TITLU LUCRARE TITLU LUCRARE TITLU LUCRARE TITLU

CONSIDERATII PRIVIND UTLIZAREA MICROCAPSULELOR CU MATERIALE CU SCHIMBARE DE FAZA N CLADIRI.MEGYESI EMANUEL, NAGHIU GEORGE, POPA MIRCEA, MORAR CRISTIAN

Rezumat

Utilizarea materialelor cu schimbare de faz (PCM) pentru stocarea energiei termice este o metod revoluionar de a crete eficiena energetic, durabilitatea i de a spori confortul termic n cldiri

Microcapsularea este tehnologia cea mai cunoscut privind utilizarea microcapsulelor cu PCM n elementele anvelopei opace cum sunt perei, acoperi, pardoseli. Aceast tehnologie pentru stocarea energiei termice latente n cladiri ofera o opiune provocatoare fiind o metod de stocare i totodat de recuperare a energiei termice.1. INTRODUCERE

Dezvolatarea rapid la nivel economic pe plan mondial duce la o cerere de energie tot mai crescnd. Cu toate acestea sursele convenionale de energie fosil sunt limitate iar utilizarea lor este strns legat de emisiile de gaze cu efect de ser care sunt responsabile pentru schimbrile climatice i a polurii mediului. Creterea continu a emisiilor de gaze cu efect de sera i creterea preului la combustibili sunt motivele principale care stau n spatele eforturilor n cea ce privete utilizarea mai eficient a energiei i tranziia ctre surse de energie regenerabile.n zilele noastre sistemele de stocare a energiei termice sunt eseniale pentru reducerea dependenei de combustibili fosili i contribuie la utilizarea energiei ntr-un mod mai eficient totodat fiind mai prietenos i cu mediul nconjurtor. Cererea de energie pentru asigurarea confortului termic n cldiri crete tot mai mult, consumul de energie fiind de asemenea n cretere n ambele sectoare att cel rezidenial ct i comercial.[1]Sectorul construciilor mpreun cu sectorul industrial au devenit consumatorul de energie dominant n ntreaga lume cu o pondere totala de 28% din consumul total de energie la nivel mondial [1]. Pentru a face fa acestei situaii dificile trebuie n primul rnd redus consumul de energie. Astfel mbuntirea eficienei energetice a cldirilor este un mijloc eficient de a mbuntii calitatea vieii unei societi i are un beneficiu semnificativ pentru economie i mediul nconjurtor.

Stocarea energiei termice n elementele de construcie reprezint o soluie viabil prin care se reduce att consumul de energie necesar pentru nclzirea i racirea spaiului interior ct i a emisiilor de CO2.Energia termic poate fi nmagazinat prin stocarea cldurii sensibile i/sau a cldurii latente. Stocarea cldurii sensibile a fost folosit de secole de ctre constructori pentru a stoca i apoi elibera cldura termic pasiv, dar este necesar un volum mare de material pentru a stoca aceeai cantitate de energie n comparaie cu utilizarea materialelor cu schimbare de faz care stocheaz caldura latent. Principiul de utilizare a materialelor cu schimbare de faz este unul simplu, atunci cnd temperatura crete peste punctul de topire al materialului energia termic este absorbit de material acesta trecnd din starea solid n lichid i invers la o temperatura constanta pn se transforma complet n solid. Similar, cnd temperatura scade cldura nmagazinat este degajat iar materialul i modific faza din lichid n solid, din nou la o temperatura constant pn se solidifc complet.[1]n sectorul cldirilor comerciale se urmrete micorarea grosimi pereilor pentru a reduce greutatea, consumul de material, cheltuielile de transport i timpul de execuie. Stocarea cldurii latente prin ncorporarea unui material cu schimbare de faz (PCM) n anumite materiale de construcie este un mod eficient de a compensa capacitatea de stocare mic n majoritatea cldirilor alctuite din structuri uoare al cror principal dezavantaj l constituie ineria termic sczut care duce la o fluctuaie mare a temperaturii interioare astfel crescnd sarcina de nclzire i rcire a spaiului interior. Folosind materiale cu schimbare de faz (PCM) n astfel de cldiri putem reduce fluctuaia temperaturii n special datorit radiailor solare.n prezent tehnologia de microcapsulare este cea mai cunoscut pentru utilizarea PCM n materialele de construcii. Odat cu implementarea PCM n materiale precum ghips carton, ipsos, beton i/sau alte materiale pentru perei, stocarea energiei termice poate fi o parte din structura cldirii chiar i pentru cldirile cu structur uoar. Una dintre problemele care trebuie avut n vedere n aplicatiile PCM este migrarea lichidului prin materialele utilizate ca nveli al capsulelor. 2. MICROCAPSULAREA.Microcapsulele constau n recipiente de mici dimensiuni care nglobeaz un material protejat de un nveli tare. Microcapsularea PCM aduce unele avantaje importante cum ar fi faptul c microcapsulele pot reine materialul cu schimbare de faz n nucleu att timp ct materialul din care este alctuit nveliul poate tolera modificri de volum cum sunt polimerii.

