Phase Change Materials (PCM)
Door gebruik te maken van Phase Change Materials wordt er een stabieler binnenklimaat gerealiseerd en wordt de piekvraag van verwarming en koeling verminderd. Deze techniek wordt wordt momenteel als een pilot wordt uitgevoerd binnen Circl. Verwacht wordt dat er tot maar liefst 50% op energie voor koeling en verwarming kan worden bespaard.
Schematische weergave Phase Change Materials (PCM) werking
Er zijn PCM elementen geïnstalleerd op verschillende plekken in Circl: onder de houten vloeren en in de luchtbehandelingskast van de keuken. De PCM elementen nemen gedurende de dag warmte op uit het gebouw en geven deze ’s nachts weer af. Hierdoor wordt er een betere balans gemaakt tussen de koudevraag overdag en de warmtevraag s’nachts. Deze balans zorgt voor een lagere piekvraag voor actieve verwarming en koeling met een constanter en prettiger binnenklimaat. Momenteel wordt er een pilot project uitgevoerd met phase change matrials om meer inzicht te krijgen in hoeveel energie er bespaard wordt en wat de impact is.
De techniek is voor alle toepassingen geleverd door Global E-systems en geïnstalleerd door BAM Bouw en Techniek. Hoewel praktijkmetingen van PCM-toepassingen nog schaars zijn, wordt de technologie al veelvuldig toegepast en zijn er ook meerdere leveranciers op de markt.
Hypothese pilotproject
PCM kan op meerdere manieren worden toegepast, hier kan: (1) worden bespaard op het opwekkingsvermogen voor koeling en verwarming, (2) worden bespaard op het energiegebruik voor koeling door gebruik van vrije koeling tijdens regeneratie, (3) worden bespaard op de grootte van een specifiek daarvoor bestemd buffervat.
Toepassing door ABN AMRO
De temperatuur-range waarbinnen het PCM smelt en stolt beslaat vaak enkele graden. Bij toepassing van PCM wordt de temperatuur waarop het materiaal van fase verandert zorgvuldig gekozen. In de zomersituatie begint de PCM te smelten wanneer de temperatuur van de omgeving toeneemt. Tijdens deze faseverandering slaat de PCM de energie op als latent aanwezige warmte. Deze wordt vastgehouden tot de PCM compleet is gesmolten en hiermee koelt de PCM dus de ruimte. Wanneer de temperatuur van de omgeving weer begint te dalen, bijvoorbeeld tijdens een zomernacht, begint de PCM te kristalliseren en stoot het de latent aanwezige warmte af, terwijl het de temperatuur vasthoudt. Dit proces verwarmt de ruimte. Toepassen van PCM in een gebouw verhoogt dus feitelijk de thermische massa van het gebouw.
PCM’s kunnen op meerder manieren worden toegepast in een gebouw en in ieder toepassing kent het PCM zijn eigen doel. De voornaamste toepassingen in een gebouw met PCM zijn:
- Inpassing direct in de luchtbehandelingsinstallatie (LBK, inductie-unit) voor de buffering van thermische energie in ventilatielucht;
- Verwerking in de constructie van een gebouw (vloeren, wanden, plafonds) voor een afgifte thermische massa direct aan de ruimte.
1. PCM in luchtbehandelingsinstallatie
Door de toepassing van PCM in de luchtbehandeling kan de capaciteit in koeling/verwarming worden verhoogd, en de efficiëntie van koeling worden verhoogd door vrije koeling. Onderstaand schema geeft een voorbeeld van de PCM-buffer in het aanzuigplenum van de LBK- spoelkeuken in Circl. Op een zomerdag koelt het PCM, met een temperatuur van circa 14°C de aangezogen buitenlucht af voor intrede van de LBK. Gedurende de nacht, wanneer de buitentemperatuur lager ligt dan 14°C, wordt het PCM vervolgens weer geladen met koude.
Toelichting hypothese
De besparing op koeling vindt plaats door de afgifte van koude aan de aangezogen buitenlucht. Per laad-ontlaadcyclus biedt dit 30 kWh aan koude, voldoende voor afgifte gedurende vier uur bij vollast.
Werking PCM in aanzuigplenum LBK tijdens ontladen van PCM bij vollast (schema boven) en laden van het PCM gedurende de nacht (schema onder)
2. PCM in constructie
Bij een toepassing van PCM’s in de constructie wordt de warmte/koude direct afgegeven aan de ruimte. Afgifte vindt niet enkel plaats door (gedwongen) convectie, maar ook door straling aan de omgeving. Dit beperkt de meetbaarheid van het effect van de toepassing. Onderstaand figuur geeft een schematische weergave van de toepassing van PCM in het inblaasplenum (plenum) van de luchtbehandeling. De situatie schetst een zomerdag waarbij het PCM koude afgeeft door gedwongen convectie, natuurlijke convectie en straling. Wanneer de buitentemperatuur ‘s nachts onder 20°C ligt, worden de PCM’s geregenereerd door koude buitenlucht in te blazen.
Schematische weergave toepassing PCM in inblaasplenum lucht
Het onderstaande figuur laat de toepassing van PCM zien als thermische massa in de vloer. De vergaderruimtes op de begane en grond 1e verdieping zijn voorzien van vloerverwarming en vloerkoeling (change-over) door middel van de PCM klimaatvloer. De PCM klimaatvloer maakt het mogelijk om energie op te slaan in de vloer van een gebouw. Het PCM materiaal in de vloer is uitgevoerd met een smelttemperatuur van 20°C. Tijdens verwarming van het gebouw dienen de PCM vloeren als vloerverwarming waarbij de PCM een vertragend effect heeft op de ruimte temperatuurdaling indien deze onder de stoltemperatuur van de PCM komt. Wanneer koeling noodzakelijk is, wordt ‘s nachts (als het gebouw niet gebruikt wordt) koude uit de bodem, buitenlucht, koelmachine en/of sprinklerbuffer opgeslagen in de PCM vloer. Overdag wordt de opgeslagen koude afgegeven aan de ruimte op het moment dat de ruimtetemperatuur boven de 20°C uitkomt en de PCM’s overgaan naar vloeibare toestand.
Toelichting hypothese
Door de toepassing van PCM in de constructie is 50% minder vermogen nodig voor de opwekking van koude, daarnaast levert het plafondplenum een capaciteit van circa 600 Wh/m² en levert de toepassing in de vloer een besparing van ruim 9 kWhe/m² ten opzichte van conventionele koeling.
Schematische weergave toepassing PCM in vloer
Impact en Prestatie
Impact, prestatie en lessons learned zijn nog niet bekend. De pilot wordt momenteel uitgevoerd en de resultaten zullen pas na afronding van de pilot beschikbaar zijn. De toepasbaarheid en schaalbaarheid van de techniek zal worden beoordeeld aan de hand van:
