Prof.Dr lng.F.C.A.Haferlandhoogleraar civiele bouwkunde,TH-Delft, afd. Civiele TechniekOpslag koel-energie ingeventileerdekruipkeldersNatuurlijke en/ofkunstmatige regulering van hetthermischbinnenklimaat van bedrijfsgebouwen inwarme klimaatgebieden*Onder de titel 'Geventileerde bouwconstructiesten behoeve van een natuurlijke regulering vanhet thermisch binnenklimaat in warme klimaat-gebieden' werd in Cement (1979) nr. 11 eenaantal geventileerde prefab-betonconstructiesvoor gebouwen met een bepaald kanalensys-teem besproken, die door externe ventilatie metkoude nachtlucht de natuurlijke koelenergiekonden accumuleren. Deze koelenergiekonhierna door interne ventilatie overdag voor koe-ling van de binnenruimten worden toegepast.Hoofddoel was het scheppen van een behaaglijkbinnenklimaat in warme klimaatgebieden opnatuurlijke wijze, zonder gebruikmaking vankoelinstallaties. Deze installaties vergen groteinvesteringen en brengen hogeonderhoudskos-ten met zich mee. Het ging in dat artikel hoofdza-kelijk om verdiepinggebouwen als woningen,scholen, kantoren, ziekenhuizen enz., waarbijde constructieve onderdelen zoals buitenwan-den, binnenwanden, vloeren en daken uit hollebetonconstructies bestonden, die zowel externmet buitenlucht als ook intern met binnenluchtkonden worden geventileerd. Hiermee kon naarbehoefte natuurlijke warmte- of koelenergieworden opgenomen of afgestaan. Het warenpogingen of innovaties in het kader van 'klimaat-bewust en energiebesparend bouwen', waarbijhet in dit geval speciaal het bouwen in warmeklimaatgebieden betrof. In deze klimaten liggende meeste van de zgn. ontwikkelingslanden,waai in de toekomst een grote behoefte aanbouwvolumen te verwachten zal zijn.Voor de in dit artikel besproken betonconstruc-ties, die speciaal zijn ontworpen voor natuurlijkeventilatie van gebouwen door inwendige koelingvan de constructie, is octrooi aangevraagd.Cement XXXII (1980) nr. 2In dit artikel zullen deze pogingen worden voort-gezet met voorstellen voor geventileerde con-structies in de laagbouwsector, zoals grote ruim-ten voor bedrijven, sportaccommodaties enz. Bijdeze grote hallen is het wat moeilijker om hetwarmte-accumulerende medium, zijnde de be-langrijkste factor van het bedoelde thermischeeffect, alleen in de buitenwanden en daken tevinden. H?t gaat meestal om grote dakover-spanningen, waarvoor het gewicht van de con-structie zo klein mogelijk moet zijn. Dikwijlsworden daarom skeletconstructies van slankestaven met dunne beplatingen toegepast. Der-halve is ook het warmte-accumulatievermogenslechts heel miniem. Voorts neemt ook degrootte van een gebouwoppervlak verhoudings-gewijs met het vergroten van de binnenruimte af.Om deze redenen zal het warmteaccumule-rende medium niet in de wanden en vloeren,maar op een andere plaats van het gebouwgezocht moeten worden. Er komt nog bij, dat dewarmtebelasting in bedrijfsgebouwen of fabrie-kenbijvoorbeeld door de warmteproduktie vanmachines, verlichting, personen enz., quagrootte zeer verschillend kan zijn. Voor debepaling van de hoeveelheid warmteaccumule-rend materiaal op deze plaats moet meervrijheidof variatiemogelijkheid aanwezig zijn.In de regel kunnen daarvoor kruipkelders inaanmerking komen. Dekruipkelders zouden indat geval van een geschikt warmteaccumule-rend materiaal moeten worden voorzien en datmateriaal moet op een geschikte manier voorafwisselend externe en interne ventilatie toe-pasbaar