Wat zijn Phase Change Materials?

PCM staat voor Phase Change Material, ofwel faseovergangsmateriaal. Dit zijn materialen waarvan de faseverandering, van vast naar vloeibaar en v.v., wordt gebruikt om warmte op te slaan en af te staan. In PCM's wordt warmte opgeslagen voor gebruik op een later moment.

Het principe van faseovergangsmaterialen als warmteaccumulerende materialen is als volgt:
- door warmte op te nemen smelt het materiaal (bij een bepaalde temperatuur)
- tijdens het smelten absorbeert het materiaal grote hoeveelheden warmte uit de omgeving (de ruimte wordt hierdoor koeler)
- wanneer de temperatuur zakt, stolt het materiaal weer en komt warmte vrij (de ruimte wordt warmer; eventueel kan door ventilatie een teveel aan warmte verdwijnen)
- door de Phase Change Materials in geïsoleerde buffers op te slaan kan de "latente warmte of koude" op een later moment worden benut.

Voorbeeld: wanneer ijs smelt en er wordt warmte toegevoegd dan neemt, zolang er nog ijs is, de temperatuur niet toe. De warmte wordt als het ware "opgeslagen" en kan op een later moment bij bevriezen (stollen) weer vrijkomen. Dit wordt ook wel "latente warmte" genoemd.

Het nut van pcm's is dat bij een warme buitentemperatuur de binnenruimte niet snel een hoge temperatuur krijgt, de PCM neemt immers de warmte op, en dat bij kouder weer de Phase Change Materials de warmte weer afstaat. Het resultaat kan een "gelijkmatiger temperatuur" in het gebouw zijn. Wanneer de Phase Change Materials in een goed geïsoleerde buffer worden opgeslagen kan de "latente warmte" worden behouden en op een later tijdstip worden gebruikt. Dit wordt ook wel het warmteaccumulerend vermogen genoemd. Via in- en uitlaten bij de buffer kan warme lucht gekoeld worden en koude lucht verwarmd worden. De buffer met Phase Change Materials werkt hier als een warmte-koude opslag.

Phase Change Materials zijn qua verschijning niet nieuw. Deze techniek is al meer dan 4000 jaar bekend. De Romeinen hadden al door hoe het principe werkte. Dit principe is en was gebaseerd op warmte die in gebouwen blijft opgeslagen, door de grote bouwmassa. Die muren blijven na de zomer maandenlang warm, zodat verwarming bijna niet meer nodig was. Omgekeerd accumuleren deze gebouwen met dikke muren de zomerwarmte, zodat het binnen aangenaam koel blijft. Oude Romeinse gebouwen, middel-eeuwse kerken en kastelen hebben deze eigenschap dankzij metersdikke muren. Zelfs de plaggenhutjes van de Nederlandse veen-werkers boden in de negentiende eeuw dankzij dit principe nog aardig wat comfort in de winter. Dikke muren en vloeren, m.a.w. massa blijkt dus voordelen te hebben. Maar de meeste gebouwen hebben dat niet meer. Ze bestaan voor een groot deel uit bijvoorbeeld glas, staal en aluminium. Daar komt bij een korte bouwtijd en uitgeknepen m2 prijzen. Een ander aspect is dat veel architecten meer kijken naar het esthetisch karakter van een gebouw en veel minder naar de ‘massa’ die nodig is om een goed energetisch rendement te behalen. Staal, glas en aluminium hebben weinig massa, dit in tegenstelling tot vroeger de kathedralen en kastelen. Bij menig architect was vroeger energieverbruik nauwelijks een issue.

Natuurlijk: er was tal van apparatuur die gebouwen konden verwarmen, koelen en ventileren. Maar met de stijgende energieprijzen liepen de exploitatiekosten van gebouwen en andere ruimten enorm op. Gelukkig is dit nu anders. Ook architecten en bouwers zijn zich er nu van bewust dat er anders gebouwd moet worden. De remedie zou kunnen zijn; maak buitenmuren, wanden, vloeren en plafonds ‘dikker’ zoals de vroegere bouwmeesters dat deden. Echter een gebouw zou op dit moment daardoor onbetaalbaar worden. Maar toch, het kan! Met de Phase Change Materials van Global-E-Systems.

