Pasivní chlazení v letním období s využitím akumulace tepla při změně skupenství

Datum: 2.4.2012  |  Autor: Ing. Milan Ostrý, Ph.D., Ing. Roman Brzoň, Ing. Tomáš Klubal, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství  |  Recenzent: doc. Ing. František Kulhánek, CSc., ČVUT Praha

Tepelná pohoda je ovlivňována řadou environmentálních podmínek, jako je teplota vnitřního vzduchu, střední radiační teplota, relativní vlhkost vzduchu a rychlost proudění vzduchu. Navíc je závislá na oblečení a fyzické aktivitě lidí v daném prostoru. Provoz technických zařízení instalovaných v objektech je často doprovázen nespokojeností uživatelů, řešíme problém zvaný syndrom nemocných budov.

Tepelná stabilita vnitřního prostředí v letním období převážně závisí na tepelných ziscích ze slunečního záření, které do interiéru proniká transparentní částí výplní otvorů. Správný návrh velikosti výplní otvorů, jejich orientace ke světovým stranám a jejich stínění nebo clonění má zásadní vliv na tepelnou stabilitu v letním období.

Úvod

Podle Vyhlášky č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby [1] musí být budovy s požadovaným stavem vnitřního prostředí navrženy a provedeny tak, aby byly dlouhodobě po dobu jejich užívání zaručeny požadavky na jejich tepelnou ochranu splňující tepelnou pohodu uživatelů, požadované tepelně technické vlastnosti konstrukcí a budov, tepelně vlhkostní podmínky technologií podle různých účelů budov a nízkou energetickou náročnost budov. Skutečnost, že snižování provozní energetické náročnosti stavebních objektů v letním období je v současné době vysoce aktuální, lze doložit na textu Směrnice evropského parlamentu a rady 2010/31/EU [2]. Mezi důvody jejího přijetí se v odstavci 25 uvádí: „V posledních letech vzrostlo množství klimatizačních systémů v evropských zemích. To způsobuje značné problémy v dobách nejvyššího zatížení, zvyšuje náklady na elektřinu a narušuje energetickou rovnováhu. Prioritou by měly být strategie, které zlepšují tepelné vlastnosti budov během letního období. Pozornost by proto měla být zaměřena na opatření, která zabraňují přehřátí, jako je zastínění a dostatečná tepelná kapacita konstrukce budovy, a na další rozvoj a používání technik pasivního chlazení, zejména těch, jež zlepšují vnitřní mikroklimatické podmínky a mikroklimatické podmínky v okolí budov.“ Směrnice tedy přímo uvádí jako prioritní návrhy stavebních objektů s vysokou tepelně akumulační kapacitou a aplikaci systémů pasivního chlazení.

Akumulace energie hraje důležitou roli v okamžiku, kdy se časově neshoduje výroba nebo dodávka energie s okamžitou poptávkou po ní. Akumulace energie je tedy zásadní např. pro rozvoj přeměny elektrické nebo tepelné energie z obnovitelných zdrojů. Typickým příkladem je přeměna elektrické a tepelné energie ze slunečního záření pro krytí energetické náročnosti objektů pro bydlení.

Tepelná stabilita vnitřního prostředí v letním období převážně závisí na energetických ziscích od vnitřních zdrojů a pak zejména na tepelných ziscích ze slunečního záření, které do interiéru proniká transparentní částí výplní otvorů. Správný návrh velikosti výplní otvorů, jejich orientace ke světovým stranám a jejich stínění nebo clonění má zásadní vliv na tepelnou stabilitu v letním období. Okna a další prosvětlovací konstrukce však musí být navrženy s ohledem na požadavky norem a hygienických předpisů, protože denní osvětlení patří mezi důležité složky vnitřního mikroklimatu.

