Prof.Dr.-lng.F.C.A.Haferlandhoogleraar civiele bouwkunde,TH-Delft, afdeling Civiele TechniekGeventileerdebouwconstructiesNatuurlijke regulering van het thermisch binnenklimaatin warme klimaatgebieden *1Klimaatfactoren en functionele lagenEen van de mogelijkheden zou kunnen zijndeze koelenergie in de constructie van ge-bouwen op te slaan. De constructie zou in datgeval een groot warmteaccumulerend verrno"gen moeten hebben, teneinde 's nachts vol-doende afgekoeld te kunnen .worden. Hier-voor zouden in het bijzonder holle of van ko-kers voorziene betonconstructies geschiktzijn, die 's nachts inwendig intensief gekoeldkunnen worden.InleidingIn warme of hete klimaatgebieqen kunnenoverdag onbehaaglijk hoge buitentemperatu-ren worden bereikt; derhalve kan om fysiolo-gische redenen slechts relatief lage werk"prestaties van de bewoners van die strekenworden verwacht. 's Nachts daarentegen kanhet, vooral in de meer continentale klimaat-streken, door uitstraling van het aardopper-vlak bij een onbewolkte hemel betrekkelijkkoud worden. Zou het niet mogelijk zijn dezenatuurlijke koelenergie tijdens de nacht op teslaan om vervolgens deze energie overdagweer geleidelijk aan de ruimten in het gebouwaf te staan? Op deze manier zou binnen be-paalde grenzen een min of meer natuurlijkeregulering van het thermische binnenklimaatmogelijk gemaakt worden, zonder gebruik-making van kostbare kunstmatig opgewekte(koel-)energie.Uitgangspunten voor de ontwikkeling van dehier voorgestelde constructie waren jaren ge-leden puur theoretische beschouwingen overhet warmte-technisch effect en het praktischenut van warmteaccumulerende materiaal-lagen als een van de mogelijke functielagenbij de opbouw van buitenwanden en daken.Buitenwanden en daken zijn immers de be-slissende scheidingsconstructies tussen hetbuiten- en binnenklimaat. Omdat het con"structieve eindresultaat van deze ontwikke-lingen ook het best door deze meer theoreti-sche benadering begrijpelijk kan worden ge-maakt, is een kleine uiteenzetting hier geoor"loofd.Functionele aspectenWanneer men de functies van een buiten-wand of dak alsscheidingselement tussen hetbuiten- en binnenklimaat met betrekking totde invloedsfactoren van beide klimaten gaatanalyseren, dan komt men in wezen tot vierafzonderlijke functies aan elke zijde van hetscheidingselement (fig. 1). Indien men voortsbij de opbouw van het scheidingselement voorieder van de acht klimaatfactoren een speci-fiek geschikt materiaal zou willen toepassen,dan komt men tot een element met eveneensacht functielagen. In de praktijk zijn er echtermeerdere functies door een materiaallaag opte nemen, zodat het aantal materiaallagenvan een scheidingselement belangrijk minderkan zijn.Voor de warmtetechnische functies zijn, be-halve de stralingsreflecterende laag, vooralde warmte-isolerende laag nr. 4 en de warm-teaccumulerende laag nr. 5 verantwoordelijk.Bij de oude baksteenwanden was hetwarmte-accumulatievermogen betrekkelijk goed,maar het warmte-isolatievermogen slecht. Bijvele nieuwe gevelpuien van hout of metaal isdaarentegen het warmte-isolatievermogengoed, maar het warmteaccumulatievermogenminiem of bijna afwezig. En toch heeft dezeaccumulatielaag in bepaalde situaties zijn bij-zondere warmtetechnische betekenis. Dezelaag heeft namelijk de specifieke