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).
Stedebouw & Architectuur Innovatiecatalogus 2012
Plafond met PCM in kantoorgebouw Peutz BV in Zoetermeer.
chemische energie zakjes of containers of op microscopisch niveau als kleine met plastic omhulde bolletjes PCM. De laatste groep PCM bolletjes kunnen tevens worden ingebed in andere materialen zoals beton. De organische PCMs kunnen bijvoorbeeld ook direct kunnen worden geperst in de poriën van een poreus materiaal (Baetens et al., 2010).
• Mogelijk optredende veroudering van het materiaal waardoor de opslagcapaciteit na verloop van tijd minder wordt. • Mogelijk optredende superkoeling waardoor de temperatuur eerst enkele graden onder de stollingstemperatuur dient te zijn voordat stolling pas begint op te treden.
Keuze
Werking en toepassingen
De keuze voor een bepaald type PCM wordt in de praktijk gemaakt op grond van de volgende eigenschappen: • De temperatuur waarbij de faseovergang plaatsvindt. Uit berekeningen volgt dat de ideale temperatuur hiervoor ongeveer 1,5 graden Celsius ligt onder de comforttemperatuur van de ruimte (van der Spoel en Cauberg, 2006). In de praktijk worden vaak iets hogere waarden aangehouden van rond de 23 graden Celsius. • De warmteopslagcapaciteit bij de fase-overgang van het materiaal, ofwel de smelt- of stollingsenthalpie. • De warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal. Des te hoger deze coëfficiënt des te makkelijker de warmte zich in de PCM kan verspreiden. • De grootte van het benodigde oppervlak. Des te meer oppervlak er is, des te sneller de warmteuitwisseling met de omgeving.
Net als conventionele thermische massa, zoals aan een ruimte blootgesteld beton, kunnen PCMs warmte uit de ruimte opnemen indien de luchttemperatuur hoger is dan van het materiaal of warmte aan de ruimte afgeven indien de luchttemperatuur lager is dan van het materiaal. Het verschil alleen is dat conventionele thermische massa bij elke temperatuur in staat is warmte op te nemen of af te staan terwijl de piek in warmtecapaciteit bij PCMs in een smal temperatuursgebied rondom het smelttraject ligt. Dit is de belangrijkste reden waarom het zo belangrijk is om een PCM te selecteren met een juiste smelt-/stollingstemperatuur.
Verlagen van pieken Indien de luchttemperatuur van de ruimte waarin de PCMs zich bevinden nabij deze temperatuur bevindt dan gedraagt een PCM zich redenerend vanuit de u
Faseverandering van ijs in water. Bij deze fase-overgang kan 330 kJ/kg aan warmte opgeslagen worden. Foto: Martin Tenpierik.
57
TOEPASSING WILO hoofdkantoor
Een voorbeeld van een recent gebouw in Nederland waarin PCMs zijn toegepast als onderdeel van de koelingstrategie is het hoofdkantoor van Wilo op het industrieterrein Hoogtij in Westzaan (Bouwman, 2008). Dit gebouw is ontworpen door Benthem Crouwel Architecten en geadviseerd door Deerns. Omdat dit een relatief lichtgewicht gebouw betreft, is ervoor gekozen om PCMs in het plafond te gebruiken om de temperatuur in de zomer te stabiliseren. Het PCM betreft hier zogenaamde Micronal® capsules met een smelttemperatuur van 21 graden Celsius en warmteopslagcapaciteit van 110 kJ/kg. Deze capsules (4 gewichtsprocent) zijn vermengd met beton (96 gewichtsprocent). Dit beton/PCM mengsel is vervolgens aangebracht in de cannelures van het stalen dakprofiel. Tevens zijn in deze cannelures leidingen van een betonkernactiveringssysteem aangebracht. Dit maakt het mogelijk om de door de PCM opgenomen warmte af te voeren. Hierdoor wordt het systeem geregenereerd en kan het gedurende de volgende dag weer opnieuw gebruikt worden om warmte op te nemen. Door deze keuze kon het benodigde koelvermogen worden gereduceerd van 87 kW naar 42 kW. De hier gebruikte PCM microcapsules zijn ook verkrijgbaar verwerkt in bekledingsplaten voor binnenwanden.
