faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping

De begrippen (thermische) faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping zijn ooit geschapen om de zomerse oververhitting binnenshuis door de verhitte gevel in getallen en grafieken weer te geven.

Faseverschuiving is de tijd tussen het moment van de maximale temperatuur buitenshuis en het moment van de maximale temperatuur binnenshuis. Dit wordt aangegeven in uren.
Als de faseverschuiving zeer groot is, blijkt de temperatuur binnenshuis meestal nauwelijks te schommelen. Als de faseverschuiving juist zeer klein is (minder dan 8 uur) komt de warmte uit de muren te vroeg vrij en kan het 's avonds en in het begin van de nacht te warm worden. (Overigens speelt dit alléén een rol wanneer de temperatuur binnenshuis voor ons gevoel echt te hoog wordt.)

Temperatuuramplitude-demping beschrijft hoe en hoeveel de temperatuur van het binnenoppervlak fluctueert (d.w.z. al of niet "gedempt" wordt weergegeven) in vergelijking met de temperatuur van het buitenoppervlak.
Het getal dat die demping geeft aan hoe de componenten van de gevel erin slagen de temperatuur binnenshuis constant te houden, dus zo min mogelijk te laten schommelen als de buitentemperatuur verandert.
De temperatuurcurve van de binnenzijde is voor de bewoner het belangrijkst en geeft aan hoe die temperatuur afhankelijk is van de buitentemperatuur: wanneer de grafiek een vrijwel rechte horizontale lijn volgt (bijvoorbeeld overeenkomend met minder dan 1°C verschil), dan is de demping voldoende om een grote toename van de buitentemperatuur tegen te houden.
Bij de temperatuuramplitude-demping geldt: hoe hoger de waarde, des te meer dempen de componenten (isolatiemateriaal, baksteen, beton, hout, CLT e.d.) de warmte die van buiten naar binnen wil stromen. Een waarde van 10 betekent dat het buitenoppervlak een 10 keer grotere temperatuurschommeling heeft dan het binnenoppervlak, bijvoorbeeld 15- 35°C buiten (verschil minimum- en maximumtemperatuur buiten is 20°C) en 24- 26°C binnen (verschil is 2°C), waarbij 20°C/2°C = 10, een dimensieloze waarde, dus zonder eenheid). "Deze waarde moet zo groot mogelijk zijn; goede waarden zijn 20 en hoger. Dat houdt op de temperatuurcurve een schommeling van ongeveer een halve graad Celsius in, wat zeker niet veel is.

Zowel de faseverschuiving als de temperatuuramplitude worden voornamelijk gemeten aan de gevel (buitenoppervlak en binnenoppervlak van de gevel).

"Een comfortabel binnenklimaat in de winter met de laagst mogelijke stookkosten is vandaag de dag al een vanzelfsprekendheid. Maar hoe zit het met het comfort in de zomer, wanneer de temperatuur buiten de beschermende gebouwschil de 40°C bereikt?"

LET OP:

• De faseverschuiving en de temperatuuramplitude-demping hebben bij veel van de huidige geïsoleerde gevels niet veel betekenis. Bij niet-geïsoleerde spouwmuren en steensmuren spelen faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping een belangrijke rol (zie de voorbeeldgrafieken verderop), maar daar kunnen we alleen maar iets aan doen door na-isolatie (door de spouw te vullen, isolatie aan de binnenzijde of isolatie aan de buitenzijde).
  
  Wel zijn er nog steeds bijvoorbeeld daken van houtskeletbouw en glaswol als isolatie (zie het voorbeeld) die door een faseverschuiving van bijvoorbeeld 7,5 uur een temperatuurverloop van 2 graden hebben aan de binnenzijde van de gevel. 
  Een ander isolatiemateriaal (cellulose) kan dit fors verbeteren (zie dit voorbeeld).
  
