Hőtárolás olvadó építőanyagokkal

Külföldön évről évre bővül a halmazállapot-váltó építőanyagok piaca, itthon azonban még alig kapni ilyen termékeket. Pedig ezekkel az ún. fázisváltó anyagokkal csökkenthető az épületek energiafogyasztása, kellemesebbé tehetők a lakóterek, s javítható a megújulóenergia-termelő berendezések hatékonysága. Cikkünkben annak jártunk utána, hogy mit tudnak, mire használhatók ezek az olvadó építőanyagok, s milyen kész építési termékek kaphatók belőlük. 

 Becslések szerint egy ház egy Celsius-foknyi hűtése háromszor annyi energiát igényel, mint egy fokkal történő felfűtése. Így ha csökkenteni szeretnénk az épületek energiaétvágyát, a nyári felmelegedés elleni védelemre is ügyelni kell. Erre használhatók nagyon jól az ún. fázisváltó építőanyagok. A fázisváltó anyagok tulajdonképpen halmazállapot-váltó anyagok, amelyek bizonyos hőmérsékleten megolvadnak, s eközben jelentős mennyiségű hőt szívnak magukba.

 Mivel ezek az anyagok rendkívül jó hőtárolók, a megújulóenergia-termelő berendezések által előállított hő tárolására is használhatók: segítségükkel tovább, kisebb energiaveszteséggel tárolható például a napenergiából nyert hő.

 A fázisváltó anyag elnyeli a hőt – és közben nem melegszik fel!

 A fázisváltó anyagok azt a régóta ismert fizikai jelenséget használják ki, hogy a halmazállapot-váltás idején nem változik meg az anyagok hőmérséklete.

 Vegyük például a fagyasztást! A hűtés során egy ideig éppen az történik, amit várunk: annyival csökken a hűtött anyag hőmérséklete, amennyi hőt elvonunk tőle, azaz amennyire lehűtjük. Csakhogy amikor elérjük a fagyáspontot, furcsa jelenség figyelhető meg: hiába hűtjük tovább az anyagunkat, nem csökken a hőmérséklete! Ez egészen addig tart, amíg a halmazállapot-változás be nem fejeződik, vagyis amíg egészen meg nem fagy.

A dolog fordítva is működik. Amikor kiolvasztunk valamit, a melegedés egészen addig folyamatos, amíg el nem érjük az olvadáspontot. Az olvadásponton azonban hiába adunk további hőt, a hőmérséklet egészen addig nem nő tovább, amíg az anyag teljesen ki nem olvadt. Vagyis a halmazállapot-váltás idején az anyag úgy vesz fel nagy mennyiségű hőt, hogy közben maga az anyag nem melegszik.

 A halmazállapot-változások során elnyelt energia ráadásul egyáltalán nem kevés. Vegyük például a vizet! A víznél 333 kJ energia kell ahhoz, hogy egy kilogrammnyi nulla fokos jégből azonos hőmérsékletű, tehát nulla fokos vizet csináljunk. Vagyis ennyi energia kell magához az olvadáshoz. Ha ezt az energiát nem kiolvasztásra, hanem a már folyékony víz melegítésére használtuk volna, akkor ugyanennyi energiával a 0 fokos vízből már csaknem forró vizet csinálhattunk volna! (Az egy kilogrammnyi vizünk 79,5 fokra melegedne.)

 Ezt a szilárd és olvadt állapot közötti hatalmas energiakülönbséget használják ki a fázisváltó anyagok, az úgynevezett PCM-ek (Phase Change Material). A PCM-ek lényege, hogy olyan különleges anyagokat tartalmaznak, amelyek a külső hőmérséklet-változás hatására halmazállapotot váltanak. Amíg ez bekövetkezik, addig pedig jelentős hőt tárolnak. Az anyag, amely ezekben hő hatására olvad, általában viasz (paraffin) vagy valamilyen só, vagy sóhidrát. De léteznek természetes alapanyagú, ún. bio-PCM-ek is, ezek szójababolajból és pálmaolajból készülnek. Mivel a fázisváltó anyag a halmazállapot-váltás során mintegy 10%-ot tágul, ezért általában tasakokba, fémkazettákba vagy mikrokapszulákba zárják. 

A fázisváltó építőanyagoknak ma már számos fajtája van: létezik PCM vakolat, betontégla, fázisváltó anyagot tartalmazó gipsz falazóblokk, sőt, van ilyen üveg is.

