Kutsumme vaihemuutosmateriaaliksi tai PCM: ksi tahansa materiaaliksi, joka pystyy muuttamaan fyysistä tilaa rajoitetulla lämpötila-alueella. Tämä alue on välillä 10 ° C ja 80 ° C: ssa noin. Tässä lämpötilavälissä vallitseva vaihemuutos on edelleen fuusio / jähmettyminen. Näihin lämpötiloihin pääsee luonnollisesti ja ne ovat läsnä jokapäiväisessä elämässä (talon ympäristön lämpötila, ihmiskehon lämpötila, lämmin käyttövesi jne. ).
Tässä artikkelissa käsitellään vain PCM: iä, joiden tilamuutos tapahtuu nestemäisen ja kiinteän faasin välillä.
Kaikilla materiaaleilla, kiinteillä aineilla, nesteillä tai kaasuilla on kyky absorboida, varastoida tai luovuttaa energiaa lämmön muodossa. Lämmönsiirtoa (tai lämmönsiirtoa) on kahta tyyppiä:
On tärkeää huomata, että vaihemuutoksen aikana peliin tuodut energiamäärät ovat paljon suuremmat kuin ne, jotka puuttuvat herkkien siirtojen aikana (sikäli kuin yksi toimii rajoitetuilla lämpötilaväleillä). Näiden piilevien siirtojen ansiosta on nyt mahdollista vähentää huomattavasti energian varastointielementin määrää ( kompaktius ) tai jopa lisätä huomattavasti yhteen varastotilavuuteen sisältyvää energiamäärää ( energian tiheys ).
Toisaalta on huomattava, että MCP voi yhdistää edellä kuvatut kaksi lämmönsiirtotyyppiä.
Esimerkki:
Sukunimi | Natriumasetaattitrihydraatti |
---|---|
T- fuusio | 55 - 58 ° C |
L f | 242,85 × 10 3 J / kg |
C p kiinteänä aineena | 3,31 x 10 3 J kg -1 K -1 ajan 30 ° C: ssa |
C p neste | 3,06 x 10 3 J kg -1 K -1 ajan 70 ° C: ssa |
ρ neste | 1279 kg / m 3 ajan 70 ° C: ssa |
ρ kiinteä | 1392 kg / m 3 ajan 30 ° C: ssa |
Tämän MCP : n 1 m 3 : n välillä 30 ° C: n ja 70 ° C : n välillä kertynyt energia E 30-70 on arvoltaan:
Samalla lämpötilavälillä sama vesimäärä (1 m 3 ) kerääisi määrän E vettä 30-70 :
Näin ollen MCP katsoi mahdolliseksi tallentaa yli kolme kertaa enemmän energiaa samalle tilavuudelle. Siksi sillä on suurempi energiatiheys .
Samoin, tallentaa 100 kWh on 55 ja 58 ° C: ssa , seuraavat määrät V vettä ja V MCP tarvitaan :
100 kWh: n varastointiin 55 ° C: n ja 58 ° C: n välillä käytetyn MCP: n tilavuus on siten yli 26 kertaa pienempi kuin veden. Siksi sillä on suurempi tiiviys.
MCP: n energian varauksen ja purkautumisen isoterminen tai lähes isoterminen luonne sallii sen käytön lämpötilan säätimenä lämpöä säätelevässä materiaalissa : todellakin, jos tämä MCP on integroitu esimerkiksi kipsiin (ulkoseinät, lattia, katto jne.) . ) rakennuksen, se voi varastoida lämpöä, kun se on runsaasti (kesä) tai läsnä väärään aikaan (päivällä talvella).
Lisäksi mikä tahansa MCP voi toimia "lämpövaiheen siirtäjänä" : mikä tahansa väliaineen syöttämä energia tai menetys (lämpötilan vaihtelu, auringon säteily jne. ) Voi aiheuttaa materiaalin sulamisen tai kiteytymisen melkein vakiolämpötilassa. Siksi MCP: n toisella puolella oleva väliaine ei tunne välittömästi tämän syötteen tai häviön vaikutusta, vaan alkaa tuntea sen vasta, kun materiaali on sulanut tai täysin kiteytynyt .
PCM: ien sulamislämpötilat ovat niiden suuren vaihtelevuuden ansiosta erilaiset. Jälkimmäinen lakaisee koko rajoittavan lämpötilan vyöhykkeen, johon alun perin sijoitimme. Tämä mahdollistaa esimerkiksi sulamislämpötilojen valitsemisen lähellä 19 ° C ja 27 ° C , vastaavasti talven ja kesän mukavuusrajan lämpötilat. Seuraava kappale esittää ei-tyhjentävän taulukon eri vaihemuutosmateriaaleista sekä niiden sulamispiste ja muut tekniset tiedot.
