Free Press

Hoewel de nadruk bij de milieuprestatie van gebouwen nu ligt op het koolstofverbruik, is het nog steeds nodig om de thermische prestatie van de gebouwconstructie als een bijdragende factor te beschouwen. De thermische prestatie wordt gemeten in termen van warmteverlies, en wordt in de bouwindustrie gewoonlijk uitgedrukt als U-waarde of R-waarde. Berekeningen van U-waarden zullen altijd nodig zijn bij het vaststellen van bouwstrategieën. Een aantal van deze termen hebben subtiel gelijksoortige betekenissen, en op het internet zijn tegenstrijdige interpretaties te vinden. De verschillende terminologieën, en hoe ze zich tot elkaar verhouden, worden in dit artikel uitgelegd.

U-waarde, of warmtedoorgangscoëfficiënt (reciproke van R-waarde)

De warmtedoorgangscoëfficiënt, ook bekend als U-waarde, is de snelheid van de warmteoverdracht door een constructie (die een enkel materiaal of een composiet kan zijn), gedeeld door het temperatuurverschil over die constructie. De meeteenheden zijn W/m²K. Hoe beter een constructie geïsoleerd is, hoe lager de U-waarde zal zijn. De normen voor afwerking en installatie kunnen de warmtedoorgangscoëfficiënt sterk beïnvloeden. Als isolatie slecht is aangebracht, met kieren en koudebruggen, dan kan de warmtedoorgangscoëfficiënt aanzienlijk hoger zijn dan gewenst. De warmtedoorgangscoëfficiënt houdt rekening met warmteverlies door geleiding, convectie en straling.

Berekening van de U-waarde

De basisberekening van de U-waarde is betrekkelijk eenvoudig. In wezen kan de U-waarde worden berekend door de reciproke te vinden van de som van de warmteweerstanden van elk materiaal waaruit het bouwelement in kwestie bestaat. Merk op dat, naast de materiaalweerstanden, de binnen- en buitenoppervlakken ook weerstanden hebben, die moeten worden opgeteld. Dit zijn vaste waarden.

Er zijn een aantal normen die betrekking hebben op berekeningsmethoden voor warmtedoorgangscoëfficiënt. Deze staan vermeld in de sectie ‘Nuttige links en referenties’ aan het eind van dit artikel.

Eenvoudige berekeningen van de U-waarde kunnen op de volgende manier worden gemaakt, door de constructie van het bouwelement laag voor laag te bekijken. Merk echter op dat hierbij geen rekening wordt gehouden met koudebruggen (door bijvoorbeeld muurbanden), luchtspleten rond isolatie, of de verschillende thermische eigenschappen van bijvoorbeeld mortelvoegen. In dit voorbeeld wordt uitgegaan van een spouwmuur:

Materiaal	Dikte	Geleidingsvermogen (k-waarde)	Weerstand = Dikte ÷ geleidingsvermogen (R-waarde)
Buitenoppervlak	–	–	0.040 K m²/W
Kalkstenen	0,100 m	0,77 W/m⋅K	0,130 K m²/W
Glaswol	0.100 m	0,04 W/m⋅K	2,500 K m²/W
Betonblokken	0.100 m	1,13 W/m⋅K	0,090 K m²/W
Pleister	0,013 m	0,50 W/m⋅K	0.026 K m²/W
Binnenoppervlak	–	–	0.130 K m²/W
Totaal			2.916 K m²/W
U-waarde =		1 ÷ 2,916 =	0,343 W/m²K

Merk op dat in het bovenstaande voorbeeld de geleidingscoëfficiënten (k-waarden) van bouwmaterialen vrij online beschikbaar zijn, met name bij fabrikanten. In feite zal het gebruik van gegevens van de fabrikant de nauwkeurigheid verbeteren, wanneer specifieke producten die worden gespecificeerd bekend zijn op het moment van berekening. Hoewel het mogelijk is om in de bovenstaande berekening rekening te houden met mortelvoegen, door het percentage morteloppervlak te bepalen ten opzichte van het blokwerk dat erin is verwerkt, mag niet uit het oog worden verloren dat dit een ruwe techniek is vergeleken met de meer robuuste methode die is beschreven in BS EN ISO 6946I.