Űrruhától a vakolatig

A halmazállapot-váltó anyagokkal elsőként a NASA kezdett kísérletezni, annak érdekében, hogy az űrhajósokat megvédhessék a szélsőséges hőmérséklet-különbségekről. Így a PCM-ek elsőként a ruházati termékekben jelentek meg, de ma már hűsítő arcmaszkot, laptop-alátétet, koraszülötteknél használt hálózsákot, sőt matracot és ágyneműt is készítenek ilyen anyagokból. Az építészet energiatudatossá válásával a fázisváltó anyagok megjelentek az építési termékekben is. Kaphatók többek között fázisváltó anyagot tartalmazó vakolat adalékanyagok, gipszkarton lapok, álmennyezetbe rakható tasakok és üvegszerkezetek is.

Hűvös lakás nyáron – klímaberendezés nélkül

 A fázisváltó építőanyagoknak leginkább a nyári túlmelegedés elleni védelemben van szerepük. Nyáron az erős napsugárzás hatására a fázisváltó anyag megolvad. Ez idő alatt nagy mennyiségű hőt vesz fel, de ez a halmazállapot-változás során felhasználódik, vagyis az anyag egyszerűen elnyeli anélkül, hogy felmelegedne. Az esti órákban, amikor a külső hőmérséklet csökken, a PCM megszilárdul. Ekkor szabadul fel az a hő, amit nappal elnyelt: az anyag ilyenkor néhány fokkal melegebb marad, mit a környezete. Ezért az esti órákban szellőztetéssel kell a visszahűlésről gondoskodni. (Fontos, hogy a fázisváltó anyag le tudja adni a benne felgyülemlett energiát, ha ugyanis nem szilárdul vissza, az olvadási folyamat nem tud újraindulni.) 

A fázisváltó építőanyagok tehát külső energia felhasználása nélkül oldják meg a nyári hőmérséklet-szabályozást. Ez egyrészt csökkenti az épület energiaigényét (nem kell áramot használni a légkondicionáláshoz), másrészt kellemesebb lakókörnyezetet eredményez: nem szárítja a levegőt, nem okoz huzatot vagy zajt.

 A téli időszakban a PCM-ek nem tudnak megolvadni, így csak a belső oldalon, a fűtéssel nyert meleg tárolásában segítenek. Ez főként akkor lehet előnyös, ha a fűtési rendszer időnként túlfűt, például vegyes tüzelésű kazán, vagy kandalló esetén. Ilyenkor a PCM a két felfűtés között képes kiegyenlíteni a hőingadozást. De csak akkor, ha a második felfűtésre csak azután kerül sor, hogy a hőmérséklet lecsökkent a PCM a szilárdulási pontja alá.

 Fontos megjegyezni, hogy a fázisváltó anyagok leghatékonyabban a belső oldalon tudják kifejteni a hatásukat. A külső falakon a fázisváltó anyag nyáron ugyan nagy mennyiségű hőt tud elnyelni, ezáltal védi a szerkezetet a nagy hőingadozástól, de egy szigetelt ház esetén a belső hőmérsékletet csak csekély mértékben képes befolyásolni. Télen pedig egyáltalán nem „dolgozik” az anyag. Ugyanígy a hőszigetelő rétegek közé zárva sem képes hatékonyan működni, tehát a könnyűszerkezetek esetén is leginkább a belső oldalon javasolt használni.

 Külföldön már számos PCM termék kapható

Egyre több cég fektet jelentős összegeket a fázisváltó építőanyagok fejlesztésébe, s ma már kész építési termékek is kaphatók. Igaz, a legtöbb egyelőre csak külföldön. A fázisváltó építőanyagokat fejlesztő nemzetközi cégek hazai leányai még nem árulják a PCM-termékeket. Az egyetlen itthon is kapható termék a DuPont Energain-je, amelyet rendelésre hazánkba is szállítanak (erről a termékről bővebben írunk alább!). Pedig külföldön van miből válogatni, ha valaki PCM építőanyagot keres. Sajnos azonban ezekből rendelni egyelőre költséges és körülményes dolog. Reméljük, hogy nem kell túl sokáig várni az itthoni beszerezhetőségre! 

A következőkben néhány jelentősebb PCM-gyártó termékeit mutatjuk be, a teljesség igénye nélkül (főleg az európai piacon kapható termékekre összepontosítva).