  

• De door berekening van faseverschuiving en temperatuurverloop bepaalde binnentemperaturen bij de gevels hebben uitsluitend betekenis wanneer de warmtetoevoer buiten de muren om vrijwel nihil is. Dat is praktisch en helaas onmogelijk: vensters laten sowieso meer warmte door dan gevels, er zijn altijd wel vensters zonder buitenzonwering, sommige ventilatie is meestal ingeschakeld (balansventilatie, vaak ook bij mechanische ventilatie), ventilatieroosters staan wel eens open, buitendeuren staan soms open, er wordt gekookt en gedoucht, er zijn apparaten en mensen en dieren die warmte geven enz.
  
  

• De warmtestroom door glas (HR++) lijkt fors (ook als er geen zon schijnt), maar door de relatief zeer geringe massa van het glas is dat niet zeer relevant.

Onderwerpen die hier behandeld worden:

• Naar een geleidelijk, comfortabel temperatuurverloop

• Voorbeelden van faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping

• Berekening van de faseverschuiving en vele andere grootheden

• Algemene opmerkingen

Naar een geleidelijk, comfortabel temperatuurverloop

Voor een optimale warmtebescherming is een afgewogen combinatie van isolerende lagen en lagen voor warmteopslag wenselijk.
De vuistregels voor een geleidelijker, smaller temperatuurverloop in de kamer zijn het gebruik of het toepassen van: 

• de zon: buitenzonwering (om in de zomer zo min mogelijk warmte door vensters binnen te laten komen, zie bij zonwering) en een zongerichte woning (om in de winter veel zonnestralen binnen te laten wat aangenaam is en bespaart op stookkosten)

• thermische isolatie aan de buitenkant (om in de zomer de binnenzijde van de buitenmuren koel te houden; om in de winter de warmte binnenshuis te houden; zowel in de zomer als de winter gecombineerd met bijna-luchtdichtheid om geen ongewenste warme of koude lucht naar binnen te laten stromen)

• warmteopslag aan de binnenkant (om de warmte die het huis inkomt op te nemen, zowel in zomer als winter, zie eventueel bij warmteaccumulatie)

• nachtventilatie (in de zomer om de warmte 's nachts zo snel mogelijk te laten verdwijnen).

Hierbij spelen een rol:
- Zoals gesteld zijn de gevels helaas niet de enige bron van binnenkomende warmte.
- De aangegeven vuistregels zijn passieve maatregelen, d.w.z. er is geen extra energie benodigd om het systeem voor een geleidelijke en comfortabele temperatuur binnenshuis te laten werken. Gebruik van een airco of warmtepomp behoort tot de actieve maatregelen, maar die verbruiken extra energie.
- Vooral belangrijk is 's zomers de buitenzonwering omdat een instralende zon enorm veel energie in huis brengt.
- Hoe verder naar binnen de opslagmassa wordt geplaatst, des te groter is de bijdrage aan de warmtebescherming. Daarom moeten vooral de binnenste lagen de hoogst mogelijke opslagcapaciteit hebben, d.w.z. een zo groot mogelijke massa en volumieke warmtecapaciteit (hout ca. 1000, baksteen ca. 1500, beton ca. 2200 kJ/m3.K). (Overigens, wanneer de wand aan de binnenzijde (binnenshuis) een grote massa en warmteopslagcapaciteit heeft, dan kan dat in de winter een nadeel zijn omdat veel warmte wordt gebruikt om die massa op te warmen.)
- Wat betreft de thermische isolatie aan de "buitenkant": de volumieke warmtecapaciteiten van EPS, XPS, PUR en PIR zijn ca. 40 kJ/m3K en van bijvoorbeeld cellulose ca. 100 kJ/m3K. Deze isolatiematerialen kunnen dus niet veel warmte opnemen, daardoor beter warmte van buiten afschermen en ook minder uitstralen in de nacht. Overigens, de warmtecapaciteit wordt door de U-wert-rechner gegeven in kJ/m2.K over de gehele dikte van de muur, en dus niet in kJ/m3K.
- Isolatiemateriaal aan de binnenkant verbetert de warmtebescherming niet of nauwelijks of werkt zelfs negatief omdat er door het isolatiemateriaal dan minder snel warmteopslag kan zijn.
- De maximale binnentemperatuur ligt bij voorkeur in de tweede helft van de nacht (liever niet in de avond of als je net naar bed wilt gaan). Wanneer de faseverschuiving zeer groot is (langer dan ca. 14 uur). 
- Hout, houtvezelplaten en cellulose bieden een hoge opslagcapaciteit en staan die in een goede faseverschuiving weer af. Hout mag niet te dik zijn omdat anders een te grote warmteopslag plaatsvindt en de faseverschuiving te groot wordt. Beton en baksteen houden de warmte langer vast. Een houtskelet met cellulose als isolatiemateriaal is gunstig voor een ideale faseverschuiving.
- Teveel "opslagmassa" betekent dat het in de winter langer duurt voordat zon of centrale verwarming de kamer comfortabel warm maakt. Overigens neemt tegenwoordig de binnenhuis-temperatuur 's nachts door extreme isolatie en luchtdichtheid nauwelijks af.

