PCM: OPSLAG VAN WARMTE ALS >• Door de steeds strenger wordende eisen op het gebied van energiezuinigheid van gebouwen, 1 kg water te laten stollen. Dit betekent dus ook dat door gebruikmaking van deze faseverandering per kg neemt de aandacht voor nieuwe materialen en vernieuwende installatieconcepten toe. Eén van de water tijdelijk 330 kJ aan warmte kan worden opgesla- concepten die een belangrijke rol spelen bij energiezuinige gebouwen is de opslag van warmte voor temperatuur van het water tijdens de fase-overgang gen. Het is belangrijk om hierbij te realiseren dat de O graden Celsius blijft en niet verandert. Nu is O gra- de korte (enkele uren of dagen) dan wel de lange (enkele maanden) termijn. Warmte kan op basis den Celsius voor mensen in gebouwen geen comfortabele temperatuur De temperatuur in gebouwen van drie principes worden opgeslagen: in de vorm van voelbare warmte, als chemische energie en ligt onder normale omstandigheden net boven de 20 graden Celsius. Daarom zijn er andere materialen in de vorm van latente warmte. ontwikkeld die een fase-overgang hebben bij gunstigere temperaturen. Deze materialen worden meestal onderverdeeld in drie groepen: De opslag van warmte in voelbare vorm (sensibele fase, waarin een materiaal zich bevindt. Dit kan met • De organische PCMs. warmte) is bij de meeste mensen wel bekend. Ther- behulp van zogenaamde fase-overgangsmaterialen, • De anorganische PCMs. misch massieve materialen zoals beton kunnen door in het Engels ook wel phase change materials ge- • De anorganische euteotisohe PCMs (Baetens et al., stijging van hun temperatuur warmte tijdelijk bufferen. noemd. Over deze laatste groep materialen gaat dit Een variant hierop is de zogenaamde betonkernacti- artikel. 2010). vering waarbij de door het beton opgenomen warmte De eerste groep van de organische PCMs kan vervol- door middel van water wordt afgevoerd naar elders gens nog onderverdeeld worden in de zogenaamde of andersom. Fase-overgangsmaterialen paraffines, zoals kaarsvet, en de niet-paraffines. Elk Een mooi voorbeeld van een faseverandering is de van deze groepen materialen heeft kenmerkende ei- overgang van water in vloeibare vorm naar ijs in vaste genschappen Chemische energie vorm. Deze omzetting van de vloeibare naar de vaste waar de faseverandering plaatsvindt en wat betreft wat betreft het temperatuursgebied de warmte die per kilogram materiaal kan worden op- Opslag van warmte als chemische energie is voor fase vindt plaats bij een temperatuur van O graden veel mensen nog een minder bekend verschijnsel. Celsius. Om deze overgang mogelijk te maken moet genomen of afgestaan (tabel 1). Voor gebouwen zijn Momenteel wordt veel onderzoek gedaan, onder an- warmte aan het water worden onttrokken. Dus door het vooral de paraffines, de niet-paraffines en de zouthy- dere door ECN in Petten, naar materialen die door water af te koelen, ofwel door warmte uit het water te draten interessant vanwege hun gunstige smelttraject. een verandering in chemische structuur warmte kun- halen, bevriest het water waardoor ijs wordt gevormd. nen opslaan. Bij deze materialen is het uiteraard wel In omgekeerde richting kunnen we ook warmte aan van belang dat dit proces ook omgekeerd kan worden het ijs toevoegen waardoor het ijs smelt en vloeibaar waardoor de warmte weer vrijkomt. Warmteopslag in water resulteert. Om precies te zijn moet 330 kJ aan Redenerend vanuit gebouwen is het ook van belang de vorm van latente warmte tot slot vindt plaats door warmte worden toegevoegd om 1 kg ijs te laten smel- te kijken hoe het materiaal verpakt is. Dit kan op een een verandering van de fysische structuur, ofwel de ten of moet 330 kJ aan warmte worden onttrokken om zogenaamd