmol-1·je molární plynová konstanta. Rovnice platí jen pro kladný rozdíl tlaků.
