ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΛΛΑΓΗΣ ΦΑΣΗΣ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ

Ένα υλικό πολύ γνωστό για τις αλλαγές φάσης του είναι το νερό. Το νερό, στη θερμοκρασία 0°C, προκειμένου να αλλάξει φάση, από στερεό (πάγος) σε υγρό, χρειάζεται να απορροφήσει ενέργεια ίση με 334 kJ/kg. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα τήξης γιατί δεν προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας του (δηλαδή, δεν είναι αντιληπτή με τις αισθήσεις) αλλά αποδίδεται στη μεταβολή των δεσμών και της κινητικής ενέργειας των μορίων του. Ομοίως, για την εξάτμιση του νερού, στους 100°C, δηλαδή για τη μετατροπή από την υγρή στην αέρια φάση, θα πρέπει να απορροφήσει, ως λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης, ενέργεια ίση με 2260 kJ/kg. Αντίστροφα, κατά την ψύξη του νερού, στις θερμοκρασίες αλλαγής φάσης, οι κατά περίπτωση λανθάνουσες θερμότητας ελευθερώνονται. Στο διάγραμμα του σχήματος 1 φαίνεται ότι με συνεχή και σταθερό ρυθμό θέρμανση μιας ποσότητας νερού επιτυγχάνουμε σταθερή αύξηση της θερμοκρασίας του, εκτός από τις θερμοκρασίες των 0 και 100°C, όπου η προσφορά θερμικής ενέργειας (σε ποσότητες 334 και 2260 kJ/kg αντίστοιχα) δεν προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας αλλά μεταβολή φάσης. Το ίδιο διάγραμμα ισχύει και κατά την αντίστροφη διαδικασία, της ψύξης, όπου πλέον κατά την αλλαγή φάσης (από ατμό σε υγρό και από υγρό σε πάγο) η αποθηκευμένη λανθάνουσα θερμότητα επιστρέφεται στο περιβάλλον.

Σχήμα 1: Διάγραμμα μεταβολής φάσης του νερού

Οι ανταλλαγές ενέργειας με το περιβάλλον που συνοδεύουν τις μεταβολές φάσης των υλικών εκδηλώνονται σε φυσικά φαινόμενα και, ακόμη, αξιοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα που βασίζεται και πάλι στο νερό είναι η χρήση πάγου για την ψύξη ενός ποτού σε ποτήρι. Το λιώσιμο του πάγου συνοδεύεται με απορρόφηση λανθάνουσας θερμότητας τήξης από το ποτό που έτσι ψύχεται.
 
Οι διαθέσιμες τεχνολογίες αξιοποίησης του φαινομένου της αλλαγής φάσης υλικών περιορίζονται στην αλλαγή στερεού - υγρού (η αξιοποίηση της μεταβολής υγρού - αέριου συναντά δυσεπίλυτες δυσκολίες και για το λόγο αυτό δε βρίσκει πρακτικές εφαρμογές). Ήδη, διατίθενται πολλά PCMs με θερμοκρασίες τήξης που κλιμακώνονται σε ευρέα όρια (Σχήμα 2). Στα όρια της θερμικής άνεσης (μεταξύ περίπου 20 και 30 °C) συναντάμε επίσης αρκετά υλικά με ικανότητα να απορροφούν (και να αποδίδουν) λανθάνουσα θερμότητα από 5 μέχρι 14 φορές περισσότερη από τα γνωστά δομικά υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας (τσιμέντο, τούβλα, πέτρες κλπ).
 

Σχήμα 2: Κλάσεις υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως PCMs και τα αντίστοιχα τυπικά εύρη τιμών θερμοκρασίας τήξης και λανθάνουσας θερμότητας τήξης (melting enthalpy).

