Bouwfysica samenvatting
Hoofdstuk 1: inleiding
Vanuit Europese regelgeving worden er steeds strengere eisen gesteld aan de energieperformantie
van nieuwe gebouwen.
Vier bezorgdheden:
- Comfort van de gebouwde omgeving
- Gezondheidsrisico’s uitgaande van de binnenomgeving
- Rationeel energie gebruik
- Technische duurzaamheid van het gebouwde
1.1.1 het comfort van de gebouwde omgeving
Onderscheiden 3 vormen van comfort:
- (hygro)thermisch comfort
- Akoestisch comfort
- Visueel comfort
De warmte- en vochthuishouding in gebouwen worden tevens sterk beïnvloed door de verluchting
van gebouwen.
Geluid gaat over de propagatie van een trilling, gepaard gaand met een periodieke schommeling van
druk in een medium.
Deze geluidstrilling doet zich voor binnen het hoorbare frequentiegebied.
Licht en verlichting bestudeerd om hoe men visueel comfort in de hand kan werken.
Bouwfysica ondersteunt niet enkel bouwtechniek, maar ook de installatietechniek.
1.1.2 gezondheidsrisico’s uitgaande van de binnenomgeving
Door ondoelmatige verluchting zal in een woning de vochthuishouding ontregeld worden; gekoppeld
aan fouten in de thermische isolatie zal daardoor schimmelgroei kunnen voorkomen
‘sick buildings’ = ziekmakende gebouwen
Hoofdstuk 2: warmte en warmtetransport
2.1 warmtetransportmechanismen
Warmte (thermische energie) die gekoppeld is aan de kinetische energie van atomaire deeltjes in
random beweging. Op nano-schaal.
Warmte gaat van plaats op hogere temperatuur naar plaats op lagere temperatuur.
warmtetransport streeft naar de vereffening van het temperatuurverschil.
Diverse fysische processen; geleiding, convectie en straling waarbij voelbare warmte wordt
overgedragen.
Bij toestandsveranderingen van vocht kan er ook latente warmte overgedragen worden.
,Hoeveelheid overgedragen warmte (Q) uitgedrukt in Joule [J]
Warmtestroom (Φ ) = hoeveelheid warmte per tijdseenheid uitgewisseld tussen 2 middens
Uitgedrukt in Watt [W]
Warmtestroomdichtheid (q) = warmtestroom, getransporteerd door de eenheid van oppervlakte
loodrecht op de stroomrichting.
Uitgedrukt in [W/m2]
2.1.1 warmtetransport door geleiding
Synoniem= conductie
energie wordt overgedragen door trillingen die van molecule op molecule worden overgedragen.
Er is een medium nodig, waarin een temperatuurverschil heerst.
Hoge temp. lage temp.
Dit doet zich voor in materie waarbij die materie macroscopisch niet in beweging is.
‘materiedeeltjes’ vertonen wel intense beweging op nano-schaal: ‘thermische agitatie’
Hogere temperatuur op 1 plaats v/d materie = meer thermische agitatie.
Thermische agitatie in gassen:
- Random beweging van de moleculen
- Interne trillingen in de moleculen
Thermische energie overgedragen door botsingen van moleculen.
Geleiding in vloeistoffen gemakkelijker dan in gassen, omdat vloeistoffen een hogere densiteit
hebben, dus moleculaire interacties intenser en frequenter zijn.
2 fenomenen in vaste stof:
- Trillingsgolven in het rooster
- Verplaatsing van de vrije elektronen (in metaalrooster)
Alleen in metalen kunnen elektronen vrij bewegen, daarom gebeurt geleiding in metalen
gemakkelijker dan in andere vaste stoffen.
Warmtestroom en warmtestroomdichtheid in stationaire toestand onafhankelijk van tijd en plaats in
een uniform medium.
Warmtestroomdichtheid door geleiding doorheen een materiaal is evenredig met de
temperatuurgradiënt over het materiaal.
