Artikelförfattare: Michael Försth, Alexandra Byström och Jonathan Wolf
Luleå tekniska universitet
Denna artikel sammanfattar några av slutsatserna i ett nyligen avslutat Brandforskprojekt, ”Fasomvandlingsmaterial: risker och möjligheter”, som hade till syfte att ge verksamma inom den brandtekniska ingenjörsvetenskapen en lättillgänglig informationskälla om fasomvandlingsmaterial för att kunna göra bedömningar om risker och möjligheter förknippade med denna teknologi.
Regeringen har satt som mål att Sverige 2050 ska vara fossilfritt, eller mer exakt inte ge några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären. Energiförbrukningen för uppvärmning och kylning i byggnader utgör en stor andel av människans totala energiförbrukning, cirka 50 procent i EU. Många olika åtgärder krävs för att minska denna förbrukning och fasomvandlingsmaterial är en kandidat som av IEA (International Energy Agency) lyfts fram för att kunna bidra till detta.
Vad är fasomvandlingsmaterial?
Fasomvandlingsmaterial är benämningen på material som används för att stabilisera temperaturer och för att lagra värme eller kyla. Detta görs genom att utnyttja dessa materials latenta värme, det vill säga genom att materialet undergår fasomvandling. Fasomvandlingsmaterial kan uppta värme genom att smälta eller avge värme genom att stelna.
Ett klassiskt exempel på fasomvandling är smältning av is. När 1 kg is vid 0˚C smälter upptas 334 kJ latent värme. Detta kan jämföras med den sensibla värmen, som höjer materialets temperatur. Den sensibla värmen som upptas för att värma 1 kg vatten från –2˚C till 2˚C är 12 kJ, bortsett från de 334 kJ latent värme som behövs för smältningen vid 0˚C. Den relativt stora mängden latent värme i förhållande till sensibel värme gör att temperaturen stabiliseras vid 0˚C.
Det relativt stora energiutbytet vid fasomvandling gäller även för många andra material än vatten. Vattnets frys-/smälttemperatur, det vill säga 0˚C, är sällan attraktiv för byggnader, förutom vid exempelvis kyllagring. Det finns dock andra material, till exempel paraffiner, som kan ha en smältpunkt vid rumstemperatur vilket är mer användbart som stabiliseringstemperatur för till exempel bostäder. Motsvarande latent och sensibel energi för att värma 1 kg av en typ av paraffin med smälttemperatur på 22˚C från 20˚C till 24˚C är 167 kJ latent värme (smältvärme) och 11 kJ sensibel värme. Återigen fungerar fasomvandlingsmaterialet, det vill säga paraffinet, som en stabilisator av temperaturen:
– Vid exempelvis stark solinstrålning fördröjs uppvärmningen på grund av att en relativt stor mängd energi krävs för att passera paraffinets smälttemperatur.
– På kvällen när temperaturen sjunker avger paraffinet värme. När temperaturen på paraffinet sjunker från 24˚C till 20˚C frigörs 11 kJ·kg-1 sensibel värme, men så mycket som 167 kJ·kg-1 i latent värme. Nedkylningen av rummet fördröjs alltså vilket leder till minskat energibehov för uppvärmning, på samma sätt som energibehovet för eventuell kylning minskar på morgonen/förmiddagen.
Som jämförelse har betong, förstås, ingen smälttemperatur i det relevanta temperaturområdet och upptaget av energi blir 4 kJ·kg-1 sensibel värme, och ingen latent värme, för att värma betongen från 20 ˚C till 24 ˚C.
På grund av den frigjorda eller absorberade latenta värmen i fasomvandlingsmaterialet senareläggs och minskar toppeffektbehovet. Byggnadens toppeffektbehov förskjuts då vilket skapar flexibilitet i energiförsörjningssystemet, exempelvis kan inköp av el ske under tiden då elpriset inte är på topp. Att toppeffektbehovet minskar innebär sam-tidigt att kapaciteten på uppvärmnings- eller kylinstallationen kan minskas, vilket i sig leder till lägre miljöpåverkan eftersom mindre anläggningar då kan dimensioneras.
