Wat is thermische massa en thermische massa activering?
Thermische massa in gebouwen draagt bij aan een goed thermisch comfort doordat er een stabieler en gezonder binnenklimaat is te realiseren met minder temperatuuroverschrijdingen. Met thermische massa worden materialen bedoeld die veel warmte kunnen opslaan. Steenachtige materialen zoals beton en kalkzandsteen zijn voorbeelden van materialen met thermische massa.
Thermische massa is alleen functioneel in de begrenzing van een vertrek als deze uit het vertrek warmte kan opnemen en daaraan kan afstaan bij temperatuurveranderingen. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer warmte wordt opgeslagen in de massa. De warmtebuffering zorgt ervoor dat de ruimte vertraagd reageert op temperatuurswisselingen. Dit zorgt voor een stabielere ruimtetemperatuur. Pieken en dalen van de luchttemperatuur vlakken af en opgeslagen warmte komt vertraagd vrij.
Binnenklimaat verbetert
De thermische massa is te vergelijken met een thermische ‘accu’. Op warme dagen komt de in de massa opgenomen warmte met een tijdsvertraging vrij buiten de periode dat mensen in het gebouw verblijven. Die warmte wordt ’s-avonds en ’s-nachts afgevoerd, waardoor de constructie afkoelt en ’s-morgens weer ‘gereed’ is voor en nieuwe cyclus die start met het opslaan van overtollige warmte gedurende de komende dagperiode. Die overtollige warmte door zoninstraling en interne warmtelasten wordt opgeslagen in de thermische massa omdat die dan een lagere temperatuur heeft dan de binnenlucht. Temperatuuroverschrijdingen in zomermaanden reduceren significant dankzij de hoge thermische traagheid van massieve bouwconstructies, waardoor het thermisch comfort verbetert.
Figuur 1: Invloed van thermische massa op het temperatuurverloop (piekverlaging en faseverschuiving), bron: Thermal mass for housing, the Concrete Centre, UK en Links figuur 2: Werking thermische massa activering in vloeren, bron: B.W.Olesen, AshraeJournal feb 2012, Using Building Mass to heat and cool.
De hierboven beschreven wijze waarop thermische massa functioneert in een gebouw betreft het passief opnemen en afgeven van warmte. Er is sprake van “passieve thermische massa” die wordt gereguleerd door de warmteoverdracht aan de begrenzing van de constructie. Het benutten van de warmteopslagcapaciteit van thermische massa kan worden versterkt door deze massa te activeren.
Constructie actief verwarmen en koelen
Thermisch actief bouwen betekent het actief inzetten van de thermische massa van een constructie om gebouwen te verwarmen en/of te koelen. Een constructie wordt thermisch geactiveerd door een groter temperatuurverschil te creëren tussen de thermische massa en de omringende vertreklucht via inzet van techniek. Hoe groter de temperatuurverschillen hoe meer energie wordt afgestaan of opgenomen. Via kanalen of leidingenregisters in de massa wordt gekoeld(e) en/of verwarmd(e) lucht of water door de constructie geleid die dan opwarmt of afkoelt. In thermisch actieve constructies vindt in de constructie de warmtedistributie plaats. Het effect van het verwarmde of gekoelde water of de lucht in de massa is dat de oppervlaktetemperatuur van de constructie sterker verandert. Hierdoor wordt meer warmte aan de ruimte afgegeven (verwarming) of onttrokken (koeling) en functioneert een constructie-oppervlak als een verwarmings- of koelelement. De energie wordt hoofdzakelijk via de overdrachtsmechanismen straling en convectie overgebracht naar de ruimte, waarbij straling de hoofdcomponent is. In het inwendige van de constructie vindt de warmteoverdracht veelal door geleiding plaats. Binnen holtes, zoals kanalen van kanaalplaatvloeren, kan ook stralingsoverdracht en overdracht via convectie plaatsvinden. Door optimalisatie van regelsystemen zijn pieken in het koelvermogen gedurende de aanwezigheidsperiode sterk te reduceren door thermische massa als ‘warmteaccu’ in te zetten. Dit kan ook aanzienlijk besparen op installatiekosten.
In combinatie met een warmtepomp en warmte/koudeopslag zijn de energiekosten voor koelen en verwarmen aanzienlijk te verlagen. Dit kan tot 60% lager zijn dan nu gangbaar is (Pries, Snelder, 2008).
Figuur 3: Schematische weergave van het principe om ’s-nachts massa te activeren en overdag in te zetten met als doel reductie van het vermogen (Bron: S. Meijering, 2008)
Energie besparen
Thermisch actieve constructies zijn niet alleen warmteaccu’s, maar zijn een essentieel onderdeel van oppervlakte verwarmings- en koelsystemen. Dergelijke systemen functioneren grotendeels door stralingsafgifte over grote oppervlaktes van thermische massa. Thermisch actieve constructies zorgen voor beperking van het te installeren vermogen van additionele airconditioningssystemen. De regelingen van de installatie zijn afgestemd op het thermische gedrag van de constructie en dragen bij aan een comfortabel thermisch binnenklimaat. Een groot voordeel van thermisch actieve constructies is dat weinig luchtbeweging nodig is om warmte naar het vertrek over te dragen.
Het “laden” van de thermisch actieve constructies is effectief in de nachtperiode vanwege grotere temperatuurverschillen. Hiermee kan worden bespaard op energiekosten door inzet van vrije koeling. Overdag wordt “gratis” van die energie gebruik gemaakt en wordt minimaal van traditionele verwarming- en koelinstallaties gebruik gemaakt als additioneel systeem. Hier is een belangrijk verschil te constateren voor de koudeopwekking en koudelevering ten opzichte van traditionele conditioneringsmethoden via inzet van HVAC (heating ventilation air conditioning) systemen. Bij HVAC-systemen wordt de koude onvertraagd geleverd op het moment daaraan in een vertrek behoefte is, en bij thermische massa activering wordt dit uitgesmeerd over een volledige dag omdat het systeem ’s-nachts geladen kan worden.
Vloerverwarming
Vloerverwarming is ook een oppervlakte verwarmingssysteem, maar omdat de registerleidingen niet zo diep liggen, wordt hier nauwelijks gebruik gemaakt van het ‘laden’ van de thermische massa. De massa wordt wel gebruikt om de warmte van het water gelijkmatig over het gehele oppervlak te verdelen en over te dragen aan de ruimte.
Waardering in BENG berekening
Omdat thermisch actieve systemen trage systemen zijn, kunnen zij niet snel reageren op temperatuurswisselingen in de ruimte. Voor het opvangen van pieken in de warmte- of koellast wordt daarom in de praktijk vaak een -verhoudingsgewijs kleine- traditionele installatie bijgeschakeld. Thermisch actieve constructies behoren tot de lage temperatuur (oppervlakte) verwarmingssystemen en hoge temperatuur koelsystemen. Dit maakt dat deze systemen uitermate geschikt zijn om te combineren met een warmtepomp en warmte-koudeopslag. In combinatie met deze technieken is met thermische massa activering veel energie te besparen.
De toepassing van thermische massa en thermische massa activering heeft effect op de energiebalans van een gebouw, en dit komt ook tot uiting in de BENG berekening.