warmteaccumulatie

Warmteaccumulatie is het, meestal langzaam, opslaan van energie ("warmte") in een medium, met het doel deze energie op een later tijdstip weer langzaam af te staan. Doel van warmteaccumulatie is bij te dragen aan een energiezuinig gebouw. Warmteaccumulatie is zowel het proces van opslaan en afstaan als de verschijnsel van het "opgeslagen zijn en afstaan". 

Warmteaccumulatie houdt in de praktijk in dat de warmte van enige warmtebron wordt opgeslagen in een medium die op een later moment gebruikt wordt om de ruimte te verwarmen. De warmtebron kan naast de "normale" energiebronnen ook bijvoorbeeld zoninstraling zijn, de zonnestraling die het gebouw binnentreedt. Het medium dat hiervoor geschikt is, is o.m. water, beton, baksteen, speksteen, paraffine, vaak gewoon benoemd als constructie. Het "latere moment" is bijvoorbeeld de avond waarbij geprofiteerd wordt van de warmteaccumulatie overdag. 

De warmteaccumulatie Q is afhankelijk van de (volumieke) warmtecapaciteit C. De volumieke warmtecapaciteit C is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 m3 van een materiaal 1 Kelvin in temperatuur te doen stijgen. De warmtecapaciteit C is het product van de dichtheid ρ (ro) en de soortelijke warmte c (energie per kg per Kelvin). Voor warmteaccumulatie is uiteraard ook de hoeveelheid materiaal ("dikte van de constructie") en het temperatuursverschil aan weerszijden van de constructie belangrijk.

De formule wordt dan als volgt:
Warmteaccumulatie Q = ρ × c × d × ΔT, de praktische eenheid is in dit geval [MJ/m2]

waarin: 
Q = hoeveelheid warmte die per m2 in de constructielaag is geaccumuleerd [J]
ρ = dichtheid (volumieke massa) van het materiaal [kg/m3]
c = soortelijke warmte [J/(kgK)]
d = dikte van de constructielaag [m]
ΔT = temperatuurstijging die de laag heeft ondergaan [K]
ρ × c = volumieke warmtecapaciteit van een materiaal (energie per m3 per Kelvin) [J/(m3K)]; 
overigens, de soortelijke warmte is [J/kgK] (zie een paar regels hierboven) en de warmtecapaciteit van een voorwerp is [J/K] (dus niet per m3).

Bij een constructie die uit meer lagen bestaat, worden simpelweg de verschillende Q's opgeteld.

De thermische capaciteit C van een materiaal is de warmtecapaciteit van dat materiaal maal de dikte ervan en wordt nu:
C = (ρ × c × d) / 1000 kJ/(m2K).
De tijd t (tau) die nodig is om de hoeveelheid warmte Q te leveren voor het opwarmen van de constructie is:
t  = ρ × c × d × (0,5 Rc + Rkoudstezijde), in seconden
waarin Rc = warmteweerstand van de constructie is.

Aspecten bij warmteaccumulatie (en ook "faseverschuiving" waarmee in uren het verschil wordt aangegeven in de warmtepiek buiten en binnen):
- naast o.m. temperatuursverschil (ΔT) en dikte (d) van het materiaal is bij het opnemen en afstaan van warmte bij bijvoorbeeld een muur natuurlijk ook de mate van warmtegeleiding belangrijk, de warmtegeleidingscoëficiënt (lambda); lambda beton ca. 1,7 W/m.K en hout ca. 0,15, dus beton neemt veel sneller warmte op dan hout; die waarde komt terug in T (Kelvin), d (meter) en de soortelijke warmte (Watt ofwel Joule/seconde)
- een constructie met bijvoorbeeld een grote dikke massa beton warmt trager op dan een constructie met dunne muren en vloeren; daarom wordt warmteaccumulatie ook wel met de wonderlijk duidelijke en toch wat zonderlinge term temperatuurtraagheid verbonden
- om van zoninstraling op een later moment te kunnen profiteren is het belangrijk dat veel warmte door de constructie kan worden opgenomen en afgestaan (dus dat er een grote warmteaccumulatie is)
- warmteaccumulatie kan behaaglijk werken omdat de temperatuur in de ruimte gelijkmatiger "verdeeld" is over de dag, mits de opwarming van de ruimte tenminste niet té lang duurt omdat de ruimte in dat geval te lang koud blijft en er gedurende een groot deel van de dag verwarming nodig is
- "warmteaccumulatie is het effect, dat een zwaar (betonnen of stenen) gebouw de hele zomer dag en nacht betrekkelijk koel blijft, terwijl een licht gebouw (van staal of hout) in de zomer overdag warm en 's nachts weer koud wordt; voor beide is wat te zeggen" (met dank aan Bouwen met Staal) 
- bij extreme koude zou eigenlijk de warmte in de constructie bewaard moeten blijven
- het nut van warmteaccumulatie is sterk afhankelijk van de situatie (welke perioden moeten de ruimten verwarmd worden; is snelle opwarming van de ruimte nodig; een gebouw met slanke muren koelt sneller af maar is ook weer snel op te warmen)
- water is een goed medium voor warmteaccumulatie; de warmtecapaciteit van bijna 4190 kJ/m3K is voortreffelijk
- ook staal heeft een hoge warmtecapaciteit (ρ × c) van 4130 maar staal warmt, in relatie met veel andere materialen, te snel op en staat de warmte ook weer te snel af; voor de opwarmtijd geldt (zie boven) t  = ρ × c × d × (0,5 Rc + Rkoudstezijde) wat voor een constructie van uitsluitend staal wordt t  = ρ × c × d × (1,5 × d / λ) omdat immers R = d/λ is (zie bij R-waarde; λ is de warmtegeleidingscoëfficiënt): de λ van staal is 58 en van water 0,60 dus ca. 100 maal zo groot; de opwarmtijd t van staal is daarmee ca. 100 maal zo klein als die van water... en de warmte wordt ook te snel weer afgegeven voor een nuttig gebruik als accumulator
- een isolerende laag aan de warme zijde werkt uiteraard nadelig voor het accumulerend vermogen van de constructie (een isolatielaag werkt over het algemeen niet snel accumulerend); daarom dient in het algemeen de warmteaccumulerende laag zich te bevinden aan de binnenzijde van het gebouw
- waar hier sprake is van warmte, kan ook vaak koelte worden gelezen, afhankelijk van de situatie
- bij vloerverwarming: (a) de warmteaccumulatie van de dekvloer en eventueel de gebruikersvloer kan gunstig werken op het comfort (gelijkmatiger opwarming), maar teveel accumulatie kan ook nadelig zijn omdat dan (teveel) extra warmte aan de ruimte wordt toegevoerd nadat de thermostaat al is afgeslagen (b) de warmteaccumulatie die o.m. optreedt bij het gebruik van dikke tapijten e.d. is niet gewenst. 