Pasivní systémy s využitím akumulace tepla ve stavebních konstrukcích

Pod označením „pasivní systém“ se zpravidla rozumí systém, který nevyužívá pro svůj provoz neobnovitelných zdrojů energie [3]. Chlazení a vytápění objektu je zajišťováno především dopadající energií slunečního záření a dalšími obnovitelnými zdroji, které jsou k dispozici v místě stavby. Pasivní systémy využívají pro zachycení energie slunečního záření vlastní stavební konstrukce budovy [4]. Stavba musí být účelně přizpůsobena prostředí tak, aby bylo maximálně využito slunečního záření v zimě, a v létě je třeba minimalizovat negativní vliv energie slunečního záření pronikajícího transparentními částmi obvodového pláště. Energie je distribuována pouze přirozeně, tj. vedením, prouděním a sáláním. Nicméně neexistuje jednoznačná shoda v této terminologii a termín „pasivní systém“ je velmi často používán pro systémy, které se v literatuře někdy označují jako systémy hybridní. Označení „hybridní systém“ se v daném kontextu požívá pro pasivní systém, který je doplněn o pohyblivé mechanické součásti, jako jsou ventilátory pro zvýšení přenosu tepla nebo rychlosti proudění. Převážně se však např. pod termínem „pasivní chlazení“ rozumí systém, který nevyužívá pro zajištění tepelné pohody klasického strojního chlazení přiváděného vzduchu do místnosti. Pasivní systémy nejsou založeny na úsporách energie, ale na jejím efektivnějším využívání.

Těžké stavební konstrukce (např. zdivo z cihelných bloků nebo tvárnic, železobetonové konstrukce) mohou být sami o sobě využity pro akumulaci tepelné energie. Pokud však jsou hmotné stavební konstrukce překryty např. zavěšeným podhledem, je krátkodobá schopnost tepelné akumulace dramaticky snížena. Moderní administrativní budovy s prosklenými fasádami, dřevostavby a objekty s vnitřním zateplovacím systémem mají malou tepelně akumulační kapacitu. Proto se v některých případech může u těchto objektů s výhodou uplatnit akumulace latentního tepla s využitím integrovaných materiálů se změnou skupenství (Phase Change Materials – PCMs). Výhodou PCMs je skutečnost, že dokáží akumulovat tepelnou energii v úzkém teplotním intervalu.

Obr. 1 Princip akumulace citelného a latentního tepla
Obr. 1 Princip akumulace citelného a latentního tepla

Akumulace tepla s využitím změn skupenství představuje systém s mnohem větší hustotou akumulované energie vztažené na jednotku hmotnosti. Typickým příkladem je využití pasivních solárních zisků pro snížení energetické náročnosti staveb s obalovými konstrukcemi z lehkých hmot. Vzhledem k tomu, že zde není možné pro akumulaci využívat hmotných obalových konstrukcí a navíc je nezbytné během roku udržovat vnitřní prostředí v požadovaném teplotním stavu, představuje akumulace latentního tepla jedno z možných a efektivních řešení. Závislost akumulované energie na teplotě média je znázorněna na obr.1. Červená křivka představuje akumulaci citelného tepla běžnými stavebními materiály, modrá křivka představuje akumulaci tepla při změně skupenství z pevného do kapalného stavu. V tomto případě se však jedná o idealizovaný stav, ve kterém dochází ke změně skupenství při konstantní teplotě. To je typické pouze pro chemicky čisté látky, které není zejména kvůli riziku přechlazení možné používat. Při posuzování vhodnosti akumulační látky proto hovoříme nikoliv o teplotě fázové přeměny, ale o teplotním rozsahu, při kterém dochází ke změně skupenství. V minulosti již byla zkoumána celá řada materiálů s fázovou změnou vhodných pro aplikace v budovách. PCMs se mohou uplatnit v budovách ve dvou oblastech [5]. První oblast zahrnuje pasivní systémy určené pro akumulaci tepla v denních hodinách nebo pro akumulaci chladu v nočních hodinách. Druhá oblast využití se týká aktivních technických systémů budovy, jako je vytápění nebo klimatizování vnitřních prostor, kdy je díky akumulaci tepelné energie do vhodného média možné využití levnější mimošpičkové elektrické energie nebo energie z obnovitelných zdrojů.