functie dedagelijkse, aan de buiten- of binnenzijde op-tredende schommelingen van de luchttempe-ratuur tot een gewenste waarde terug te bren-gen. De afvlakking of demping van de dage-lijkse maximum en minimum temperatuurvindt plaats door warmteopslag bij stijging endoor warmteafgifte bij daling van de lucht"temperatuur. Men kan spreken van een soortBINNEN,.,.,G'0WATERDAMP7.0AMPREMMENOE LAAGTEMPERATUURS.WARMTEACCUMULERENOEt- LANiLUCHTDRUK6.LUCHTOICHTE LAAGBUITENWANDBUlTENVoor de in dit artikel besproken betoncon"structies, die speciaal zijn ontworpen voornatuurlijke ventilatie van gebouwen door in-wendige koeling van de constructie, is octrooiaangevraagd.Als men het bouwgebeuren van bepaaldeontwikkelingslanden in de warme of hete kli-maatgebieden nagaat, krijgt men te zien datin de nieuwe steden vele gebouwen van eenkostbare airconditioningsinstallatie wordenvoorzien of dat elke kamer met een afzonder-lijk koelapparaat wordt uitgerust. Afgezienvan het feit, dat deze min of meer gecompli-ceerde installaties wegens gebrek aan vak-bekwaam onderhoud vaak defect zijn enwegens gebrek aan voldoende reserve- envervangingsonderdelen soms al snel on-bruikbaar zijn geworden, rijst de vraag, of ditwel een goede planning is. Ook kan men zichafvragen of er op deze manier niet al weereen nieuwe bron van energieverspillingwordt gecre?erd, daar de opwekking vankoelenergie het acht tot tienvoudige kost vandezelfde hoeveelheid opgewekte warmte-energie. Juist in de (arme) ontwikkelingslan-den zal koeling van woon- en werkruimteneen onbetaalbare zaak worden. Zouden dewesterse industrielanden die het bouwge-beurenaldaar vaak mede bepalen en deinstallaties daarvoor leveren niet wat verant-woordelijker naar andere mogelijkheden vanklimaatbeheersing in deze landen moetenkijken?Het volgende artikel doet in het kader van hetstreven naar innovaties een voorstel tot debeheersing van het thermisch binnenklimaatop een min of meer natuurlijke wijze doortoepassing van geventileerde bouwcon-structies.Cement XXXI (1979) nr. 11 483TEMPERATUUR UI2Schema van de amplitude demping bij eenbuitenwand.TEMPERATUUR [tI11/,,/ WANOOOORSNEOE" WARMTE - ISOLATiE,/ ,//. . BETON/ . . ", /I' // /1'/ ,,"BUlTEN TEMPERATUUR ltelAMPLITUDE",BINNENIEMPERATUUR (ti I DEMPING (913Invloed van de interne warmte- enkoelbronnen (vergelijking)BUITEN TEMPERATUUR (t~IWAND DOORSNEDEbufferfunctie. Het is bijvoorbeeld bekend, datde geciviliseerde volkeren uit de oudheid rondde Middellandse Zee (inclusief Noord-Afrika)de voorkeur gaven aan zware warmteaccu-mulerende bouwconstructies van steenachtigmateriaal, omdat de dagelijkse temperatuur-schommelingen van het buitenklimaat daarbijzonder groot kunnen zijn.WarmtetechnisCh gedragHet warmtetechnisch gedrag van buiten-wandconstructiesbij temperatuurschomme-lingen, dus bij instationaire warmtegeleiding,kan door de zogenaamde 'amplitudedempingworden beschreven. Een dagelijksetempera?tuurschommeling met een periode van 24 uur,die van buiten naar binnen door de wanddringt, zal in de wand overeenkomstig de tem-peratuurvereffeningsco?ffici?nt (a = /..Ip?c) inde materiaallagen worden gedempt. Ooktreedt in de tijd een zekere naijling van de tem-peratuurgolven naar binnen toe op, waardoorhet maximum van de temperatuurgolf in fasewordt verschoven. Figuur 2 geeft