CZ302477B6 - Tepelne akumulacní modul na bázi materiálu s fázovou zmenou a sestava z techto modulu - Google Patents

Abstract

Tepelne akumulacní modul na bázi materiálu s fázovou zmenou sestává z plášte (2) a tento plášt (2) sestává ze zadní steny (3), bocní steny (4) a príruby (5) a na této prírube (5) je pevne usporádána dutinková deska (6), címž je vytvoren vzduchový kanál (10) mezi spodní stenou (3) krytu (2) a vnitrní stenou (9) dutinkové desky (6). Po otevrené strane dutinek (6a) v dutinkové desce (6) je usporádáno silikonové tesnení (13) a to na prírube (5), pricemž dutinky (6a) v dutinkové desce (6) jsou naplneny materiálem s fázovou zmenou. Sestava tepelne akumulacních modulu sestává ze spodního modulu (1), jednoho ci více stredních modulu (1a) a horního modulu (1b). Spodní modul (1) je opatren spodním výústkem (11) a horní modul (1b), je opatren horním výústkem (12), pricemž vedení od techto výústku (11, 12) ústí ven z místnosti. Strední modul (1a) má horní i spodní strany plášte (2) otevrené, spodní modul (1) má otevrenou pouze horní cást plášte (2), horní modul (1b) má otevrenou pouze spodní stranu plášte (2). V míste spojení je na jednom z modulu (1, 1a, 1b) okrajová zóna provedena jako spojovací prvek pro usazení na další modul, pricemž vzduchové kanály (10) modulu (1, 1a, 1b) jsou propojeny.

Description

Tepelně akumulační modul na bázi materiálů s fázovou změnou a sestava z těchto modulů

Oblast techniky

Vynález 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.

to

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 vestavby. 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 následek 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 jejích 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. Taje doprovázena velkou spotřebou energie, kterou tyto materiály odebírají z okolního prostředí. Po změně pevného skupenství v kapalné jsou tyto látky schopny přijímat tepelnou energii tím, že dochází k ohřevu látky v kapalném stavu.

Vzhledem k tomu, že pro akumulaci tepelné energie je využíváno přeměny skupenství, je nezbytné zajistit stabilitu PCMs ve všech skupenstvích. Z tohoto důvodu vyvstává požadavek na zapouzdření materiálů s fázovou směnou pro aplikace ve stavebních konstrukcích. Podmínkou je, aby aplikované materiály s fázovou změnou byly hermeticky uzavřené v kovovém nebo poly40 memím obalu a aby nedocházelo k jejich uvolňování do konstrukce.

Nej častěji se můžeme setkat s aplikacemi v následujících formách:

PCMs plněné ve vacích či polštářcích z polymerní 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 2009/0223160 Al zase představuje panel, kde je obálka naplněna aglomero vánými materiály s fázovou změnou ve vícero různých vrstvách,

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

- 1 CZ 302477 B6

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

PCMs ve formě mi kro kapslí z polymeru pro aplikace v omítkách ěi 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.

Spis EP 0981675 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 horní 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 sádrokartonové nebo sádrovláknité 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 zvyšuje výrazně jejich tepelně akumulační kapacitu. Tyto obalové konstrukce mohou zvýšit tepelnou stabilitu vnitrních 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 vynálezu 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.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále osvětlen pomocí výkresů na kterých obr. 1 představuje pohled na sestavu z vícero modulů podle vynálezu, 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 vynálezu, obr. 5 představuje schematický řez v oblasti spoje modulů, obr. 6 představuje schematicky v detailu výustek 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.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry tepelně akumulační modul na bázi materiálů s fázovou změnou podle vynálezu, 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 dutínkové desky a po otevřené straně dutinek v dutínkové desce je uspořádáno silikonové těsnění a to na přírubě, přičemž dutinky v dutínkové desce jsou naplněny materiálem s fázovou změnou.

Sestava tepelně akumulačních modulů podle vynálezu spočívá v tom, že sestává ze spodního modulu, jednoho či více středních modulů a horního modulu, přičemž spodní modul je opatřen spodním výustkem a horní modul, je opatřen horním výustkem, přičemž vedení od těchto výustků ústí ven z místnosti, střední modul má horní i spodní strany pláště otevřené, spodní modul má otevřenou pouze horní část pláště, horní 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.

