Bouwfysisch Ontwerpen 1
68
1 Bouwfysisch Ontwerpen 1 College 1 en 2 – Warmte
description
Bouwfysisch Ontwerpen 1. College 1 en 2 – Warmte. College 1 en 2 - Warmte. College 1.1. Gebouw en warmte College 1.2. Ontwerpen met warmte (bouwkundig) College 2.1. Mens en warmte College 2.2. Ontwerpen met warmte (installatietechnisch). College 1.1. Gebouw en warmte. - PowerPoint PPT Presentation
Transcript of Bouwfysisch Ontwerpen 1
1
Bouwfysisch Ontwerpen 1
College 1 en 2 – Warmte
Henk Schellen
Vandaag college 3 van Bouwfysisch Ontwerpen 1. Het handelt, net als college 4 over het fysische aspect warmte.
2
College 1 en 2 - Warmte
• College 1.1.– Gebouw en warmte
• College 1.2.– Ontwerpen met warmte (bouwkundig)
• College 2.1.– Mens en warmte
• College 2.2.– Ontwerpen met warmte (installatietechnisch)
Henk Schellen
In college 3 heb ik het vooral over het transport van warmte in een gebouw en in college 4 over het belang van warmte voor het menselijk lichaam en hoe dat lichaam warmte uitwisselt met zijn omgeving. In college 3 besteed ik aandacht aan de bouwkundige middelen waarmee we ons een binnenklimaat scheppen en in college 4 komen daar installaties voor ruimteverwarming bij.
3
College 1.1. Gebouw en warmte
Henk Schellen
We beginnen met het aspect warmte in relatie tot het gebouw.
4
Toen ik nog in een eend reed moest ik minder vaak het ijs van de vooruit krabben dan nu ik in een moderne auto rijd. Dat komt
1. door de toename van het broeikaseffect.
2. omdat een eend minder gestroomlijnd is.
3. omdat de voorruit van een moderne auto zonwerend is.
Henk Schellen
Maar eerst probeer ik jullie wat actiever te betrekken bij het onderwerp. Ik doe dat met een paar meerkeuzevragen. De eerste luidt....Wat lijkt je het meest waarschijnlijke antwoord? Ik geeft je het antwoord als ik wat theorie behandeld heb. Onthoud je antwoord dus even.
Folder 2CV
5
oud vs nieuw
6
7
Er staat een heerlijk kopje koffie op je te wachten. Helaas, net als je er de koffiemelk bij wilt doen, wordt er aangebeld. Hoe zorg je er nu voor dat de koffie zo warm mogelijk blijft? (nationale wetenschapsquiz 1998)
1. Door er nog snel koffiemelk bij te doen voordat je naar de deur loopt.
2. Door te wachten met de koffiemelk voordat je weer terug bent.
3. Doe wat je wilt, het maakt voor de temperatuur van de koffie geen verschil.
Henk Schellen
Nog een vraag...Ook hiervan geef ik je het antwoord straks.
8
Wat is warmte?
• Inwendige energie– Kinetische energie– Potentiële energie
Henk Schellen
Wat is warmte eigenlijk? Het is energie die in materie is opgeslagen. Als die materie tenminste warmer is dan 0 Kelvin, je weet wel, ongeveer -273 graden Celcius. Die inwendige energie is te onderscheiden in kinetische energie of bewegingsenergie en potentiele energie, energie van plaats. Naarmate een lichaam warmer wordt gaan de moleculen intenser bewegen. In een vast lichaam, waar ze gebonden zijn aan hun plaats gaan ze intenser trillen. Op een gegeven moment trillen ze zo sterk dat de samenhang verloren gaat: het lichaam wordt vloeibaar. Ook kunnen moleculen zoveel energie bezitten dat ze de ruimte in schieten: de stof verdampt.
9
Warmtetransport
temperatuurverschil warmtetransport
richting altijd:
hoge temperatuur lage temperatuur
Henk Schellen
Een temperatuurverschil leidt altijd tot warmtetransport. En eveneens altijd gaat die wamte van warm naar koud. Een gebouw waarin gestookt wordt zal dus altijd warmte verliezen naar zijn omgeving.
