< Terug naar vorige pagina

Project

Verkenning van het gebruik van biomaterialen voor warmteopslag en comforttoepassingen in gebouwen. Biogebaseerde PCM's en composietmaterialen.

Europa is een belangrijke speler in de grootste stroom, in termen van hoeveelheid, van speciaal bouw- en sloopafval (B&S-afval). Het beheer van het afval van de bouwsector is van invloed op de atmosferische emissies, waardoor de wereldwijde klimaatuitdaging en de doelstelling om steeds dichter bij de ecologische overgang te komen ook op Europees niveau spelen. Bovendien leidt de opwarming van de aarde tot een toenemend energieverbruik voor het koelen van onze huizen om een adequaat niveau van thermisch comfort te bereiken. Gezien de huidige energiecrisis vereist de overgang van fossiele brandstoffen naar duurzame bronnen bovendien een paradigmaverschuiving van louter energiebesparingsdoelstellingen naar strategieën die gericht zijn op een sterke vermindering van de stroompiekvraag. Phase Change Materials slaan thermische energie op en geven deze weer af tijdens de faseovergang van vaste naar vloeibare toestand, en omgekeerd, door gebruik te maken van voelbare en latente warmte. PCM's optimaliseren de dagelijkse temperatuurschommelingen door binnenpieken te verminderen en de energie-efficiëntie van gebouwen zelf aanzienlijk te verbeteren, wat leidt tot een lager verbruik en een beter binnencomfort. Omdat PCM de piekbelasting voor verwarming en koeling kunnen verlagen en vertragen, lijken zij bovendien aantrekkelijk om het gebruik van hernieuwbare energiebronnen, die gekenmerkt worden door een discontinuïteit in de productie, te verhogen. Doelstellingen en onderzoeksvragen Ondanks het grote potentieel van PCM's worden zij echter nog weinig toegepast in gebouwen. Dit hangt samen met verschillende beperkingen zoals de moeilijkheid om ze in bouwmaterialen te verwerken, onzekere prestaties, moeilijkheid om ze optimaal te benutten, onzekere duurzaamheidsprestaties/exploitatiegraad, gebrek aan geschikte en uniforme prestatie-indicatoren (KPI=Key Performance Indicators). Bovendien staan PCM's wereldwijd in de belangstelling van onderzoekers, zoals blijkt uit talrijke studies in de literatuur. Er wordt echter meer aandacht besteed aan paraffinische materialen, waarbij het ecologische en economische belang dat BioPCM's daarentegen kunnen opleveren, over het hoofd wordt gezien. Daarom stelt dit plan BioPCM's centraal in het onderzoek en beoogt het de huidige beperkingen op het gebruik van dit soort materialen in de bouw te verminderen door specifieke onderzoeksvragen te beantwoorden. De eigenschappen van de PCM's zijn dynamische eigenschappen waarbij rekening moet worden gehouden met de randvoorwaarden en het effect van de faseovergang op de algemene prestaties van het materiaal. Daarom is het karakteriseren van PCM's met behulp van verschillende instrumenten en het vergelijken van de verkregen waarden een benadering om inzicht te krijgen in de meetonzekerheid van de verschillende gebruikte instrumenten en om een corrigerende parameter te verkrijgen. Talrijke onderzoeken hebben echter aangetoond dat de toevoeging van PCM aan de bouwschil de warmtelast in warme klimatologische omstandigheden, vooral in de zomer, kan verminderen. Dit is een van de beperkingen bij de toepassing van PCM's, aangezien het door de verschillende smelttemperaturen moeilijk is om met één enkel materiaal voor faseverandering te voldoen aan de eisen inzake verwarming en koeling (winter/zomer). Dit is een kwestie die nader onderzoek verdient, en daarom is het hier voorgestelde onderzoek erop gericht composiet- en modulaire structuren te onderzoeken door de thermische efficiëntie van zowel afzonderlijke als samengestelde lagen te evalueren. In feite kunnen PCM's op verschillende manieren in de schil worden verwerkt, maar in het voorgestelde onderzoek is het nuttig om de integratie van PCM's door middel van verschillende technieken (d.w.z. plastic buizen, microingekapselde PCM-dispersie...) in wandplaten, gipsmortels en lichtgewicht beton te evalueren, waarbij aandacht wordt besteed aan het effect van PCM op de thermische uitzetting tijdens de faseverandering. De interactie tussen het PCM en het composietmateriaal is een zwak punt, dus stelt het onderzoek voor dit te verifiëren en/of te