ISSO-publicatie 111
Phase Change Materials (PCM) Ontwerprichtlijn ten behoeve van klimatisering van gebouwen
ISBN: 978-90-5044-313-5
INHOUDSOPGAVE Samenvatting
7
Afkortingen
1
2
11
Begrippenlijst
13
Inleiding
17
1.1
Doelstelling
17
1.2
De geschiedenis
17
1.3
De toekomst
17
1.4
Phase Change Materials
18
1.5
Bereik
23
1.6
Integraal ontwerpen
25
1.7
Doelgroep
2.2
2.3
2.4
2.5
27 Thermodynamica
27
2.1.1
Temperatuur
27
2.1.2
Warmtecapaciteit
28
2.1.3
Enthalpie
29
2.1.4
Vrije enthalpie
29
Overzicht PCM's
33
2.2.1
Homogeen versus inhomogeen
33
2.2.2
Verontreinigingen
33
2.2.3
Water als referentie-PCM
34
2.2.4
Anorganische zouthydraten
34
2.2.5
Organische PCM's
34
Kristalliseren
35
2.3.1
Onderkoeling van PCM's
35
2.3.2
Temperatuurtrajecten
37
2.3.3
Hysteresis
40
Toepasbare PCM's
41
2.4.1
Energie, exergie en anergie
41
2.4.2
Theoretische warmtecapaciteit
42
2.4.3
Veiligheid
44
Eigenschappen PCM's
44
PCM-halffabricaten
47
3.1
47
Microverkapseling
3.2
Macroverpakking
47
3.3
Eigenschappen PCM-halffabricaten
47
3.3.1
Corrosie en stofdiffusie
48
3.3.2
Sterkte en vermoeiing
48
3.4
ISSO-publicatie 111
25
PCM's 2.1
3
9
Symbolenlijst
3.3.3
Vorm en warmteweerstand
48
3.3.4
Cyclusstabiliteit
50
3.3.5
Onderkoeling van PCM-halffabricaten
Benutbare warmtecapaciteit
51 51
3.4.1
Laboratorium- versus praktijkomstandigheden
52
3.4.2
Thermisch ideaal versus niet-ideaal gedrag
53
3
Phase Change Materials (PCM)
3.5
4
5
60
3.5.1
Microverkapseld organisch PCM in een bouwpaneel
60
3.5.2
Macroverpakt organisch en anorganisch PCM in panelen
61
3.5.3
Brandcriteria
62
PCM-eindproducten
63
4.1
Klimatiseren van leefzones
63
4.2
Het direct klimatiseren
66
4.2.1
Hydraulische analogieĂŤn
69
4.2.2
Elektrische analogieĂŤn
77
4.2.3
Simulatie in zomerperiode
81
4.2.4
Zomerse warmtebalansen
83
4.2.5
Dimensioneringstools
85
4.2.6
Simulaties in de winterperiode
93
4.2.7
Ontwerpoverwegingen
96
4.2.8
Het direct klimatiseren
97
4.3
Het indirect klimatiseren
4.4
Levenscyclusanalyse
99
4.5
CE-machinerichtlijn en -markering
99
4.6
99
Brandcriteria
99
PCM-klimatiseren
101
5.1
Thermische dynamica
102
5.1.1
Warmteverlies en warmtecapaciteit
102
5.1.2
Traditioneel klimatiseren en regelen
107
5.1.3
Innovatief klimatiseren en regelen
120
5.1.4
Traditioneel versus innovatief
122
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
ISSO-publicatie 111
Overzicht PCM-halffabricaten
Direct PCM-klimatiseren
132
5.2.1
Ontwerpfilosofie
133
5.2.2
Ontwerpdoelstelling
133
5.2.3
Ontwerpproces
133
Dynamische prestatie-eisen
134
5.3.1
Binnenluchtkwaliteit
134
5.3.2
Thermische behaaglijkheid
136
Dynamische verstoringen
140
5.4.1
Interne verstoringen
141
5.4.2
Externe verstoringen
141
Dynamische responsies
146
5.5.1
Energiedragers
147
5.5.2
Benutbare warmtecapaciteit
149
Integraal ontwerpen en dimensioneren
159
5.6.1
Traditionele vierpijps klimaatinstallaties als referentie
160
5.6.2
Indirect PCM-klimatiseren
173
5.6.3
Hybride tweepijps PCM-klimaatinstallaties
