ó ݱ²½»°Ì«»»´ º»¾ò îðïð

Phase Change MaterialsOm uit te leggen wat PCM’s zijn en doen, kan het beste gebruik worden gemaakt van het voor-beeld van het smelten van ijs. Wanneer voldoende warmte aan een ijsblok wordt toegevoegd, gaat het smelten. Net zolang tot-dat het hele blok gesmolten is tot

water. Tijdens de faseovergang van ijs naar water blijft de tempe-

PCM’s hebben deze eigenschap bij kamertemperatuur en kunnen bo-vendien erg veel warmte opslaan. Een PCM met een smelttempera-tuur van 23°C zal dus (tijdelijk) kunnen voorkomen dat het war-mer wordt in de woning als de temperatuur buiten hoger is. In deze situatie hoeft dan een tradi-tionele koeling niet bij te springen.Als alleen naar de faseovergang vast-vloeibaar wordt gekeken zijn er drie verschillende soorten

-

Elk soort heeft zijn eigen voor- en nadelen. Zo zijn de zouthydraten relatief goedkoop en hebben een hoge latente warmteopslag. Maar

het aanwezige zout kan ook cor-rosie bevorderen. Een ander pro-bleem met zouthydraten is vaak dat segregatie oftewel ontleding plaatsvindt. Bij segregatie smel-ten de PCM’s tot een vloeibare en een vaste fase. Deze verschillende

fasen hebben verschillende dicht-heden. Dit proces is ook nog eens onomkeerbaar.

-misch inert en stabiel. Ook hebben ze uiteenlopende smelttemperatu-ren, waardoor het kiezen van een geschikte PCM relatief eenvoudig

tijdens de faseverandering veran-

Ò»¼»®´¿²¼­» ¹»¾±«©»² ±³ª¿¬¬»² ¼±±® ª±±®¬­½¸®·¶¼»²¼» ®»¹»´¹»ª·²¹

­¬»»¼­ ³»»® ¼««®¦¿³» ³¿¿¬®»¹»´»² ±³ »²»®¹·» ¬» ¾»­°¿®»²ô ª»®ó

³»¬ º±­­·»´» ¾®¿²¼­¬±ºº»²ò Ü»¦» ¼®·» ­¬¿°°»² ¦·¶² ·² ´·¶² ³»¬ ¼» ¦±¹»ó

©±²·²¹»² ́ ±±°¬ ̧ ·»®¼±±® ¿´ »²·¹» ¶¿®»² ¬»®«¹ô ³¿¿® ̧ »¬ »´»µ¬®·½·¬»·¬­¹»ó

¾®«·µ ´±±°¬ ·² Ò»¼»®´¿²¼ ¸»´¿¿­ ²±¹ ±°ò Û»² ­¬·¶¹»²¼ ¿¿²¬¿´ øª¿¿µ ²·»¬

¹»¾±«©¹»¾±²¼»²÷ »´»µ¬®·­½¸» ¿°°¿®¿¬»² ´·¹¬ ¸·»®¿¿² ¬»² ¹®±²¼­´¿¹ò Û® ¹¿¿² ¬»ª»²­ ¹»´«·¼»² ±° ¼¿¬ ¾»¬»® ©±®¼»²¼» ·­±´¿¬·»°¿µµ»¬¬»² »»²

¾»¸±»º¬» ¿¿² ¿·®½±²¼·¬·±²·²¹­§­¬»³»² ¿¿² ¦±« ©¿µµ»®»² ¼·» ª®·¶ ª»»´

»´»µ¬®·­½¸» »²»®¹·» ¹»¾®«·µ»²ò Ü·¬ ¬»®©·¶´ ¸»¬ ¹»¾®«·µ ª¿² »»² ¹±»¼»

¦±²©»®·²¹ ¹»»² »´»µ¬®·½·¬»·¬­¹»¾®«·µ ³»¬ ¦·½¸ ³»» ¸±»º¬ ¬» ¾®»²¹»²ò

Ü»­¿´²·»¬¬»³·² ´·¶µ¬ »® »»² ¾»¸±»º¬» ¿¿² »»² ¼««®¦¿³» µ±»´¬»½¸²·»µ

¬» ¦·¶²ò и¿­» ݸ¿²¹» Ó¿¬»®·¿´­ øµ±®¬©»¹ ÐÝÓ�­÷ µ«²²»² ¸·»® »»² «·¬ó

µ±³­¬ ª±±® ¾·»¼»² »² ±²¼»®¦±»µ ¬±±²¬ ¿¿² ¼¿¬ ¬±°µ±»´·²¹ ¿½¸¬»®©»¹»