10
Geen temperatuurverschil, geen warmtetransport
Henk Schellen
Stel je voor: er staat in het midden van een vertrek een elektrische radiator. De radiator is uit en hij is even warm als zijn omgeving. Er gaat dus geen warmte van de radiator naar zijn omgeving en omgekeerd. Want voor warmtetransport moet er sprake zijn van een temperatuurverschil.
11
Geen temperatuurverschil,geen warmtetransport
Henk Schellen
Toch weten we dat door de inwendige energie een lichaam altijd energie uitstraalt. Die energie heeft de vorm van elektromagnetische straling (we zeggen meestal EM-straling). De radiator straalt, ook als hij niet aan is, energie uit naar zijn omgeving. Toch wordt hij niet kouder. Hoe komt dat?
12
Geen temperatuurverschil,geen warmtetransport
Henk Schellen
Dat komt omdat de omgeving - de muren, de vloer, het plafond - ook EM-straling uitzenden. We weten dat de temperatuur van de radiator niet verandert; kennelijk ontvangt hij evenveel stralingsenergie als hij uitzendt. En dat geldt op dezelfde manier voor de scheidingsconstructies.
13
Temperatuurverschil, warmtetransport (straling)
Henk Schellen
We schakelen nu de radiator in. De temperatuur van de radiator gaat dus omhoog. Een ding is zeker: er zal nu warmtetransport optreden van de radiator naar zijn omgeving. En dat gebeurt, zoals bijna altijd, op drie manieren. Allereerst door straling. De radiator straalt nu meer energie uit dan hij terugkrijgt van de scheidingsconstructies. De wanden, vloer en plafond worden dus warmer. Er treedt warmtetransport door straling op.
14
Temperatuurverschil, warmtetransport (convectie)
Henk Schellen
Als luchtmoleculen tegen de radiatorwand aanstoten, wordt er energie van de (warmere) moleculen van de radiatorwand overgedragen op die van de lucht. Warmere lucht is lichter, stijgt dus op en maakt zodoende plaats voor koudere lucht, etc. Er wordt dus warmte overgedragen van de radiatorwand op de lucht. We noemen dit warmteoverdracht door convectie: warmte gaat van een lichaamsoppervlak naar een stromend medium, in dit geval lucht. Maar het kan natuurlijk ook de andere kant uit: van lucht naar een lichaamsoppervlak, als die lucht warmer is dan het lichaamsoppervlak.
15
Convectieve warmteoverdrachts-
coëfficiënten (zie figuur 3.4., blz 83)
Henk Schellen
Met de warmte-overdrachtscoefficient voor convectie geven we aan wat de warmtestroom is tussen lucht en een oppervlak van een wand of vloer bij 1 Kelvin temperatuurverschil tussen lucht en oppervlak. In de bouwfysisca gebruiken we doorgaans vaste waarden. Voor een vertikale wand is dat 2,5 W/m2K. En dan maakt het niet uit wat de richting is van de warmtestroom. Voor een horizontaal oppervlak, zoals dat van een vloer of plafond, maakt de richting wel wat uit.Nemen we een verdiepingsvloer als voorbeeld. Als de temperatuur beneden hoger is dan boven, zal de richting van de warmtestroom naar boven gericht zijn. De lucht beneden draagt warmte over op het plafond, koelt zo af, wordt dus zwaarder en maakt plaats voor warmere lucht, etc. De warmteoverdracht vindt gemakkelijk plaats: de warmteoverdrachtscoefficient is 5 W/m2K. Als het boven warmer is en de warmtestroom dus neerwaarts gericht is, zal aan het plafond de lucht warmer worden en dus lichter. Die warme lucht wil naar boven en blijft dus tegen het plafond hangen. De convectieve warmteoverdracht stopt dus. De warmteoverdrachtscoefficient is dan 0.