179
5.6.4
Nulpijps PCM-klimaatinstallaties
207
Kwantitatief integraal ontwerpen
227
4
Phase Change Materials (PCM)
Bijlage A
Thermodynamica
233
Bijlage B
Benutbare warmtecapaciteit
239
Bijlage C
Warmtecapaciteitmodellen
248
Bijlage D
Eerste en tweede orde model
252
Bijlage E
Vrije convectie en straling
260
Bijlage F
Gedwongen convectie
262
Bijlage G
Analyse traditioneel klimatiseren en regelen
267
Bijlage H
De binnenlucht- en resulterende binnentemperaturen bij een PCM-klimaatplafond
289
Bijlage I
De dynamische massabalans
294
Bijlage J
Water versus lucht
296
Bijlage K
Inductie- versus ventilatorconvectoren
300
Bijlage L
Optimale nacht- en weekeindverlagingen
305
Bijlage M
Verwarmings- en koelgrenzen
309
Literatuurlijst
ISSO-publicatie 111
313
5
Phase Change Materials (PCM)
SAMENVATTING Doelstelling van de publicatie De ontwerprichtlijn Phase Change Materials (PCM) of faseovergangsmaterialen richt zich op het klimatiseren van leefzones in utiliteitsgebouwen en woningen of woongebouwen met behulp van faseovergangsmaterialen met de aggregatietoestanden vast en vloeibaar. Het betreft een kortetermijn-dag-nacht-warmteopslag voor het direct en indirect klimatiseren van ruimten. Het direct klimatiseren vindt plaats door PCM-klimaatplafonds, wanden en vloeren, PCM-inductie en ventilatorconvectoren en PCM-meubilair. Het indirect klimatiseren heeft betrekking op lucht-PCMwarmtewisselaars in de ventilatielucht en water-PCM- of koudemiddel-PCM-warmtewisselaars als thermische buffers in de werktuigbouwkundige installatie. Het direct klimatiseren van leefzones door PCM's be誰nvloedt de thermische ruimtedynamica, dat wil zeggen de warmtecapaciteit van de ruimte neemt toe. Directe PCM-leefzoneconditionering valt dan ook niet meer op een traditionele, stationaire, wijze te ontwerpen. Daarentegen be誰nvloeden de PCM-warmte- en koudebuffers die in de klimaatinstallaties zijn opgenomen de thermische ruimtedynamica niet. De grootte van de thermische buffers is dan ook vergelijkbaar met traditioneel ontworpen klimaatinstallaties. Vanwege de innovatieve waarde richt deze publicatie zich voornamelijk op het direct klimatiseren met behulp van PCM's. Doelgroepen De publicatie is een ontwerprichtlijn voor de volgende doelgroepen: Aannemer(s) met een eigen ontwerpafdeling De aannemer kan met de ontwerprichtlijn een gedegen ontwerp maken voor zijn klanten. Een en ander in goed overleg met de installateur of installatieadviseur vanwege de nauwe samenhang met de gebouwinstallaties. Bouwkundig adviseur Omdat PCM's vaak als bouwkundige elementen worden gezien kan de bouwkundig adviseur in samenspraak met de installatieadviseur en/of installateur op basis van deze publicatie een goed ontwerp maken waarin PCM's zijn ge誰ntegreerd. Installatietechnisch adviseur Het is ook mogelijk dat de installatietechnisch adviseur PCM's meeneemt in zijn/haar ontwerp. Deze publicatie biedt de tools om hiermee