Efektivita pasivního chlazení závisí na řadě parametrů ovlivňujících energetickou bilanci budovy v krátkodobém a dlouhodobém horizontu. Při návrhu systému využívajícího pasivní chlazení musí být zohledněna tepelná zátěž vnitřního prostředí, účinnost systému, plocha tepelně akumulačních konstrukcí a způsob větrání. Větrání může být v tomto případě přirozené nebo mechanické. V případě, že klimatické podmínky vyžadují pro vybíjení naakumulované energie vyšší intenzitu větrání v nočních hodinách, je nezbytné uvažovat s instalací mechanického větrání.

Aplikace PCMs ve stavebních konstrukcích

PCMs integrované ve stavebních konstrukcích nacházejí dobré uplatnění všude tam, kde není možné aplikovat potřebné množství akumulační látky pro akumulaci citelného tepla. Pro objekty s nízkou kapacitou pro akumulaci citelného tepla je jedním z možných řešení integrace PCMs ve stavebních konstrukcích. Výhodou integrace PCMs ve stavebních konstrukcích je, že akumulace tepla nastává při změnách skupenství bez výrazného růstu teploty akumulačního média. Stěny, stropy a podlaha nabízí velkou plochu pro pasivní výměnu tepla mezi vnitřním prostředím a akumulačním médiem umístěným ve stavební konstrukci. Aplikace PCMs zvýší tepelně akumulační kapacitu pro pasivní solární vytápění a umožní zapojení chlazení nočním větráním a časový posun pro použití strojního chlazení [6]. Mezi nejznámější způsoby integrace PCMs ve stavebních konstrukcích lze uvést následující principy:

  • impregnace stavebních materiálů;
  • mikro kapsle rozptýlené ve stavebním materiálu nebo prvku;
  • makro zapouzdření;
  • tvarově stabilizované PCMs.

Impregnace PCMs přímo do tradičních stavebních materiálů umožňuje snížit výslednou cenu tepelně akumulačního systému. Nevýhodou této technologie je, že PCMs mohou ovlivnit pevnostní charakteristiky daného materiálu a PCMs během procesu tání mohou vytékat ze stavebního materiálu [7]. Z důvodu možného rizika uvolňování (vytékání, vypařování) PCMs z impregnovaných kompozitních materiálů, byla v minulosti vyvinuta řada technologií pro tzv. mikro zapouzdření. Princip toho způsobu zapouzdření spočívá v umístění malého objemu PCMs v polymerní kapsli. Kapsle o průměru v řádu mikrometrů až milimetrů jsou tvořeny jednotlivými částicemi pevného nebo tekutého matriálu, tzv. jádra, které je obaleno polymerním filmem, tzv. pouzdrem [8]. Možnou aplikací mikro kapslí je jejich integrace v sádrových stěnových deskách. Na evropském trhu je k dostání speciální tepelně akumulační sádrokartonová deska Micronal® PCM SmartBoard™ 23/26, která je určena pro vnitřní obklady.

Pro akumulaci tepla ve vzduchotechnických systémech nebo v systémech využívajících jako zdroj tepla sluneční záření, byly v minulosti vyvinuty prvky různých tvarů, které jsou vyplněny vhodnými PCMs. Výhodou technologie zapouzdřování PCMs do objemných prvků je především nižší cena v porovnání s produkcí mikro kapslí. Další výhodu může představovat fakt, že obal zásobníku lez provést z tepelně dobře vodivého materiálu, např. hliníku. Typickými zástupci tohoto způsobu zapouzdření jsou hliníkové kontejnery s náplní DELTA®-COOL 24 nebo DELTA®-COOL 28 na bázi hydrátů solí od firmy Dörken GmbH & Co. KG. Obdobný prvek označený jako CSM module nabízí firma Rubitherm Technologies GmbH. Hliníkové panely s náplní DELTA®-COOL 24 byly použity i v experimentech realizovaných v laboratoři stavební tepelné techniky na Ústavu pozemního stavitelství FAST VUT v Brně. Jinou možností zapouzdření PCMs je jejich aplikace v dutinkových deskách z polykarbonátu nebo polypropylenu. Výhodou tohoto způsobu zapouzdření je nižší cena v porovnání s hliníkovými deskami. Další výhodou je rozvrstvení PCMs po výšce desky, protože vrstva PCMs je po výšce rozdělena žebry, které snižují riziko sedání a segregace jednotlivých složek hydrátů solí. Desky mohou být umístěny ve svislé i vodorovné poloze, nicméně vyžadují podporující a ztužující žebra z ocelových tenkostěnných profilů. PCMs je možno také zapouzdřit do koulí, které je možné umístit do zásobníku pro akumulaci latentního tepla. Představitelem této technologie je francouzská firma Cristopia. Obalový materiál koulí je tvořen směsí polyolefínů.