macroscopisch niveau in bijvoorbeeld PCM-bolletjes Hoofdtype Subtype Smelt-/ stollingsenthalpie (kJ/kg) Smelttemperatuur (°C) Warmtegeleidingscoëfficiënt (W/(mK)) Volumeverandering tijdens faseovergang Veroudering Superkoeling Kosten Organisch Paraffines 120-210 20-70 ± 0.2 groot nauwelijks vrijwel geen hoog Organisch Niet-paraffines 155 - 180 16 - 65 n.a. klein nauwelijks vrijwel geen zeer hoog Anorganisch Zouthyd raten 180 - 2 2 0 20 - 140 ± 0.5 klein fasescheiding wel laag Tabel 1. Eigenschappen van enkele gangbare fase-overgangsmaterialen binnen diverse typen (Baetens et al.. 2010). Stedebouw & Architectuur Innovatiecatalogus 2012 Plafond met PCM in kantoorgebouw Peutz BV in Zoetermeer ARMTE ALS WILO hoofdkantoor CHEMISCHE ENERGIE j stollen. Dit betekent dus ook dat zakjes of containers of op microscopisch niveau als Mogelijk optredende veroudering van het materiaal ) van deze faseverandering per kg kleine met plastic omhulde bolletjes PCM. De laatste waardoor de opslagcapaciteit na verloop van tijd • aan warmte kan worden opgesla- groep PCM bolletjes kunnen tevens worden ingebed minder wordt. ijk om hierbij te realiseren dat de in andere materialen zoals beton. De organische Mogelijk optredende superkoeling waardoor ;t water tijdens de fase-overgang PCMs kunnen bijvoorbeeld ook direct kunnen worden temperatuur eerst enkele graden onder de stol- lijft en niet verandert. Nu is O gra- geperst in de poriën van een poreus materiaal (Bae- lingstemperatuur dient te zijn voordat stolling pas nensen in gebouwen geen com- tens et al., 2010). begint op te treden. de jur De temperatuur in gebouwen Dmstandigheden net boven de 20 aarom zijn er andere materialen Keuze fase-overgang hebben bij gunsti- De keuze voor een bepaald type PCM wordt in de Net als conventionele thermische massa, zoals aan Deze materialen worden meestal praktijk gemaakt op grond van de volgende eigen- een ruimte blootgesteld beton, kunnen PCMs warmte •ie groepen; schappen: uit de ruimte opnemen indien de luchttemperatuur ho- CIVIs. • De temperatuur waarbij de faseovergang plaats- ger is dan van het materiaal of warmte aan de ruimte land waarin PCMs zijn toegepast als onderdeel van vindt. Uit berekeningen volgt dat de ideale tem- afgeven indien de luchttemperatuur lager is dan van de koelingstrategie is het hoofdkantoor van Wilo op peratuur hiervoor ongeveer 1,5 graden Celsius ligt het materiaal. Het verschil alleen is dat conventio- het industrieterrein Hoogtij in Westzaan (Bouwman, onder de comforttemperatuur van de ruimte (van nele thermische massa bij elke temperatuur in staat 2008). Dit gebouw is ontworpen door Benthem Crou- : PCMs. euteotisohe PCMs (Baetens et al., Werking en toepassingen Een voorbeeld van een recent gebouw in Neder- der Spoel en Cauberg, 2006). In de praktijk worden is warmte op te nemen of af te staan terwijl de piek wel Architecten en geadviseerd door Deerns. Omdat n de organische PCMs kan vervol- vaak iets hogere waarden aangehouden van rond in warmtecapaciteit bij PCMs in een smal tempera- dit een relatief lichtgewicht gebouw betreft, is ervoor deeld worden in de zogenaamde de 23 graden Celsius. tuursgebied rondom het smelttraject ligt. Dit is de gekozen om PCMs in het plafond te gebruiken om belangrijkste reden waarom het zo belangrijk is om de temperatuur in de zomer te stabiliseren. Het PCM aarsvet, en de niet-paraffines. Elk • De warmteopslagcapaciteit bij de fase-overgang materialen heeft kenmerkende ei- van het materiaal, ofwel de smelt- of stollingsenthal- een PCM te selecteren met een juiste smelt-/stollings- betreft hier zogenaamde Micronal® capsules met een pie. temperatuur smelttemperatuur van 21 graden Celsius en warm- betreft het