Energilagringsteknik. Latent värmelagring i byggnader Simon Burman Viktor Johansson

Transkript

1 Energilagringsteknik Latent värmelagring i byggnader Simon Burman Viktor Johansson Intitutionen för tillämpad fysik och matematik Projektarbete i Energilagringsteknik Handläggare: Lars Bäckström, Åke Fransson

2 Sammanfattning Denna rapport avhandlar arbetet kring ett projekt i kursen Energilagringsteknik. Syftet med detta arbete är att bidra till ett kommande kompendium inom ämnet, som skall tjäna som kurslitteratur för kommande års kurser i energilagringsteknik. Resultatet av arbetet återfinns som bilaga till denna rapport. Projektet är en litteraturstudie. Stor vikt har lagts vid att endast använda tillförlitliga källor. Med detta menas källor som har blivit publicerade, och således har bestått någon form av granskning. Som ämne valdes latent värmelagring. Eftersom ämnesområdet är väldigt omfattande, och tiden var knapp, begränsades arbetet till att röra latent värmelagring i byggnader. Förhoppningen är att andra projektgruppers arbeten kommer att komplettera detta arbete, så att det slutgiltiga kompendiet omfattar fler områden inom ämnet. 1

3 Innehållsförteckning Inledning... 3 Metod... 4 Resultat... 5 Diskussion... 6 Slutsats... 7 Bilaga 1 Kompendiedel Inledning... 1 Funktionssätt... 2 Lagringsprincipen... 2 Kriterier för ett PCM... 3 Organiska PCM... 4 Oorganiska PCM... 5 Inkapsling av PCM... 5 Systembetraktelse... 6 PCM som temperaturstabilisator... 6 PCM som gratis kylning... 8 Exempel på installationer... 9 Berlin, Tyskland... 9 Aspekter kring ekonomi, miljö och hållbarhet Numeriska beräknade energibesparingar Experimentell studie, tegelhus Experimentell studie, betonghus Ekonomiska och miljömässiga fördelar Framtida potential och trender Litteraturförteckning

4 Inledning Denna rapport redovisar resultatet av ett projektarbete i kursen Energilagringsteknik. Syftet med detta projekt är att gemensamt arbeta fram ett kompendium inom ämnet, som skall tjäna som kurslitteratur för kommande års kurser i energilagringsteknik. Målet med vårt arbete är att bidra till en del av detta kompendium. Ytterligare ett mål har varit att använda tillförlitliga källor som publicerats och därmed varit granskade. Vårt bidrag till kompendiet handlar om latent värmelagring i byggnader. Denna teknik är relativt ny, men anses av många som lovande. Huvudfokus i arbetet ligger på hur latent värmelagring kan stabilisera dygnsvariationer i inomhustemperatur, men arbetet tar även upp hur latenta värmelager kan användas som i princip gratis kylning i lokaler. I vår kompendiedel ges en översiktlig bild av tekniken, dagsläget och den framtida potentialen för latent värmelagring i byggnader. I kompendiedelen diskuteras även för- och nackdelar med metoden, med såväl ekonomi som miljö i åtanke. 3

5 Metod Detta projekt är en litteraturstudie. De källor som använts, förutom kurslitteratur och annan litteratur i ämnet har varit vetenskapliga artiklar samt ett examensarbete inom ämnet. Det material som insamlats har sammanställts i ett kompendium som återfinns som bilaga till denna rapport. I kompendiet återfinns även våra egna, såväl som andras, åsikter angående teknikens framtida potential. De källor som i huvudsak refereras till är H.Ö. Paksoys bok Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption där tekniken beskrivits på ett övergripande och lättförståeligt sätt. Även P. Sundbergs examensarbete inom ämnet har använts, främst vid den inledande beskrivningen av tekniken. Då latent värmelagring i byggnader är en relativt ny teknik, och då forskningen hela tiden fortskrider med nya framsteg, finns få aktuella böcker inom ämnet. Därför har vi valt att referera till flertalet vetenskapliga artiklar. De artiklar som refereras till i denna rapport har hittats via sökningar i databasen Web of Science. I databasen återfinns artiklar och rapporter som publicerats i olika vetenskapliga tidsskrifter, och således kan anses tillförlitliga. Ett undantag har dock fått göras under kompendiedelsavsnittet Exempel på installationer. För att kunna redovisa ett installationsexempel från verkligheten var information tvungen att hämtas ifrån tillverkande företags hemsida. 4

