De Rol van Faseovergangsmaterialen in Duurzame Bouw en Renovatie: Toepassingen, Voordelen en Installatie

Inleiding

In de zoektocht naar energiezuinigere en comfortabelere gebouwen wint de integratie van geavanceerde materialen in de bouwsector aan populariteit. Een van deze innovaties is het gebruik van faseovergangsmaterialen, oftewel Phase Change Materials (PCM’s). Deze materialen bieden een unieke methode voor thermische energieopslag en temperatuurregulatie, wat hun toepassing bijzonder relevant maakt voor zowel nieuwbouw als renovatieprojecten. Faseovergangsmaterialen zijn stoffen die, door hun vermogen om warmte op te slaan en af te geven tijdens een faseverandering (van vast naar vloeibaar en vice versa), een actieve bijdrage leveren aan het stabiliseren van de binnentemperatuur. Dit resulteert in een vermindering van de piekbelasting op HVAC-systemen en een verlaging van het totale energieverbruik.

Deze materialen werken volgens een fysisch principe waarbij warmte wordt geabsorbeerd wanneer het materiaal smelt en wordt afgegeven wanneer het stolt. Dit proces, bekend als latente warmte, zorgt ervoor dat de omgevingstemperatuur minder snel stijgt bij warmte-instraling en juist minder snel daalt bij kou. De effectiviteit van PCM’s is sterk afhankelijk van de wijze van installatie en de combinatie met andere materialen, zoals biobased isolatie. Hoewel PCM’s veelbelovend zijn voor diverse toepassingen, waaronder vloer- en dakisolatie, zijn er specifieke richtlijnen en voorwaarden nodig om optimale prestaties te garanderen. Dit artikel bespreekt de werking, installatievoorschriften, voor- en nadelen, en de economische en ecologische impact van faseovergangsmaterialen in de bouw.

Het Principe van Faseovergangsmaterialen

Faseovergangsmaterialen (PCM’s) zijn stoffen die in staat zijn grote hoeveelheden thermische energie op te slaan en af te staan door middel van een faseverandering. Het basisprincipe is het absorberen en afgeven van latente warmte. Wanneer de temperatuur in een ruimte stijgt tot boven de smelttemperatuur van het PCM, begint het materiaal te smelten. Tijdens dit smelten absorbeert het materiaal een aanzienlijke hoeveelheid warmte uit de omgeving, waardoor de temperatuurstijging in de ruimte wordt vertraagd of beperkt. Zodra de omgevingstemperatuur daalt en het materiaal weer stolt, wordt de opgeslagen warmte vrijgegeven, wat de ruimte verwarmt.

Dit mechanisme is te vergelijken met de werking van ijs. Zolang er ijs aanwezig is en er warmte wordt toegevoegd, blijft de temperatuur constant op 0°C totdat al het ijs gesmolten is. De toegevoegde warmte wordt "opgeslagen" als latente warmte. In de bouw worden PCM’s toegepast om de binnentemperatuur te reguleren, waardoor de behoefte aan actieve verwarming of koeling afneemt. Deze technologie is een vorm van energieopslag die bijdraagt aan het verlagen van energiekosten en CO2-uitstoot. PCM’s kunnen worden ingezet in diverse vormen, zoals geïncapsuleerde korrels of panelen, en zijn geschikt voor integratie in isolatiematerialen.

Samenwerking met Biobased Materialen

Een effectieve toepassing van PCM’s is de combinatie met biobased isolatiematerialen zoals hennep, vlas en cellulose. Deze materialen beschikken van nature over uitstekende thermische eigenschappen en een hoge warmteopslagcapaciteit. Door PCM’s toe te voegen, wordt deze capaciteit verder geoptimaliseerd. De biobased materialen fungeren als een stabiele drager en dragen bij aan een betere vochtregulatie, wat de werking van de PCM’s ten goede kan komen.

Installatie en Toepassingen in de Bouw

De effectiviteit van faseovergangsmaterialen hangt in hoge mate af van de wijze waarop ze worden geïnstalleerd. De keuze voor een specifieke toepassing hangt af van het beoogde doel (verwarming of koeling) en de constructieve mogelijkheden van het gebouw.

