PCM (Phase Change Material)

Dat idee van een 'thermische accu', precies dat is een Phase Change Material, of in het Nederlands: faseovergangsmateriaal (FOM). Ze slaan warmte op bij een faseverandering – meestal van vast naar vloeibaar, denk aan smeltende paraffine – en geven die opgeslagen energie weer af zodra de faseovergang omgekeerd plaatsvindt. Dit cyclische proces, vaak met een ritme van 24 uur, maakt het mogelijk om warmte te ‘parkeren’ voor later gebruik. Want in de bouw? Daar zetten we PCM's in voor passieve koeling, bijvoorbeeld subtiel verwerkt in plafonds of wanden. De omgevingswarmte zorgt ervoor dat het materiaal smelt; de ruimte koelt daardoor af. Zakt de temperatuur vervolgens, stolt het materiaal weer, en voilà, warmteafgifte; een bijdrage aan de verwarming van diezelfde ruimte. En het mooiste? Je kunt de smelttemperatuur kalibreren, precies afstemmen op de gewenste applicatie, simpelweg door de samenstelling aan te passen. Zoutoplossingen zijn hier een bekend voorbeeld van. Essentieel zijn de warmteopslagcapaciteit en de precieze temperatuur waarop die faseovergang plaatsvindt.

De toepassing van Phase Change Material (PCM) in bouwconstructies volgt een specifiek patroon. Meestal zijn deze materialen geïntegreerd in elementen die direct in contact staan met de binnenruimte, zoals panelen in plafonds of wandafwerkingen. Zodra de luchttemperatuur in een vertrek de ingestelde smelttemperatuur van het PCM overschrijdt, vindt er een faseovergang plaats; het vaste materiaal begint vloeibaar te worden. Gedurende dit proces absorbeert het materiaal aanzienlijke hoeveelheden thermische energie uit de omgeving, wat resulteert in een temperatuurstabilisatie of zelfs een merkbare koeling van de betreffende ruimte. Naarmate de buitentemperatuur zakt, en daarmee de temperatuur in de ruimte daalt onder het stolpunt van het PCM, keert het proces om. Het materiaal stolt en geeft de eerder opgeslagen latente warmte terug af aan de ruimte, wat bijdraagt aan de verwarming gedurende koudere perioden of de nacht. Deze cyclus van energieopname en -afgifte, veelal dagelijks, vormt de kern van de passieve klimaatbeheersing. De samenstelling van het PCM wordt overigens nauwkeurig afgestemd om de gewenste smelttemperatuur te realiseren, afhankelijk van de specifieke eisen van het gebouwontwerp.

PCM's, oftewel faseovergangsmaterialen in goed Nederlands – en laten we eerlijk zijn, die term vat de essentie perfect – zijn verre van één enkel product. De variëteit is aanzienlijk, zorgvuldig afgestemd op de specifieke eisen die een toepassing stelt, met name op het vlak van de gewenste smelttemperatuur en de hoeveelheid latente warmte die opgeslagen moet worden. Het draait immers om precisie in thermische regulatie.

Grofweg onderscheiden we deze materialen op basis van hun chemische samenstelling. Enerzijds zijn er de organische PCM's. Denk hierbij aan paraffines, vetzuren of esters. Hun sterke punt? Een hoge latente warmtecapaciteit en over het algemeen chemische stabiliteit. Maar er is een keerzijde: ze hebben vaak een lagere thermische geleidbaarheid en kunnen – afhankelijk van de precieze stof en toepassing – een hoger ontvlambaarheidsrisico met zich meebrengen.

