Fázisváltó anyagok az épületenergetikában

Az írás tárgya és címe talán első hallásra tudományosan és idegennek tűnhet, azonban az alábbi sorokban szeretnék erre rácáfolni és igenis vonzó és barátságos tartalommal megtölteni a jelentését. (Bár használhatjuk a PCM angol rövidítést és akkor nem tűnik annyira ijesztőnek… )

Általános iskolai fizika

A H2O vegyületet, képletet mindenki ismeri, hisz minden nap használjuk az anyagot. Azt is tudjuk, hogy a természetben három halmazállapotával is találkozhatunk: jég (szilárd), víz (folyadék) és vízgőz (gáz). Ha picit visszaemlékszünk a tanulmányainkra, akkor talán az olvadáshő és forráshő fogalma is ismerős lehet: ezek azon „rejtett” hők, melyek a halmazállapot változáshoz szükségesek. Ha jeget olvasztunk, akkor tudjuk, hogy víz keletkezik belőle. Energia szempontjából a folyamat úgy néz ki, hogy a jeget elkezdjük melegíteni, hőenergiát közlünk vele (az anyag felveszi a hőt). Egy idő után a jég hőmérséklete eléri a 0°C. Azonban ahhoz, hogy a 0°C-os jégből 0°C-os vizet állítsunk elő, egy újabb energiamennyiség szükséges – ez az olvadáshő. Ha tovább melegítjük, akkor a 0°C-os vízből előállítunk 100°C-os vizet, de ha el akarjuk forralni (gőzölni), akkor a 100°C-os vízgőz előállításhoz megint csak egy „extra” energia mennyiség szükséges – ez a forráshő. Utána a 100°C-os vízgőzt is lehet tovább hevíteni, csak azt otthon inkább ne próbáljuk! Ezek a H2O fázisváltásai.

Hogy az olvadáshő mértékét is érzékeltessem, a számadatokat is meg kell nézzük! A víz olvadáshője 333 kJ/kg, azaz ha 1 kg 0°C-os jégből 1 kg 0°C-os vizet akarunk készíteni, akkor ennyi energiát kell közöljünk vele (a jég ennyi energiát nyer el a környezetétől). Ha a víz melegítés folyamatát tekintjük, akkor a fajhő fogalmát kell előkeressük (víz esetében kb. 4,2 kJ/kg°K). Ennyi energia kell, hogy 1°K-kal megemeljünk 1 kg víz hőmérsékletét. Az olvadáshővel azonos 333 kJ energiából kb. 80°C-kal tudjuk növelni a víz hőmérsékletét (333/4,2)! Tehát 0°C-os jégből 0°C-os vizet készíteni ugyanannyi energia, mint 0°C-os vízből 80°C-os vizet előállítani!!! Érdekes, ugye?

Most nézzünk egy mindennapos gyakorlati példát! Hűtőtáskába teszünk egy 1 kg-os jégakkut, ami 0°C-os jeget tartalmaz. (Ennél hidegebb, amikor kivesszük a mélyhűtőből, csak az egyszerűbb feladat kedvéért legyen most 0°C-os!) És beteszünk mellé 4 liter jó meleg, 30°C-os, vízzel készített málnaszörpöt. (Lehetne sör vagy jó kis rozé fröccs is, de most a víz fajhő értéknél maradnék.) Ha jól szigetel a hűtőtáskánk, akkor egy idő után a jégakkuban lévő jég elolvad, és ugyanennyi energiát von el a málnaszörpünktől: a 4 liter 30°C-os folyadékot lehűti 10°C-ra! Mindezt csakis azzal, hogy a 0°C-os jégből, 0°C-os víz keletkezett!!! A jégakku továbbra is 0°C-os! Egyetlen °C-kal sem emelkedett a hőmérséklete, miközben 4 liter folyadékot lehűtött 20°C-kal!!!

