Bouwkundig detailleren voor tekenaar en ontwerper:
Bouwfysica - warmtetransport door een constructie.
Voor de volgende onderwerpen ga naar:
warmtetransportmechanismen;
warmtetransport door straling;
warmtetransport door geleiding;
de analogenmethode;
warmte-overgangscoëfficiënt c.q. warmtedoorgangscoëfficiënt;
stationair temperatuurverloop in een constructie;
koudebruggen;
warmteisolatie en warmteaccumulatie van dak- en gevelconstructies;
energiebesparing door warmteopslag;
Warmtetransportmechanismen:
Warmtetransport kan op drie manieren plaatsvinden, en wel door:
- convectie (=energietransport door luchtverplaatsing);
- straling (= energietransport via electro magnetische golven);
- en geleiding (= energietransport door overdracht van molecuul op molecuul bij vaste stoffen).
voor het onderwerp "Warmteregeling algemeen" het onderdeel "verwarming - warmteregeling".
Indien op een lichaam (vlak, muur, voorwerp, etc.) warmtestralen vallen dan kan deze warmtestraling worden
geabsorbeerd, gereflecteerd of worden doorgelaten.
Een lichaam kan warmte uitstralen (emissie) en ontvangen (absorbtie).
Een lichaam dat alle warmtestralen absorbeert, dus niets reflecteert, noemen we "een volkomen zwart lichaam".
In temperatuurevenwicht straalt een volkomen zwart lichaam evenveel energie uit als dat het absorbeert.
Warmtetransport door straling:
bron: aantekeningen HTS (1976)
Warmtetransport door geleiding:
(Warmtetransport door een constructie:)
Warmtestroomdichtheid: (watt/m2)
Een warmtestroom zal optreden wanneer media met verschillende temperaturen aan elkaar grenzen.
Bij een wand tussen twee ruimten met verschillende temperaturen zal de ruimte met de hoogste temperatuur dus eerst de wand met de gemiddelde temperatuur opwarmen
en daarna zal de opgewarmde wand de ruimte met de lagere temperatuur opwarmen.
Stationair warmtetransport:
In de stationaire toestand is de warmtestroom (i) en dus ook de warmtestroomdichtheid (q) onafhanelijk van plaats en tijd.
Deze conclusie geldt zelfs voor iedere gelaagde constructie, hoe gecompliceerd die ook is opgebouwd.
De grootte van de warmtestroomdichtheid (in de x-richting) wordt uiteraard mede bepaald door het materiaal.
Warmte geleidingscoëfficiënt:
De warmtegeleidingscoëfficiënt (λ) de materiaaleigenschap, die aangeeft hoeveel warmte in W door 1 m2 van een materiaal zal gaan bij een dikte van 1 m en een temperatuursverschil tussen beide vlakken van 1 graad Kelvin.
Naar grootte van de warmtegeleidingscoëfficiënten verdeelt men de stoffen in warmte-isolatoren en warmte geleiders.
De meest ideale warmte isolator is stilstaande lucht.
Een zwaar materiaal geleidt de warmte beter dan een licht materiaal.
Een poreus materiaal isoleert beter tengevolge van luchtinsluitsels.
Vochtig materiaal isoleert slechter dan droog materiaal.
hoe kleiner de warmtegeleidingscoëfficiënt (λ) des te beter de warmte-isolator.
Voorbeeld:
De analogenmethode:
De naam "warmteweerstand" is ingevoerd, omdat er een analogie bestaat tussen een stationaire warmtestroom en de electrische stroom.
Door aan elke grootheid die voor de warmtestroom een belemmering vormt een weerstandswaarde toe te kennen, is het mogelijk het warmteoverdrachtsmechanisme te vertalen in een electrisch analogon.
Ook bij samengestelde constructies bestaande uit meerdere materialen is het mogelijk om met behulp van een electrisch analogon het warmtebeeld te beschrijven.
M.b.v. deze gelijkheden kan de temperatuur op een scheidingslaag worden uitgerekend.
Hoewel bovenstaande formule een handige formule is, hebben we er in de praktijk niet veel aan, omdat we wel de buiten- en binnentemperatuur van de omliggende ruimten weten, doch niet de oppervlaktetemperaturen van de betreffende constructie.
Warmte-overgangscoëfficiënt c.q. warmtedoorgangscoëfficiënt:
Het kost de warmtestroom namelijk niet alleen moeite om de constructie te passeren, het kost hem ook moeite de constructie binnen te gaan en aan de andere kant weer uit te komen.