Vaihemuutosmateriaaleja on monenlaisia, jotka ovat hyvin erilaisia fysikaalis-kemialliselta luonteeltaan. Juuri niiden sulamis- ja kiteytysominaisuudet tekevät niistä hyödyllisiä piilevän lämmön varastoimiseksi. Näistä materiaaleista voidaan erottaa seuraavat kolme pääperhettä:
Sukunimi |
T- fuusio (° C) |
L f (kJ / kg) |
C p kiinteä aine ( kJ kg −1 K −1 ) |
C p neste ( kJ kg −1 K −1 ) |
ρ kiinteä aine ( kg / m 3 ) |
ρ neste ( kg / m 3 ) |
---|---|---|---|---|---|---|
Orgaaniset yhdisteet | ||||||
Muurahaishappo | 8.3 | 247 | ? | 0,099 | ? | 1,220 |
Etikkahappo | 16.7 | 194 | ? | ? | 1,266 | 1,049 |
Fenoli | 40.8 | 120 | ? | ? | 1,070 | ? |
Dodekaanihappo | 41-43 | 211.6 | 1.76 | 2.27 | 1,007 | 862 |
Natriumasetaattitrihydraatti | 55-58 | 242,85 | 3,31 30 ° C: ssa | 3,06 70 ° C: ssa | 1392 30 ° C: ssa | 1,279 70 ° C: ssa |
Epäorgaaniset yhdisteet | ||||||
Vesi (H 2 O) | 0 | 330 | 2,06 0 ° C: ssa | 4,166 20 ° C: ssa | 917 0 ° C: ssa | 998 20 ° C: ssa |
Natriumhydroksidi (NaOH) | 318 | 272,15 | 1,88 30 ° C: ssa | 2,18 70 ° C: ssa | 1720 30 ° C: ssa | 1670 - 70 ° C |
Rikkihappoa (H 2 SO 4 ) | 10.4 | 100 | ? | ? | ? | 1,838 |
Rikkitrioksidi (SO 3 ) | 16.9 | 108 | ? | 0,024 | ? | 1,920 |
Fosforihappo (H 3 PO 4 ) | 26.0 | 147 | ? | ? | 1,834 | 1,685 |
Gallium (Ga) | 29.8 | 80 | 0,370 | ? | 5,904 | 6,095 |
Voimme kuitenkin huomata joidenkin näiden aineiden vaarallisuuden.
Esimerkiksi rikkitrioksidi reagoi muun muassa väkivaltaisesti veden kanssa muodostaen rikkihappoa (vahva happo ja tärkein epäpuhtaus) vapauttaen samalla merkittävää lämpöä.
Suurin aurinkolämpöenergian käyttöön liittyvä ongelma koskee sen varastointia: Lämpimän käyttöveden tuotanto veden kierron kautta aurinkopaneelien kautta on suoraan riippuvainen auringonvalosta. Tämä energian saanti tapahtuu riippumatta siitä, tarvitsemmeko sitä (hyödyllistä) vai ei (energian menetys ylikuormituksen avulla). MCP: n käyttö tämän energian varastointiin piilevän lämmön avulla ratkaisee osittain tämän ongelman:
Suurin ongelma aurinkoisen käyttöveden säiliön energian varastoinnissa on kerrostuneisuuden puuttuminen (koko säiliöön sisältyvän kuuman veden määrä otetaan harvoin kerralla): säiliön sisällä olevan veden määrällä on taipumus homogenisoida sen lämpötila palatessaan ja lähtee kohti paneeleita. Kun liian matala lämpötila on saavutettu (esimerkiksi 40 ° C ), tätä vettä ei voida enää käyttää käyttöveden piiriin. Kuitenkin, se riittää tämän lämmön olla "parempi jaettu", niin että voimme silti vetää vettä sopivassa lämpötilassa (a 100 L säiliö ajan 40 ° C: ssa sisältää saman määrän energiaa kuin kaksi 50 ° C: ssa säiliöitä. L lämpötiloissa, jotka on 30 ° C ja 50 ° C: ssa ).
MCP: n käyttö sallii sitten "kerrostettujen kerrosten" luomisen, joiden lämpötilat ovat noin käytettyjen materiaalien sulamislämpötilat. Täten käyttöveden ajoittainen tai kertaluonteinen poisto saa säiliön yläosan lämpötilan laskemaan (katso kaavio ) ilman MCP-kyhmyjä (= kapseleita). Toisaalta pidempi piirustus sisältää ilmapallon alemmissa kerroksissa olevan energian, toisin sanoen kyhmyjen piilevän lämmön, käytön. Nämä kiinteytyvät tarvittaessa ja luovuttavat siten energiansa vesijohtovedelle lämmittämällä sitä.
Jotkut yritykset, kuten Dupont de Nemours, tarjoavat jo termisiä inertiapaneeleja PCM: n avulla. Nämä ovat jäykkien paneelien muodossa, jotka sisältävät MCP-polymeeriseosta. Nämä paneelit on yleensä peitetty alumiinikalvolla rakenteellisen jäykkyyden aikaansaamiseksi ja mahdollisesti toimineet metalloituna höyrysulkuna siinä tapauksessa, että näitä paneeleja käytetään rakennuksen vaipassa.