Ha továbbra sem nyitogatjuk a hűtőtáskát, akkor beáll egy egyensúlyi állapot, de itt már nincs halmazállapot változás, így azonos fajhőkkel számolhatunk – kb. 8°C-os jégakkut és 8°C-os szörpöket kapunk eredményül. (Ugye, milyen jó, hogy szörp van a táskában és nem valami finom rozé? Mert akkor biztos nem vártuk volna meg az egyensúlyi állapotot! :) )

BioPCM

Hőtárolásról röviden

Alapvetően három csoportra oszthatjuk a hőtárolásokat: szenzibilishő-tárolás (jellemzően vizes rendszerek: rétegzett tárolók, naperőmű energiatárolói, kavicságyas hűtési hőtárolás vagy földalatti hőtárolás), kémiaihő-tárolás (adszorpció, szilikagél, zeolitok, termokémiaihő-tárolók), a harmadik csoport – melyről a továbbiakban szó esik – a látenshő-tárolók csoportja (eutektikumok, sóhidrátok, klatrátok).

És ezzel be is fejezem a tudományos részt. Be kell valljam, hogy a PCM-mel kapcsolatos tanulmányaim elég hiányosak. Egyelőre… (Dolgozom rajta!) És talán a fenti szavak – a címhez hasonlóan – riasztóak is lehetnek! Azonban annyit mindenképp tudnunk kell, hogy a Phase Change Material, azaz PCM nem újdonság! A halmazállapot változásban rejlő energiákat az 50-es években már hasznosítani próbálták és azóta is a legkülönbözőbb területeken próbálják meg alkalmazni a különböző anyagokat! Tehát nem a vízre, hanem egyéb, mesterséges vegyületekre gondolok, melyek olvadáspontja akár tudatosan, kívánt értékre beállított érték is lehet!

Nézzünk meg néhány hétköznapokban is használt eszközt, melyekről biztosan hallottak, mégsem tudták, hogy PCM-et tartalmaznak és a fázisváltás folyamatát hasznosítják:

- bőrápoló krémek, mikrokapszulákban elhelyezett anyagok, jellemzően paraffinok
- koraszülött hálózsák – inkubátor helyett, elektromos áram nélkül is stabil hőmérsékletet biztosít
- vérszállítás során, PCM-ek közé csomagolják az állandó hőmérsékletigényű szállítmányt
- melegítőpárna, temperáló kávéscsésze
- hűtőkulacs, laptophűtő alátét, önhűtő söröshordó, stb.
- akkumulátorok hőmérsékletének szabályozása vagy
- különböző védőruhák – pl. tűzoltó ruhában az anyag szálai közé szőtt mikrokapszulákban is PCM található!

BioPCM

PCM-ek az épületenergetikában, avagy miért beszélünk ilyenekről?

Nálunk fejlettebb országokban tanulmányok, kutatások, sőt tapasztalatok igazolják, hogy a fázisváltó anyagok és a hőtárolás kiemelkedő szerepet fognak játszani az energetikában! És most nem a távoli jövőről beszélek! Mai problémákra megoldás és ezek a technológiák, anyagok már most elérhetők a kereskedelmi forgalomban!!!
(Amíg itthon a passzívház fogalmával ismerkedünk, addig pl. Németországban évek óta (!) fázisváltó anyagok alkalmazását tesztelik a passzívházak komfort problémáinak kiküszöbölésére!)

Családi ház
Nem a jövő, hanem a mai épületgépészet és épületenergetika problémája – melyről a passzívházas írásban is szó esett –, hogy a jelentős hőszigetelések és a hőtárolás hiánya bizony a komfort rovására mennek! És most ne csak a passzívházakra gondoljunk, hanem átlagos újépítésű családi házra. Kiváltképp, ha az könnyűszerkezetes! Minél kisebb falszerkezet, minél nagyobb hőszigetelés – ez a mai trend. Ha egy ilyen minimális fűtési igényű szobában többen tartózkodnak (pl. vendégek érkeznek, vagy a család leül ebédelni), akkor a fűtési szezonban is felmerül a hűtés igénye! De ezt a gépészeti rendszer nem tudja lekezelni! Egy helyiség miatt nem kapcsolunk át februárban hűtési üzemre! Mi fog történni? Kinyitjuk az ablakot. Februárban…

Mi lenne, ha ezt a magas belső hőfejlődést valami „elnyelné” és a vendégek távoztával – amikor fűtési igény újra jelentkezik, akkor ezt a hőenergiát visszanyernénk? És mi lenne, ha ez a folyamat egy általunk meghatározott hőmérsékleten menne végbe? Ugye, hogy jól hangzik??? Szerintem sokkal jobban, mint a februári ablaknyitás és a hasznosítható energia elengedése!