16
Temperatuurverschil, warmtetransport (geleiding)
Henk Schellen
Tenslotte: de pootjes van de radiator worden ook warmer. Ze staan op de vloer en op het raakvlak van de pootjes en de vloer stoten de moleculen van de pootjes moleculen van de vloer aan en dragen zo inwendige energie over. Deze vorm van warmtetransport noemen we geleiding.
17
Vormen van warmtetransport
• Straling
• Convectie
• Geleiding
Henk Schellen
In de gebouwde omgeving vinden dus voortdurend de drie vormen van warmtetransport plaats.
18
Warmtestroom per m2 door straling
qr = hr(s - mrt) [W/m2]
Henk Schellen
De warmtestroom van of naar een m2 oppervlak wordt wel beschreven met de warmtestroomdichtheid W/m2. We gebruiken daarvoor de kleine letter q. De warmtestroomdichtheid door straling kunnen we als volgt schrijven.De warmtestroomdichtheid door straling (we schrijven dat als kleine q met als subscript de r van radiation) is dus gelijk aan de warmteoverdrachtscoefficient voor straling hr, h voor de warmteoverdrachtscoefficient en r voor radaition, maal het temperatuurverschil tussen het beschouwde oppervlak en de gemiddelde stralingstemperatuur van de vlakken waarmee straling wordt uitgewisseld. Die laatste temperatuur schrijven we als theta mrt (mean radiant temperature).
19
Warmtestroom per m2 door straling
qr = hr(s - mrt) [W/m2]
qr – warmtestroomdichtheid [W/m2]
hr – warmteoverdrachtscoëfficiënt [W/m2K]
s – oppervlaktetemperatuur radiator [C]
mrt – gemiddelde stralingtemperatuur wanden, etc
20
Toen ik nog een eend had moest ik minder vaak het ijs van de vooruit krabben dan nu ik een moderne auto heb. Dat komt
1. door de toename van het broeikaseffect.
2. omdat een eend minder gestroomlijnd is.
3. omdat de voorruit van een moderne auto zonwerend is.
Henk Schellen
We kunnen nu vraag 1 beantwoorden. Het goede antwoord is b. Hoe kunnen we dat antwoord beargumenteren?
21
Henk Schellen
Een lichaam dat buiten staat wisselt stralingsenergie uit met zijn omgeving. Een horizontaal vlak vrijwel alleen met de hemelkoepel. Bij heldere hemel zendt de hemelkoepel weinig EM-straling uit; het heelal bestaat immers voornamelijk uit leegte. Een horizontaal vlak zendt dus EM-straling uit en krijgt weinig terug; het daalt in temperatuur. Die temperatuurdaling kan gemakkelijk tot onder 0 graden Celcius gaan terwijl de luchttemperatuur toch nog boven 0 is.
22
Henk Schellen
Een vertikaal vlak wisselt (aan een kant) maar met de helft van hemelkoepel stralingsenergie uit. Voor de rest met de aarde. De temperatuurdaling zal dus minder zijn. De voorruit van de eend, die meer loodrecht staat dan de voorruit van de gestroomlijnde volvo zal dus minder gauw bevriezen.
23
24
Warmteoverdrachtscoëfficiënt door straling
hr = 5 W/m2K
(voor normale bouwkundige materialen)
Eigenlijk: hr = 5,5* W/m2K
Henk Schellen
Voor de meeste bouwkundige materialen geldt een warmteoverdrachtscoefficient voor straling van 5 W/m2K. Maar voor metalen, vooral als ze een gepolijst oppervlak hebben, kan deze waarde aanzienlijk kleiner zijn.
25
Henk Schellen
Een advertentie van een fabrikant van radiatoren. Beide radiatoren zijn van metaal. De linker is geschilderd en voor verf geldt een warmteoverdrachtscoefficient voor straling van 5 W/m2K. De rechter is van chroom en heeft daarmee een warmteoverdrachtscoefficient voor straling die veel kleiner is. Bij een zelfde oppervlak zal de radiator links dus veel meer warmte door straling afgeven dan de rechter die de naam radiator (straler) nauwelijks verdient.