Dakisolatie

Bij dakisolatie worden PCM’s vaak verwerkt in panelen die tussen de dakspanten worden geplaatst. Deze opstelling helpt de warmteoverdracht te vertragen. In sommige gevallen worden de PCM’s geïntegreerd in een compleet isolatiesysteem. De werking is erop gericht de opwarming van de zolder- of bovenste verdieping te beperken tijdens zonnige dagen, door de warmte te absorberen en later af te geven wanneer de temperatuur daalt.

Wandisolatie

Voor wanden worden PCM’s meestal opgenomen in isolatieplaten die aan de binnenzijde van de wand worden aangebracht. Deze toepassing werkt extra goed in combinatie met biobased materialen vanwege hun ademende eigenschappen, die bijdragen aan een betere vochtregulatie. De zogenaamde faseverschuiving – de tijd die warmte nodig heeft om door een materiaal heen te dringen – is afhankelijk van factoren zoals de dikte van de isolatie, de warmtecapaciteit en de dichtheid van het materiaal.

Vloerisolatie

Biobased materialen met PCM’s kunnen worden toegepast onder de vloerconstructie. Hoewel deze materialen veelzijdig zijn, is het belangrijk op te merken dat het gebruik voor spouwmuurisolatie niet wordt aanbevolen volgens de beschikbare gegevens. De integratie in vloeren kan bijdragen aan een stabielere vloertemperatuur, wat het comfort verhoogt.

De PCM Klimaatvloer

Een specifieke toepassing die wordt beschreven is de PCM Klimaatvloer. Dit systeem bestaat uit: - Een laag vermogen warmtepompboiler van 3,5 kW voor warm tapwater en verwarming van het cv-water. - Een warmteterugwinning (WTW) unit die zorgt voor vergrote nachtelijke koeling van de PCM, nodig voor het "stollen" van het materiaal. - Lagetemperatuur vloerverwarming met PCM in de woonkamer en keuken.

De voordelen van PCM bij vloerverwarming zijn dat de warmte van de PCM 's nachts gebruikt kan worden om de vloer op temperatuur te houden, wat de energienota verlaagt. Een nadeel is dat er voldoende ruimte nodig is voor zowel de vloerverwarming als de PCM-cassettes, wat de vloeropbouw verhoogt. Ook de kosten vormen een overweging.

Voor- en Nadelen van PCM's

De keuze voor PCM’s brengt zowel technische als economische overwegingen met zich mee. Hieronder staan de belangrijkste voor- en nadelen opgesomd op basis van de beschikbare data.

Voordelen

• Energiebesparing: PCM-systemen bieden een effectieve manier om zowel de CO2-uitstoot als de energiekosten te verlagen. Wereldwijd zijn gebouwen verantwoordelijk voor ongeveer 40% van het totale energieverbruik; PCM’s dragen bij aan een efficiënter energiegebruik.
• Comfortverhoging: Door het absorberen en afgeven van warmte wordt de temperatuur in de ruimte gestabiliseerd, waardoor pieken in temperatuur worden gedempt.
• Duurzaamheid: PCM’s zijn geschikt voor herhaaldelijk gebruik. Wanneer ze worden geïntegreerd in biobased materialen, sluit dit aan bij initiatieven voor een circulaire economie.
• Lokale productie: De mogelijkheid om biobased materialen lokaal te produceren biedt kansen voor lokale werkgelegenheid en vermindert de transportimpact.
• Toekomstbestendigheid: Met behulp van geavanceerde numerieke tools zoals COMSOL Multiphysics en TRNSYS kunnen onderzoekers de prestaties verder verbeteren, specifiek afgestemd op klimatologische omstandigheden.

Nadelen en Uitdagingen

• Installatievoorwaarden: Luchtdichtheid en gecontroleerde ventilatie zijn essentieel voor een goede werking van PCM’s. Zonder deze condities kan de effectiviteit afnemen.
• Technische complicaties: Er bestaat een risico op problemen zoals lekkage of schade tijdens de faseverandering als de materialen niet op de juiste manier worden verwerkt.
• Behoud isolerende eigenschappen: Een belangrijke uitdaging is om de isolerende eigenschappen van het materiaal te behouden terwijl de PCM’s effectief hun werk doen.
• Ruimtebeslag: Zoals gezien bij de klimaatvloer, kan de integratie van PCM’s leiden tot een dikkere vloeropbouw of meer ruimtegebruik in wanden of daken.
• Kosten: De initiële kosten voor aanschaf en installatie kunnen een drempel vormen, hoewel dit wordt gecompenseerd door energiebesparing.

