Inleiding
In de huidige bouw- en renovatiesector wordt er steeds meer gezocht naar innovatieve methoden om de energie-efficiëntie van gebouwen te verhogen en het binnenklimaat te optimaliseren zonder een zware belasting voor het energienetwerk. Een technologie die hier een prominente rol in speelt, is die van Phase Change Materials, afgekort PCM, ofwel faseovergangsmaterialen. Deze materialen functioneren als een thermische accu, in staat om grote hoeveelheden warmte op te slaan en af te geven op basis van temperatuurverschillen.
De kern van PCM-technologie berust op een fysisch principe: de overgang van een vaste naar een vloeibare fase en vice versa. Wanneer deze materialen worden blootgesteld aan een bepaalde temperatuur, nemen ze warmte op door te smelten, waardoor de omgeving afkoelt. Wanneer de temperatuur daalt, stollen de materialen en geven ze de opgeslagen warmte weer af. Dit proces maakt het mogelijk om gebruik te maken van natuurlijke dag- en nachttemperatuurverschillen, wat resulteert in een stabiel binnenklimaat en aanzienlijke energiebesparingen.
Deze innovatie vindt toepassing in diverse delen van het gebouw, van klimaatplafonds in utiliteitsgebouwen tot vloerverwarmingssystemen in woningen. In dit artikel wordt diepgaand ingegaan op de werking, de samenstelling, de specifieke toepassingen en de voor- en nadelen van PCM-technologie, uitsluitend gebaseerd op de beschikbare technische informatie.
Het Principe van Faseovergangsmaterialen
Faseovergangsmaterialen (PCM) zijn stoffen die, net als water bij het bevriezen of smelten, een aanzienlijke hoeveelheid latente warmte absorberen of afgeven tijdens hun faseverandering. Het nut van PCM's berust op het feit dat de temperatuur van het materiaal gedurende deze faseverandering constant blijft, terwijl er wel warmte wordt opgenomen of afgestaan.
Werking van de Thermische Accu
Het principe is als volgt: - Door warmteopname smelt het materiaal bij een vooraf geprogrammeerde temperatuur (bijvoorbeeld 23°C voor kantoren). - Tijdens het smelten absorbeert het materiaal grote hoeveelheden warmte uit de omgeving, waardoor de ruimte afkoelt. - Wanneer de omgevingstemperatuur daalt (bijvoorbeeld 's nachts), stolt het materiaal weer. - Tijdens het stollen komt de opgeslagen warmte vrij, wat de ruimte verwarmt.
Dit mechanisme wordt geïllustreerd aan de hand van ijs: wanneer ijs smelt onder toevoer van warmte, blijft de temperatuur constant op 0°C totdat al het ijs gesmolten is. De warmte wordt opgeslagen als latente warmte. PCM's maken gebruik van een vergelijkbare techniek, maar dan met specifieke materialen die zijn afgestemd op comforttemperaturen voor gebouwen.
Samenstelling en Materialen
De PCM's die worden gebruikt in de bouwkunde bestaan uit speciaal gemengde anorganische zouten. Deze zouten zijn vaak een restproduct (bijvoorbeeld uit Groningen) en worden gemengd met water. Deze substantie wordt ingekapseld in hoogwaardige materialen om lekkage te voorkomen en de duurzaamheid te garanderen.
Er bestaan verschillende types PCM's, waaronder organische (paraffines) en anorganische varianten (opgeloste zouten). Uit de beschikbare data blijkt dat anorganische PCM's, ondanks hun toepassing in de bouw, specifieke eigenschappen hebben vergeleken met organische varianten. Beide types hebben een zeer groot warmteopslagvermogen, maar anorganische PCM's beschikken over een hogere warmtegeleiding (ca. 0,2 W/mK bij organisch vs. een hogere waarde bij anorganisch), wat gunstig is voor de efficiëntie van warmteoverdracht.
Toepassing in Gebouwen: Klimaatplafonds
Een van de meest prominente toepassingen van PCM in de utiliteitsbouw en renovatie is het klimaatplafond, zoals het Phaseo-systeem. Hierbij fungeert het plafond als een actieve thermische accu.
Phaseo Elements en Packs
Het door Orange Climate ontwikkelde Phaseo Elements® klimaatsysteem bestaat uit harde HDPE-elementen (afmeting 570 x 275 mm) gevuld met anorganisch milieuvriendelijk zout gemengd met water. Deze elementen zijn modulair en kunnen in een Lineair Grid of T-grid worden geplaatst.
Een belangrijk voordeel van dit systeem is de flexibiliteit in installatie. De elementen vormen een los inlegsysteem dat achteraf kan worden aangebracht of verwijderd. Dit is met name waardevol bij renovaties, omdat bestaande metalen plafonds eenvoudig kunnen worden voorzien van PCM-activatie zonder complexe verbouwingen. Doordat er geen gebruik wordt gemaakt van ingewikkelde leidingen en aansluitingen boven het plafond, wordt het bouwproces aanzienlijk versneld.
Naast de Elements bestaan er Phaseo Packs. Deze packs zijn vergelijkbaar, maar bevatten ook een akoestisch pakket in het paneel. Dit zorgt naast thermische regulering voor een verbeterde akoestiek in de ruimte, wat het comfort verhoogt.