6 Resultat Resultaten av litteraturstudien återfinns i bilaga 1. 5

7 Diskussion Detta projektarbete har varit mycket intressant och givande. Arbetet har fortlöpt väl och följt en strukturerad arbetsgång. Latent värmelagring har visat sig vara ett väldigt brett område. Med den ringa tid som projektet hade att tillgå har arbetet avsmalnat till att röra latent värmelagring i byggnader. Målet med projektarbetet har varit att ta fram en del av ett kompendium i energilagringsteknik. Detta mål anser vi vara uppfyllt. Hade mer tid funnits att tillgå hade problemställningen kunna utvecklats till att beröra ytterligare delar inom ämnet latent värmelagring, exempelvis is -lager i kylsystem som ger möjligheten att dimensionera för lägre driftsfall. I dagsläget är det inom detta område som användningen av latent värmelagring är störst. Förhoppningen är att andra projektgrupper avhandlat dessa delar av latent värmelagring, så att den slutgiltiga kompendiedelen även omfattar dessa områden. De källor som refererats till i denna rapport anser vi hålla god tillförlitlighet, då det handlar om publicerat material som genomgått någon form av granskning. En svårighet i arbetet har varit att hitta artiklar som varit tillräckligt generella för att kunna användas. Många artiklar är väldigt smala och de erhållna resultaten har varit svåra att överföra till ett större sammanhang. Då information kring verkliga installationer var svår att hitta, fick ett undantag göras. Tillförlitligheten på den källa vi där använt oss av kan diskuteras, då källan används som marknadsföring för företagets produkter och därmed kan anses jävig. Vi valde dock ändå att ta med denna information då det var det enda exemplet på verkliga storskaliga installationer som vi kunde hitta. Företaget hade anlitat en professor från universitetet i Braunschweig vid beräkningar och analys av resultaten, vilket ger en ökad trovärdighet. 6

8 Slutsats Målet för detta arbete var att ta fram en del till ett kompendium i energilagringsteknik. Vi är nöjda med det resultatet och anser därmed målet vara uppfyllt. Som kursmaterial i latent värmelagring bör dock vår del kompletteras med en beskrivning av andra användningsområden inom latent värmelagring. Vår förhoppning är att andra projektgruppers bidrag kommer att stå för denna komplettering. Angående kompendiedelens tillförlitlighet kan nämnas att stor vikt har lagt på att endast referera till vetenskapligt granskade källor. Dock har ett undantag fått göras i avsnittet Exempel på installationer då vetenskapliga artiklar som granskat verkliga installationer i stor skala saknades. 7

9 Bilaga 1 Kompendiedel Energilagringsteknik Latent värmelagring i byggnader Simon Burman Viktor Johansson Intitutionen för tillämpad fysik och matematik Projektarbete i Energilagringsteknik Handläggare: Lars Bäckström, Åke Fransson