Meten van U-waarde

Hoewel ontwerpberekeningen theoretisch zijn, kunnen ook metingen na de bouw worden uitgevoerd. Deze hebben het voordeel dat rekening kan worden gehouden met het vakmanschap. Berekeningen van de warmtedoorgangscoëfficiënt voor daken of muren kunnen worden uitgevoerd met behulp van een warmtefluxmeter. Deze bestaat uit een thermopile-sensor die stevig op de testruimte wordt bevestigd, om de warmtestroom van binnen naar buiten te volgen. De warmtedoorgangscoëfficiënt wordt verkregen door de gemiddelde warmtestroom te delen door het gemiddelde temperatuurverschil (tussen binnen en buiten) over een ononderbroken periode van ongeveer 2 weken (of meer dan een jaar in het geval van een vloerplaat op de begane grond, als gevolg van warmteopslag in de grond).

De nauwkeurigheid van de metingen is afhankelijk van een aantal factoren:

• Magnitude van temperatuurverschil (groter = nauwkeuriger)
• Weersomstandigheden (bewolkt is beter dan zonnig)
• Goede hechting van thermopalen aan testgebied
• Duur van de monitoring (langere duur maakt een nauwkeuriger gemiddelde mogelijk)
• Meer testpunten maken een grotere nauwkeurigheid mogelijk, om afwijkingen te voorkomen

Twee complicerende factoren die de warmtedoorgangseigenschappen van materialen kunnen beïnvloeden zijn:

• Omringende temperatuur, onder meer door latente warmte
• De effecten van convectiestromen (verhoogde convectie draagt bij tot warmtestroom)

U-waarde calculators

Omdat de berekening van U-waarden tijdrovend en complex kan zijn (vooral wanneer bijvoorbeeld koudebruggen in rekening moeten worden gebracht), zijn talrijke online U-waarde calculators uitgebracht. Veel van deze calculators zijn echter alleen beschikbaar op abonnementsbasis, en de gratis calculators zijn vaak te simplistisch. Een andere mogelijkheid is het opvragen van een berekening bij bijvoorbeeld een isolatiefabrikant, wiens product wordt gespecificeerd.

Building Regulations Approved Documents L1A, L2A, L1B en L2B in Engeland en Wales verwijzen alle naar de publicatie BR 443 Conventions for U-value calculationsII voor goedgekeurde berekeningsmethodologieën, terwijl het begeleidende document U-value conventions in practice. Werkvoorbeelden met gebruikmaking van BR 443III biedt een nuttige leidraad.

R-waarde, of thermische isolatie (reciproke van U-waarde)

Thermische isolatie is het omgekeerde van warmtedoorgangscoëfficiënt; met andere woorden, het vermogen van een materiaal om de warmtestroom te weerstaan. R-waarden worden meer gebruikt in bepaalde delen van de wereld (bijvoorbeeld Australazië), in tegenstelling tot de voorkeur van het Verenigd Koninkrijk voor U-waarden. De meeteenheden voor warmtedoorgang zijn m²K/W en ook hier wijst een hoger cijfer op betere prestaties (in tegenstelling tot het gewenste lagere cijfer voor U-waarde).

k-waarde, of thermische geleidbaarheid (ook bekend als lambda- of λ-waarde; reciproke van thermische weerstand)

Thermische geleidbaarheid is het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden. Een hoge warmtegeleidingscoëfficiënt betekent dus dat de warmteoverdracht door een materiaal sneller zal verlopen; merk op dat dit ook temperatuurafhankelijk is. De eenheden van warmtegeleidingsvermogen zijn W/m⋅K. In tegenstelling tot U-waarden en R-waarden zijn k-waarden niet afhankelijk van de dikte van het materiaal in kwestie.