Η τεχνολογία αξιοποίησης των PCMs σε πρακτικές εφαρμογές ακολουθεί δύο βασικές κατευθύνσεις. Η πρώτη στοχεύει στον έλεγχο της θερμοκρασίας και η δεύτερη στην αποθήκευση θερμότητας. Στο διάγραμμα του σχήματος 3 που παριστάνει τη μεταβολή θερμοκρασίας ενός υλικού αλλαγής φάσης συναρτήσει της απορροφούμενης (ή αποδιδόμενης) θερμικής ενέργειας, σημειώνονται οι δύο αυτές επιλογές.

Σχήμα 3: Εφαρμογές των PCMs.
(α) για έλεγχο της θερμοκρασίας και (β) για αποθήκευση θερμότη-τας (ή ψύχους)

   
Τα PCMs ήδη απαντώνται σε πλήθος εφαρμογών. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται:
-     Μεταφορά και αποθήκευση ευαίσθητων σε μεταβολές θερμοκρασίας προϊόντων, όπως τρόφιμα, φάρμακα κλπ. Μεταφορά αίματος για μετάγγιση, οργάνων για μεταμόσχευση.
-     Ρύθμιση θερμοκρασίας σώματος (θερμικά τζάκετ, κουβέρτες κλπ). Θεραπείες  ζεστού-κρύου.
-     Έλεγχος θερμοκρασίας εξώθερμων χημικών αντιδράσεων.
-     Θερμική προστασία ηλεκτρικών μηχανών, ηλεκτρονικών διατάξεων, υπολογιστών.

Τα PCMs χρησιμοποιούνται και σε εφαρμογές στα κτίρια. Μεταξύ αυτών, ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν οι εφαρμογές που στοχεύουν στην αύξηση της ικανότητας αποθήκευσης θερμότητας του κελύφους.
 
Η θερμική μάζα ή θερμοχωρητικότητα του κελύφους των κτιρίων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της θερμοκρασίας στο εσωτερικό τους. Σε ένα κτίριο με κέλυφος από υλικά μικρής θερμοχωρητικότητας, οι ημερήσιες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας περιβάλλοντος γίνονται άμεσα αισθητές στο εσωτερικό του.
Σε αντίθεση, σε ένα κτίριο με δομικά υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας, ένα μέρος της θερμότητας κατά τη διάρκεια των υψηλών θερμοκρασιών της ημέρας αποθηκεύεται στα στοιχειά του κελύφους και αυξάνει τη θερμοκρασία τους. Όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος πέσει (π.χ. κατά τη διάρκεια της νύχτας), η θερμότητα που έχει αποθηκευτεί στα δομικά υλικά αποδίδεται στο περιβάλλον. Ως αποτέλεσμα, η διακύμανση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του κτιρίου είναι πιο ομαλή σε σύγκριση με την αντίστοιχη στο περιβάλλον.

Οι μηχανισμοί ανταλλαγών θερμότητας μεταξύ των υλικών μεγάλης θερμικής μάζας και του περιβάλλοντος αξιοποιούνται ανέκαθεν για τον έλεγχο της εσωτερικής θερμοκρασίας στα κτίρια. Ήδη, τα PCMs, με την ικανότητά τους να αποθηκεύουν (και να αποδίδουν) λανθάνουσα θερμότητα, αυξάνουν σημαντικά την απόδοσή τους.

Αυτό μπορούμε να το κατανοήσουμε με ένα παράδειγμα.
Θεωρούμε ένα κτίριο στο κέλυφος του οποίου υπάρχουν ποσότητες PCM με θερμοκρασία αλλαγής φάσης έστω τους 25°C. Αν (και όταν) η θερμοκρασία του αέρα στο εσωτερικό του κτιρίου υπερβεί τους 25°C, τα PCM θα αρχίσουν να τήκονται απορροφώντας παράλληλα θερμική ενέργεια από το περιβάλλον. Η απορροφούμενη στο στάδιο αυτό θερμότητα είναι λανθάνουσα, δηλαδή, δε συνεπάγεται αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού. Όμως, αφαιρούμενη από το περιβάλλον, εμποδίζεται από του προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας άλλων υλικών και του αέρα. Έχουμε με άλλα λόγια συγκράτηση της ανόδου της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Αν (και όταν) ολοκληρωθεί η διαδικασία αλλαγής φάσης (τήξη) του υλικού και η θερμοκρασία περιβάλλοντος εξακολουθεί να παραμένει μεγαλύτερη των 25°C, τότε το (τηγμένο πλέον) υλικό θα συνεχίσει να συμπεριφέρεται συμβατικά, δηλαδή, να απορροφά θερμότητα και να αυξάνει η θερμοκρασία του. Κατά την αντίστροφη διαδικασία, της ψύξης, όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από τους 25°C, τα PCMs αρχίζουν να στερεοποιούνται και παράλληλα να αποδίδουν την αποθηκευμένη λανθάνουσα θερμότητα στο περιβάλλον. Η απελευθερούμενη ποσότητα θερμικής ενέργειας συγκρατεί την πτώση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος (Σχήμα 4).     