10 Inledning I dagens Sverige står sektorn bostäder och service för 39 % av den totala energianvändningen i landet. Av de 149 TWh som sektorn använder går nästan 60 %, dvs ca 89 TWh, till uppvärmning. (1)I dagens samhälle ställs allt högre krav på de inomhusmiljöer vi vistas i. Ett av dessa är kravet på en komfortabel inomhustemperatur. Samtidigt ökar efterfrågan på energisnåla hus och byggnader. Här kan latent värmelagring vara en del av lösningen på problemet. I dagsläget bedrivs en stor mängd forskning inom området. Denna kan indelas i tre olika kategorier. (2) 1. Stabilisering av inomhustemperaturen genom att integrera små latenta värmelager i byggnadsmaterial för att på så sätt öka materialens termiska massa. 2. Kylning av byggnader genom att ta tillvara på gratis kyla, exempelvis kall luft nattetid, och lagra denna i latenta lager. 3. Reducera lagringsvolymer i konventionella uppvärmningssystem genom att använda latenta värmelager istället för sensibla. I detta kompendium läggs huvudfokus på de två första kategorierna. Genom att bygga in lämpliga material i väggar kan dygnsvariationer i inomhustemperaturen stabiliseras. Idag används latent värmelagring inom ett brett spektrum av användningsområden, till exempel förvaring av läkemedel vid långa transporter i varma klimat. Vad gäller integrering i byggnadsmaterial är tekniken ännu i sin linda och har inte fått något stort kommersiellt genomslag, även om det finns ett fåtal produkter tillgängliga på marknaden. Detta kompendie avhandlar såväl vilka material som är aktuella för integrering i byggnadsmaterial samt hur denna integrering sker. I kompendiet ges även en inblick i hur systemen för denna form av energilagring ser ut. Kompendiet omfattar även en analys av teknikens framtida potential samt en diskussion kring ekonomiska aspekter såväl som miljö- och hållbarhetsaspekter. 1

11 Funktionssätt Lagringsprincipen Med latent värme avses den energi som lagras eller avges från ett ämne som genomgår en fasomvandling. Principen möter vi i många olika sammanhang. Ett exempel som är bekant för de flesta är kylklampar som vi stoppar i kylbagen. Dessa håller temperaturen i kylbagen stabil fram till att isen smält. (2) Ett material som har goda latenta egenskaper kallas för ett PCM (Phase Change Material). Den viktigaste egenskapen för ett PCM är en hög smältentalpi, men även andra krav ställs på materialen. En del av dessa krav för ett PCM finns beskrivna under avsnittet Kriterier för ett PCM. Figur 1 visar principen då PCM:et laddas. Värme överförs från en varmare omgivning till materialet. Energin som tillförs materialet får det att smälta. (3) T > T PCM T T PCM Figur 1. Laddning av PCM När sedan omgivningstemperaturen sjunker till under PCM:ets smälttemperatur börjar materialet åter övergå till fast fas. Därmed överförs energi från PCM:et till omgivningen som kan vara den ursprungliga värmekällan men även en annan mottagare. (3) Detta illustreras i figur 2. T < T PCM T T PCM Figur 2. Urladdning av PCM Den stora fördelen med latent jämfört med sensibel värmelagring är den höga relativa värmelagringskapaciteten. Detta medför att latenta energilager kan göras mycket mindre och lättare än sensibla lager. (2) 2

12 Tabell 1 visar en jämförelse av lagringsdensiteter för olika energilagrare och energilagringsprinciper. Tabellen visar att det lagras mellan 3-4 gånger så mycket energi i ett latent värmelager jämfört med ett sensibelt lager med ett operativt temperaturintervall på 20 grader. (2) Tabell 1. (2) Tabellen visar typiska energilagringsdensiteter för olika material i sensibel respektive latent värmelagring. kj/l kj/kg Kommentar Sensibel lagring Granit T = 20 o C Vatten T = 20 o C Latent lagring Vatten o C Paraffin o C Salthydrater o C Salter o C Till trots för fördelen med en hög specifik värmelagringsdensitet är sensibel värmelagring det absolut vanligaste lagringsmetoden. (2) Latent värmelagring är ofta relativt komplicerat och en rad olika problem måste lösas för olika typer av PCM. En översiktlig redogörelse av dessa problem ges i följande avsnitt. Kriterier för ett PCM Det vanligaste vid latent värmelagring är att fasomvandling mellan fast och flytande form nyttjas. I dagsläget finns många olika PCM vars smältpunkter varierar från -80 o C ända upp till 1000 o C. (3) Det primära när man väljer PCM är att välja ett material med passande fasomvandlingstemperatur och en så hög smältentalpi som möjligt. (2) Några andra krav som ställs på ett PCM är (4): Hög termisk konduktivitet Låg volymsutvidgningskoefficient. Cykliskt stabilt material Minimal underkylning. Ej giftigt, brandfarligt, korrosivt, etc. Billigt De många krav som ställs på ett PCM gör det svårt att hitta ett optimalt material. Många material uppfyller några, men inte alla krav som ställs. Över aktuella ämnen eller föreningar har studerats. Av dessa bedöms över 200 vara lovande. (4)De PCM som kan bli aktuella som temperaturfluktuationsutjämnare i byggnader är i första hand de som har en fasövergång mellan fast och flytande form i ett temperaturintervall i närheten eller just under de temperaturer som är typiska för ett inomhusklimat. 3