Er zijn verschillende soorten Phase Change Materials. Phase Change Materials is een verzamelnaam voor een aantal materialen zoals paraffines, zouthydraten en zure vetten. Al deze PCM-materialen hebben hun specifieke voor- en nadelen. Voor bijvoorbeeld de koeling van diepvries-toepassingen worden zogenaamde eutectische vloeistoffen gebruikt. Dat is een mengsel van twee stoffen die een vriespunt lager dan 0°C realiseren, het zogenaamde eutectisch punt.

Op waterbasis

Deze PCM’s bevatten als voornaamste component gewoon water. Koude-opslagsystemen of ijsopslagsystemen worden voornamelijk gebruikt in de airconditioning- of procesindustrie. Denk bijvoorbeeld aan traditionele gebouwkoeling of bierbrouwerijen. Het vriespunt wordt verlaagd door er glycol of ethanol aan toe voegen waardoor er opslagtemperaturen tot aan -30°C mogelijk worden. Bij iedereen bekend zijn de z.g. vrieselementen voor in de koelbox.

Zouthydraten

Zouthydraten bevatten anorganisch zout en water. De smeltpunt temperatuurrange bevindt zich tussen 8°C en 90°C. Voordelen van zouthydraten zijn gunstige materiaalkosten, hoge latente smeltwarmte, goede warmtegeleiding en onbrandbaar. Een nadeel kan zijn dat slechte kristalvorming zouthydraten gevoelig maken voor superkoeling. D.w.z. dat het stollen van het materiaal lager is dan het eigenlijke vriespunt. Voor sommige toepassingen kan dat echter ook weer een voordeel zijn. Ook gewoon water is onderhevig aan het superkoelingseffect. Dit wordt meestal opgelost door additieven aan het materiaal toe te voegen.

Paraffines

Paraffine of was is een afgeleide van aardolie. De smeltpunt temperatuurrange is vergelijkbaar met die van zouthydraten. De latente smeltwarmte is redelijk en ze hebben geen problemen met superkoeling. Nadeel is dat de prijzen gelinkt zijn aan de aardolieprijzen en daardoor niet stabiel zijn. En niet onbelangrijk, zoals alle fossiele brandstoffen, heeft de winning van aardolie een grote impact op het milieu. Een groot nadeel is de brandbaarheid van het materiaal, waardoor toepassing in de gebouwde omgeving niet zonder speciale maatregelen mogelijk is.

Plantaardig

Dit zijn organische PCM’s omdat zij afkomstig zijn van plantenolie of dierlijk vet. De range aan smelttemperaturen is breed en liggen tussen de -30°C en 150°C. De latente smeltwarmte is goed en de meeste plantaardige PCM’s afgeleid van vette zuren hebben een betere efficiency dan zouthydraten en paraffines. Groot nadeel is echter de hoge prijs per kg die grootschalige toepassingen in de gebouwde omgeving onmogelijk maken.

Suikeralcoholen

Suikeralcohol ook wel polyol genoemd bevat geen alcohol zoals de naam wel doet vermoeden. De naam suikeralcohol is een chemische definitie. Suikeralcohol tref je van nature aan in planten. Mannitol wordt bijvoorbeeld gemaakt van zeewier, terwijl sorbitol onttrokken wordt uit maissiroop. Hun smelttemperaturen liggen tussen de 90°C en 180°C waardoor zij uitstekend geschikt zijn voor hoge temperatuuropslag. Speciaal voor de toepassing met zonne-energie, industriële processen en afvalwarmte bieden zij een groot potentieel door hun hoge smeltwarmte. Daar zij ook toegestaan zijn als voedseladditief kunnen zij direct in zonneboilersystemen worden toegepast zonder de tussenschakeling van een warmtewisselaar.

werkt nauw samen met:

Sluiten