Kas bendro tarp tirpstančio ledo ir betono? Kaip atsakymas į šį klausimą susijęs su Europos Sąjungos direktyva iki 2050-ųjų pasiekti, kad didžioji dalis pastatų būtų efektyviai pertvarkyti į beveik nevartojančius energijos? Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai teigia, kad fazę keičiančių medžiagų (tokių, kurios vienomis sąlygomis yra kieto pavidalo, kitomis – skysto) naudojimas statyboje ir renovacijoje gali būti vienas iš sprendimų, teigiama universiteto pranešime spaudai.

Pastaraisiais metais būseną arba fazę keičiančių medžiagų naudojimas statyboje įgauna pagreitį. Tokios medžiagos itin vertingos pastatų energijos vartojimo efektyvumui gerinti. Lietuvos ir Kipro mokslininkų atlikti tyrimai rodo, kad investicijos į fazę keičiančias medžiagas greičiausiai atsiperka šaltesnio klimato sąlygomis, o geriausia jų naudojimo vieta – šiaurinės pastato sienos vidus.

Kauno technologijos universiteto (KTU) ir Frederiko universiteto (Kipras) mokslininkų tyrime pateikiami pagrįsti duomenys apie tai, kaip fazę keičiančio medžiagos (angl. phase change materials, PCM) turėtų būti naudojamos, kad būtų pagerintas pastatų energijos vartojimo efektyvumas.

Medžiagai keičiant pavidalą išsiskiria energija

Fazę keičiančios medžiagos gali kaupti ir išskirti didelius energijos kiekius: būdamos kietoje fazėje jos gali sugerti šilumą ir tokiu būdu sukurti vėsinimo efektą, o skystoje fazėje, priešingai – išskirti šilumą ir suteikti šildantį efektą.

„Ledas, kuris tirpdamas tampa vandeniu, yra fazę keičianti medžiaga; tokia medžiaga yra ir sviestas, tirpdamas pavirstantis skysčiu. Sakysite, ir kas iš to? Kai medžiaga keičia fazę, ji taip pat sugeria ir išskiria energiją. Statyboje šios medžiagos yra naudojamos mikrokapsulių pavidalu, kurios integruojamos, pavyzdžiui, į betoną“, – sako KTU Statybos ir architektūros fakulteto (SAF) tyrėjas Paris Fokaides.

Lietuvos ir Kipro mokslininkai atliko tyrimą skirtinguose Europos regionuose, siekdami apskaičiuoti fazę keičiančių medžiagų naudojimo efektyvumą esamų pastatų energetiniam atnaujinimui. Tyrimas parodė, jog tokių medžiagų efektyvumas ir energijos atsipirkimo laikotarpis priklauso nuo tam tikrų sąlygų, tokių kaip geografinė padėtis ir pastato sienos orientacija.

„Esamų pastatų šiluminių charakteristikų vertinimo metu gaunama informacija – labai vertinga. Ji gali būti panaudojama priimant renovacijos sprendimus“, – sako tyrimo bendraautorė, KTU SAF docentė Eglė Klumbytė.

Pasak jos, svarbu suprasti kaip ir kur naudoti tinkamas medžiagas, kad būtų pasiektas didžiausias efektyvumas. 

Šalto klimato zonose investicijos atsiperka nepraėjus metams

Darbe nagrinėjamas fazę keičiančių dangų panaudojimas Europoje įvairiomis meteorologinėmis sąlygomis, analizuojant visas pagrindines pastato orientacijas. Iš viso atlikta šešiolika skaitmeninių modeliavimų sausio, balandžio, liepos ir spalio mėnesiais trijose vietovėse – Atėnuose, Milane ir Kopenhagoje.

„Norėjome, kad mūsų tyrimų rezultatai būtų pritaikomi visame pasaulyje, todėl pasirinkome vietas su tipiškomis klimato sąlygomis Pietų, Vidurio ir Šiaurės Europoje“, – sako P. Fokaides.

Pirmieji aštuoni skaitmeniniai modeliavimai buvo atlikti naudojant fazę keičiančią medžiagą, integruotą į pastato elemento konstrukciją, dar aštuoni modeliavimai – nenaudojant. Fazę keičiančios medžiagos storis – 4 cm. Metinis energijos taupymas buvo skaičiuojamas keturiems tipiniams mėnesiams, atitinkantiems keturis metų laikus (žiemą, pavasarį, vasarą ir rudenį).