Voorbeelden van faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping

Faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping van een aantal veel toegepaste gevel-voorbeelden en HR++ glas (de bijbehorende pdf met uitgebreide gegevens van U-wert-rechner van Ubakus staat vermeld bij de koptekst van de grafieken; let op: de meeste gegevens zijn voorbeeld-gegevens, geen werkelijk uitgevoerde projecten). 

Een aantal voorbeelden, waaruit blijkt dat cellulose als isolatiemateriaal een goede keuze kan zijn:

• Ongeïsoleerde gevels (binnentemperatuur  schommelt enorm):

  • baksteen ongeïsoleerd

  • steensmuur

• Geïsoleerde gevel (binnentemperatuur schommelt met ca. 2 graden):

  • houtskeletbouw met glaswol

• Geïsoleerde gevels (binnentemperatuur vrijwel constant):

  • beton met isolatie

  • baksteen met isolatie

  • biobased ontwerp met cellulose

  • houtskeletbouw met cellulose

  • houtskeletbouw met steenwol

  • clt met cellulose

• Dubbelglas (HR++ glas) (ter vergelijking)

In de grafieken met "Oppervlaktetemperatuur overdag" (steeds de onderste van de twee grafieken) is de blauwe lijn binnenshuis, de rode lijn buitenshuis. In de twee onderstaande gevel-typen (ongeïsoleerd) spelen faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping een belangrijke rol: Baksteen - ongeïsoleerde spouw - baksteen   ==> binnentemperatuur schommelt tussen ca. 21 en 29°C, de te korte faseverschuiving zorgt voor extra stijging van de temperatuur binnenshuis in de avond, temperatuur-grafiek binnenshuis toont zeer grote schommelingen *) (PDF voor meer info):

Steensmuur baksteen  ==> binnentemperatuur schommelt tussen ca. 22 en 28°C, de faseverschuiving zorgt voor extra stijging van de temperatuur binnenshuis in de avond, temperatuur-grafiek binnenshuis toont zeer grote schommelingen (PDF voor meer info):

Bij bijvoorbeeld houtskeletbouw met glaswol is er een schommeling van de binnentemperatuur van ca. 2°C: Houtskeletbouw met glaswol (vergelijk-voorbeeld van NarrativA architecten)  ==> binnentemperatuur schommelt tussen 24 en 26°C, de betrekkelijk korte faseverschuiving speelt wellicht een geringe maar wel aanwezige rol (verhoogt de temperatuur in de late avond met ca. 2 graden t.o.v. het middaguur) (PDF voor meer info):

In de meeste (fors) geïsoleerde gevallen zijn faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping vrijwel niet relevant:  Beton - isolatie - niet-geventileerde spouw - baksteen   ==> binnentemperatuur blijft ca. 25°C, faseverschuiving niet relevant omdat temperatuur binnenshuis zeer constant is (PDF voor meer info):

Baksteen - isolatie - geventileerde spouw - baksteen   ==> binnentemperatuur blijft ca. 25°C, faseverschuiving niet relevant omdat temperatuur binnenshuis zeer constant is *) (PDF voor meer info):