13 De PCM som finns i dagsläget delas in i organiska och oorganiska material. Av de organiska materialen är det främst paraffiner som används idag. De vanligaste oorganiska materialen är olika salthydrater och vatten. Figur 3 visar en klassindelning av de fast-flytande PCM som finns i dagsläget. (3) Figur 3 Klassindelningar för PCM med fasövergång från fast till flytande eller vice versa Organiska PCM De organiska PCM:en delas in i huvudgrupperna paraffiner och Icke-paraffiner. Paraffiner är i huvudsak raka kolvätekedjor och utvinns från oljor. Icke-paraffiner är i huvudsak fetter, men även alkoholer och glykoler är vanligt förekommande. Gemensamt för alla icke-paraffiner är att de är syror. De organiska PCM:ens smälttemperatur beror av hur långa dess kolvätekedjor är, ju längre kedja desto högre smälttemperatur. (3) Organiska PCM är, jämfört med oorganiska, kemiskt stabila vilket medför att utarmning av materialet inte är lika påtagligt vid upprepade fasomvandlingar som vid fallet av ett kemiskt ostabilt ämne. Jämfört med oorganiska PCM har de organiska ofta en lägre konduktivitet. (3) Organiska PCM går att finna med smältpunkter i intervallet 2 o C till ca 100 o C. (5) Organiska PCM kan integreras i flera byggmaterial och ger inte upphov till rost. De är inte heller giftiga. En egenskap som måste tas i beaktning vid val av ett organiskt PCM är dess brännbarhet. (3) 4

14 Oorganiska PCM Oorganiska PCM kan generellt indelas i salt/vatten-baserade material och övriga oorganiska ämnen. Det är i dagsläget främst de salt/vattenbaserade materialen som det finns bra information att tillgå då de övriga idag är på experimentellstadie. Salt/vattenbaserade PCM har ett temperaturintervall för fasövergång mellan fast och flytande som sträcker sig mellan -90 till 120 grader Celsius. De oorganiska föreningarna har generellt en högre latent värmelagringsförmåga samt högre värmeledningsförmåga än de organiska. (3) En nackdel med dessa material är att de till en viss del drabbas av fasseparation vid smältning vilket leder till irreversibilitet. Detta problem kan uppkomma då ämnena i föreningen har olika smälttemperaturer och där faserna har olika densitet. Smälter ett ämne före det andra och dessutom får en lägre densitet vid flytande, stiger ämnet upp till ytan och vi får en separation av ämnena. I många fall kan detta potentiella problem lösas genom att lösa PCM:et i en sorts gelé vilken förhindrar separering vid fasomvandligsprocessen. (2) Oorganiska PCM lider i stor utsträckning av underkylning, i vissa fall så kraftigt som 4-6 o C (3). Om underkylning sker så sjunker temperaturen i PCM:et utan att dess fasomvandlingsentalpi avges, vilket inte är önskvärt. För att lösa detta kan såkallade kärnbildare (eng. Nucleators) tillsättas, för att underlätta kärnbildning vid frysning. (2) Inkapsling av PCM På grund av att PCM:et genomgår fasomvandlingar mellan fast och flytande, krävs i princip alltid någon form av inkapsling. Är behållarna större än en cm i diameter kallas de makrokapslar, och när diametern är mindre än en mm kallas de mikrokapslar. En fördel med mikrokapslar är att de små kapslarna minskar fasseparation och därför ökar livstiden för materialet. Ytterligare ett alternativ är att skapa kompositmaterial bestående av PCM och en eller flera andra ämnen, exempelvis grafit. (2) 5