58
Stedebouw & Architectuur Innovatiecatalogus 2012
PHASE CHANGE MATERIALS ruimte hetzelfde als conventionele thermische massa. Dit betekent dus dat bij de juiste keuze van het PCM door buffering van warmte pieken in de binnentemperatuur worden verlaagd en in de tijd worden opgeschoven. Dit is gunstig in de zomer omdat oververhitting in gebouwen verminderd kan worden. Echter, om ervoor te zorgen dat dit proces goed verloopt, is het noodzakelijk dat de PCMs geregenereerd kunnen worden. Dit betekent dat indien zij bijvoorbeeld overdag warmte opgenomen hebben, deze warmte ’s nachts weer afgegeven moet kunnen worden. Vooral wat dit laatste betreft is het in het verleden nogal eens misgegaan.
Vooral lichte gebouwen Omdat het passieve effect van PCMs op de ruimtetemperatuur vergelijkbaar is aan het effect van conventionele thermische massa zijn PCMs minder geschikt om toegepast te worden in thermische zware gebouwen. Daar is immers al genoeg werkzame thermische massa aanwezig. Vooral lichte gebouwen die uit zichzelf weinig thermische massa bezitten kunnen profiteren van de toevoeging van PCMs. Daarnaast kunnen PCMs ook bijvoorbeeld actief worden ingezet om piekvermogen te leveren bij een installatiesysteem waardoor het systeem zelf alleen op basisvermogen hoeft te worden gedimensioneerd. Zij worden dan ingezet als onderdeel van de gebouwinstallatie.
Onderzoek in Nederland Momenteel lopen in Nederland diverse onderzoeksprojecten naar het gebruik van fase-overgangsmaterialen in gebouwen of bouwdelen waarvan er drie kort zullen worden besproken. Climate Adaptive Skins Aan de TU Delft is het promotieonderzoek naar zogenaamde ‘Climate Adaptive Skins’ (CAS) in de afrondende fase (Hasselaar en van den Dobbelsteen, 2007; Hasselaar et al., 2008). Het resultaat van dit onderzoek omvat een gevelelement waarin een ventilatie-unit opgenomen is om een achterliggend kantoorvertrek van verse buitenlucht te voorzien. Deze ventilatie-unit bevat een serie elementen met fase-overgangsmateriaal (fase-overgang tussen 17 graden Celsius en 19 graden Celsius) waardoor koude of warme buitenlucht kan worden voorverwarmd respectievelijk -gekoeld. Door dit systeem is het mogelijk om het achterliggende kantoorvertrek los te koppelen van een centraal mechanisch installatiesysteem. Simulaties hebben laten zien dat in combinatie met thermotroop glas comfortabele temperaturen kunnen worden gerealiseerd in een standaard kantoorvertrek met een jaarlijks energiegebruik voor verwarming van ongeveer 1 kWh per kantoorvertrek.
Hybrid Adaptable Thermal Storage Daarnaast vindt er aan de TU Eindhoven een promotieonderzoek plaats naar zogenaamde ‘Hybrid Adaptable Thermal Storage’ (HATS) (Hoes et al., 2011a en 2011b). De belangrijkste drijfveer achter dit onderzoek is dat gebouwen momenteel of thermisch zwaar of thermisch licht zijn. Volgens de onderzoekers gebruiken thermisch zware gebouwen meer energie in de zomer en in de winter om een comfortabel binnenklimaat te realiseren, terwijl thermisch lichte gebouwen juist in de tussenseizoenen meer energie gebruiken. Door de thermische massa aanpasbaar te maken kan het hele jaar door een optimale situatie worden gerealiseerd. Om dit te bereiken worden PCMs aangebracht boven een plafond dat al dan niet geopend kan worden. In geopende toestand staan de PCMs in contact met de lucht in het vertrek; in gesloten toestand niet. Hogeschool van Rotterdam Ook aan de Hogeschool van Rotterdam vindt, in samenwerking met Adviesburo Nieman, onderzoek aan PCMs plaats. Recent zijn er op vertrekniveau metingen verricht aan PCMs in de vorm van zouthydraten.
Schematische weergave van de testopstelling met PCM aan de Hogeschool Rotterdam. Afbeelding: Kees van Kranenburg.