26
Temperatuurverschil, warmtetransport (convectie)
Henk Schellen
Terug naar warmteoverdracht door convectie.
27
Warmtestroomdichtheid door convectie
qcv = hcv(s - a) [W/m2]
qcv – warmtestroomdichtheid door convectie
hcv – warmteoverdrachtscoëfficiënt voor convectie
s – temperatuur oppervlak radiator
a – temperatuur lucht
Henk Schellen
De warmtestroomdichtheid door convectieve overdracht (we schrijven qcv met de cv van convection) is dus gelijk aan de warmteoverdrachtscoefficient voor convectie (hcv, h voor warmteoverdrachtscoefficient en cv voor convection) maal het temperatuurverschil tussen het beschouwde oppervlak en de luchttemperatuur in het vertrek (theta a, a van air).
28
Er staat een heerlijk kopje koffie op je te wachten. Helaas, net als je er de koffiemelk bij wilt doen, wordt er aangebeld. Hoe zorg je er nu voor dat de koffie zo warm mogelijk blijft? (nationale wetenschapsquiz 1998)
1. Door er nog snel koffiemelk bij te doen voordat je naar de deur loopt.
2. Door te wachten met de koffiemelk voordat je weer terug bent.
3. Doe wat je wilt, het maakt voor de temperatuur van de koffie geen verschil.
Henk Schellen
Met voorgaande kennis zijn we ook wat beter in staat om de vraag over het kopje koffie te beantwoorden. Het goede antwoord is 1. Het warmtetransport van het kopje naar de omgeving is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen kopje en omgeving; hoe groter dat is des te groter het warmtetransport des te sneller het kopje afkoelt. Door nu eerst koffiemelk in het kopje te doen koelt het kopje koffie af en wordt dus het temperatuurverschil tussen kopje en omgeving verkleind en daarmee het warmtetransport verkleind.
29
Temperatuurverschil, warmtetransport (geleiding)
Henk Schellen
Terug naar het warmtetransport door geleiding.
30
Warmtestroomdichtheid door geleiding
• Afhankelijk van:– Materiaal (warmtegeleidingscoëfficiënt
[W/mK])– Temperatuurverschil per eenheid van afstand
(temperatuurgradiënt [K/m])
Henk Schellen
De grootte van de warmtestroom door geleiding is afhankelijk van:- de materiaaleigenschap die we de warmtegeleidingscoefficient noemen;- het temperatuur verschil per eenheid van afstand (temperatuurgradient).
31
Warmtegeleidingscoëfficiënten
• Koper - 370 W/mK
• Staal - 45 W/mK
• Beton - 2 W/mK
• Baksteen - 1 W/mK
• Glas - 0,8 W/mK
• Hout - 0,15 W/mK
• Minerale wol - 0,040 W/mK
Henk Schellen
Het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden loopt sterk uiteen. Hier zien we enkele voorbeelden. Koper geleidt warmte 8 keer beter dan staal en 460 keer beter dan glas. En glas doet het weer 20 keer beter dan glaswol, dat we gebruiken voor warmteisolatie.
32
Rekenvoorbeeld
33
Rekenvoorbeeld
Vloerverwarming
Gegeven:Avloer = 6*5 m2
vloer = 26 oClucht = 20 oCmrt = 18 oC
Gevraagd: Warmtestroom van vloer naar vertrek?
34
De zon als energiebron
Henk Schellen
De zon is een warm lichaam; het zendt dus EM-straling uit. Deze straling heeft als ze onze dampkring heeft bereikt, een vermogen van ca 1350 W/m2. We noemen dit de zonneconstante. Hier volgt een berekening daarvan.
35
Als de aarde niet om haar as zou draaien maar wel om de zon, dan
1. zou het op de ene helft van de aarde altijd dag zijn en op de andere altijd nacht.
2. zouden er geen seizoenen zijn.
3. zou een etmaal 1 jaar duren.