Y-waarde, of thermische toelating, of warmteoverdrachtscoëfficiënt

Het vermogen van een materiaal om warmte te absorberen en af te geven aan een interne ruimte, als de temperatuur van die ruimte verandert, wordt thermische toelating (of warmteoverdrachtscoëfficiënt) genoemd, en wordt gedefinieerd in BS EN ISO 13786:2007 Thermische prestatie van bouwcomponentenIV. Dit vormt ook de basis voor het “ruimtelijk-dynamisch model” in CIBSE Guide A: Environmental designV, dat wordt gebruikt voor het berekenen van koellasten en zomerse ruimtetemperaturen. Hoe hoger de thermische toelaatbaarheid is, hoe hoger de thermische massa zal zijn. Warmtedoorgangscoëfficiënt is vergelijkbaar met warmtedoorgangscoëfficiënt (en gebruikt dezelfde meeteenheden). Het meet echter de warmteopslagcapaciteit van een materiaal, d.w.z. het vermogen van een materiaal om warmte op te slaan en weer af te geven gedurende een bepaalde periode, meestal 24 uur. Net als bij warmtedoorgangscoëfficiënt zijn de meeteenheden W/m²K.

Merk op dat de Y-waarde van de warmtetoevoer niet moet worden verward met de y-waarde van de koudebrugfactor, die in de Standard Assessment Procedure (SAP) Appendix K wordt gedefinieerd als zijnde afgeleid van de lineaire warmtedoorgangscoëfficiënt.

Psi (Ψ) waarde, of lineaire warmtedoorgangscoëfficiënt

De meting van warmteverlies door een koudebrug wordt lineaire warmtedoorgangscoëfficiënt genoemd (in tegenstelling tot de warmtedoorgangscoëfficiënt per oppervlakte die anders een U-waarde wordt genoemd), waarbij de meeteenheden opnieuw W/m²K zijn. Psi-waarden worden gebruikt om y-waarden (warmtebrugfactor) te genereren in Appendix K van de Standaard Beoordelingsprocedure.

Thermische weerstand (reciproke van thermische geleidbaarheid)

Thermische weerstand is het vermogen van een materiaal om warmtegeleiding door het materiaal tegen te gaan. Evenals de k-waarde is deze eigenschap niet afhankelijk van de dikte van het materiaal in kwestie. De eenheden van warmteweerstand zijn K⋅m/W.

Thermische geleiding (reciproke van warmteweerstand)

Het gaat hier om de hoeveelheid warmte die door een materiaal van een bepaald volume wordt geleid, in tijdseenheid, d.w.z. de geleidingssnelheid. Als zodanig zijn de meeteenheden W/K.

Thermische weerstand (reciproke van thermische geleiding)

Dit is een maat voor hoe goed een materiaal warmtegeleiding door het materiaal kan weerstaan, en wordt gemeten in K/W. Net als bij warmtegeleiding is het een maat voor de overdrachtssnelheid voor een bepaald volume.

Thermische massa

Tot nu toe grotendeels genegeerd in de Britse bouwindustrie, wordt thermische massa (in tegenstelling tot thermische toelating) afgeleid van de specifieke warmtecapaciteit (het vermogen van een materiaal om warmte op te slaan in verhouding tot zijn massa), dichtheid en thermische geleidbaarheid (hoe gemakkelijk warmte zich door een materiaal kan verplaatsen). De thermische geleidbaarheid wordt in SAP 2009 gebruikt in de vorm van de “k”-waarde (of kappa), voor de berekening van de thermische massaparameter (TMP). De “k”-waarde is de warmtecapaciteit per oppervlakte-eenheid van het “thermisch actieve” deel van het constructie-element (alleen de eerste 50 mm van de dikte van het element heeft een echte impact op de thermische massa, aangezien deze afneemt met toenemende diepte in het element; voorbij 100 mm is het effect verwaarloosbaar). Er zij op gewezen dat de “k”-waarde een benadering is, aangezien er veronderstellingen worden gemaakt over de omvang van de thermisch actieve volumes van een materiaal; bovendien wordt bij de berekening van de periode waarin warmte door het materiaal wordt geabsorbeerd en uitgestraald, geen rekening gehouden met het effect van de thermische geleidbaarheid. BS EN ISO 13786VI biedt een meer doeltreffende methode om de thermische massa te bepalen. Thermische massa moet niet worden verward met isolatie.