15 Systembetraktelse PCM som temperaturstabilisator Det är vanligt förekommande att byggnader, som under dagens varma timmar är i behov av en kylanläggning för att hålla nere inomhustemperaturen, nattetid är i behov av energi för uppvärmning. Det är naturligtvis inte önskvärt att på detta sätt vara tvungen att kompensera för de temperaturvariationer som uppträder under så korta tidsperioder som dygnets 24 timmar. Konsekvenserna av detta är naturligtvis störst i områden med stora dygnsliga temperaturväxlingar så som öken- eller inlandsområden som t.ex. dom inre delarna av Nordamerika. Även andra områden drabbas givetvis, om än inte lika påtagligt. Det är inte ovanligt att de ur detta perspektiv mest utsatta områdena dessutom inte har den bästa infrastrukturen och att energitillgången därför inte alltid går att säkerställa. Det är därmed av intresse att avhjälpa dessa fluktuationer av värmebehovet. Energiflöden pga. temperaturskillnader sker alltid från en högre temperatur till en lägre. Energiflöde pga. temperaturskillnader kan ske på tre sätt, genom konvektion, konduktion och strålning. Vilka egenskaper som materialet har, som avgränsar en varm sida från en kall, är därmed av betydelse för med vilken hastighet detta utbyte sker. (6) Materialets värmeledningsförmåga, så kallade k-värde (W/m*K) är av betydelse. Ett lågt k-värde medför att mindre energi per tidsenhet (effekt) går igenom materialet än motsvarande fall med ett högt k-värde. Emissivitetsfaktorn, ε, avgör hur stort energiutbytet pga. strålning är. Värmeöverföringskoefficienten, det s.k. h-värdet (W/m2*K) är ett mått på hur snabbt energiutbytet sker mellan en solid och den omgivande fluiden (ofta luft), beroende av temperaturdifferensen dem emellan. (6) En schematisk förklaring till värmefördelningen genom ett avgränsande skikt mellan en varm och en kall sida pga. dessa egenskaper kan ses i figur 4 nedan. Figur 4. Värmefördelning i avgränsande skikt mellan varm och kall sida 6

