Application of PCM enhanced concrete panels as a component that reduces space overheating

openaccess, Vol. 628 (12) 2024 / poniedziałek, 23 grudnia, 2024

Zastosowanie paneli betonowych, z materiałem zmiennofazowym, jako komponentu pozwalającego na ograniczenie przegrzewania budynku

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2024.12.24

citation/cytuj: Nowak K., Zastawna-Rumin A., Sweetlin Jebarani A. Application of PCM enhanced concrete panels as a component that reduces space overheating. Materiały Budowlane. 2024. Volume 628. Issue 12. Pages 226-234. DOI: 10.15199/33.2024.12.24

The article presents the results of preliminary research on the use of PCM-enhanced lightweight concrete panels as a component that helps reduce building overheating. The results of research on the thermal conductivity of concrete slabs using pumice aggregate impregnated with dodecanol (lauryl alcohol), an organic material that changes phase at +24°C. It has been shown that the use of concrete slabs containing 4% PCM mass as an internal finishing layer in building elements significantly increases the thermal capacity of the building, which translates into a change in its thermal characteristics. Computer simulations were also carried out for a simple model of a building with a lightweight wooden structure. The influence of the type of internal cladding on the thermal comfort of rooms in the summer period was analyzed, taking into account night cooling. The results indicated that the use of 3.5 cm thick PCM concrete slabs, compared to traditional plasterboards, effectively limits the increase in temperature inside the rooms and significantly reduces the duration of conditions causing thermal discomfort.

W artykule zaprezentowano wyniki wstępnych badań paneli z lekkiego betonu zawierającego materiał zmiennofazowy (PCM) jako komponentu pozwalającego na ograniczenie przegrzewania budynku, w tym m.in. współczynnika przewodzenia ciepła płyt betonowych z PCM. Zastosowano w nich kruszywo pumeksowe nasączone dodekanolem (alkoholem laurylowym), materiałem organicznym, w przypadku którego temperatura przemiany fazowej wynosi +24°C. Wykazano, że wykorzystanie płyt betonowych zawierających 4% masy PCM, jako wewnętrznej warstwy wykończeniowej w elementach budowlanych, wpływa w istotny sposób na redukcję dobowych wahań temperatury. Przeprowadzono symulacje komputerowe prostego modelu budynku o lekkiej konstrukcji drewnianej. Analizowano wpływ rodzaju wewnętrznej okładziny na komfort termiczny pomieszczeń w okresie letnim, uwzględniając nocne chłodzenie. Wyniki wskazały, że zastosowanie betonowych płyt z PCM o grubości 3,5 cm skutecznie ogranicza wzrost temperatury wewnątrz pomieszczeń i znacznie redukuje czas trwania warunków powodujących dyskomfort cieplny w porównaniu z tradycyjnymi płytami gipsowo-kartonowym.
space overheating; thermal capacity; phase change materials – PCM.