µ¿² ¾´·¶ª»²ò Ó»¬ ¸»¬ Ò»¼»®´¿²¼­» µ´·³¿¿¬ ¦·¶² ©» »½¸¬»® ¾»²·»«©¼ ±º

»® ±±µ ²·»¬ »²·¹» ª»®©¿®³·²¹­°±¬»²¬·¿¿´ ·² ¸»¬ ª±±®ó »² ²¿¶¿¿® ª¿²ó

«·¬ ÐÝÓ�­ ³¿¹ ©±®¼»² ª»®©¿½¸¬ò ܱ±® »»² ¬»­¬±°­¬»´´·²¹ ¬» ¾±«©»²ô ©±®¼¬ ³»»® ·²¦·½¸¬ ª»®µ®»¹»² ·² ¼»¦» °±¬»²¬·5´» �¾¿¬¬»®·¶»²� ª±±®

©¿®³¬»ò

ײ ¼·¬ ¿®¬·µ»´ ¦«´´»² ©» ·²¹¿¿² ±° ¸»¬ ¾»¹®·° �и¿­» ݸ¿²¹» Ó¿¬»®·¿´­�

»² ¸»¬ ¿º­¬«¼»»®±²¼»®¦±»µ ²¿¿® ¼» ·²ª´±»¼ ª¿² ¼»¦» ³¿¬»®·¿´»² ±° ¼»

»²»®¹·»°®»­¬¿¬·» ª¿² ©±²·²¹»²ò

Úò Ó$²¬·²¹ô ßòÙò Û²¬®±° »²

ØòÖòØò Þ®±«©»®­

ߺ­¬«¼»»®±°¼®¿½¸¬ ª±±® ¼» ³¿­¬»® Í«­¬¿·²¿¾´» Û²»®¹§

Ì»½¸²±´±¹§ ¾·²²»² ¸»¬ ª¿µ¹»¾·»¼ Í«­¬¿·²¿¾´» Þ«·´¼·²¹

Û²»®¹·»¾»­°¿®·²¹ ³»¬ и¿­» ݸ¿²¹» Ó¿¬»®·¿´­

O N D E R Z O E K

ݱ²½»°Ì«»»´ º»¾ò îðïð ó

het gebouw;-

latielucht en/of douchewater;

-giesysteem;

-buffer, zoals PCM’s. Voor de berekening van de EPC wordt uitgegaan van een bepaalde invloed uit de volgende 9 compo-nenten:1.Primair energiegebruik voor ruimteverwarming;2. Primair energiegebruik van hul-penergie voor ruimteverwarming (denk aan elektriciteitsverbruik van waterpompjes van een Hr-ketel);3. Primair energiegebruik voor warm tapwater;4. Primair energiegebruik van hul-penergie voor ventilatie;

5. Primair energiegebruik uit ver-lichting;6. Energiegebruik voor het beha-len van een bepaald ‘zomercom-fortniveau’. Dit houdt in dat de EPC lager uitvalt, indien mecha-nisch koelen tot een minimum wordt beperkt;

Het onderzoekIn februari 2009 ben ik begon-nen met mijn afstudeeropdracht, waarvan de onderzoeksvraag luidt:

De EPC is een getal dat aangeeft hoe energiezuinig een woning is. Dit wordt berekend op basis van gebouweigenschappen, de ge-bouwgebonden installaties, een gestandaardiseerd bewonersge-drag voor koeling, verwarming, verlichting en het gebruik van zonne-energie. Hoe lager het ge-tal, des te energiezuiniger het ge-bouw. Per 1 januari 2006 moeten nieuwbouwwoningen voldoen aan een EPC van 0,8 en op 1 janu-ari 2011 wordt deze eis verlaagd naar 0,6. Ook moeten nieuwbouw-

woningen en woningen die vanaf 2008 verhuurd of verkocht zijn een energielabel hebben, die geba-seerd is op deze EPC-berekening

