Een zeer goed geïsoleerd kantoorgebouw met warmtebufferende PCM’s heeft nauwelijks een verwarming- en koelinstallatie meer nodig, zegt Harry Schmitz van PCM-leverancier OC Autarkis. De installatie wordt een stuk eenvoudiger, alleen een overgedimensioneerd ventilatiesysteem volstaat.
Gaan we energieneutraal bouwen met een 100 jaar oude warmtepomp of gaan we een nieuwe weg inslaan? Deze vraag stelde Harry Schmitz tijdens een themabijeenkomst van ISSO over bijzondere technieken voor verwarmen en koelen. De steeds hogere isolatie-eisen staan haaks op de beoogde energiebesparing, verduidelijkte Schmitz. “We gaan van verwarmen naar koelen, maar netto is er geen energiebesparing.” Vooral in een gebouw met weinig massa stijgt de temperatuur overdag snel door de interne warmtelast van computers, verlichting en hardwerkende mensen, en springt de koeling aan. ’s Avonds na vijf uur is door de geringe massa de warmte snel verdwenen en schakelt de thermostaat de warmteopwekker aan, zelfs bij een goede gebouwschil. De oplossing zit ‘m in het creëren van gebouwmassa, die pieken en dalen dempt. Bij veel gebouwmassa stijgt de temperatuur overdag heel licht, en dit past helemaal bij de jongste comfortinzichten die aansluiten bij het bioritme van de mens. “Een stijgende binnentemperatuur in de loop van de werkdag is comfortabeler dan een gelijkblijvende of dalende binnentemperatuur”, zegt Schmitz.
Faseovergang
FaseovergangNu lijkt een gebouw met veel beton en goede isolatie de ideale manier voor warmte- en koudebuffering. In Zuid-Europese kerken met metersdikke muren blijft het zomers aangenaam koel. Terwijl beton en steen niet eens de allerbeste warmtebufferende eigenschappen hebben. “De oplossing zijn PCM’s, phase change materials”, aldus Schmitz. Bij een faseovergang van bepaalde zouten ontstaat extra warmtebufferende capaciteit, enthalpie genaamd. “Een factor 30 meer dan bij beton.” Het bedrijf waar Schmitz werkt, OC Autarkis, is pionier met faseovergangsmaterialen. De werking is gebaseerd op het natuurkundig gegeven dat er warmte nodig is (of juist vrijkomt) bij een faseovergang. Bij de zouten die OC Autarkis gebruikt voor de PCM-materialen gaat het om de stollings- en smeltwarmte. Het principe is vergelijkbaar met de overgang van ijs naar water. PCM-materialen voor warmtebuffering in gebouwen werken eigenlijk op dezelfde wijze, alleen is het smeltpunt geen 0 °C maar ligt dit binnen het thermische behaaglijkheidsbereik van de mens. Het is ook geen vast smeltpunt, maar een traject van enkele graden. Door voldoende PCM-materialen in een gebouw te stoppen, is in veel situaties de interne warmtelast van personen, apparatuur, verlichting en de zon voldoende voor verwarming. Overdag loopt de temperatuur op en vanaf zo’n 22 – 23 °C gaan de PCM-materialen smelten. Tijdens dit proces blijft de temperatuur constant tussen de 23 en 25 °C. ’s Avonds koelt het gebouw af en komt er warmte vrij doordat de PCM-zouten gaan stollen. De volgende morgen is het nog steeds zo’n 20 °C en herhaalt het proces zich. De huidige isolatie-eisen volstaan meestal, extra isolatie is vaak onnodig. ”Je moet het isolatieniveau afstemmen op de gebruiksfunctie van het gebouw. Dat betekent dat je kantoren en ziekenhuizen met een hogere interne warmtelast minder goed hoeft te isoleren en dat je woningen beter moet isoleren.” Met rekenmodules en voorbeelden in een ISSO-publicatie over Phase Change Materials is dit alles als virtuele gebouwverwarming te bepalen.
Kerstvakantie
Het grootste probleem doet zich voor na de kerstvakantie, als een kantoorgebouw dagenlang heeft leeggestaan en er geen interne warmtelast was. Maar ook voor zo’n situatie voorziet Schmitz geen grote problemen, hooguit de eerste uren na die verlofperiode. Schmitz: “Dan is het relatief koud buiten met weinig zonneschijn en geen interne warmtebelasting. Dan gaat het gebouw uitkoelen. De temperatuur zakt naar 17 – 18 °C. Maar omdat je het goed geïsoleerd hebt, krijg je het ook snel op temperatuur als je PCM’s toepast. Met de verlichtingswarmte die vrijkomt van 10 W/m2, vervolgens als de eerste mensen binnenkomen, ieder 8 W/m2, en daarna komt zonnestraling binnen met 3 – 4 W/m2. Dan heb je al snel een verwarmingsvermogen van 30 W/m2 waardoor het gebouw vrij snel opwarmt.” De hoeveelheid PCM in een gebouw wordt niet bepaald door de warmtebuffering in de winter, maar door de benodigde koelcapaciteit in de zomer. Overdag moet er voldoende PCM-materiaal aanwezig zijn om de interne warmtelast te kunnen opvangen. ’s Nachts wordt met koele nachtlucht via het ventilatiesysteem de PCM weer geladen met koude. Belangrijk is dat het ventilatiesysteem een ruime overdimensionering krijgt, en niet wordt uitgelegd op het ventilatiedebiet. “De hoeveelheid ontlading die ik ‘s nachts kan bewerkstelligen, bepaalt de hoeveelheid koelvermogen die ik kan leveren.” Aanvankelijk werkte OC Autarkis met zouten die een gemiddelde stol/smelttemperatuur hadden van 21 °C. Maar als dan de buitentemperatuur tot die temperatuur zakte, werden de PCM’s onvoldoende ontladen. Door voor een hoger smelttraject te kiezen, van gemiddeld 23 – 24 °C zal zelfs in zomernachten met minder verkoeling voldoende koude gebufferd kunnen worden, zegt Schmitz. “Als ‘s nachts de temperatuur buiten bij 21 °C blijft hangen en ik heb een overmaat aan ventilatiedebiet, dan krijg ik de PCM’s ontladen.”
Tekst: Richard Mooi, foto’s: OC Autarkis
Dit artikel is verschenen in Installatie en Sanitair 10-2015. Klik hier voor een (proef)abonnement.
