CZ20701U1 - Tepelně akumulační modul na bázi materiálů s fázovou změnou a sestava z těchto modulů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelně akumulačních modulů na bázi materiálů s fázovou změnou, zvláště pro teplotní stabilizaci místnosti a zabránění přehřívání pobytových a pracovních prostor během letního období.

Dosavadní stav techniky

Zvyšující se podíl výstavby objektů z lehkých stavebních hmot je v současné době jedním z hlavních trendů domácího stavebního průmyslu. Nejedná se přitom jen o výstavbu nových občanských a bytových staveb, ale velkou část realizovaných zakázek tvoří nástavby a půdní velo stavby. Obalové konstrukce prováděné z lehkých stavebních hmot se uplatňují zejména tam, kde je patrná snaha o odlehčování stavebních konstrukcí a zajištění jejich tepelně izolačních schopností při malých tloušťkách. Je samozřejmé, že v průběhu užívání staveb, jejichž obalové konstrukce jsou provedeny z lehkých stavebních hmot, nesmí docházet k jejich negativnímu vlivu na vnitřní mikroklima. Snížená tepelně akumulační schopnost lehkých konstrukcí má totiž za násle15 dek přehřívání pobytových a pracovních prostor během letního období.

Akumulace tepelné energie s využitím skupenského tepla je možná u těch materiálů, které při vhodné teplotě či teplotním rozsahu přechází z jednoho skupenství do druhého. Pro stavební aplikace přichází do úvahy využití fázové přeměny pevná látka - kapalina a zpět. Akumulace latentního tepla je typická pro tzv. materiály s fázovou změnou (Phase Change Materials) dále jen PCMs, které mohou nalézt široké uplatnění ve stavebních konstrukcích a zvýšit tak tepelně akumulační schopnosti těchto konstrukcí s minimálním navýšením jejich hmotnosti.

U materiálů s fázovou změnou uložených zpravidla v plechové obálce a tvořících panely dochází nejprve k ohřevu na teplotu tání a po té dochází ke skupenské změně. Ta je doprovázena velkou spotřebou energie, kterou tyto materiály odebírají z okolního prostředí. Po změně pevného sku25 penství v kapalné jsou tyto látky schopny přijímat tepelnou energii tím, že dochází k ohřevu látky v kapalném stavu.

Vzhledem k tomu, že pro akumulací tepelné energie je využíváno přeměny skupenství, je nezbytné zajistit stabilitu PCMs ve všech skupenstvích. Z tohoto důvodu vyvstává požadavek na zapouzdření materiálů s fázovou změnou pro aplikace ve stavebních konstrukcích. Podmínkou je, aby aplikované materiály s fázovou změnou byly hermeticky uzavřené v kovovém nebo polymemím obalu a aby nedocházelo k jejich uvolňování do konstrukce.

Nejčastěji se můžeme setkat s aplikacemi v následujících formách:

PCMs plněné ve vacích či polštářcích z polymemí ěi kovové fólie; Takové panely jsou známy např. ze spisu EP 1 703 033 Al.

PCMs zapouzdřené v kovových panelech nebo panelech z plastů; Ze spisu WO 03/064931 Al je znám podobný panel, kde je pod obálkou naplněnou materiálem s fázovou změnou umístěna protihluková izolace, kterou prochází trubky pro případné topení. Spis US 2009/0223160A1 zase představuje panel, kde je obálka naplněna aglomerovánými materiály s fázovou změnou ve vícero různých vrstvách.

PCMs uzavřené v koulích s polymemím obalem; Ze spisu EP 0122198 jsou známy takové koule.

PCMs plněné do trubic či soustavy trubic, lze zase najít ve spisech EP 0034710 Či EP 0011411,

PCMs ve formě mikrokapslí z polymeru pro aplikace v omítkách či deskách. Tato použití jsou předmětem výše zmíněných spisů ze stavu techniky. Spis US 20059/0055982 Al představuje panel, kde je obálka naplněna materiály s fázovou změnou uzavřených v makrokapslích.