Σχήμα 4: Η επίδραση των PCMs στην εσωτερική θερμοκρασία στα κτίρια.

Μολονότι το αποτέλεσμα στο παράδειγμα είναι ποιοτικά παρόμοιο με αυτό του επιτυγχάνεται με συμβατικά υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας (και στις δύο περιπτώσεις έχουμε εξομάλυνση των θερμοκρασιακών μεταβολών στο εσωτερικό του κτιρίου), η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι η λανθάνουσα θερμότητα των PCMs είναι, γενικά, σημαντικά μεγαλύτερη από την ικανότητα αποθήκευσης αισθητής θερμότητα των συμβατικών δομικών υλικών (π.χ. η λανθάνουσα θερμότητα τήξης του πάγου ισοδυναμεί με τη θερμότητα που προκαλεί την άνοδο της θερμοκρασίας ίδιας ποσότητας νερού κατά 80°C). Ως αποτέλεσμα, απαιτούνται μικρότερες ποσότητες PCMs για το ίδιο αποτέλεσμα στον έλεγχο της εσωτερικής θερμοκρασίας σε ένα κτίριο. Έτσι, ενδεικτικά, η απορροφούμενη θερμότητα από γυψοσανίδα πάχους 3 εκ. που περιέχει στη μάζα της PCM σε ποσοστό 30 % (πρόκειται για προϊόν που ήδη κυκλοφορεί στο εμπόριο) ισοδυναμεί περίπου με τη θερμότητα που αποθηκεύει στα όρια των θερμοκρασιών άνεσης ένα τοίχος 18 εκ. από μπετό ή 23 εκ. από τούβλα.  

Τα κριτήρια επιλογής PCMs για εφαρμογές στα κτίρια μπορούν να διακριθούν σε Φυσικά, Τεχνικά και Οικονομικά, σύμφωνα με τον πίνακα 1.

Πίνακας1: Κριτήρια επιλογής PCMs για εφαρμογές στα κτίρια.

Ένα πρόβλημα στις εφαρμογές των PCMs είναι η δυσκολία έλεγχου της υγρής τους φάσης. Για την αντιμετώπισή του, τα PCMs βρίσκονται μέσα σε στεγανό περίβλημα.
Τα περιβλήματα που χρησιμοποιούνται είναι διαφόρων μεγεθών και σχημάτων (Σχήμα 5). Μια κατηγορία έχουν τη μορφή σφαιριδίων πολύ μικρών διαστάσεων που δε διακρίνονται με γυμνό μάτι (μικροκάψουλες). Οι μικροκάψουλες (με PCM στο εσωτερικό τους) μπορούν να αναμιχθούν στη μάζα συμβατικών δομικών υλικών. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να έχουμε μπετόν με PCM, σοβάδες με PCM, γυψοσανίδες με PCM κλπ (Σχήμα 6).
 

Σχήμα 5: Συσκευασίες PCMs για εφαρμογές, από μέταλλο ή πλαστικό σε διάφορους τύπους και μεγέθη.	Σχήμα 6: Εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου με μικροκάψουλες με PCMs (σφαιρίδια) αναμεμιγμένα με υλικά επιχρίσματος.