temperatuursgebied dering plaatsvindt en wat betreft • De warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal. kilogram materiaal kan worden op- Des te hoger deze coëfficiënt des te makkelijker de aan (tabel 1). Voor gebouwen zijn warmte zich in de PCM kan verspreiden. teopslagcapaciteit van 110 kJ/kg. Deze capsules (4 gewichtsprocent) zijn vermengd met beton (96 ge- Verlagen van pieken wichtsprocent). Dit beton/PCM mengsel is vervolgens 3, de niet-paraffines en de zouthy- • De grootte van het benodigde oppervlak. Des te Indien de luchttemperatuur van de ruimte waarin de aangebracht in de cannelures van het stalen dakpro- 'anwege hun gunstige smelttraject. meer oppervlak er is, des te sneller de warmte- PCMs zich bevinden nabij deze temperatuur bevindt fiel. Tevens zijn in deze cannelures leidingen van een uitwisseling met de omgeving. dan gedraagt een PCM zich redenerend vanuit de betonkernactiveringssysteem aangebracht. Dit maakt • het mogelijk om de door de PCM opgenomen warmte af te voeren. Hierdoor wordt het systeem geregenegebouwen is het ook van belang reerd en kan het gedurende de volgende dag weer .ateriaal verpakt is. Dit kan op een opnieuw gebruikt worden om warmte op te nemen. )scopisch niveau in bijvoorbeeld Door deze keuze kon het benodigde koelvermogen worden gereduceerd van 87 kW naar 42 kW. De hier Superlcoeling gebruikte PCM microcapsules zijn ook verkrijgbaar Kosten verwerkt in bekledingsplaten voor binnenwanden. vrijwel geen hoog vrijwel geen zeer hoog wel laag Faseverandering van ijs In wate.r/Bii déze fase-overg Foto: Martin Tenpierik. Stedebouw & Architectuur Innovatiecatalogus 2012 ruimte hetzelfde als conventionele thermische massa. Onderzoek in Nederland Hybrid Adaptable Dit betekent dus dat bij de juiste keuze van het PCM Momenteel lopen in Nederland diverse onderzoeks- Daarnaast vindt er aan de TU Eindhoven een pro- een lichte bouwconstructie, dus Ttiermal De meetopstelling bestaat uit eer Storage door buffering van warmte pieken in de binnentem- projecten naar het gebruik van fase-overgangsmate- motieonderzoek 'Hybrid massa, waarin verwarmingsvermi peratuur worden verlaagd en in de tijd worden opge- rialen in gebouwen of bouwdelen waarvan er drie kort Adaptable Thermal Storage' (HATS) (Hoes et al,, debiet geregeld kunnen worden. I schoven. Dit is gunstig in de zomer omdat overver- zullen worden besproken. 2011 a en 2011 b). De belangrijkste drijfveer achter dit is het PCM boven een verlaagd pi; onderzoek is dat gebouwen momenteel of thermisch in de vorm van K-blocks van Sak zwaar of thermisch licht zijn. Volgens de onderzoe- De andere unit dient als referentk hitting in gebouwen verminderd kan worden. Echter, plaats naar zogenaamde om ervoor te zorgen dat dit proces goed verloopt, is Climate Adaptive het noodzakelijk dat de PCMs geregenereerd kun- Aan de TU Delft is het promotieonderzoek naar zo- kers gebruiken thermisch zware gebouwen meer in verschillende meetruns een ider nen worden. Dit betekent dat indien zij bijvoorbeeld genaamde 'Climate Adaptive Skins' (CAS) in de af- energie in de zomer en in de winter om een comforta- tilatieregime op te leggen en de te S/c/ns overdag warmte opgenomen hebben, deze warmte 's rondende fase (Hasselaar en van den Dobbelsteen, bel binnenklimaat te realiseren, terwijl thermisch lichte te vergelijken kan er een uitspra; nachts weer afgegeven moet kunnen worden. Vooral 2007; Hasselaar et al., 2008). gebouwen juist in de tussenseizoenen meer energie over de invloed van het PCM op wat dit laatste betreft is het in het verleden nogal eens gebruiken. Door de thermische massa aanpasbaar nenklimaat en de effectiviteit van d Het resultaat van dit onderzoek omvat een gevelele- te maken kan