In het algemeen kan men zeggen dat de warmtecoëfficiënt α een maat is voor het gemak waarmee warmte van de lucht aan een constructie of omgekeerd wordt overgedragen en dat de k-waarde een maat is voor het gemak waarmee warmte kan worden afgevoerd.
Een kleine k-waarde (dus grote weerstand) betekent een goed isolerende constructie, dus weinig warmteverlies naar buiten in de winter.
De warmte-overdracht van een constructie naar de omgeving en omgekeerd vindt plaats door infrarode (onzichtbare) straling en door convectie (meevoering met de lucht).
De hoeveelheid warmte die door straling wordt overgedragen hangt onder andere af van de temperatuur van de oppervlakken van andere constructies in de omgeving, van het meubilair enzovoort.
Hij hangt niet af van de temperatuur van de lucht.
De hoeveelheid warmte die door convectie wordt overgedragen hangt juist wel van de luchttemperatuur af en bovendien van de luchtsnelheid langs het oppervlak. Dit laatste ligt voor de hand.
Als het hard waait wordt de warmte gemakkelijker afgevoerd dan wanneer het windstil weer is.
Ri (overgangsweerstand binnen): 0,13
Re (overgangsweerstand buiten): 0,04
= gezamelijk 0,17
Voor constructies die aan de binnenlucht grenzen, zoals vloeren boven kruipruimten, gelden 2 x de binnen overgangsweerstand.
= gezamelijk 0,26
Warmteoverdracht in spouwconstructies:
Wat de warmte-isolatie betreft is een luchtspouw op te vatten als een "laag"met een bepaalde warmteweerstand.Uit berekeningen blijkt dat de spouwbreedte, binnen zekere grenzen, slechts een geringe invloed heeft op de warmteweerstand van de spouw.
Een aanzienlijke verbetering van de warmteweerstand van een spouwconstructie kan derhalve alleen bereikt worden door het aanbrengen van spouwisolatie
Stationair temperatuurverloop in een constructie:
Wanneer alle temperatuursverschillen van een gelaagde constructie per scheidingsvlak bekend zijn kan het temperatuurverloop in de constructie getekend worden.
Omdat de temperatuurverloop in een geleidende laag lineair is, is het ook mogelijk om deze op een grafische manier te bepalen. (zie figuur)
Als we het temperatuursverloop kennen in de constructie is het ook mogelijk om te bepalen waar we vochttechnisch problemen kunnen verwachten ofwel waar en hoelang condens in een constructie optreedt.
Koudebruggen:
Een koudebrug is een plaats in de buitenschil van een gebouw met een beduidend lagere warmteweerstand (= grotere warmtestroomdichtheid) dan de aangrenzende delen van die buitenschil. Dit betekent, dat er in de buitenconstructie een plek is met een grotere warmtestroom van binnen naar buiten ten opzichte van de direct omliggende constructie.T.p.v. een koudebrug is in de wintersituatie een verhoogde kans op condensatie van waterdamp op het binnenoppervlak, welke kan leiden tot schimmelvorming.
In de zomersituatie kan anderzijds door mogelijke opwarming onder invloed van zonbestraling grote temperatuurspanningen ontstaan met alle gevolgen vandien. (zie voorbeeld bij verwijzing naar oplossing koudebruggen bij balkons)
bon afbeelding: documentatie Nationaal Isolatie Programma (1987)
Het na-isoleren van woningen en gebouwen zorgt voor een verlaging van het energieverbruik en een verhoging van het woon- en leefcomfort.
Wanneer echter een isolerende maatregel wordt toegepast aansluitend aan een niet-geïsoleerde plek, dan kan op die laatste plek een vochtprobleem ontstaan.
Het is daarom belangrijk om bestaande koudebruggen op te sporen en nieuwe te voorkomen.
Naarmate de buitenschil beter wordt geïsoleerd zal de invloed van de koudebrug op het warmteverlies belangrijker worden. Bij toenemende isolatie(dikte) zal de koudebrug zelfs het maximale isolatieniveau van de schil gaan begrenzen.
Koudebruggen kunnen afhankelijk van plaats en situatie zowel aan de binnenzijde als aan de buitenzijde worden geïsoleerd.
De eisen die gesteld worden aan de isolatie-oplossingen aan de buitenzijde verschillen echter sterk van de isolatie-oplossingen aan de binnenzijde.
Bij de isolatie-oplossingen aan de binnenzijde is een damprem (die ook intact blijft bij het ophangen van schilderij lijstjes,etc.) noodzakelijk om te voorkomen dat alsnog condensatie achter de isolatie kan optreden.
Voordat de binnen isolatie wordt aangebracht dient behang, etc. te worden verwijderd.