Tvarově stabilizované PCMs jsou připravovány z tekutých směsí PCMs a matričního materiálu [9]. Směs je pak ochlazena pod tzv. teplotu skelného přechodu matričního materiálu, dokud neztuhne. Vhodný výběr matričního materiálu umožňuje až 80% hmotnostní podíl PCMs ve finálním produktu. Nejznámějším matričním materiálem je vysoko hustotní polyetylén (HDPE) a styren-butadien-styren (SBS). Bohužel tepelná vodivost kompozitu je obvykle malá, což limituje možnosti jejich aplikace. Jako materiál vhodný pro zvýšení tepelné vodivosti kompozitu byl úspěšně zkoušen grafit. Jedním z nejznámějších komerčně vyráběných produktů je DuPontTM Energain®.

Ověření funkčnosti vybraných zapouzdřených PCMs

Pro ověření vlivu PCMs na vnitřní tepelné mikroklima byly v roce 2007 na Ústavu pozemního stavitelství FAST VUT v Brně vybudovány speciální testovací podkrovní místnosti. Dvojice testovacích místností je využívána pro komparativní měření, kdy za stejných klimatických podmínek jsou měřeny parametry vnitřního prostředí v:

  • referenční místnosti, tj. v místnosti se standardní skladbou obalových konstrukcí z lehkých stavebních hmot;
  • experimentální místnosti, tj. v místnosti se zabudovanými prvky obsahující zapouzdřené médium pro akumulaci latentního tepla.
Obr. 2a Půdorys  testovacích místností
Obr. 2 Půdorys a řez testovacími místnostmi
Obr. 2b Řez testovacími místnostmi
 

Objem vnitřního vzduchu každé testovací místnosti je 29,7 m3. V obou místnostech jsou osazena střešní okna, v šikmých částech podhledové konstrukce, u kterých je možné elektropohonem ovládat otevírání. Místnosti mají stejnou podlahovou plochu 14,9 m2 a stejnou skladbu obalových konstrukcí. Obalové konstrukce každé místnosti jsou zatepleny 200 mm minerální tepelné izolace.

Na ústavu pozemního stavitelství FAST VUT v Brně byly do současné doby testovány následující typy průmyslově vyráběných zapouzdřených PCMs:

  • PCMs DELTA®-COOL 24 od německé firmy Dörken GmbH & Co. KG zapouzdřené v hliníkových kontejnerech, které jsou volně dostupné na evropském trhu;
  • PCMs DELTA®-COOL 24 od německé firmy Dörken GmbH & Co. KG zapouzdřené v polypropylénových dutinkových deskách vyrobených svépomocí;
  • PCMs ve formě mikro kapslí Micronal DS 5008 X vyráběných firmou BASF SE; v použité sádrové omítce CEMIX vyráběné firmou LB CEMIX s.r.o. bylo rozptýleno 30 hm% mikro kapslí Micronal DS 5008 X.

První měření byla zaměřena na využití PCMs v hliníkových panelech, u kterých bylo pro osazení využito v maximální možné míře povrchu obalových konstrukcí. Příklad osazení hliníkových panelů na vnitřním povrchu sádrokartonových desek v experimentální místnosti je uveden na obr. 3. Hliníkové panely v počtu 240 kusů byly instalovány na stěny, šikmý a vodorovný podhled. Výhodou tohoto způsobu zapouzdření je obal z tepelně velmi dobře vodivého materiálu a snadná montáž na sádrokartonovou konstrukci pomocí vrutů v rozích panelů. Instalací panelů na sádrokartonové desky však dochází k výraznému ovlivnění vzhledu obalových konstrukcí v porovnání např. s aplikací omítek s rozptýlenými mikro kapslemi s obsahem PCMs. Proto by v daném případě bylo vhodné provést povrchovou úpravu, která by zajistila vzhled odpovídající běžným konstrukcím, ale významně nesnížila přenos tepla z a do akumulačního média. V roce 2009 byly obě testovací místnosti doplněny o vzduchotechnické rozvody napojené na vzduchotechnickou jednotku, která slouží jednak pro řízené větrání interiéru obou místností, jednak pro ohřev a chlazení přívodního vzduchu. Přívodní a odvodní otvory jsou patrné na obr. 2. Intenzita větrání a možnost ovlivnění teploty přívodního vzduchu klíčovým způsobem ovlivňují funkčnost systému pasivního chlazení.

Druhou praktickou aplikací byla instalace dvojitých tepelně akumulačních stěn, u kterých bylo tepelně akumulační médium zapouzdřeno v polypropylenových dutinkových deskách. Po stranách experimentální místnosti byly umístěny polypropylenové dutinkové desky, které byly vyplněny materiálem DELTA®-COOL 24. Dutinky jsou umístěny v horizontálním směru a zajišťují rovnoměrné rozvrstvení akumulačního média po výšce stěny. Výhodou systému je, že umožňuje regeneraci tepelně akumulačního média v nočních hodinách odděleným okruhem větracího vzduchu. Systém tak umožňuje absorpci tepelné energie v denních hodinách a odvod naakumulované energie v nočních hodinách. Větrací okruh je oddělen od vnitřního prostředí a rychlost a teplota přívodního vzduchu neovlivňuje tepelnou pohodu uživatelů v místnosti. Vzduch je přiváděn do spodní části tepelně akumulační stěny a systém vodorovných přepážek pak zajišťuje jeho rovnoměrný pohyb po celém zadním povrchu akumulační stěny. V horní části tepelně akumulační stěny je umístěn otvor pro odvod větracího vzduchu.

Obr 3. Příklad instalace hliníkových panelů
Obr 3. Příklad instalace hliníkových panelů
Obr 4. Příklad instalace hliníkových panelů v podhledu s větranou vzduchovou mezerou
Obr 4. Příklad instalace hliníkových panelů v podhledu s větranou vzduchovou mezerou
 

Modifikací systému větraných stěn je jednodušší systém větraného stropního podhledu. Mezi interiérem a větraným meziprostorem jsou umístěny hliníkové panely, ve kterých je uzavřeno akumulační médium. Vzduch proudí v nočních hodinách v mezeře mezi akumulační hmotou umístěnou v hliníkových panelech a spodním lícem stropní konstrukce. Větrací kanály jsou vymezeny distančními prvky, které slouží zároveň pro upevnění hliníkových panelů s akumulační látkou. Vstupní vzduch může být upravován vzduchotechnickou jednotkou, která umožňuje volit rychlost proudění vzduchu a teplotu přiváděného vzduchu. Pro aktivaci (vybíjení) tepelně akumulačního jádra je nezbytné zajistit přívod vzduchu o teplotě nižší, než je teplotní rozsah krystalizace PCMs. Přívod vzduchu je potrubím vyústěným uprostřed podhledu, odvod vzduchu zpět do jednotky pak potrubím zaústěným po stranách podhledu. Celý systém je znázorněn na obr. 4. Je také možné v zimním a přechodném období použít obrácený systém, kdy je ze vzduchového kolektoru přiváděn teplý vzduch do větrané mezery, zde se akumuluje a následně sálá do interiéru.