met hetgestippelde oppervlak slechts het dagelijkseschommelingsgebied aan van de op bepaaldetijdstippen van elkaar verschillende tempera-tuurgolven. De zogenaamde 'amplitudedem-ping' kan nu worden uitgedrukt in de verhou-ding van de binnen- tot de buitentemperatuur-amplitudeof -schommeling (M/Ma= 1/8,ookTemperatuur Amplituden Verhouding of TAVgenoemd). Alle andere thermische invloeden,die aan de binnenzijde nog werkzaam kunnenzijn, worden hierbij buiten beschouwing gela-ten.Theoretisch onderzoek op dit gebied heeftaangetoond dat voor een goede amplitude"demping in de constructie zowel een goedewarmteaccumulatie als ook een goede warm-te-isolatie aanwezig moeten zijn. Een zuiverewarmte-isolatielaag van styropor met een dik-te van niet minder dan 20 cm bereikt bijv.slechts een TAV-waarde van 1/8 = 0,52 =52% (amplitude aan de binnenzijde ten op-zichte van die aan de buitenzijde). Maar ookeen bijna zuivere accumulatielaag van grind-beton met eenzelfde dikte van 20 cm bereiktslechts een TAV"waarde van 1/8 = 0,39 =39%. Pas een combinatie van warmteaccu-mulatie en warmte-isolatie levert een goedeamplitudedemping op. Zo bereikt de 20 cmdikke betonwand reeds met een warmte-iso"lerende laag van minerale wol van 2 cm aande buitenzijde een TAV-waarde van 1/8 =Cement XXXI (1979) nr. 110,05 = 5%. Ligt deze isolatielaag echter juistaan de binnenzijde van de 20 cm dikke beton-wand en daarmee juist afgekeerd van de, aande buitenzijde aangrijpende, temperatuurgolf,dan wordt bij deze gespiegelde opbouw vanhet scheidingselement met dezelfde massaslechts een TAV-waarde van 1/8 = 0,26 =26% bereikt. Zoals hiermee wordt aange-toond is naast een uitgekiende verhoudingvan de gecombineerde warmtetechnischeeigenschappen, accumulatie en isolatie, bijmeerlaagse constructies ook de volgorde vande functielagen van wezenlijke invloed op dewarmtetechnische grootheid 'amplitudedem-ping'.De amplitudedemping alleen geeft echter noggeen complete informatie over het dagelijkseverloop van de binnenluchttemperatuur, om-dat er tegelijkertijd ook thermische invloedenaan de binnenzijde werkzaam kunnen zijn.Hiertoe behoren vooral warmtebronnen zoalszoninstraling door ramen, warmteproduce-rende apparaten enz. Tevens kunnen internekoelbronnen optreden zoals ventilatie bijlagere buitenluchttemperaturen enz. Deze in"vloeden kunnen van een grotere invloed ophet thermische binnenklimaat zijn dan hetdempingseffect van buitenwanden en daken.Het thermische dempingsgebied in de omhul-Iingscoristructie wordt dan aan de binnenkantmin of meer sterk verschoven (fig. 3). Maartoch blijft het effect van de amplitudedempingwerkzaam. De warmteaccumulatie wordtdaarbij pas echt geactiveerd.Invloed door inwendige ventilatieIn de warmere landen rond de MiddellandseZee was het een oude gewoonte de kamers;s na?hts met koude buitenlucht te ventilerenom de overdag opgewarmde constructie tedoen afkoelen en hiermee een hoeveelheidkoelenergie voor de periode overdag te kun-nen reserveren of accumuleren. Tijdens dedagperiode bleven de ramen dicht en tegenzoninstraling werden ook de luiken gesloten.Het trompetvormige schommelingsgebiedvan de amplitudendemping in een dergelijkebuitenwandconstructie (fig. 2 en 3), wordtdaarbij 's nachts binnen sterk naar benedengetrokken. Vindt deze nachtventilatie