home

discl. / ©, lid NVJ

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

advertenties:


pcm, phase change materials, faseovergangmaterialen, fom, warmteopslag

 

pcm

PCM staat voor Phase Change Material, ofwel faseovergangsmateriaal (FOM). 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:
- door warmte op te nemen smelt het materiaal (bij een bepaalde temperatuur)
- tijdens het smelten absorbeert het materiaal grote hoeveelheden warmte uit de omgeving (de ruimte wordt hierdoor koeler)
- wanneer de temperatuur zakt, stolt het materiaal weer en komt warmte vrij (de ruimte wordt warmer; eventueel kan door ventilatie een teveel aan warmte 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 bevriezen (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 of specifieke warmtecapaciteit in kJ/kgK)
- de temperatuur waarbij de pcm van fase verandert; meestal wordt hiervoor 20 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, d.w.z. 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 (bijvoorbeeld 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 bijvoorbeeld 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.


klik voor groter:


Voor- en nadelen van pcm's:

aspect organische pcm's
(paraffines)
anorganische pcm's
(opgeloste zouten)
warmteopslagcapaciteit (bij "normale" temperaturen) zeer groot (180-230 kJ/kg) groot (150-200 kJ/kg)
warmtegeleiding laag (ca. 0,2 W/mK) hoog (ca. 0,5 W/mK)
warmteopslagcapaciteit (specifieke warmtecapaciteit) 2,1 kJ/kgK vast: 2,1 kJ/kgK 
vloeibaar: 3,7 kJ/kgK
kosten relatief hoog laag
segregatie (ontleding), onwerkzaamheid vrijwel afwezig is een probleem
volumeverandering bij faseovergang fors (10 à 15%), toch geen beletsel goed
superkoeling vrijwel afwezig kan een probleem zijn
smeltpunt, smeltzone vrij scherp scherp
veiligheid niet giftig, chemisch inert, brandbaar chemisch actief, onbrandbaar
trekt water aan nee ja (dus afsluiten van lucht)
corrosief (slecht voor metalen of betonnen buffer) nee ja (dus afsluiten via bijvoorbeeld microcapsules)
verwerkbaar in microcapsules ja ja
extra temperatuur-
verschil met het smeltpunt mag niet te groot zijn
-


Hoewel de zouthydraten (anorganische pcm's) een betere warmtegeleiding hebben en in vloeibare fase bijna tweemaal zoveel warmte op kunnen nemen, lijken vooralsnog voor de niet-hoge temperaturen (tot ca. 100 graden C) paraffines het meest bruikbaar te zijn als pcm, vooral door de geringe complicaties (2013).



Met dank aan PCM Products, Rubitherm, BASF (Micronal pcm-paraffine-parels), Climator, Ingenieursbureau Deerns.

Trefwoorden zijn o.m.: 

pcm, phase change materials, faseverandering, faseovergang, faseovergangmaterialen, fom, warmteopslag, koudeopslag, faseovergangmateriaal, wassen, latente warmteopslag, warmteaccumulatie, systemen voor warmtemanagement, passieve koeling, energieopslag in gebouwen, bouwfysica, thermal energy storage (TES).

Eng. phase change material; 
Du. Phasenwechselmaterial; 
Ned. faseovergangsmateriaal