Op de servicedesk krijgen we wekelijks de vraag of PCM al in Vabi Elements door te rekenen is. Vandaar dat we begonnen zijn met het toevoegen van PCM. Maar wat is PCM eigenlijk? Waarvoor kan je het gebruiken? En wanneer heeft het een positief effect op je gebouw?
Thermische accu
Stel je een slecht geïsoleerde ruimte voor zonder thermische accu, zoals een caravan. Wanneer hier de zon op staat, loopt de temperatuur snel op tot hoge temperaturen. Dit in tegenstelling tot een kerkgebouw met stenen muren, waar het juist in de zomer overdag aangenaam koel is. Die muren absorberen overdag warmte en geven deze ’s nachts weer af. Dus de muren van het kerkgebouw werken als een thermische accu. Hoe mooi zou het zijn als er materialen zijn die nog meer warmte op zo’n passieve manier op kunnen slaan? Dit gebeurt wanneer een faseovergangsmateriaal (phase change material of PCM) op een juiste manier toegepast wordt.
PCM (phase change material of faseovergangsmateriaal)
PCM is een materiaal dat thermische energie opslaat of vrijgeeft tijdens een faseovergang. Je kan hierbij bijvoorbeeld denken aan water.
Hoeveel warmte Q in kJ er nodig is om 1kg water op bepaalde temperatuur T in °C te krijgen.
Water is een PCM dat flink wat warmte nodig heeft voor de faseovergang van ijs naar water (smelten). Hiervoor is een latente warmte van 334 kJ per kg water nodig (zie ‘ijs smelten’ in figuur 1). Als het ijs eenmaal gesmolten is, kan het water nog steeds warmer worden door warmte te onttrekken aan de omgeving. Deze soortelijke warmte is maar 4 kJ/kg per graden. Dus vloeibaar water rondom kamertemperatuur is een slechtere thermische accu dan rondom de faseovergang bij 0 graden.
Maar gebouwen wil je niet passief rond de 0 graden houden. Daarom zijn er andere materialen, PCM, met een faseovergang die past bij een comfortabel binnenklimaat. Terwijl water een smeltpunt heeft op 0 graden, heeft het PCM dat toegepast wordt in gebouwen meestal een smelttraject van bijvoorbeeld 20 tot 26 graden.
Hoe pas je PCM toe in een gebouw?
Er zijn platen op de markt waarin een PCM verwerkt is. In deze platen zit als PCM bijvoorbeeld een zout of paraffine. Elk type plaat bevat een ander type PCM, dat een ander smelttraject heeft. Hierdoor kan het smelttraject zo gekozen worden dat deze past bij de ruimte. Zo zorg je ervoor dat de thermische energie wordt opgeslagen of afgegeven bij de juiste ruimtetemperatuur en dus op het juiste moment van de dag. Ook is het aan te raden om te bepalen hoeveel opslagcapaciteit optimaal is.
Wat als het smelttraject niet goed gekozen is?
Als het smelttraject verkeerd gekozen is, dan kan het PCM een negatief effect hebben op je koelbehoefte (figuur 2b) of warmtebehoefte (figuur 2c) en geen positief effect op comfort. Bijvoorbeeld, zoals in figuur 2c, als het smelttraject van het toegepaste PCM lager ligt dan de gewenste ruimtetemperatuur in een kantoorruimte. Want wat gebeurt er dan ’s ochtends als de koele kantoorruimte opgewarmd wordt? Dan wordt het PCM al gesmolten, voordat de gewenste ruimtetemperatuur wordt bereikt. Dit zorgt dus voor een hogere warmtebehoefte. Als vervolgens de interne warmtelast de ruimte-temperatuur laat toenemen in de loop van de dag, kan het PCM geen warmte meer absorberen. Daardoor heeft het geen positief effect op de koelbehoefte of op het comfort. Dus in dit voorbeeld is het smelttraject te laag gekozen waardoor het PCM alleen maar warmte van de verwarming absorbeert. Ook is het belangrijk dat het PCM weer stolt (regenereert). Omdat het temperatuurverschil tussen de PCM panelen en de ruimte meestal klein zijn, is dit niet vanzelfsprekend. Om deze warmteoverdracht te bevorderen kan je bijvoorbeeld verhoogde convectie en/of extra nachtelijke ventilatie toepassen. PCM toepassen kan dus bij verkeerde keuzes juist energie kosten zonder dat het comfort- of energiebesparing oplevert.
