Thermisch actieve gebouwen

Auteur Cindy Vissering en Annemarie Weersink

Wanneer in een gebouw de massa van de betonconstructie wordt geactiveerd door er leidingen met koel of warm water doorheen te laten stromen, levert dit grote voordelen op voor een comfortabel binnenklimaat en bespaart het veel energie. Omdat het gehele wand-, plafond- of vloeroppervlakte werkt als stralingsoppervlakte, kan er met zeer lage verwarmingstemperatuur of zeer hoge koeltemperatuur worden gewerkt. En dat is energetisch heel voordelig in combinatie met een warmtepomp.

Wat is thermische massa activering?

Bij thermische massa activering (of betonkernactivering) wordt de thermische massa van het beton geactiveerd. Thermische massa is een term waarmee het thermisch accumulerend vermogen van massa wordt aangeduid, oftewel het vermogen om warmte en koude op te nemen, een periode vast te houden in het materiaal en later afhankelijk van de ruimtetemperatuur weer af te geven via het materiaaloppervlak, zie Thermische massa voor energiezuinige gebouwen. Door de thermische massa te activeren met koel of warm water (of met lucht), kan nog meer energie worden bespaard. Dit wordt ook wel betonkernactivering genoemd.

Zeer lage temperatuur verwarming

Koelen kan al bij 16-20 °C en verwarmen met 20-25 °C, wat betekent dat het omslagpunt van verwarmen en koelen dicht bij elkaar ligt. Thermisch actieve constructies behoren tot de zeer lage temperatuur (oppervlakte) verwarmingssystemen en zeer hoge temperatuur koelsystemen. Dit maakt dat deze systemen uitermate geschikt zijn om te combineren met een warmtepomp en warmte-koudeopslag. Er is relatief weinig energie nodig om het grondwater op de juiste temperatuur te krijgen. In combinatie met deze technieken is met thermische massa activering veel energie te besparen.

Automatisch accommoderend

De temperatuur van de binnenruimte kan natuurlijk variëren, afhankelijk van bijvoorbeeld het aantal aanwezige personen, apparaten die aanstaan, of de hoeveelheid warmte van zonlicht die de ruimte binnentreedt. Hierdoor ontstaat een temperatuurverschil met het betonoppervlak, waardoor automatisch energiestromen op gang komen (van warm naar koud). Oftewel er vindt een warmte-uitwisseling plaats. Stel dat de betonmassa op een constante temperatuur van 22 °C wordt gehouden. Als de binnentemperatuur hoger wordt, bijvoorbeeld 24 °C, werkt het beton als koelelement (het wordt opgeladen met energie). Wordt het binnen kouder, bijvoorbeeld 20 °C, dan werkt het beton als verwarmingselement (energie wordt onttrokken). Met andere woorden: er treedt vanzelf een verwarmend of koelend effect op. Dit is het zelfregulerende effect van thermisch actieve betonconstructies.

Omdat thermisch actieve systemen trage systemen zijn, kunnen zij niet snel reageren op tijdelijke temperatuurwisselingen in de ruimte. Voor het opvangen van pieken in de warmte- of koellast wordt daarom in de praktijk vaak een (verhoudingsgewijs kleine) traditionele installatie bijgeschakeld.

Verschil met vloerverwarming

Bij een thermisch geactiveerde constructie liggen de leidingregisters in de constructie op een grotere diepte dan vloerverwarming. Immers, de meewerkende thermische massa ligt tussen de registers en het oppervlak in. Hierdoor wordt de massa van de constructie geactiveerd en kan deze als buffer werken.

Bij vloerverwarming, en zeker in een geïsoleerde, zwevende dekvloer, werkt het oppervlak alleen als stralingsoppervlak en niet de bufferende werking, omdat de leidingen te dicht aan het oppervlak liggen. Een vloerverwarmingssysteem reageert iets sneller dan thermisch actieve gebouwen.

Afhankelijk van de gewenste hoofdfunctie van het systeem, wordt de keuze gemaakt om de leidingen meer aan de vloerzijde of aan de plafondzijde van de constructie te plaatsen. Koelen is effectiever vanaf het plafond, verwarmen is effectiever vanaf de vloer. Steeds meer neemt koelen van gebouwen een belangrijkere functie in.

Ontwerpaspecten

De oppervlakte van de thermisch geactiveerde constructie moet in het zicht blijven om de werking plaats te laten vinden. Dit betekent dat er geen verlaagde plafonds of isolerende vloerbedekking kan worden toegepast. Ook dit zal onderdeel zijn van de keuze waar de leidingregisters in de constructie komen te liggen.

Omdat het om een totaal klimaatconcept gaat voor het gebouw, en het water in de leidingen in het gehele gebouw dezelfde tempartuur kan hebben, is het niet nodig om de leidingregisters in zones op te delen. Hierdoor ontstaat de mogelijkheid om een gehele verdieping vrij indeelbaar te maken. Dit draagt dus bij aan de adaptiviteit, en dus aan de levensduur van een gebouw.

Voordelen straling in BENG

De warmteafgifte van thermische massa’s vindt hoofdzakelijk plaats via stralingsafgifte en veel minder via convectie. Omdat een mens zich eerder comfortabel voelt door straling, kan met een lagere temperatuur in de ruimte worden volstaan. NTA 8800 houdt een reductie voor de binnentemperatuur van 0,7°C aan bij vloer/plafondverwarming of betonkernactivering. Dit lijkt aan de voorzichtige kant ten opzichte van voorgaande energieprestatienormen, maar bij aanwezigheid van grote raamvlakken met een lagere oppervlaktetemperatuur is stralingscompensatie wenselijk en is 0,7 °C goed te verantwoorden als praktijkwaarde.

Waardering actieve massa in BENG

De NTA 8800 (de norm die de eisen voor BENG omschrijft) geeft geen directe methode voor inzet van thermisch actieve massa. Wanneer de constructie vooral ‘s nachts wordt ‘geladen’ met een lage temperatuur, dan hoeft de installatie overdag niet actief te zijn, de massa doet het werk. In dat geval is het mogelijk om als gelijkwaardigheidsprincipe in de BENG-berekening uit te gaan van een nachtverlaging. WSP heeft dit uitgezocht en de betreffende uitleg vind je hier (PDF download).

Door gebruik te maken van passieve koeling wordt het energetische voordeel verhoogd. Passieve koeling kan zijn met nachtventilatie wanneer de nachttemperatuur voldoende laag is of door de warmtepomp langzaam te laten draaien met een bodembron, die op die manier weer geladen wordt voor een goede werking in de winter. Het grondwater is ongeveer 12 graden en voldoende voor zeer lage tempartuurkoeling.