De Technische Universiteit experimenteert met Phase Change Materials in een oplossing, toegepast als koudemiddel in een conventionele koelinstallatie. Avontuurlijke installateurs zijn nodig om de techniek naar een hoger plan te tillen. 

Door Tijdo van der Zee

Phase Change Materials (PCM’s) vinden steeds vaker een toepassing in de gebouwde omgeving. Warmte die overdag wordt geproduceerd door computers, of menselijke activiteit, kan worden opgeslagen in PCM-plafonds, om later in de nacht weer vrij te komen. Bij de Technische Universiteit Delft wordt gewerkt aan PCM’s in een oplossing, zodat ze kunnen worden rondgepompt en kunnen dienen als koudemiddel in meer conventionele koelinstallaties.

In het oude lab van de werktuigbouwkundige faculteit staat sinds enkele jaren een proefopstelling met een dergelijke PCM-oplossing. De installatie is via snoertjes gekoppeld aan computers die de onderzoekers continu informatie doorgeven over de prestaties van het materiaal. Via kijkgaatjes in de buizen is het proces ook binnenin de installatie te volgen.

PCM’s zijn in zekere zin niks nieuws. Immers, ook normale airco’s zijn gebaseerd op het principe van faseverandering. Het koudemiddel wisselt hier van gasvormige staat naar een vloeistof en omgekeerd. In de PCM’s die in dit artikel worden besproken gaat het daarentegen om de faseverandering van een vloeistof naar de vaste vorm van het koudemiddel. Bij de TU Delft is gekozen voor een oplossing met zouthydraten, in dit geval zijn dat moleculen met de naam tetra-n-butylammonium bromide (TBAB), gehuld in een ‘jas’ van waterstof.

Deze hydraten worden onder omgevingsdruk in een zodanige oplossing gebracht met water dat een slurry ontstaat. Het woord zegt het eigenlijk al een beetje: een slurry is een vloeistof met daarin een bepaalde hoeveelheid gestolde stof. Vergelijk het met het ijsdrankje slush puppie. Het smeltpunt van deze oplossingen ligt, afhankelijk van het percentage opgelost hydraat, ongeveer tussen de 7 en 12 graden.

Op vijf november vond op de werktuigbouwkundige faculteit van de TU Delft in samenwerking met de Koninklijke Nederlandse Vereniging voor Koude (KNVVK) een seminar plaats die de techniek van TBAB-slurries onder de aandacht bracht van geïnteresseerde installateurs. Eén van de sprekers was Irene de Sera, promovenda bij Carlos Infante Ferreira, professor koudetechniek en warmtepompen.

“TBAB-slurry is een uitstekend koudemiddel”, aldus De Sera, “Het heeft met een latente warmte van 193 kJ per kilo een veel grotere koudecapaciteit water. Dus je hebt voor hetzelfde koelvermogen veel minder koudemiddel nodig.” Ter illustratie gebruikt de Sera een voorbeeld van een airconditioning waarmee een vermogen van 5 kW gehaald moet worden. Wanneer in het koelsysteem water als koudemiddel wordt gebruikt, is er 0,24 kilo per seconde nodig. Bij TBAB-slurrys is dat veel minder. Van 0,17 kilo per seconde bij een oplossing van 20 procent, tot slechts 0,07 kilo per seconde bij een oplossing van 40 procent. Dit heeft uiteraard consequenties voor de buisdiameter – als de snelheid constant blijft -, die bij water 6 millimeter bedraagt, terwijl die bij de 40-procents oplossing bijna is gehalveerd tot 3,2 millimeter.

“Een ander voordeel is dat je met deze TBAB-slurry heel makkelijk koude kan opslaan. Je kan deze hydraten in oplossing maken en vervolgens laten staan voor later gebruik”, zegt De Sera. “Je kan dus makkelijk en goedkoop ‘s nachts deze koude opwekken, om hem de volgende dag te gebruiken.”

Bij het gebruik van slurries bestaat het gevaar dat de hydraten gaan klonteren, of aankoeken, waardoor het geheel dichtslibt. Om dit te voorkomen wordt in de testopstelling in het laboratorium gebruik gemaakt van twee koelers, waarbij de ene koeler een iets hogere temperatuur aanhoudt dan de andere. “In die warmere koeler smelten we de hydraten weer een beetje.” Uiteraard heeft een slurry andere fysische eigenschappen dan water. Dat blijkt bijvoorbeeld ook door de grote drukval die optreedt als de hydraten in de oplossing stollen. “Maar dit kan worden ondervangen door de hogere capaciteit van de slurry”, zegt De Sera. “En ondanks de hogere viscositeit blijft de slurry goed pompbaar. We hebben in onze opstelling zelfs flink wat bochtjes en t-stukken en die leveren geen problemen op.”

