pcm, phase change material, faseovergangsmateriaal, fom

PCM staat voor Phase Change Material, ofwel faseovergangsmateriaal (FOM), een soort thermische accu. 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, vaak in een 24-uurs cyclus.
PCM is een vorm van energieopslag.

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. Bijvoorbeeld bij het ABN-Amro-kantoor aan de Koningskade in Den Haag: "het gehele kantoor is gestript, waarna nieuwe tussenwanden en PCM-plafonds (Phase Change Materials) zijn geplaatst."

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 en filmpje over kristallisatiekernen).

capaciteit warmte-opslag van water, steen, hout, plastic en pcm (rubitherm):

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.

PCM's in de woningbouw (energieopslag)
De PCM Klimaatvloer van bijvoorbeeld Orange Climate geeft een beter wooncomfort. De PCM Klimaatvloer bestaat uit:
- laag vermogen warmtepompboiler 3,5 kW (warm tapwater en verwarming van het water van de cv)
- warmteterugwinning (wtw) over gedimensioneerde unit (450 m3; zorgt voor vergrote nachtelijke koeling van de pcm, het "stollen" van de pcm) 
- lagetemperatuur vloerverwarming met pcm in woonkamer en keuken.
Voordelen pcm bij vloerverwarming:
- warmte van de pcm wordt 's nachts gebruikt om de vloer op temperatuur te houden (?)
- verlaagt de energienota (minder energie nodig voor verwarming van het gebouw). 
Nadelen pcm bij vloerverwarming: 
- er moet ruimte zijn om zowel vloerverwarming als pcm-cassettes te kunnen plaatsen (verhoogt de vloer immers)
- de kosten (?).

grote buffer met rubitherm pcm-panels en warmte-isolatie; klik voor groter (rubitherm):

Voor- en nadelen van pcm's

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).

paraffine kan gebruikt worden als pcm (rubitherm):

climsel is het pcm van climator:

verpakkingen van climsel (climator):

bereik van een aantal pcm's boven nul graden celsius; klik voor de hele range (pcm products):

bereik van een aantal pcm's onder nul graden celsius; klik voor de hele range (pcm products):

Documentatie
- PCM-products algemeen (van PCM Products)

- PCM-product Ranges en specifiek de X-range, van 25 tot 180 graden C (van PCM Products)

Met dank aan PCM Products, Rubitherm, Orange Climate (Autarkis), BASF (zoek op pcm), 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