worden gemaakt.Het principe van het bedoelde thermisch effect isweer, door externe ventilatie met koude luchttijdens de nacht koelenergie te accumuleren endeze overdag door interne ventilatie aan deruimtelucht af te staan. Hoofddoel is ook hierweer: besparing van kunstmatig opgewektedure koelenergie en het bereiken van een be-haaglijk werkklimaat door gebruikmaking vangoedkope natuurlijke koelenergie. Zoals later zalblijken, kan in deze kruipkelders ook natuurlijkewarmte-energie van bijv. zonnecollectoren wor-den opgeslagen waardoor de toepasbaarheidvan het systeem, nu echtervoor warmte-ener-giebesparing, ook tot de gematigde ofkoude-re klimaatgebieden kan worden uitgebreid.De eerste vraag die zich voordoet, is die van dekeuze van een geschikt warmte-accumulerendmateriaal. Hierna komt de vraag over de opzetvan een geschikte constructie voor de mogelijk-heid van externe en interne ventilatie.83Warmte-accumulerend materiaalHet warmte-accumulatievermogen (0) van eenmateriaal wordt naast zijn volume (V) door demassadichtheid en de specifieke waarde (c)bepaald: 0 = V . . c. We hebben dus een stofnodig met een hoge massadichtheid en eenhoge specifieke warmte, d.W.Z.een grote opna-mecapaciteit van warmte per graad tempera-tuurverschil. Het materiaal moet bovendiengoedkoop en gemakkelijk te verkrijgen zijn.Van de vaste stoffen komt hoofdzakelijk mine-raal gesteente in aanmerking en van de vloei-stoffen water. Water heeft de hoogste specifiekewarmte (c = 1,00 kcal/kg ?C). Zwaar steen-materiaal is weliswaar tot drie maal zo zwaar alswater, maar heeft slechts een c-waarde vanongeveer 0,20 kcal/kg ?C, dus een vijfde van datvan water. Metaal, bijvoorbeeld ijzer, is wel achtkeer zo zwaar als water, maar bezit slechts eenkleine specifieke warmte vanc = 0,10 kcal/kg?C. Door de hoge kosten komen metalen echterniet in aanmerking. Hetzelfde geldt voor alleorganische stoffen. Naast het warmte-accumulatievermogen van het materiaal kan dewarmtegeleidingsco?ffici?nt van het mate-riaal, dus de snelheid van warmteopname of-afgifte van belang zijn. Voor de niet-stationairewarmtegeleiding geldt de zgn. temperatuurver-effeningsco?ffici?nt a = . C,Van de natuurgesteenten in gebroken vorm, alsbreuksteen, komen in de eerste plaats de zwareeruptieve gesteenten in aanmerking, zoals:Gabbro 2900 kg/m3 ,c = 0,20 kcal/kg ?C= 2,6 kcal/rn" h ?CDioriet 2800 kg/m3 ,c = 0,20 kcal/kg ?C= 2,5 kcal/m2 h ?CGraniet 2700 kg/m3 ,c = 0,20 kcal/kg ?C= 2,4 kcal/m? h ?CVanwege hun geringere warmtegeleidingsco?f-fici?nt met toch een groot gewicht, zijn ook degesteenten met een hoog aluminium- en mag-nesiumsilicaatgehalte, zoals chlorietsteen entalksteen geschikt:Chloriet 2900 kg/m3 ,c = 0,20 kcal/kg ?C= 2,2 kcal/m- h ?CTalk 2700 kg/m3 ,c= 0,20 kcal/kg ?C= 2,0 kcal/rn- h ?C1 TYPEType 1, met gebroken natuursteen alswarmte-accumulatorKLEPPEN VOORGEBROKENNATUURSTEENVERTIKALE DRSDETAILS DRS WANDHORIZONTALE DRS ---,--,-,---.---------_. ,IIII.:IIII,rII. .I.IrIrIIII: .:IIIIIIIOE OPLEGGING----------OE VLOER EN OM OELUCHT TE LEIDENI I1 I.'."II -VLOERIIII III11 IJ IIr,I.IIIIrII.