aan de slag te gaan. Ook hier moet nauw samengewerkt worden met de bouwkundige partijen om een goed integraal ontwerp te maken. Architecten De publicatie geeft architecten informatie wat PCM's zijn en hoe ze ge誰ntegreerd kunnen worden in bouwkundige en installatietechnische elementen. Inhoud De publicatie gaat diepgaand in op PCM's waarbij de werking zoveel mogelijk met behulp van thermodynamica wordt uitgelegd. Dit is nodig om een goed begrip te krijgen hoe PCM's precies werken. Hierdoor krijgt de lezer van deze publicatie beter grip op de materie en kan ook als zodanig zijn of haar klanten adviseren. De publicatie bestaat uit zes hoofdstukken: Hoofdstuk 1, Inleiding, geeft de randvoorwaarden aan waarom het voordeliger is om leefzones met PCM te klimatiseren. Hoofdstuk 2 behandelt de thermodynamica en de kristallisatietheorie van de twee typen toepasbare PCM's: organische PCM's en anorganische zouthydraten. Hoofdstuk 3, PCM halffabricaten, behandelt de warmteopslagmechanismen van microverkapselde en van macroverpakte PCM's. Hierbij komen thermisch ideaal en niet-ideaal gedrag aan de orde. Het hoofdstuk wordt afgesloten met een eerste ontwerptool, sinusresponsies voor de berekening van de benutbare warmtecapaciteit van thermische dunne en dikke panelen. Hoofdstuk 4, PCM-eindproducten, geeft inzicht in het vermogen en de warmtecapaciteit van: 1. PCM-inductie en ventilatorconvectoren; 2. PCM-klimaatplafonds, wanden en vloeren voor het direct klimatiseren van leefzones; 3. Lucht-PCM- en water-PCM-warmtewisselaars in werktuigbouwkundige installaties.
ISSO-publicatie 111
7
Phase Change Materials (PCM)
Hoofdstuk 5, PCM-klimatiseren, behandelt het ontwerpen en dimensioneren van het direct en indirect klimatiseren van ruimten met PCM's. De hoofdstukindeling is grafisch als volgt weer te geven:
1. Inleiding
2. PCM's
3. PCM halffabricaten
4. PCM eindproducten
5. PCM klimatiseren
Organisch PCM
Micro verkapseld
Vrije convectie + straling
Direct klimatiseren
Anorganische zouthydraten
Macro verpakt
Gedwongen convectie
Indirect klimatiseren
Faseovergang vast -> vloeibaar
- Thermodynamica - Kristalisatie - Theorie
- Warmte opslag mechanismen - Sinusresponsie
Vermogen en capaciteit
Ontwerpen dimensioneren
Afb. Samenvatting inhoud ontwerprichtlijn
ISSO-publicatie 111
8
Phase Change Materials (PCM)
AFKORTINGEN Bi
Getal van Biot.
COP
Coefficient Of Performance.
DSC
Differential Scanning Calorimetrie.
DX
Direct Expansie.
EPC
Energie Prestatie Coëfficiënt.
FAT
Factory Acceptance Test.
HDPE High Density Poly Ethyleen. HTK
Hoog Temperatuur Koeling.
HTV
Hoog Temperatuur Verwarming.
LCK
LevensCyclusKosten.
LDPE Low Density Poly Ethyleen. LTK
Laag Temperatuur Koeling.
LTV
Laag Temperatuur Verwarming.
PCM
Phase Change Material.
PP
Poly Propyleen.
RMOT Running Mean Outdoor Temperature. RV
Relatieve luchtvochtigheid.
SAT
Site Acceptance Test.
SI
Système International d'unités.
WTW WarmteTerugWinning.