het hele jaar door een optimale situ- tiestrategieën. Uit metingen blijkt c ment waarin een ventilatie-unit opgenomen is om een atie worden gerealiseerd. Om dit te bereiken worden hankelijk van de gevolgde ventilat achterliggend kantoorvertrek van verse buitenlucht PCMs aangebracht boven een plafond dat al dan niet zijn een temperatuurpiek met circ Vooral lichte gebouwen te voorzien. Deze ventilatie-unit bevat een serie ele- geopend kan worden. In geopende toestand staan de Celsius te dempen. Omdat het passieve effect van PCMs op de ruimte- menten met fase-overgangsmateriaal (fase-overgang PCMs in contact met de lucht in het vertrek; in geslo- temperatuur vergelijkbaar is aan het effect van con- tussen 17 graden Celsius en 19 graden Celsius) ten toestand niet. ventionele thermische massa zijn PCMs minder ge- waardoor koude of warme buitenlucht kan worden schikt om toegepast te worden in thermische zware voorverwarmd respectievelijk -gekoeld. misgegaan. gebouwen. Daar is immers al genoeg werkzame ther- Voorbeeldgebouwen in NederI Hogeschool van Rotterdam In Nederland zijn ook al diverse g( Ook aan de Hogeschool van Rotterdam vindt, in sa- waarin fase-overgangsmaterialen mische massa aanwezig. Vooral lichte gebouwen die Door dit systeem is het mogelijk om het achterliggen- menwerking met Adviesburo Nieman, onderzoek aan slagmateriaal zijn toegepast. Ondó uit zichzelf weinig thermische massa bezitten kunnen de kantoorvertrek los te koppelen van een centraal PCMs plaats. Recent zijn er op vertrekniveau metin- re gebouwen met PCMs zijn, zullei profiteren van de toevoeging van PCMs. Daarnaast mechanisch installatiesysteem. Simulaties hebben la- gen verricht aan PCMs in de vorm van zouthydraten. drie kort worden besproken. kunnen PCMs ook bijvoorbeeld actief worden inge- ten zien dat in combinatie met thermotroop glas c o m - zet om piekvermogen te leveren bij een installatiesy- fortabele temperaturen kunnen worden gerealiseerd steem waardoor het systeem zelf alleen op basisver- in een standaard kantoorvertrek met een jaarlijks mogen hoeft te worden gedimensioneerd. Zij worden energiegebruik voor verwarming van ongeveer 1 kWh dan ingezet als onderdeel van de gebouwinstallatie. per kantoorvertrek. Een van de eerste gebouwen, zf Schematische weergave van de testopstelling met PCM aan de Hogeschool Rotterdam. Afbeelding: Kees van Kranenburg. waarin fase-overgangsmaterialen de door Architectenbureau Atelif uitbreiding van het kantoorgebou' Zoetermeer Rond het jaar 2000 is klimateriseringsconcept bedacht c het zogenaamde AIR PCM. In de "overdag" mech. afeuiging "nacht" mech. afzuiging concept in laboratoria van de TU onderzocht en zijn modellen onl PCIV! in verlaagd plafond (warmteopname) PCM in verlaagd plafond (warmteafgifte) waarvan de prestatie kan worden t Peutz BV werd toen bereid gevond( kantoor in Zoetermeer ter beschiki een praktijkproef met dit concept, een open metalen plafond uitgei van twee centimeter PCM met e£ temperatuur van 22.5°C, een kf balansventilatie-unit met warmte een geavanceerd meet- en regels en Schmitz, 2003). In totaal is in he PCM geïnstalleerd (van Dorp en Sc Stedebouw & Architectuur Innovatiecatalogus 2012 59 Drijvend paviljoen in de Rijnhaven in Rotterdam (foto: Eric van den Ham). De meetopstelling bestaat uit een tweetal units met Echter, de ervaringen met de PCM toepassing in dit een lichte bouwconstructie, dus weinig thermische gebouw zijn niet positief, niet zozeer vanwege het opgeslagen 's nachts weer verwijderd moet kunnen 'Hybrid massa, waarin verwarmingsvermogen en ventilatie- concept, maar door de gebrekkige implementatie: worden. Dit kan op een aantal manieren, bijvoorbeeld 1 Storage' (HATS) (Hoes et al., debiet