Eerste wet van Fourier: (p13)
- q= - λ . grad ( θ )
(θ 2−θ 1)
- q= λ .
d
Warmtegeleidingscoëfficiënt ( λ ) = drukt uit hoeveel warmte in Watt door 1m2 van een materiaal zal
gaan bij een dikte van 1m en temperatuurverschil van 1 graad K.
[W/mK]
Temperatuur, dichtheid en vochtgehalte van materiaal kunnen dit beïnvloeden, maar de dikte van
een materiaal niet.
hoe hoger λ , hoe beter de warmte geleid en hoe minder goed het materiaal thermisch isoleert.
Meeste materialen die goed elektrische stroom geleiden zijn ook goede warmtegeleiders.
,Gassen doorgaans kleine λ
Zware materialen geleiden de warmte beter dan lichte materialen.
Meeste materialen bevatten microscopische holle ruimten gevuld met lucht. Maar deze kunnen ook
gevuld raken met water. λ -waarde beschouwde materiaal afhankelijk van volume-massa en van zijn
vochtgehalte. (p15 duidelijker)
λ -waarde water 25 maal groter dan de lucht in de holtes
Daarom hebben materialen een onderscheid in binnen (droge) en buitentoepassingen.
Voor thermische isolatie in contact met vocht mogelijk is, geschikt isolatiemateriaal selecteren dat
door een gesloten cellenstructuur geen nadelige invloed ondervindt van het vocht.
Superisolerende materialen hebben λ -waarde van 0,020 à 0,008 W/mK
Ze bestaan uit aerogel met een nanoporeuze structuur waardoor warmtegeleidbaarheid van de
ingesloten lucht verminderd wordt.
2.1.2 warmtetransport door convectie
Synoniem= stroming
Er wordt energie overgedragen door stroming van fluïda (gassen, vloeistoffen)
Hier is een macroscopische beweging van moleculen
Er bestaan 2 mechanismen:
- Diffusie= warmtetransport door random beweging van moleculen.
- Advectie= warmtetransport door stroming van het fluïdum
Stroming kan zowel natuurlijk als opgelegd zijn.
Natuurlijk wordt de stroming veroorzaakt door densiteitsverschillen in het fluïdum, dit is het gevolg
van temperatuurverschillen in het fluïdum. (bv; warme lucht dat opstijgt uit radiator en doorheen
ruimte circuleert)
Gedwongen stroming is er een uitwendig opgelegd drukverschil of debiet dat de stroming doet
ontstaan. (bv; windstromen rondom gebouwen, ventilatoren van ventilatiesysteem)
In de toegevoegde en afgevoerde lucht is een hoeveelheid voelbare warmte (enthalpie) aanwezig,
die afhankelijk is van de temperatuur van de luchtstroom.
De toegevoegde en afgevoerde luchtdebieten in een ruimte zijn gelijk onder stationaire
omstandigheden.
Convectieve warmtestroomdichtheid (qc) = hc .(θ fluïdum−θ oppervlak ¿
hc = warmteovergangscoëfficiënt door convectie [W/m2K], bij hogere windsnelheid zal deze hoger
worden.
P17 zie figuur; hoe dunner de grenslaag, hoe groter het temperatuurverschil aan de oppervlakte en
hoe groter het totale warmtetransport.
De richting van het warmtetransport is ook bepalend voor de waarde van hc, bij warmtetransport
naar onder ontstaat er een stabiele, dikkere grenslaag die warmtetransport beperkt.
, 2.1.3 warmtetransport door straling
Hier hoeft er geen medium aanwezig te zijn, warmteoverdracht gebeurt ten gevolge van
elektromagnetische golven.
Elk oppervlak (met temp. > dan 0 K) zendt warmteflux uit (emittantie) en ontvangt warmteflux van
andere elementen (irradiantie).
Er kan enkel een netto warmtetransport zijn tussen oppervlaktes als ze een verschillende
temperatuur hebben.
