Phase change materials (PCM’s)

Beschrijving

Het toepassen van een Phase Change Material (PCM) bespaart op het energieverbruik voor ruimtekoeling of ruimteverwarming. Het materiaal fungeert als buffer door warmte op te slaan bij een overschot en weer af te geven wanneer er wel warmtebehoefte is. PCM’s worden meestal toegepast in panelen in wand en vloer en kunnen verwerkt worden in bouwmaterialen zoals beton en gips.

Phase Change Materials zijn stoffen met een hoge smeltwarmte, waardoor er veel energie(warmte) nodig is om de stof van vast naar vloeibaar te krijgen (smelten). Dit betekent dat een PCM grote hoeveelheden warmte op kan nemen, zonder zelf in temperatuur te stijgen. Deze warmte wordt later, bij een lagere omgevingstemperatuur, weer afgeven waarna het PCM stolt. De hoogte van de faseovergangstemperatuur verschilt per stof, zodat een PCM voor verschillende toepassingen kan worden gebruikt. Voor een kantoor bijvoorbeeld wordt er gewerkt met een faseovergangstemperatuur rond kamertemperatuur (20-24°C).

Oude gebouwen met veel massa (meestal beton) hebben van zichzelf al een bufferend effect waardoor de pieken in de temperatuur worden afgevlakt. Moderne gebouwen worden steeds vaker lichtgewicht gebouwd waardoor deze buffer ontbreekt: ze warmen relatief snel op en koelen ook weer snel af. Dit kan er met name in de lente en herfst toe leiden dat er ’s ochtends verwarmd moet worden en zodra de zon doorkomt koelbehoefte ontstaat. Hetzelfde effect treedt ook op bij sterk wisselende piekbelasting van een ruimte (bijvoorbeeld een vergaderzaal of een restaurant). Het dempen van dit effect door middel van een warmtebuffer leidt tot energiebesparing op ruimtekoeling en ruimteverwarming.

Besparen op ruimtekoeling

Er wordt bespaard op koeling doordat het PCM overdag warmte opneemt, waardoor de ruimte niet opwarmt. ’s Nachts, wanneer het buiten afgekoeld is, kan het PCM de warmte weer afstaan waardoor het de volgende dag opnieuw warmte kan opnemen. Om de warmte af te kunnen staan is Zomernachtventilatie noodzakelijk.

In het Nederlandse klimaat is de nachttemperatuur, op een enkele uitzondering na, voldoende laag om het PCM van zijn opgenomen warmte te ontdoen. Mocht de nachttemperatuur niet voldoende zakken om het PCM te laten stollen, dan kan de koelmachine worden ingezet om de faseovergang mogelijk te maken. De koelmachine werkt ’s nachts efficiënter (hogere CoP) dan overdag omdat de buitenlucht dan koeler is.

Besparen op ruimteverwarming

Overdag wordt het gebouw opgewarmd door de interne warmtebronnen: werknemers, pc’s en overige apparatuur. Als ’s nachts het gebouw leeg is zal de ruimtetemperatuur dalen tot onder de 19°C en treedt er een warmtestroom op van het PCM naar de ruimte. Het PCM zal stollen waarbij warmte vrijkomt. Dit reduceert de warmtevraag in de nacht en/of ochtend.

Andere toepassingsmogelijkheden

Het PCM kan ook, in de vorm van plastic capsules, in het buffervat van een zonneboiler worden geïnstalleerd. Hierdoor neemt de capaciteit van het buffervat met 20 tot 40% toe.

Daarnaast kan het PCM gebruikt worden voor hoge temperatuur processen. Vaak is er in deze gevallen sprake van pieken in de warmtevraag, waardoor de restwarmte niet hergebruikt kan worden en verloren gaat. Een PCM kan de warmte in de tussentijd opslaan en weer beschikbaar maken wanneer deze nodig is. Er zijn PCM’s met een faseovergangstemperatuur tussen de 100 en 250°C beschikbaar, zodat er in deze hoge temperatuur processen meer restwarmte hergebruikt kan worden waardoor de warmtevraag afneemt.

Ook voor koeling van datacenters is een PCM toepasbaar. Koude wordt ‘s nachts opgeslagen in het PCM waardoor er overdag gekoeld kan worden. Hierdoor wordt er meer gebruik gemaakt van vrije koeling en hoeft de koelmachine aanzienlijk minder uren te draaien.

Toepasbaarheid

Deze maatregel is toepasbaar in gebouwen waar weinig (thermische) massa aanwezig is. In deze gebouwen schommelt de temperatuur.

Een voorwaarde voor de werking is dat de ruimtetemperatuur ’s ochtends en/of ‘s nachts onder de stoltemperatuur van het PCM ligt en overdag er boven. Is dit niet het geval, dan treedt het bufferende effect van het stollen en smelten niet op, waardoor het besparende effect nihil is.

Een PCM-ontwerp is altijd maatwerk, ga daarom in overleg met jouw installateur.

Milieuaspecten

Zonneboilers met PCM zijn 120 tot 140% efficiënter en datacenters kunnen tot 40% meer gebruik maken van vrije koeling. Leveranciers claimen verlaging van het energieverbruik van serverrruimtes met 10 tot 95% (afhankelijk van situatie en PCM-toepassing).

Het aantal ongewenste temperatuurstijgingen in een intensief gebruikte ruimte kan gereduceerd worden met 70%. De pieken (en dalen) in temperatuur worden afgevlakt waardoor het comfort in de binnenruimte verbetert. Als deze pieken en dalen op dit moment worden afgevlakt door te koelen/verwarmen bespaart deze maatregel op het elektriciteitsverbruik voor koeling en op het warmtegebruik.

Financiële aspecten

De prijs per m² PCM-paneel is €60-85. Hierin kan ongeveer 0,6 MJ aan warmte-energie worden opgeslagen.

Door op een natuurlijk moment te kiezen voor PCM (bij vervanging van de klimaatinstallaties) kan het vermogen van de verwarmings- en koelinstallaties met 25% worden verminderd. Waardoor de investering in de installaties veel lager is. Daarnaast is de bedrijfstijd van de installaties korter. De meerinvesteringskosten t.o.v. een ‘normale’ klimaatinstallatie verdienen zich in ongeveer 5 jaar terug.

Faseovergansmateriaal (PCM) staat op de Energielijst (2026, code 220408) en komt daarom, onder voorwaarden, in aanmerking voor Energie Investerings Aftrek (EIA). Dit betekent dat je een extra bedrag ter grootte van 40% (2026) van het investeringsbedrag ten laste mag brengen van de winst. Zie voor meer informatie www.rvo.nl/eia.

Bronnen:

• Centrale luchtbehandeling met behulp van PCM, RCC, koude & luchtbehandeling, maart 2008, ir. J.E. van Dorp en prof. dr. ir. A.H.C. van Paassen
• Presentatie: PCM DE (HUIDIGE) STAND VAN ZAKEN, Walter van Kampen en Jan Reedijk
• Stimular
• Duraflow