Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

Stavba / Stavební fyzika / Prehľad materiálov s fázovou zmenou (PCMs) pre udržateľné stavebníctvo

Prehľad materiálov s fázovou zmenou (PCMs) pre udržateľné stavebníctvo

3.11.2025
Ing. Zuzana Dická, prof. Ing. Milan Ostrý, Ph.D., Ing. Sylva Bantová, Ph.D, doc. Ing. Erika Dolníková, PhD., prof. Ing. Dušan Katunský, CSc.
Recenzovaný

Přehrát audio verzi

Prehľad materiálov s fázovou zmenou (PCMs) pre udržateľné stavebníctvo

00:00

00:00

1x

  • 0.25x
  • 0.5x
  • 0.75x
  • 1x
  • 1.25x
  • 1.5x
  • 2x

Tento prehľadový príspevok predstavuje materiály s fázovou zmenou (PCMs) ako pokročilé riešenie pre zlepšenie energetickej efektívnosti budov a tepelného komfortu. Syntetizuje poznatky o ich vývoji, kategorizácii a praktických aplikáciách v stavebníctve. Rozoberá históriu PCMs, operačné princípy, rôznorodé typológie a klasifikáciu, vrátane kompozitných PCMs. Objaseňuje tiež špecifické stavebné aplikácie, ilustrujúc ich integráciu na základe nedávneho výskumu. Cieľom je poskytnúť prehľad vývoja PCMs a zdôrazniť ich význam ako udržateľného nástroja na zníženie energetických prevádzkových nákladov budovy a zvýšenie tepelného komfortu v súčasnom stavebníctve. Zároveň vymedzuje aktuálne prekážky a navrhuje strategické smery výskumu, zamerané na optimalizáciu termofyzikálnych vlastností, ekonomickú životaschopnosť a ekologickú udržateľnosť.

1. Úvod

Materiály s fázovou zmenou (PCMs) podliehajú fázovej premene v definovanom teplotnom rozsahu. Primárne ide o prechod z tuhej na kvapalnú fázu (topenie), hoci sú možné aj iné fázové premeny (napr. sublimácia, var). Počas tejto fázovej premeny dokážu absorbovať alebo uvoľňovať značné množstvo latentného tepla [1]. Charakteristickým znakom PCMs je ich schopnosť absorbovať veľké množstvo tepla pri definovanom teplotnom rozsahu, v ktorom dosahujú bod topenia. Následne, pri poklese okolitej teploty, stuhnú a uvoľnia akumulované latentné teplo. Počas fázovej premeny dochádza k výrazným zmenám fyzikálnych vlastností PCMs, ako sú elektrická vodivosť, hustota a tepelná vodivosť [2].

2. Vývoj

Obr. 1: Priebeh fázových zmien PCM (podľa [4])
Obr. 1: Priebeh fázových zmien PCM (podľa [4])

PCMs sú kľúčové v rôznych priemyselných odvetviach, ako sú stavebníctvo, textilný priemysel a elektronika, kde je konštantná teplota nevyhnutná. Ich schopnosť akumulovať a uvoľňovať teplo umožňuje efektívnu reguláciu teploty, najmä v budovách. Energia absorbovaná či uvoľnená materiálom počas fázovej premeny (Obr. 1) sa označuje ako latentné teplo [3].

Latentné teplo je výrazne vyššie ako teplo absorbované alebo uvoľnené materiálom počas bežných teplotných zmien bez fázovej premeny. V stavebníctve sa PCMs využívajú na stabilizáciu vnútorných teplôt, čím zvyšujú komfort a optimalizujú energetické náklady [5].

Prvé vedecké zmienky z históre PCMs siahajú na začiatok 20. storočia. Avšak koncept akumulácie tepla a chladu prostredníctvom fázovej zmeny siaha oveľa ďalej, až do histórie skladovania a chladenia ľadom. Priekopníčkou v ich využití pre pasívne vykurovanie bola Maria Telkes, ktorá v roku 1948 vyvinula systém s Glauberovou soľou pre 'Dover Sun House'. Tento systém využíval fázovú premenu soli na akumuláciu a uvoľňovanie tepla pri konštantnej teplote [6, 7]. Následný výskum sa zameral na organické látky ako parafín. V 70. a 80. rokoch 20. storočia sa materiály s fázovou zmenou komerčne uplatnili v textilnom priemysle. Od 90. rokov došlo k nárastu výskumu PCMs pre stavebníctvo s cieľom zlepšiť energetickú hospodárnosť [8].