16 I ett system i jämvikt beror värmeöverföringseffekten mellan en varm och en kall sida av dessa ovan nämnda faktorer, oberoende av ett materials värmelagringsförmåga. Verkliga system är dock sällan så långvarigt stabila att de kan approximeras som ett system i jämvikt. I alla fall där systemet ej kan antas vara i jämvikt kommer materialets värmekapacitivitet, Cp (kj/kg*k), att ha betydelse. Värmekapacitiviteten är ett mått på materialets värmelagringsförmåga dvs. hur mycket energi som kan lagras per kg material och grad i temperaturökning. (6) Konkret kan sägas att all den energi som går in på ena sidan inte kommer ut på den andra, utan en del av denna lagras istället i materialen i t.ex. väggar i en byggnad, som då blir varmare. När material lagrar värme genom att temperaturen höjs på detta sätt så talar man om sensibel värmelagring, dvs. temperaturberoende värmelagring (egentligen energilagring). Energiflödet som är direkt proportionellt mot temperaturskillnader i ett system beror av hur snabbt ett angränsande material värms upp (om systemet ej är i jämvikt). Ett material laddas så att säga under dagens varma timmar för att sedan urladdas under natten. Detta medför en slags tröghet i systemet. Ett material med högre Cp kräver mer energi för att temperaturen skall höjas än ett material med ett lägre, och påverkas därför inte lika snabbt av växlande omgivningstemperatur. Historiskt har temperaturfluktuationer i byggnader bäst blivit omhändertagna av att tunga element med mycket massa byggts in i konstruktionen. Genom att bygga tunga betongväggar och bjälklag med stor termisk lagringsförmåga skapas en tröghet i uppvärmningen respektive avkylningen som utjämnar för dygnsvariationer. Alla byggnader uppförs inte med tunga stommar så som i fallet ovan. Om så är fallet kan det istället bli aktuellt med termisk lagring i ett PCM. Genom en installation av ett PCM-lager i väggarna kan temperaturen i det lagret, tillfälligt och under specifika betingelser, hållas konstant (idealt), oaktat av att den omgivande temperaturen förändras. När temperaturen i omgivningen skiftar så ändras förutsättningarna för energivandringen genom väggen, t.ex. ändrad riktning och/eller hastighet. Om den yttre temperaturändringen medför att temperaturen i PCM-skiktet ändras över dess fasomvandlingstemperatur, så kommer PCM:et påbörja sin upp- alternativt urladdning 1. Så länge som PCM:et är under fasomvandling hålls dess temperatur konstant (idealt) vilket medför en fördröjning i systemet. Det är först när PCM:et är fullt upp- eller urladdat som lagret innanför blir påverkat av den föregående temperaturförändringen i omgivningen. Ett lager av ett PCM i väggen bildar på detta sätt en barriär mellan utom- och inomhusklimatet, som minskar följderna av snabba temperaturskiftningar. Det är viktigt att utefter rådande förhållanden (geografiskt läge, typ av byggnad etc.) välja ett PCM med rätt smälttemperatur för att få en så hög utnyttjandegrad som möjligt. Ett PCM som inte temperaturväxlas över sin smälttemperatur förlorar sin mening. Ett exempel som finns tillgängligt på marknaden är en gipsskiva med integrerat PCM. Genom att installera en 1,5 cm tjock Micronal PCM SmartBoard så ökas värmelagringen i väggen motsvarande en 9 cm tjock betongvägg, detta i ett temperaturintervall av 10 grader Celsius (2). 1 Med upp- respektive urladdning menas här bara den energi som krävs för fasomvandlingen i materialet och inte den fortsatta upp- alt. urladdningen som sedan följer med en temperaturförändring som konsekvens 7

17 PCM som gratis kylning Free cooling, gratis kylning (fritt översatt) är ett system där kyleffekten i ett ventilationssystem i en byggnad kan förbättras genom användandet av PCM som korttidslager (7). Under nattens kallare timmar kyls PCM:et ner med hjälp av utomhusluft och antar då fast form. På detta sätt lagras kyleffekt i PCM:et som under de varmare timmarna, då kylbehov finns, kan tas ut. Den varma inomhusluften blåses över PCM:et som då smälter. En COP-faktor 2 på mellan 10 och 20 är på detta sätt uppnåbar. En nackdel med tekniken är beroendet av kall luft nattetid. För att undvika detta problem kan andra källor för kyla användas, exempelvis grundvatten. (2) 2 Coefficient of performance, COP, är ett förhållande mellan tillfört arbete och den kyl- eller värmeeffekt som i samma process tas ut 8

18 Exempel på installationer Berlin, Tyskland Ett verkligt fall där PCM installerats i fullstor skala som temperaturutjämnare finns i Tyskland. När en gammal fabrikslokal på Gotzkowskistraße i Berlin totalrenoverades installerades total ca sju ton av PCM:et Micronal 23C i väggarna på två av våningsplanen. Totalt rörde det sig om ca 1100 kvm väggyta som fick en ny beläggning av PCM som integrerats i gipsskivor. Efter installationen mättes yttemperaturer för taket samt medeltemperaturen i ett rum på femte våningen som beklätts med gipsskivorna. Motsvarande referenstemperaturer mättes samtidigt upp i ett rum på tredje våningen i samma byggnad, detta utan PCM-beklädnad. Mätningarna gjordes under en period av två dygn mellan den 24 till den 26 september. Resultatet av dessa mätningar redovisas i figur 5 nedan. (8) Figur 5. Temperaturvariationen för tak och medeltemperatur i rum med PCM i väggarna samt referensrum. Även tillförd kyleffekt i de bägge rummen Resultatet av installationen blev ett behagligare inomhusklimat med mindre temperatursvängningar samt att den tillförda kyllasten under dagtid minskade då PCM:et tog upp mycket av värmeenergin. (8) Tyvärr finns inga siffror angående ekonomi eller miljömässiga aspekter att tillgå. 9