Er zijn verschillende maatregelen die genomen kunnen worden om te voldoen aan de EPC-eis, zoals:

dert het volume ca. 10%.

zuren, esters, alcoholen en glyco-len. Veelal hebben ze dezelfde

maar ze zijn vaak nog duurder en daardoor niet zo geschikt om op grote schaal toe te passen.PCM’s kunnen op twee manieren worden toegepast. Het kan wor-den verwerkt in bouwconstruc-ties, zoals muren, plafonds of da-ken en zodoende gebruikt worden als bouwcomponent. Of het kan worden toegepast als een klimaat-installatie, door het als opslagvat voor koude en warmte te gebrui-ken. De toepassingen van PCM’s in de Nederlandse bouw zijn ge-ring, doordat het begrip in Ne-derland relatief onbekend is en wellicht ook doordat de Neder-landse bouw een vrij conservatief karakter heeft. Er zijn slechts en-kele voorbeelden van gebouwen waarin PCM’s zijn toegepast in de industrie en utiliteit bekend, zoals een gebouw op het indu-strieterrein van Zaanstad (PCM’s verwerkt in het plafond) en een kantoorgebouw in Zoetermeer (PCM’s gebruikt als klimaatinstal-latie). PCM’s worden wel steeds goed-koper, waardoor het aantrekke-lijker wordt om het toe te passen in de woningbouw. Verder is er wel een aantal bedrijven in Neder-land gespecialiseerd in het maken

uit Ootmarsum (zouthydraten) en een grondstoffenspecialist uit Veendam.

ó ݱ²½»°Ì«»»´ º»¾ò îðïð

principes voor warmteoverdracht ook tegelijkertijd plaatsvinden.Vrijwel continu worden meetge-gevens verzameld en opgeslagen door de computers die zich bevin-den in de zeecontainer zelf. Deze gegevens kunnen dan per testbox worden vergeleken en geanaly-seerd. Het is uiteindelijk de bedoe-ling dat de meetgegevens van het weerstation op de zeecontainer als input worden gebruikt voor COMSOL.

Tot slotAls aangenomen wordt dat PCM’s in staat zijn om het jaarlijkse ener-giegebruik van een gemiddelde Nederlandse woning met 3% te verminderen, dan blijkt dat de EPC met ca. 0,03 omlaag kan wor-den gebracht. Om een idee te ge-ven: dit is vergelijkbaar met het verschil tussen het energiegebruik van een hoek- en een tussenwo-ning. Of vergelijkbaar met het toe-passen van dakisolatie of het isole-ren van koudebruggen.

-turen van de betonnen vloeren van de verschillende testboxen weergegeven, evenals de buiten-temperatuur van het weerstation.

7. Primair energiegebruik voor ruimtekoeling en bevochtiging;8. Primaire energiebesparing door het gebruik van zonne-energie;9. Primaire energiebesparing door het terugleveren van elektriciteit aan het net.Verwacht wordt dat PCM’s een positieve bijdrage kunnen leveren op de componenten 1, 2, 6 en 7 van deze EPC-berekening. Om dat aan te kunnen tonen, is een testopstel-ling binnen de vakgroep Bouw/Infra ontworpen en gebouwd. Er zijn vier testboxen gemaakt die verschaalde gestandaardiseerde Nederlandse woningen voorstel-

bevinden zich tientallen tempera-tuursensoren zodat op elke plek in de testbox een temperatuur kan worden gemeten. De testboxen staan verhoogd opgesteld, waar-door externe invloeden (zoals schaduwwerking) tot een mini-mum beperkt worden. Er bevindt zich bij de opstelling ook een weerstation, waarmee binnen- en buitentemperatuur, luchtvochtig-heid, zoninstraling, windsnelheid en windrichting kunnen worden gemeten. Maar de afstudeeropdracht be-helst niet alleen het verkrijgen van meetdata en aan de hand daarvan uitspraken doen over de te verwachten energiebespa-ring. Doordat de opdracht tijd- en plaatsgebonden is en de weersom-

standigheden niet op bestelling zijn, zal het ook noodzakelijk zijn om de testboxen te modelleren in een eindige elementen software-pakket. Met behulp van modelle-ring is het mogelijk om het gedrag in de testboxen te voorspellen en andersom zijn met behulp van de meetdata de resultaten van het softwarepakket te valideren.De vier testboxen met dimensies