Po roku 2000 sa záujem stavebného priemyslu o PCMs výrazne zvýšil, čo viedlo k vývoju komerčných stavebných produktov. Súčasný výskum sa koncentruje na vývoj efektívnejších a udržateľnejších PCMs riešení, vrátane optimalizácie materiálových vlastností a ich integrácie do komplexných stavebných systémov, prispievajúcich k inováciám v energetickej účinnosti budov [9].

3. Klasifikácia materiálov s fázovou zmenou

Materiály s fázovou zmenou využívajú rôznorodosť zlúčenín s unikátnymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. Pre stavebníctvo je obzvlášť vhodná fázová zmena z pevnej látky na kvapalnú, vďaka schopnosti absorbovať a uvoľňovať latentné teplo v úzkom teplotnom rozsahu. Trh poskytuje širokú škálu PCMs s prispôsobiteľnými teplotami topenia. Na základe chemického zloženia sú PCMs kategorizované na organické, anorganické a eutektické zmesi (Obr. 2), pričom každá kategória má špecifický teplotný rozsah topenia. Hydráty solí, mastné kyseliny, parafínové vosky a eutektické zmesi dominujú na trhu PCMs za posledné tri desaťročia [10].

Obr. 2: Schéma klasifikácie PCMs (podľa [11])
Obr. 2: Schéma klasifikácie PCMs (podľa [11])

3.1 Kompozitné materiály s fázovou zmenou

Kompozitné materiály s fázovou zmenou predstavujú pokročilú kategóriu, tvorenú minimálne jedným PCM a ďalšími komponentmi. Kombinujú výhody fázovej premeny s vlastnosťami prídavných materiálov, čo umožňuje prispôsobené aplikácie a lepší výkon. Ich výhodou je napríklad výrazné zvýšenie tepelnej vodivosti (napr. uhlíkové kompozity až o 576 %) [12] alebo zlepšenie prenosu tepla (napr. parafín s medenou sieťkou alebo zapuzdrený v kremičitých nanočasticiach [13]). Súčasný vývoj zahŕňa kombináciu PCMs s materiálmi z biomasy, čo prináša environmentálne benefity a rozširuje aplikačné možnosti, otvárajúc nové smery výskumu a vývoja. Výroba kompozitných PCMs zahŕňa rôzne prístupy s odlišnými výhodami. Kategorizovať ich možno podľa štrukturálnej konfigurácie, výrobných procesov, alebo zložkových materiálov (Tab. 1) [14].

Tab. 1: Kategorizácia kompozitných PCMs (podľa [15])
Základná kategorizácia kompozitných materiálov s fázovou zmenou
Štruktúramatricová, enkapsulovaná, penová
Proces výrobyimpregnácia, polymerizácia, enkapsulácia
Typ PCMorganické, anorganické, eutektické
Typ matricekovová, polymérna, keramická, atď.
Typ prísadyna zlepšenie tepelnej vodivosti, stability alebo nehorľavosti

Klasifikácia kompozitných materiálov s fázovou zmenou nie je presne definovaná a v rôznych literárnych zdrojoch sa líši. Existuje mnoho typov, ktoré nemožno jednoznačne zaradiť do žiadnej z týchto kategórií [16].

4. Aplikácie v stavebníctve

Efektívne využitie PCMs si vyžaduje splnenie špecifických tepelných, fyzikálnych, chemických a kinetických vlastností. Kľúčová je teplota fázového prechodu v požadovanom prevádzkovom rozsahu, vysoká tepelná vodivosť pre efektívny prenos tepla a vysoké latentné teplo tavenia na jednotku objemu pre maximálnu hustotu akumulácie. Rovnomerné správanie pri topení zaručuje dlhú životnosť a spoľahlivú fázovú zmenu. Pri výbere PCMs sú dôležité aj environmentálna udržateľnosť a ekonomická životaschopnosť [17].

Pre znižovanie energetického dopytu je zásadná akumulácia tepla, najmä prostredníctvom PCMs integrovaných do stavebných konštrukcií. Vďaka vysokému latentnému teplu, stabilným chemickým vlastnostiam a kompatibilite so stavebnými materiálmi sa PCMs využívajú na akumuláciu tepla v stavebníctve už pred rokom 1980 [18]. Odvtedy sa ich aplikácie rozšírili o Trombeho steny [19], okenice [20], parapety [21] a iné stavebné prvky (Obr. 3). PCMs sú navrhnuté tak, aby akumulovali teplo cez deň a uvoľňovali ho v noci, pričom môžu byť priamo integrované do podláh, stien a stropov. Aplikácie PCMs v stavebníctve sa delia na aktívne a pasívne systémy [22].