ISSO-publicatie 111
9
Phase Change Materials (PCM)
SYMBOLENLIJST A
oppervlak
[m2]
A
jaarlijkse afschrijvingen en rentekosten
[€/a]
a
temperatuurvereffeningcoëfficiënt
[m2/h]
a
annuïteitenfactor
[-]
b
energiebesparing
[%]
C
warmtecapaciteit
[Wh/K]
c
specifieke warmtecapaciteit
[Wh/(kg·K)]
D
dempingsfactor
[-]
d
lengte/dikte
[m]
d/ dt
differentiaalquotiënt naar de tijd
[1/h]
E
elektriciteitsgebruik
[kWh/d]
E
jaarlijkse elektriciteitskosten
[€/a]
Ex
jaarlijkse exploitatiekosten
[€/a]
F
kracht
[N]
F
hulpfactor (bijlage B)
[-]
fo
aantal thermische massa's
[-]
fc
elektriciteitsprijs
[€/kWh]
G
vrije enthalpie
[J of Wh]
g
specifieke vrije enthalpie
[Wh/m3]
H
enthalpie
[J of Wh]
h
specifieke enthalpie
[Wh/kg]
h
specifieke warmteverlies
[W/(K·m2vloer)]
h
ruimtehoogte
[m]
i
rentepercentage
[%]
l
afstand
[m]
m
massa
[kg]
nv
ventilatievoud
[1/h]
ni
infiltratievoud
[1/h]
ni
inductievoud
[1/h]
n
aantal
[-]
n
economische levensduur
[a]
o
percentage onderhoud
[%]
O
jaarlijkse onderhoudskosten
[€/a]
P
warmtestroom/ruimtebelasting
[W]
p
specifieke ruimtebelasting
[W/m2vloer]
Q
warmte
[J of Wh]
q
warmtestroomdichtheid
[W/m2]
q
warmtedissipatie energie/warmtecapaciteit per oppervlakteeenheid
[Wh/m2]
R
warmteweerstand
[(m2·K)/W]
r
straal
[m]
S
entropie
[J of Wh]
s
afstand
[m]
ISSO-publicatie 111
11
Phase Change Materials (PCM)
r
straal
[m]
T
absolute temperatuur
[K]
T
periodetijd
[s of h]
t
tijd
[s of h]
U
inwendige energie
[J of Wh]
Ur
warmtedoorgangscoëfficiënt
[W/(m2·K)]
V
volume
[m3]
V
debiet
[m3/h]
v
snelheid
[m/s]
v
debiet per oppervlakteeenheid
[m3/(h·m2vloer)]
ν
viscositeit
[m2/s]
W
arbeid
[J of Wh]
x
dikte
[m]
ZTA zontoetredingsfactor
[%]
De SI-eenheid voor energie is Joules (J). In praktische toepassingen wordt vaak de eenheid Wattuur (Wh) gebruikt. 1 Wh komt dan overeen met 3,6 kJ. Formuletekens: α
warmteoverdracht door vrije convectie en straling of gedwongen convectie
σ
oppervlaktespanning
[Pa]
Δ
numeriek verschil
[-]
εa
contaminent removal effectiveness
[-]
ε
wandruwheid
[m]
λ
warmtegeleidingscoëfficiënt
[W/(m·K)]
η
rendement
[-]
θ
temperatuur
[°C of K]
ρ
soortelijke massa/dichtheid
[kg/m3]
τ
tijdconstante
[h of s]
ϕ
relatieve vochtigheid
[%RV]
ω
hoekfrequentie
[1/h]
[W/(m2·K)]
Indices: -1
Beginconditie
-2
Eindconditie
o
Omgeving
p
PCM of constante druk
v
Verpakking
ISSO-publicatie 111
12
Phase Change Materials (PCM)
BEGRIPPENLIJST Adiabatisch proces Een proces is adiabatisch als er geen warmte met de omgeving wordt uitgewisseld. Aggregatietoestand De toestand waarin een stof zich bevindt. De bekendste aggregatietoestanden zijn vast, vloeibaar en gasvormig. Anion Negatief geladen ion. Arbeid Arbeid is de energie die door een kracht wordt geleverd. Wanneer deze kracht constant is, geldt: W = F · Δs
[J]
Waarin: W = Arbeid in Joule
[J]
F
[N]
= Kracht in Newton
Δs = Afgelegde weg
[m]
Benodigde warmtecapaciteit Dit is de noodzakelijke warmtecapaciteit van en in de ruimten voor het klimatiseren van de leefzones. Benutbare warmtecapaciteit Dit zijn de benutbare warmtecapaciteiten van PCM-eindproducten en de bouwkundige massa's voor het klimatiseren van leefzones. Bindingsenergie In deze publicatie wordt de volgende definitie gehanteerd: de energie die nodig is om een atoom/molecuul uit een rooster te halen. Covalente binding Binding tussen atomen op basis van gedeelde elektronenparen. Cyclusstabiliteit De mate waarin een PCM gedurende de technische levensduur kan smelten en stollen zonder dat de werking van het PCM vermindert. Dipool Door de vorm van het molecuul kunnen de zwaartepunten van de positieve en negatieve elektrische lading in het molecuul niet samenvallen (zoals bij water). Als tussen deze zwaartepunten een bepaalde afstand zit is er sprake van een dipool.