Daartegenover staan de anorganische PCM's, waarbij zouthydraten de meest bekende vertegenwoordigers zijn. Deze materialen schitteren door hun niet-brandbaarheid en een vaak hogere energiedichtheid dan hun organische tegenhangers. Ook hun thermische geleidbaarheid is doorgaans beter. De uitdagingen hier liggen vaak in aspecten als 'onderkoeling' – het fenomeen waarbij het materiaal pas bij een significant lagere temperatuur dan het smeltpunt stolt – en 'segregatie', het risico op ontmenging van de componenten na talloze smelt-stollingscycli. Een interessante derde categorie zijn de eutectische mengsels: combinaties van twee of meer materialen die samen bij één scherpe temperatuur smelten en stollen, wat een ongekende flexibiliteit biedt om de smelttemperatuur exact op de gewenste specificatie af te stemmen.

Naast de chemische aard is de manier van inkapseling van cruciaal belang voor de praktische toepassing in de bouw. Hier maken we onderscheid tussen micro-encapsulatie en macro-encapsulatie. Bij micro-encapsulatie worden de PCM-deeltjes in minuscuul kleine capsules verpakt, waarna ze als additief aan conventionele bouwmaterialen zoals gipsplaten, beton of pleisterwerk kunnen worden toegevoegd. Dit creëert een enorm contactoppervlak voor warmteoverdracht en een homogene verdeling. Macro-encapsulatie daarentegen, betreft grotere eenheden: platen, zakken, panelen of buizen die direct gevuld zijn met het PCM. Deze worden vervolgens als integrale componenten in bouwconstructies geïntegreerd, bijvoorbeeld in verlaagde plafonds of prefab wandelementen. Elke variant heeft zo zijn specifieke voordelen en toepassingsgebied, nauwkeurig afgestemd op de architectonische en bouwfysische eisen van het project.

Die kantoorruimte, daar waar de zon de hele middag op staat te branden? Precies daar komt PCM in actie. Stel je voor: boven de werkplekken, ogenschijnlijk gewone systeemplafondpanelen. Maar daarin, onzichtbaar, zit faseovergangsmateriaal. Zodra de temperatuur richting de 24 graden kruipt, begint het te smelten; het zuigt de overtollige warmte op, effectief en geruisloos. Geen airco nodig, in ieder geval niet direct. En wanneer de dag ten einde loopt, de buitenlucht afkoelt? Dan stolt het materiaal weer, geeft de opgeslagen energie langzaam af. Een slimme, passieve temperatuurregelaar, dag in, dag uit.

Of neem nu een nieuwbouwwoning, waar de ontwerper slim dacht. De gipsplaten, die zijn niet langer alleen wandafwerking, nee. Deze zijn verrijkt, met miljoenen minuscule PCM-bolletjes micro-ingekapseld. Een zonnige winterdag: de zon staat laag, schijnt vol door de ramen, de woonkamer warmt snel op. Gipsplaten nemen het op, de PCM smelt, houdt die piek van oververhitting tegen. Zodra de zon verdwijnt, de koude van buiten bijkruipt, stolt het materiaal. De eerder gevangen warmte wordt dan weer vrijgegeven, een aangename gelijkmatigheid in temperatuur ontstaat. Minder stoken, simpelweg.

Zelfs in de zwaardere industrie, daar waar processen veel warmte genereren, vind je het terug. Een grote productiehal, bijvoorbeeld, met een robuuste betonnen vloer. Die vloer is niet zomaar beton; er zijn grotere, macro-geëncapsuleerde PCM-elementen in verwerkt. Draaien de machines op volle toeren, de temperatuur stijgt? Het PCM in de vloer smelt, absorbeert die industriële hitte. Het dempt de piek, voorkomt dat de hal te heet wordt. En wanneer de machines zwijgen, de avond valt? Dan stolt het materiaal weer, geeft de accumulatie van warmte gestaag af. De temperatuur binnen blijft zo, bijna vanzelf, meer in balans.

De toepassing van Phase Change Materials (PCM's) in de bouw raakt direct aan diverse aspecten van de Nederlandse wet- en regelgeving, met name die welke gericht zijn op de energieprestatie en de veiligheid van gebouwen. Essentieel hierbij is het Besluit bouwwerken leefomgeving (Bbl), de overkoepelende regeling die eisen stelt aan onder meer de energiezuinigheid, gezondheid en veiligheid van bouwwerken.

