A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wf ysicacement 2006 5ir. E. Bijsterbosch en ir. R. Leppers, INTRON B.V.Beton staat niet direct bekend als een materiaal met eenpositief energie-imago. Voor de productie van het bind-middel cement is een aanzienlijke hoeveelheid energienodig. Daarnaast zijn er diverse andere materialen diethermisch veel beter isoleren. Daarin kan echter verande-ring komen. Tijdens een Europees CRAFT-project is name-lijk de basis gelegd voor de ontwikkeling van een nieuwtype beton door de toevoeging van een zogenoemdphase change material (PCM). Hierdoor krijgt het betoneen hogere warmtecapaciteit. Met deze unieke eigen-schap kan het materiaal aanzienlijk besparen op de koel-last van een gebouw, daarmee op het energieverbruik enzodoende op de CO2-emissie. Wat daar allemaal bij komtkijken, kunt u lezen in het nu volgende artikel.Het warmtegedrag van een constructie is een com-plex samenspel van materiaalkeuze, klimaatinvloe-den en bouwkundige detaillering.M a t e r i a a l k e u z eBeton is een veel toegepast bouwmateriaal, vooralvanwege de constructieve eigenschappen. Betonkan daarnaast ook een thermische bijdrage leve-ren. De belangrijkste thermische eigenschappenvan beton zijn:W a r m t e g e l e i d i n g s c o ? f f i c i ? n tBeton geleidt relatief gemakkelijk warmte. Omwarmte te kunnen isoleren moet een materiaalporeus zijn, oftewel stilstaande droge lucht kunnenbevatten. Dit betekent dat een materiaal een bepaal-de hoeveelheid (open) pori?n moet bevatten. Aan-gezien beton relatief veel kleine pori?n heeft tenopzichte van bijvoorbeeld metalen, heeft beton eenrelatief lage warmtegeleidingsco?ffici?nt. Tenopzichte van typische isolatiematerialen als steen-wol en glaswol geldt echter het tegenovergestelde;beton levert een bescheiden bijdrage aan de warm-te-isolatie, maar om te kunnen voldoen aan deenergieprestatie-eis van een gebouw moet altijdisolatiemateriaal worden toegepast.V o l u m i e k e w a r m t e c a p a c i t e i tDeze is relatief hoog ten opzichte van andere bouw-materialen (hout, isolatiematerialen) omdat de toe-gepaste massa hoog is. Dit betekent dat beton rela-tief veel warmte kan opslaan. Juist door dezeeigenschap kan beton zich positief onderscheidenen bijdragen aan de koellast van een gebouw en eencomfortabel binnenklimaat.K l i m a a t i n v l o e d e nNaast materiaaleigenschappen speelt ook het kli-maat een rol bij het warmtetransport in een con-structie. Het thermische gedrag wordt namelijkbe?nvloed door zogenoemde warm-koudvariaties;zowel tussen de binnen- en buitenzijde van de con-structie als aan het oppervlak. De volgende variatiesworden onderscheiden:? dagelijkse (willekeurige en continue) variatie intemperatuur door veranderingen van het weer(bijvoorbeeld zoninstraling);? variaties in dag- en nachttemperatuur;? variaties in temperatuur door de jaarlijkse wisse-lingen van seizoenen.ISOLEREN METPHASE CHANGEMATERIALS1 |Twee ingekapselde paraf-fines die als PCM inbeton zijn toegepast. Hetbetreft een poederachtigmateriaal, reeds com-mercieel verkrijgbaar eneen korrelig materiaal,ontwikkeld binnen hetCRAFT-project. Eenstreepje staat voor1 millimeterfoto: Bert Creemers/IntronA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wf ysicacement 2006 5 Bij een temperatuurstijging in een ruimte wordt dewarmte eerst opgeslagen in het beton. Pas als decapaciteit van het beton benut is, wordt de ruimtewarmer. Bij het dalen van de temperatuur geldt hetomgekeerde effect. De warmteopslag heeft een sta-biliserende invloed op het binnenklimaat:? temperatuurstijgingen worden vertraagd doordatwarmte in het beton gaat zitten;? temperatuurdalingen worden opgevangen doorde vrijkomende warmte die in de `buffer' betonopgeslagen zat.Veel opslag heeft over het algemeen een behaaglij-ker binnenklimaat