nietplaats, dan komt het gemiddelde van de dage-lijkse binnenluchttemperatuur ongeveer teliggen op het gemiddelde van de dagelijksebuitenluchttemperatuur en die kan in warmestreken boven debehaaglijkheidsgrensliggen.484In dit artikel wordt nu het voorstel gedaan, deconstructie inwendig te ventileren d.m.V. ka-nalen. Op deze wijze kan de constructie's nachts aanzienlijk beter worden gekoeldom meer koelenergie voor de dagperiode teaccumuleren. Tochtverschijnselen in dekamers, zoals vroeger, treden daarbij nietmeer op. Na de externe ventilatie met buiten"lucht tijdens de nacht zou de geaccumuleerdekoelenergie overdag naar behoefte door in-terne ventilatie weer aan de ruimtelucht kun-nen worden afgegeven. Hoe dit constructiefmoet worden uitgewerkt, zal bij de paragraaf'constructieve oplossingen' worden getoond.De onderste stippellijnen van figuur 4 latenhet te verwachten temperatuurverloop in dewandconstructie, tijdens de vroege morgen-stond zien. De geventileerde kanalen zulleneen trechtervormige verlaging van het warm"teaccumulatieniveau veroorzaken, waarbij deoppervlaktetemperatuur van de inwendigekanaalwanden dicht bij de temperatuur van debuitenlucht zal komen te liggen. De tempera-tuur in de kern van de betonribben zal echterbij het koelingsproces nog wat naijlen en ietshoger liggen. Op deze manier wordt van denatuurlijke bron voor koelenergie, de nacht-lucht, zo goed mogelijk gebruik gemaakt. Denu ter beschikking komende koelenergie voorde reducering van de warmteoverlast, is hier-mee veel groter dan tevoren. Een aan de bui-tenzijde geplaatste isolatielaag dient daarbijte voorkomen, dat de afgekoelde warmte-accumulatielaag overdag bij oplopende bui-tentemperaturen te veel warmte krijgt toege-voerd. Door warmtetoevoer overdag, vooraldoor interne warmtebronnen, zal het warmte-accumulatieniveau opschuiven tot aan de bo-venste rand van het in figuur 4 gestippeldegebied. Het totale schommelingsgebied vande temperatuur is echter t.o.v. figuur 2 en 3 vrijver naar beneden gehaald.Ventilatie van de totale constructieDe dempende werking van interne massa's,zoals binnenwanden en vloerconstructiesenz., op temperatuurschommelingen van debinnenlucht is hierbij nog buiten beschouwinggebleven. Door luchtverplaatsing in de bin"nenruimte (convectie) en naar binnen gerich-te warmtestraling van deze ruimteomhullendeoppervlakten zijn ook deze onderdelen onder"worpen aan de dagelijkse schommelingenvan de binnenluchttemperatuur. Daarbij oefe-ti:WANDDOORSNEDE =fi"" 'GEVENTILEERDE KANALEN : /- /-:,-- -- :/;~RWANOOQQRSNEDE/ 'GEVENTILEERDE KANALEN-- ' ,~/ ":---, '4Effectvandeafkoeling 's nachtsdoorexterneventilatie (vergeIiMng)5Effectvan deafkoeling 's nachtsdoorexterneventilatie van de gehele constructie(vergelijking)TEMPERATUUR 11]BUITEN TEMPERATUUR It.lIBI1'I'4ENWANOrBUITENWAND..j lo------oISCHEMAn"H --t iWARMTE ACCUMULATie-VANBINNENWANDEN ZONDER _ ._"'EXTERNE VEN"LATIEBINNEN TEMPERATUURl'i 1rVERL?DP BU (,EVENTILEERDF.B!I'lNENWANDEN EN PLAFONDSI -OUDe VERLOCPUlT FIGUUR'" //~=bTENPERATUURSCHOMMEUNGtKLEINERnen deze massa's door warmteafgifte en -op-name eveneens een dempingseffect uit op detemperatuurschommelingen in de binnen-lucht en op hun beurt ook weer op de buiten-wanden en het dak, zodat de amplitudedem-ping van bijvoorbeeld de buitenwand daar-mee