BioPCM

Irodaház

Nézzünk most egy tipikus irodai példát: a tárgyalók örök „problémája”. Bár szerintem sokan ezt nem problémaként tekintik, hanem egy egyszerű faladatként… Vegyünk egy 20 m2-es tárgyalót 10 ülőhellyel. A funkcióját tekintve egyértelműen arra való, hogy oda beüljenek megbeszélni a dolgozók – időnként! Vagy ritkán. Legyen ez egy belső terű tárgyaló, azaz nincsenek külső hőmérsékleti hatások, hőveszteségek, hőnyereségek. A gyakorlatban azt tapasztalom, hogy a Tisztelt kollégák biztonsággal számolnak, így azt mondják, hogy beül 10 ember, mindenki viszi magával laptopját, működik egy projektor és a világítás is teljes kapacitással működik. Lássuk be, erre nagyon kicsi az esély! Közel nulla! (Pl. ha megy a projektor, akkor általában nem működik a világítás!) Az összes belső hőfejlődés így kb. 3000 W. Beterveznek egy min. 3000 W-os fancoilt és ezt a teljesítményigényt veszik figyelembe a hűtőgép kiválasztásánál is. Logikailag a hőleadó méretét értem (a tervező mindig a beruházó elvárásainak próbál megfelelni, de azt tudni kell, hogy ez akkor is pazarlás!), a hűtőgép tekintetében viszont nem számolhatunk azzal, hogy egy ember két helyen van: a saját munkahelyén és a tárgyalóban is egyszerre!!! Mi lesz az eredmény: túlméretezett hűtőgép, túlméretezett rendszer, túlméretezett irodaház! (Szándékosan nem írok példát, de már Magyarországon is van néhány multinacionális vállalat, aki nyugati példák alapján gondol ilyenekre és pl. 1.000 alkalmazott esetén 850 munkahelyet építtetett, bérel! Soha nincs bent minden dolgozó! Ez bizony 15% beruházási- és 15% üzemeltetési költség csökkenés!)

BioPCM

A megoldás

Kanyarodjunk vissza a tárgyalónkhoz. Azon vajon gondolkodunk, hogy milyen kihasználtsága lesz a tárgyalónak? Belső használatú tárgyaló vagy vendégeknek épül? Mennyi vendég jár az adott irodához? Milyen sűrűn? És valójában mennyien fognak ott ülni? Mert ha az a jellemző, hogy naponta kétszer beül 6 ember egy órára és évente egyszer lesz a tervezett létszám, akkor létezik egy sokkal gazdaságosabb megoldás: fázisváltó anyagok használata! Beteszünk az adott helyiség szerkezetébe (pl. gipszkarton válaszfalak, álmennyezet) mondjuk 1200Wh hőtároló kapacitású, 25°C olvadáspontú PCM-et! Természetesen a belső terű tárgyalónak van friss levegő ellátása, kezelt, hűtött levegővel. Legyen a frisslevegő hűtési teljesítménye 300 W, mely állandó. Mivel nincsenek non-stop az irodában, a reggeli munkakezdésre egy előhűtött, 24°C-os tárgyalót feltételezünk. Beülnek tehát hatan a tárgyalóba 10 órakor. A belső hőfejlődés kb. 600 W, a légtechnikai rendszer 300 W-ja természetesen nem tudja ellensúlyozni, így elindul a hőmérséklet felfelé. Viszont a PCM-nek köszönhetően ez a növekedés megáll, 25°C-os hőmérsékletnél megkezdődik a fázisváltás az anyagban, a belső hőnyereség egésze a fázisváltásra fordítódik! A példában szereplő 300 W-os hőmérleg azt jelenti, hogy a 25°C beállta után 4 (!) órán át nem emelkedik tovább a hőmérséklet!!! Persze eddig nem is tart a megbeszélés! Elhagyják a tárgyalót. A légtechnikai rendszer 300 W-os hűtőteljesítménye most arra fog fordítódni, hogy a fázisváltás megforduljon, a PCM szilárdulása (visszafagyása) apránként megvalósul! Remélem érzékelhető a különbség a megszokott tervezési megoldáshoz képest! A hűtési hőleadó egy pillanatra sem kapcsolt be!!!

