PCMPCM`s: het nieuwe alternatief voor koelen

PCM
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
PCM’s: het nieuwe alternatief
voor koelen
PCM staat voor Phase Change Material, ofwel faseovergangsmateriaal. PCMs zijn materialen waarvan de faseverandering, van
vast naar vloeibaar en vice versa, wordt gebruikt om warmte op te slaan en af te staan. Het is een vorm van koudeopslag die
zeer interessant kan worden voor de bouw- en installatiesector. Een paar bedrijven richten zich al met eindproducten op deze
nieuwe manier van koelen. SALCA uit Ootmarsum is er daar een van.
Zouten zijn een organisch PCM.
Het principe van faseovergangsmaterialen als warmteaccumulerende
materialen is als volgt:
bij een bepaalde temperatuur smelt
het materiaal. Tijdens het smelten
absorbeert het materiaal grote hoeveelheden warmte uit de omgeving.
De ruimte wordt hierdoor koeler.
Wanneer de temperatuur zakt, stolt
het materiaal en komt warmte vrij.
De ruimte wordt warmer.
Achtergrond
Door de PCM’s in geïsoleerde buffers
op te slaan, kan de latente warmte of
koude op een later moment worden
benut. 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 PCM’s werkt hier als een
warmte-koude-opslag.
Het nut van PCM’s is dat bij veel
zonneschijn de ruimte niet snel een
!
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
hoge temperatuur krijgt. Het PCM
neemt immers de warmte op, en staat
dat bij kouder weer weer af. Het resultaat kan een gelijkmatiger temperatuur in het gebouw zijn.
Water kan als een PCM worden gebruikt. 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 stollen weer vrijkomen.
Dit wordt ook wel latente warmte
genoemd. Water neemt de warmte
echter niet zo snel op. Het smeltpunt
is bovendien 0°C en dus niet handig
in gebouwen.
Organisch en anorganisch
Er zijn twee grote groepen PCM’s,
namelijk de organische, zoals paraffines (waxen), en de anorganische
zouten; in water opgelost, zouthydraten. Soms wordt een combinatie van
zouten en paraffines toegepast.
De verschijningsvorm van PCM’s is
verschillend. PCM’s komen voor in
de vorm van vloeistof of gel in een
handzame omhullende verpakking.
Ook pasta’s en poeders zijn beschikbaar, voor verdere verwerking tot
nuttige PCM’s.
PCM’s komen ook voor in de vorm
van microcapsules: korrels PCM
omgeven door een polymeer laagje.
Door hun kleine diameter en goede
warmte-uitwisseling kunnen deze
sneller warmte opnemen en afstaan.
Verder zijn microcapsules rond te
pompen, waardoor de warmte/koude
sneller en beter gespreid kan worden.
Afhankelijk van de toepassing wordt
voor een bepaalde verschijningsvorm
gekozen.
Temperatuur
Meestal wordt voor toepassingen
in de bouw- en installatiesector 23
à 24 °C genomen als temperatuur
waarbij het PCM van fase verandert.
Te hoog betekent dat het PCM onder
normale omstandigheden niet smelt,
te laag betekent dat het PCM nooit
vast wordt. Bij sommige PCM’s is de
hoeveelheid warmte om het materiaal vloeibaar te maken vrij fors en
kan die warmte ook moeilijk weer
worden vrijgegeven.
Het gebruik van een PCM hangt
af van de warmtegeleiding en het
oppervlak van het PCM. Hoe hoger
de geleiding en hoe groter het oppervlak, des te sneller wordt warmte
door het materiaal opgenomen en
afgestaan. Belangrijk bij PCM’s is
ook de mate waarin warmteopslag
PCM
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
plaatsvindt; de warmteopslagcapaciteit in KJ/kgK.
Nadelen
Nadeel is dat na verloop van tijd de
bestanddelen van de PCM van elkaar
gescheiden kunnen raken, waardoor de
vaste delen onderin de buffer belanden en de gunstige werking aanzienlijk afneemt. Dit wordt de segregatie
genoemd.
Daarnaast kan bij het afstaan van
warmte superkoeling optreden. Dat wil
zeggen dat de temperatuur daalt tot onder het vriespunt maar de stof gaat pas
over in de vaste fase als er voldoende
kristallisatiekernen zijn. De temperaVoor- en nadelen PCM’s
tuur kan dan te laag worden, waardoor
de vaste fase plotseling optreedt. Door
het verlaagde smeltpunt is het nuttig
effect van de PCM sterk verminderd.
Andere aspecten
Voor verschillende smelttemperaturen zijn verschillende PCM’s. Om
het gewenste smeltpunt te hebben, is
vaak sprake van een mengsel van verschillende stoffen. Als de smeltpunten van die stoffen verschillend zijn,
heeft normaliter het mengsel ook niet
één smeltpunt, maar smelt en stolt
het materiaal ongelijkmatig. Samengestelde materialen waarbij toch
sprake is van één smeltpunt worden
eutectische materialen genoemd.
