Multikriteriální analýza podhledů při uvažování vnitřního prostředí budovy

PCM – materiály schopné změny skupenství

Termín PCM (Phase Change Materials) – materiály schopné změny skupenství – se běžně používá k popisu materiálů, které využívají změny skupenství – (např. tuhnutí/zkapalňování) k absorpci nebo uvolnění poměrně velkého množství latentního tepla při relativně konstantní teplotě. Materiálů, které mění skupenství, je však velké množství. Jako PCM se označují materiály s vysokým skupenským teplem, které mění skupenství při reálně  využitelných  teplotách. Pro vnitřní prostředí budov se jedná o teploty cca 20 až 25 °C (například – vodu s teplotou tání 0 °C – tak v tomto případě využít nelze).

PCM jsou materiály vhodné pro skladování tepelné energie (obr. 1). Přenos tepelné energie nastává, když se materiál mění  z  pevné  látky na kapalinu nebo z kapaliny na pevnou látku – což se nazývá změna stavu nebo „fáze“. Na začátku cyklu tyto PCM fungují jako konvenční materiály; jejich teplota stoupá, jakmile absorbují teplo. Když se PCM ohřeje na teplotu, při které mění skupenství (bod tání), PCM absorbuje velké množství tepla, aniž by se jeho teplota zvyšovala. V okamžiku, kdy se PCM zcela roztaví, fungují opět jako běžné materiály. Opačný proces nastává, když okolní teplota v prostoru kolem materiálu PCM klesne. Pokud teplota dosáhne bodu tuhnutí PCM, tak tento materiál ztuhne a uvolní své uložené latentní teplo. PCM absorbují a emitují teplo při zachování téměř konstantní teploty. V rámci rozsahu lidského komfortu od 20 °C do 30 °C jsou latentní termické akumulační materiály velmi účinné. PCM ukládají pětkrát  až čtrnáctkrát více tepla na jednotku objemu než běžné stavební materiály, jako jsou zdivo nebo kámen [1].

Ideální materiál s fázovou přeměnou má následující parametry: vysokou hodnotu latentního tepla fázové přeměny na jednotku objemu, vysokou hodnotu specifické tepelné kapacity (doplňkového citelného tepla), vysokou tepelnou vodivost obou fází, výhodnou fázovou rovnováhu, kongruentní tání, dlouhodobou chemickou stabilitu, zcela vratný cyklus tuhnutí a tání, je nehořlavý, netoxický    a nevýbušný [2].

Teorie, koncept podhledu – část vnitřního prostředí

Podhledy  jsou  primárně  navrhovány  z  hlediska  norem,  vyhlášek  a nařízení vlády [3–7] na vnitřní prostředí (operativní teploty a teploty vzduchu, rychlosti proudění vzduchu, koncentrace chemických látek, prašnost, osvětlení a akustika). Hlavním důvodem pro použití PCM   je zlepšení vnitřního prostředí budov. Cílem je snížení chladicího výkonu potřebného pro místnost během letního období. Přidanou hodnotou tohoto podhledu jsou jeho pozitivní akustické vlastnosti. Použitím PCM se zvýší tepelná kapacita, a proto i setrvačnost budovy či jejích stavebních prvků a tím se změní průběh tepelné zátěže / tepelné ztráty během dne. Kapacita ukládání energie na jednotku hmoty je u PCM mnohem větší než u standardních stavebních materiálů, jakými jsou beton a zdivo. Z tohoto důvodu se využívají PCM především v budovách s lehkými konstrukcemi. Zabudování PCM do konstrukce budovy umožňuje větší kontrolu tepelných toků, než když prvky PCM nejsou přítomny.

Mezi běžně používané pasivní aplikace v budovách patří aplikace PCM do skla, fasád, podlah a  stropních  podhledů.  Příklad  aplikací ve fasádě je možno vidět na obr. 2.

Teorie k simulaci vnitřního prostředí

K zajištění komfortního stavu vnitřního prostředí je nutné provést simulace energetického chování místnosti jak bez prvků, tak s těmito prvky. Ze simulace by mělo vyjít teoretické množství požadovaného PCM. Kapacita z instalovaného PCM, která se skutečně podílí na procesu přeměny, závisí na konkrétním řešení přenosu tepla. Přenos tepla je řešen simulací procesu dynamického přenosu tepla.

PCM lze použít s různými cíli a včlenit do budovy v jejích různých součástech a s konkrétními strategiemi navržených řešení.