Előnyök

Hőtárolás: azt gondolom, hogy ez nem is szorul további magyarázatra! A hőtároló kapacitással a jelentkező igények késleltetve és a csúcsigények csökkentésével jelennek meg! Gondoljunk csak a népi, hagyományos építési technológiánkra, a vályogházakra! Hetekkel tolta el a fűtési igény megjelenését, a nyári hűtési igényt pedig majdnem teljes egészében kiküszöbölték! Ez csakis a hőtárolásnak köszönhető!

Energia megtakarítás: Nyugat-Európai és tengerentúli megvalósult, mért példák alapján kb. 15% energia megtakarítást szoktak emlegetni, mely a csúcsok levágásának köszönhető: kisebb hőtermelők kellenek, kisebb csőhálózat, kisebb hőleadók. És az végképp nem mindegy, hogy a csúcsokat gazdaságtalan és túlméretezett berendezésekkel próbáljuk meg lefedni, vagy folyamatos hőközléssel, sokkal kisebb berendezésekkel, kisebb fajlagos igényekkel! (A fenti példát tekintve: hagyományos tervezéssel 600 W-ot viszünk be az irodába a külső 40°C esetén rossz COP értékkel dolgozó hűtőgéppel, vagy éjszaka mondjuk 20°C-os külső hőmérsékletnél gyakorlatilag szabad hűtéssel regeneráljuk a PCM-et?! Ez nem 15%, hanem 80-90% eltérés energia felhasználásban! (Igaz, ez egy ideális mintapélda, de remélem a lényeg így is érzékelhető…)

BioPCM™

A Phase Change Energy Solution Inc. amerikai vállalat termékével, a BioPCM™-el, egy franciaországi, 82 szobás Bio Hotel tervezésénél találkoztunk a közelmúltban. A beruházók két legfontosabb szempontja az ideális komfort és a gazdaságos (geotermikus) energiaellátás volt, így mennyezetfűtés/hűtés és a BioPCM fázisváltó anyagok kombinált használata mellett döntöttek.

A BioPCM néhány műszaki jellemzője:

- a gyártó három különböző olvadáspontú terméket kínál: 23, 25 és 27°C értékekkel
- 4 különböző hőtároló kapacitással (különböző töltet tömeggel): M182, M91, M51 és M27 jelzéssel, melyek [Btu/ft2] (182, 91, stb. Brithőegység/négyzetláb) mértékegységekre vonatkoznak (kWh/m2-ben, SI-mértékegységben ezek: 0,574; 0,287; 0,161 és 0,085 értéket takarnak)
- a PCM anyaga természetes (nem kőolaj származék, mint e legtöbb látenshő-tároló és nem valamilyen sóhidrát): a két fő összetevője szójababolaj és pálmaolaj
- élettartamát tekintve a terméket 13000 ciklusra vizsgálták, mely átlagos körülmények között kb. 48 év élettartalmat feltételez. A vizsgálat során teljesítménycsökkenés nem volt tapasztalható. (Ez azért fontos, mert több PCM anyag fázisszerkezete, kémiai stabilitása jelentős romlást mutathat a használat során!)

BioPCM

A fenti fázisváltó anyag számunkra azért volt nagyon szimpatikus, mert önállóan beépíthető (nem valamilyen bevont építőanyagról van szó), a kapacitását, felhasználási lehetőségeit tekintve és egyedülálló lehetőségeket biztosít, ráadásul mindezt természetes, környezetbarát anyagok használatával!

Biztos vagyok benne, hogy energetikával foglalkozó szakemberek már hallottak vagy ismerik a hőtárolásban rejlő lehetőségeket, mégis talán a magyar piacon ezidáig nem sok helyen találkozhattunk velük. Meggyőződésem, hogy a közeljövő épületenergetikájában kiemelkedő szerepet fognak játszani a fázisváltó hőtároló anyagok! Remélem a fenti sorok felkeltették az Önök érdeklődését, mert – ha a sorok közt nem tűnt fel – én egy ideje lázban égek a témát illetően! Ígérem, hamarosan jelentkezem – a következő írásban egy konkrét esettanulmánnyal!

Ha tetszett a bejegyzés, oszd meg ismerőseiddel és kövess minket a Facebook-on!

Hasonló cikkek