(nationale wetenschapsquiz 1997)
Henk Schellen
Maar eerst de volgende vraag. Het antwoord weer even onthouden. Eerst het volgende...
36
Dag en nacht
Henk Schellen
De aarde is een grote bal. Zonnestralen verlichten de helft die naar de zon is toegekeerd. Op die helft is het dag. De andere helft is donker; het is daar nacht. De aarde maakt in 24 uur een volledige omwenteling. Gevolg: het ritme van dag en nacht.
37
Verschil in straling per m2
Henk Schellen
Niet overal op de verlichte helft valt een even groot vermogen per m2. Waar de zon loodrecht op het aardoppervlak valt is het vermogen het grootst.
38
Scheve as
Henk Schellen
De aarde draait om een as die scheef staat. Daardoor zijn op de meeste plaatsen op aarde dag en nacht niet even lang. Hier zijn op het noordelijk halfrond de nachten langer dan de dagen.
39
Jaargetijden
Henk Schellen
De aarde draait om de zon. Hij doet een jaar over een volledige omwenteling. Op het noordelijk halfrond zijn tussen 21 september en 21 maart de nachten langer dan de dagen. Tussen 21 maart en 21 september zijn de dagen juist langer. Op het zuidelijk halfrond is het juist andersom.
40
Als de aarde niet om haar as zou draaien maar wel om de zon, dan
1. zou het op de ene helft van de aarde altijd dag zijn en op de andere altijd nacht.
2. zouden er geen seizoenen zijn.
3. zou een etmaal 1 jaar duren.
(nationale wetenschapsquiz 1997)
Henk Schellen
Het antwoord op de vraag moet dus zijn dat een etmaal een jaar zou duren als de aarde niet om haar as zou draaien. 1 is niet juist: door draaiing om de zon verandert het verlichte deel van de aarde zodanig dat na een jaar alle delen zon hebben gezien (zie goede antwoord). 2 is ook niet juist: er zouden juist grote seizoensverschillen zijn. Elke plek op aarde zou een halfjaar zon zien en een half jaar geen zon.
41
Zon en aarde
Henk Schellen
De bolvorm en de manier waarop de aarde om haar as draait zijn er dus de oorzaak van dat de zonneenergie over de aarde nogal varieert. Dat is een belangrijke oorzaak van de klimatologische verschillen die op aarde bestaan. De polen zien het minste zon, het is daar dus het koudst. De gebieden rond de evenaar zien het meeste zon, het is daar het warmst. Hoe het klimaat op een bepaalde plaats is, is ook nog afhankelijk van de aanwezigheid van oceanen, bergketens, etc.
43
Zon en aarde
• Welk deel krijgt aarde?– Ca 2 biljoenste (biljoen is 1012)
• Zonneconstante:– Ca 1350 W/m2 (aan rand atmosfeer)
Henk Schellen
Met de afstand tussen zon en aarde en de afmetingen van de aarde berekenen we dat de aarde maar ongeveer 2 biljoenst deel van de door de zon uitgezonden energie ontvangt. Ook kunnen we berekenen wat aan de rand van de atmosfeer het vermogen per m2 is. Dit is ca 1350 W/m2, de zogenoemde zonneconstante.
44
45
Globaal = direct + diffuus
46
Klimaatzones
Henk Schellen
Verschillende klimaatzones op aarde. Hoewel ze zeer uiteenlopen worden ze alle bewoond. Daarvoor heeft de mens kleding en bouwsels nodig.
47
Henk Schellen
Op aarde dus zeer uiteenlopende klimaten. Van zeer koud (polen) tot zeer heet (tropen). Bijna overal komt de mens voor. Met gebouwen schept hij zich een omgeving waarin overleven mogelijk is, bij voorkeur enigszins behaaglijk. Voorbeeld koude streek: de iglo. Gunstige O/V-verhouding. Dierenhuiden opgehangen tegen koudestraling. Verwarming door lampje met walvisolie.
48
Henk Schellen
Moderne versie van iglo. Ijshotel in noord Zweden. Wordt elk jaar opnieuw opgebouwd. Overnachting is kostbaar.