2x-
Zwaartepunt negatieve lading
O H
+
H+ Zwaartepunt positieve lading
Afb. Ladingen watermolecuul. Het zwaartepunt van de negatieve lading bij het zuurstofatoom komt niet overeen met het zwaartepunt van de positieve ladingen van de waterstofatomen.
ISSO-publicatie 111
13
Phase Change Materials (PCM)
Endotherm proces Een proces dat warmte opneemt. Enthalpie De enthalpie is een maat voor de energiehoeveelheid in een systeem die berekend wordt door de som van de interne energie in een systeem en de druk maal het volume in dat systeem. Entropie Maat voor wanorde in een systeem. Exotherm proces Een proces waarbij warmte wordt afgestaan. Faseovergangsmaterialen Faseovergangsmaterialen of Phase Change Materials (afgekort PCM's) zijn materialen die door een faseovergang warmte uit de omgeving kunnen opnemen door te smelten of warmte aan de omgeving kunnen afstaan door te stollen. Hierdoor wordt de ruimte gekoeld resp. verwarmd. Heterogene kiemvorming Dit is kiemvormging waarbij additieven aan het PCM zijn toegevoegd ter bevordering van de kiemvorming. Homogene kiemvorming Dit is kiemvorming indien de kristallisatiekiemen direct uit de smelt worden gevormd (dus zonder additieven). Hysteresis Het smelten en stollen van een PCM gebeurt niet langs dezelfde temperatuurtrajecten. Het verschil hiertussen wordt hysterese genoemd. Isobaar proces Een proces waarbij de druk in een systeem constant blijft. Isotherm proces Een proces waarbij de temperatuur in een systeem constant blijft. Kation Positief geladen ion. Kristallisatie Vorming van kristallen bij het vast worden van een vloeistof of gas. Kristallisatiekern Dit zijn kernen waaromheen zich kristallen kunnen vormen. Vaak worden verontreinigingen gebruikt waar omheen kristallen kunnen vormen. Maximum-entropieprincipe Het fenomeen dat voor processen de entropie altijd zal toenemen. Minimum-energieprincipe Voor een gesloten systeem met constante externe paramaters (zoals het volume) en entropie zal de interne energie afnemen en een minimale evenwichtswaarde bereiken. Mol De mol is een basiseenheid uit het SI-stelsel voor de hoeveelheid stof. Moleculaire kiemvorming Homogene secundaire kiemvorming. Molmassa of molaire massa Dit is de massa van 1 mol stof. Dit kan worden uitgerekend door het quotiĂŤnt te nemen van de massahoeveelheid met de stofhoeveelheid in mol. Niet-covalente binding Een binding tussen atomen of moleculen op basis van elektromagnetische interacties waarbij geen elektronen worden gedeeld. Een voorbeeld hiervan zijn Van der Waalskrachten.