Er zijn meer fysische verschillen met water. Zo blijkt bij de generatie van slurry de warmteoverdrachtscoëfficiënt voor de slurry lager te liggen dan bij water. Dat betekent dat de generatorwarmtewisselaar groter moet zijn dan bij water als koudemiddel. “In geval van een standaard koelcyclus moet de verdamper een stukje groter zijn, en daarin is meegerekend dat je dankzij de hogere capaciteit minder slurry nodig hebt dan water”, zegt De Sera. De warmteoverdrachtscoëfficiënt bij het smelten van de slurry, dus bij de toepassing in het gebouw, ligt veel dichter bij die van water, dus daar kan de warmtewisselaar ongeveer even groot blijven.

Dat een TBAB-slurry koelsysteem kan werken is bewezen aan de andere kant van de wereld. In de Thaise hoofdstad Bangkok wordt sinds begin 2013 een kantoorgebouw met een vloeroppervlak van 28.800 vierkante meter gekoeld met TBAB-slurry, die door het bedrijf Japanse bedrijf JFE Engineering op de markt wordt gebracht onder de naam Neo White. Zover is het in Nederland nog lang niet. Ja, er staat een slurrygenerator in het laboratorium, maar die is niet aangesloten op een warmtewisselaar in een gebouw.

Die situatie is overigens al wel gesimuleerd, in de computer, door student Hicham Zak, die binnenkort op het onderwerp in Delft afstudeert. Hij liet berekeningen los op een fictief kantoorgebouw met 1920 vierkante meter vloeroppervlak gedurende tien hypothetische dagen in juli. Hij vergeleek koeling met water met koeling met TBAB-slurry op verschillende temperaturen (beide systemen met propaan als koudemiddel in het primaire systeem). Zijn conclusies liegen er niet om. Het ‘watersysteem’ dat werkte met een verdampingstemperatuur van 2 graden lag op een COP van 3.15. Met een TBAB-slurry in combinatie van een verdampingstemperatuur van 7 graden en gebruikmakend van nachtelijke hydraatgeneratie, ligt de COP op 7.04. Dit ondanks dat de pompen veel meer vermogen vragen om de dikkere slurry rond te pompen.

De presentaties bij de TU Delft waren zeer zeker bedoeld om de interesse te wekken van avontuurlijke installateurs. Zij zijn nodig om de techniek naar een hoger plan te tillen. Uiteraard zijn hier innovatiesubsidies voor beschikbaar. Vanuit Europa is er voor innovatie en ontwikkeling de komende zeven jaar 80 miljard euro vrijgemaakt. En anders dan bij het vorige subsidieprogramma, FP7, stelt de Europese Commissie nu heel duidelijk dat betrokkenheid vanuit het MKB (installateurs!) de kans op toekenning veel groter maakt.

Of deze techniek gaat aanslaan in de sector? Harry Schmitz, werkzaam bij OC Autarkis, heeft zijn bedenkingen. Zijn bedrijf levert PCM-plafonds, die toepassing vinden in onder meer datacentra en kantoren. “Ben ik onder de indruk van slurries ? Ja en nee”, zo laat hij aan GAWALO weten. “Zolang we klimaatinstallaties blijven bouwen met een koelwatertraject van 6 tot 12 graden met binnentemperaturen van 20 tot en met 23 graden, kunnen slurries concurrerend worden. Gaan we echter naar adaptieve hogere binnentemperaturen toe van maximaal 26 a 27 graden in de zomer, dan denk ik dat de huidige generatie slurries geen schijn van kans hebben.”

Schmitz verwijst naar NEN-EN 15251, waarin gesproken wordt over adaptieve binnentemperaturen. De maximale binnentemperatuur ’s zomers bedraagt daarin 26 graden met overschrijdingsuren 27 graden. “Nu heb ik begrepen dat TBAB een smelttemperatuur heeft van 6 a 7 graden. Maar m et die hogere temperaturen uit de NEN-EN 15251 ga je naar koelwatertemperaturen van 16 tot 19 graden. Dan hoeft de koelmachine niet meer diep door te koelen naar 6 graden Celsius maar nog maar naar 16 graden. De COP-waarde van de compressiekoeling verbetert daarmee enorm.”

Verschenen in Gawalo nov/dec 2014