49
Henk Schellen
Interieur met beelden van ijs.
50
51
Henk Schellen
Klimaat s'winters koud en 's zomers heet. Gaten van 10x10x10 m3 waarin woningen worden uitgegraven. Door de grote diepte stabiel binnenklimaat. Zo wonen 10 miljoen chinezen. Uit: architecture without archtects.
52
Henk Schellen
Bangladesh. Heet klimaat. Elke dag om 16.00 uur steekt verkoelende wind op uit zee. Wind wordt gevangen door schoorsteenkappen en binnen woning gebracht. Uit ; architecture without architects.
53
Henk Schellen
Japan. Stormen in de winter. Hoge hagen van bomen beschutten de boerderijen enigszins.
54
Henk Schellen
Kantoor met zuidgevel gelegen aan de golf van Napels (heet klimaat in zomer). Deze gevel ongeschikt voor dit klimaat (te veel glas). Gebouw heeft het moeilijk: zie open ramen, binnenzonweringen, aircootjes. Gevaar van zogenoemde internationale architectuur.
55
De zon en de radiator
Henk Schellen
Wat is de overeenkomst tussen de zon en een radiator?
56
De zon en de radiator
Ze stralen allebei
Henk Schellen
Beide zenden EM-straling uit.
57
De zon en de radiator
Ze stralen allebei
Alles trouwens met een temperatuur > 0 K
58
• De zon: zonnestraling
Henk Schellen
De straling van de zon noemen we zonnestraling.
59
Henk Schellen
Zoals we weten is ons oog gevoelig voor een deel van die zonnestraling. Daarom kunnen we onze omgeving zien, zoals deze huizen.
60
• De zon: zonnestraling
• De radiator: temperatuurstraling
Henk Schellen
De straling van de radiator heeft niet de kleine golflengten die er in de zonnestraling voorkomen. De straling van de radiator noemen we langgolvig infrarood. Ons oog is niet zichtbaar voor deze straling.
61
Henk Schellen
Maar met een infraroodcamera kunnen we dit soort lage temperatuurstraling toch in beeld brengen. Dezelfde woningen in beeld gebracht met een infraroodcamera. De ramen tekenen zich goed af; de temperatuur ervan is hoger dan van de geisoleerde kopgevel.
62
Zonnestraling en warmtestraling
• Zonnestraling: licht en infrarood
• Temperatuurstraling: infrarood
Henk Schellen
Het verschil tussen zonnestraling en temperatuurstraling zit hem dus in de golflengte. Dat verschil is belangrijk voor ons, vooral omdat de 2 soorten straling zich anders gedragen als ze op glas vallen.
63
Absorptie, reflectie en doorlating
Henk Schellen
Als EM-straling op een oppervlak valt kunnen er drie dingen gebeuren met de straling1. De straling wordt weerkaatst;2. De straling wordt geabsoorbeerd (dat wil zeggen dat EM-straling wordt omgezet in inwendige energie)3. De straling wordt doorgelaten.
64
Absorptie, reflectie en doorlating
E = E + E + E
Henk Schellen
Als er E (W/m2) op een oppervlak valt wordt er algemeen dus alfaE geabsorbeerd, rhoE gereflecteerd en tauE doorgelaten. Alfa noemen we de absorptiefactor, rho de reflectiefactor en tau de doorlatingsfactor.
65
Henk Schellen
Als we verticaal de twee soorten straling uitzetten en horizontaal een doorzichtig materiaal als glas en een niet licht doorlatend materiaal als beton, dan krijgen we deze matrix.
66
Henk Schellen
We zien dat glas zonnestraling reflecteert, absorbeert en doorlaat.
67
Henk Schellen
Beton reflecteert en absorbeert maar laat zonnestraling niet door.
68
Henk Schellen
Glas reflecteert en absorbeert temperatuurstraling. Het laat die straling niet door.
69
Henk Schellen
Hetzelfde geldt voor beton.