 Paraffintartalmú PCM-ek

Itthon egyelőre csak a DuPont kínál fázisváltó építőanyagot. Az Energain Thermal Mass Panel névre keresztelt PCM egy olyan alumínium tábla, amelynek belsejében viaszos fázisváltó keverék van. Ez a keverék 21,7 fokon kezd olvadni. Ha a hőmérséklet efölé emelkedik, a PCM dolgozni kezd, s hőt von el a környezetétől. A tábla mindössze 5 mm vastag, s szegecseléssel vagy ragasztással lehet rögzíteni a falakra vagy mennyezetre, álmennyezetre. Mivel a panelek nem engedik át a párát, így párazáró rétegként is használhatók, ha az illesztéseket megfelelően lezárjuk. Van azonban egy tulajdonság, amit figyelembe kell venni a felhasználás során: a termék az E tűzvédelmi osztályba tartozik, tehát igencsak éghető! Az Energain-t egyébként boltokban nem lehet kapni, de rendelésre szállít a gyártó.

A másik vegyipari óriáscég, a BASF is széles  PCM kínálattal rendelkezik. Az ő termékeikben mikrokapszulák rejtik a viaszos keverékből álló fázisváltó anyagot, amelyek különböző olvadáspontú változatban kaphatók. A BASF egyébként a nagyobb hatékonyság érdekében a külső falon és a belső oldalon egyaránt javasolja a PCM termékek használatát. Az anyag beépítésének leginkább a déli (délnyugati, délkeleti) oldalakaon van értelme, az északi falakon nem is javasolják használatukat.

 A fázisváltó anyag folyékonyan és por formában is létezik. Előbbit például a festékekbe, a por változatot pedig gipszbe, cementhabarcsba és betonba lehet keverni. De kínálnak PCM tartalmú gipsz lapokat (PCM SmartBoard), PCM-es pórusbeton, azaz lyukacsos szerkezetű téglát (CelBlock Plus) és vakolóanyagot (Maxit Clima) is.

 A BASF egyébként egy helyes kis alkalmazást is készített termékeihez, amellyel kiszámítható, hogy az egyes megoldásokkal mennyi hűtési költség takarítható meg. Az alkalmazás azt is megmutatja, hogy a PCM termékek használata mekkora többletköltséget jelent, és hogy a 30 évre becsült élettartam alatt mennyit lehet megtakarítani a klíma- vagy szellőzőberendezés kiváltásával. (Az angol és német nyelvű alkalmazás itt érhető el: bit.ly/PCM_app)

 Szintén mikrokapszulákba zárt paraffin van a Lasselsberger-Knauf „csoda-vakolatában”, amely várhatóan már az idén megjelenik a hazai boltokban. A gyártó hazai tesztjein egyébként jól vizsgázott a PCM tartalmú vakolat: 4 budapesti lakást láttak el ilyen vakolattal, és ezekben a helyiségeiben a hőmérséklet még kánikula idején sem szökött 26 fok fölé. A termék jelenleg engedélyeztetés alatt van. 

 A Rigips Alba Balance gipsz falazóblokk is mikrokapszulázott paraffint tartalmaz. Ennek a falazóblokknak az előnye, hogy könnyebb és kevesebb helyet foglal a hagyományos falaknál, mégis nagy a hőtároló képessége. A gyártó szerint a mindkét oldalon 2 és fél cm-es PCM-es panelekből, 5 cm-es belső szigeteléssel épített válaszfal ugyanannyi hőt képes tárolni, mint egy 20 cm-es téglafal. A termék jó hangszigetelő és a tűzvédelmi követelményeknek is megfelel, de csak Svájcban gyártják, Magyarországon jelenleg nem kapható.

 Bio-PCM-ek

 A természetes alapanyagú, szójababolajból és pálmaolajból készült fázisváltó építőanyagok a termék élettartamának lejárta után sem szennyezik a környezetet. A Bio-PCM névre keresztelt, természetes PCM-et tartalmazó építőanyag zacskókban tartalmazza a fázisváltó anyagot, s főleg álmennyezetek fölé lehet betenni. A C tűzvédelmi osztályba tartozó terméket az Egyesült Államokban gyártják, s jelenleg a svájci EMSS SA (Energy Management & Storage Solutions SA) cég dolgozik azon, hogy Európában is elérhetővé tegyék.

