Βαθμός εκμετάλλευσης υλικών αλλαγής φάσης (PCM) σε κτιριακές εφαρμογές

Abstract

Μια νέα τεχνολογία δομικών υλικών στα πλαίσια της αποθήκευσης θερμότητας έχουν κάνει τα τελευταία χρόνια την εμφάνιση τους στη διεθνή αγορά και μας απασχολούν όλο και περισσότερο διότι λόγω του ενεργειακού προβλήματος που πλήττει τον πλανήτη αποτελεί μια πολύ ελκυστική λύση. Τα υλικά αυτά είναι γνωστά ως ΥΛΙΚΑ ΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ (PCM). Στην παρούσα εργασία γίνεται μια εκτενής μελέτη και αναφορά σε αυτά. Για λόγους καλύτερης κατανόησης έχουμε χωρίσει την εργασία σε τρια μέρη. Το πρώτο μέρος είναι πολύ γενικό και προσπαθούμε εν συντομία να περιγράψουμε τους λόγους οι οποίοι καθιστούν τα υλικά αλλαγής φάσης αναγκαία στις μέρες μας. Αναφερόμαστε στις μορφές ενέργειας με ιδιαίτερη έμφαση στην ηλιακή εφόσον χρησιμοποείται άμεσα στις εφαρμογές που περιλαμβάνουν τα υλικά αλλαγής φάσης, στον τρόπο με τον οποίο μπορούμε να έχουμε εξοικονόμηση ενέργειας στο κτίριο κυρίως με βάσει τις υπάρχουσες και νέες τεχνολογίες όπως είναι ο βιοκλιματικός σχεδιασμός. Ταυτόχρονα δεν παραλείπουμε να αναφέρθούμε στα δομικά υλικά, τόσο στα συμβατικά όσο και στα νέα κάνοντας έτσι μια μικρή εισαγωγή για τα υλικά αλλαγής φάσης. Το δεύτερο μέρος μας ασχολείται αποκλειστικά με τα υλικά αλλαγής φάσης. Κατανοούμε τι είναι τα υλικά αυτά, μαθαίνουμε την εξέλιξη τους στο χρόνο μέσα από τις μελέτες και εφαρμογές διάφορων ερευνητών, τον τρόπο και τις μεθόδους με τις οποίες χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές όπως τα κτίρια και όχι μόνο. Συν τοις άλλοις εμβαθύνοντας σε αυτά τα ταξινομούμε σε επιμέρους κατηγορίες με βάσει τις ιδιότητες τους και παραθέτουμε τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα μειωνεκτήματα τους. Στο τελευταίο κεφάλαιο αυτού του μέρους κλείνουμε με μια αναφορά στο πώς «στέκονται» τα υλικά αλλαγής φάσης στη σημερινή αγορά. Συγκεκριμένα τα υλικά αλλαγής φάσης αποθηκεύουν θερμότητα με τη μορφή λανθάνουσας θερμότητας και την αποδίδουν ετεροχρονισμένα συμβάλλοντας στο γεγονός να διατηρείται η θερμοκρασία σταθερή σε ένα χώρο καθόλη τη διάρκεια της μέρας. Κατατάσσονται σε τέσσερις βασικές κατηγορίες που είναι τα οργανικά και τα ανόργανα υλικά αλλαγής φάσης καθώς και οι παραφίνες και τα εύτηκτα μίγματα. Από αυτές πιο πολύ χρησιμοποιούμενα είναι τα οργανικά υλικά και οι παραφίνες λόγω των πλεονεκτημάτων που συγκεντρώνουν ως προς τις άλλες δυο κατηγορίες. Κυρίως έχουν να κάνουν με τη χημική σταθερότητα τους, την αντίδραση τους με τα άλλα δομικά υλικά και τον τρόπο συσκευασίας τους. Το τρίτο και τελευταίο μέρος της παρούσης εργασίας είναι το υπολογιστικό μας κομμάτι. Στην ουσία υποθέτουμε μια εφαρμογή των υλικών αυτών σε ένα τοίχο νότιου προσανατολισμού. Ο τοίχος αυτός βρίσκεται σε ένα δωμάτιο με μόνη πηγή θερμότητας την ακτινοβολία του ήλιου που εισέρχεται από ένα υαλοπίνακα στην απέναντι πλευρά του υπό μελέτη τοίχου. Όλοι οι τοίχοι θεωρούνται μονωμένοι έτσι ώστε να μη διαφεύγει θερμότητα προς το εξωτερικό περιβάλλον. Ο τοίχος με το υλικό αλλαγής φάσης έχει τη μόνωση στην εξωτερική του πλευρά. Μέσα από μια παραμετρική μελέτη προσπαθούμε να βελτιστοποιήσουμε τη χρήση των υλικών αλλαγής . Με τη φράση «βελτιστοποίηση της χρήσης» ενοούμε πως με μόνη πηγή θέρμότητας τις ακτίνες που προσπίπτουν στο υλικό, αυτό να μπορεί να μεταβαίνει από την υγρή φάση στη στέρεη και το αντίστροφο σε διάστημα ενός μόνο 24ωρου και όλο αυτό να επαναλαμβάνεται για μεγάλο χρονικό διάστημα (ουσιαστικά για πάντα) .Στην αρχή χρησιμοποιούμε ένα εμπορικό υλικό το RT20 της RUBITHERM. Γρήγορα αντιλαμβανόμαστε ότι με το εν λόγω υλικό δεν έχουμε τα επιθυμητά αποτελέσματα όπως αυτά διατυπώθηκαν. Γι αυτό το λόγο κάνουμε μια έρευνα και αλλάζοντας τις διάφορες παραμέτρους που εμπλέκονται στο πρόβλημα (θερμοκρασίες αλλαγής φάσης, θερμοχωρητικότητες, ειδική θερμότητα, πυκνότητα του υλικού αλλά και τις συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό και εξωτερικό περιβάλλον) καταφέρνουμε να έχουμε μια επιτυχή εφαρμογή από ένα υλικό. Το υλικό αυτό όμως προς το παρών είναι ιδεατό και κάνουμε την παραδοχή πως μπορούμε να το πετύχουμε εργαστηριακά. Στο τέλος και για λόγους πλήρότητας της εργασίας δείχνουμε πως μεταβάλλονται και άλλα δυο κοινά εμπορικά υλικά αλλαγής φάσης, το RT27 και το SP25A8, τα οποία όμως είχαν παρόμοια συμπεριφορά με το αρχικό γεγονός που οφείλεται κυρίως στο μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος αλλαγής φάσης και στο περιορισμένο χρόνο που τους δίνεται για να εκτελέσουν τόσο το στάδιο της φότισης όσο και της αποφόρτισης.