controleren met behulp van rasterelektronenmicroscopie (SEM). Via SEM-analyse zullen de morfologie en de microstructuur van het BioPCM-steunmateriaal en dat van het uiteindelijke bio-composiet-PCM worden bestudeerd om na te gaan of het biogebaseerde faseveranderingsmateriaal met succes in de matrix is opgenomen. Voor de karakterisering van de monsters stelt het onderzoek voor de thermische eigenschappen van de composietmaterialen bij twee verschillende temperaturen te meten om het effect van de PCM-toestand (vloeibaar en vast) op de werkelijke waarden van de monsters zonder PCM te bestuderen, en het effect van latente warmte op de afzonderlijke monsters uit de accumulatie van enthalpie als functie van de temperatuur. Methodologie In het onderzoek worden drie macrofasen voorgesteld. De eerste is met name een voorbereidende stap gewijd aan de selectie/verzameling van materialen, de ontwikkeling van een geoptimaliseerd mengselontwerp en de voorbereiding van de monsters. De tweede is een fase van experimentele karakterisering, vergelijking en optimalisering van de ontwikkelde materialen. De derde en laatste fase omvat de simulatie op component- en gebouwschaal door toepassing van de verkregen experimentele waarden. De belangrijkste stappen van het onderzoek worden hieronder weergegeven: 1. Voorbereidende fase - Definitie van PCM volgens type, verwachte prestaties, vereiste technologische kenmerken (brandgedrag, milieu-impact, stabiliteit, enz. - Definitie van materialen waarmee de samengestelde monsters moeten worden gerealiseerd (biogebaseerde materialen, afval, enz.). 2. Experimentele fase - Meting van de thermische, akoestische en hygroscopische eigenschappen voor optimalisatie van de productprestaties. - Definitie van meetprocedures om het thermisch gedrag van PCM te beoordelen en gegevens te leveren voor validatie van simulatiemodellen. 3. 3. Simulatiefase - Dynamische energiesimulaties met behulp van software zoals EnergyPlusTM of TRNSY, om het systeem te simuleren en het potentieel voor energiebesparing en warmteregeling voor gebouwen in verschillende bedrijfsscenario's te evalueren. - Bepalen van actieve en passieve strategieën voor het gebouw om het energieverbruik te minimaliseren en het thermisch comfort te verhogen om de voordelen die met PCM kunnen worden bereikt te maximaliseren. - Levenscyclusanalyse (LCA), via de GABI LCA software of de SimaPro software, gebaseerd op de EcoInvent database voor materialen, waarbij operationele energie/koolstofbesparingen van gebouwen worden gecombineerd met de opgeslagen energie/koolstof van PCM composietmaterialen om richtlijnen te ontwikkelen ter ondersteuning van het beslissingsproces voor ontwerpers. Een fundamentele prestatie-eis, naast de thermodynamische, akoestische en economische eisen, voor materialen in het algemeen en, gezien de aard van de onderzochte materialen, voor PCM's in het bijzonder, is duurzaamheid in de tijd en prestatievariatie voor elke thermische cyclus waaraan zij worden onderworpen. In dit geval zijn versnelde cycli nuttig om het gedrag van het PCM na vele smelt - stollingscycli in korte tijd te verkrijgen. Uitgaande van toepassing van deze materialen in binnenruimten, en dus van toepassing in de bouw en de architectuur, is het tenslotte een goede aanpak om hun akoestische, vochtabsorberende, maar ook esthetische en ontwerpprestaties te evalueren. Dit laatste mag niet over het hoofd worden gezien, omdat een geluidsabsorberende en vochtregulerende component esthetisch aantrekkelijk kan zijn voor binnentoepassingen en de perceptie van de kwaliteit van de binnenruimte in het algemeen kan beïnvloeden. Het doctoraatsonderzoek heeft dus tot doel poreuze panelen met ingebedde BioPCM te ontwerpen door het oppervlak van monsters met verschillende texturen te behandelen. Op deze manier is het mogelijk de component toe te passen in de binnenomgeving met een opmerkelijke esthetische aantrekkingskracht en technologische prestaties.

Datum:16 mrt 2023 →  Heden
Trefwoorden:Bio-based PCMs, sustainability, heat storage, thermal comfort, acoustic performance, composite materials, buildings retrofit
Disciplines:Bouwfysica, Duurzaam bouwen, Architectuur niet elders geclassificeerd, Ingenieurswetenschappen in de architectuur niet elders geclassificeerd
Project type:PhD project