Obr 5. Výroba omítaných panelů
Obr 5. Výroba omítaných panelů

Posledním instalovaným systémem, jehož montáž byla dokončena v létě 2011, jsou experimentálně vyrobené desky s nanesenou omítkovou směsí modifikovanou PCMs. Nanášení omítky je vidět na obr.5. Sádrová omítka byla aplikována na desky z recyklovaných nápojových kartonů s polystyrenovou vrstvou (z důvodu snadnější demontáže). Tyto panely s omítkou jsou osazeny na bočních stěnách místnosti a na vodorovném a šikmém podhledu místnosti. Celková instalovaná plocha omítky s PCMs je 16,94 m2. Použitá omítka není komerčně dodávaná, ale byla připravena na zakázku výrobcem omítkových směsí LB CEMIX s.r.o. Tloušťka nanesené omítky je 10 mm a obsah Micronalu DS 5008X je 30 % z celkové hmotnosti směsi.

Instalovaný systém bude v roce 2012 podroben měření a vyhodnocení vlivu na interní tepelné mikroklima v porovnání s referenční místností.

 

Výsledky a diskuse

Funkčnost popsaných systémů využití PCMs ve stavebních konstrukcích byla prakticky ověřována v letním období v letech 2009, 2010 a 2011. Každá sezóna byla využita pro testování jednoho systému.

U instalace hliníkových panelů na stěnách experimentální místnosti byl prokázán pozitivní vliv akumulace latentního tepla na vnitřní mikroklima. V denních hodinách byla naměřena nižší výsledná teplota v experimentální místnosti v porovnání s referenční. V nočních hodinách naopak docházelo k uvolňování tepelné energie, které se projevilo vyšší teplotou v experimentální místnosti. Měření v testovacích místnostech bylo rozděleno do třech etap:

  1. měření v režimu přirozeného větrání bez vzduchotechniky;
  2. měření při větrání s intenzitou 6 h−1 v nočních hodinách neupravovaným vzduchem, při čemž v denních hodinách byla intenzita větrání 2,5 h−1;
  3. měření při větrání s intenzitou 6 h−1 v nočních hodinách chlazeným vzduchem, při čemž v denních hodinách byla intenzita větrání 2,5 h−1 vzduchem o venkovní teplotě.
Obr 6. Průběh operativních teplot v experimentální a referenční místnosti
Obr 6. Průběh operativních teplot v experimentální a referenční místnosti

Bylo prokázáno, že pro odvod naakumulované energie je nezbytné zajistit zvýšenou intenzitu větrání a zároveň zajistit, aby teplota přívodního vzduchu byla pod teplotním rozsahem změny skupenství instalovaných PCMs. To mělo za následek vyšší energetickou náročnost, nicméně energie na chlazení byla odebírána ze sítě v čase nízkého tarifu. V přechodném období, kdy noční teploty venkovního vzduchu klesají pod teplotní rozsah fázové přeměny instalovaných PCMs, nebyl s aktivací akumulační hmoty v nočních hodinách problém. Příklad průběhu operativních teplot v testovacích místnostech pro vybrané 4 dny v měsíci srpnu je znázorněn na obr. 6. V tomto období byla teplota přívodního vzduchu v čase od 20 do 6 hodin upravována chladicí jednotkou. Při tomto režimu bylo dosaženo největšího efektu a i při vysokých teplotách venkovního vzduchu nebylo překročeno požadované rozmezí operativní teploty v experimentální místnosti dle [10], které je pro třídu práce „I“ 20 až 28 °C. Tento způsob aktivace akumulační hmoty má však nevýhodu v tom, že neumožňuje pobyt osob v nočních hodinách v místnostech z důvodu nízkých operativních teplot a vysoké rychlosti vzduchu.

