Sálavé stropné panely s inovatívnym materiálom: tepelná pohoda počas celého roka?
Časopis TZB Haustechnik 
PCM sálavé panely majú potenciál v úspore energie, posúvaní prevádzkových špičiek a zabezpečení príjemného vnútorného prostredia v budovách.
Stropné sálavé panely sa inštalujú do bytových a administratívnych objektov na zabezpečenie vykurovania a chladenia. Sálavá zložka, ktorá prevláda, dokáže zabezpečiť tepelnú pohodu v interiéroch počas celého roka.
Výskum v posledných rokoch sa zameriava na zníženie finančných prostriedkov na vykurovaciu/chladiacu prevádzku. Dôležité je pri tom dodržať odporúčané podmienky, aby sa zabezpečilo komfortné vnútorné prostredie. V tejto súvislosti sa začala skúmať fázová zmena materiálov, ktoré sa aplikujú do sálavých systémov. Pri tejto zmene materiálu možno znížiť prevádzkové náklady na chladenie, posunúť prevádzkové špičky chladenia a zároveň posunúť potrebu chladenia mimo pracovných hodín.
Vykurovanie a chladenie v budovách je dôležitou súčasťou vnútorného prostredia, ktoré je nevyhnutné správne navrhnúť tak, aby boli zabezpečené odporúčané hodnoty z vyhlášky Ministerstva zdravotníctva SR č. 99/2016 Z. z. Vnútorné prostredie v budovách je témou mnohých štúdií a výskumov. Z hľadiska dlhodobého výskumu boli prezentované výstupy posúdenia rôznych systémov vykurovania a chladenia, napríklad tepelne aktivovaných stavebných systémov (TABS), sálavých systémov či konvekčných systémov.
Preukázalo sa, že TABS vedia celoročne poskytnúť vhodné vnútorné prostredie počas zimnej aj letnej prevádzky. Rúrky na vykurovanie a chladenie sú v tomto prípade zapustené do stavebnej konštrukcie a aktivujú betónové jadro, čím nahromadia teplo/chlad do konštrukcie [1, 2]. Sálavé systémy s fázovou premenou materiálov, ktoré sú aplikované do stropných panelov, zabezpečujú tie isté základné vlastnosti ako TABS (konkrétne typ E [3]), pričom posúdenie sa preukázalo pri chladiacej prevádzke.
Medzi faktory, ktoré ovplyvňujú vykurovaciu a chladiacu kapacitu sálavých systémov, patrí koeficient výmeny tepla medzi sálavým povrchom a vnútorným priestorom. Koeficient výmeny tepla pozostáva z konvekčnej a zo sálavej zložky [1]. Sálavé systémy poskytujú príjemné vnútorné prostredie vďaka prevládajúcej zložke sálania. Sálavé systémy s fázovou premenou materiálov sa najčastejšie aplikujú do sálavých chladiacich panelov, ktoré sú predmetom výskumu v ostatných 10 rokoch.
Fázová premena materiálov
Fázová premena materiálov nesie skratku PCM z anglického slovného spojenia Phase Change Material. PCM je materiál, ktorý je schopný absorbovať teplo a následne ho vypustiť, keď premení svoju fázu z pevnej na kvapalnú, pričom v tejto premene prebieha chladenie, absorpcia latentného tepla do PCM.
Pri obrátenej premene z kvapalného do pevného skupenstva sa uvoľňuje latentné teplo a dochádza k vykurovaniu [5, 6, 7]. Pri sálavých systémoch a aplikácii PCM materiálov sa najčastejšie používa premena z pevného skupenstva na kvapalné, teda z hľadiska materiálu organický parafín alebo neorganické hydráty soli.