geregeld kunnen worden. In een van de units de warmteterugwinning en het centrale regelsysteem passief door gebruik van nachtventilatie met koele )e belangrijkste drijfveer achter dit is het PCM boven een verlaagd plafond aangebracht werkten niet goed, en de ventilatoren maakten teveel buitenlucht of actief door combinatie met betonkern- abouwen momenteel of thermisch in de vorm van K-blocks van Saica BV, Ootmarsum. lawaai; daardoor liet het thermisch (en akoestisch) activering. licht zijn. Volgens de onderzoe- De andere unit dient als referentie. Door beide units comfort vaak te wensen over Snel na ingebruikna- 'hermal Storage aan de TU Eindhoven een proaats naar zogenaamde worden. Dit houdt in dat de warmte die overdag is meer in verschillende meetruns een identiek stook- en ven- me van het gebouw zijn de installaties uitgezet. Uit Bij oudere gebouwen met PCMs is dit regenereren ' en in de winter om een comforta- tilatieregime op te leggen en de temperatuurrespons onderzoek in het Peutz-laboratorium in Mook om de nogal eens misgegaan waardoor uiteindelijk geen ; realiseren, terwijl thermisch lichte te vergelijken kan er een uitspraak gedaan worden oorzaken van het niet functioneren van het systeem comfortabel binnenklimaat werd gerealiseerd. Maar de tussenseizoenen meer energie over de invloed van het PCM op het thermisch bin- te achterhalen, bleek dat de warmteterugwinunits zoals enkele nieuwere gebouwen met PCMs, zoals 3 thermische massa aanpasbaar nenklimaat en de effectiviteit van de gevolgde ventila- gebreken vertoonden en dat het toegepaste PCM- het Wilo hoofdkantoor en het drijvende paviljoen, la- hele jaar door een optimale situ- tiestrategieën. Uit metingen blijkt dat de K-blocks, af- materiaal geen stabiele smelttemperatuur had. Hieruit ten zien, kan bij een goed ontwerp met PCMs een seerd. Om dit te bereiken worden hankelijk van de gevolgde ventilatiestrategie, in staat blijkt duidelijk dat het belangrijk is om zeer zorgvul- zekere mate van energiebesparing worden bereikt. boven een plafond dat al dan niet zijn een temperatuurpiek met circa 0,5 tot 2 graden dig te werk te gaan bij de toepassing van PCMs in Daarmee kunnen fase-overgangsmaterialen, mits op gebouwen. Een ander gebouw in Nederland, naast de juiste wijze toegepast, een interessante bijdrage het Wilo hoofdkantoor (zie bijstaande column - red.) leveren aan moderne lichtgewicht gebouwen. Echter, waarin PCM is toegepast, is het in 2010 opgeleverde het effect moet niet overschat worden. < ermisch zware gebouwen ;n. In geopende toestand staan de Celsius te dempen. 3t de lucht in het vertrek; in geslo- Voorbeeidgebouwen in Nederland drijvend paviljoen in Rotterdam, gelegen in de Rijnha- nterdam In Nederland zijn ook al diverse gebouwen te vinden ven. Dit paviljoen, ontworpen door Deltasync en Public Domain Architecten en geadviseerd door Unica chool van Rotterdam vindt, in sa- waarin fase-overgangsmaterialen als thermisch op- dviesburo Nieman, onderzoek aan slagmateriaal zijn toegepast. Ondanks dat er meerde- Installatietechniek en DWA, bestaat uit drie aan elkaar int zijn er op vertrekniveau metin- re gebouwen met PCMs zijn, zullen hieronder slechts gekoppelde 'halve' bollen met een diameter van on- ^Ms in de vorm van zouthydraten. drie kort worden besproken. geveer 24 meter voor de grootste bol. Het paviljoen bevat een expositie- en ontvangstruimte en moet een ergave van de testopstelling Hogeschool Rotterdam. Afbeel•anenburg. Een van de eerste gebouwen, zeker in Nederland, icoon zijn op het gebied van bouwen op het water en waarin fase-overgangsmaterlalen zijn toegepast is duurzaam bouwen. de door Architectenbureau Atelier PRO ontworpen uitbreiding van het kantoorgebouw