Bouwfysica basis 1
Hoofdstuk 1: warmte, warmtetransport, thermische
isolatie
1.1 basisprincipes van warmte transport
Warmte is een vorm van energie. Warmte zal zich verplaatsen (stromen) van gebieden met een hoge
temperatuur naar gebieden met een lagere temperatuur om zo tot een evenwichtssituatie te komen.
Verplaatsing van warmte kan op drie manieren: door convectie, door straling en door geleiding.
Convectie
Bij warmteoverdracht door convectie (stroming) wordt de warmte door een stromend medium
meegevoerd. Convectie is alleen mogelijk in vloeistoffen en gassen.
Stralingen
Elk voorwerp of lichaam met een temperatuur hoger dan 0 K (-273 graden) straalt warmte uit in de
vorm van elektronische trillingen. Deze trillingen worden in warmte omgezet als ze een voorwerp of
lichaam raken. De hoeveelheid warmte die uitgestraald wordt ligt aan de temperatuur van het
voorwerp. Koude voorwerpen stralen minder warmte uit dan warme voorwerpen. Voor straling is
geen medium nodig.
Geleiding
Warmtegeleiding vindt plaats doordat moleculen in een vaste stof bewegen. Naarmate de
temperatuur hoger is, zullen moleculen sneller bewegen. Deze beweging wordt doorgegeven aan de
aangrenzende moleculen. Vloeistoffen en gassen geleiden warmte slecht, vaste stoffen goed.
De totale hoeveelheid warmte die als gevolg van convectie, straling en geleiding wordt
getransporteerd wordt warmtestroom genoemd. De eenheid van warmte is Watt (W) of joule per
seconden (J/s).
Bij het beoordelen van een constructie kijk je naar de warmtestroomdichtheid de warmtestroom
die per vierkante meter door de constructie gaat. De warmtestroomdichtheid q wordt uitgedrukt in
W/m2.
Warmte transport door convectie
Voor het verwarmen van een vertrek door middel van een radiator wordt gebruikgemaakt van
convectie door middel van lucht. De lucht stroomt langs de radiator en wordt daardoor opgewarmd.
De warmere lucht geeft deze warmte weer af aan de koude glasvlakken en andere wanden van het
vertrek. De mate waarin warmte wordt overgedragen is afhankelijk van de stromingssnelheid van het
transportmedium en het temperatuurverschil tussen het voorwerp en het langsstromende medium.
Dit wordt uitgedrukt met behulp van de volgende formule:
qc = ac x (T1 – T2) [W/m2]
waarin:
qc = de warmtestroomdichtheid in W/m 2
ac = de wartmeovergangscoëfficiënt in W/(m2 x K)
T1 – T2 = het temperstuurverschil (∆T) tussen het voorwerp en het medium
Warmtetransport door straling
1
, Warmtetransport door middel van straling is onderdeel van het elektromagnetisch spectrum. Alle
voorwerpen stralen infrarode straling uit die wordt ervaren als warmte. Naarmate een voorwerp
warmer wordt zullen de moleculen in en aan het oppervlak van het voorwerp sneller bewegen.
Daardoor wordt meer energie uitgestraald. De hoeveelheid warmte die door een oppervlak wordt
afgestraald, kun je berekenen met de volgende formule:
qs = ɛ x 56,7 x 10-9 x T4 [W/m2]
Waarin:
qs = de warmtestroomdichtheid van de afgegeven straling in W/m 2
ɛ = de emissiecoëfficiënt van het materiaal oppervlak
T = de absolute temperatuur in K
Emissie- en absorptiecoëfficiënt
Voor de meeste bouwmaterialen is de emissiecoëfficiënt ɛ = ca. 0,9 á 0,95. Wanneer langgolvige
infraroodstraling op een oppervlak valt, wordt deze voor een deel gereflecteerd en voor een deel
geabsorbeerd. Zelden wordt iets doorgelaten. In het algemeen is het deel van de straling dat wordt
geabsorbeerd, gelijk aan de emissiecoëfficiënt.
Stralingsoverdracht
Twee voorwerpen, twee vlakken van een verschillende temperatuur, zenden beide warmte straling
uit, absorberen een deel van elkaars warmtestraling en reflecteren een deel. Van het reflecterende
deel absorbeert het andere vlak weer een deel, enzovoort. Per saldo zal er echter warmte stromen
van het vlak met de hoogste temperatuur naar het vlak met de laagste temperatuur. De
warmteoverdracht door straling kun je berekenen met de formule:
Deze formule wordt in de praktijk versimpeld naar:
Warmtetransport door geleiding
Warmte kan alleen door een constructie worden geleid als er een temperatuurverschil bestaat. De
warmte stroomt altijd van de zijde met de hoge temperatuur naar de zijde met de lage temperatuur.