-1 CZ 20701 Ul

Spis EP 0981 675 Bl zase představuje panel, kde je obálka naplněna jednou vrstvou materiálu s fázovou změnou, která přiléhá ke stropu a pod ní je další vrstva jiného materiálu s tím, že homí materiál má teplotu tavení vyšší než je teplota krystalizace spodního materiálu. Ani jedno z řešení však neřeší problém deformace panelů v důsledku roztavení vnitřního materiálu.

Vaky či polštářky s PCMs mají být zpravidla umístěny v horizontální poloze. Zde se nabízí uplatnění těchto prvků ve skladbách zavěšených podhledů nebo mezi stropními trámy u lehkých dřevěných montovaných konstrukcí. Tyto vaky mohou být rovněž instalovány ve speciálních betonových deskách vyztužených skelnými vlákny. Využití těchto dílců je především ve stropních konstrukcích. Typickým stavebním materiálem s integrovanými mikrokapslemi jsou sádroío kartónové nebo sádro vláknité desky.

Jinou možnost aplikace představují podlahové dlaždice, které jsou vyráběny s příměsí zapouzdřených PCMs. Byly také odzkoušeny mikrokapsle rozptýlené v sádrové omítce, která byla provedena na vnitřním líci sádrokartonových desek pro zvýšení tepelně akumulační kapacity.

Akumulované latentní teplo obvykle převládá, ale citelné teplo může tvořit nezanedbatelnou část celkové akumulované energie. Akumulace latentního tepla je výhodná především pro vyšší tepelně akumulační kapacitu, čímž lze snížit velikost a hmotnost tepelně akumulačních prvků.

Stavební prvky nebo dílce obsahující PCMs mohou být úspěšně zabudovány do materiálů obalových konstrukcí, jako jsou sádrokartonové desky, cementotřískové nebo dřevotřískové desky, betonové nebo keramické nášlapné vrstvy podlah. PCMs zabudované v obalových konstrukcích zvyšují výrazně jejich tepelně akumulační kapacitu. Tyto obalové konstrukce mohou zvýšit tepelnou stabilitu vnitřních prostor bez nároků na složité vzduchotechnické či chladicí zařízení. V přechodném období pak přes den naakumulovaná tepelná energie, která se při vybíjení PCMs vrací zpět do interiéru, může v nočních hodinách ušetřit náklady na vytápění.

PCMs mohou být obecně zabudovány přímo ve stavebních konstrukcích, jako jsou svislé nosné i nenosné konstrukce, vodorovné nosné konstrukce, zavěšené podhledy nebo podlahové konstrukce.

Úspěšnost technologie akumulace tepelné energie s využitím skupenského tepla materiálů s fázovou změnou spočívá ve vývoji a produkci modulárních a uzavřených akumulačních subsystémů, které mohou být jednoduše zabudovány přímo do stavebních konstrukcí. To však není vždy zajištěno a řada výrobků s obsahem materiálů s fázovou změnou je obtížně zabudovatelná do obalových konstrukcí. Např. panely ve tvaru plochých vaků z hliníkového plechu, naplněných PCMs, které mají tvar plochých polštářů umístěné v podhledech, vyžadují krytí sádrokartonovou deskou, která snižuje přenos tepla z interiéru do akumulačního média. Používané hliníkové panely plněné PCMs mají výhodu ve vysoce vodivém kovovém obalu, nicméně z architektonického hlediska je není možné využívat pro přímé aplikace bez zakrytí nějakou pohledovou konstrukcí.

Sádrokartonové desky či sádrové omítky s rozptýleným PCMs zase obsahují značné množství málo tepelně vodivé matrice - sádry, která brání přenosu tepla do akumulačního média.

Akumulační schopnosti obalových konstrukcí lze využít za předpokladu, že zajistíme vhodným způsobem pohlcení tepla obalovými konstrukcemi v denních hodinách a odvod tepla z těchto konstrukcí v noci. To však není možné garantovat u většiny aplikací, u kterých je vybíjení naakumulované energie zajištěno pouze větráním vnitřním prostor, V této situaci pak rapidně klesá tepelně akumulační schopnost materiálů s fázovou změnou, neboť naakumulovanou energii není možné odvést a teplota interiéru neklesá v nočních hodinách pod teplotu potřebnou k tuhnutí akumulačního média.