Η τεχνική εφαρμογής των PCMs εξαρτάται και από τη μορφή της συσκευασίας τους. Στο σχήμα 7 φαίνεται ένα τεχνίτης που τοποθετεί σακουλάκια με PCM στο εσωτερικό μιας ψευδοροφής ενώ, στο σχήμα 8, δύο τεχνίτες εφαρμόζουν σοβά με πρόσμιξη μικροκάψουλων PCM σε τοίχο.

Σχήμα 7: Εφαρμογή PCMs (Dorkens DELTA-COOL 24) σε σακουλάκια με αλουμινένιο περίβλημα.	Σχήμα 8: Εφαρμογή επιχρίσματος με πρόσμιξη μικροκάψουλων PCMs

Τα PCMs, ως μέσον αύξησης της ικανότητας αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, εφαρμόζονται στα κτίρια στους τοίχους, τα δάπεδα, τις οροφές, ακόμη και στα κουφώματα. Επίσης, χρησιμοποιούνται σε η/μ συστήματα που υποστηρίζουν τις λειτουργίες κτιρίων (θέρμανση, κλιματισμός, ζεστό - κρύο νερό).
    

Σχήμα 9: Έκχυση τσιμέντου με προσμίξεις PCM  στην οροφή του κτιρίου WILO, στην Ολλανδία. Διακρίνονται οι σωληνώσεις του συστήματος θέρμανσης του κτιρίου που ενσωματώνονται στη μάζα του τσιμέντου, ώστε το νερό που κυκλοφορεί σε αυτές να απορροφά μέρος της αποθηκευμένης θερμότητας.

Τα PCMs, μολονότι είναι γνωστά από αρκετά χρόνια, δεν είναι ευρέως διαδεδομένα σε εφαρμογές στα κτίρια. Κάποιες ελλείψεις στην τεχνολογία τους, το σχετικά υψηλό κόστος τους και η περιορισμένη πληροφόρηση για τις εφαρμογές τους δικαιολογούν εν μέρει αυτή τη διαπίστωση. Από την άλλη πλευρά, τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν εγγυώνται ότι στο μέλλον η χρήση τους θα διευρύνεται. Είναι χαρακτηριστικό ότι την περίοδο αυτή "τρέχουν" αρκετά προγράμματα με περιεχόμενο τη μελέτη των εφαρμογών των PCMs. Μεταξύ αυτών, σημαντικό είναι το Ευρωπαϊκό Πρόγραμμα COST Action TU0802: Next generation cost effective phase change materials for increased energy efficiency in renewable energy systems in buildings (NeCoE-PCM), όπου, από ελληνικής πλευράς, συμμετέχει το Πολυτεχνείο Κρήτης. Στόχος του συγκεκριμένου προγράμματος είναι να ενισχύσει τη διάδοση των συστημάτων ΑΠΕ και των εφαρμογών PCMs στην Ευρώπη μέσω του σχεδιασμού, μελέτης, προσομοίωσης και πιστοποίησης νέας γενιάς υλικών αλλαγής φάσης για χρήση σε αποθήκευση θερμότητας για θέρμανση - ψύξη και άλλες εφαρμογές ΑΠΕ στα κτίρια.

Τα PCMs είναι χρήσιμα σε εύκρατα κλίματα, όπου οι ημερήσιες διακυμάνσεις θερμοκρασίας συχνά υπερβαίνουν τα όρια θερμικής άνεσης. Η χρησιμότητά τους είναι πιο έντονη το καλοκαίρι, όταν οι υψηλές τιμές ηλιακής ακτινοβολίας προκαλούν υπερθέρμανση των κτιρίων. Είναι συνεπώς υλικά που αξίζει να έχουμε υπόψη και να παρακολουθούμε την εξέλιξή τους. Είναι εξαιρετικά πιθανό ότι σύντομα στο μέλλον θα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς των κτιρίων μας.

Νίκος Παπαμανώλης
Αν. Καθηγητής Αρχιτεκτονικής
Πολυτεχνείου Κρήτης