Thermische massa

thermische massa is effectief in het verbeteren van het gebouwcomfort op elke plaats waar dit soort dagelijkse temperatuurschommelingen optreden-zowel in de winter als in de zomer.Bij goed gebruik en in combinatie met passief zonne-energieontwerp kan thermische massa een belangrijke rol spelen bij de aanzienlijke vermindering van het energieverbruik in actieve verwarmings-en koelsystemen.Het gebruik van materialen met thermische massa is het voordeligst wanneer er een groot verschil is in buitentemperaturen van dag tot nacht (of wanneer de nachttemperaturen minstens 10 graden koeler zijn dan het instelpunt van de thermostaat).De termen zwaar en lichtgewicht worden vaak gebruikt om gebouwen met verschillende thermische massastrategieën te beschrijven, en beïnvloedt de keuze van numerieke factoren die in latere berekeningen worden gebruikt om hun thermische reactie op verwarming te beschrijven en cooling.In building services engineering, het gebruik van dynamische simulatie computationele modellering software heeft het mogelijk gemaakt voor de nauwkeurige berekening van de milieuprestaties binnen gebouwen met verschillende constructies en voor verschillende jaarlijkse klimaatdatasets. Dit stelt de architect of ingenieur in staat om de relatie tussen zware en lichte constructies, evenals isolatieniveaus, in detail te onderzoeken bij het verminderen van het energieverbruik voor mechanische verwarmings-of koelsystemen, of zelfs het wegnemen van de noodzaak voor dergelijke systemen helemaal.

eigenschappen vereist voor een goede thermische massagedit

ideale materialen voor thermische massa zijn materialen die:

• hoge soortelijke warmtecapaciteit,
• hoge dichtheid

elke vaste, vloeibare of gasvormige massa heeft enige thermische massa. Een veel voorkomende misvatting is dat alleen beton of aarde bodem heeft thermische massa; zelfs lucht heeft thermische massa (hoewel zeer weinig).

een tabel met de volumetrische warmtecapaciteit voor bouwmaterialen is beschikbaar, maar de definitie van thermische massa verschilt enigszins.

gebruik van thermische massa in verschillende klimaatedit

het juiste gebruik en de juiste toepassing van thermische massa is afhankelijk van het heersende klimaat in een district.

gematigde en koude gematigde klimatenedit

thermische massagedit

thermische massa is ideaal geplaatst binnen het gebouw en gelegen waar het nog steeds kan worden blootgesteld aan lage hoek winter zonlicht (via ramen), maar geïsoleerd tegen warmteverlies. In de zomer moet dezelfde thermische massa worden verduisterd uit hogere hoek zomer zonlicht om oververhitting van de structuur te voorkomen.

de thermische massa wordt overdag passief door de zon of bovendien door interne verwarmingssystemen verwarmd. De thermische energie die in de massa is opgeslagen, wordt ‘ s nachts weer in het interieur afgegeven. Het is van essentieel belang dat het wordt gebruikt in combinatie met de standaardprincipes van passief zonne-ontwerp.

elke vorm van thermische massa kan worden gebruikt. Een betonplaat fundering ofwel links blootgesteld of bedekt met geleidende materialen, bijvoorbeeld tegels, is een eenvoudige oplossing. Een andere nieuwe methode is om de metselwerkgevel van een vakwerkhuis aan de binnenkant te plaatsen (‘reverse-brick fineer’). Thermische massa wordt in deze situatie het beste toegepast over een groot gebied in plaats van in grote volumes of diktes. 7.5-10 cm (3-4″) is vaak voldoende.

aangezien de zon de belangrijkste bron van thermische energie is, is de verhouding tussen beglazing en thermische massa een belangrijke factor om rekening mee te houden. Verschillende formules zijn bedacht om dit te bepalen. Als algemene regel moet een extra aan de zon blootgestelde thermische massa worden toegepast in een verhouding van 6:1 tot 8:1 voor elk gebied met op de zon gerichte beglazing (op het noorden op het zuidelijk halfrond of op het zuiden op het noordelijk halfrond) van meer dan 7% van de totale vloeroppervlakte. Bijvoorbeeld, een huis van 200 m2 met 20 m2 zonoverglazing heeft 10% van de beglazing per totale vloeroppervlakte; 6 m2 van die beglazing vereist extra thermische massa. Daarom is, met behulp van de 6:1 tot 8:1 verhouding hierboven, een extra 36-48 m2 van aan zonne-energie blootgestelde thermische massa vereist. De exacte eisen variëren van klimaat tot klimaat.