Micorcapsularea este procesul prin care particulele individuale sau picturi de material solid sau lichid (nucelu) sunt nconjurate sau acoperite cu un film continuu de material polimeric (invelisul) pentru a produce capsule de marimi micrometrice acestea fiind denumite microcapsule. Microcapsulele pot avea form sferic cu un nvelis continuu care nconjoar miezul n timp ce altele pot fi asimetrice cu forma variabil cu o cantitate mic de PCM nglobat n masa microcapsulei.

Fig. 1 Alctuirea microcapsulei.[1]Microcapsulele sunt recipiente foarte mici care nglobeaz ntr-un nveli tare materialul de baza numit nucleu, acestea pot suporta schimbri de stare ale materiei(solid, lichid, gazos) inclusiv modificri de volum deci pot ngloba n nucleul lor material cu schimbare de faza.Microcapsulele pot fi prelucrate ca dispersie apoas sau pulbere astfel mbuntesc utilizarea materialelor cu schimbare de faz n combinaie cu o gam larg de materiale de construcii deoarece acestea sunt n stare de pulbere nainte de prelucrare. Metodele cele mai ntlnite de microcapsulare sunt:

a) Metode fizice:

acoperire prin aglomerare cu particule;

strat de aer n suspensie;

extrudare centrifugal;

uscarea prin pulverizare;

duz cu vibraie.

b) Metode chimice:

policondensarea interfacial;

reticulare interfacial;

polimerizare direct;

polimerizare matricial.Descrierea tipurilor de microcapsule depinde n principal de materialul din care este alctuit miezul (nucleul) i de procesul de aplicare al nveliului.

Fig. 2 Tipuri de microcapsule.[1]Mononuclear (nucleu-manta) microcapsulele contin nveli n jurul miezului.

Capsule polinucleare au mai multe nuclee incluse n manta.

ncapsulare matriceal n care materialul miezului este distribuit n mod omogen n materialul de acoperire.

3. MATERIALE CU SCHIMBARE DE FAZ NCORPORATE N MICROCAPSULE.Materiale cu schimbare de faz care pot fi utilizate n cldiri depind de intervalul de tranzitie n care sunt active pentru a se ncadra n ecartul de temperatur (ntre 18 i 28C) n vederea meninerii confortului termic interior.

PCM sunt un grup de substane cu caracteristici specific legate de schimbarea de faza care sunt clasificate n functie de punctele lor de topire, valoarea cldurii latente i dac acestea sunt organice, anorganice sau eutectice.

Fig. 3 Clasificarea PCM.[4]Cteva PCM pentru microcapsulare care prezint un bun potenial pentru utilizarea n cldiri sunt prezentate n tabelul 1.Tabel 1. Materiale cu schimbare de fazaDenumirea materialuluiCompuiPunct/ interval de tranziie[C]Energia termic stocat[kJ/kg]

Materiale anorganice

Clorura de calciu hexahidratCaCl2*6H2O1530140171

Fluorura de potasiu tetrahidratKF*4H2O19231

Ortofosfat de sodium dodecahidratNa2HPO4*12H2O3445201281

Sulfat de sodiu decahidratNa2SO4*10H2O32234254

Hexahidrat de zincZn(NO3)2*6H236147

Materiale organice

Parafina neagra2530150

Propil palmitatCH3(CH2)12COOC3H719186

Stearat de butilCH3(CH2)16COO(CH2)3CH31721138140

DodecanolCH3(CH2)11OH1926196200

ParafinaCH3(CH2)n(CH3)2060200

Totui exist un numr mare de materiale chimice organice, anorganice i eutectice care pot fi identificate ca PCM din punctul de vedere al temperaturii de topire i al cldurii latente stocate.Este cunoscut faptul ca PCM anorganice precum srurile de obicei hidratate au anumite proprieti atractive, cum ar fi o densitate de stocare a energiei mai mare, o conductivitate termic mai buna, nu sunt inflamabile, ieftine i usor accesibile. Cu toate aceste ele prezint i unele dezavantaje cum ar fi coroziunea i incompatibilitatea cu anumite materiale de construcie. Cele organice au un timp de rcire sczut n faza de segregare dar sunt compatibile cu multe materiale de constructii cu toate acestea prezint dezavantajul de a fi inflamabile, avnd schimbri de volum i o conductivitate termic sczut, pe cnd amestecurile eutectice i non-eutectice de PCM organice sau anorganice pot fi folosite pentru a obine punctul de topire dorit.[1]n domeniul construciilor, integrarea PCM n structura peretelui duce la creterea capacitii termice a acestuia, mult mai bun decat cea a unui perete alctuit din materiale convenionale. Atunci cnd temperatura ambiental din jurul PCM scade sub temperatura de racire a materialului acesta ncepe s se solidifice elibernd cldura stocat, meninnd astfel o temperatur aproape constant. Acest lucru nseamn c pe perioada unei zile de var ntr-un ciclu aceast absorbie de cldur latent, stocare i eliberare de ctre PCM ar putea duce la diminuarea necesarului de rcire. Utilizarea PCM n anumite climate ar putea reduce consumul de electricitate ale aparatelor de aer condiionat sau s reduc dimensiunile acestuia iar n timpul iernii cldura acumulata n PCM de la radiatoare i eliberat apoi n spaiul nclzit ar crete eficiena sistemului de nclzire prin reducerea timpului de funcionare. Pentru alegerea unui PCM optim trebuie avut n vedere punctul de topire i valoarea cldurii latente stocate n material.

