Innowacyjny akumulator ciepła
Dr inż. Michał Musiał z Katedry Budownictwa Ogólnego na Wydziale Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury realizuje zadania badawcze w ramach wniosku „Badania innowacyjnego akumulatora ciepła opracowanego w oparciu o krzemionkowe sita molekularne, organiczny materiał zmiennofazowy oraz recyklat węglowy”. Prace polegają na opracowaniu oraz wykonaniu badań nad nowymi kompozytowymi akumulatorami ciepła, które mogą być stosowane zarówno w budynkach, jaki i w samochodach elektrycznych.
Cel badań
Badania kompozytowych akumulatorów ciepła obejmowały sprawdzenia efektywności magazynowania, dystrybucji ciepła oraz ich właściwości wytrzymałościowych. Zdolność do efektywnego magazynowania i dystrybuowania ciepła, w tym pochodzącego ze źródeł odnawialnych oraz z energii promieniowania słonecznego, w dobie wzrostów kosztów ogrzewania i klimatyzowania pomieszczeń budynków oraz użytkowania samochodów elektrycznych, jest niezwykle ważną właściwością. Jest ona istotna ze względów ekonomicznych (koszty ogrzewania, klimatyzowania), społecznych (zachowanie komfortu cieplnego użytkowników budynków i samochodów eklektycznych) i środowiskowych (ograniczenie emisji bezpośrednie i pośredniej, dekarbonizacja oraz stosowanie zasad recyklingu).
Grupą substancji, które umożliwiają efektywne, izotermiczne magazynowanie ciepła, są materiały zmiennofazowe (ang. phase-change materials PCM). Niestety ich szerokie stosowanie jest ograniczone m.in. przez: ograniczenia aplikacyjne (zmianę stanu skupienia z ciała stałego w ciecz), niekompatybilność z innymi materiałami budowlanymi i trudności z efektywnym odzyskaniem zmagazynowanego w nich ciepła.
Realizacja prac
Opracowanie kompozytowych akumulatorów ciepła ma na celu rozwiązanie tych problemów przez zastosowanie w ich budowie (oprócz materiału zmiennofazowego) dodatkowo krzemionkowych sit molekularnych oraz recyklatu węglowego. Użycie krzemionkowych sit molekularnych pozwoliło na związanie w ich strukturze materiału zmiennofazowego, dzięki czemu znacząco ograniczono możliwość niekontrolowanego wycieku PCM, zwiększając jednocześnie kompatybilność nasyconych PCM sit molekularnych z innymi materiałami. Z kolei użycie recyklatu węglowego pozwoliło na zwieszenie efektywności odzysku zmagazynowanego w strukturze akumulatora ciepła. W ramach realizowanego projektu przeprowadzono serię badań eksperymentalnych funkcjonowania cieplnego oraz wytrzymałościowych nowych kompozytów magazynujących ciepło oraz analizę statystyczną otrzymanych wyników. W programie Statistica 12 opracowano plan doświadczeń, następnie wykonano stanowisko laboratoryjne do próżniowego nasycania sit molekularnych ciekłym materiałem zmiennofazowym. W dalszej kolejności wykonano 96 kompozytowych akumulatorów ciepła o różnej zawartości każdego z trzech komponentów: sit molekularnych, nasączonych PCM, matrycy cementowej lub epoksydowej, recyklatu węglowego. Kompozyty miały formę prostopadłościanów o wymiarach 40 mm x 40 mm x 160 mm i były poddane badaniom cieplnym w komorze klimatycznej (badania obciążenia cieplnego oraz mrozoodporności), badaniom jakościowym stygnięcia próbek przy użyciu kamery termowizyjnej oraz niszczącym badaniom w maszynie wytrzymałościowej. Otrzymane wyniki stworzyły bazę danych pozwalających na opracowanie wzorów matematycznych określających wpływ zawartości każdego z trzech składników na funkcjonowanie cieplne oraz właściwości wytrzymałościowe tych kompozytów.
Opracowane kompozytowe akumulatory ciepła pozwalają na magazynowanie dużych ilości ciepła w niewielkiej objętości samego kompozytu, co znacznie ułatwia ich aplikację zarówno w strukturach budynków, jak i samochodów elektrycznych. Drugą ważną zaletą tych kompozytów jest zdolność do magazynowania dużych ilości ciepła w bardzo wąskim zakresie temperatur ok. 28°C. Pozwala to na zmniejszenie ryzyka przegrzewania i przechładzania komponentów budynków oraz samochodów elektrycznych, w których będą stosowane.
Wykonane prace badawcze oraz ich analizy pozwoliły na rozwiązanie części problemów naukowych dotyczących efektywnego magazynowania ciepła w strukturach budynków oraz samochodów eklektycznych. Opracowane kompozytowe akumulatory ciepła z uwagi na dowolność kreowania ich bryły, kompatybilność z innymi materiałami, jak np. cement, ceramika budowlana, szkło, stopy metali, drewno, dużą gęstość magazynowania ciepła oraz stosunkowo niskie koszty mogą być szeroko stosowane w celu wykorzystania energii słonecznej do ograniczania kosztów ogrzewania budynków oraz w samochodach elektrycznych. Badania wpisują się w zagadnienia odnawialnych źródeł energii, budownictwa energooszczędnego oraz zrównoważonego rozwoju.
Badania był realizowane w ramach konkursu Miniatura 6 w ramach projektu badawczego nr 2022/06/X/ST5/00624, ID: 556207 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