Stedebouw & Architectuur Innovatiecatalogus 2012
59
Drijvend paviljoen in de Rijnhaven in Rotterdam (foto: Eric van den Ham).
De meetopstelling bestaat uit een tweetal units met een lichte bouwconstructie, dus weinig thermische massa, waarin verwarmingsvermogen en ventilatiedebiet geregeld kunnen worden. In een van de units is het PCM boven een verlaagd plafond aangebracht in de vorm van K-blocks van Salca BV, Ootmarsum. De andere unit dient als referentie. Door beide units in verschillende meetruns een identiek stook- en ventilatieregime op te leggen en de temperatuurrespons te vergelijken kan er een uitspraak gedaan worden over de invloed van het PCM op het thermisch binnenklimaat en de effectiviteit van de gevolgde ventilatiestrategieën. Uit metingen blijkt dat de K-blocks, afhankelijk van de gevolgde ventilatiestrategie, in staat zijn een temperatuurpiek met circa 0,5 tot 2 graden Celsius te dempen.
Voorbeeldgebouwen in Nederland In Nederland zijn ook al diverse gebouwen te vinden waarin fase-overgangsmaterialen als thermisch opslagmateriaal zijn toegepast. Ondanks dat er meerdere gebouwen met PCMs zijn, zullen hieronder slechts drie kort worden besproken. Een van de eerste gebouwen, zeker in Nederland, waarin fase-overgangsmaterialen zijn toegepast is de door Architectenbureau Atelier PRO ontworpen uitbreiding van het kantoorgebouw van Peutz BV in Zoetermeer Rond het jaar 2000 is door Arcadis een klimateriseringsconcept bedacht op basis van PCM, het zogenaamde AIR PCM. In de jaren daarna is dit concept in laboratoria van de TU Delft gedetailleerd onderzocht en zijn modellen ontwikkeld op grond waarvan de prestatie kan worden bepaald. Peutz BV werd toen bereid gevonden hun nieuwbouwkantoor in Zoetermeer ter beschikking te stellen voor een praktijkproef met dit concept. Elke ruimte bevatte een open metalen plafond uitgerust met een laag van twee centimeter PCM met een beoogde smelttemperatuur van 22.5°C, een kleine mechanische balansventilatie-unit met warmteterugwinning, en een geavanceerd meet- en regelsysteem (van Dorp en Schmitz, 2003). In totaal is in het gebouw 7000 kg PCM geïnstalleerd (van Dorp en Schmitz, 2003).
Echter, de ervaringen met de PCM toepassing in dit gebouw zijn niet positief, niet zozeer vanwege het concept, maar door de gebrekkige implementatie: de warmteterugwinning en het centrale regelsysteem werkten niet goed, en de ventilatoren maakten teveel lawaai; daardoor liet het thermisch (en akoestisch) comfort vaak te wensen over. Snel na ingebruikname van het gebouw zijn de installaties uitgezet. Uit onderzoek in het Peutz-laboratorium in Mook om de oorzaken van het niet functioneren van het systeem te achterhalen, bleek dat de warmteterugwinunits gebreken vertoonden en dat het toegepaste PCMmateriaal geen stabiele smelttemperatuur had. Hieruit blijkt duidelijk dat het belangrijk is om zeer zorgvuldig te werk te gaan bij de toepassing van PCMs in gebouwen. Een ander gebouw in Nederland, naast het Wilo hoofdkantoor (zie bijstaande column – red.) waarin PCM is toegepast, is het in 2010 opgeleverde drijvend paviljoen in Rotterdam, gelegen in de Rijnhaven. Dit paviljoen, ontworpen door Deltasync en Public Domain Architecten en geadviseerd door Unica Installatietechniek en DWA, bestaat uit drie aan elkaar gekoppelde ‘halve’ bollen met een diameter van ongeveer 24 meter voor de grootste bol. Het paviljoen bevat een expositie- en ontvangstruimte en moet een icoon zijn op het gebied van bouwen op het water en duurzaam bouwen. Vanwege de laatste reden is het gebouw wat energie betreft zoveel als mogelijk zelfvoorzienend. Voor verwarming en koeling wordt gebruik gemaakt van de zon en het oppervlaktewater. Ook PCMs spelen in deze strategie een belangrijke rol. Het fase-overgangsmateriaal met een smelttemperatuur van 20oC is in speciale kasten in het plenum boven het plafond toegepast (Autarkis, 2011). Overdag zal een indirect adiabatisch koelsysteem in combinatie met het PCM het auditorium koelen. ’s Nachts zal het koelsysteem ervoor zorgen dat het PCM weer geregenereerd wordt.