Obr 7. Průběh teplot v experimentální místnosti s tepelně akumulačním podhledem
Obr 7. Průběh teplot v experimentální místnosti s tepelně akumulačním podhledem

Pro aktivaci akumulační hmoty byl navržen systém s odděleným okruhem větracího vzduchu. Na obr. 7 jsou prezentovány výsledky měření v experimentální místnosti s tepelně akumulačním podhledem. Vybrané dny reprezentují větrací režim, kdy v denních hodinách ve větrací mezeře neproudí vzduch a místnost je větrána pouze přirozeně – střešními okny ve ventilační poloze. V nočních hodinách je vzduchová mezera intenzivně provětrávaná vzduchem přiváděným z exteriéru. Jedná se tedy o provozně nenáročný systém. Výsledky měření však prokázaly nedostatečný vliv instalované tepelně akumulační hmoty na vnitřní tepelnou stabilitu. Operativní teploty uvnitř experimentální místnosti byly nad požadovaným teplotním rozsahem uvedeným v [10]. Při provozu s chlazeným přívodním vzduchem v nočních hodinách bylo dosaženo lepších výsledků a operativní teplotu v experimentální místnosti se podařilo udržet v požadovaném rozsahu. Stoupla však provozní energetická náročnost z důvodu potřeby chlazení přívodního vzduchu.

Závěr

Pasivní chlazení s využitím akumulace latentního tepla materiály s fázovou změnou představuje efektivní a energeticky úsporný přístup k problematice zajištění požadovaného stavu vnitřního prostředí v letním období. Pasivní chlazení neumožňuje zajistit v místnosti během 24 hodin konstantní výslednou teplotu, ale může při vhodném návrhu zajistit parametry tepelného mikroklimatu v rozmezí požadovaném legislativou. Pro aktivaci tepelně akumulačních materiálů PCMs v období s vyššími nočními teplotami venkovního vzduchu lze využít nočního intenzivního větrání. Aktivaci PCMs je možné zajistit provětráváním vnitřního prostoru nebo odděleným okruhem větracího vzduchu. Aktivace odděleným okruhem větracího vzduchu umožňuje na rozdíl od provětrávání interiéru přítomnost uživatelů místnosti v nočních hodinách, představuje však investičně nákladnější zařízení. Odvod naakumulované tepelné energie v nočních hodinách lze také zvýšit chlazením vzduchu přiváděného do místnosti nebo větrané vzduchové mezery.

Poděkování

Příspěvek vznikl s pomocí grantového projektu GAČR P104/12/1838 „Využití akumulace latentního tepla materiály s fázovou změnou pro snížení spotřeby primární energie v budovách“ a s finanční pomocí EU „OP Výzkum a vývoj pro inovace“, projekt reg. č. CZ.1.05/2.1.00/03.0097, v rámci činnosti regionálního Centra AdMaS „Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“.

Literatura

  • [1] Vyhláška č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby
  • [2] Směrnice evropského parlamentu a rady 2010/31/EU o energetické náročnosti budov
  • [3] Garg, H.P.; Mullick, S.C.; Bhargava, A.K. Solar Thermal Energy Storage. Dortrecht: D. Reidel Publishing Comnpany, 1985. 642 p. ISBN 90-277-1930-6
  • [4] Cihelka, J. Solární tepelná technika. Praha: T. Malina, 1994. 208 p. ISBN 80-900759-5-9
  • [5] Tyagi, V.V.; Buddhi, D. PCM Thermal storage in buildings: A state of art. Renewable and Sustainable Energy Reviews, August 2007, vol. 11, no. 6, pp. 1146-1166. ISSN 1364-0321.
  • [6] Zhang, Y.; Zhou, G.; Lin, K.; Zhang, Q.; Di, H. Application of latent heat thermal energy stoarge in buildings: State-of-the-art and outlook. Building and Environment, June 2007, vol. 42, no. 6, pp. 2197-2209. ISSN 0360-1323
  • [7] Cabeza, L.F.; Castellón, C., Nogués, M.; Medrano, M.; Leppers, R.; Zubillega, O. Use of microencapsulated PCM in concrete wall for energy saving. Energy and Buildings, February 2007, vol. 39, no. 2, pp. 113-119. ISSN 0378-7788
  • [8] Tyagi, V.V.; Kaushik, S.C.; Tyagi, S.K.; Akiyama, T. Development of phase change materials based microencapsulated technology for buildings: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, February 2011, vol. 15, no. 2, pp. 1373-1391. ISSN 1364-0321.
  • [9] Kuznik, F.; David, D.; Johannes, K.; Roux, J-J. A review on phase change materials integrated in building walls. Renewable and Sustainable Energy Reviews. January 2011, vol. 15, no. 1, pp. 379-391. ISSN 1364-032
  • [10] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, ve znění nařízení vlády č. 68/2010 Sb.
 