Tällaisten materiaalien käytöllä on kaksinkertainen etu:
Siten valitsemalla MCP, jonka sulamislämpötila on 20 ° C tai 21 ° C , ja määrittelemällä, että yksittäisen asunnon lämmityksen asetuslämpötila on enintään 19 ° C , voimme kerätä lämpöä MCP-paneeleihin aukkojen (ikkunat, erkkeri-ikkunat) läpi kulkevan aurinkosäteilyn ansiosta kuluttamatta enemmän lämpöä tai nostamatta huoneen lämpötilaa. Tämä lämpö voidaan siten palauttaa yöllä heti, kun rakennuksen lämpötila laskee alle MCP: n jähmettymislämpötilan.
Yhdysvaltojen avaruustutkimus on kehittänyt useita vuosia PCM: itä viime aikoina tekstiiliteollisuudessa. Haluttu tavoite on säännellä passiivisesti ruumiinlämpöä ympäristön lämpötilan funktiona. Sitten on erityisen tärkeää löytää materiaaleja, joiden sulamis- ja kiteytymislämpötilat ovat hyvin lähellä ihmiskehon pintalämpötilaa.
Tämän tyyppisiin sovelluksiin käytetyt materiaalit ovat yleensä parafiineja, orgaanista materiaalia, jolla on suora hiiliketju ja joka sisältää eikosaanin , oktadekaanin , nonadekaanin , heptadekaanin ja heksadekaanin yhdistelmän . Näiden yhdisteiden kaikki on eri vaihe muutos lämpötiloissa, mutta kun sekoitetaan ja kapseloitu, ne pidetään keskimäärin lämpötilassa 30 kohteeseen 34 ° C , joka on erittäin mukava ihmiskehoon.
Näitä tekstiilejä voidaan käyttää esimerkiksi:
Vaikka PCM-moduuleja onkin markkinoilla jo muutaman vuoden ajan, ne ovat edelleen edullisempia tekniikoita kuin perinteiset eristysmateriaalit, etenkin kun niitä käytetään kotona. Investoinnista aiheutuvat lisäkustannukset voidaan kuitenkin nopeasti poistaa saavutettujen energiansäästöjen ansiosta, mikä näkyy INSA Lyonin tutkimuksessa jo markkinoilla olevasta tuotteesta, jonka sijoitetun pääoman tuotto on noin kahdeksan vuotta.
Alijäähtymiselle vastaa nestemäisessä tilassa elimen, kun sen lämpötila on alempi kuin kiteytymislämpötila. Se esiintyy vain tietyntyyppisten PCM: ien, kuten epäorgaanisten materiaalien, kohdalla. On monia ratkaisuja tämän ongelman korjaamiseen:
Ylijäähdytys estää vaihemuutoksen piilevän lämmön käytön halutussa lämpötilassa.
MCP: n kiteytymisnopeudet ovat suhteellisen alhaiset. Jos materiaalin kerääminen tai vapauttaminen kestää liian kauan, se menettää tehokkuuden käytännön sovelluksissa (esimerkiksi kyvyttömyys "tasoittaa" lämpötilahuippuja).
Tätä kinetiikkaa voidaan kuitenkin parantaa lisäämällä liuottimia, joilla on korkea napaisuus ja korkea dielektrisyysvakio MCP: n sisällä. Nämä liuottimet mahdollistavat pintajännitteiden laskemisen neste / kiinteä rajapintatasolla.
MCP: n vaihemuutoksen aikana lämmönvaihto tapahtuu kiinteän aineen / nesteen rajapinnalla. Kun jähmettymis- tai sulamisrintama liikkuu, se jättää taakseen uuden vaiheen (kiinteä tai nestemäinen), jonka lämpövirtauksen on läpäistävä ennen kuin se saavuttaa kyseessä olevan rintaman. Mitä suurempi tämän vaiheen paksuus, sitä suurempi lämpöresistanssi se tuottaa.
Valitettavasti PCM: ien lämmönjohtavuus on melko alhainen (luokkaa 0,15 W m -1 K -1 ), mikä estää jo hyvän lämmönsiirron. Tätä ilmiötä vahvistetaan sitten ylitettävän vaiheen paksuudella. Siksi on välttämätöntä varmistaa, että ylitettävä paksuus on mahdollisimman pieni, jos halutaan rajoittaa näitä resistenssiilmiöitä lämpörintaman siirtymän vuoksi. Siksi käytämme usein pallomaisia mikrokapseleita, jotka muuttavat vaihetta helposti koko tilavuudellaan.
Kapselointi näyttää olevan hyvä ratkaisu PCM: ien eristämiseen. Kun jälkimmäinen on nestemäisessä tilassa, sillä ei ole enää fyysistä voimaa ja se vaatii astian. Tekninen vaikeus on lämmönvaihdon maksimointi kaikin keinoin (valitsemalla hyvät lämpöjohtimet esimerkiksi kapselien valmistukseen).
Mukaan CSTB , PCM käytetään kotelossa on elinikä on yhtä suuri tai suurempi kuin nykyinen rakennuksia.
Koska PCM: t ovat tällä hetkellä hyvin erilaisia ja niitä käytetään vähän, on ymmärrettävää, että niiden terveysvaikutuksista ja riskeistä on tehty vain vähän järjestelmällisiä tutkimuksia.