Inleiding
Warmtetransport, ook wel warmteoverdracht genoemd, is een fundamenteel concept binnen de bouwfysica en essentieel voor het realiseren van energiezuinige gebouwen. Het proces beschrijft hoe thermische energie van een warmer naar een kouder gebied wordt overgedragen. In de context van woningbouw en renovatie is inzicht in deze mechanismen cruciaal om warmteverlies te minimaliseren, het thermisch comfort te waarborgen en de energierekening te verlagen.
Volgens de wet van behoud van energie kan energie nooit verloren gaan, maar bij warmtetransport gaat wel altijd energie verloren in de zin dat deze wordt afgegeven aan de omgeving. De warmte verdwijnt niet echt, maar verplaatst zich. Om goed te kunnen isoleren, is het noodzakelijk te weten met welke vorm van warmteverlies men te maken heeft. Warmte verplaatst zich altijd van een plek met een hoge temperatuur naar een plek met een lagere temperatuur. Dit kan op drie manieren gebeuren: door geleiding, stroming (convectie) en straling. In de bouwpraktijk spelen deze mechanismen een cruciale rol bij het ontwerpen van constructies die warmteverlies in de winter beperken en oververhitting in de zomer voorkomen. Kennis van warmtetransport helpt bij het kiezen van de juiste isolatiematerialen en het voorkomen van bouwtechnische problemen zoals inwendige condensatie of thermische spanningen.
De Drie Primaire Mechanismen van Warmtetransport
Er zijn drie primaire mechanismen voor warmtetransport die relevant zijn voor de bouwsector: geleiding, convectie en straling. Elke vorm van warmtetransport geeft warmteverlies, en elk mechanisme kent een specifieke manier om dit te beperken.
Geleiding (Conductie)
Geleiding is warmteoverdracht door direct contact tussen deeltjes, voornamelijk in vaste stoffen. De warmte wordt doorgegeven van molecuul op molecuul door middel van botsingen. Wanneer we een staaf metaal aan de ene kant verwarmen, wordt naar verloop van tijd de hele staaf warm; de warmte wordt van het verhitte punt doorgegeven naar het koude stuk dat men vasthoudt.
In de bouw is een voorbeeld van geleiding hoe warmte door een massieve muur stroomt. Materialen met een lage warmtegeleidingscoëfficiënt (λ) isoleren goed. De warmtegeleidingscoëfficiënt (λ-waarde) geeft aan hoeveel warmte een materiaal doorlaat. Hoe lager de λ-waarde, hoe beter het materiaal isoleert. Materialen die warmte slecht geleiden, zoals het schuim van bezorgmaaltijden, katoen, wol, of steenwol (gebruikt voor dakisolatie), hebben een isolerende werking. Lucht is een zeer slechte geleider. In goed isolerende materialen zit vaak heel veel lucht, omdat lucht de warmtegeleiding tegengaat. Hout geleidt warmte bijvoorbeeld slechter dan baksteen, waardoor een houten muur de warmte beter binnen (of buiten) houdt dan een even dikke bakstenen muur.
Om warmteverlies door geleiding te beperken, dient men te zorgen dat de tussenstof de warmte niet doorgeeft. Dit gebeurt door het toepassen van materialen met lage λ-waarden.
Convectie (Stroming)
Convectie is warmtetransport dat plaatsvindt in vloeistoffen en gassen door de beweging van het medium zelf. Warme, minder dichte lucht of vloeistof stijgt op, terwijl koudere, dichtere lucht of vloeistof daalt, waardoor een circulatie ontstaat. In gebouwen is dit bijvoorbeeld merkbaar bij luchtstromen rond radiatoren of in spouwmuren.
Bij convectie verplaatst de warmte zich met de stroming van het medium mee. Dit mechanisme speelt een belangrijke rol bij warmteverlies door kieren en gaten, ook wel tocht genoemd. Wanneer warme lucht uit een woning ontsnapt via kieren, wordt deze direct vervangen door koudere lucht van buiten, wat het warmteverlies versnelt.
Om warmteverlies door stroming tegen te gaan, moet men ervoor zorgen dat de tussenstof niet gaat stromen. Dit kan door het creëren van stilstaande luchtlagen, zoals bij dubbelglas of in spouwmuren met isolatie. Ook het dichten van kieren met tochtstrips is een effectieve maatregel. Door een tochtstrip te plakken bij ramen en deuren, wordt de lucht in de kamer minder in beweging gebracht en verdwijnt er minder warme lucht van binnen naar buiten.
Straling (Radiatie)
Bij warmtestraling wordt warmte overgedragen door elektromagnetische golven, zonder dat er een tussenstof nodig is. De warmte van de zon die de aarde bereikt, is een voorbeeld van straling. In de bouw treedt straling op tussen oppervlakken met verschillende temperaturen, bijvoorbeeld tussen een warm dak en de koudere lucht erboven, of tussen een radiator en de wand.
Straling is een directe overdracht van warmte in de vorm van infrarode straling. Een radiator die voor een muur hangt, geeft zijn straling af aan de kamer en aan de muur. De muur wordt hierdoor warmer en straalt op zijn beurt weer warmte uit. Infrarode straling kan zichtbaar worden gemaakt met een infraroodcamera, wat resulteert in een thermogram. Een thermogram van een gebouw in de winter laat zien waar de meeste warmte verloren gaat; de rode gebieden geven aan waar veel warmtestraling het huis verlaat.