Welk positief effect kan PCM hebben op je gebouw?
Wat het gewenste effect is van PCM, hangt af van of het gebouw actieve koeling bevat. Bij een gebouw zonder actieve koeling kan PCM bijdragen aan een comfortabele ruimtetemperatuur in de zomer. Belangrijk hierbij is om een hoger smelttraject te kiezen dan de gewenste ruimtetemperatuur. Zo absorbeert het PCM zo weinig mogelijk warmte van de verwarming. Zodra de temperatuur in de ruimte oploopt boven de gewenste ruimtetemperatuur, dan kan het PCM deze warmte absorberen en in de nacht weer afgeven. Zo ontstaat er passief een comfortabeler binnenklimaat.
Dit is ook te zien in de comfortgrafiek van een kantoorruimte zonder lokale koeling. In deze kantoorruimte wordt PCM toegevoegd aan het plafond. De zwarte punten in figuur 3 zijn de comforttemperaturen zonder PCM en de groene punten zijn met een PCM dat tussen de 23 en 26 graden smelt. Het is duidelijk zichtbaar dat het PCM het beste werkt bij een gemiddelde buitentemperatuur onder 15 graden. Dit komt doordat het PCM zijn warmte voldoende moet kunnen afgeven voordat er weer warmte opgenomen kan worden (regeneren). Dit gebeurt in dit voorbeeld wanneer de ruimte buiten kantoortijden voldoende afkoelt.
Bij een gebouw met actieve koeling kan PCM bijdragen aan een vermindering van de koelbehoefte. Belangrijk hierbij is dat het PCM de warmte absorbeert en afgeeft op lagere temperaturen dan waarbij de actieve koeling ingeschakeld wordt, zoals in figuur 2a. Zodat de actieve koeling niet het PCM afkoelt. In bovenstaand voorbeeld zou dit bijvoorbeeld kunnen zijn bij een koelsetpoint van 26,5 graden, zie figuur 2a. Er is ook nog een andere toepassing mogelijk als er alleen centraal gekoeld wordt. Dan kan PCM gebruikt worden om lokaal na te koelen in ruimtes met tijdelijk meer koelbehoefte. Opnieuw belangrijk hierbij is dat het smelttraject boven de gewenste ruimtetemperatuur ligt, zodat alleen overtollige warmte door het PCM geabsorbeerd wordt.
Gelukkig kan je in gebouwsimulatie PCM verwerken als type materiaal om te zien of het gekozen materiaal en bijbehorende smelttraject een positief effect heeft.
PCM doorrekenen in Vabi Elements
Een PCM (phase change material of faseovergangsmateriaal) werkt als een passieve thermische accu die thermische energie absorbeert of afgeeft in het gekozen smelttraject. Door een smelttraject te kiezen die past bij de ruimte, kan er warmte opgeslagen worden als het te warm is en afgegeven worden als het kouder is. Als het goed toegepast wordt, kan dit zorgen voor een vermindering in koelbehoefte bij actief gekoelde gebouwen of een verbeterd comfort bij een passief gekoeld gebouw. Je kan binnenkort in Vabi Elements doorrekenen wat het effect is van PCM toevoegen aan jouw project. Zodra PCM in Vabi Elements toe te passen is, zal de invoer en resultaten aan de hand van een voorbeeldproject in meer detail uitgelegd worden.
Heb je nog vragen of wil je meer weten over een PCM? Neem dan contact met ons op, wij helpen je graag verder.