Cílem technického řešení je představit tepelně akumulační modul na bázi materiálů s fázovou změnou a vytvořit obalovou konstrukci umožňujících vhodný způsob pohlcení tepla v denních hodinách a odvod tepla z těchto konstrukcí v noci.

-2CZ 20701 Ul

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry tepelně akumulační modul na bázi materiálů s fázovou změnou podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že plášť sestává ze zadní stěny, boční stěny a příruby a na této přírubě je pevně uspořádána dutinková deska, čímž je vytvořen vzduchový kanál mezi spodní stěnou krytu a vnitřní stěnou dutinkové desky a po otevřené straně dutinek v dutinkové desce je uspořádáno silikonové těsnění a to na přírubě, přičemž dutinky v dutinkové desce jsou naplněny materiálem s fázovou změnou.

Sestava tepelně akumulačních modulů podle technického řešení spočívá v tom, že sestává ze spodního modulu, jednoho či více středních modulů a horního modulu, přičemž spodní modul je io opatřen spodním výústkem a homí modul, je opatřen horním výústkem, přičemž vedení od těchto výústků ústí ven z místnosti, střední modul má homí i spodní strany pláště otevřené, spodní modul má otevřenou pouze homí část pláště, homí modul má otevřenou pouze spodní stranu pláště, přičemž v místě spojení je na jednom z modulů okrajová zóna provedena jako spojovací prvek pro usazení na další modul, přičemž vzduchové kanály modulů jsou propojeny.

Ve výhodném provedení je spojovací prvek vytvořen jako nátrubek.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude dále osvětleno pomocí výkresů, na kterých obr. 1 představuje pohled na sestavu z vícero modulů podle technického řešení, obr. 2 představuje schematický pohled z boku na sestavu modulů z obr. 1, obr. 3 znázorňuje čelním pohled na střední modul ze sestavy na obr. 1 a 2, obr. 4 je schematický řez modulem podle technického řešení, obr. 5 představuje schematický řez v oblasti spoje modulů, obr. 6 představuje schematicky v detailu výústek u horního modulu, obr. 7 představuje řez spodním modulem, obr. 8 představuje řez středním modulem z obr. 3 a obr. 9 představuje řez horním modulem ze sestavy.

Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 a 2 je sestava ve formě pásu sestavená z modulů 1, la, lb podle technického řešení. Než se k ní vrátíme, je dobré popsat modul la jak je vidět na obr. 3, jakožto reprezentanta modulu podle technického řešení.

Je vidět, že modul la má čtvercový rozměr, např. 1000 x 1000 mm, sestává z krabicového pláště 2. Ten je nejlépe vidět na obr. 4. Na tomto obr. 4 je zřejmé, že plášť 2 sestává ze zadní stěny 3, boční stěny 4 a příruby 5. Na tuto přírubu 5, která je po celém horním obvodu pláště 2, je pak uspořádána dutinková deska 6. Plášť 2 je z polypropylenu, který lze snadno spojovat svařováním a je možné uvažovat s rozměry dle individuálního zadání. Dutinková deska 6 je z polypropylenu a má tloušťku 8 mm a dutinky 6a jsou plněny materiálem s fázovou změnou (PCMs).

Pás z obr. 1 a 2 sestává ze spodního modulu 1, středního modulu la a horního modulu lh. Z mo35 dulů lze tedy vytvářet pásy ěi celé stěny a to tak, že plášť 2 spodního modulu i z obr. 1 se ponechá v homí části otevřen a na něj se shora nasadí další modul la, který má zase otevřený plášť 2 na spodní části a tyto otevřené části jsou pak upraveny tak, že je lze do sebe usadit. To je schematicky znázorněno na obr. 3. Je zřejmé, že středních modulů laje možno použít podle potřeby vícero.

