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