Een moderne school met natuurlijke ventilatie door te openen ramen en blootgesteld thermische massa van een massieve betonnen vloer koof om de controle van de zomer temperaturen

Thermische massa voor het beperken van de zomer overheatingEdit

Thermische massa is ideaal gelegen in een gebouw waar het wordt afgeschermd van direct zonlicht te krijgen, maar blootgesteld aan de gebouwgebruikers. Het wordt daarom meestal geassocieerd met massieve betonnen vloerplaten in natuurlijk geventileerde of energiezuinige mechanisch geventileerde gebouwen waar de betonnen soffit wordt blootgesteld aan de bezette ruimte.

overdag wordt warmte gewonnen door de zon, de inzittenden van het gebouw en alle elektrische verlichting en apparatuur, waardoor de luchttemperatuur in de ruimte toeneemt, maar deze warmte wordt geabsorbeerd door de blootgestelde betonplaat boven, waardoor de temperatuurstijging in de ruimte binnen aanvaardbare niveaus blijft voor het thermisch comfort van de mens. Bovendien absorbeert de lagere oppervlaktetemperatuur van de betonplaat ook de stralingswarmte rechtstreeks van de inzittenden, wat ook hun thermisch comfort ten goede komt.

aan het eind van de dag is de plak weer opgewarmd, en nu de buitentemperaturen afnemen, kan de warmte vrijkomen en kan de plak worden afgekoeld, klaar voor het begin van de volgende dag. Dit “regeneratieproces” is echter alleen effectief als het ventilatiesysteem van het gebouw ‘ s nachts wordt gebruikt om de warmte van de plaat af te voeren. In natuurlijk geventileerde gebouwen is het normaal om geautomatiseerde raamopeningen te bieden om dit proces automatisch te vergemakkelijken.

hete, droge klimaten (bv. woestijn) [bewerken]

een Adobe ommuurd gebouw in Santa Fe, New Mexico

dit is een klassiek gebruik van thermische massa. Voorbeelden zijn adobe, geramde aarde, of kalksteen blok huizen. De functie ervan is sterk afhankelijk van duidelijke dagelijkse temperatuurschommelingen. De wand werkt voornamelijk om de warmteoverdracht van de buitenkant naar het interieur gedurende de dag te vertragen. De hoge volumetrische warmtecapaciteit en dikte voorkomt dat thermische energie het binnenoppervlak bereikt. Als de temperatuur ‘ s nachts daalt, stralen de muren de thermische energie terug naar de nachtelijke hemel. In deze toepassing is het belangrijk dat dergelijke wanden massief zijn om warmteoverdracht in het interieur te voorkomen.

hete vochtige klimaten (bijvoorbeeld subtropisch en tropisch)Edit

het gebruik van thermische massa is de meest uitdagende in deze omgeving waar de nachttemperaturen hoog blijven. Het wordt voornamelijk gebruikt als een tijdelijke koellichaam. Het moet echter strategisch worden geplaatst om oververhitting te voorkomen. Het moet worden geplaatst in een gebied dat niet direct wordt blootgesteld aan zonne-energie en ook ‘ s nachts voldoende ventilatie mogelijk maakt om opgeslagen energie weg te voeren zonder de interne temperaturen verder te verhogen. Als het al te gebruiken is, moet het in verstandige hoeveelheden worden gebruikt en opnieuw niet in grote diktes.

