56
Stedebouw & Architectuur Innovatiecatalogus 2012
PHASE CHANGE MATERIALS PCM: opslag van warmte als u Door de steeds strenger wordende eisen op het gebied van energiezuinigheid van gebouwen, neemt de aandacht voor nieuwe materialen en vernieuwende installatieconcepten toe. Eén van de concepten die een belangrijke rol spelen bij energiezuinige gebouwen is de opslag van warmte voor de korte (enkele uren of dagen) dan wel de lange (enkele maanden) termijn. Warmte kan op basis van drie principes worden opgeslagen: in de vorm van voelbare warmte, als chemische energie en in de vorm van latente warmte.
De opslag van warmte in voelbare vorm (sensibele warmte) is bij de meeste mensen wel bekend. Thermisch massieve materialen zoals beton kunnen door stijging van hun temperatuur warmte tijdelijk bufferen. Een variant hierop is de zogenaamde betonkernactivering waarbij de door het beton opgenomen warmte door middel van water wordt afgevoerd naar elders of andersom.
Chemische energie Opslag van warmte als chemische energie is voor veel mensen nog een minder bekend verschijnsel. Momenteel wordt veel onderzoek gedaan, onder andere door ECN in Petten, naar materialen die door een verandering in chemische structuur warmte kunnen opslaan. Bij deze materialen is het uiteraard wel van belang dat dit proces ook omgekeerd kan worden waardoor de warmte weer vrijkomt. Warmteopslag in de vorm van latente warmte tot slot vindt plaats door een verandering van de fysische structuur, ofwel de
fase, waarin een materiaal zich bevindt. Dit kan met behulp van zogenaamde fase-overgangsmaterialen, in het Engels ook wel phase change materials genoemd. Over deze laatste groep materialen gaat dit artikel.
Fase-overgangsmaterialen Een mooi voorbeeld van een faseverandering is de overgang van water in vloeibare vorm naar ijs in vaste vorm. Deze omzetting van de vloeibare naar de vaste fase vindt plaats bij een temperatuur van 0 graden Celsius. Om deze overgang mogelijk te maken moet warmte aan het water worden onttrokken. Dus door het water af te koelen, ofwel door warmte uit het water te halen, bevriest het water waardoor ijs wordt gevormd. In omgekeerde richting kunnen we ook warmte aan het ijs toevoegen waardoor het ijs smelt en vloeibaar water resulteert. Om precies te zijn moet 330 kJ aan warmte worden toegevoegd om 1 kg ijs te laten smelten of moet 330 kJ aan warmte worden onttrokken om
1 kg water te laten stollen. Dit betekent dus ook dat door gebruikmaking van deze faseverandering per kg water tijdelijk 330 kJ aan warmte kan worden opgeslagen. Het is belangrijk om hierbij te realiseren dat de temperatuur van het water tijdens de fase-overgang 0 graden Celsius blijft en niet verandert. Nu is 0 graden Celsius voor mensen in gebouwen geen comfortabele temperatuur. De temperatuur in gebouwen ligt onder normale omstandigheden net boven de 20 graden Celsius. Daarom zijn er andere materialen ontwikkeld die een fase-overgang hebben bij gunstigere temperaturen. Deze materialen worden meestal onderverdeeld in drie groepen: • De organische PCMs. • De anorganische PCMs. • De anorganische eutectische PCMs (Baetens et al., 2010). De eerste groep van de organische PCMs kan vervolgens nog onderverdeeld worden in de zogenaamde paraffines, zoals kaarsvet, en de niet-paraffines. Elk van deze groepen materialen heeft kenmerkende eigenschappen wat betreft het temperatuursgebied waar de faseverandering plaatsvindt en wat betreft de warmte die per kilogram materiaal kan worden opgenomen of afgestaan (tabel 1). Voor gebouwen zijn vooral de paraffines, de niet-paraffines en de zouthydraten interessant vanwege hun gunstige smelttraject.
PCM-bolletjes Redenerend vanuit gebouwen is het ook van belang te kijken hoe het materiaal verpakt is. Dit kan op een zogenaamd macroscopisch niveau in bijvoorbeeld
Hoofdtype
Subtype
Smelt-/ stollingsenthalpie (kJ/kg)
Smelttemperatuur (°C)
Warmtegeleidingscoëfficiënt (W/(m∙K))
Volumeverandering tijdens faseovergang
Veroudering
Superkoeling
Kosten
Organisch
Paraffines
120 - 210
20 - 70
± 0.2
groot
nauwelijks
vrijwel geen
hoog
Organisch
Niet-paraffines
155 - 180
16 - 65
n.a.
klein
nauwelijks
vrijwel geen
zeer hoog
Anorganisch
Zouthydraten
180 - 220
20 - 140
± 0.5
klein
fasescheiding
wel
laag
Tabel 1. Eigenschappen van enkele gangbare fase-overgangsmaterialen binnen diverse typen (Baetens et al., 2010).