-de samenstellingen, zie tabel 1. Er is vooraf gekozen om de PCM’s, in

capsules met een smelttempera-tuur van 23°C, bij te storten in de betonnen vloer.Na het opbouwen van de test-boxen is gestart met het model-leren van de testboxen in het eindige elementen softwarepak-ket COMSOL. Met dit pakket is het mogelijk om temperaturen, temperatuurgradiënten en ener-giestromen te visualiseren. Het voordeel van COMSOL boven bij-voorbeeld ANSYS is dat COMSOL in staat is om conductie, convectie en radiatie synchroon op te lossen. Dit levert uiteraard een grotere nauwkeurigheid op en is conform de werkelijkheid, alwaar deze

ݱ²½»°Ì«»»´ º»¾ò îðïð ó

26 juni 2009 12:40 tot en met 1 juli 2009 10:20. Vanaf 24 juni kwam de maximum temperatuur al boven de smelttemperatuur van de PCM uit (23°C). Goed te zien is dat de temperaturen van testbox A en C, die PCM’s bevatten (zie tabel 1),

van testbox B en D. Er dient wel te worden opgemerkt dat de isola-tiewaarden van de wanden en de beglazing verschillen.Wat verder opvalt, is dat de tem-peratuursverschillen tussen de testboxen met en zonder PCM’s kleiner worden, naarmate de warmte langer aanhoudt. Hieruit blijkt wel dat PCM’s alleen tijdelijk hun bijdrage aan energiebespa-ring kunnen leveren. Waarschijn-lijk zijn de PCM’s na circa 5 dagen niet meer in staat om voldoende warmte op te nemen (lees: de tijd te kort om voldoende te stollen).Een andere constatering is dat PCM’s, toegepast als bouwcom-ponent, waarschijnlijk ook kun-nen bijdragen tot een besparing op het energiegebruik voor ruimte-verwarming, doordat het er voor zorgt dat de thermische weerstand wordt verhoogd (de daken en mu-ren isoleren beter). De testboxen

zelf worden niet verwarmd en de eerste resultaten van oktober en november 2009 laten zien dat de gemiddelde temperaturen van de testboxen met PCM’s hoger liggen dan de testboxen zonder PCM’s. Tijdens het maken van het beton hebben we reeds kunnen waarne-men dat de temperaturen tijdens het hydratatieproces minder hoog oplopen in het beton met PCM’s dan in het beton zonder PCM’s. Nader onderzoek zal moeten uit-

zijn.Voor het modelleren van de test-box in COMSOL is een zonnige zomerdag met een buitentempe-ratuur van 25°C genomen. Vervol-gens is onderzocht wat het effect van de zoninstraling, de buiten-temperatuur en de windsnelheid is op de temperatuur van de test-

zien, waarbij de kegels de grootte en richting van de warmtestroom weergeven. Het model is eerst in SolidWorks getekend en vervol-gens geïmporteerd in COMSOL. Het resultaat laat zien dat de opwarming van het dak van de testbox door de zoninstraling aan-zienlijk is, waardoor in de testbox grote temperatuursverschillen kunnen optreden. Momenteel is het nog niet mogelijk om de op-warming en afkoeling van de test-box over een dag weer te geven.Naar verwachting zal het afstu-deeronderzoek nog tot aan de zomervakantie duren. De eerste resultaten zullen dan hopelijk kunnen worden bevestigd.

Nadere informatieMeer informatie over het onder-zoek en het gebruik van PCM’s kan worden verkregen door te e-mailen naar: r.frank@utwente.nl of a.g.entrop@utwente.nl . De volgende websites geven ook informatie over PCM’s en EPC: http://en.wikipedia.org/wiki/Phase_Change_Material http://www.senternovem.nl/epn/tools_en_aandachtspun-ten/woningbouw/epc_en_kos-ten_woningbouw.asp en http://www2.nen.nl/nen/servlet/dis-patcher.Dispatcher?id=BIBLIOGRAFISCHEGEGEVENS&contentID=277551 http://www.sciencedirect.com, zoekterm Phase Change Mate-rials of PCM.

Tabel 1.