„Tyrimo rezultatai atskleidė, kad fazę keičiančios medžiagos geriau veikia esant šaltoms aplinkos sąlygoms“, – teigia E. Klumbytė.

Mokslininkai tikina, kad tai – logiška. Pirmiausia, šaltesnėmis sąlygomis šios medžiagos sugeria daugiau energijos. Be to, kadangi šaltesnio klimato sąlygomis pastatai sunaudoja daugiau energijos (elektros, šildymo ir kt.), energijos taupymas tokiomis sąlygomis yra efektyvesnis.

„Tyrimo metu sukūrėme energijos atsipirkimo laikotarpio koncepciją, atspindinčią pusiausvyrą tarp energijos, sunaudotos šioms medžiagoms gaminti, ir gaunamos jas naudojant. Energijos atsipirkimo laikotarpis parodo, per kiek laiko fazę keičiančių medžiagų sutaupoma energija atpirks jų gamybos energijos sąnaudas“, – aiškina P. Fokaides.

Tyrimas atskleidė, kad fazę keičiančių medžiagų naudojimas tam tikrais atvejais gali padėti sutaupyti energijos – nuo 0,24 iki 29,84 kWh/m². Energijos atsipirkimo laikotarpis gali trukti mažiau nei metus ar išsitęsti beveik iki 20 metų.

Ilgiausias energijos atsipirkimo laikotarpis nustatytas šiltesnio klimato kraštuose, o trumpiausias – šaltesnėse vietose. Optimaliausia pastato pusė – vakarai ir rytai Atėnuose, rytai ir šiaurė Milane ir šiaurė Kopenhagoje. Išsiaiškinta, kad fazę keičiančios medžiagos geriausiai veikia, kai yra integruotos į vidines konstrukcijas.

Ištirtos anksčiau nenagrinėtos temos

„Sukurtas skaitmeninis modelis suteikia galimybę atlikti terminį įvertinimą įvairiomis sąlygomis ir gauti tikslius rezultatus. Pagrindinis Europos Sąjungos tikslas – darni aplinkos plėtra. Mūsų tyrimas gali labai prisidėti prie šio tikslo įgyvendinimo“, – įsitikinusi E. Klumbytė.

Anot P. Fokaides, naujajame mokslininkų tyrime nagrinėjamos iki tol mokslinėje literatūroje netyrinėtos temos. Optimali fazių keitimo medžiagos vieta pastate, optimali PCM orientacija ir energijos atsipirkimo laikotarpis – visiškai naujos sąvokos plačioje pastatų energinio naudingumo srityje.

„Būdamas graikas, negaliu nepastebėti, kad pirmasis ekologiško pastato aprašymą pateikė Sokratas prieš 2,5 tūkst. metų. Tada jis nurodė, kad šiaurinė pastato siena turi būti storesnė nei pietinė. Tad mūsų mintis, kad nustatant sienų konstrukcinę sudėtį labai svarbu, į kurią pasaulio kryptį jos orientuotos, yra susijusi su Sokrato mokymu“, – šypsosi KTU SAF mokslininkas.

KTU mokslininkai teigia, kad darbe pateikta metodika ir duomenų rinkinys gali būti panaudoti toliau plėtojant pastatų šiluminio vertinimo priemones. Šiuo metu komanda pradeda naują 1,5 mln. vertės projektą, kuriame pagrindinis dėmesys bus skiriamas gautų rezultatų skaitmenizavimui. Pavyzdžiui, galėtų būti kuriami išmanieji jutikliai, skirti pastato elementų šiluminių charakteristikų matavimui realiu laiku, ir kitos technologijos. Pasak mokslininkų, šis tyrimas turi milžinišką komercializavimo potencialą.

Aukščiau aprašytas tyrimas „PCM dangų, skirtų pastato konstrukcijų energiniam naudingumui gerinti, panaudojimo skaitmeninė ir aplinkosauginė analizė“ buvo paskelbta leidinyje „Construction and Building Materials“ 2022 m. gruodžio 10 d., su juo galima susipažinti čia.