Typy súčasných sálavých systémov s fázovou premenou materiálov
V tejto kapitole priblížime základné charakteristiky súčasných sálavých panelov s PCM, ktoré boli predmetom štúdií v rôznych krajinách ako Dánsko, Kanada, Nemecko, Česká republika a Lotyšsko. Všetky panely obsahujú PCM materiál – rúrky, ktoré zabezpečujú rýchlejšie vybitie materiálu počas nočnej cirkulácie. Pri skúmaní sálavých stropných panelov s fázovou premenou materiálu sme hľadali všetky dostupné výskumy, aby bolo následne možné porovnať a zhodnotiť ich tepelné toky.
Stropný sálavý panel s makroenkapsulovaným PCM, Dánsko
Bogatu a kolektív [8] posudzovali sálavý panel s makroenkapsulovaným PCM – parafínom. Tento sálavý panel bol skonštruovaný na Dánskej technickej univerzite v Lyngby. Teplota topenia je maximálne 24 °C, rozsah zmeny fázy je od 21 °C do 26 °C [8].
Rám stropného panela je z oceľového plechu, medené potrubia sú vložené do PCM. Rozmery vyhodnoteného sálavého panela na ochladenie sú 0,595 × 0,595 × 0,029 m. Na obr. 1 vidieť inštaláciu tohto sálavého panela. Teplota prívodnej vody bola nastavená na 18 °C, teplota vratnej vody bola 21 °C. Sálavý stropný panel z tejto štúdie mal tepelný tok od 5,3 W/m2 do 27,7 W/m2, s priemernou hodnotou 11,3 W/m2 [8].
Stropný sálavý panel s makroenkapsulovaným PCM v kontaktných úložných moduloch, Kanada
Gallardo a Berardi [9] uskutočnili experimentálne merania so stropným panelom s makroenkapsulovaným PCM v kontaktných úložných moduloch (Contact Storage Modules; CSM). Moduly sú zobrazené na obr. 2, pričom PCM je uzavretý priamo v tomto module a pripevnený na rám stropného panela.
Parafín bol aplikovaný v CSM s rozsahom zmeny fázy od 20 °C do 23 °C. Rám stropného panela sa skladá z hliníka, medených rúrok a pridanej izolačnej vrstvy. Rozmery tohto sálavého panela sú 1,2 × 0,6 × 0,050 m. Sálavý panel s PCM v CSM vidieť na obr. 3.
Teplota prívodnej vody bola nastavená na 15 °C, vratná teplota bola 18 °C. Tepelný tok meraný na povrchu sálavého panela bol v rozmedzí od 11 W/m2 až do 31,4 W/m2, s priemernou hodnotou 17,3 W/m2 [9].
Stropný sálavý panel s makroenkapsulovaným PCM v kontaktných úložných moduloch umiestnených na vrchnej grafitovej vrstve, Nemecko
Yasin a kolektív [10] vytvorili simulačný model a realizovali experimentálne merania stropného panela PCM s makroenkapsulovaným PCM v CSM v hornej časti grafitovej vrstvy. PCM v CSM moduloch bol naplnený hydrátom soli SP22 s rozsahom zmeny fázy od 22 °C do 24 °C.
Kovový rám sálavého panela je z ocele, na nočné vypustenie nahromadeného tepla bol pridaný systém medených rúrok a na zlepšenie tepelnej vodivosti bola vložená grafitová vrstva. Na hornú časť grafitovej vrstvy sa umiestnili CSM s makroenkapsulovaným PCM.
Rozmery sálavého panela sú 0,625 × 0,625 × 0,037 m. Na obr. 4 vidieť prierez stropným panelom s PCM v CSM umiestnenom na vrchu grafitovej vrstvy. Teplota prívodnej vody bola nastavená na 16 °C, vratná teplota bola 18 °C.
Na povrchovej vrstve PCM bol počas pasívneho chladenia nameraný tepelný tok v rozsahu od 11,0 W/m2 až po 16,0 W/m2. Počítalo sa s vnútornými tepelnými ziskami 32,0 W/m2 [30]. Všetky informácie o sálavom paneli s PCM v CSM umiestnenom v hornej časti grafitovej vrstvy sú zobrazené v tab. 1 [10].