De warmtegeleidingscoëfficiënt λ (lambda) geeft aan hoeveel warmte er stroomt door een laag
materiaal met een dikte van 1m en een oppervlak van 1m 2 bij een temperatuurverschil van 1 K. De
2
, eenheid van lambda is W/(mxK). Hoe groter de lambda van een materiaal, hoe beter het materiaal
geleid.
De warmteweerstand van een laag materiaal van een bepaalde dikte wordt gevonden door het
omgekeerde van de warmtegeleidingscoëfficiënt 1/ λ te vermenigvuldigen met de dikte (d).
Warmtetransport als gevolg van geleiding drukt men uit met behulp van de volgende formule:
Hoe groter het temperatuurverschil (∆T), hoe groter de warmtestroomdichtheid (q g).
1.2 Warmteweerstand van constructies
Een constructie bestaat meestal uit meerdere lagen. Voor iedere laag kan de warmteweerstand
berekend worden. De totale warmteweerstand wordt gevonden door de weerstanden van de
afzonderlijke lagen bij elkaar op te tellen:
Rc = Rm1 + Rm2 + Rm3 + ...
Voorbeeld:
Warmteovergangsweerstanden
Om te kunnen berekenen wat de totale warmtetransport tussen de binnenlucht en de buitenlucht zal
zijn, moet de je dus de warmteoverdracht aan het oppervlak van de constructie en het
warmtetransport als gevolg van straling bij elkaar optellen. Hiervoor moet de
warmteovergangscoëfficiënt aan het oppervlak van de constructie worden uitgedrukt in een
warmteweerstand: de warmteovergangsweerstand (R s). hierbij wordt onderscheid gemaakt in de
warmteovergangsweerstand aan de binnenzijde (R Si) en de warmteovergangsweerstand aan de
buitenzijde (RSe) van de constructie.
Voor het berekenen worden de volgende uitgangspunten gehanteerd:
Aan de buitenzijde is de stralingstemperatuur gelijk aan de luchttemperatuur
In de besloten ruimte is de stralingstemperatuur gelijk aan de binnenluchttemperatuur
De snelheid langs buitenoppervlakken strijkende lucht bedraagt 4 m/s
De snelheid van langs binnenoppervlakken strijkende lucht bedraagt 0,2 m/s
3
Hoofdstuk 1: warmte, warmtetransport, thermische
isolatie
1.1 basisprincipes van warmte transport
Warmte is een vorm van energie. Warmte zal zich verplaatsen (stromen) van gebieden met een hoge
temperatuur naar gebieden met een lagere temperatuur om zo tot een evenwichtssituatie te komen.
Verplaatsing van warmte kan op drie manieren: door convectie, door straling en door geleiding.
Convectie
Bij warmteoverdracht door convectie (stroming) wordt de warmte door een stromend medium
meegevoerd. Convectie is alleen mogelijk in vloeistoffen en gassen.
Stralingen
Elk voorwerp of lichaam met een temperatuur hoger dan 0 K (-273 graden) straalt warmte uit in de
vorm van elektronische trillingen. Deze trillingen worden in warmte omgezet als ze een voorwerp of
lichaam raken. De hoeveelheid warmte die uitgestraald wordt ligt aan de temperatuur van het
voorwerp. Koude voorwerpen stralen minder warmte uit dan warme voorwerpen. Voor straling is
geen medium nodig.
Geleiding
Warmtegeleiding vindt plaats doordat moleculen in een vaste stof bewegen. Naarmate de
temperatuur hoger is, zullen moleculen sneller bewegen. Deze beweging wordt doorgegeven aan de
aangrenzende moleculen. Vloeistoffen en gassen geleiden warmte slecht, vaste stoffen goed.
De totale hoeveelheid warmte die als gevolg van convectie, straling en geleiding wordt
getransporteerd wordt warmtestroom genoemd. De eenheid van warmte is Watt (W) of joule per
seconden (J/s).
Bij het beoordelen van een constructie kijk je naar de warmtestroomdichtheid de warmtestroom
die per vierkante meter door de constructie gaat. De warmtestroomdichtheid q wordt uitgedrukt in
W/m2.
Warmte transport door convectie
Voor het verwarmen van een vertrek door middel van een radiator wordt gebruikgemaakt van
convectie door middel van lucht. De lucht stroomt langs de radiator en wordt daardoor opgewarmd.
De warmere lucht geeft deze warmte weer af aan de koude glasvlakken en andere wanden van het
vertrek. De mate waarin warmte wordt overgedragen is afhankelijk van de stromingssnelheid van het
transportmedium en het temperatuurverschil tussen het voorwerp en het langsstromende medium.