A new technology of structural materials in the frames of heat storage they have made the last years their appearance in the international market and they occupy us more and more as they constitute a very attractive solution because of the energy problem that affects the planet. These materials are known as PGASE CHANGE MATERIALS (PCM). In the present work an extensive study and report has become to them. For reasons of better comprehension we have separated the work in three parts. The first part is very general and we try briefly to describe the reasons which render the materials of phase change necessarily in our days. We report in the forms of energy, with particular accent in solar energy provided that this is also the one that is used immediately in the applications that include the materials of phase change, in the way with which we can have saving of energy in the building mainly with the existing and new technologies as it is the bioclimatic planning. At the same time we do not omit to make reference to the structural materials, both in the conventional ones and the news making thus a small import on the materials of phase change. Our second part deals exclusively with the materials of phase change. We comprehend what are these materials, learn their development in the time through the studies and applications of various researchers, the way and the methods with which they are used in various building applications and not only. Plus deepening in this theme we categorize them in individual categories according to their attributes and we also mention both their advantages and disadvantages. In the last capital of this part we close with a report of the materials of phase change in correlation with the current market. Specifically, the phase change materials store heat in the form of latent heat and they attribute it with delay in a different time so as to to keep the temperature constant at a space throughout the day. PCM are classified into four main categories which are the organic and inorganic phase change materials, paraffins and fusible mixtures. Of these categories organic materials and paraffins are used more because of the benefits they have in comparison with the other two categories. This happens mostly because of their chemical stability, their reaction with other building materials and type of packaging. The third and last part of the present work is our calculating piece. We suppose an application of these materials in a a south-facing wall. This wall is located in a room where the only source of heat is radiation of the sun entering through a panel of glass on the opposite side of the wall that we study. All walls are considered insulated so that no heat escapes to the outside environment. The wall of the phase change material has its insulation outside. Through a parametric study we try to optimise their use. With the phrase “optimize their use” we mean that with solar rays being the only source of heat the material has to pass from the liquid phase to solid and vice versa in a single 24 hour period and all this must be repeated for a long time (essentially forever). In the beginning we use a commercial material the RT20 of RUBITHERM. In the beginning we conceived that with the specific material we do not have the desirable results as expressed. For this reason we make a research and by changing the various parameters that are involved in the problem (phase change temperatures, heat capacities, specific heat, density of the material and the conditions at the internal and external environment) we have a successful application from a material. This material however which is ideal at present and we make the admission that we can achieve it in the laboratory. In the end and for reasons of plenitude of work we show the behavior of two other common commercial materials of phase change, RT27 and the SP25A8, which however had similar behavior with the initial mainly due to the wide temperature range of phase change and the limited time they are given to perform both the stage of charging and the discharge.