positief kan worden be?nvloed. Hierdoorkunnen de schommelingen van de binnen-luchttemperatuur kleiner worden.Het vaak bijzonder grote warmteaccumulatie-vermogen van binnenwanden en vloercon-structies wordt echter niet in vergelijkbaremate ge?ffectueerd. In het rechtergedeeltevan figuur 5 wordt dit effect getoond. Indienmen nu ook hier overgaat tot geventileerde,van kanalen voorziene constructies, kan ditaanwezige accumulatievermogen aanzienlijkbeter worden benut. Ook deze gebouwonder-delenkunnen dus in het proces van afkoelingen opwarming worden opgenomen. Figuur 5toont d.m.v. het gestippelde schommelings-gebied schematisch de invloed van deze fac-tor op de verandering van de dagelijkse tem"peratuurschommeling in de buitenwand.Constructieve oplossingenHet principe van eeri volledig geventileerdeconstructie, waarbij zowel de buitenwandenals ook de binnenwanden en vloeren geventi-leerd zijn, is getekend in figuur 6. Hierbij isuitgegaan van geprefabriceerde betonele-menten met inwendige ventilatiekanalen; zul-ke betonelementen kunnen m.b.v. het streng-perssysteem worden vervaardigd. Direct na-dat de betonmortel afgebonden is, worden deelementen met diamantzagen in de juistevorm en op lengte gezaagd. Deze elementenkunnen ook in stalen bekistingen worden ver-vaardigd, waarin de kanalen worden uitge-spaard d.m.v. holle kokerprofielen. De dimen-sionering van de vloerplaten is afhankelijk vande statische belasting en in het bijzonder vande overspanning. Bij de dimensionering vande buiten" en binnenwanden spelen dezeaspecten slechts een ondergeschikte rol. Derandaansluiting van de plaatelementen ge-schiedt door het plaatselijk met betonmortelvolstorten van de, aan de randen gevormde,halve kanalen. Hier komt dus een ventilatie-kanaal te vervallen. Met een dergelijk 'nage-stort' gewapend-betonskelet in de wanden envloeren kan in bepaalde gevallen reeds eenvoldoende dwarsstijfheid van het gebouwworden bereikt. Dit geldt speciaal in die ge-vallen waar voor de stabiliteit geen gebruikCement XXXI (1979) nr. 11kan worden gemaakt van de dwarsgeplaatstescheidingswanden. De in figuur 6 nietgetoon-de dakvloer, bestaande uit dezelfde typenplaatelementen, kan worden voorzien vaneen dakbedekking welke bij voorkeur aan deonderzijde wordt geventileerd. Deze con-structie is zowel mogelijk voor platte als voorhellende daken. De dakbedekking heeft ineerste instantie de functie van een geventi-leerde reflectielaag en heeft in dit gevaltevens de functie van kering en afvoer van hetregenwater, overeenkomstig de functioneleopbouw van de buitenwand. Deze buitenhuidvan het gebouw kan bijvoorbeeld bestaan uitasbestcement-, metaal-, kunststof- of multi-plexplaten. Ook kunnen skeletten wordentoegepast, die zijn opgebouwd uit metaal- ofhoutprofielen en die zijn afgewerkt met rechteof elkaar schubvormig overlappende platenvan verSChillende materialen.De ventilatie van de binnenruimte overdagvindt plaats via een sleuf die zich aan deonderZijde van de wandelementen bevindt.Deze sleuf wordt aangebracht door het ge-deeltelijk verwijderen of weglaten van debetonlaag aan de binnen-onderzijde van hetwandelement. Bij de vloerelementen moet opdezelfde wijze in het midden aan de onder- ofplafondzijde van de vloer een sleuf wordenaangebracht. Alle sleuven worden voorzienvan