Användningsområden
Fasomvandlingsmaterial används i en uppsjö av tillämpningar där stabilisering av temperatur är önskvärt eller nödvändigt. Fasomvandlingsmaterial har länge använts inom olika områden såsom värmepumpar, kyltransporter och temperaturkontroll av elektronik, till exempel datorer, batterier och solpaneler. Det kan även användas i kläder för att skydda mot kyla och mot värme (till exempel i räddningstjänstens räddningsställ).
Fasomvandlingsmaterial har sedan mycket länge använts i byggnader som byggmaterial, nämligen is i igloor! Det första dokumenterade försöket med annat fasomvandlingsmaterial än is i en byggnad härstammar från Boston 1948, inom ramen för ett projekt vid MIT då en typ av salthydrat användes för bättre utnyttjande av solvärmen.
Användningsområde inom byggbranschen
Behovet av termisk stabilisering har accentuerats inom byggbranschen på grund av de prefabricerade lättviktskonstruktioner som blivit populära de senaste decennierna. Sådana lättviktskonstruktioner ger bland annat miljömässiga fördelar på grund av att transporterna blir mindre energikrävande. Konstruktionerna, till exempel trä-, sandwich- och/eller stålkonstruktioner, har dock en relativt liten termisk massa vilket gör att temperaturfluktuationer mellan kalla nätter och varma dagar kan bli stora. Ett sätt att öka den termiska massan är att tillföra fasomvandlingsmaterial. Fasomvandlingsmaterial finns inom följande kategorier:
– Organiska (oftast brännbara)
– Oorganiska (oftast obrännbara)
– Samt en blandning av fasomvandlingsmaterial som kallas eutektiska material.
Organiska fasomvandlingsmaterial är material som har sitt ursprung från växter eller djur, eller syntetiskt framställda sådana material. Organiska fasomvandlingsmaterial brukar delas in i paraffiner och icke-paraffiner.
Oorganiska fasomvandlingsmaterial kan delas in i två kategorier: salter och salthydrater, samt metaller och dess legeringar. Salthydrater är mindre problematiska än organiska material ur brandskyddssynvinkel men är behäftade med andra problem som exempelvis begränsad beständighet, vilket måste beaktas i en helhetsanalys av ett byggprojekt.
En eutektisk blandning består av två eller flera beståndsdelar och smälter vid en väldefinierad temperatur som dessutom är lägre än smälttemperaturen för någon av de ingående beståndsdelarna.
Fasomvandlingsmaterialet behöver i de allra flesta fall inneslutas i en behållare (kapsel), Eftersom fasomvandlingsmaterial ibland befinner sig i flytande fas behövs behållarna för att materialet inte ska läcka ut i omgivningen, men även för att omgivningen inte ska kontaminera fasomvandlingsmaterialet. En annan orsak till att materialet behöver inneslutas är för att det inte ska skada det omgivande materialet. Exempelvis kan salthydrater vara korrosiva mot metall men även andra exempel på inkompatibilitet mellan fasomvandlingsmaterialet och dess omgivning finns.
I Sverige har implementeringen av fasomvandlingsmaterial gått förhållandevis långsamt och så sent som i november 2019 fick en installation av fasomvandlingsmaterial i en byggnad på Chalmers relativt stor uppmärksamhet. Orsakerna till den relativt långsamma utvecklingen är flera, bland annat kostnader, toxicitet hos vissa fasomvandlingsmaterial, och brandfaror. Generellt förefaller det som att fasomvandlingsmaterial för energibesparing och temperaturstabilisering i byggnader är populärt i forskningslitteraturen, men verkar i dagsläget ha en mycket begränsad spridning inom byggandet i Sverige.
Organiska fasomvandlingsmaterial i konstruktioner ökar brandriskerna
Figur 1: Skillnad i värmeavgivning vid brand, på y-axeln benämnd HRR (Heat Release Rate), hos gipsskiva med och utan inkapslat paraffinbaserat fasomvandlingsmaterial. Gipsskivornas tjocklek var 12,5 mm och de hade papper på ytan. Försöken genomfördes i en konkalorimeter med en infallande strålningsnivå på 50 kW·m-2.
Ur ett brandskyddstekniskt perspektiv är det viktigt att känna till att bland de byggmaterial med fasomvandlingsmaterial som finns på den internationella marknaden är det relativt vanligt med inblandning av brännbara organiska fasomvandlingsmaterial.
