Thermische massa voor energiezuinige gebouwen

Auteur Cindy Vissering en Annemarie Weersink

Zonder extra maatregelen is een zwaar gebouw - met een betonconstructie - al in het voordeel boven een licht gebouw als het om energie-efficiëntie gaat. De voordelen kunnen nog veel groter zijn als het constructief ontwerp, het gebouw- en het installatieontwerp optimaal worden afgestemd op de inzet van thermische betonmassa (betonkernactivering). Het inzetten van thermische massa leidt tot thermische stabiliteit. Dit bespaart energie en zorgt voor een meer comfortabel binnenklimaat voor gebruikers.

Wat is thermische massa?

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 materiaal oppervlak.

Thermische massa van beton in gebouwen:

• optimaliseert de voordelen van zonnewarmte
• neemt de zonnewarmte op en geeft dit in de avonduren weer af
• reduceert energieverbruik voor verwarming en koeling
• nivelleert en dempt interne temperatuurwisselingen
• vertraagt in de zomer piektemperaturen in kantoren en andere commerciële gebouwen tot na het tijdstip dat de gebruikers het gebouw verlaten
• reduceert piektemperaturen en kan airconditioning overbodig maken
• kan in combinatie met nachtventilatie koeling overdag overbodig maken
• kan in combinatie met luchtbehandeling het energieverbruik voor koeling tot 50% reduceren
• vermindert de energiekosten voor gebouwen
• draagt door het verminderde energieverbruik bij aan reductie van de CO₂-uitstoot
  

Hoger ruimtecomfort

De werking van thermische massa is in feite heel simpel. Zolang er een temperatuurverschil is tussen de constructie (de massa) en de ruimtetemperatuur, vindt er uitwisseling van energie (warmte) plaats. Hoe groter het verschil, des te sneller de uitwisseling verloopt. Hierdoor is dit een zelfregulerend principe.

Een ruimte die in de zomer opgewarmd wordt door de instralende zon, stijgt in temperatuur. Zodra dit gebeurt, wordt de warmte opgenomen door de massa. De ruimtetemperatuur stijgt hierdoor langzamer dan in een lichte constructie. Wanneer de ruimte aan het einde van de dag weer daalt in temperatuur, draait de energiestroom om en wordt de warmte die opgeslagen was weer vrijgegeven aan de ruimte.

Op deze manier ‘dempt’ de massa de temperatuurschommeling. Thermische massa in gebouwen draagt bij aan een goed thermisch comfort doordat er een stabieler en gezonder binnenklimaat is te realiseren met minder temperatuuroverschrijdingen. De pieken in temperatuur zijn minder hoog en er is zodoende minder koeling nodig om het comfort te borgen.

De thermische massa zorgt ervoor dat gedurende een warme dag

• de temperatuur in het vertrek vanaf het begin van de dag veel langzamer toeneemt
• de hoogste temperatuur pas veel later in het vertrek komt
• de fluctuaties van de temperatuur in het vertrek minder sterk zijn. Het binnenklimaat wordt stabieler.
  
  

Dit systeem kan een grotere capaciteit krijgen wanneer de massa in de nacht ‘geladen’ wordt door ’s nachts energie te onttrekken door de constructie te koelen met nachtventilatie. De gekoelde massa kan meer energie (warmte) opnemen en kan zodoende de piek nog meer dempen.

Energiezuiniger in BENG 1

Per 1 januari 2021 wordt de energieprestatie van gebouwen berekend met de BENG-methodiek, beschreven in de NTA8800.

Met BENG 1 wordt de energiebehoefte voor verwarmen en koelen berekend. Hiertoe berekent men wat de verwarmings- en koelbehoefte is van het gebouw. Een onderdeel van de berekening is het bepalen van de benuttingsgraad. Deze geeft aan hoeveel warmte van de zon en interne bronnen benut kan worden voor verwarming van de zone, dan wel - bij de koelbehoefte - voor het afvoeren van overtollige warmte via de constructie.

Hoe hoger de benuttingsgraad, hoe lager de warmte- en koudebehoefte.

De thermische massa wordt in NTA 8800 gebruikt om de (effectieve) interne warmtecapaciteit van een rekenzone te bepalen. Deze waarde is nodig om samen met de verliezen door transmissie en ventilatie de tijdconstante van een zone te berekenen. Met de tijdconstante en de warmtewinst/warmteverliesverhouding van een zone is de benuttingsgraad te bepalen.

Inzet van thermische massa is in deze optiek positief.

Meer dan 10% verbetering op BENG 1 is haalbaar door van lichte bouw over te stappen op een bouw met 10.000 kJ/K extra interne warmtecapaciteit. Dat staat gelijk aan circa 50 m² betonoppervlak met een indringdiepte van 10 cm.

Minder risico op temperatuuroverschrijding TO-juli

Ook is het met de inzet van massa makkelijker om binnen de eisen van TO-juli (BENG 4) te blijven. TO-juli geeft een indicatie van het risico op temperatuuroverschrijding. TO-juli wordt bepaald aan de hand van de berekende koelbehoefte over de maand juli.

Uit onderzoek van WPS blijkt dat zwaardere woningen de eisen voor zowel TO-juli als BENG 1 makkelijker halen. Het loont om nauwkeuriger de thermische capaciteit te berekenen en niet gebruik te maken van de forfaitaire waardes, omdat dan eerder zichtbaar wordt onder welke zwaarte van de constructie de beide BENG-eisen behaald kunnen worden. Hiervoor wordt een rekensheet aanbevolen. Uitgewerkte voorbeeldberekeningen kun je hier ook vinden.

Actieve thermische massa

De massa kan ook geactiveerd worden: dit houdt in dat er leidingen door betonwanden en/of vloeren lopen met water of lucht. Met dit medium kan de constructie naar keuze gekoeld of verwarmd worden. Omdat het gehele wand/ plafond of vloeroppervlakte werkt als stralingsoppervlakte, kan er met zeer lage verwarmingstemperatuur of zeer hoge koeltemperatuur gewerkt worden.