ISSO-publicatie 111
14
Phase Change Materials (PCM)
Op- en ontlaadcapaciteit Dit zijn de additioneel te installeren verwarmings- en koelcapaciteiten om het geïnstalleerde PCM te laden of te ontladen. De verwarmings- en koelcapaciteiten zijn gelijk aan het product van de geïnstalleerde verwarmings- en koelvermogens met de bedrijfstijden. Primaire kiemvorming De vorming van de kernen vindt plaats vanuit een heldere oplossing waarin zich nog geen kristallen bevinden. Relaxatietijd De karakteristieke tijd voor een systeem om een evenwichtstoestand te bereiken na een verstoring. Responsietijd De responsietijd is gelijk aan de faseverschuiving van een sinusverstoring naar de sinusresponsie. Secundaire kiemvorming Dit is het proces waarbij reeds aanwezige kristallen als kiem optreden. Sinusresponsie De sinusvormige reactie op een verstoring in een systeem. De temperatuur van bijvoorbeeld een PCM reageert sinusvormig op het sinusvormige verloop van de omgevingstemperatuur. Sinusverstoring Verstoring in een systeem in de vorm van een sinusfunctie. PCM's worden bijvoorbeeld verstoord door de omgevingstemperatuur die sinusvormig verloopt. Smeltfront De grens in een stof tussen de vloeibare en vaste aggregatietoestand. Smelttemperatuur De temperatuur waarbij het PCM van de aggregatietoestand vast naar de aggregatietoestand vloeibaar wordt omgezet. Specifieke enthalpie Enthalpie per massa-eenheid. Stofdiffusie Tgv concentratieverschillen van verschillende stoffen in een zelfde ruimte treden er stofstromen op om deze verschillen te vereffenen. Temperatuurvereffeningscoëfficiënt De temperatuurvereffeningscoëfficiënt is de warmtegeleidingscoëfficiënt λ (in W/K/m) gedeeld door de soortelijke warmte bij constante druk cp (in J/K/kg) en gedeeld door de massadichtheid (in kg/m3). Van der Waalskrachten De Van der Waalskrachten zijn zwakke tot zeer zwakke elektromagnetische krachten tussen atomen of moleculen. Volumieke enthalpie Enthalpie per volume-eenheid van een stof. Vrije enthalpie Het verschil tussen enthalpie en het product van absolute temperatuur en entropie: een maat voor de nuttige arbeid verkregen vanuit een thermodynamisch systeem bij constante temperatuur en druk. Warmtecapaciteit Het vermogen van een voorwerp om energie op te slaan in de vorm van warmte. Warmtedissipatie De onvermijdelijke irreversibele thermodynamische processen die in de meeste realistische (niet-ideale) systemen optreden en die resulteren in een verlies van nuttige energie. Warmtedoorgangscoëfficient De warmtedoorgang door een constructiedeel per eenheid van oppervlakte.
ISSO-publicatie 111
15
Phase Change Materials (PCM)
Warmtegeleidingscoëfficient De warmtegeleidingscoëfficiënt van een bepaalde stof is de warmtestroomdichtheid (W/m2) die in een laag met een dikte van 1 m ontstaat bij 1 K temperatuurverschil aan weerszijden van die laag, in eenheden uitgedrukt dus W/(m·K). Warmteoverdrachtscoëfficient De warmteoverdrachtscoëfficiënt is een maat voor de warmteoverdracht bij convectie (in tegenstelling tot warmteoverdracht door geleiding). Warmteweerstand De warmteweerstand van een constructie is letterlijk de weerstand van deze constructie tegen warmte(doorgang); deze weerstand is evenredig aan de dikte en omgekeerd evenredig aan de mate van warmtegeleiding (warmtegeleidingscoëfficiënt). Waterstofbrug Een (niet covalente) verbinding tussen een waterstofatoom en een sterk elektronegatief atoom zoals zuurstof, stikstof of fluor.