Det huvudsakliga problemet med att använda organiska fasomvandlingsmaterial, såsom paraffiner, i konstruktioner är dessa materials brandfarlighet. Paraffiner är lättantändliga om de inte skyddas effektivt. Homogena organiska fasomvandlingsmaterial ger en mycket snabb brandtillväxt. Detta gäller i stor utsträckning även byggmaterial såsom exempelvis gips med inblandning av organiska fasomvandlingsmaterial, se figur 1. Det är därför viktigt att överväga om alternativa fasomvandlingsmaterial, exempelvis oorganiska salthydrater, kan användas.
Ett problem med användning av fasomvandlingsmaterial i byggnadsmaterial är läckage av lättantändliga paraffiner ur inkapslingen i den porösa strukturen, vilket kan leda till snabbare spridning av branden. Som ytskikt betraktat utgör inblandning av brännbara fasomvandlingsmaterial formellt inte någon förändring eftersom regelverket redan hanterar brännbara material. Däremot innebär införande av ännu fler brännbara material att byggprocessen blir mindre förlåtande mot fel och brister och en mer komplex och dyrbar kvalitetskontroll kommer att krävas i sådana byggprojekt. Ett exempel på misstag kan vara att en gipsskiva med brännbart fasomvandlingsmaterial av misstag monteras som ytskikt, trots att den var tänkt att skyddas av en obrännbar gipsskiva.
Även alternativ till fasomvandlingsmaterial (brännbara såväl som obrännbara) bör övervägas. Exempelvis kan betong användas för ökad termisk massa med sensibel värmelagring, om det kan motiveras ur ett livscykelperspektiv där brand ingår i analysen. I forskningslitteraturen är en stor del av publikationerna in-riktade på studier av förbättring av brandegenskaperna hos organiska fasomvandlingsmaterial, till exempel genom tillsats av flamskyddsmedel. Det är då nödvändigt att även inkludera flamskyddsmedlens hälso- och miljöaspekter i bedömningen om det är motiverat att använda fasomvandlingsmaterial. Det förefaller som att en väsentlig teknikutveckling av fasomvandlingsmaterial behövs innan dessa material kan få ett stort genomslag inom byggbranschen. Fasomvandlingsmaterial kan förväntas bli mer användbara när sådana finns som är kostnadseffektiva, miljövänliga, brandsäkra, beständiga och som vid inblandning i byggmaterial inte försämrar dessas övriga byggnadstekniska egenskaper, såsom exempelvis bärförmåga och isoleringsförmåga.
Slutsats
Fasomvandlingsmaterial är en relativt ny teknologi i byggnader och det är viktigt att föregå utvecklingen med kunskapsöverföring och därmed förhoppningsvis undvika att olämpliga lösningar byggs in som sedan blir mycket svåra att åtgärda. Exempel på sådana problem inom den moderna byggnadstekniska historien är flytspackel, radonhaltig blåbetong och fuktkänsliga enstegstätade putsfasader, eller för den delen, vad gäller brandsäkerhet, vindar med lättbyggnadsteknik i radhus och flerbostadshus. Syftet med detta projekt har varit att ge verksamma inom den brandtekniska ingenjörsvetenskapen ett kunskapsunderlag om fasomvandlingsmaterial för att kunna göra bedömningar om risker och möjligheter förknippade med denna teknologi.
Fasomvandlingsmaterial för energibesparing och temperaturstabilisering i byggnader är intressant men har i dagsläget en mycket begränsad omfattning i Sverige. Ur ett brandskyddsperspektiv är det mycket viktigt att känna till att de byggmaterial med fasomvandlingsmaterial som finns tillgängliga på den internationella marknaden ofta består av inkapslade brännbara organiska fasomvandlingsmaterial, framförallt olika typer av paraffiner.
Innan brännbara fasomvandlingsmaterial anammas i ett byggprojekt är det viktigt att en helhetsanalys görs där för- och nackdelar vägs mot varandra:
– Fördelar är energibesparing och temperaturstabilisering.
– Nackdelar är bland annat ökad sårbarhet för brandskyddstekniska fel och brister, vilket leder till fördyrande kvalitetsarbete i byggprojekt. Fasomvandlingsmaterialen kan även ge försämring av andra byggnadstekniska egenskaper såsom bär- och isoleringsförmåga