Obr. 3: Ďalšie možnosti implementácie PCMs do stavebných prvkov a konštrukcií: a) PCM tehly (podľa [23])
a)
Obr. 3: Ďalšie možnosti implementácie PCMs do stavebných prvkov a konštrukcií: b) PCM panely (podľa [23])
b)
Obr. 3: Ďalšie možnosti implementácie PCMs do stavebných prvkov a konštrukcií: c) PCM sendvičová výplň (podľa [23])
c)

Obr. 3: Ďalšie možnosti implementácie PCMs do stavebných prvkov a konštrukcií: a) PCM tehly; b) PCM panely; c) PCM sendvičová výplň (podľa [23])

4.1 Aktívne systémy PCMs

Aktívne aplikačné systémy s PCMs fungujú na princípe riadeného prenosu tepla a vyžadujú si externý zdroj energie. Táto energia poháňa mechanické komponenty ako sú čerpadlá alebo ventilátory, ktoré aktívne cirkulujú teplonosné médium (napríklad vzduch alebo vodu) cez PCM. Sú preferované tam, kde je nevyhnutný zvýšený prenos tepla alebo precíznejšia regulácia. Príklady aktívnych systémov akumulácie tepla s PCMs zahŕňajú zariadenia integrované do systémov vykurovania, vetrania a klimatizácie (HVAC) vo vnútri plášťa budovy. Patria sem aj systémy zabudované do stavebnej konštrukcie s cirkuláciou vzduchu alebo vody, ako aj externé systémy, napríklad zásobníky teplej úžitkovej vody [24].

4.2 Pasívne systémy PCMs

Pasívne systémy s PCMs fungujú na princípe prirodzenej akumulácie a uvoľňovania tepla v reakcii na zmeny okolitej teploty. Na rozdiel od aktívnych systémov, ktoré vyžadujú externú energiu na cirkuláciu teplonosného média, pasívne systémy fungujú autonómne a bez akejkoľvek spotreby energie. Pasívne aplikácie PCMs minimalizujú energetickú náročnosť budov využitím prirodzených zdrojov energie a inteligentného architektonického návrhu stavebných komponentov. V stavebníctve sú pasívne systémy charakterizované ako PCMs integrované priamo do stavebných materiálov alebo implementované ako súčasti obvodového plášťa (napríklad žalúzie či podhľady). Efektívnym riešením úspory energie je zabudovanie PCMs do stavebných materiálov aplikovaných na vnútorné alebo vonkajšie povrchy konštrukcií, najmä stien [25], podláh [26], stropov [27] a transparentných plôch, ako sú okná [28].

Mnoho výskumov potvrdzuje účinnosť integrovaných PCMs materiálov, pričom výsledky sa líšia v závislosti od klimatických podmienok, umiestnenia v konštrukcii a typu PCM. Napríklad štúdia Nor Ali a kol. preukázala pokles povrchovej teploty steny až o 9 °C pri integrácii PCMs do exteriérovej omietky [29]. Autori Salih a kol. dosiahli zníženie maximálnej vnútornej teploty miestnosti o 4 °C aplikáciou PCMs do vnútornej vrstvy obvodovej steny [30]. Účinnosť tepelne aktivovaného chladiaceho PCM stropného panelu, so znížením prehrievania o 9 °C, bola preukázaná aj prostredníctvom simulácií Millers a kol. [31].

5. Diskusia

Integrácia materiálov s fázovou zmenou do stavebných konštrukcií predstavuje významný krok k dosiahnutiu vyššej energetickej účinnosti a tepelného komfortu budov. Ich jedinečná schopnosť akumulovať a uvoľňovať latentné teplo pri vhodnom teplotnom rozsahu prináša konkurenčnú výhodu oproti bežným stavebným materiálom v riadení vnútorných teplôt.

Vývoj od raných aplikácií až po moderné kompozitné PCMs, vrátane systémov s prísadou biomasy, podčiarkuje dynamiku výskumu v tejto oblasti. Účinnosť integrovaných PCMs potvrdzujú aj štúdie, ktoré preukázali pokles povrchových teplôt a zníženie maximálnej vnútornej teploty miestnosti pri ich aplikácii [29, 30]. Avšak pre širšie uplatnenie je stále kľúčové riešiť výzvy spojené s optimalizáciou tepelnej vodivosti a zabezpečením dlhodobej cyklickej stability PCMs. Kompozitné PCMs môžu síce výrazne zvýšiť tepelnú vodivosť, no s tým sú spojené aj vyššie výrobné náklady a enviromentálne dopady. Výzvou zostáva aj degradácia materiálov vplyvom opakovaných cyklov a fázová separácia.