materialen die gewoonlijk worden gebruikt voor thermische massagedit

• Water: water heeft de hoogste volumetrische warmtecapaciteit van alle gangbare materialen. Typisch, het wordt geplaatst in grote container (s), acryl buizen bijvoorbeeld, in een gebied met direct zonlicht. Het kan ook worden gebruikt om andere soorten materiaal te verzadigen, zoals grond om de warmtecapaciteit te verhogen.
• beton, bakstenen en andere vormen van metselwerk: de thermische geleidbaarheid van beton hangt af van de samenstelling en de uithardingstechniek. Beton met stenen zijn thermisch geleidender dan beton met as, perliet, vezels en andere isolerende aggregaten. De thermische massa-eigenschappen van beton besparen 5-8% op de jaarlijkse energiekosten in vergelijking met zachthout. Geïsoleerde betonpanelen bestaan uit een binnenlaag van beton om de thermische massafactor te leveren. Deze wordt van buiten geïsoleerd door een conventionele schuimisolatie en vervolgens weer bedekt met een buitenste laag beton. Het effect is een zeer efficiënte gebouwisolatieschil.
• Isolatiebetonvormen worden gewoonlijk gebruikt om thermische massa aan bouwwerken te leveren. Isolerende betonvormen zorgen voor de specifieke warmtecapaciteit en de massa van beton. De thermische traagheid van de structuur is zeer hoog omdat de massa aan beide zijden geïsoleerd is.
• kleisteen, Adobe brick of mudbrick: zie baksteen en adobe.
• aarde, modder en sod: de warmtecapaciteit van vuil is afhankelijk van de dichtheid, het vochtgehalte, de vorm van deeltjes, de temperatuur en de samenstelling. Vroege kolonisten naar Nebraska bouwden huizen met dikke muren gemaakt van vuil en zod omdat hout, steen en andere bouwmaterialen schaars waren. De extreme dikte van de wanden zorgde voor enige isolatie, maar diende vooral als thermische massa, absorberende thermische energie tijdens de dag en het vrijgeven van deze tijdens de nacht. Tegenwoordig gebruiken mensen soms de aarde om hun huizen heen voor hetzelfde effect. In de beschutting van de aarde komt de thermische massa niet alleen van de muren van het gebouw, maar van de omliggende aarde die in fysiek contact staat met het gebouw. Dit zorgt voor een vrij constante, modererende temperatuur die de warmtestroom door de aangrenzende wand vermindert.
• geramde aarde: geramde aarde biedt een uitstekende thermische massa vanwege de hoge dichtheid en de hoge soortelijke warmtecapaciteit van de grond die bij de bouw ervan wordt gebruikt.
• natuursteen: zie Steenhouwerij.
• stammen worden gebruikt als bouwmateriaal voor het maken van de buitenmuren, en misschien ook de binnenmuren van woningen. Log huizen verschillen van sommige andere bouwmaterialen hierboven vermeld, omdat massief hout heeft zowel matige R-waarde (isolatie) en ook aanzienlijke thermische massa. Water, aarde, rotsen en beton daarentegen hebben allemaal lage R-waarden. Deze thermische massa zorgt ervoor dat een loghuis de warmte beter kan vasthouden in kouder weer en de koelere temperatuur beter kan behouden in warmer weer.
• Faseveranderingsmaterialen

seizoensgebonden energieopslag

indien voldoende massa wordt gebruikt, kan dit een seizoensgebonden voordeel opleveren. Dat wil zeggen, het kan verwarmen in de winter en afkoelen in de zomer. Dit wordt soms passieve jaarlijkse warmteopslag of PAK ‘ s genoemd. Het pak-systeem is met succes gebruikt op 7000 ft. in Colorado en in een aantal huizen in Montana. De Earthships van New Mexico maken gebruik van passieve verwarming en koeling en maken gebruik van gerecyclede banden voor funderingsmuren die een maximum aan PAK ‘ s/STES opleveren. Het is ook met succes gebruikt in het Verenigd Koninkrijk bij Hockerton Housing Project.