+ ..IIIEXTERNE VENTILATIE ---GEBROKEN'Nf?TUUR STEENOE OFIn deze samenhang komen ook kunstmatiggevormde en daardoor goed stapelbare stenenmet een wat geringere warmtegeleiding tenopzichte van eruptieve natuursteen, maar ookmeteen wat kleiner gewicht in aanmerking,zoals bestonstenen en uit klei gebakkenklin-kers:Grindbeton 2300 kg/m 3,c = 0,20 kcal/kg oe= 1,7 kcal/m" h oeKlinkers 1800 kq/rn",c = 0,10 kcal/kg oe=1,0 kcal/rus h oeDe grotere warmtegeleidingsco?ffici?nt van dezwaardere gesteenten hoeft echter niet nadeligte zijn; zij kan in dit geval door een groteredimensionering van de breuksteen en/of eenkleinere doorstromingssnelheid gecompen-seerd worden. Aangezien een kleinere snelheidvan de vereiste luchtstroming een voordeel is,hebben de zwaardere en sterk warmtegelei-dende gesteenten in de eerste groep in ditverband toch de voorkeur; vooral ook, omdateen geringere aandrijvingskracht voor de door-stroming nodig is en omdat het materiaal snelleren intensiever gekoeld kan worden door deexterne ventilatie 's nachts. Een groter gewichtvan de stenen bespaart bovendien ruimte voorde grootte van de warmte-accumulerende laag,waardoor volstaan kan worden met een kleinerehoogte van de kruipkelder dan bij lichtere steen-soorten.Als vloeibaar warmte-accumulerend mediumkan voorts water worden gebruikt; hiervoor gei-den de volgende gegevens:Water 1000 kg/m3 ,c = 1,00 kcal/kg oe0,50 kcal/m- h oeDe warmtegeleidingsco?ffici?nt van = 0,50geldt echter voor geheel stilstaand water. Aan-gezien door temperatuurverschillen in het waterstroming, dus convectie optreedt, ligt de werke-lijke waarde van de warmteoverdracht (afhanke-lijk van de sterkte van de convectie) belangrijkhoger. De afvoer en toevoer van warmte kan bijwater natuurlijk niet door ventilatie van holleruimte plaatsvinden, maar gebeurt door middelvan metalen warmtewisselaars, die dan echterweer met lucht doorstroomd worden.Constructieve oplossingenEen van de belangrijkste problemen die opge-lost moeten worden, is de manier waarop deluchtcirculatie plaatsvindt en de uitvoering vande toe- en afvoeropeningen voor de afgifte vande opgeslagen koelenergie aan de lucht in deoverdag te koelen ruimte.Een van de eenvoudigste constructieve oplos-singen wordt in figuur 1 onder type 1 getoond.Gebroken natuursteen ligt in afgeschotte ruim-ten van de kruipkelder opgeslagen en doet dusdienst als warmte-accumulator. De scheidings-wanden in de kruipkelder hebben tot taak deventilatielucht te leiden en worden meteen ookals oplegging voor de betonnen vloerplatengebruikt. Zie ter illustratie de gebouwdoorsnedeboven en de plattegrond inhet midden van figuur1. De doorstroming van de holle ruimten tussende breuksteen wordt verzorgd door een ventila-tor die centraal tussen een groep afgeschottevelden, hier drie velden, staat opgesteld.Voor en achter de ventilator is een ruimtevrijgehouden waar luchtdruk kan worden opqs-bouwd en de luchtstroom over de drie zoge-naamde velden kan worden verdeeld. De toe-voer en afvoer van lucht geschiedt in het onder-ste gedeelte van de buitenwand tussen dekolommen van de draagconstructie waar eenhorizontaal dwarskanaal aanwezig is met sleu-ven aan de zijkanten, die met eenvoudige klep-pen afgesloten kunnen worden. De buitenluchtwordt 's nachts aan de ene kant van het gebouwvia de sleuf aan de buitenzijde aangezogen,door het af te koelen gesteente gevoerd en aande tegenoverliggende zijde uitgeblazen. De aande binnenzijde liggende kleppen blijven in dezeperiode gesloten. De ventilatierichting is nietvastgelegd en kan aan de windrichting aange-past worden. In gebieden waar het 's nachtshard genoeg waait kan de kruipruimte zonderventilator worden geventileerd. Het is dan welnoodzakelijk dat een van de langszijden van hetgebouw