Aby šlo moduly 1, la, lb do sebe usazovat je ve spodní části rám 2 opatřen okrajovou zónou 7 a v homí části je okrajová zóna provedena zúženě jako nátrubek 8, na který se nasadí otevřená spodní zóna 7 dalšího středního dílu la. Takových středních panelů la může být vícero a jsou zakončeny horním panelem lb, který je koncipován podobně jako střední panel lb, jen homí okrajová zóna 8a je nahoře uzavřena a není provedena jako nátrubek. Stejně u spodního modulu

1 je zase spodní okrajová zóna 7a uzavřena a není provedena jako nátrubek. Odborníkovi je zřejmé, že ke spojování modulů může být použito i jiného prvku než je nátrubek 8.

-3CZ 20701 Ul

Spodní stěna 1, boční stěna 4 a vnitřní stěna 9 dutinkové desky 6 tvoří vzduchový kanál 10 pro proudění chladicího vzduchu. Do kanálu 10 je na spodním modulu zaústěn spodní náústek Π a v horním modulu lb je zase zaústěn horní náústek 12. Tyto náústky li, 12 jsou vyvedeny vně z místnosti, tedy za venkovní stěnu a jsou na obr. 1, byť pouze naznačeny, protože vystupují ze zadní stěny 3 ven.

Poloha modulů je tedy taková, že se opřou zadní stěnou 3 o stávající zeď a na straně do interiéru je uspořádána dutinková deska 6. Celý modul 1, la, lb respektive celá sestava 2 může být zapuštěna do vhodného materiálu, jako je třeba sádrokarton, nebo je zakryta tapetou a nemusí být vidět, ío Na obr. 4 je vidět, že po otevřené straně dutinek 6g v dutinkové desce 6 je uspořádáno silikonové těsnění 13 a to na přírubě 5. To je i na druhé straně, ale tam se úloh až po naplnění dutinek 6a materiálem s fázovou změnou. Dutinky 6a se PCMs nezaplňují zcela, aby měl materiál možnost rozpínat se při roztavení.

Na obr, 5 je detail spoje např. spodního modulu i a středního modulu la. Je vidět nátrubek 8 spodního modulu i, na který se usadí otevřená spodní část pláště 2 středního nátrubku la.

Na obr. 6 je detail horního náústku 12, který vystupuje od zadní desky 6 horního modulu lb.

Obr. 7 představuje schematický řez spodním modulem i se spodním náústkem 11, obr. 8 představuje řez středním modulem la z obr. 3 a obr. 9 představuje řez homím modulem lb ze sestavy z obr. 1 s horním náústkem 12. Náústek H ^u spodního modulu 1 je napojen na neznázoměné přívodní potrubí a na horní modul lb je zase napojeno odvodní potrubí. Obě ústí venku mimo místnost.

Jak bylo zmíněno, na obr. 1 a 2 je znázorněna nejjednodušší sestava, kde je pás sestávající ze spodního modulu i, středního modulu la a horního modulu lb. Ve spodní a homí části středového modulu la jsou pouze připojovací prvky pro bajonetové připojení. Pásy se pak dají pokládat vedle sebe a počet modulů se může měnit podle tvaru zdi. Odborníkovi je zřejmé, že ke spojování modulů může být použito i jiného prvku než bajonetu.

Důležité je, že materiál s fázovou změnou je odděleně uložen v dutinkách 6a dutinkové stěny 6 a tak při jeho rozpuštění nedochází k nashromáždění ve spodní části a vydouvání obalu, jak je to u stávajících řešení.

Výhodou modulů podle technického řešení je možnost noční aktivace materiálu s fázovou změnou chlazením v meziprostoru tvořeném vzduchovým kanálem 10 v modulu nebo modulech. V denních hodinách je teplo z interiéru naakumulováno do akumulačního modulu a v nočních hodinách může být dle potřeby naakumulované teplo odváděno do exteriéru pomocí větrané mezery, Tzn. úsporu drahé elektrické energie, která by byla potřebná v denních hodinách pro strojní chlazení vnitřních prostor a využití levnější mimošpičkové elektrické energie pro zajištění mechanického provětrání meziprostoru modulu pro odvod naakumulované tepelné energie mimo větranou místnost.