tot gevolg. De opslag van zon-newarmte in de constructie is van invloed op dewarmtebehoefte in het stookseizoen, maar ook opde koellast in de zomer en de optredende binnen-temperaturen in de zomer.D e t a i l l e r i n gDe materiaaleigenschappen zijn vaak afhankelijkvan de massa van een materiaal. Hoe meer betonwordt toegepast, des te positiever is dit voor zowelde thermische isolatie als de warmtecapaciteit. Deconstructie-afmetingen (lees: dikte) hebben echtereen praktische grens. Daarnaast zijn dagelijkse kli-maatinvloeden wat dieper in het beton niet merk-baar. Wat dat betreft is het effect over het algemeenbeperkt tot 50 ? 80 mm vanaf het betonoppervlak.P h a s e c h a n g e m a t e r i a l sDoor het gebruik van zogenoemde phase changematerials kunnen de thermische eigenschappen vanbeton aanzienlijk worden verbeterd. Het gaat omkleine microbolletjes die aan het betonmengsel kun-nen worden toegevoegd (foto 1). De bolletjes bevatteneen stof die bij kamertemperatuur een faseverande-ring ondergaat: de stof smelt en daarvoor wordtenergie (warmte) aan de omgeving onttrokken (ziekader). Het gevolg is dat er veel meer warmte dannormaal nodig is om het beton op te warmen. Hier-door blijft de ruimte waarin het beton zich bevindtlanger koel dan normaal.Uit thermisch oogpunt zal de warmteweerstand ookenigszins verbeteren. Dit komt doordat PCM's slech-ter warmte geleiden dan beton. Dit voordeel is echterondergeschikt aan dat van de capaciteitsverbetering.Een nadeel is dat de PCM's die beschikbaar zijn -paraffines en zouten - moeilijk verenigbaar zijn metbeton. Dit heeft een succesvolle toepassing tot nutoe altijd tegengehouden. Daarom zijn er allerleioplossingen bedacht om PCM's te kunnen toepas-sen zonder dat dit betontechnologische nadelenheeft. E?n van deze oplossingen is die van(micro)inkapseling. Het idee is dat als de PCM's ineen betonvriendelijk materiaal worden ingekap-seld, dit betontechnologische voordelen heeft, ter-wijl de thermische eigenschappen van de PCM'sbehouden blijven.E u r o p e e s o n d e r z o e k s p r o j e c tIn een recent afgerond Europees CRAFT-projectheeft INTRON samen met twee partners voorvier opdrachtgevende partijen een nieuw proto-type beton ontwikkeld op basis van ingekapseldePCM's. Doel was te onderzoeken of toepassingvan PCM's in beton mogelijk is, zowel op ther-misch als betontechnologisch niveau. Er zijndaarbij twee types PCM toegepast:T h e r m i s c h e e i g e n s c h a p p e n v a nb o u w m a t e r i a l e n ( t a b e l 1 )absorptiefactor (= ):de mate waarin een materiaal warmte kan absorberensoortelijke warmte (= c) of warmtecapaciteit (van een materiaal):de hoeveelheid warmte die nodig is om ??n kg materiaal 1 K(elvin)in temperatuur te laten stijgenthermisch werkzame massa:dat deel van de massa van het gebouw dat de vertrekluchttemperatuur, of bijmechanische koeling, de koellast be?nvloedtwarmtecapaciteit (van een installatie):hoeveelheid warmte die een apparaat kan produceren per tijdseenheidkoellast (van een gebouw):de hoeveelheid energie die nodig is om een gebouw te koelen tot de ontwerp-temperatuurwarmtedoorgangsco?ffici?nt (= U):maat voor de grootte van de warmtestroom door een scheidingsconstructieper graad temperatuurverschil per vierkante meterwarmtegeleidingsco?ffici?nt ():de mate waarin een materiaal in staat is warmte te geleiden (= de warmte-stroomdichtheid gedeeld door de temperatuurgradi?nt waarvan de warmte-stroomdichtheid het gevolg is)warmteopslag:opslag van warmte al dan niet met als doel die later te gebruikenwarmteweerstand (Rc):de mate waarin een constructie weerstand biedt tegen warmtetransport. Dezeweerstand is afhankelijk van de dikte van het materiaal en de warmtegelei-dingsco?ffici?nt.Tabel 1 | Warmtegerelateerde eigenschappen van enkele bouwmaterialen (gangbare