19 Aspekter kring ekonomi, miljö och hållbarhet Den litteratur som använts i denna studie av PCM i byggnadsmaterial visar på miljömässiga fördelar med PCM. Den energibesparing som erhålls är naturligtvis även en ekonomisk fördel. Numeriska beräknade energibesparingar Numeriska beräkningar gjorda på ett tänkt rum på 6.5 x 4.5 x 2.5 (m) beläget i Iasi, Rumänien visar att besparingsmöjligheten m.h.a. PCM i väggarna som temperaturstabilisator kan vara betydande. Beräkningarna utfördes utifrån fyra olika ockupationsmönster, tre olika förhållanden gällande ventilation och sex olika PCM. (9) Lärdomen av denna numeriska studie är att valet av PCM med utgångspunkt i vid vilken temperatur fasomvandlingen skall äga rum, beror till stor del på vilket ockupationsmönster rummet har dvs. på vilket sätt rummet används, och att även andra faktorer som t.ex. ventilation har betydelse. Det är alltså viktigt att välja rätt PCM utifrån förutsättningarna för den specifika byggnaden. (9) Energibesparingar på upp till ca 18 % (figur 6) är enligt denna studie möjliga om rätt material för de rådande förhållandena, geografiskt läge, ockupationsmönster etc. väljs. Studien utfördes under en period av 1000 timmar med temperaturvariationer enligt meteorologiska data. (9) Figur 6. Beräknade energibesparingar utifrån olika scenarion med ockupation, smälttemperatur och ventilation 10

20 Experimentell studie, tegelhus En studie utförd av universitetet i Lleida, Spanien visar PCM kan reducera maxtemperaturen i en byggnad med upp till 1 o C. Byggnadsmaterialet var tegel och varje byggnad var försedd med en värmepump som kylsystem. Resultatet från försöket som utfördes sommaren 2008 visar att elförbrukningen sjönk med ca 15 %, vilket i sin tur motsvarar en minskning av koldioxidutsläpp med ca kg per år och kvadratmeter. (10) Experimentell studie, betonghus En liknande studie, utförd på två betonghus som visas i figur 7, visar även den att PCM i väggen ger en större termisk tröghet vilket leder till en utjämning i temperaturen. Det ena huset var byggt med alla fyra väggar, tak och grund i vanlig betong medan det andra huset hade tre sidor (sydvägg, västvägg samt tak) vars betong var utblandad med fem viktprocent PCM. (11) Figur 7. Figuren visar de två betonghus vilka studien genomfördes på. Resultatet från denna studie visar att den temperaturutjämnande effekt som PCM:et gav, sänkte byggnadens maxtemperatur med ca 1 o C (sydväggen), och ökade den lägsta temperaturen med 2 o C. Den ökade termiska trögheten i materialet medförde en fördröjning av maxtemperaturens inträffande med ca 2 h. (11) Ekonomiska och miljömässiga fördelar Dessa resultat visar på att PCM har potential att sänka elbehovet för kylning, vilket är en ekonomisk fördel men även en miljömässig. Värt att notera är att för att tekniken ska ge en miljövinst bör PCM:et vara ett miljövänligt, återvinningsbart material. Dessutom krävs naturligtvis även att byggnadsmaterialens framtagande är en miljövänlig process för att tekniken ska kunna vara en del av en hållbar utveckling. Huruvida det är ekonomi i att installera PCM i nybyggnationer har varit svårt att få någon uppfattning om. Det verkar som om det i dagsläget inte är ekonomiskt försvarbart. Men i och med att tekniken blir mer etablerad kommer nog kostnaderna för materialen att sjunka. Detta är även något som man finner stöd för i litteraturen. (4) 11