Budúci výskum sa čoraz viac zameriava na multifunkčné PCMs systémy, ktoré by nielen regulovali teplotu, ale napríklad aj generovali energiu (ako v prípade fotovoltaických systémov s integrovanými PCMs), alebo zlepšovali akustické a požiarne vlastnosti materiálov. Dôležitým aspektom je aj rozvoj „inteligentných“ PCMs systémov, ktoré by dokázali reagovať na dynamické zmeny vonkajších klimatických podmienok a optimalizovať tak svoj výkon [32]. Pre širšie uplatnenie v praxi je nevyhnutné prekonať prekážky spojené s cenou, škálovateľnosťou výroby a legislatívnymi rámcami, ktoré by podporovali ich implementáciu v stavebníctve. To si vyžaduje interdisciplinárny prístup a spoluprácu pre udržateľnú a ekonomicky efektívnu integráciu PCMs.

6. Záver

Materiály s fázovou zmenou majú potenciál uplatnenia v stavebníctve, prinášajúci výhody ako zvýšený tepelný komfort, zníženú spotrebu prevádzkových nákladov budov a redukciu emisií skleníkových plynov. Napriek tomu je potrebný ďalší výskum na zlepšenie ich vlastností a zníženie nákladov. Tento prehľadový článok sumarizuje kľúčové poznatky o vývoji, klasifikácii a stavebných aplikáciách materiálov s fázovou zmenou, čím poskytuje ucelený základ pre pochopenie ich potenciálu. Poukazuje na dôležitosť optimalizácie výkonu, stability a ekonomickej efektivity, ako aj na environmentálne hľadiská.

Budúci vývoj PCMs by sa mal zamerať na recyklovateľnosť a minimalizáciu environmentálneho dopadu výroby. PCMs predstavujú nielen technologickú inováciu, ale aj významný krok smerom k ekologickejším a energeticky efektívnejším budovám, ktoré budú spĺňať požiadavky 21. storočia.

Tento príspevok bol vypracovaný za podpory projektu FAST-S-24-8620 Digitální fabrikace v pozemním stavitelství s využitím technologie 3D tisku a digitálních dvojčat a výskumného projektu VEGA 1/0626/22 Návrh a hodnotenie stavebných konštrukcií a vnútorného prostredia budov pre náročné podmienky.

