Faseveranderende materialen kunnen voor een fikse reductie van energiekosten zorgen als ze worden gebruikt in gevels. Een team van de faculteit Bouwkunde kreeg een STW-subsidie om de thermische effecten van transparante 'DoubleFace' elementen exact in kaart te brengen.
Het idee is feitelijk stokoud, want een 'trombe-muur' was honderd jaar geleden al een middel om binnenshuis zonnewarmte vast te houden. Alleen worden in de moderne variant 'phase changing materials' (PCM's) gebruikt in plaats van donkere, zware stenen. “Sommige van die materialen hebben het grote voordeel dat ze transparant zijn wanneer dat gewenst is”, vertelt onderzoeker Martin Tenpierik. “Bovendien kunnen we tegenwoordig met behulp van algoritmes nauwkeurig berekenen wat het effect is van opvang en afgifte van zonnewarmte. Daarmee kunnen we een optimale trombe-muur ontwikkelen.”
Het DoubleFace 2.0 project is een vervolg op een eerder 3TU onderzoek. STW ziet potentie in de oplossing die een team van de TU Delft en de TU Eindhoven destijds bedacht en verstrekte een subsidie van een kwart miljoen euro.
DoubleFace is een lichtdoorlatend blokkensysteem gevuld met faseveranderend materiaal. In de winter zorgt opwarming door de zon ervoor dat het materiaal vloeibaar wordt, waardoor meer licht doordringt en het element ’s avonds wanneer het weer stolt langdurig warmte afgeeft. Doordat het gecompartimenteerde systeem om zijn as kan draaien, heeft het in de zomer precies het tegenovergestelde effect. Anders dan bij een 'ouderwetse' trombe-muur is er geen grote bouwmassa nodig om het effect van passieve warmteregeling te bereiken.
Zouthydraten
Het vervolgonderzoek gaat op zoek naar de ideale vormgeving, isolatiematerialen en PCM's. Wat betreft dat laatste gaat de aandacht vooral uit naar zouthydraten. Dankzij hun lage smelttemperatuur van rond de 20 á 25 graden Celsius kunnen deze zeer geschikt zijn. “Aangezien ons systeem zowel in de winter als in de zomer effect moet hebben, onderzoeken we ook of we misschien twee verschillende soorten PCM moeten gebruiken”, vertelt mede-onderzoeker Michela Turrin. “Dat heeft te maken met het feit dat PCM's vaak slechts effectief zijn binnen nauw begrensde temperatuurgebieden.”
De komende twee jaar wordt naar hartenlust geëxperimenteerd met materialen en geometrische vormen. Bij eerdere experimenten gebruikten de onderzoekers plexiglaselementen gevuld met een dunne laag aerogel (isolator) en een paar centimeter faseveranderend materiaal. Bij oplopen van de temperatuur en het overgaan in vloeibare fase bleek de transparantie van de blokken te variëren van grofweg 3 procent tot ruim 30 procent. Simulaties hebben inmiddels uitgewezen dat dit een reductie van het energiegebruik kan opleveren van wel 40 procent in vergelijking met een ruimte zonder trombe muur.
De onderzoekers hopen een concept te ontwikkelen dat geschikt is voor zowel woningen als kantoren. DoubleFace-blokken zijn bruikbaar als gevelelement maar ook als decoratief element, dat voor het raam wordt geplaatst. In de eerste projectfase viel de keuze op blokken in de vorm van een hexagonaal. Dat resulteerde in een levendig patroon met een behoorlijk hoge sterkte.
Bij de doorontwikkeling van het concept speelt 3D printen een belangrijke rol. Met behulp van een 3D printer is het mogelijk een honingraatstructuur te fabriceren met speciaal geprinte holtes en kanaaltjes aan de binnenzijde. Die kunnen ontmenging van de PCM's voorkomen wanneer ze overgaan van de vaste in de vloeibare fase. Vanuit het onderzoeksbudget wordt een printrobot aangeschaft om in één keer een oppervlak van een paar vierkante meter te kunnen printen. Bij de doorontwikkeling wordt mogelijk ook thermochromisch glas gebruikt. Daarmee is het eenvoudig schakelen tussen de vloeibare en de vaste fase.
De prijs van faseveranderende materialen en aerogels maakt massale toepassing nu nog lastig. Tenpierik: “Maar 3D printen was tien jaar geleden ook onbetaalbaar. Dit is een opkomende markt, met enorme mogelijkheden.”
Het DoubleFace team bestaat uit dr.ir. Martin Tenpierik, dr.MSc.Arch. Michela Turrin, ir. Yvonne Wattez en Tudor Cosmatu MSc.
Gepubliceerd: april 2018