ISSO-publicatie 111
16
Phase Change Materials (PCM)
1
INLEIDING
Dit inleidende hoofdstuk behandelt de doelstelling, het bereik en de doelgroep van deze publicatie. Daarnaast behandelt dit hoofdstuk in het kort het klimatiseren van kunstmatige leefzones in gebouwen door gebruik te maken van faseovergangsmaterialen. Ook wordt kort de geschiedenis besproken en de toekomst geschetst van faseovergangsmaterialen in de gebouwde omgeving. De noodzaak van integraal ontwerpen en energieneutraal bouwen wordt aangegeven. Deze faseovergangsmaterialen worden in deze publicatie aangeduid als PCM's (Phase Change Materials). 1.1 DOELSTELLING ISSO stelt zich ten doel het versterken van de bouw- en installatietechniek in de bedrijfskolom, het bevorderen van de eenduidigheid, evenals het verbeteren van de kwaliteit van het klimatiseren van leefzones, architectuur, bouwfysica en installatietechniek. ISSO zorgt voor de benodigde kennis, draagvlak voor technische richtlijnen en het technisch kader voor certificatie. Vanuit die doelstelling publiceert ISSO handboeken en normatieve richtlijnen. Deze publicatie is een normatieve richtlijn die de toepassing beschrijft van materialen met de faseovergang van vast naar vloeibaar voor het gezond, comfortabel en duurzaam klimatiseren van leefzones in gebouwen. Ongetwijfeld heeft veel van deze richtlijn ook betrekking op Thermo Chemische Materialen (TCM's) en verpompbare PCM-slurries. Maar evenals ijsbuffers worden deze samen met PCM-buitengevels, beglazing en zonwering niet behandeld in deze publicatie. 1.2 DE GESCHIEDENIS Al zeer lang worden faseovergangen van stoffen en materialen, zoals het smelten van ijs en het verdampen van water, gebruikt voor koeling. In China werd al in 1100 v. Chr. ijs op voor koeling in de zomer opgeslagen. Hierbij werd ijs van de winter of bevroren sneeuw uit de bergen in ijshuizen opgeslagen [1.1]. Deze kennis ontwikkelde zich in de loop der eeuwen verder tot het gebruik van ijskelders in de middeleeuwen in kastelen en landhuizen. In deze ijskelders werd 's zomers voornamelijk voedsel gekoeld. In de negentiende eeuw mondde dit, met name in de Verenigde Staten, uit in ijskasten en het klimatiseren van gebouwen door lucht-ijs-warmtewisselaars in luchtbehandelingkasten [1.2]. Vóór het tijdperk van de compressiekoeling (een mechanische toepassing van de faseovergang van vloeibaar naar gas) werd met bevroren water, veel geld verdiend. Een voorbeeld hiervan is wel 'The Iceking', Frederic Tudor uit Boston [1.3]. Met betrekking tot het klimatiseren van gebouwen vond in 1949 met de bouw van het Dover sun house in Massachusetts, de introductie plaats van 'nieuwere faseovergangsmaterialen (Glauberzouten)' ter vervanging van het 'oudere faseovergangsmateriaal' (een mengsel van vloeibaar en bevroren water). In Europa werd pas na de tweede oliecrises (1979) aandacht aan PCM's besteed als potentiële bron van energiebesparing. In eerste instantie als thermische warmteopslag in werktuigbouwkundige installaties. Eind twintigste en begin eenentwintigste eeuw verschoof de aandacht steeds meer naar het direct klimatiseren van ruimten door gebruik te maken van faseovergangsmaterialen [1.4]. Deze ISSO-publicatie richt zich op toepassing van materialen met de aggregatietoestanden vast en vloeibaar en met smelttemperaturen hoger dan van ijs en lager dan van kokend water. Voor het direct klimatiseren van gebouwen gaat de aandacht vooral uit naar smelttemperaturen binnen het thermische behaaglijkheidbereik van de mens, tussen 18 en 28 °C. Voor de materialen met faseovergang van vast naar vloeibaar wordt in deze publicatie de uitdrukking Phase Change Material of afgekort PCM gebruikt, en in plaats van 'bevriezen van de vloeibare aggregatie toestand' spreekt deze publicatie van 'stollen en kristalliseren'. 1.3 DE TOEKOMST Met de steeds verdergaande aanscherpingen van de Energie Prestatie Coëfficiënten (EPC) neemt het belang van het vanaf het begin opnemen van thermische massa's in het ontwerpproces steeds meer toe. Door de aanscherpingen van de EPC-criteria wordt het warmteverlies van de gebouwschil verdergaand gereduceerd. Kieren en naden worden nauwkeuriger afgedicht, de schilisolatie wordt verbeterd en de warmteterugwinning wordt vergroot. Samen met de huidige binnenarchitectuur, lichtbouw binnenwanden (of zelfs geen binnenwanden meer), gesloten systeemplafonds en vloerbedekking, verworden gebouwen tot massaloze thermosflessen, waarin de interne warmtedissipatie niet meer wordt gedempt maar versterkt. In dit soort gebouwen met een gering schilverlies en geen benutbare interne warmtecapaciteit vindt een verschuiving plaats van minder verwarmen naar meer koelen en uiteindelijk naar geen netto energiebesparingen meer. Het kenmerk van PCM's is een grotere benutbare warmtecapaciteit dan traditionele bouwmaterialen.