waarden)materiaal dichtheid warmtecapaciteit warmtegeleidings- warmteweer-co?ffici?nt stand bij 5 cmdikke construc-tie, circa[kg/m3] [J/kg.K] [W/m.K] [m2/K.W]staal 7,5?103480 27-50 0,001aluminium 2,7?103880 237 0,0002natuursteen 2,5?103840 2,0-3,0 0,02beton (normaal) 2,4?103840 1,5-2,0 0,03cellenbeton 0,4-1,0?103840 0,2-0,5 0,1-0,25kalkzandsteen 2,0?103840 1,0 0,05minerale wol 35-250 840 0,04 1,25kunststof 20-60 1470 0,02-0,04 2,0schuimenBron: PolyTechnisch Zakboekje 1998A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wf ysicacement 2006 5H o e w e r k t e e n P C MPhase change materials (PCM's) zijn niets andersdan materialen die bij de voor de mens leefbare tem-peraturen van fase (aggregatietoestand) veranderen.Het bekendste voorbeeld is water, dat vanaf0 ?C ijs wordt en als ijs bij opwarming wederomwater wordt. Tijdens dit proces wordt warmte uit deomgeving opgenomen en afgegeven, terwijl de tempe-ratuur in die omgeving gelijk blijft.PCM's die `instelbaar' zijn qua smelt- en stoltempe-ratuur kunnen worden onderverdeeld in paraffinesen gehydrateerde zouten (tabel 2). Deze instelbaar-heid is afhankelijk van het type paraffine of zout.Vaak is er geen sprake van een absolute temperatuurwaarbij de faseovergang plaatsheeft, maar van eentraject. Zo zijn er paraffines die tussen 25 ?C en30 ?C van fase veranderen, maar ook paraffines diedat doen tussen 15 ?C en 25 ?C. Deze instelbaarheidopent de deur naar diverse toepassingsmogelijkheden,zowel voor de woning- en utiliteitsbouw als voor deindustrie.De functionele werking van PCM's hangt voorname-lijk af van de enthalpie. Dit is de hoeveelheid energieper kg materiaal die nodig is om te kunnen smelten.Gehydrateerde zouten doen het wat dat betreft beterdan paraffines; ze hebben meer warmte nodig per kg.De toepassing van PCM's in bouwmaterialen isniet vanzelfsprekend. Zouten kunnen immers kris-talliseren en uitzetten, maar ook schadelijk zijn alsreactieproduct. Paraffines die smelten zijn vettig endaardoor niet eenvoudig toepasbaar. Beide materia-len zijn dus moeilijk verenigbaar met beton.Vandaar dat PCM's vaak worden ingekapseld meteen ander materiaal, zodanig dat het de werkingvan de PCM niet nadelig be?nvloedt.? een binnen het project ontwikkeld prototypePCM op basis van paraffine met een smelttrajectvan circa 25 - 30 ?C;? een commercieel verkrijgbare PCM op basis vanparaffine met een smelttraject van 26 - 29 ?C.Ook is een expertsysteem ontwikkeld waarmee voorverschillende praktijksituaties kan worden bepaaldof toepassing van PCM-beton voordelen oplevert.Met de ingekapselde PCM is zowel mortel als betonvervaardigd. Uitgangspunt was om tussen 5 en 10%betongewicht als PCM toe te passen met vervan-ging van fijn toeslagmateriaal. Bij beton komt ditneer op minimaal 100 kg PCM per m3beton. Ditkomt overeen met een equivalente warmtecapaci-teit van bijna 11764 kJ ten opzichte van 2016 kJ per?C bij normaal beton (6 x verbetering).Zowel de mortel als het beton is beoordeeld opthermische en betontechnologische eigenschap-pen. De ultieme beoordeling heeft wat dat betreftplaatsgehad aan twee identieke testobjecten uitbeton, waarbij het ene object volledig uit normaalbeton bestond en het andere uit normaal beton en(deels) PCM-beton (foto 2, 3).Het onderzoek heeft uitgewezen dat het toevoegenvan PCM's aan beton betontechnologisch moge-lijk is mits de PCM duurzaam is ingekapseld, hetcapsulemateriaal alkalisch bestendig is en deafmetingen van het ingekapselde PCM overeenko-men met die van courant toeslagmateriaal.De toegepaste PCM's zijn beide niet perfect geble-ken voor directe toepassing, maar het concept metde zelfontwikkelde PCM biedt wel voldoende per-spectieven. Het commercieel verkrijgbare productlijkt onvoldoende om in grote hoeveelheden inbeton te verwerken. Daarvoor zijn de afmetingente klein (