Stel je een gebouw voor dat zelfstandig zijn temperatuur reguleert, zonder afhankelijk te zijn van traditionele verwarmings- of koelsystemen. Dit is geen futuristisch fantasiebeeld, maar een realiteit die steeds dichterbij komt dankzij fase-veranderende materialen (PCM's) . De potentie van deze technologie om de manier waarop we bouwen, energie gebruiken en duurzame architectuur implementeren te veranderen is enorm. PCM materialen kunnen een belangrijke rol spelen in de energiebesparing van gebouwen.
Een fase-veranderend materiaal (PCM) is een stof die warmte kan opslaan en afgeven door van de ene fysische fase (bijvoorbeeld vast) naar de andere (bijvoorbeeld vloeibaar) over te gaan, en omgekeerd. Dit proces, dat faseverandering wordt genoemd, verbruikt of geeft warmte af zonder dat de temperatuur van het materiaal significant verandert. Deze unieke eigenschap maakt PCM's ideaal voor thermische energieopslag en -regulatie in gebouwen, wat bijdraagt aan een betere energieprestatie van gebouwen . Door PCM's toe te passen kan passieve koeling en passieve verwarming worden gerealiseerd.
Soorten Fase-Veranderende materialen voor duurzaam bouwen
Fase-veranderende materialen (PCM) kunnen worden ingedeeld op basis van hun chemische samenstelling en hun toepassingstemperatuur. De chemische samenstelling is een belangrijke factor bij het bepalen van de eigenschappen en toepasbaarheid van een PCM in een groen gebouw . De verschillende types materialen maken verschillende toepassingen mogelijk.
Organische PCM's voor thermisch comfort
Organische PCM's omvatten materialen zoals paraffines, vetzuren en polymeren. Paraffines zijn wasachtige koolwaterstoffen met een relatief hoog smeltpunt. Vetzuren zijn organische zuren met een lange koolstofketen. Polymeren zijn grote moleculen die zijn opgebouwd uit herhaalde eenheden. Deze materialen bieden een breed scala aan smeltpunten, wat ze geschikt maakt voor diverse toepassingen in de klimaatbeheersing van gebouwen. Paraffines zijn stabiel en niet corrosief, maar zijn brandbaar. Vetzuren zijn biologisch afbreekbaar, maar hebben een lagere warmteopslagcapaciteit dan paraffines. Polymeren kunnen worden aangepast om specifieke eigenschappen te verkrijgen. De uiteindelijke keuzes zijn vaak gebaseerd op prijs en milieufactoren. Het gebruik van deze materialen draagt bij aan een beter thermisch comfort .
Anorganische PCM's voor Energie-Efficiëntie
Anorganische PCM's omvatten hydraten en zouten. Hydraten zijn verbindingen waarin watermoleculen chemisch gebonden zijn aan een ander materiaal. Zouten zijn ionische verbindingen. Deze materialen hebben doorgaans een hogere warmteopslagcapaciteit per volume-eenheid dan organische PCM's. Ze zijn ook kosteneffectiever, maar kunnen corrosief zijn voor sommige metalen. Natrium sulfaat decahydraat heeft bijvoorbeeld een hoge latentie warmte, en is tevens brandveilig. Echter, de stabiliteit kan minder zijn dan die van organische opties. Correcte toepassing is cruciaal. De energie-efficiëntie van gebouwen kan flink verbeterd worden door de toepassing van deze materialen.
Eutectische mengsels
Eutectische mengsels zijn combinaties van twee of meer stoffen die samen een smeltpunt hebben dat lager is dan het smeltpunt van de afzonderlijke componenten. Door de juiste verhoudingen te kiezen, kunnen eutectische mengsels worden ontworpen om specifieke smeltpunten te bereiken die zijn afgestemd op de gewenste toepassing. Dit maakt ze een flexibele optie voor verschillende temperatuurbereiken en kan worden geoptimaliseerd. Eutectische mengsels zijn een goed alternatief om het gebouwontwerp te verbeteren.
Indeling op basis van toepassingstemperatuur voor klimaatbeheersing
De keuze van het juiste fase-veranderende materiaal (PCM) hangt sterk af van de gewenste temperatuur in het gebouw en het lokale klimaat. In warmere klimaten zijn PCM's met een smeltpunt rond de 22-26 graden Celsius ideaal om overdag warmte op te nemen en 's nachts af te geven, waardoor de binnentemperatuur wordt verlaagd. In koudere klimaten zijn PCM's met een hoger smeltpunt geschikt om warmte van de zon op te slaan en later vrij te geven voor verwarming. De juiste toepassing levert energiebesparing op. Klimaatbeheersing is dan optimaal.
