Ανάλυση των θερμικών ιδιοτήτων των δομικών υλικών ενός κτιρίου με την ενσωμάτωση υλικών αλλαγής φάσης

Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο άρθρο (τίτλος: Συστήματα και τεχνολογίες για αποθήκευση ενέργειας σε κτίρια - Πρότυπη εφαρμογή), με την χρήση υλικών αλλαγής φάσης επιτυγχάνεται η βελτίωση των ενεργειακών ιδιοτήτων των δομικών υλικών ενός κτιρίου. Για να υπολογίσουμε την επίδραση των υλικών αυτών απαιτείται όμως η πειραματική διερεύνηση των ιδιοτήτων των υλικών αλλαγής φάσης όταν ενσωματώνονται σε διαφορετικά δομικά στοιχειά του κτιρίου. Επομένως κρίνεται αναγκαία η μελέτη της επίδρασης της ενσωμάτωσης υλικών αλλαγής φάσης (Phase Change Materials - PCMs) πχ. σε διακοσμητικά πετρώματα με στόχο τη χρήση σε εφαρμογές εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια.

Το πλέον προσιτό δείγμα χρήσης των υλικών αλλαγής φάσης ώστε να γίνει κατανοητή η λειτουργία τους είναι στην τοιχοποιία. Κατά τη θερινή περίοδο η θερμότητα από το περιβάλλον εισέρχεται στο κέλυφος του κτιρίου διαπερνώντας τα στρώματα των δομικών υλικών και αντιμετωπίζει τη θερμική αντίσταση της μόνωσης. Σε κοινή κατασκευή τοιχοποιίας όση θερμότητα διαπεράσει το στρώμα της μόνωσης θα εισέλθει στον εσωτερικό χώρο. Στην περίπτωση τοιχοποιίας με υλικό αλλαγής φάσης αυτή η θερμότητα δεν θα εισέλθει στο χώρο, καθώς θα αποθηκευτεί στο στρώμα του υλικού αλλαγής φάσης. Στην χειμερινή περίοδο, ο αέρας του εσωτερικού χώρου έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία από το εξωτερικό περιβάλλον. Αντίστοιχα λοιπόν, η στρώση υλικών αλλαγής φάσης αποθηκεύει όση θερμότητα έχει διαφύγει από τα στρώματα του τούβλου, του σοβά και της μόνωσης.

Η διερεύνηση της επίδρασης του PCM σε κτίρια στηρίχτηκε σε πειραματική εργασία εργασία (Thermal Energy storage in Natural stone with PCMs, Romero Sanchez, 2001) που εξετάζει την θερμική αποθήκευση με βάση τη χρήση PCM όταν αυτό είναι ενσωματωμένο σε φυσική πέτρα (natural stone). Όπως είναι ευρέως γνωστό η χρήση πετρωμάτων για την κατασκευή ενός κτιρίου και συγκεκριμένα φυσικής πέτρας είναι αρκετά διαδεδομένη για χρήση στις προσόψεις των κτιρίων ή στο εσωτερικό αυτών για διακόσμηση δαπέδων η τοίχων. Η χρήση υλικών αλλαγής φάσης για την επεξεργασία της φυσικής πετράς ως δομικού υλικού, με σκοπό την βελτίωση των θερμικών ιδιοτήτων ενός κτιρίου, είναι προτεινόμενη για τούς ακόλουθους λόγους:

• Επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα θέρμανσης/ψύξης. 

• Ενισχύεται η θερμική άνεση εντός του κτιρίου (μείωση των θερμοκρασιακών μεταβολών μεταξύ ημέρας και νύχτας). 

• Επιτυγχάνεται η αποθήκευση θερμικής ενέργειας από το εξωτερικό μέρος του κτιρίου. 

• Προστατεύεται το δομικό υλικό (φυσική πέτρα) σε ακραίες κλιματολογικές συνθήκες. 

Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας μετρήθηκε πειραματικά η θερμοκρασία εντός του κτιρίου σε δύο περιπτώσεις, όταν έχει ενσωματωθεί το PCM αλλά και όταν δεν έχει ενσωματωθεί το PCM. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων, που αφορά στην διακύμανση της θερμοκρασίας εντός του πρότυπου σταθμού σε σχέση με τη εξωτερική θερμοκρασία, παριστάνονται γραφικά στο παρακάτω σχήμα. Οι πειραματικές μετρήσεις ελήφθησαν ανά 10 λεπτά και για πολλές συνεχείς ημέρες προσεγγίζοντας συνολικά τις 790 ώρες ενώ το υπολογιστικό πρόγραμμα εξομοίωσης που χρησιμοποιήθηκε ήταν σε matlab.

Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρατηρούμε σημαντικές διαφορές κατά την ενσωμάτωση PCM σε φυσική πέτρα. Ενώ η μέγιστη θερμοκρασία παρατηρήθηκε την ίδια χρονική στιγμή, τόσο με τη χρήση όσο και  χωρίς τη χρήση PCM, η εσωτερική θερμοκρασία είναι κατά 1,3 C χαμηλότερη όταν χρησιμοποιείται το PCM. Κατά την διαδικασία της έκλυσης θερμότητας προς το περιβάλλον παρατηρούμε ότι με τη χρήση PCM υπάρχει χρονική καθυστέρηση μίας ώρας, που οφείλεται στην αργή διαφυγή της θερμότητας προς το περιβάλλον όταν ενσωματώνεται το PCM.

Αυτές οι πειραματικές μετρήσεις αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της ενσωμάτωσης PCM σε φυσική πέτρα. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία αλλαγής φάσης του PCM (26 °C στο πείραμα), το PCM αποθηκεύει ενέργεια. Όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος μειωθεί, τότε το PCM απελευθερώνει ενέργεια, με ελεγχόμενο ρυθμό, διατηρώντας μεγαλύτερες θερμοκρασίες εντός του πειραματικού σταθμού. Σε ένα κτίριο αν εφαρμοζόταν η παραπάνω διαδικασία θα μείωνε τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας μεταξύ μέρας και νύχτας, ενώ ταυτόχρονα θα περιόριζε τις ενεργειακές απατήσεις σε θέρμανση/ ψύξη, αυξάνοντας την θερμική άνεση εντός αυτού.

πηγή:

Διπλωματική Εργασία με τίτλο: "Συστήματα και τεχνολογίες για αποθήκευση Ενέργειας σε κτίρια" στα πλαίσια Δ.Π.Μ.Σ, Παν. Πειραιώς - Ε.Μ.Π.