Het belang van thermische massa kan niet genoeg worden benadrukt, zoals uit de volgende voorbeelden blijkt:

Muuropbouw	U-waarde	Thermische toelating	Thermische massa
200mm baksteen 13mm ‘natte’ pleister	2 W/m²K	4.26 W/m²K	169 kJ/m²K
100mm baksteen 150mm minerale wol gevulde spouw 100mm cellenbeton blok 13mm gipskarton droge bekleding op 10mm deklagen	0.19 W/m²K	1.86 W/m²K	9 kJ/m²K

Merk op hoe slecht de thermische massa van de moderne spouwmuur is, in vergelijking met de massieve bakstenen muur. Door de drylining te vervangen door 13 mm ‘nat’ pleisterwerk kan de warmte-isolatie echter aanzienlijk worden vergroot:

Muuropbouw	U-waarde	Thermische toelaatbaarheid	Thermische massa
100mm baksteen 150mm minerale wol-gevulde spouw 100mm cellenbetonblok 13mm ‘nat’ pleisterwerk	0.19 W/m²K	2,74 W/m²K	60 kJ/m²K

Het op deze manier ontkoppelen van de gipsplaat kan dus worden gezien als het vrijwel volledig verwijderen van de effectieve thermische massa in een huis gebouwd volgens moderne normen en technieken.

Het gebruik van thermische massa om zomerse oververhitting tegen te gaan wordt meer in detail besproken in de artikelreeks Climate change adaptation in buildings: Overtollige warmte, delen éénVII en tweeVIII.

Decrement

Beschrijft de manier waarop de dichtheid, warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid van een materiaal, de doorgang van warmte van de ene kant naar de andere kan vertragen, en ook de warmtewinsten kan verminderen als ze erdoorheen gaan. Dit heeft dus een invloed op de thermische prestaties van een gebouw tijdens warmere periodes. Dit worden respectievelijk de afbouwvertraging en de afbouwfactor genoemd.

Chemische fase

Wanneer een materiaal van vaste fase verandert in vloeibare fase, of van vloeibare fase in gasfase, kan de thermische geleidbaarheid van dat materiaal veranderen. Dit is het gevolg van de absorptie en afgifte van latente warmte, en kan ook op kleinere schaal plaatsvinden, wat in de bouw van voordeel kan zijn.

Materialen zijn steeds gemakkelijker verkrijgbaar die een hoge thermische massa uit kleine volumes kunnen leveren. Deze materialen, die bekend staan als Phase Change Materials (PCM’s), zijn stoffen die latente warmte kunnen opslaan en afgeven bij respectievelijk smelten en stollen over een smal temperatuurbereik. Deze materialen kunnen microgeïncapsuleerd worden in bepaalde soorten bouwmaterialen, zoals pleisterwerk of klei, om wandbekledingsplaten of plafondtegels te vormen. Zij kunnen ook macro-ingekapseld worden in b.v. warmtewisselaarplaten voor gebruik in koel- en ventilatie-eenheden, en er wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om ze in te bouwen in PU-schuimpanelen, voor toepassingen zoals met metaal beklede composietbekledingspanelen. Het voordeel van PCM’s is dat zij een aanzienlijke hoeveelheid thermische massa kunnen leveren, terwijl zij op zichzelf zeer dun zijn; d.w.z. de thermische massa lijkt onevenredig groot in vergelijking met de fysieke dikte van het materiaal.

PCM’s zouden een praktische oplossing kunnen bieden voor de herinvoering van thermische massa in lichte gebouwen, om oververhitting tegen te gaan, en worden meer in detail besproken in de artikelenreeks Climate change adaptation in buildings: Overtollige warmte (deel twee)IX.

Interesseerd in meer inhoud als deze? Meld u aan voor de NBS eWeekly-nieuwsbrief.

Nu aanmelden