Stocarea cldurii latente se bazeaz pe absorbia sau degajarea de cldur atunci cnd materialul sufer o schimbare de faz trecnd din solid n lichid sau din lichid n gaz ori invers.Capacitatea de stocare a cldurii latente n PCM se poate calcula cu relaia:[4]

in care:Q - cantitatea de cldur stocat;m masa materialului cu schimbare de faz;Csp cldura specific medie ntre Ti i TmTm temperatura de topire;Ti temperatura iniial;Tf temperatura final;am fraciunea topit;

cldura specific;

C1p cldura specific medie ntre Tm i Tf. 4. APLICAII ALE MICROCAPSULELOR CU PCM N CLDIRIMajoritatea cldirilor sunt proiectate i construite cu materiale convenionale de construcie: crmizi, mortar, beton (cu sau fr armtur), metal sau lemn i un strat de termoizolaie pentru a reduce pierderile de cldur. Dei izolarea termic poate varia n funcie de structura pereilor pentru a atinge rezistenele termice necesare, masa termic a pereilor este foarte important n variaia temperaturii i aceasta difer de la un material la altul. De exemplu un perete din beton are capacitatea calorica volumetric (masa termic) mult mai mare decat un perete din lemn.

Tabel 2. Caracteristici energetice ale ctorva materiale.MaterialInterval de temperatura

[C]Densitate

[kg/m3]Cldura specifica

[kJ/kgC]Masa termica

[kJ/m3C]

Aluminiumax. 660 (punct de topire)27009202484

Crmizi19699211813

Fontamax. 1150 (punct de topire)72005403889

Beton23059202122

Argil refractar2100 - 260010002100 - 2600

Granit24007901896

Stejar76923851833

Brad49628031391

Ap0 - 100100041904190

Cu toate acestea capacitatea de stocare a energiei din elementele anvelopei poate fi mbuntit prin utlizarea de materiale cu schimbare de faz (PCM) introduse n amestecul de beton, mortar sau a unui strat de rigips.O comparaie privind energia termic stocat n materialele de construcie ne arat ca un strat de 1.5 cm din gips carton cu PCM are aceeai capacitate de stocare ca un strat de 9 cm din beton sau 12 cm din crmid.[6]

Fig. 3 Capacitatea de stocare a energiei termice.

Una dintre tehnologiile dezvoltate pentru domeniul construciilor sunt microcapsulele anti-fungice care se compun dintr-un miez format dintr-o subtan numit d-Dimonene care este o substan biocid natural extras din portocale. Microcapsulele sunt produse prin adugare de melamin i solveni de formaldehid pre-polimer. Deoarece membrana microcapsulei este creat din melamin i formaldehid polimerul se poate rupe prematur la amestecul cu betonul sau mortarul, n acest caz pentru prevenirea ruperii premature se utilizeaz membrane din zeolite sau zeocarbon care au o capacitate de a rezista la frecare ridicat sau impact, fenomene care apar n timpul procesului de amestecare i turnare a mortarului sau betonului.Conceptul de baz al micropasulelor anti-fungal este prezentat n figura urmtoare.

Fig. 4 Microcapsula anti-fungal.[1]Un alt concept de microcapsule cu PCM utilizat n structura anvelopei opace a cldirilor este Micronal PCM dezvoltat de firma BASF, acestea sunt microcapsule din parafin fr formaldehid. Microcapsulele pot fi ncorporate n materiale de construcie sub forma de dispersie apoas sau sub form de pulbere pentru amestecuri uscate cum ar fi ipsos, ciment sau mortar.Aceste capsule cu diametru de doar civa microni (aprox. 5) pot fi ncorporate n materialele de construcie indiferent de temperatura materialului cu schimbare de faz.