Biobased Isocell (cellulose) isolatie (vergelijk-voorbeeld van NarrativA architecten)  ==> binnentemperatuur blijft ca. 25°C, faseverschuiving niet relevant omdat temperatuur binnenshuis zeer constant is (PDF voor meer info)

Houtskelet met Isocell (cellulose) isolatie (vergelijk-voorbeeld van NarrativA architecten)  ==> binnentemperatuur blijft ca. 25°C, faseverschuiving is nauwelijks relevant omdat temperatuur binnenshuis vrijwel constant is (PDF voor meer info):

Houtskelet met steenwol isolatie  ==> binnentemperatuur blijft ca. 25°C, faseverschuiving is nauwelijks relevant omdat temperatuur binnenshuis vrijwel constant is (PDF voor meer info):

CLT - Isocell (cellulose) isolatie - gepotdekselde gevelbekleding  ==> binnentemperatuur blijft ca. 25°C, faseverschuiving is niet relevant omdat temperatuur binnenshuis zeer constant is (PDF voor meer info):

Ter vergelijking met de gevel die bij nieuwbouw zeer goed geïsoleerd is. Dubbelglas laat veel zonlicht door wat de noodzaak van buitenzonwering duidelijk maakt. (Eerst het temperatuurverloop reëel, om het doel en nut van dubbelglas niet uit het oog te verliezen.)  Dubbelglas HR++   ==> binnentemperatuur binnenshuis op paar mm afstand van het glas is ca. 20°C (op het glas zelf ca. 14°C), bij een buitentemperatuur van -4°C: Dubbelglas HR++   ==> oppervlaktetemperatuur op het glas binnenshuis schommelt tussen 16 en 34°C..., temperatuur-grafiek binnenshuis toont extreem grote schommelingen; glas neemt betrekkelijk veel warmte op (vergelijkbaar met beton) maar door de geringe massa is dat niet zeer relevant wat betreft faseverschuiving en temperatuuramplitude-demping: in de zomer is zonlicht-inval door glas uiteraard wel belangrijk en in de winter kan er koudeval optreden (PDF voor meer info):

Berekening van de faseverschuiving en vele andere grootheden (via Ubakus)

Voor een exacte en uitgebreide berekening, ga naar de U-wert Rechner van Ubakus en vul de gewenste materialen in. Het rekenprogramma geeft de U-waarde, faseverschuiving enz. Inloggen via een demo-account of een eigen account (gratis of betalend). Invullen van de gegevens kan via een kenmerkend woord in het zoekveldje. De resultaten kunnen worden opgeslagen en worden afgedrukt als pdf.
De voorbeelden hierboven zijn op die manier tot stand gekomen.

het startscherm en een invulscherm van ubakus u-wert-rechner:

Enkele algemene opmerkingen

- De TAV: Het omgekeerde van de temperatuuramplitude-demping (1/temperatuuramplitude-demping) wordt de TemperatuurAmplitude-Verhouding (TAV) genoemd.
- Verwar faseverschuiving (fase van de sinusgolf met temperatuurverloop) niet met de faseverandering die bij faseveranderingsmaterialen op kan treden, waarbij de fysische fase van een stof verandert (vast, vloeibaar, gas), zie phase change materials (pcm). Overigens kunnen faseveranderingsmaterialen (pcm's) een belangrijke spelen bij warmteopslag, en daarmee ook bij de faseverschuiving.
- Afwegingen voor meer of minder "massa" zijn vermeld bij BENG.

Zie ook TOjuli bij BENG, koel houden in de zomer, nachtventilatie, overstek, Fc-waarde (reductiefactor zonwering).

Bronnen van de gegevens van dit artikel, met uitzondering van het Excel-sheet, zijn o.m.:
- Gegevens van bijvoorbeeld biobased gevels van Narrativa architecten
- U-wert-calculator voor de vele berekeningen en grafieken. 

Eng. phase shift

*) Waarschijnlijk omdat de grens "buiten" bij een geventileerd buitenspouwblad dichter naar binnen ligt, wordt de hoogste buitentemperatuur een paar graden verlaagd in vergelijking met de situatie waarbij de temperatuur over de gehele dikte van de gevel wordt bepaald.