Een aantal cijfers staan bij warmtecapaciteit in tabelvorm met:
- materiaal, stof
- soortelijke dichtheid (soortelijke massa, ρ, rho) [kg/m³]
- soortelijke warmte c [J/kgK of kJ/kgK]
- volumieke warmtecapaciteit [J/m³K of kJ/m³K]
- warmtegeleidingscoëfficiënt λ  [W/mK].

Warmteaccumulatie bij kachels met een groot accumulerend vermogen
Naast bijvoorbeeld betonkernactivering waar het accumulerend vermogend van beton wordt toegepast en faseveranderingsmaterialen (phase change materials) waar de warmte bij veranderen van fase van vast naar vloeibaar en v.v warmte opslaat resp. afstaat, kan de accumulatie ook lokaal plaatsvinden via een kachel met een grote massa van een goed accumulerend materiaal. In dit verband wordt ook wel gesproken over de thermische massa van een materiaal of object. Een mogelijkheid is bijvoorbeeld de Finoven. Finovens zijn houtkachels die omringd zijn door leemstenen of bakstenen en waarbij de rookgassen op een speciale manier naar buiten worden geleid. Hierdoor wordt de brandstof efficiënter gebruikt en, mede door de grotere massa van het materiaal rond het haardvuur, wordt er dus meer warmte geaccumuleerd dan normaal, en blijft de kachel de warmte ook langer afgeven. Volgens de fabrikant is 2 uur stoken voldoende te zijn voor 24 uur warmte. Als materiaal worden vaak speksteen en leem toegepast. 

Voordelen van warmteaccumulerende kachels zijn:
- door de langere weg die de rookgassen moeten afleggen wordt de brandstof efficiënter gebruikt en wordt meer warmte vastgehouden (meer warmteaccumulatie)
- door de grotere hoeveelheid van een goed warmteaccumulerend materiaal rond het haardvuur wordt meer warmte beter vastgehouden (meer en betere warmteaccumulatie)
- de rook die uit de kachel komt is minder heet waardoor het het verbrandingsrendement sterk toeneemt
- door de betere verbranding blijft het glas van de kachel langer schoon.
Nadelen zijn de hogere aanschafkosten en de omvang van de kachels.

Ook wordt wel aardgas i.p.v. hout of houtpellets toegepast als warmtebron. 
Verder kan ook elektrische verwarming worden toegepast met een grotere hoeveelheid warmtevasthoudend materiaal, maar alleen indien er sprake is van een goedkoop elektriciteitstarief om de warmte te accumuleren. 

Deze vorm van warmte wordt ook wel accumulatiewarmte genoemd.

Documentatie
- Thermische massa voor energiezuinige gebouwen (van Cement&BetonCentrum)

De term accumulatie (opeenhoping) is afkomstig van de Latijnse woorden ad (bij) en cumulo (opeenhopen, opeenstapelen) of cumulus (stapel, hoop, massa). 

Met dank aan o.m. Bouwen met Staal, Xella, Heat-world, Tigchelaar Tigchelkachels en Finovens.

Zie ook warmtegeleiding.
Zie eventueel, warmtecapaciteit, calorische waarde (verbrandingswarmte, energie-inhoud).

Eng. heat accumulation; opslag is storage