Fig. 5 Microcapsula Micronal PCM.[6]Aceast lucru rezolv problema dintre interaciunea ntre PCM i materialul matricei astfel nefiind necesar o etap suplimentar de integrare a PCM n material, microcapsulele fiind suficient de mici nu este nevoie de a le proteja mpotriv distrugerii. Prin ditribuia capsulelor de mici dimensiuni dispuse pe faa interioar a peretelui, acesta ofer o suprafa mult mai mare de schimb de cldur astfel nct rata de transfer de cldur pentru a ncrca i descrca cldura nmagazinat crete semnificativ. n figura alturat se prezint schema de principiu a acestui concept.

Fig. 6 (a) vedere schematic, microcapsulele cu PCM sunt integrate n tencuiala interioar. b) Imagine la microscop a microcapsulelor din PCM n gips. Microcapsulele sunt dispersate omogen ntre cristalele de gips.

5. Concluzii

Microcapsularea este o tehnologie cu o dezvoltare rapid i o utilizare pe o scar larg n aplicaii cum ar fi textilele, aplicaii farmaceutice medicale, industria chimic i cu precdere n construcii. Interesul n utilizarea materialelor cu schimbare de faz n cldiri a crescut n ultimul deceniu n principiu datorit mbuntirilor tehnologiei de microcapsulare pentru aceste materiale i inventarea unor noi materiale cu schimbare de faz cu aplicaie direct n construcii.

Astfel domeniul cu cea mai larg utilizare rmne domeniul construciilor, microcapsulele cu materiale cu schimbare de faz sunt ncorporate n materialele de construcii i anume n beton, mortar, placi de gips carton i pulbere.

Creterea ineriei termice a cldirii se poate realiza cu uurin prin utilizarea PCM care au o capacitate termic foarte mare datorit proprietilor i a schimbrilor de faz (topire-solidifcare) care apar la variaiile de temperatur. Chiar i o mic cantitate din aceste materiale ridic ineria termic a cldirii fr a crete substanial greutatea ei. Segmentul cu cea mai rapid dezvoltare de microcapsule ncorporate n materiale de construcii sunt materialele organice care prezint o capacitate mare de stocare a energiei termice provenite din cldura latent cu un nivel sczut de rcire i o buna ncorporare n materialele de construcii. Dintre metodele folosite pentru microcapsulare metoda cea mai popular este polimerizarea direct. Cldirile pe structuri uoare se confrunt cu probleme mari n cea ce privete fluctuaia de temperatur astfel c utilizarea plcilor de rigips cu PCM ofer o rezolvare a problemei prin creterea cldurii latente stocate care duce la echilibru termic i implicit la un nivel al ineriei termice ridicat.NOTA: Aceast lucrare a beneficiat de suport financiar prin proiectul "Creterea calitii studiilor doctorale n tiine inginereti pentru sprijinirea dezvoltrii societii bazate pe cunoatere", contract: POSDRU/107/1.5/S/78534, proiect cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013.CONSIDERATIONS ON THE USE OF MICROCAPSULES OF PHASE CHANGE MATERIALS IN BUILDINGS.Abstract

Using phase change materials (PCM) for thermal energy storage is a revolutionary method to increase energy efficiency, sustainability and increase thermal comfort in buildings. Microencapsulation is the most popular and advanced technology for use with PCM microcapsules in opaque envelope elements such as walls, roofs, floors. The technology of latent heat storage in buildings offers a challenging option as a storage an also for recovery of thermal energy.Bibliografie

[1] V.V. Tyagia, S.C. Kaushika,S.K. Tyagib,T. Akiyamac; Development of phase change materials based microencapsulated technology for buildings: A review; Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 15, Issue 2, February 2011, Pages 13731391.

[2] Frederic Kuznik , Joseph Virgone, Jean-Jacques Roux; Energetic efficiency of room wall containing PCM wallboard: A full-scale experimental investigation; Thermal Sciences Center of Lyon; 24 January 2007.

[3] Mario A. Medina, Jennifer B. King, Meng Zhang; On the heat transfer rate reduction of structural insulated panels (SIPs) outfitted with phase change materials (PCMs); Energy; Volume 33, Issue 4, April 2008, Pages 667678.[4] Atul Sharma, V.V. Tyagi, C.R. Chen, D. Buddhi ; Review on thermal energy storage with phase change materials and applications; Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318345; 9 October 2007.

[5] Maciej Jaworski , Shady Abeid; Thermal conductivity of gypsum with incorporated phase change material (PCM) for building applications; Journal of Power Technologies 91, Pages 4953, 2011.

[6] BASF, Micronal PCM, Intelligent Temperature Management for Buildings.[7] Frdric Kuznik ,Joseph Virgone; Experimental assessment of a phase change material for wall building use, Applied Energy 86, 2009, Pages 20382046.[8] http://www.engineeringtoolbox.com _1433634764.unknown

_1433634809.unknown