Bij isolatie aan de buitenzijde dienen we vooral rekening te houden met mogelijke lengteverandering door uitzetting van de rest van het gebouw, afvoer van vocht uit spouwconstructies, de gevoeligheid van het gekozen materiaal voor vervuiling, etc.
voor isolatie van bestaande begane grondvloeren bij het onderdeel kruipruimte onder vloeren.
voor isolatie van bestaande doorstekende vloeren/gevelbanden.
voor isolatie van bestaande betonbalkons bij het onderdeel balkons.
voor na-isolatie van platte daken en dakranden bij het onderdeel platte daken algemeen.
Warmteisolatie en warmteaccumulatie van dak- en gevelconstructies:
Om een constructie aan de gestelde eisen te kunnen laten voldoen, is het meestal noodzakelijk om warmteisolatie aan te te brengen. Indien dan met behulp van de aan te brengen isolatie aan de in de norm gestelde eisen is voldaan, dan heeft men de zekerheid een thermisch bevredigde constructie te hebben ontworpen. Toch kan dan nog veel narigheid optreden, wanneer de isolatie niet op de juiste plaats is aangebracht of,algemeen gesteld: wanneer de diverse lagen waaruit de constructie is opgebouwd niet op een juiste wijze achter elkaar zijn geplaatst.
Wanneer een ruimte opgewarmd wordt zal na het bereiken van de beoogde temperatuur door de scheidingsconstructie een hoeveelheid warmte zijn opgenomen. Dit geldt voor zowel de homogene scheidingsconstructie als ook voor de constructie die uit meerdere lagen is opgebouwd.
Beschouwen we echter vrijwel identieke constructies die uit meerdere lagen zijn opgebouwd dan blijkt de plaats van de isolatie een zeer grote rol te spelen.
Hoewel het voor de warmteweerstand en het warmteverlies in stationaire toestand niets uitmaakt waar de isolatie wordt aangebracht, is uit berekening duidelijk te zien welke enorme verschillen in opwarmingsgedrag beide constructies te zien geven.
De linker constructie heeft 78 uur nodig om in stationaire toestand te komen en de rechter 6,8 uur.
Ruimten die niet permanent gebruikt worden hebben baat bij de isolatie aan de binnenzijde, ruimten die permanent gebruikt echter niet omdat daar de stabiliserende accumulatie van de constructie (1 x opwarmen per stookseizoen) gewenst is.
In het algemeen kan gesteld worden dat een gebouw bestaande uit lichte constrcties en met weinig isolatie snel zal opwarmen, maarook snel afkoelt (barakkenklimaat). Voor het bouwen in tropische gebieden, met grote temperatuursverschillen tussen dag en nacht, betekent dit dat het aan te bevelen zou zijn het woongedeelte "zwaar" en het slaapgedeelte "licht" te construeren.
Ter illustratie zie tevens naaststaand grafiek waarbij het verloop van de binnen-oppervlaktetemperatuur als funtie van de tijd bij een constant gehouden binnenluchttemperatuur onder zonbestraling is af te lezen voor een lichte en zware constructie metdezelfde k-waarden.
De belangrijkste conclusies die hieruit zijn af te lezen zijn:
- Bij de lichte constructie komt de meeste warmte binnen ongeveer 1,5 uur nadat de zonbestraling maximaal is. Ook de buitenluchttemperatuur bereikt haar maximum 1,5 uur later dan het tijdstip waarop de zonstraling maximaal is. De warmte komt dus op het heetst van de dag binnen. Bij de zware constructie valt dit maximum bijna 5 uur later.
- De maximale hoeveelheid binnenkomende warmte is bij de lichte constructie bjna 2x zo groot als bij de zware constructie.
Energiebesparing door warmteopslag:
Via passieve zonne-energie systemen kan in bepaalde winter-situaties invallend zonlicht worden benut voor extra verwarming.
het betreffend onderdeel bij Buitenschil algemeen.
Via betonkernactivering kan in een groot gebouw (m.b.v. vloerverwarming of warmtemuren) de overtollige warmte uit het ene deel gebruikt worden voor de verwarming van het onderdeel.
voor warmtemuren het betreffend onderdeel bij Verwarmingsbronnen.
Via warmte/koude opslag in de bodem van overtollige warmte.
Om warmte/koudeopslag kosteneffectief in te zetten is, i.v.m. de eenmalige hogere investeringskosten, een bepaalde schaalgrootte nodig.
betreffend onderdeel bij Installatie's W-G-E.
Bouwkundig detailleren voor tekenaar en ontwerper:
dd: 11-12-2015