ISSO-publicatie 111
17
Phase Change Materials (PCM)
In de afgelopen decennia zijn niet alleen de architectuur en bouwtechniek veranderd maar ook de gebouwinstallaties. Bij het klimatiseren van gebouwen heeft een transformatie plaatsgevonden van lage temperatuur koeling (ltk) naar hoge temperatuur koeling (htk) en van hoge temperatuur verwarming (htv) naar lage temperatuur verwarming (ltv). Dit heeft er mede toe bijgedragen dat het steeds interessanter wordt de htk en ltv te vervangen door faseovergangsmaterialen met vergelijkbare smelttemperaturen. 1.4 PHASE CHANGE MATERIALS In het thermisch ideale geval smelten en stollen PCM's bij een constante smelttemperatuur. Is de omgevingstemperatuur hoger dan de smelttemperatuur, dan treedt een warmtestroom op van de omgeving naar het PCM. Het PCM smelt door warmteopname uit de omgeving. Tijdens het smelten staat de omgeving warmte af aan het PCM waardoor de omgeving zelf afkoelt. De omgevingstemperatuur geeft dus richting aan de faseovergang smelten of stollen, en het temperatuurverschil vormt de drijvende kracht. Bij een thermisch ideaal PCM blijft, gedurende de volledige faseovergang van vast naar vloeibaar de temperatuur onveranderd hetzelfde. Het is een constante, stationaire smelttemperatuur die resulteert in een niet voelbare (latente!) warmteopslag, met een (schijnbaar) oneindig grote warmtecapaciteit. Is echter de omgevingstemperatuur lager dan de smelttemperatuur dan treedt juist een warmtestroom op van het PCM naar de omgeving. Het PCM stolt door warmteafvoer naar de omgeving. Tijdens het stollen wordt het PCM door de omgeving gekoeld waardoor de omgeving zelf opwarmt. Ook nu weer geeft de omgevingstemperatuur de richting van de faseovergang aan en vormt het temperatuurverschil ook weer de drijvende kracht. Gedurende de volledige faseovergang van vloeibaar naar vast bij een thermisch ideaal PCM blijft de stoltemperatuur hetzelfde. Het is een constante stoltemperatuur, die, in het thermisch ideale geval, gelijk is aan de smelttemperatuur. Het betreft dus een niet voelbare (latente!) warmteontlading, met dezelfde (schijnbare) oneindig grote warmtecapaciteit. Naar oneindig
Warmtecapaciteit [Wh/kgK]
Temperatuur [°C]
vast
vloeibaar
vast + vloeibaar
Afb. 1.1 Thermisch ideaal en niet-ideaal faseovergangsgedrag [tussen vast en vloeibaar] van praktisch toepasbare PCM's in de gebouwde omgeving
ISSO-publicatie 111
18
Phase Change Materials (PCM)
Ideaal PCM Enthalpie [Wh/kg]
Stollen
Smelten
Temperatuur [°C] Constante smelttemperatuur
Afb. 1.2 Thermisch ideaal en niet-ideaal faseovergangsgedrag [tussen vast en vloeibaar] van praktisch toepasbare PCM's in de gebouwde omgeving
ISSO-publicatie 111
19
Phase Change Materials (PCM)
Niet ideaal PCM Enthalpie [Wh/kg]
onderkoeling
hysteresis
Stollen
Smelten
Temperatuur [°C]
Smelttraject
Afb. 1.3 Thermisch ideaal en niet-ideaal faseovergangsgedrag [tussen vast en vloeibaar] van praktisch toepasbare PCM's in de gebouwde omgeving Warmtecapaciteit [Wh/kgK]
Smelten Stollen O1
O2
Temperatuur [°C] vast
vast + vloeibaar
vloeibaar
Afb. 1.4 Thermisch ideaal en niet-ideaal faseovergangsgedrag [tussen vast en vloeibaar] van praktisch toepasbare PCM's in de gebouwde omgeving
ISSO-publicatie 111
20
Phase Change Materials (PCM)