Installatievoorwaarden en Risicobeheer

Voor een optimaal functioneren van PCM’s in biobased gebouwen moeten bepaalde installatievoorwaarden strikt worden nageleefd. Luchtdichtheid is cruciaal; luchtstromen kunnen de warmteoverdracht verstoren en de opslag van latente warmte belemmeren. Daarnaast is gecontroleerde ventilatie nodig om vochtproblemen te voorkomen en de binnenshuimse luchtkwaliteit te waarborgen.

Om technische complicaties te voorkomen, is het zorgvuldig encapsuleren van PCM’s een vereiste. Encapsulering houdt in dat de PCM’s worden ingesloten in een beschermende huls, wat lekkage en schade tijdens de faseverandering voorkomt. Deze aanpak, gecombineerd met goed ontworpen opslag- en verwerkingssystemen, helpt om een optimale temperatuurregulatie te garanderen. Het succes van een dergelijk project hangt sterk af van nauwkeurige planning en het gebruik van hoogwaardige materialen.

PCM Koeling: Een Specifieke Toepassing

Naast isolatie en warmteopslag wordt PCM-technologie ook toegepast voor koeling, met name in serverruimtes en datacenters. Bedrijven zoals Duraflow hebben systemen ontwikkeld die gebruikmaken van faseovergangsmaterialen om de temperatuur en relatieve luchtvochtigheid te regelen zonder afhankelijk te zijn van grote hoeveelheden elektrisch vermogen.

De werking berust op hetzelfde principe: zodra de temperatuur van de omgevingslucht stijgt, smelt het PCM en absorbeert het warmte. Wanneer de temperatuur daalt, stolt het materiaal en geeft de opgeslagen warmte af. Dit systeem biedt een hoge energiebesparing (gemiddeld 90% ten opzichte van traditionele airco) en een zeer lage CO2-uitstoot. Bovendien maakt het geen gebruik van schadelijke synthetische koudemiddelen. De PCM-koeling is onderhoudsarm, geluidloos en heeft een lange levensduur. Voor de aanschaf kan in sommige gevallen gebruik worden gemaakt van de EIA-regeling (Energie-investeringsaftrek).

Voordelen van PCM Koeling

• Meer dan 90% kosten- en energiebesparing ten opzichte van traditionele airco-installaties.
• Investering in duurzame techniek met snelle terugverdientijd.
• Betrouwbare techniek met weinig bewegende delen en lage onderhoudskosten.
• Demontabel en herbruikbaar.

Technische Specificaties: Organisch vs. Anorganisch

Bij de keuze voor een specifiek type PCM zijn er verschillen tussen organische en anorganische materialen. De bronnen geven een overzicht van de prestaties van organische PCM’s (paraffines) en anorganische PCM’s (opgeloste zouten) bij normale temperaturen.

De warmteopslagcapaciteit is voor beide typen aanzienlijk, wat hun geschiktheid voor energieopslag benadrukt. Het verschil in warmtegeleiding kan van invloed zijn op het ontwerp van het systeem; lage geleiding bij organische PCM’s vereist mogelijk maatregelen om de warmteoverdracht te optimaliseren.

Conclusie

Faseovergangsmaterialen (PCM’s) bieden een veelbelovende technologie voor de bouwsector, specifiek voor toepassingen in isolatie en temperatuurregulatie. Door het vermogen om latente warmte op te slaan en af te geven, dragen ze bij aan een verlaging van het energieverbruik en een verhoging van het comfort in gebouwen. De integratie met biobased materialen zoals hennep en vlas lijkt een effectieve combinatie, mits de installatievoorwaarden met betrekking tot luchtdichtheid en ventilatie strikt worden nageleefd.

Hoewel de technologie divers is—van dak- en wandisolatie tot specifieke vloersystemen en koeloplossingen voor datacenters—zijn er uitdagingen met betrekking tot installatiecomplexiteit, ruimtebeslag en het voorkomen van technische complicaties zoals lekkage. Het zorgvuldig encapsuleren van de materialen en het volgen van professionele richtlijnen zijn essentieel voor een duurzaam resultaat. Met name in de context van energiebesparing en de vermindering van CO2-uitstoot, en met ondersteuning van financiële regelingen zoals de EIA, vormen PCM’s een waardevolle aanvulling op het arsenaal aan duurzame bouwoplossingen.

Bronnen

1. Hoe werkt faseovergangsmateriaal in biobased isolatie?
2. PCM
3. Phase Change Material