Možné funkce PCM:
■ vyhlazení a zpomalení změny tepelného toku obálkou budovy;
■ zmírnění a posunutí v čase (během dne) špičkové tepelné zátěže/ztráty;
■ pasivní skladování tepelné energie;
■ aktivní skladování tepelné energie.

V případě pasivního skladování energie se jedná o skladování energie v konstrukci budovy jako celku. V budově nejsou záměrně určeny prvky pro ukládání energie a obvykle se nepoužívají žádné teplonosné kapaliny. V případě aktivního skladování energie se energie ukládá do speciálně určeného prvku. Tento prvek je pak zapojen do dalších systémů technických zařízení budovy, např. do vzduchotechnického systému. Často se zavádí teplonosná kapalina, jež propojí budovu, skladování tepelné energie a systémy technických zařízení budovy.

Strategie zabudování

Část objektu, ve které je zabudován PCM, pracuje cyklicky následovně: pokud je část nabitá (chlazení) nebo vybitá (vytápění), musí být nalezeno a zavedeno řešení, které obnoví počáteční stav, jinak PCM pracuje jako běžný materiál. Vysoká tepelná setrvačnost   a posunutí tepelného toku není nutně dogmaticky dobré. Pro případ administrativních budov by mělo být posunuto do času mimo úřední (pracovní) hodiny. Posun vrcholů (extrémů) je třeba pečlivě optimalizovat, aby se předešlo součtu nežádoucích účinků nebo aby se vyskytly tyto účinky mimo pracovní dobu, tj. v noci, kdy je možné využít nočního větrání.

Návrh aktivního prvku s PCM

Možnosti použití PCM pro zlepšení vnitřního prostředí v budovách jsou poměrně  značné.  K  dispozici  jsou  jednak  stavební  materiály  s integrovaným PCM, nejčastěji ve formě desek nebo tvárnic. Množství aktivního PCM je v tomto  případě  nižší  a  dosahuje  cca 20 až 25 %. Dostupný je však také „čistý“ PCM ve formě maých kuliček (Ø 0,01 mm až cca 40 mm, pevný obal tvoří stěnu kuličky), sáčků nebo větších plastových či kovových boxů (obr. 4–6). Tepelná kapacita (ve formě latentního tepla) běžně dostupných materiálů dosahuje cca 150 až 250 kJ/kg.

PCM je možné teoreticky integrovat do povrchových vrstev stěn, stropů  i podlah místností. Pro správnou instalaci je nutno zajistit následující:

■  Povrch prvku s PCM by měl mít dobrou tepelnou vodivost. Při integraci do podlah je tak nutné se vyvarovat použití koberců. Pro- blematický může být tento požadavek také s ohledem na akustické vlastnosti povrchu. Dobře tepelně vodivý materiál má většinou špatné akustické vlastnosti (viz další kapitola).

■   Přídavné prvky  s  PCM  by  neměly  zakrývat  okolní  konstrukce  a snižovat tak jejich odezvu na okolní tepelné prostředí, potažmo jejich tepelně-akumulační schopnost. Při obkladu stěn a stropů by proto neměla být konstrukce zakrývána celoplošně a mělo by být umožněno proudění vzduchu za prvkem.

Pracovní teploty PCM

Pracovní teploty PCM se liší podle toho, jaká funkce je od nich požadována a kde budou použity. Vybraní výrobci umožňují vytvořit materiál na míru s vlastní teplotou tání i tuhnutí. Vyjma budov se PCM používají při přepravě potravin, v lékařství k terapiím chladem (či teplem), v průmyslu ke zpětnému získávání tepla a v automobilovém průmyslu ke klimatizaci prostorů automobilů [12]. Teploty tání se mohou pro použití v budovách pohybovat v rozmezí –20 °C až + 70 °C. Pro stropní aplikaci se hledá taková  teplota tání, která je vhodná z hlediska požadavků  na teplotu vnitřního prostředí. Pro stropní účely se většinou používá v podmínkách mírného klimatu PCM s rozsahem teplot tání 23 až 24 °C a s rozsahem teplot tuhnutí 19 až 21 °C. Pro účely simulace a měření v laboratoři byl vybrán PCM o tepelné kapacitě (specifickém teple), která je rovna 3,14 kJ/kg a o skupenském teple (latentním teple) 200 J/g.

Vlastní návrh prvku