Příklad provedení vynálezu

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

Je vidět, že modul fa 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

-3 CZ 302477 B6 individuálního zadání. Dutínková 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 fa a horního modulu J_b. Z modulů lze tedy vytvářet pásy čí celé stěny a to tak, že plášť 2 spodního modulu 1 z obr. 1 se ponechá v horní části otevřen a na něj se shora nasadí další modul Ja, který má zase otevřený plášť 2 na spodní části a tyto otevřené části jsou pak upraveny tak, zeje lze do sebe usadit. To je schematicky znázorněno na obr. 3. Je zřejmé, že středních modulů la je možno použít podle potřeby vícero.

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

Zadní stěna 3, boční stěna 4 a vnitrní stěna 9 dutínkové desky 6 tvoří vzduchový kanál 10 pro proudění chladicího vzduchu. Do kanálu JO je na spodním modulu zaústěn spodní náustek 11 a v horním modulu 1b je zase zaústěn horní náustek 12. Tyto náustky 11, 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 dutínková deska 6. Celý modul 1, Ja, 1 b respektive celá sestava 2 může být zapuštěna do vhodného materiálu, jako je třeba sádrokarton, neboje zakryta tapetou a nemusí být vidět.

Na obr. 4 je vidět, že po otevřené straně dutinek 6a v dutínkové desce 6 je uspořádáno silikonové těsnění J3 a to na přírubě 5. To je i na druhé straně, ale tam se uloží 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 1 a středního modulu la. Je vidět nátrubek 8 spodního panelu i, na který se usadí otevřená spodní část pláště 2 středního nátrubku Ja.

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

Obr. 7 představuje schematický řez spodním modulem 1 se spodním náustkem 11, obr. 8 představuje řez středním modulem Ja z obr. 3 a obr. 9 představuje řez horním modulem lb ze sestavy z obr. 1 s horním náustkem 12. Náustek JJ. u spodního modulu i 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 1, středního modulu la a horního modulu lb. Ve spodní a horní části středového modulu Ja 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 dutínkové desky 6, a tak při jeho rozpuštění nedochází k nashromáždění ve spodní části a vydouvání obalu, jak je to u stávajících řešení.

-4 CZ 302477 B6

Výhodou modulů podle vynálezu je možnost noční aktivace materiálu s fázovou změnou chlazením v mezi prostoru tvořeném vzduchovým kanálem J_0 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 vzduchu, 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 is tepelná energie je vyzařována zpět do interiéru. Tímto způsobem je možno zkrátit délku otopného období a využít pasivních solárních zisků naakumulováných 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 tepal do akumulačního média.

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 měsících pro snížení tepelné zátěže interiéru v denních hodinách. Teplota tání použitého mate30 riálu 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. Vět35 rání je zajištěno mechanicky nezávislým zařízením, které sice není v této fázi součástí modulu, nicméně je možné uvažovat i tímto řešením.

Celá konstrukce je navržena z recyklovaných polypropylenových desek. Vlastní moduly 1, la, lb jsou tvořeny svařovanými polypropylenovými deskami v tl. 4 mm, pro zajištění dostatečné tuhosti jsou vyztužené žebry. Základní modul má rozměr 1000 x 1000 mm a ve spodní a horní části jsou provedeny na zadní straně přiváděči, resp. odváděči otvory pro napojení větracího potrubí. Vzhledem k tomu, že se jedná o výrobek z plastu, kteiý lze snadno spojovat svařováním, je možné uvažovat s rozměry dle individuálního zadání.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tepelně akumulační modul na bázi materiálů s fázovou změnou sestávající z pláště (2), 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 dutínková deska (6), Čímž je vytvořen vzduchový kanál (10) mezi spodní 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.
2. 2. Sestava tepelně akumulačních modulů podle nároku 1, vyznačující se títn, že sestává ze spodního modulu (I), jednoho či více středních modulů (la) a horního modulu (lb), přičemž spodní modul (1) je opatřen spodním výustkem (11) a horní modul (lb), je opatřen horním výustkem (12), přičemž vedení od těchto výustků (11, 12) ústí ven z místnosti, střední modul (la) má horní i spodní strany pláště (2) otevřené, spodní modul (1) má otevřenou pouze horní 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. 3. Sestava tepelně akumulačních modulů podle nároku 2, vyznačující se tím, že spojovací prvek je vytvořen jako nátrubek (8).