Nieuwe ontwikkelingen in PCM materialen
De technologie rondom fase-veranderende materialen (PCM) is voortdurend in ontwikkeling. Wetenschappers en ingenieurs zijn constant op zoek naar nieuwe manieren om de prestaties en toepasbaarheid van deze materialen te verbeteren. De focus ligt op Nano-PCM's, Bio-based PCM's, en PCM-composieten, wat een bijdrage levert aan duurzaam bouwen .
- Nano-PCM's: Verkleinen de capsule maat en vergroten de efficiëntie voor verbeterde thermische energieopslag .
- Bio-based PCM's: Gebruik van hernieuwbare materialen als grondstof, wat bijdraagt aan een groen gebouw .
- PCM-composieten: Verbeteren mechanische stabiliteit en integratie, wat essentieel is voor duurzame architectuur .
Innovatieve toepassingen in gebouwontwerpen
Fase-veranderende materialen (PCM) bieden een breed scala aan toepassingen in moderne gebouwontwerpen . Ze kunnen worden geïntegreerd in verschillende bouwmaterialen en systemen om de thermische prestaties te verbeteren en het energieverbruik te verminderen. Integratie kan van cruciaal belang zijn voor het bereiken van optimale resultaten op het gebied van energiebesparing .
Pcm-geïmpregneerde bouwmaterialen voor passieve klimaatbeheersing
Een populaire toepassing van fase-veranderende materialen (PCM) is de integratie in traditionele bouwmaterialen zoals beton, gipsplaten en bakstenen. Dit kan passieve koeling en passieve verwarming opleveren. PCM beton , PCM gipsplaten en PCM bakstenen kunnen op die manier bijdragen aan een groener en energie-efficiënter gebouw.
- PCM-Beton: Ideaal voor verhoogde thermische massa .
- PCM-Gipsplaten: Perfect voor thermisch comfort in bestaande gebouwen.
- PCM-Bakstenen: Geschikt voor duurzame architectuur in nieuwbouw.
PCM-Beton : Door PCM's aan beton toe te voegen, kan de thermische massa van het beton aanzienlijk worden verhoogd. Dit betekent dat het beton meer warmte kan opslaan en afgeven, waardoor temperatuurschommelingen worden verminderd en het gebouw comfortabeler blijft. Dit resulteert in een hogere thermische inertie en een betere energieprestatie van gebouwen . PCM-Gipsplaten : Het verwerken van PCM's in gipsplaten maakt het mogelijk om binnenmuren te creëren die warmte opslaan en afgeven. Dit helpt om de binnentemperatuur te stabiliseren en het energieverbruik voor verwarming en koeling te verminderen. Dit is een goede oplossing voor bestaande gebouwen die energie-efficiënter gemaakt moeten worden. PCM-Bakstenen : Door PCM's in bakstenen te integreren, kunnen muren worden gecreëerd die warmte passief reguleren. Dit is vooral nuttig in gebieden met grote temperatuurverschillen tussen dag en nacht. De bakstenen leveren een belangrijke bijdrage aan duurzaam bouwen .
Aanvullende elementen
Numerieke gegevens laten goed zien wat de impact is. Energiebesparing en andere voordelen worden inzichtelijk gemaakt. Het gebruik van PCM’s draagt bij aan nul-energie gebouwen .
- Energiebesparing
- Verbeterd Thermisch Comfort
- Vermindering van Piekbelasting
- Duurzaamheid
Een typische kantoorruimte kan 15% energie besparen op HVAC door het toevoegen van PCM gipsplaten . De warmteopslag capaciteit van een PCM muur is ongeveer 200% hoger dan die van een conventionele muur. Het toevoegen van 5 cm PCM materiaal aan de binnenmuren kan de temperatuur oscillaties verminderen tot 5 graden Celcius per dag. De warmteoverdrachtscoëfficiënt van Nano-PCM is vaak 30% beter dan van traditionele PCM's. En 70% van de levenscyclus energie van een gebouw gaat naar verwarming en koeling, waarin PCM's een belangrijke rol kunnen spelen. De initiële kostprijs van PCM geïmpregneerde bouwmaterialen kan 10-15% hoger liggen dan de traditionele materialen. Het verminderen van de piekbelasting kan de energiekosten tot 20% verminderen. Gebouwen met PCM kunnen de koolstofvoetafdruk met ongeveer 25% verminderen in vergelijking met gebouwen zonder. Eutectische mengsels kunnen een kosteneffectieve optie zijn en tot 10% goedkoper zijn in vergelijking met sommige pure organische PCM's. Nano-PCM capsules hebben vaak een diameter van 10 tot 100 nanometer.