loodrecht staat op de hoofdwindrichting,om tussen loef- en lijzijde een zo groot mogelijkluchtdrukverschil als aandrijvende kracht te be-reiken.Cement XXXII (1980) nr. 2 84De interne ventilatie overdag moet in elk gevalmet ventilatoren geschieden. De externe klep-pen worden in dat geval gesloten en de internegeopend. Er kan echterwel verwacht worden datde interne ventilatiekleppen tijdens de ochtend-uren nog gesloten kunnen blijven, omdat dewarmtebelasting van buiten gedurende dat deelvan de dag nog relatief klein is. Ook wordt eendeel van de in de kruipkelder opgeslagen koeIe-nergie reeds door straling en convectie van hetals gevolg daarvan afgekoelde kelderdek aan devertreklucht overgedragen. Het grootste ge-deelte van de koelenergie kan zo gereserveerdblijven voor de middaguren, wanneer de groot-ste warmtebelasting optreedt.Om een kleine indruk van de accumulatiecapaci-teit te geven, zal een korte benaderingsbereke-ning worden ingevoegd. Daarbij wordt uitgegaanvan een bedrijfshal met een oppervlakte van150 m2 en een kruipkelder met een hoogte van0,80 m, gevuld met granietgesteente met eenpakkingsdichtheid van 75%, waarbij dus 25%holle ruimte voor ventilatie overblijft.Per graad temperatuurverschil is de beschik-bare warmte-accumulatiecapaciteit dan:= Vs' 0,75)'e= (150 . 0,80) . (2700 . 0,75) . 0.2048600 kcal/oCDe warmtecapaciteit van keldervloer en kelder-dek zijn hierbij nog niet meegerekend. Bij eenCement XXXII (1980) nr. 2dagelijks optredend temperatuurverschil van desteenoppervlakken van 5 "C tussen het mini-mum na de nachtelijke afkoeling en het toelaat-bare maximum in de late middag, kan met eengemiddeld temperatuurverschil in het steenma-teriaal van ca. 3 "C worden gerekend, dus eenrendement van de accumulatiecapaciteit van60%. Dedagelijks beschikbare koelenergie voorde ruimtelucht is dan:Os = 3 = 48600? 3 = 145800 kcal.De hier tegenoverstaande dagelijkse warmtebe-lasting in de hal kan met de volgende gegevensworden aangenomen:De hal bezit afmetingen van 10 x 15 m2 ? is 4 mhoog, waarvan 3 m dichte wand en daarboven1 m raam. Er wordt per dag 10 uur (h) gewerkt.Het gemiddeld temperatuurverschil tussen bin-nen en buiten overdag is = 10 ?C,dewarmtedoorgangsco?ffici?nt (k) voor het dakbedraagt k = 1,0. voor de wanden k = 0,5 envoor de ramen k = 5,0 kcal/m 2 "C, De warmte-toevoer naar binnen door de omhullinqscon-structie is dan:geleiding dakEg(D) = F' k? At? h =150 '1,0 ?10 ?10 = 15000geleiding wandEg(W) = F .k . .h =150,0,5,10?10= 7500 kcalgeleiding raamEg(R) = F' k? h =50?5,0 ?10?10 = 25000 kcalEg = 47500 kcalDe binnenkomende warmte door luchtverver-sing bedraagt bij een ventilatievoud (n) van 1,5maal per uur:luchtverversingEI = V'OI'n' =(150 . 4) . 0,3 . 1,5 . 10 . 10 = 27000 kcalHierbij is Ol de warmte-accumulatiecapaciteitvan lucht per volume-eenheid:Ol = V? c = 1 . 1,2' 0,25 = 0,3 kcal/m" ?cVoor de zoninstraling wordt alleen de gemid-delde diffuse straling in rekening gebracht. aan-gezien wordt verondersteld dat de ramen vanzonweringslamellen zijn voorzien. Voor het ver-laagde plafond worden transparante kunststofpanelen gebruikt, die diffuus licht doorlaten. Ditlicht komt via, van de zon afgewende, raamvlak-ken van een sheddakconstructie de hal binnen,zodat een goede dagverlichting wordt verkre-gen.Een binnenkomende diffuse straling van gemid-deld = 30 kcal/h door het dak en de ramengeeft een totale dagelijkse belasting van:straling raamES(R) = F . . h = 50? 