verstelbare kleppen om de ventilatie tekunnen regelen. Bij natuurlijke,zuiver ther-mische luchtcirculatie voor koeling van debinnenruimte zal de koude en zwaardere luchtuit de openingen aan de onderzijde van dekanalen stromen, terwijl de warme, lichterelucht aan de bovenzijde van de ruimte terplaatse van het plafond kan worden afgezo-gen. Bij toepassing van ventilatoren in deventilatiesleuven van de vloeren kan ook eenomgekeerde luchtcirculatie tot stand wordengebracht, waardoor de effectiviteit van dekoeling door een versterkte luchtbewegingwordt vergroot. Waarschijnlijk is dat echterniet nodig, omdat het grootste gedeelte vande geaccumuleerde warmte-energie doorstraling en convectie aan de ruimtelucht in deloop van de dag zal worden overgedragen. Dekoeling van de constructie met buitenlucht,tijdens de nacht, vindt alleen plaats door dehorizontale ventilatiesleuven in de buiten-wandenter hoogte van de verdiepingvloeren.Deze liggen tegenover de ventilatiesleuvenvoor de interne ventilatie en zijn overdag ge-sloten.485De luchtstroom voor de koeling van de con"structie gaat door de horizontale ventilatie"sleuf in de buitenwandbekleding en stroomtdan via de kanalen van buitenwand, vloer enbinnenwand weer naar beneden in een langs-kanaal, dat binnen het gebouw naar een cen-traal geplaatste schoorsteen voert. De lucht-beweging kan op natuurlijke wijze door deschoorsteenwerking worden opgewekt of,wanneer grotere luchthoeveelheden in bewe-ging moeten worden gebracht, worden onder-steund door een ventilator in de schoorsteen(fig. 7).Bij hogere gebouwen met meer verdiepingenzal voor het opwekken en in stand houden vande luchtbeweging de schoorsteenwerking al-leen voldoende zijn. De beheersing van deluchthoeveelheden voor de afzonderlijkeruimten kan bij de van verstelbare kleppenvoorziene openingen aan het centrale langs"kanaal van het gebouw plaatsvinden. Bij ra"men in de buitenwand, die worden uitgevoerdals verdiepinghoge elementen met dezelfdebreedte als de wandelementen vindt de toe-voer van de ventilatielucht plaats boven hetraam, direct bij het begin van het vloerele-ment. Gedacht is hier aan dubbele ramen metdubbele beglazing, waarbij in de ruimte tus-sen de beglazingen zonweringslamellen zijnaangebracht. De raamconstructie zal hierechter niet verder worden besproken. Dewandelementen die zijn voorzien van binnen-deuren hebben bij de bovendorpel van hetdeurkozijn een horizontaal dwarskanaal en bijde kozijnstijlen twee grotere verticale zijkana-len. Door deze kanalen kan het met het deur-element in verbinding staande vloerelementeveneens aan het ventilatiesysteem deel-nemen. Ook dit deurelement wordt hier nietnader besproken, omdat het in eerste instan-tie om principeoplossingen gaat, die betrek-king hebben op de geventileerde constructie.VentilatievariantenVoor die gebouwen, waarbij de binnenwan-den om bepaalde redenen niet in het venti-latiesysteem zijn opgenomen, ligt het naar deschoorsteen voerende centrale langskanaalop de vloerhoogte van dezelfde verdieping enniet een verdieping lager. In figuur 8 is daar-van in variant 1 een constructie met dragende,echter niet-geventileerde middenwanden ge-tekend.Voor het geval dat in het geheel geen midden-lNTERtE UJCHTC1RCULATEKLEPPEN ~ INT VENT LVENTILATIE SYSTEEM TYPE 1EXTERNE CIRCULATIEI