Wet van Stefan-Boltzmann: oppervlak straalt hoeveelheid warmte af bij bepaalde temp.
4
M =σ b T (voor zwarte stralers)
4
M =ε σ b T (voor grijze stralers)
M = uitgestraald vermogen per oppervlakte-eenheid
σ b= Stefan-Boltzmann constante voor zwarte stralers = 5,67 * 10 -8 W/m2/K4
ε = emissiefactor (0,8 à 0,95)
Het verband tussen warmtetransport door straling en de temperatuur niet-lineair is.
Ook het spectrum van de straling zal variëren.
Bij omgevingstemperatuur zal een zwarte straler voornamelijk in het infrarode gebied uitzenden.
Materiaal met een hogere temp., meer straling uitzenden, straling bevat meer kortgolvige
componenten.
Wet van Wien: verband tussen de temperatuur van stralend oppervlak en golflengte bij maximum
aan spectrale dichtheid van energetische exitantie.
2898
λ max=
T
De verhouding tussen absorptie en reflectie is voor de meeste materialen niet constant, maar
variabel in functie van het spectrum van de invallende straling.
Helder glas absorptiecoëfficiënt;
- 0,15 (kortgolvige straling)
- 0,94 (langgolvige straling)
dit gedrag wordt toegepast bij serres.
Zwarte oppervlakken kennen een veel grotere absorptie dan witte.
P23; formule maar niet vaak gebruikt
2.1.4 warmteoverdracht door faseveranderingen (latente warmteoverdracht)
Faseovergangen van vocht gebeuren hier.
Bij verdampen plaatselijk warmte onttrokken, die elders bij condenseren weer als conductiewarmte
vrijkomt.
Bij faseovergangen warmtetransport zonder temperatuursveranderingen, dit is latente warmte.
Latente warmte belangrijk aandeel in de totale energiebalans indien binnenlucht ontvochtigd dan
wel bevochtigd wordt.
Hoofdstuk 1: inleiding
Vanuit Europese regelgeving worden er steeds strengere eisen gesteld aan de energieperformantie
van nieuwe gebouwen.
Vier bezorgdheden:
- Comfort van de gebouwde omgeving
- Gezondheidsrisico’s uitgaande van de binnenomgeving
- Rationeel energie gebruik
- Technische duurzaamheid van het gebouwde
1.1.1 het comfort van de gebouwde omgeving
Onderscheiden 3 vormen van comfort:
- (hygro)thermisch comfort
- Akoestisch comfort
- Visueel comfort
De warmte- en vochthuishouding in gebouwen worden tevens sterk beïnvloed door de verluchting
van gebouwen.
Geluid gaat over de propagatie van een trilling, gepaard gaand met een periodieke schommeling van
druk in een medium.
Deze geluidstrilling doet zich voor binnen het hoorbare frequentiegebied.
Licht en verlichting bestudeerd om hoe men visueel comfort in de hand kan werken.
Bouwfysica ondersteunt niet enkel bouwtechniek, maar ook de installatietechniek.
1.1.2 gezondheidsrisico’s uitgaande van de binnenomgeving
Door ondoelmatige verluchting zal in een woning de vochthuishouding ontregeld worden; gekoppeld
aan fouten in de thermische isolatie zal daardoor schimmelgroei kunnen voorkomen
‘sick buildings’ = ziekmakende gebouwen
Hoofdstuk 2: warmte en warmtetransport
2.1 warmtetransportmechanismen
Warmte (thermische energie) die gekoppeld is aan de kinetische energie van atomaire deeltjes in
random beweging. Op nano-schaal.
Warmte gaat van plaats op hogere temperatuur naar plaats op lagere temperatuur.
warmtetransport streeft naar de vereffening van het temperatuurverschil.
Diverse fysische processen; geleiding, convectie en straling waarbij voelbare warmte wordt
overgedragen.