van Peutz BV in Vanwege de laatste reden is het gebouw wat ener- Zoetermeer Rond het jaar 2000 is door Arcadis een gie betreft zoveel als mogelijk zelfvoorzienend. Voor klimateriseringsconcept bedacht op basis van PCM, verwarming en koeling wordt gebruik gemaakt van het zogenaamde AIR PCM. In de jaren daarna is dit de zon en het oppervlaktewater Ook PCMs spelen concept in laboratoria van de TU Delft gedetailleerd in deze strategie een belangrijke rol. Het fase-over- onderzocht en zijn modellen ontwikkeld op grond gangsmateriaal met een smelttemperatuur van 20oC waarvan de prestatie kan worden bepaald. is in speciale kasten in het plenum boven het plafond toegepast (Autarkls, 2011). Overdag zal een indirect Peutz BV werd toen bereid gevonden hun nieuwbouw- I adiabatisch koelsysteem in combinatie met het PCM kantoor in Zoetermeer ter beschikking te stellen voor het auditorium koelen, 's Nachts zal het koelsysteem een praktijkproef met dit concept. Elke ruimte bevatte ervoor zorgen dat het PCM weer een open metalen plafond uitgerust met een laag wordt. geregenereerd Bronnen Autarkls BV (2011), 'Drijvend paviljoen te Rotterdam' en 'Uniek woonhuis met PCM koude- en warmteopslog', www.autarkis.nl, bekeken 1 4 oktober 2011. Baetens. R.. B.J. Jelle en A. Gustavsen (2011), 'Phase change materials lor building applications: A state-of-the-art review', Energy and Buildings 42 (9): 1 3 6 1 - 1 3 6 8 . Bouwman, I.M. (2008), 'PCM In the built environment', Presentatie 4, Deerns raadgevend Ingenieurs, Rijswijk. Dieckmann, J, (2008), 'Latent heat storage in concrete', presentatie, Third International Renewable Energy Storage Conference IRES2008, 2 4 - 2 5 november, Berlijn, bekeken op 13 oktober 2 0 1 1 , www.eurosolororg. Dorp. J, von en A.H.H. Schmitz (2003), 'Autarkische dc-pcm gebouwen', TVVL magazine 2 0 0 3 (9): 10-15. Hasselaar, B.L.H. en A.A.J.F. van den Dobbelsteen (2007), 'Climate Adaptive Skins: towards the new energy-efficient fagade', In: G.A. Brebbia (ed.), Management of Natural Resources, Sustainable Development and Ecologica Hazards, WIT Press, Ashurst. Hosselaar, B.L.H., W.H. van der Spoel, R.M.J. Bokel en J.J.M. Gauberg (2008), 'Simulation of Innovative Climate Gontrol Strategies Using Passive Technologies', In: T. Hasan en J. Ye (eds.), Proceedings von de 1st Internationol Conference on Industrialised, Integrated, Intelligent Construction (I3GON), Loughborough, 14-16 mei, pp. 2 3 9 - 2 4 9 . Hoes, P, M. Trcka, J.L.M. Hensen en B. Hoekstra Bonnemo (201 1 a), 'Hybride adaptieve thermische energieopslag', TWL-Mogazine 201 1 (2): 6-1 0. Hoes, P, M. Trcka, J.L.M. Hensen en B. Hoekstra Bonnema (2011b), 'Investigating the potential of c novel low-energy house concept with hybrid adaptable thermal storage', Energy Conversion and Management 52 (6); 2442-2447. Spoel, W.H. van der en J.J.M. Gauberg (2006), 'Optimization of passive application of phase-change moteriols in building walls'. In: Fazio, G e , Rao en Desmarais (eds.). Research In Building Physics and Building Engineering, Taylor & Francis Group, Londen. van twee centimeter PCM met een beoogde smelttemperatuur van 22.5°C, een kleine balansventilatie-unit met mechanische warmteterugwinning, en Afsluiting een geavanceerd meet- en regelsysteem (van Dorp Het is belangrijk dat tijdens het ontwerp rekening en Schmitz, 2003). In totaal is in het gebouw 7000 kg wordt gehouden met het gebruik van PCMs. De PCMs PCM geïnstalleerd (van Dorp en Schmitz, 2003). moeten namelijk ook weer geregenereerd kunnen Auteurs: Dr. ir. arch. Martin Tenpierik is werkzaam bij TU Delft, Faculteit Bouwkunde, Bouwfysica. Dr .ir. Kees van Kranenburg is werkzaam bij Hogeschool Rotterdam, Instituut voor Bouw en Bedrijfskunde.