Další výhodou je využití naakumulované energie v tepelně akumulační vrstvě pro noční temperování vnitřních prostor. V tomto případě, kdy výrazně klesají noční teploty venkovního vzdu40 chu, jako se to děje zejména v přechodném období (jaro, podzim), jsou přívodní i odvodní otvory automaticky uzavřeny, vzduchová mezera slouží jako tepelně izolační vrstva a naakumulovaná tepelná energie je vyzařována zpět do interiéru. Tímto způsobem je možno zkrátit délku otopného období a využít pasivních solárních zisků naakumulovaných v denních hodinách v materiálu s fázovou změnou.

Mezi další výhodu lze zařadit dobrou tepelnou vodivost obalového materiálu pro akumulační médium, který je proveden z tenké dutinkové polypropylenové desky. Povrch desek se doporučuje opatřit nátěrem nebo přelepením pouze tenkou tapetou, aby se nesnížila tepelná vodivost a rychlost přenosu tepla do akumulačního média.

-4CZ 20701 Ul

Jedná se o kompaktní modul pro přímou akumulaci tepelné energie z interiéru místností, který lze snadno instalovat v místnostech, kde hrozí riziko přehřívání a tepelného diskomfortu v letních měsících.

Účelem modulu je akumulovat teplo z místností s velkými zisky ze solárního záření v letních 5 měsících pro snížení tepelné zátěže interiéru v denních hodinách. Teplota tání použitého materiálu s fázovou změnou (PCMs) je 22 až 28 °C.

Princip spočívá v akumulaci nadměrných tepelných zisků v denních hodinách do akumulační vrstvy tvořené materiálem s fázovou změnou uzavřeném v dutinkové desce 6. Větraná vzduchová mezera 10 slouží pro noční intenzivní proudění vzduchu pro odvod naakumulované energie. Větío rání je zajištěno mechanicky nezávislým zařízením, které sice není v této fázi součástí modulu, nicméně je možné uvažovat i s tímto řešením.

Celá konstrukce je navržena z recyklovaných polypropylenových desek. Vlastní moduly 1, la, Tb jsou tvořeny svařovanými polypropylenovými deskami v tl. 4 mm, pro zajištění dostatečné tuhosti jsou vyztužené žebry. Základní modul má rozměr 1000 χ 1000 mm a ve spodní a homí Části jsou provedeny na zadní straně přiváděči, resp. odváděči otvory pro napojení větracího potrubí.

Vzhledem k tomu, že se jedná o výrobek z plastu, který lze snadno spojovat svařováním, je možné uvažovat s rozměry dle individuálního zadání.

Claims (3)

1. Tepelně akumulační modul na bázi materiálů s fázovou změnou sestávající z pláště (

2),

20 vyznačující se tím, že plášť (2) sestává ze zadní stěny (3), boční stěny (4) a příruby (5) a na této přírubě (5) je pevně uspořádána dutinková deska (6), čímž je vytvořen vzduchový kanál (10) mezi zadní stěnou (3) krytu (2) a vnitřní stěnou (9) dutinkové desky (6) a po otevřené straně dutinek (6a) v dutinkové desce (6) je uspořádáno silikonové těsnění (13) a to na přírubě (5), přičemž dutinky (6a) v dutinkové desce (6) jsou naplněny materiálem s fázovou změnou.

25 2. Sestava tepelně akumulačních modulů podle nároku 1, vyznačující se tím, že sestává ze spodního modulu (1), jednoho či více středních modulů (la) a horního modulu (lb), přičemž spodní modul (1) je opatřen spodním výústkem (11) a homí modul (lb) je opatřen horním výústkem (12), přičemž vedení od těchto výůstků (11,12) ústí ven z místnosti, střední modul (la) má homí i spodní strany pláště (2) otevřené, spodní modul (1) má otevřenou pouze homí

30 část pláště (2), horní modul (lb) má otevřenou pouze spodní stranu pláště (2), přičemž v místě spojení je na jednom z modulů (1, la, lb) okrajová zóna provedena jako spojovací prvek pro usazení na další modul, přičemž vzduchové kanály (10) modulů (1, la, lb) jsou propojeny.

3. Sestava tepelně akumulačních modulů podle nároku 2, vyznačující se tím, že spojovací prvek je vytvořen jako nátrubek (8).