PCM en koudebuffers

Samenvatting

PCM's (phase change materials) en koudebuffers zijn een passieve koudetechniek waarbij warmte wordt opgeslagen in voelbare of latente vorm.

Wat is het?

PCM's (phase change materials) en koudebuffers zijn een passieve koudetechniek waarbij warmte wordt opgeslagen in voelbare of latente vorm. 'Voelbare' warmte (thermische energie) is herkenbaar aan temperatuurverschillen: opwarmen en afkoelen. Deze buffers bestaan meestal uit zware materialen met een hoge warmtecapaciteit. De gebouwmassa kan ook worden gebruikt als thermische buffer. Dat gebeurt in principe 'vanzelf' bijvoorbeeld als een dikke stenen muur 's nachts afkoelt en daarmee overdag langer koel blijft.

'Latente' thermische energie hoort bij faseovergangen (denk aan water dan overgaat van vloeibaar naar vast/ijs bij 0 °C), waarbij de temperatuur van het materiaal niet verandert. Buffers die daarvan gebruikmaken bestaan uit zogenaamde phase change materials (PCM's). Bij een PCM vindt de warmteopslag plaats bij een faseovergang tussen bijvoorbeeld vast en vloeibaar. Voorwaarde voor effectief gebruik is dat de faseovergangstemperatuur - in dit voorbeeld het vries-/smeltpunt - bereikbaar is voor de beoogde toepassing. Voorbeelden van PCM's zijn zoutoplossingen, paraffine en (water)ijs. De laatste werkt rond 0oC en past binnen een actief systeem met bijvoorbeeld een warmtepomp, terwijl paraffine-gebaseerde systemen rond de 30oC passief kunnen werken en in de loop van een warme zomerdag opwarming van een verblijfsruimte kunnen vertragen.

In deze factsheet bespreken we vooral koudebuffers op basis van PCM's die dus gebruik maken van faseovergangen en niet van voelbare temperatuurverschillen.

Waar is het geschikt?

Momenteel worden PCM's vooral gebruikt in utiliteitsbouw, bijvoorbeeld in kantoren: om de temperatuur te regelen en te stabiliseren of in datacenters waar 's nachts (bij lagere temperatuur) wordt voorgekoeld wordt om de piekvraag overdag af te vlakken.

Het bufferen van koude in het bijzonder heeft als effect het reduceren van de piekvraag van koeling, en daarmee  dimensionering of zelfs overbodig maken van een eventuele koelinstallatie. Warmte-/koudebuffers worden ook toegepast als onderdeel van warmteterugwinningssystemen (WTW) in bijvoorbeeld balansventilatie met een warmtewiel.

Hoe duurzaam is het?

Anders dan bij elektrochemische energieopslag (zoals gewone elektrische batterijen), is warmte-opslag wat betreft materiaalkeuze onschuldig voor het milieu. Bulkmaterialen met hoge voelbare warmtecapaciteit zijn bijvoorbeeld water, beton, staal, aluminium, natuursteen etc. De hoeveelheid materiaal schaalt evenredig met de benodigde warmtecapaciteit, dat kan bepalend zijn voor uiteindelijke keuze.

De materiaalkeuze voor PCM's is afhankelijk van de toepassing en verwerking ervan. De faseovergang tussen water/ijs kan op woningniveau worden ingezet om warmte uit een warmtepomp of zonneboiler op te slaan. Capsules van paraffine of zouthydraten worden toegepast in (af)bouwmaterialen, bijvoorbeeld plafondelementen of onder een vloer. Omdat er vaak sprake is van een vloeibare fase, kunnen PCM's niet zonder meer als constructief element worden ingezet.

Gebruik

PCM's hebben het voordeel dat latente warmtecapaciteit van de gebruikte materialen per kilogram of per volume vaak veel hoger ligt dan de voelbare warmtecapaciteit. Hierdoor kan er bij beperkte omvang toch effectief worden gebruikgemaakt van een warmte-/koudebuffer. Vanwege de hoge effectieve latente warmtecapaciteit is PCM vooral geschikt om te gebruiken binnen lichte, op hout gebaseerde, bouwtechnieken zoals hout skeletbouw (HSB) of kruislaaghout (KLH of CLT).

In traditionele, zware bouw, heeft steenachtig materiaal (baksteen, beton) van nature een bufferende werking. Het bufferen op deze manier kan ook worden geoptimaliseerd door bijvoorbeeld (half) open systeemplafonds in kantoorgebouwen die warmteuitwisseling van de verblijfsruimte met de betonnen kern van het gebouw verbeteren.

Of het nu om voelbare of latente warmte gaat, een warmte-/koude buffer voorkomt dat koel- of verwarmingsinstallaties direct hoeven te reageren op externe omstandigheden. En dat ze hun werk bij een lager vermogen en meestal hogere efficiëntie kunnen doen.

Stand van de techniek

Phase Change Materials (PCM's) zijn in de demonstratiefase; veel producten en projecten worden als pilot. Gebruik en effectiviteit van dergelijke materialen hangt nauw samen met het totale ontwerp van een gebouw. Over het algemeen geldt dat de materialen redelijk bekend zijn, maar het totaalconcept en integratie in gebouwontwerp en -gebruik nog niet. In de "passiefhuis bouw" staat het principe van installatie-onafhankelijke temperatuurregulatie via warmte-/koudebuffering overigens centraal, in dat segment van de woningbouw is bredere toepassing van PCM's aannemelijk.

Aandachtspunten, voor-/nadelen

• PCM's beperken op een passieve manier de piekvraag van koelinstallaties door de temperatuur te verdelen over de dag.
• Een warmte-/koudebuffer kan een aanzienlijk deel van de ruimte opeisen waarin het verwekt is. PCM-gebaseerde systemen beperken deze ruimtevraag.
• Kans op lekkage, of perforatie bij werkzaamheden (boren) wanneer PCM's buiten het zicht zijn verwerkt, bijvoorbeeld in de muur.

Bronnen / verder lezen

1. "Warmteopslag", TKI Urban Energy, https://www.topsectorenergie.nl/tki-urban-energy/kennisdossiers/warmteopslag
2. "ISSO-publicatie 111, Phace Change Mateirals (PCM)", https://kennisbank.isso.nl/publicatie/isso-publicatie-111-phase-change-materials-pcm/2018
3. "Verwarmen met ijsbuffers komt op", TVVL, juni 2018, https://www.vvplus.nl/artikelen/open/verwarmen-met-ijsbuffers-komt-op
4. "Phase Change Materials", RVO, https://www.rvo.nl/onderwerpen/duurzaam-ondernemen/gebouwen/technieken-beheer-en-innovatie/phase-change-materials-pcm