 Az európai gyártók közül a német Rubitherm gyárt természetes anyagokból készült PCM-et. A berlini cég kínálatában több mint negyvenféle különböző olvadáspontú és hőtárolási képességű természetes alapanyagú PCM található. Építőipari használatra azonban inkább a mesterséges PCM-eket javasolják. Ezek ugyanis kevésbé éghetők és olcsóbbak is a természetes alapanyagú termékekhez képest. Az alumíniumkazettás táblákat főként álmennyezetekben  lehet jól használni. A 45 × 30 cm-es darabok vastagsága a megrendelő által választott töltettől függően 5-15 mm között mozog, és átlagosan 3 és fél kilót nyomnak.

 Sóhidrátos verziók

A holland Salca cég termékeiben a fázisváltó anyagok sóhidrátok, amelyeket különböző olvadáspontra tudnak beállítani: 5 foktól egészen 90 fokig. A magas olvadáspontú anyagokat pl. a napkollektorok, hőszivattyúk, kazánok által előállított meleg vizet tároló tartályokhoz lehet használni. A K-BLOCK névre keresztelt, építőipari célra szánt PCM úgy néz ki, mintha egy szövetbe varrták volna a bele a sóhidrátot tartalmazó tasakokat. A 50 cm széles és 210 cm hosszú darabokat tartalmazó tekercset egyszerűen csak le kell fektetni az álmennyezet fölé (illetve üreges falakba is lehet rakni). Az anyag 25 C°-on kezdi magába szívni a hőt, s akadályozni a további felmelegedést. A tárolt hőt akkor adja le, amikor a hőmérséklet 20 fok alá csökken. A termék nagy előnye, hogy a nehezen éghető B1 tűzvédelmi osztályba tartozik. A cég emellett PCM port és granulátumot is kínál, Thermusol márkanéven.

 Létezik padlófűtéshez való PCM panel is (Crystal Climate Floor): ez a gyártó RIHO szerint akár 30 százalékkal is csökkentheti a fűtés energiaszükségletét. A PCM egyenletesebbé teszi a hőmérsékletet, nincsenek túl nagy hőingadozások, s mikor a fűtési rendszer lekapcsol, mondjuk éjszaka, a padló kisugározza a benne eltárolt energiát. A rendszer különösen napkollektoros fűtés esetén hozhat sokat a konyhára, hiszen akkor adja vissza az eltárolt energiát, amikor a napenergiát hasznosító rendszer már nem termel meleget.

 Padlófűtéshez való PCM-es lemezt a Dörken is kínál. A tetőfóliáiról ismert cég Delta-Cool neven dobta piacra PCM alapú termékeit, amelyek közt megtalálhatók az álmennyezet alá helyezhető sóhidrátos tasakok, a hőszivattyúkhoz és napelemes rendszerek hőtároló tartályaiba helyezhető golyók, illetve a padlófűtéshez ajánlott lemezek is.  Vannak PCM tartalmú paneleik is, ezeket falakhoz és mennyezetekhez lehet használni, sőt,  kifejlesztettek áttetsző panelt is. 

16 cm üveg = 25 cm beton?

 Az áttetsző paneleket elsősorban fényáteresztő homlokzati elemként érdemes használni: tehát nem az ablakok, inkább a falak helyett. A PCM-es üvegfelületek nagy előnye, hogy ezeknél nem csak nyáron, hanem télen is érezhető a fázisváltó anyagok áldásos hatása. Az egyik legismertebb PCM-üveget gyártó cég, a svájci GalssX kétféle terméket kínál: a függönyfalakhoz való Glass X store-t, valamint egy teljes homlokzati rendszert: a GlassX crystalt. Ez utóbbi a fázisváltó anyag mellett prizmát is tartalmaz. A prizma szerepe az, hogy a meredeken beeső nyári napfényt visszaverje, de az alacsonyabb hajlásszögű téli napfényt áteressze. Maga az üveg a PCM folyékony állapotában picit homályos, kristályos állapotban pedig jégvirágos. Emiatt nem igazán alkalmas az ablakok helyettesítésére, hiszen ez megnövelné a világítási szükségletet. Homlokzati elemként azonban jelentősen csökkentheti az épület energiaigényét. A gyártó szerint a 16 cm vastag üvegszerkezet hőtárolási teljesítménye megegyezik egy 25 cm vastag betonfaléval.

Romvári Orsolya