Dit wordt uitgedrukt met behulp van de volgende formule:
qc = ac x (T1 – T2) [W/m2]
waarin:
qc = de warmtestroomdichtheid in W/m 2
ac = de wartmeovergangscoëfficiënt in W/(m2 x K)
T1 – T2 = het temperstuurverschil (∆T) tussen het voorwerp en het medium
Warmtetransport door straling
1
, Warmtetransport door middel van straling is onderdeel van het elektromagnetisch spectrum. Alle
voorwerpen stralen infrarode straling uit die wordt ervaren als warmte. Naarmate een voorwerp
warmer wordt zullen de moleculen in en aan het oppervlak van het voorwerp sneller bewegen.
Daardoor wordt meer energie uitgestraald. De hoeveelheid warmte die door een oppervlak wordt
afgestraald, kun je berekenen met de volgende formule:
qs = ɛ x 56,7 x 10-9 x T4 [W/m2]
Waarin:
qs = de warmtestroomdichtheid van de afgegeven straling in W/m 2
ɛ = de emissiecoëfficiënt van het materiaal oppervlak
T = de absolute temperatuur in K
Emissie- en absorptiecoëfficiënt
Voor de meeste bouwmaterialen is de emissiecoëfficiënt ɛ = ca. 0,9 á 0,95. Wanneer langgolvige
infraroodstraling op een oppervlak valt, wordt deze voor een deel gereflecteerd en voor een deel
geabsorbeerd. Zelden wordt iets doorgelaten. In het algemeen is het deel van de straling dat wordt
geabsorbeerd, gelijk aan de emissiecoëfficiënt.
Stralingsoverdracht
Twee voorwerpen, twee vlakken van een verschillende temperatuur, zenden beide warmte straling
uit, absorberen een deel van elkaars warmtestraling en reflecteren een deel. Van het reflecterende
deel absorbeert het andere vlak weer een deel, enzovoort. Per saldo zal er echter warmte stromen
van het vlak met de hoogste temperatuur naar het vlak met de laagste temperatuur. De
warmteoverdracht door straling kun je berekenen met de formule:
Deze formule wordt in de praktijk versimpeld naar:
Warmtetransport door geleiding
Warmte kan alleen door een constructie worden geleid als er een temperatuurverschil bestaat. De
warmte stroomt altijd van de zijde met de hoge temperatuur naar de zijde met de lage temperatuur.
De warmtegeleidingscoëfficiënt λ (lambda) geeft aan hoeveel warmte er stroomt door een laag
materiaal met een dikte van 1m en een oppervlak van 1m 2 bij een temperatuurverschil van 1 K. De
2
, eenheid van lambda is W/(mxK). Hoe groter de lambda van een materiaal, hoe beter het materiaal
geleid.
De warmteweerstand van een laag materiaal van een bepaalde dikte wordt gevonden door het
omgekeerde van de warmtegeleidingscoëfficiënt 1/ λ te vermenigvuldigen met de dikte (d).
Warmtetransport als gevolg van geleiding drukt men uit met behulp van de volgende formule:
Hoe groter het temperatuurverschil (∆T), hoe groter de warmtestroomdichtheid (q g).
1.2 Warmteweerstand van constructies
Een constructie bestaat meestal uit meerdere lagen. Voor iedere laag kan de warmteweerstand
berekend worden. De totale warmteweerstand wordt gevonden door de weerstanden van de
afzonderlijke lagen bij elkaar op te tellen:
Rc = Rm1 + Rm2 + Rm3 + ...
Voorbeeld:
Warmteovergangsweerstanden
Om te kunnen berekenen wat de totale warmtetransport tussen de binnenlucht en de buitenlucht zal
zijn, moet de je dus de warmteoverdracht aan het oppervlak van de constructie en het
warmtetransport als gevolg van straling bij elkaar optellen. Hiervoor moet de
warmteovergangscoëfficiënt aan het oppervlak van de constructie worden uitgedrukt in een
warmteweerstand: de warmteovergangsweerstand (R s). hierbij wordt onderscheid gemaakt in de
warmteovergangsweerstand aan de binnenzijde (R Si) en de warmteovergangsweerstand aan de
buitenzijde (RSe) van de constructie.
Voor het berekenen worden de volgende uitgangspunten gehanteerd:
Aan de buitenzijde is de stralingstemperatuur gelijk aan de luchttemperatuur
In de besloten ruimte is de stralingstemperatuur gelijk aan de binnenluchttemperatuur
De snelheid langs buitenoppervlakken strijkende lucht bedraagt 4 m/s
De snelheid van langs binnenoppervlakken strijkende lucht bedraagt 0,2 m/s
3