Afsluiting Het is belangrijk dat tijdens het ontwerp rekening wordt gehouden met het gebruik van PCMs. De PCMs moeten namelijk ook weer geregenereerd kunnen
worden. Dit houdt in dat de warmte die overdag is opgeslagen ’s nachts weer verwijderd moet kunnen worden. Dit kan op een aantal manieren, bijvoorbeeld passief door gebruik van nachtventilatie met koele buitenlucht of actief door combinatie met betonkernactivering. Bij oudere gebouwen met PCMs is dit regenereren nogal eens misgegaan waardoor uiteindelijk geen comfortabel binnenklimaat werd gerealiseerd. Maar zoals enkele nieuwere gebouwen met PCMs, zoals het Wilo hoofdkantoor en het drijvende paviljoen, laten zien, kan bij een goed ontwerp met PCMs een zekere mate van energiebesparing worden bereikt. Daarmee kunnen fase-overgangsmaterialen, mits op de juiste wijze toegepast, een interessante bijdrage leveren aan moderne lichtgewicht gebouwen. Echter, het effect moet niet overschat worden. t Bronnen Autarkis BV (2011), ‘Drijvend paviljoen te Rotterdam’ en ‘Uniek woonhuis met PCM koude- en warmteopslag’, www.autarkis.nl, bekeken 14 oktober 2011. Baetens, R., B.J. Jelle en A. Gustavsen (2011), ‘Phase change materials for building applications: A state-of-the-art review’, Energy and Buildings 42 (9): 1361-1368. Bouwman, I.M. (2008), ‘PCM in the built environment’, Presentatie 4, Deerns raadgevend ingenieurs, Rijswijk. Dieckmann, J. (2008), ‘Latent heat storage in concrete’, presentatie, Third International Renewable Energy Storage Conference IRES2008, 24-25 november, Berlijn, bekeken op 13 oktober 2011, www.eurosolar.org. Dorp, J. van en A.H.H. Schmitz (2003), ‘Autarkische dc-pcm gebouwen’, TVVL magazine 2003 (9): 10-15. Hasselaar, B.L.H. en A.A.J.F. van den Dobbelsteen (2007), ‘Climate Adaptive Skins: towards the new energy-efficient façade’, In: C.A. Brebbia (ed.), Management of Natural Resources, Sustainable Development and Ecological Hazards, WIT Press, Ashurst. Hasselaar, B.L.H., W.H. van der Spoel, R.M.J. Bokel en J.J.M. Cauberg (2008), ‘Simulation of Innovative Climate Control Strategies Using Passive Technologies’, In: T. Hasan en J. Ye (eds.), Proceedings van de 1st International Conference on Industrialised, Integrated, Intelligent Construction (I3CON), Loughborough, 14-16 mei, pp. 239-249. Hoes, P., M. Trcka, J.L.M. Hensen en B. Hoekstra Bonnema (2011a), ‘Hybride adaptieve thermische energieopslag’, TVVL-Magazine 2011 (2): 6-10. Hoes, P., M. Trcka, J.L.M. Hensen en B. Hoekstra Bonnema (2011b), ‘Investigating the potential of a novel low-energy house concept with hybrid adaptable thermal storage’, Energy Conversion and Management 52 (6): 2442-2447. Spoel, W.H. van der en J.J.M. Cauberg (2006), ‘Optimization of passive application of phase-change materials in building walls’, In: Fazio, Ge, Rao en Desmarais (eds.), Research in Building Physics and Building Engineering, Taylor & Francis Group, Londen.
Auteurs: Dr. ir. arch. Martin Tenpierik is werkzaam bij TU Delft, Faculteit Bouwkunde, Bouwfysica. Dr .ir. Kees van Kranenburg is werkzaam bij Hogeschool Rotterdam, Instituut voor Bouw en Bedrijfskunde.