Bij toestandsveranderingen van vocht kan er ook latente warmte overgedragen worden.
,Hoeveelheid overgedragen warmte (Q) uitgedrukt in Joule [J]
Warmtestroom (Φ ) = hoeveelheid warmte per tijdseenheid uitgewisseld tussen 2 middens
Uitgedrukt in Watt [W]
Warmtestroomdichtheid (q) = warmtestroom, getransporteerd door de eenheid van oppervlakte
loodrecht op de stroomrichting.
Uitgedrukt in [W/m2]
2.1.1 warmtetransport door geleiding
Synoniem= conductie
energie wordt overgedragen door trillingen die van molecule op molecule worden overgedragen.
Er is een medium nodig, waarin een temperatuurverschil heerst.
Hoge temp. lage temp.
Dit doet zich voor in materie waarbij die materie macroscopisch niet in beweging is.
‘materiedeeltjes’ vertonen wel intense beweging op nano-schaal: ‘thermische agitatie’
Hogere temperatuur op 1 plaats v/d materie = meer thermische agitatie.
Thermische agitatie in gassen:
- Random beweging van de moleculen
- Interne trillingen in de moleculen
Thermische energie overgedragen door botsingen van moleculen.
Geleiding in vloeistoffen gemakkelijker dan in gassen, omdat vloeistoffen een hogere densiteit
hebben, dus moleculaire interacties intenser en frequenter zijn.
2 fenomenen in vaste stof:
- Trillingsgolven in het rooster
- Verplaatsing van de vrije elektronen (in metaalrooster)
Alleen in metalen kunnen elektronen vrij bewegen, daarom gebeurt geleiding in metalen
gemakkelijker dan in andere vaste stoffen.
Warmtestroom en warmtestroomdichtheid in stationaire toestand onafhankelijk van tijd en plaats in
een uniform medium.
Warmtestroomdichtheid door geleiding doorheen een materiaal is evenredig met de
temperatuurgradiënt over het materiaal.
Eerste wet van Fourier: (p13)
- q= - λ . grad ( θ )
(θ 2−θ 1)
- q= λ .
d
Warmtegeleidingscoëfficiënt ( λ ) = drukt uit hoeveel warmte in Watt door 1m2 van een materiaal zal
gaan bij een dikte van 1m en temperatuurverschil van 1 graad K.
[W/mK]
Temperatuur, dichtheid en vochtgehalte van materiaal kunnen dit beïnvloeden, maar de dikte van
een materiaal niet.
hoe hoger λ , hoe beter de warmte geleid en hoe minder goed het materiaal thermisch isoleert.
Meeste materialen die goed elektrische stroom geleiden zijn ook goede warmtegeleiders.
,Gassen doorgaans kleine λ
Zware materialen geleiden de warmte beter dan lichte materialen.
Meeste materialen bevatten microscopische holle ruimten gevuld met lucht. Maar deze kunnen ook
gevuld raken met water. λ -waarde beschouwde materiaal afhankelijk van volume-massa en van zijn
vochtgehalte. (p15 duidelijker)
λ -waarde water 25 maal groter dan de lucht in de holtes
Daarom hebben materialen een onderscheid in binnen (droge) en buitentoepassingen.
Voor thermische isolatie in contact met vocht mogelijk is, geschikt isolatiemateriaal selecteren dat
door een gesloten cellenstructuur geen nadelige invloed ondervindt van het vocht.
Superisolerende materialen hebben λ -waarde van 0,020 à 0,008 W/mK
Ze bestaan uit aerogel met een nanoporeuze structuur waardoor warmtegeleidbaarheid van de
ingesloten lucht verminderd wordt.
2.1.2 warmtetransport door convectie
Synoniem= stroming
Er wordt energie overgedragen door stroming van fluïda (gassen, vloeistoffen)
Hier is een macroscopische beweging van moleculen
Er bestaan 2 mechanismen:
- Diffusie= warmtetransport door random beweging van moleculen.