Komentář recenzenta
doc. Ing. František Kulhánek, CSc., ČVUT Praha
Článek se zabývá velmi zajímavou a aktuální problematikou – pasivním chlazením budov, využívajícím akumulaci latentního tepla materiálů s fázovou změnou (CPMs). V úvodu textu je poukázáno na závažnost řešení problematiky letní tepelné zátěže budov s ohledem na kvalitu vnitřního mikroklimatu a na energetické nároky, spojené s eventuálním chlazením budov. Dále jsou popsány pasivní a aktivní CPM systémy chlazení budov a upozorněno na jejich výhody a nevýhody.
Hlavní část textu seznamuje s průběhem a výsledky testování dvou typů komerčně vyráběných prvků s materiály s fázovou změnou v testovacích podkrovních místnostech Ústavu pozemního stavitelství FAST VUT v Brně. Dvojice konstrukčně i dispozičně identických testovacích místností je používána pro komparativní měření s jednotnými okrajovými podmínkami.Testovány byly konstrukční jednak prvky s PCM zapouzdřeným v hliníkových panelech, jednak prvky s PCM zapouzdřeným v dutinkových polypropylenových deskách.
Výsledky měření jsou demonstrovány na grafu průběhu operativních teplot a je provedena jejich krátká diskuse.
Článek je zajímavý jak pro poměrně nestandardní technické řešení dané problematiky, tak i s ohledem na stále rostoucí nezbytnost řešení letní tepelné stability vnitřních prostorů budov. Text má jasnou a logickou stavbu, je přehledný, stručný, ale v potřebné míře obsažný a srozumitelný.
Mám jedinou, ale v podstatě formální připomínku: V závěru textu se mluví o výsledcích měření při použití hliníkových panelů. O výsledcích testování dutinkových CPM desek, které podle předchozího textu byly také měřeny, není ani zmínka – přitom publikování výsledků, byť jsou jakékoliv, by určitě bylo cenné a zajímavé. Možná až v příštím článku.
Předložený článek jednoznačně doporučuji k publikování bez úprav a dodatků.

V Praze 24. 01. 2012doc. Ing. František Kulhánek, CSc.
English Synopsis
Passive cooling in summer using heat storage in phase change

Thermal stability of rooms without air-conditioning depends mainly on the thermal energy storage capacity of envelope and possible heat gains. Sensible heat storage structures, e.g. brickwork, concrete walls and slabs, usually do not have sufficient thermal storage capacity and some additional thermal storage mass is needed for cold storage. Passive cooling with thermal storage in phase change materials (PCMs) is a very effective way to improve thermal stability of the rooms with light-weight envelope. The main advantage of the phase change materials storage in buildings is the possibility to store a huge amount of heat in a rather narrow temperature interval. Passive cooling based on the latent heat storage technology can contribute to the energy and operative cost savings during summer season. The efficiency of this kind of passive cooling significantly depends on the heat transfer rates between the ambient environment and the thermal storage material. Modern administrative buildings or wooden buildings are often made of light-weight materials with rather small thermal mass. The latent heat cold storage in the phase change materials seems to be quite promising in this respect since it offers high thermal storage capacity.

 

Hodnotit:  

Datum: 2.4.2012
Autor: Ing. Milan Ostrý, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelstvíIng. Roman Brzoň, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelstvíIng. Tomáš Klubal, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelstvíRecenzent: doc. Ing. František Kulhánek, CSc., ČVUT Praha



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (1 příspěvek, poslední 02.04.2012 11:12)


 
 
 

Aktuální články na ESTAV.czStavaři očekávají v příštím roce růst sektoru o 3,3 procentaStavebním firmám začínají chybět dělníciPříprava garáže a vrat před zimou