Als de samenstelling van het PCM
in beide fasen gelijk is, wordt dit
congruent genoemd. Bij de minder
congruente PCM’s vindt een scheiding plaats tussen vloeibaar en vast
materiaal. Om prestatieverlies te
vermijden moet de oplossing dikker
worden gemaakt, zodat de vaste
delen gelijkmatig verdeeld blijven
in de vloeistof. Het materiaal is dan
een dispersie.
Er zijn speciale series PCM’s voor
warmteopslag met smeltpunten bij
lage temperaturen, bijvoorbeeld
onder 0°C, en bij hoge temperaturen, tot boven 1000 °C. De PCM’s
met smeltpunten tussen 50 en 80 °C
zijn geschikt voor warm water en
dergelijke.
Naast gebruik in gebouwen kunnen
PCM’s hun nut bewijzen bij bijvoorbeeld het transport van gekoelde
producten.
Als de volumeverandering bij temperatuurverandering groot is, moet
hier rekening mee worden gehouden.
Capzo en Salca
Bart Winters van Salca BV in Ootmarsum: “Een zeer efficiënte PCM
is zout, maar dat kan agressief zijn.
Het veroorzaakt bijvoorbeeld corrosie en kan daardoor in combinatie met bepaalde materialen niet
worden gebruikt. Capzo International heeft echter een technologie
ontwikkeld waarmee zouthydraten
op microniveau een coating kan
worden gegeven, het zogenaamd
micro-inkapselen.”
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
PCM
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING
Voorbeelden van PCM’s.
Op dit moment is Capzo International de enige ter wereld die deze technologie van micro-inkapseling onder
de knie heeft. Voordelen van het
micro-inkapselen van zouthydraten
zijn een hoge capaciteit en een hoge
stabiliteit door de samenstelling van
het kernmateriaal en de micro-inkapseling. Bovendien is er een hoge
warmteoverdracht door de micro-inkapseling. Middels haar technologie
heeft Capzo problemen als segregatie
en superkoeling weten op te lossen
voor haar anorganische PCM.
overdag opneemt, ’s nachts kunnen
worden afgegeven. Daarvoor heb je
voldoende kou nodig. Omdat het in
Nederland ’s nachts eigenlijk nooit
warmer blijft dan achttien graden,
hebben we voor een type Thermusol
gekozen dat zijn warmte gedurende
de nacht bij een maximum van achttien graden nog goed kwijt kan. Op
die manier weten we zeker dat het
PCM de volgende dag weer warmte
kan opslaan als in de gebouwen de
temperatuurpieken boven de comforttemperatuur uitkomen.”
Thermusol
Kinderschoenen
Salca is de producent van Thermusol,
het door Capzo ontwikkelde PCM op
basis van zouthydraten. Salca heeft
een aantal eindproducten ontwikkeld
waarin Thermusol zit verwerkt. Winters: “We zijn onder andere bezig
met toepassingen van PCM voor de
bouw. Kantoren zijn vaak te warm en
airco’s vreten energie. PCM’s kunnen
de rol van de airco overnemen en gebruiken geen energie. Daarvoor moet
dan wel de warmte die het PCM
Warmteopslagcapaciteit
van verschillende stoffen.
2
"#$ % &'(()*(+*&,%-.%/0%)&1#"#
Het gebruik van PCM’s in de bouw
staat nog in de kinderschoenen. “Het
zou mooi zijn als het PCM kon worden verwerkt in gipsplaten. Maar zover is het nog niet. Wij produceren op
dit moment ons product K-Block. Dat
is zeer geschikt voor het duurzaam
koelen van bijvoorbeeld klaslokalen.
Om een lokaal van 54 vierkante meter
op efficiënte wijze vier graden te kunnen koelen met PCM, is er drie kilo
PCM per vierkante meter vloeropper-
vlak nodig. Het K-Block is zo ontwikkeld dat deze in een uur aangebracht
kan worden in een klaslokaal van 54
vierkante meter. Middels het K-Block
moet minimaal 162 kilo Thermusol in
de ruimte wordt aangebracht. Het is
een en snelle en duurzame manier om
koeling aan te brengen.”
Vuistregels
Voor het efficiënt gebruik van PCM
in de bouw heeft Winters enkele
vuistregels opgesteld:
• 3 kg PCM per m² vloeroppervlak
voor een koeling van ± 4°C;
• PCM en verpakking mogen niet
dikker zijn dan maximaal 15 mm
voor voldoende warmteoverdrachtsnelheid. Het verpakkingsmateriaal
van het PCM is hierin een belangrijke factor;
• om met nachtkoeling terug te koelen,
moet er worden gerekend met een
T van 4°C ten opzichte van de kristallisatietemperatuur van het PCM;
• temperatuur in ruimte op zithoogte
is enkele graden lager dan temperatuur bij plafond.
Meer informatie:
Salca BV
De Mors 112
7631 AK Ootmarsum
T: 0541 294946
M: 0657550059
E: [email protected]
I: www.salcabv.nl / www.capzo.nl