- Advectie= warmtetransport door stroming van het fluïdum
Stroming kan zowel natuurlijk als opgelegd zijn.
Natuurlijk wordt de stroming veroorzaakt door densiteitsverschillen in het fluïdum, dit is het gevolg
van temperatuurverschillen in het fluïdum. (bv; warme lucht dat opstijgt uit radiator en doorheen
ruimte circuleert)
Gedwongen stroming is er een uitwendig opgelegd drukverschil of debiet dat de stroming doet
ontstaan. (bv; windstromen rondom gebouwen, ventilatoren van ventilatiesysteem)
In de toegevoegde en afgevoerde lucht is een hoeveelheid voelbare warmte (enthalpie) aanwezig,
die afhankelijk is van de temperatuur van de luchtstroom.
De toegevoegde en afgevoerde luchtdebieten in een ruimte zijn gelijk onder stationaire
omstandigheden.
Convectieve warmtestroomdichtheid (qc) = hc .(θ fluïdum−θ oppervlak ¿
hc = warmteovergangscoëfficiënt door convectie [W/m2K], bij hogere windsnelheid zal deze hoger
worden.
P17 zie figuur; hoe dunner de grenslaag, hoe groter het temperatuurverschil aan de oppervlakte en
hoe groter het totale warmtetransport.
De richting van het warmtetransport is ook bepalend voor de waarde van hc, bij warmtetransport
naar onder ontstaat er een stabiele, dikkere grenslaag die warmtetransport beperkt.
, 2.1.3 warmtetransport door straling
Hier hoeft er geen medium aanwezig te zijn, warmteoverdracht gebeurt ten gevolge van
elektromagnetische golven.
Elk oppervlak (met temp. > dan 0 K) zendt warmteflux uit (emittantie) en ontvangt warmteflux van
andere elementen (irradiantie).
Er kan enkel een netto warmtetransport zijn tussen oppervlaktes als ze een verschillende
temperatuur hebben.
Wet van Stefan-Boltzmann: oppervlak straalt hoeveelheid warmte af bij bepaalde temp.
4
M =σ b T (voor zwarte stralers)
4
M =ε σ b T (voor grijze stralers)
M = uitgestraald vermogen per oppervlakte-eenheid
σ b= Stefan-Boltzmann constante voor zwarte stralers = 5,67 * 10 -8 W/m2/K4
ε = emissiefactor (0,8 à 0,95)
Het verband tussen warmtetransport door straling en de temperatuur niet-lineair is.
Ook het spectrum van de straling zal variëren.
Bij omgevingstemperatuur zal een zwarte straler voornamelijk in het infrarode gebied uitzenden.
Materiaal met een hogere temp., meer straling uitzenden, straling bevat meer kortgolvige
componenten.
Wet van Wien: verband tussen de temperatuur van stralend oppervlak en golflengte bij maximum
aan spectrale dichtheid van energetische exitantie.
2898
λ max=
T
De verhouding tussen absorptie en reflectie is voor de meeste materialen niet constant, maar
variabel in functie van het spectrum van de invallende straling.
Helder glas absorptiecoëfficiënt;
- 0,15 (kortgolvige straling)
- 0,94 (langgolvige straling)
dit gedrag wordt toegepast bij serres.
Zwarte oppervlakken kennen een veel grotere absorptie dan witte.
P23; formule maar niet vaak gebruikt
2.1.4 warmteoverdracht door faseveranderingen (latente warmteoverdracht)
Faseovergangen van vocht gebeuren hier.
Bij verdampen plaatselijk warmte onttrokken, die elders bij condenseren weer als conductiewarmte
vrijkomt.
Bij faseovergangen warmtetransport zonder temperatuursveranderingen, dit is latente warmte.
Latente warmte belangrijk aandeel in de totale energiebalans indien binnenlucht ontvochtigd dan
wel bevochtigd wordt.