30 . 10= 15000 kcalstraling dakES(D) = F . . h = 150 . 30 . 10 = 45000 kcalEs = 60000 kcalAlle belastingen opgeteld, komt men dan op eentotale dagelijkse warmtebelasting van:E (totaal) = 47 500 + 27 000 + 60 000134500 kcal.Het verschil tussen de beschikbare koelenergie85(0) en de warmtebelasting (E) te weten 145 800134 500 = 11 300 kcal, kan worden gereser-veerd voor optredende interne warmtebronnen,als warmteafgifte van machines, mensen enz.Deze reserve is dus niet al te groot. In hetrekenvoorbeeld zijn echter de aceumulatieca-paciteiten van de kruipkeldervloer en van alleomringende wand- en dakconstructies nietmeegerekend. Voor het geval dat, tengevolgevan slecht weer, de dagverlichting helemaalwegvalt,is er een reserve van niet minder dan60 000 kcal/dag. Bij een werkperiode van 10 uuris dus 6000 kcal/h = 6978 Wh voor een kunst-matige verlichting als interne warmtebron in deberekening opgenomen. Als de interne warmte-bronnen door machines meer bedragen dan dereserve van 11 300 kcal/dag, zal de consequen-tie hieruit zijn, dat de kruipkelder groter moetworden gedimensioneerd .Van belang zou nog de nodige snelheid van deluchtstroming in het warmteaccumulerend mate-riaal van de kruipkelder kunnen zijn. Onder deaanname van een gemiddeld temperatuurver-schil 's nachts tussen buitenluchttemperatuur enoppervlaktetemperatuur van het steenmateriaalvan 5 "C moet het volgende luchtvolumenge?ist) door de kruipkelder worden gevoerd:VLge?ist = Os: (Ol' =145800: (0,3' 5)= 97200 m3Bij een aangenomen ventilatietijd van 10 uur's nachts resulteert dat in een luchthoeveelheidper tijdseenheid van 9720 m3/h of 2,7 m3/sec. Bijeen lengte van het gebouw van 15 m en eenvolume aan holle ruimte in de kruipkelder van0,80' 0,25 = 0,20 m hoogte, resulteertdatin eenvereiste snelheid van de luchtstroming vanVIvereist = VLvereist :(h . sec L . h)=97200: (10' 3600? 15? 0,20) == 0.90 rn/sec.Deze snelheid is waarschijnlijk slechts doorgebruikmaking van ventilatoren te bereiken. Bijnatuurlijke ventilatie door windinvloed zal menzeker met een kleinere doorstromingssnelheiden daarmee met een kleiner rendement moetenrekenen. Maar als de ruimtelucht in plaats vanhet ge?iste maximum van 3 "C tot 4 ? 5 "C intemperatuur overdag gaat stijgen, levert ook datnog een bevredigend resultaat op.Constructieve variantenBij type 2 (fig. 2) wordt een ander luchtcirculatie"systeem toegepast. Er is nu een centraal langs-kanaal in de kruipkelder gekozen teneinde eenbetere drukopbouw bij externe of interne ventila-tie te verkrijgen. De ventilator als aandrijvendekracht is nu op de kop van de hal gesitueerd. Bijexterne ventilatie 's nachts wordt de buitenluchtaan beide langszijden van de hal aangezogenen via het centrale langskanaal in de afvoer-schacht naar buiten afgevoerd. Dit systeemheeft als voordeel, dat de ventilatie bij eenluchttoevoer van twee kanten intensiever kanzijn, omdat door de kortere weg de wrijvings-weerstanden geringer zijn. De warmteproduktievan de ventilatiemotor wordt hierbij direct naarbuiten afgevoerd.Bij interne ventilatie overdag kan deze ventilator90? worden gedraaid, zodat deze voor eenverticale schacht komt te hangen. Deze schachtis aangesloten op een centraal afzuigkanaal datI ,, ,. ,H?RIZONTALECENTRALELUCHTSCHACHTBCENTRALE LUCHTSCHACHTTYPE? 2t LU?HTSCHACHT\.INTERNEIr - LUCHTCIRCULATIE:SCHUIFKLEPPEN_fVOOREXTERNE - -INTERNE-BETONSTEEN OF. ___I