Om warmteverlies door straling te beperken, kunnen reflecterende oppervlakken worden gebruikt. Door glimmende radiatorfolie achter een radiator te plakken, weerkaatst de folie de warmte de kamer in. De muur wordt hierdoor veel minder warm en de kamer juist warmer. Ook het toepassen van reflecterende luchtlagen in isolatiematerialen kan straling tegengaan.
Isolatie in de Bouwpraktijk
Isolatie is maatregelen nemen om warmtetransport te voorkomen of te verminderen. In de bouw is isolatie iets vanzelfsprekends geworden. Enkele tientallen jaren terug werd er nog weinig rekening mee gehouden bij de bouw van huizen, maar tegenwoordig wordt er geen gebouw meer zonder isolatie neergezet. Ook oude gebouwen worden geïsoleerd. Isolatiemateriaal vermindert altijd één of meer soorten van warmtetransport.
De U-waarde en Rc-waarde
De effectiviteit van isolatie wordt vaak uitgedrukt in de U-waarde of de Rc-waarde.
- U-waarde: De U-waarde geeft aan hoe goed een materiaal of een constructieonderdeel isoleert. De U-waarde is de warmtedoorgangscoëfficiënt en wordt uitgedrukt in W/(m²K). Hoe lager de U-waarde, hoe beter het materiaal isoleert.
- Rc-waarde: De Rc-waarde (thermische weerstand) is een maat voor de isolatiewaarde van een bouwdeel, zoals een muur, dak of vloer. De Rc-waarde wordt berekend op basis van de dikte en de warmtegeleidingscoëfficiënt (λ) van de gebruikte materialen. Hoe hoger de Rc-waarde, hoe beter de constructie isoleert. De afbeelding van een doorsnede van een gevelmuur toont het temperatuurverloop van buiten naar binnen. Bij een constructie met baksteen buiten, een luchtspouw, isolatie (geel) en kalkzandsteen binnen, is te zien dat steen en lucht niet zo goed isoleren. Ter hoogte van het isolatiemateriaal is een duidelijk temperatuurverschil zichtbaar, wat aangeeft dat dit goed isoleert.
Toepassing van Isolatiematerialen
In goed isolerende materialen zit vaak heel veel lucht. Lucht is een goede isolator, op voorwaarde dat de lucht stilstaat. Door het creëren van stilstaande luchtlagen kan convectie worden verminderd.
- Spouwmuurisolatie: In een spouwmuur wordt isolatiemateriaal verwerkt. De spouw zorgt voor een luchtlaag, en de isolatie beperkt de geleiding. Glaswol is een veelgebruikt materiaal met een warmtegeleidingscoëfficiënt van ongeveer 0,040 W/(mK).
- Ramen: Warmteverlies door ramen kan worden tegengegaan met dubbelglas. Dubbelglas bestaat uit twee glasbladen met daartussen een stilstaande luchtlaag, waardoor zowel geleiding als convectie wordt beperkt.
- Radiatoren: Het plaatsen van radiatorfolie achter de radiator beperkt het warmteverlies door straling naar de muur.
Berekening van Warmteverlies
Om de benodigde isolatie en het te verwachten warmteverlies te berekenen, worden formules gebruikt. Voor transmissieverlies (warmteverlies door constructieonderdelen) kan de volgende formule worden gebruikt:
P = ΔT × A × λ / d
Waarbij: * P = Vermogen (warmteverlies) in Watt * ΔT = Temperatuurverschil tussen binnen en buiten in Kelvin (of Celsius) * A = Oppervlakte in m² * λ = Warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal in W/(mK) * d = Dikte van het materiaal in meter
Deze formule kan per laag in een constructie worden toegepast om de temperatuurverschillen per laag te berekenen. Door de totale Rc-waarde van een constructie te berekenen (som van d/λ voor elke laag), kan het totale transmissieverlies worden bepaald. Transmissieverlies is het vermogen dat, vanuit het vertrek gezien, moet worden toegevoerd om het warmteverlies door een raam, wand, vloer of plafond te compenseren. Dit verlies treedt 'altijd' op, in tegenstelling tot ventilatiewarmteverlies.
Conclusie
Kennis van warmtetransportmechanismen is essentieel voor het ontwerpen van energiezuinige gebouwen en het waarborgen van thermisch comfort. De drie primaire mechanismen—geleiding, convectie en straling—spelen allemaal een rol bij warmteverlies in gebouwen. Door deze mechanismen te begrijpen, kunnen gerichte isolatiemaatregelen worden genomen.
Isolatie beperkt warmtetransport door materialen met lage warmtegeleidingscoëfficiënten toe te passen, stilstaande luchtlagen te creëren om convectie te verminderen, en reflecterende oppervlakken te gebruiken om straling tegen te gaan. Maatregelen zoals spouwmuurisolatie, dubbelglas, tochtstrips en radiatorfolie zijn effectieve toepassingen van deze principes. Het berekenen van U-waarden, Rc-waarden en transmissieverlies met behulp van de juiste formules stelt professionals en bewoners in staat om de energieprestaties van een gebouw te objectiveren en te optimaliseren. Door warmteverlies op de juiste manier te beperken, kan aardgas worden bespaard en kunnen kosten worden verlaagd.