21 Framtida potential och trender De källor som refererats till visar att PCM i byggnadsmaterial fungerar, både som temperaturstabilisator men också som gratis kylning på platser där temperaturvariationen mellan dag och natt är stor. Uppskattningsvis krävs över 15 graders skillnad för att free cooling ska fungera väl. (7) Dock är det få produkter som fått stort kommersiellt genomslag. De största orsakerna till detta är förmodligen de i dagsläget stora kostnaderna, samt att tekniken kräver ett visst klimat för att fungera väl. De största fördelarna med latent värmelagring i byggnadsmaterial är troligtvis de miljömässiga åtminstone om ett återvinningsbart, ej miljöfarligt, PCM används. Kuznik et al. har i deras rapport från 2011 granskat ett flertal av de experimentella och numeriska undersökningar som utförts rörande PCM i byggnadsväggar. Slutsatsen i den rapporten är att de PCM som granskats har en stor potential att minska kylbehovet i byggnader genom att den termiska lagringskapaciteten i byggnadens klimatskal ökar. Men Kuznik et al. har svårt att sia om teknikens framtida potential. I rapporten belyses behovet av livscykelanalyser för att kunna utvärdera den verkliga nyttan av PCM i byggnadsmaterial. (12) På grund av att tekniken är relativt ny och få djupdykande analyser av teknikens miljömässiga och ekonomiska nytta har gjorts, är det svårt att dra några slutsatser om teknikens framtida potential. Uppenbart är att PCM i byggnadsmaterial har en potential som stabilisator för inomhustemperaturen. Det är däremot svårt att förutsäga hur stor den framtida potentialen för tekniken kommer att vara. Det kanske största hindret för tekniken i nuläget är att den är dyr. Utvecklingen av nya PCM eller en optimering av de material som finns är också en faktor som har betydelse för den framtida potentialen. För att kunna använda tekniken krävs dessutom ett fördelaktigt klimat. Klimatet bör inte ha för stora årstidsvariationer i temperatur, då PCM:et blir inaktivt under långa perioder när det inte temperaturväxlas över sin smälttemperatur. Dessutom bör temperaturvariationerna mellan natt och dag vara så stora som möjligt, så att PCM:et genomgår en fasomvandlingscykel varje dygn. I vårt kalla nordiska klimat, med låga dygnstemperaturvariationer, är nog god isolering mot vinterkylan ett effektivare och billigare sätt att spara in uppvärmningskostnader. 12

22 Litteraturförteckning 1. Energimyndigheten. Energiläget Paksoy, Halime Ö. Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption. Dordrecht : Springer, Sundberg, Peter. Termisk energilagring genom fasförändringsprocesser, Examensarbete vid Luleå tekniska universitet. Luleå : u.n., Rosen, Mark A och Dincer, Ibrahim. Thermal Energy Storage - Systems and Applications. Chichester : Wiley, Annex 17: Advanced Thermal Energy Storage through Phase Change Materials and Chemical Reactions - Feasibility Studies and Demonstration projects. Hauer, Andreas, o.a., o.a. Hull : u.n., Tillgänglig på 6. Cengel, Yunus A. Heat and Mass Transfer - a Practical Approach. Boston : McGraw-Hill, Review on free cooling of buildings using phase change materials. Raj, Antony Aroul V. och Velraj, R. 9, Oxford : PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2010, Vol Schmidt, Marco. Phase Change Materials - latent heat storage for interior climate control. [Online] den 26 Februari [Citat: den ] 9. Thermal energy savings in buildings with PCM-enhanced envelope Influence of occupancy pattern and ventilation. Diaconu, Bogdan M. 1, Lausanne : ELSEVIER SCIENCE SA, 2010, Vol Experimental study of using PCM in brick constructive solutions for passive cooling. Castell, A., o.a., o.a. 4, Lausanne : ELSEVIER SCIENCE SA, 2010, Vol Use of microencapsulated PCM in concrete walls for energy savings. Cabeza, Luisa F., o.a., o.a. 2, Lausanne : ELSEVIER SCIENCE SA, 2007, Vol A review on phase change materials integrated in building walls. Kuznik, Frederick, o.a., o.a. 1, Oxford : PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, 2011, Vol