7. Literatúra

  1. LIU, C. & kol. Actively and reversibly controlling thermal conductivity in solid materials, Physics Reports, 1058, 1-32, 2024
  2. SAID, Z. & kol. Nano-enhanced phase change materials: Fundamentals and applications, Progress in Energy and Combustion Science, 104, 101162, 2024
  3. REDDY, V. J. & kol. Innovations in phase change materials for diverse industrial applications: A comprehensive review, Results in Chemistry, 8, 101552, 2024
  4. MOHTASIM, Md. S.; DAS, B. K. Biomimetic and bio-derived composite phase change materials for thermal energy storage applications: A thorough analysis and future research directions, J. Energy Storage, 84, 110945, 2024
  5. SARBU, I.; SEBARCHIEVICI, C. A comprehensive review of thermal energy storage, Sustainability, 10(1), 191, 2018
  6. FOKAIDES, P. A. & kol. Phase change materials (PCMs) integrated into transparent building elements: a review, Mater Renew Sustain Energy, 4, 6, 2015
  7. CHARLES, J. M. Performance and stability of CaCl2·6H2O-based phase change materials, Lehigh University, 2018
  8. CHEN, M. & kol. Energy saving simulation of phase change materials in the enclosure structure of archives warehouse in Lhasa, Energy Reports, 8, 4, 2022
  9. TEAMAH, H. M. Chapter 1 - Introduction and history of phase change materials’ heat transfer, In: Phase Change Materials for Heat Transfer, Elsevier, 1-26, 2023
  10. SOUAYFANE, F. & kol. Phase change materials (PCM) for cooling applications in buildings: A review, Energy Build., 129, 396-431, 2016
  11. GHASEMI, K. & kol. PCM, nano/microencapsulation and slurries: A review of fundamentals, categories, fabrication, numerical models and applications, Sustain. Energy Technol. Assessments, 52, 102084, 2022
  12. GILART, P. M. & kol. Development of PCM/carbon-based composite materials, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 107, 205-211, 2012
  13. BELESSIOTIS, G. V. & kol. Preparation and investigation of distinct and shape stable paraffin/SiO2 composite PCM nanospheres, Energy Convers. Manage., 168, 382-394, 2018
  14. ZHANG, Q. & kol. A review of composite phase change materials based on biomass materials, Polymers, 14(19), 4089, 2022
  15. DU, X. & kol. Synthesis and thermal energy storage properties of a solid–solid phase change material with a novel comb-polyurethane block copolymer structure, Thermochimica Acta, 651, 58-64, 2017
  16. TOGUN, H. & kol. A critical review on phase change materials (PCM) based heat exchanger: Different hybrid techniques for the enhancement, J. Energy Storage, 79, 109840, 2024
  17. LEONG, K. Y. & kol. Nano-enhanced phase change materials: A review of thermo-physical properties, applications and challenges, J. Energy Storage, 21, 18-31, 2019
  18. SIMONSEN, G. & kol. Biobased phase change materials in energy storage and thermal management technologies, Renew. Sustain. Energy Rev., 184, 113546, 2023
  19. ZHANG, Y. & kol. The Trombe wall equipped with PCMs for the enhancement of the indoor thermal quality, Energy Build., 297, 113407, 2023
  20. CHE-PAN, M. & kol. Thermal performance of a window shutter with a phase change material as a passive system for buildings in warm and cold climates of México, Energy Build., 281, 112775, 2023
  21. MUSIAŁ, M.; LICHOŁAI, L. Multi-faceted analysis of phase-change composite intended for autonomous buildings, Materials, 17, 2604, 2024
  22. GHAMARI, M. & kol. Advancing sustainable building through passive cooling with phase change materials, a comprehensive literature review, Energy Build., 312, 114164, 2024
  23. AL-YASIRI, Q.; SZABÓ, M. Incorporation of phase change materials into building envelope for thermal comfort and energy saving: A comprehensive analysis, Journal of Building Engineering, 36, 102122, 2021
  24. GHOLAMIBOZANJANI, G.; FARID, M. A comparison between passive and active PCM systems applied to buildings, Renewable Energy, 162, 112-123, 2020
  25. ZHANG, P. & kol. A review of the composite phase change materials: Fabrication, characterization, mathematical modeling and application to performance enhancement, Applied Energy, 165, 472-510, 2016
  26. SUN, W. & kol. Experimental investigation on the thermal performance of double-layer PCM radiant floor system containing two types of inorganic composite PCMs, Energy Build., 211, 109806, 2020
  27. LIM, H. & kol. Application of a phase change material to a thermoelectric ceiling radiant cooling panel as a heat storage layer, J. Build. Eng., 32, 101787, 2020
  28. LIU, C. & kol. Experimental investigation of optical and thermal performance of a PCM-glazed unit for building applications, Energy Build., 158, 794–800, 2018
  29. NOR ALI, U. N. & kol. Integration of PCM as an external wall layer in reducing excessive heat of building walls, Funct. Compos. Struct., 4(3), 035005, 2022
  30. SALIH, S. S. O. & kol. Investigation of thermal performance of 3D printing integrated phase change materials in building structure, International Journal of Heat and Technology, 40(3), 843-848, 2022
  31. MILLERS, R. & kol. Cooling panel with integrated PCM layer: A verified simulation study, Energies, 13(21), 5715, 2020
  32. TYAGI, V. V. & kol. A comprehensive review on phase change materials for heat storage applications: Development, characterization, thermal and chemical stability, Solar Energy Materials and Solar Cells, 234, 111392, 2022
English Synopsis
Review of Phase Change Materials (PCMs) for Sustainable Construction

This review describes Phase Change Materials (PCMs) as an advanced solution for improving building energy efficiency and thermal comfort. It synthesizes insights into their evolution, categorization, and practical construction applications. It discusses PCMs history, operational principles, diverse typologies, and classification, including composite PCMs. It elucidates specific building applications, illustrating their integration based on recent research. The aim is to provide an overview of PCMs development and underscore their significance as a sustainable instrument for mitigating energy operating costs and elevating thermal comfort in contemporary construction. Concurrently, it delineates current obstacles and proposes strategic research directions, focusing on thermophysical property optimization, economic viability, and ecological sustainability.

 
 
Reklama