PCM's dragen bij aan de thermische stabiliteit van een gebouw en daarmee aan de Bijna Energie Neutrale Gebouwen (BENG)-eisen. Door warmte op te slaan en later weer af te geven, helpen ze de energievraag voor verwarming en koeling te verminderen. Dit heeft een positieve invloed op de BENG-indicatoren, met name die voor de primaire energiebehoefte en het risico op oververhitting. Een correcte berekening en aantoonbaarheid van deze bijdrage zijn hierbij van belang.

Een ander cruciaal punt betreft de brandveiligheid. Sommige organische PCM's kunnen een verhoogd ontvlambaarheidsrisico met zich meebrengen, een aspect dat onder de brandveiligheidseisen van het Bbl valt. Bij de materiaalkeuze en -toepassing dient hier zorgvuldig rekening mee gehouden te worden om te voldoen aan de gestelde normen voor brandwerendheid en -voortplanting. De geschiktheid van een specifiek PCM voor een bepaalde toepassing moet aantoonbaar zijn, conform de geldende bouwregelgeving.

Het fundamentele principe achter Phase Change Materials – het benutten van latente warmte tijdens een faseovergang – is al langer bekend in de wetenschap; denk aan de ontdekkingen van Joseph Black in de 18e eeuw betreffende smelt- en verdampingswarmte. Echter, de gerichte ontwikkeling en toepassing van materialen specifiek voor thermische energieopslag is een relatief recent fenomeen, aanvankelijk grotendeels losstaand van de bouwwereld.

De echte doorbraak in de exploratie van PCM's kwam met de ruimtevaart. De extreme temperatuurverschillen in de ruimte, gecombineerd met de behoefte aan een stabiel thermisch klimaat voor apparatuur en bemanning, dwongen ingenieurs tot innovatieve oplossingen. In de jaren 60 en 70 werden PCM's ingezet voor de temperatuurregulatie in ruimtevaartuigen, een omgeving waar gewicht en betrouwbaarheid van cruciaal belang waren. Deze vroege toepassingen legden de basis voor verder onderzoek naar geschikte materialen en inkapselingsmethoden.

De energiecrisis van de jaren 70 stimuleerde vervolgens een bredere interesse in energieopslag, inclusief de mogelijkheden van PCM's voor terrestrische toepassingen. De focus lag aanvankelijk op grootschalige thermische opslag voor zonne-energieinstallaties. Het duurde echter nog decennia voordat de integratie van deze materialen direct in bouwconstructies serieus werd overwogen. De uitdagingen waren niet gering: materiaalkeuze met de juiste smelttemperatuur, duurzaamheid over talloze cycli, compatibiliteit met conventionele bouwmaterialen, en bovenal, kosteneffectiviteit. Pas met de toenemende aandacht voor energie-efficiëntie in gebouwen, strengere bouwnormen en de drang naar duurzamer bouwen in de 21e eeuw, hebben PCM's een vaste plek weten te veroveren als een innovatieve oplossing voor passieve klimaatbeheersing. Ze zijn geëvolueerd van specialistische ruimtevaartcomponenten naar een concreet instrument in de strijd tegen oververhitting en onnodig energieverbruik in de hedendaagse architectuur en bouw.

• https://www.joostdevree.nl/shtmls/pcm.shtml
• https://kulkote-inside.com/technical/what-are-pcms
• https://thermtest.com/phase-change-material-pcm
• https://nipv.nl/wp-content/uploads/2023/04/20230406-NIPV-Duurzaam-bouwen-brandveiligheid-van-installaties.pdf
• https://almo-climate.com/pcm/
• https://www.stimular.nl/maatregelen/phase-change-materials-pcms/
• https://topsectorenergie.nl/nl/kennisbank/pcm-en-koudebuffers/
• https://www.phasechangematerial.nl/installatie/
• https://www.joostdevree.nl/shtmls/afkortingen_h_p.shtml