Prestaties en Duurzaamheid
Door circa 60% van het plafond te activeren met PCM-elementen wordt een gelijkmatige temperatuurverdeling gerealiseerd. De warmteopslagcapaciteit van deze PCM-panelen is aanzienlijk hoger dan die van traditionele materialen; deze is 36 keer meer dan beton en de warmteoverdracht is 15 keer efficiënter dan beton.
De levensduur van de Phaseo Elements wordt geschat op meer dan 40 jaar. Bovendien zijn de materialen Cradle to Cradle Zilver gecertificeerd, wat wijst op een duurzame levenscyclus en volledige herbruikbaarheid.
Toepassing in Woningen: PCM Vloerverwarming
Hoewel klimaatplafonds vaak in utiliteitsgebouwen worden toegepast, kent PCM ook toepassingen in residentiële settings, met name in combinatie met vloerverwarming.
Systeemopbouw
Een PCM-klimaatvloer bestaat uit een combinatie van componenten: - Een warmtepompboiler (3,5 kW) voor warm tapwater en het verwarmen van het cv-water. - Een warmteterugwinning (WTW) unit die zorgt voor vergrote nachtelijke koeling van de PCM, nodig om het materiaal te laten stollen. - Lagetemperatuur vloerverwarming met daarin PCM-cassettes in de woonkamer en keuken.
Werking en Voor- en Nadelen
De werking berust op hetzelfde principe van opslag en afgifte. 's Nachts wordt de warmte van de PCM gebruikt om de vloer op temperatuur te houden, wat de energienota verlaagt doordat er minder energie nodig is voor verwarming van het gebouw.
Er kleven echter ook nadelen aan deze specifieke toepassing in woningen: - Ruimtebeslag: Er moet voldoende ruimte zijn om zowel de vloerverwarming als de PCM-cassettes te plaatsen. Dit verhoogt de opbouwhoogte van de vloer aanzienlijk. - Kosten: De investeringskosten zijn een factor die meegewogen moet worden, hoewel de exacte bedragen in de data niet zijn gespecificeerd.
PCM Koeling: Duurzame Klimaatregulatie
Naast verwarming speelt PCM een cruciale rol in koeling, met name voor ruimtes met een hoge koelbehoefte zoals serverruimtes (MER).
Werking van PCM Koeling
PCM koeling maakt gebruik van een cyclus van 24 uur: - 's Nachts: De toevoer van koudere buitenlucht zorgt dat het PCM stolt. De koude wordt opgeslagen in het materiaal. - Overdag: Wanneer het buiten warm is, smelt het PCM weer. De warmte uit de omgevingslucht wordt opgeslagen als smeltingswarmte, waardoor de omgevingslucht wordt gekoeld.
Deze technologie stabiliseert niet alleen de temperatuur, maar ook de relatieve luchtvochtigheid. Een significant voordeel van PCM-koeling ten opzichte van traditionele airconditioning is het aanzienlijk lagere jaarlijkse energieverbruik en het feit dat er geen schadelijke synthetische koudemiddelen worden gebruikt.
Vergelijking van PCM Typen en Eigenschappen
Om inzicht te geven in de technische specificaties, volgt hier een vergelijking van de twee hoofdtypen PCM's die in de context van bouwtoepassingen worden besproken.
| Aspect | Organische PCM's (Paraffines) | Anorganische PCM's (Opgeloste zouten) |
|---|---|---|
| Warmteopslagcapaciteit (bij normale temperaturen, gerend over 15 K) | Zeer groot (180-230 kJ/kg) | Zeer groot (150-200 kJ/kg) |
| Warmtegeleiding | Laag (ca. 0,2 W/mK) | Hoog (specifieke waarde in data onvolledig, maar hoger dan organisch) |
De keuze voor anorganische zouten in de besproken systemen (zoals Phaseo) hangt vermoedelijk samen met de warmtegeleiding en de milieuvriendelijkheid (restproducten).
Conclusie
Phase Change Materials (PCM) vertegenwoordigen een significante ontwikkeling in de bouwtechnologie. Door het slimme gebruik van faseveranderingen bieden deze materialen een effectieve methode voor thermische energieopslag, zowel voor verwarming als koeling. De toepassing in systemen zoals Phaseo klimaatplafonds en specifieke vloerverwarmingssystemen laat zien dat PCM kan bijdragen aan een comfortabeler binnenklimaat en een lagere energievraag.
Belangrijke voordelen zijn de hoge warmteopslagcapaciteit (tot 36 keer die van beton), de efficiënte warmteoverdracht en de mogelijkheid tot retrofitting in bestaande bouw door modulaire elementen. Anorganische PCM's, vaak op basis van zouten, bieden hierbij een duurzame en herbruikbare optie, Cradle to Cradle gecertificeerd.
Echter, de toepassing brengt ook specifieke eisen met zich mee, zoals de noodzaak voor voldoende nachtelijke koeling (via WTW) om de cyclus te sluiten, en bij vloerverwarming een verhoogde opbouwhoogte. Ondanks deze aandachtspunten blijkt PCM een waardevolle technologie voor zowel nieuwbouw als renovatieprojecten die streven naar energie-efficiëntie en een hoog comfortniveau.