przegrzewanie przestrzeni; pojemność cieplna; materiały zmiennofazowe – PCM.
  1. Waqas A. Ud Din Z, “Phase change material (PCM) storage for free cooling of buildings - A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013; (18): 607–625, DOI: 10.1016/j.rser.2012.10.034.
  2.  Soares N, Costa JJ, Gaspar AR, Santos P. “Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings’ energy efficiency”, Energy and Buildings, 2013; (59): 82–103, DOI: 10.1016/j.enbuild. 2012.12.042.
  3.  Cabeza LF, Castell A, Barreneche C, de Gracia A, Fernández AI. “Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011; (15) 3: 1675–1695, DOI: 10.1016/j.rser.2010.11.018.
  4.  Santamouris M, Kolokotsa D. “Passive cooling dissipation techniques for buildings and other structures: The state of the art”, Energy and Buildings, 2013; (57): 74–94, DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.11.002.
  5.  Zastawna-Rumin A. “The analysis of the application efficiency of phase change materials in partitions in Polish low-energy buildings”, Doctoral thesis, Cracow University of technology, Cracow, Poland 2018.
  6.  Pielichowska K, Pielichowski K. “Phase change materials for thermal energy storage”, Progress in Materials Science, 2014 (65) 0: 67–123, DOI: 10.1016/j.pmatsci.2014.03.005.
  7.  Baetens R, Jelle BP, Gustavsen A. “Phase change materials for building applications: A state-of-the-art review”, Energy and Buildings, 2010, vol. 42, no. 9, pp. 1361–1368, DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.03.026.
  8.  Navarro L, de Gracia A, Niall D, Castell A, Browne M, McCormack SJ, Griffiths P, Cabeza LF. “Thermal energy storage in building integrated thermal systems: A review. Part 2. Integration as passive system”, Renewable Energy, 2016, vol. 85, January, pp. 1334–1356, DOI: 10.1016/j.renene.2015.06.064.
  9.  Schossing P, Henning H, Gschwander S, Haussmann T. “Micro-encapsulated phase-change materials integrated into construction materials”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 2005, vol. 89, no. 2–3, pp. 297–306, DOI: 10.1016/j.solmat.2005.01.017.
  10.  Eddhahak-Ouni A, Colin J, Bruneau D. “On an experimental innovative setup for the macro scale thermal analysis of materials : Application to the Phase Change Material (PCM) wallboards”, Energy and Buildings, 2013, vol. 64, pp. 231–238, DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.05.008.
  11.  Rostamizadeh M, Khanlarkhani M, Sadrameli SM. “Simulation of energy storage system with phase change material (PCM)”, Energy and Buildings, 2012, vol. 49, pp. 419–422, DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.02.037.
  12.  Kośny J. PCM- Enhanced Building Components. An application of Phase Change Materials in Building Envelopes and Internal Structures, Springer International Publishing Switzerland, 2015, DOI: 10.1007/978-3-319-14286-9.
  13. Tyagi VV, Kaushik SC, Tyagi SK, Akiyama T. “Development of phase change materials based microencapsulated technology for buildings: A reduży view”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, vol. 15, no. 2, pp. 1373–1391, DOI: 10.1016/j.rser.2010.10.006.
  14.  Shukla N, Fallahi A, Kosny J. “Performance characterization of PCM impregnated gypsum board for building applications”, 1st International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2012, 9-11 July 2012, ELSEVIER’s Energy Procedia, 2012, vol. 30, pp. 370–379, DOI: 10.1016/j.egypro.2012.11.044.
  15. Persson J. Westermark M., “Phase change material cool storage for a Swedish Passive House”, Energy and Buildings, 2012, vol. 54, pp. 490–495, DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.05.012.
  16. Rodriguez-Ubinas E, Arranz BA, Sánchez SV, González FJN. “Influence of the use of PCM drywall and the fenestration in building retrofitting”, Energy and Buildings, 2013, vol. 65, pp. 464–476, DOI: 10.1016/j.enbuild. 2013.06.023.
  17. Muruganantham K, Phelan P, Horwath P, Ludlam D, McDonald T. “Experimental Investigation of a Bio-Based Phase Change Material to Improve Building Energy Performance”, in Proceedings of the 2010, 4th International Conference on Energy Sustainability, ASME 2010 17-22 May 2010, Phoenix, USA, DOI: 10.1115/ES2010-90035.
  18.  https://materialdistrict.com/material/micronal-pcm
  19.  Waiching Tang, Zhiyu Wanga, Ehsan Mohseni, Shanyong Wang. “A practical ranking system for evaluation of industry viable phase change materials for use in concrete”, Construction and Building Materials, 2018, vol. 177, 272–286, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.112.
  20. https://www.avrasynthesis.com/#/ProdDet. Accessed: 01.12.2023
  21.  Abubakar Kawuwa Sani, Isaac Olaniyi Olawoore, Rao Martand Singh, “Assessment of impregnating phase change materials into lightweight aggregates for development of thermal energy storage aggregate composites”, Construction and Building Materials, Volume 305, 2021,124683, DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2021.124683.
  22.  Hawes D, Banu D, Feldman D. “Latent heat storage in concrete. II”, Solar Energy Materials, 1990, vol. 21, issue 1, pp. 61-80, DOI: 10.1016/0165- 1633(90)90043-Z.
  23.  EN 16798-1:2019, Energy performance of buildings – Ventilation for buildings – Part 1: Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics.
  24.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (Dz.U. 2022.1225).
dr inż. Katarzyna Nowak, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej
ORCID: 0000-0003-4902-4751
dr inż. Anna Zastawna-Rumin, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej
ORCID: 0000-0003-4442-6559
dr inż. Annie Sweetlin Jebarani, Velammal College of Engineering and Technology, Department of Civil Engineering, Indie
ORCID: 0000-0002-8303-5166

dr inż. Katarzyna Nowak, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej
ORCID: 0000-0003-4902-4751

Correspondence address: katarzyna.nowak@pk.edu.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2024.12.24

Article in PDF file

Received: 02.09.2024 r. / Artykuł wpłynął do redakcji: 02.09.2024 r.
Revised: 28.10.2024 r. / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 28.10.2024 r.
Published: 20.12.2024 r. / Opublikowano: 20.12.2024 r.