Stationair warmtetransport
Ten gevolge van temperatuurverschillen treedt warmtetransport op. Om berekeningen eenvoudig te houden, wordt aangenomen dat het temperatuurverschil en eventuele andere condities niet wijzigen, dit wordt stationair genoemd. De praktijk is anders. Er treden over een dag en door het jaar heen grote wisselingen op.
Voor het totaal van het warmtetransport heeft dat geen consequenties, mits correcte gemiddelden zijn bepaald. Voor bouwconstructies kan dit dynamisch gedrag wel consequenties hebben. Een bekend voorbeeld is oppervlaktecondensatie. Op een constructie, die traag opwarmt, kan condensatie optreden wanneer temperatuur en vochtigheid snel stijgen of afnemen. In de natuur ziet men dit verschijnsel als rijp, dauw en ijzel.
Transport van warmte treedt op 3 manieren op, namelijk door:
1) Geleiding : warmtetransport door een materiaal
2) Convectie : warmtetransport door stroming, bijvoorbeeld door luchtstroming
3) Straling : warmtestraling van een voorwerp, bijvoorbeeld een radiator
De hoeveelheid getransporteerde warmte is echter vooral afhankelijk van het temperatuurverschil. Per transportwijze zijn er nog andere parameters die de hoeveelheid warmtetransport bepalen.
1. Bij geleiding is de afstand (of dikte) waarover het warmtetransport plaatsvindt van belang. Daarnaast speelt de mate van een materiaal om warmte te geleiden, de warmtegeleidingscoëfficiënt, ook een rol (λ-waarde, spreek uit lambda).
2. Bij convectie is vooral de snelheid van de luchtbeweging van belang. Wanneer lucht langs een warmer (of kouder) oppervlak strijkt, wordt de warmte overgedragen. De snelheid van de lucht bepaald de warmteovergangscoëfficiënt voor convectie.
3. Bij straling is de warmteoverdracht afhankelijk van de emissiefactor (emissie is uitstraling). Veel materialen hebben een emissiefactor, die rond de 0,9 ligt. Gladder gepolijste oppervlakten hebben een lage emissiefactor (ca. 0,05). Deze materiaaleigenschap wordt onder andere gebruikt in HR++-glas. Op de spouwzijde van de binnenste glasplaat is een doorzichtige metaalcoating aangebracht, die het warmtetransport door straling tussen de beide glasplaten sterk vermindert.
De warmteovergangscoëfficiënt voor straling is naast de temperatuur afhankelijk van de
emissiefactor.
De warmteovergangscoëfficiënt voor convectie en straling worden bij elkaar opgeteld en uitgedrukt in W/(m2.K) (watt per vierkante meter per Kelvin). De temperatuursprong van 1 K komt overeen met die van 1ºC. De warmteovergangscoëfficiënt wordt genoteerd als α (alfa).
Deze transportmechanismen komen alle drie voor in de spouw van bijvoorbeeld een spouwmuur.
- Geleiding via de metalen spouwankers (vanwege de goede warmtegeleidende eigenschappen van metalen is het noodzakelijk deze warmteverliezen mee te nemen in de berekening).
- Convectie, door optredende luchtstromen wordt de warmte van het warme binnenspouwblad overgedragen aan het koude buitenspouwblad.
- Straling, de warmte van het binnenspouwblad wordt zonder bemoeienis van de luchtlaag overgedragen aan het buitenspouwblad (het vlak emitteert, straalt uit en op het koude vlak treedt absorptie op, waarbij de geabsorbeerde energie weer in warmte wordt omgezet.
Warmteverliezen kunnen beperkt worden door het temperatuurverschil te verkleinen, door straling tegen te gaan, door luchtstromingen te beperken en door materialen te gebruiken die de warmte slecht geleiden. Al deze opties komen ook in de praktijk voor:
- Verkleinen van het temperatuurverschil door lager te stoken;
- Beperking van straling door het aanbrengen van een metaalcoating in het glas of door het bevestigen van stralingsschermen onder een begane grondvloer;
- Beperking convectie door het niet ventileren van de spouwen;
- Beperking warmtegeleiding door het toepassen van een isolatiemateriaal.
Elk materiaal geleidt de warmte. De eenheid waarin deze eigenschap wordt uitgedrukt is de warmtegeleidingscoëfficiënt, aangeduid met de Griekse letter λ (lambda). In onderstaande tabel is van een aantal materialen de λ-waarden weergegeven. In de isolatienorm (NEN 1068) en de bijbehorende praktijkrichtlijn (NPR 2068) worden zeer exacte waarden gegeven.
Voor de praktijk is vooral de λ-waarde van het isolatiemateriaal van belang want deze bepaalt grotendeels de gevraagde warmteweerstand.
| Materiaal | Warmtegeleidingscoëfficiënt (lreken) in W/(m·K) |
| Aluminium | 160,000 |
| Beton (gewapend, 2.400 kg/m3) | 2,000 |
| Binnenspouwblad (gemetseld/gelijmd) | 1,000 |
| Buitenspouwblad (gemetseld) | 1,000 |
| Cellenbeton | 0,160 |
| Dekvloer | 1,000 |
| Gipskarton | 0,300 |
| Hout (prefab houten binnenspouwblad) | 0,130 |
| Kunststeen/natuursteen | 1,000 |
| Multiplex | 0,170 |
| Roestvaststaal | 15,000 |
| Sierpleister | 1,000 |
| Staal | 50,000 |
| Vulbeton | 1,800 |
Tabel: Warmtegeleidingscoëfficiënten van verschillende materialen
| Materiaal | Warmtegeleidingscoëfficiënt (lreken) in W/(m·K) |
| BouwPlaat 201 | 0,037 |
| BouwPlaat 211 | 0,035 |
| SpijkerflensDeken 123 | 0,040 |
| SpouwPlaat 433 DUO | 0,035 |
| SpouwPlaat 433 PLUS | 0,033 |
| Rhinox | 0,040 |
| Taurox D | 0,043 |
Tabel: Warmtegeleidingscoëfficiënten van enkele Rockwool materialen
De tabellen geven inzicht in de grote verschillen die er zijn. Hout isoleert circa 4x minder goed dan de Rockwool isolatiematerialen. In constructies waarin stijl- en regelwerk is verwerkt, zogenaamde samengestelde constructies, moet er extra isolatiemateriaal worden aangebracht om de lagere isolatiewaarde van het hout te compenseren. Nog veel grotere verschillen treden op indien er metaalconstructies worden gebruikt. Staal geleidt de warmte ongeveer 1500x beter dan isolatiemateriaal. Stalen profielen worden daarom altijd rondom geïsoleerd omdat compensatie nauwelijks mogelijk is.
Let ook op het verschil tussen RVS en verzinkt staal. Dit verschil is dermate groot dat wanneer RVS spouwankers worden toegepast, de isolatiedikte 5 mm minder kan zijn om een zelfde warmteweerstand te behalen.
