PCM staat voor Phase Change Material, ofwel faseovergangsmateriaal.
Pcm's zijn materialen waarvan de faseverandering, van vast naar
vloeibaar en v.v., wordt gebruikt om warmte op te slaan en af te staan. In
pcm's wordt warmte opgeslagen voor gebruik op een later moment.
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, eventueel door
ventilatie warmte laten verdwijnen)
- door de pcm's in geïsoleerde buffers op te slaan kan de "latente warmte
of koude" op een later moment worden benut.
Voorbeeld: 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.
Het nut van pcm's is dat bij veel zonneschijn de ruimte niet snel een
hoge temperatuur krijgt, de pcm neemt immers de warmte op, en dat bij
kouder weer de pcm de warmte weer afstaat. Het resultaat kan een
"gelijkmatiger temperatuur" in het gebouw zijn.
Wanneer de pcm's in een goed geïsoleerde buffer worden opgeslagen kan de
"latente warmte" worden behouden en op een later tijdstip worden gebruikt. 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.
Ook water kan als een pcm worden gebruikt maar water neemt de warmte niet zo
snel op (en het smeltpunt is 0 graden C, niet
handig in gebouwen).
Vooralsnog worden pcm's in de bouw toegepast voor passieve koeling in gebouwen.
Belangrijk bij pcm's zijn o.m.:
- de mate waarin warmteopslag plaatsvindt (de warmteopslagcapaciteit
in KJ/kgK)
- de temperatuur waarbij de pcm van fase verandert; meestal wordt
hiervoor 23 à 24 graden C genomen (te hoog betekent
dat de pcm onder normale omstandigheden niet smelt, te laag betekent
dat de 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)
- de warmtegeleiding (hoe
hoger, des te sneller wordt warmte door het materiaal opgenomen en afgestaan)
- de grootte van het oppervlak van de pcm (hoe groter het oppervlak,
hoe sneller warmte kan worden opgenomen en afgestaan)
- de segregatie (na verloop van tijd kunnen de bestanddelen van de pcm van elkaar
scheiden waardoor de vaste delen onderin de buffer belanden en de gunstige werking aanzienlijk afneemt)
- het optreden van superkoeling (bij het afstaan van warmte kan bij faseovergang
"superkoeling" optreden, dwz. de temperatuur daalt onder het
vriespunt maar de stof gaat pas over in de vaste fase als er voldoende kristallisatiekernen
zijn; nadeel is dat de temperatuur te laag kan worden en de vaste fase
plotseling optreedt; door het verlaagde smeltpunt is het nuttig effect van de
pcm sterk verminderd; filmpje
over supergekoeld water; filmpje
over kristallisatiekernen).
Er zijn twee grote groepen pcm's:
- de organische pcm's zoals paraffines (wassen)
- de anorganische zouten (in water opgelost, zouthydraten).
Soms wordt een combinatie van zouten en paraffines toegepast.
De verschijningsvorm van pcm's is verschillend:
- in de vorm van vloeistof of gel in een handzame omhullende verpakkingen (ook
pasta's en poeders zijn beschikbaar, voor verdere verwerking tot nuttige pcm's)
- in de vorm van microcapsules (korrels pcm omgeven door een polymeer
laagje) die door hun kleine diameter een goede warmteuitwisseling
hebben en dus sneller warmte kunnen 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.
Andere aspecten van pcm's:
- er zijn verschillende pcm's voor verschillende smelttemperaturen; voor een goed gebruik van pcm's in gebouwen schijnt een scherp
smeltpunt te prefereren te zijn
- 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
- wanneer de volumeverandering bij temperatuurverandering groot is,
moet hier rekening mee worden gehouden
- wanneer de samenstelling van de 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 (bv. onder 0 graden C) en bij hoge temperaturen (tot boven 1000
graad C, de pcm's met smeltpunten tussen 50 en 80 graden C zijn geschikt
voor warm water e.d.)
- naast gebruik in gebouwen kunnen pcm's hun nut bewijzen bij bv. het transport van
gekoelde producten
- wat geldt voor de faseovergang vast-vloeibaar geldt ook voor vloeibaar-gas of
vast-gas, maar deze overgangen vallen buiten dit kader.
- de kosten van de installatie en het onderhoud van warmte/koudeopslag middels
een faseovergangsmateriaal zijn (nog) vrij hoog; een goede berekening van kosten
en baten dient te worden gemaakt.