Stropný sálavý panel s molekulárnym enkapsulovaným PCM, Česká republika
Skovajsa a kolektív [11] skúmali sálavý stropný panel s parafínovým PCM prostredníctvom experimentálnych meraní. Materiál PCM bol zložený zo 60 % molekulárneho enkapsulovaného parafínu a zo 40 % polyméru. Rozsah zmeny fázy je od 18 °C do 24 °C. PCM je umiestnený v spodnej časti stropného panela pod cirkulačným potrubím.
Kovový rám stropného panela je z ocele, systém chladiaceho potrubia je z medi. Rozmery sálavého panela sú 1,6 × 0,6 × 0,2 m [11]. Závesný stropný panel s PCM z Českej republiky vidieť na obr. 5. Teplota prívodnej vody bola nastavená na 10 °C, vratná teplota bola 13 °C. Tepelný tok meraný na povrchu sálavého panela bol v rozmedzí od 10,0 W/m2 až do 29,0 W/m2, s priemernou hodnotou 25 W/m2 [11].
Stropný sálavý panel s makroenkapsulovaným PCM, Lotyšsko
Rucevskis a kolektív [12] vytvorili simulačný model stropného panela PCM pre obytnú budovu. Za PCM sa považoval makroenkapsulovaný parafín s rozsahom zmeny fázy od 20 °C až do 23 °C. Oceľový rám sálavého panela bol naplnený parafínom, vnútri boli umiestnené medené potrubia.
Rozmery sálavého panela sú 1,0 × 0,50 × 0,025 m. Prierez stropným panelom s PCM zo simulácie v Lotyšsku vidieť na obr. 6. Teplota prívodnej vody bola nastavená na 15 °C, vratná teplota bola 18 °C. Simulované údaje o tepelnom toku z povrchu sa v tejto štúdii nevyhodnotili.
| Krajina | |||||
| Dánsko | Kanada | Nemecko | Česko | Lotyšsko | |
| Plocha sálavého panela (m2) | 0,354 | 0,720 | 0,391 | 0,960 | 0,500 |
| Rozstup rúrok (m) | 0,15 | 0,15 | 0,10 | 0,05 | 0,0385 |
| Priemer rúrky (m) | 0,01 | 0,0127 | 0,01 | 0,01 | 0.008 |
| Hrúbka steny rúrky (m) | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,0005 |
| Tepelná vodivosť rúrky (W/m . K) | 390 | 390 | 390 | 395 | 386,6 |
| Tepelná vodivosť PCM (W/m . K) |
0,20 | 0,15 | 0.60 | 0,18 | 0,20 |
| Hrúbka vrstvy PCM (m) | 0,01 | 0,015 | 0,012 | 0,005 | 0,025 |
| Tepelná vodivosť pridanej vrstvy (W/m . K) | 0,024 (vzduch) |
0,04 (izolácia) |
9,0 (grafit) |
0,024 (vzduch) |
– |
| Hrúbka pridanej vrstvy (m) | 0,017 | 0,02 | 0,035 | 0,1935 | – |
| Tepelná vodivosť sálavého panela (W/m . K) | 50,00 | 100,00 | 15,00 | 15,00 | 16,27 |
| Hrúbka sálavého panela (m) | 0,001 | 0,0078 | 0,001 | 0,0015 | 0,0005 |
| Návrhová teplota vratnej vody (°C) | 21 | 18 | 18 | 13 | 18 |
| Prívodná teplota vody (°C) | 18 | 15 | 16 | 10 | 15 |
| Návrhová vnútorná teplota (°C) |
26 | 26 | 26 | 26 | 26 |
Tab. 1 Prehľad informácií o sálavých paneloch z uvedených krajín [6, 7, 8, 9, 10]
Záver
V posledných rokoch sa výskum fázovej premeny materiálov (PCM) zameriava na ich aplikáciu do sálavých systémov. Štúdie preukázali, že materiály s fázovou premenou použité v sálavých systémoch majú podobné vlastnosti ako systémy s tepelne aktivovaným stavebným systémom (TABS). PCM materiál je kompaktnejší a nie je ho potrebné také veľké množstvo ako pri porovnateľnej aktivácii betónového jadra.
PCM materiály v sálavých paneloch sa využívajú predovšetkým na chladenie, pričom ich hlavnou výhodou oproti systémom TABS je možnosť ich aplikácie počas rekonštrukcie. TABS systémy je nevyhnutné riešiť už v konštrukčnej fáze projektu. PCM sálavé panely majú potenciál v úspore energie, posúvaní prevádzkových špičiek a zabezpečení príjemného vnútorného prostredia v budovách.
Túto prácu podporilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky prostredníctvom grantov VEGA 1/0303/21 a APVV-21-0144. Poďakovanie patrí aj J. Shinodovi, D. I. Bogatovi a O. B. Kazancimu z Dánskej technickej univerzity za vedenie a konzultácie v rámci výskumu na tejto univerzite.
Literatúra
- Babiak, J. – Olesen, B. W. – Petráš, D.: REHVA Guidebook no. 7: low Temperature Heating and High Temperature cooling-Embedded water based surface systems: REHVA. Federation of European Heating and Air-conditioning Associations; 2007
- Pomianowski, M. – Heiselberg, P. – Jensen, R. L.: Dynamic heat storage and cooling capacity of a concrete deck with PCM and thermally activated building system. Energy Build 2012; 53: 96 – 107.
- Boccardo, L. B. – Kazanci, O. B. – Allerhand, J. Q. – Olesen, B. W.: Economic comparison of TABS, PCM ceiling panels and all-air systems for cooling offices. 2019, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.109527.
- Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings.
- Seyedmostafa Mousavi – Behzad Rismanchi – Stefan Brey – Lu Aye: PCM embedded radiant chilled ceiling: A state-of-the-art review, Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 151, 2021.
- Hussein Akeiber – Payam Nejat – Muhd Zaimi Abd. Majid – Mazlan A. Wahid – Fatemeh Jomehzadeh – Iman Zeynali Famileh – John Kaiser Calautit – Ben Richard Hughes – Sheikh Ahmad Zaki: A review on phase change material (PCM) for sustainable passive cooling in building envelopes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 60, 2016.
- Phase change material, https://en.wikipedia.org/wiki/Phase-change_material.
8. Dragos-Ioan Bogatu – Ongun B. Kazanci – Bjarne W. Olesen: An experimental study of the active cooling performance of a novel radiant ceiling panel containing phase change material (PCM). Energy and Buildings, 243, 2021. - Gallardo, A. – Berardi, U.: Experimental evaluation of the cooling performance of radiant ceiling panels with thermal energy storage. Energy and Buildings, 262, 2022.
- Modar Yasin – Eva Scheidemantel – Felix Klinker – Helmut Weinläder – Stephan Weismann: Generation of a simulation model for chilled PCM ceilings in TRNSYS and validation with real scale building data. Journal of Building Engineering, 22, 2019.
- Jan Skovajsa – Pavel Drábek – Stanislav Sehnálek – Martin Zálešák: Design and experimental evaluation of phase change material based cooling ceiling system. Applied Thermal Engineering, 205, 2022.
- Rucevskis, S. – Akishin, P. – Korjakins, A.: Performance Evaluation of an Active PCM Thermal Energy Storage System for Space Cooling in Residential Buildings. Environmental and Climate Technologies, vol. 23, no. 2, 2019, pp. 74 – 89. https://doi.org/10.2478/rtuect-2019-0056.
- Internetová stránka Rubitherm, https://www.rubitherm.eu/en/productcategory/makroverkaspelung-csm.
TEXT A OBRÁZKY: Ing. Eva Švarcová
