Ontwerpparameters - Technieken

Warmen of koelen met de thermische massa: betonkernactivering

Arch. Joke Weltens • 30 augustus 2017

Ecologie zit in de lift. Maar geldt deze intentie nog wanneer er bouwplannen zijn? Er wordt beweerd dat ecologisch bouwen duurder is dan traditionele bouwwijzen. Betonproducent Holcim promoot sinds enkele jaren de technologie van betonkernactivering, een systeem dat duurzaamheid en economie met elkaar verbindt.

Betonkernactivering is een technologie waarbij het verwarmen en koelen van een ruimte gebeurt door gebruik te maken van de thermische massa van een betonconstructie. In de kern van een betonnen component - dit kan een vloer, wand of plafond zijn – worden leidingen geplaatst waardoor een vloeistof stroomt.

 

Vandaag wordt deze techniek in België nog relatief weinig toegepast. Nochtans wordt betonkernactivering (BKA) met succes gebruikt in Nederland, Zwitserland en Duitsland.

 

Techniek

 

Beton beschikt over het vermogen om warmte en koude op te nemen, vast te houden en op een later moment terug af te geven. Dit principe wordt ook wel thermische massa genoemd.

 

Leidingen zijn in de kern van een betonnen element aangebracht en niet in de dekvloer (zoals bij vloerverwarming). In deze leidingen wordt een vloeistof, meestal water, gepompt. Het beton wordt over zijn volledige dikte opgewarmd of afgekoeld. Via straling wordt de koude of warmte langzaamaan terug afgegeven aan de ruimte.

 

De leidingen kunnen in het beton worden ingestort of ze kunnen in de reeds bestaande openingen van prefab betonelementen ingebracht worden.

 

Eigenschappen

 

Het thermisch vermogen is laag en bedraagt slechts 50 W/m2. Bepalend hiervoor zijn een aantal parameters zoals vloerdikte, betonsamenstelling, vloer- en plafondafwerking maar ook de positie van de leidingen, de afstand en de buisdiameter. De positie van de leidingen is afhankelijk van de warmte- of koudebehoefte van een project. Voor verwarming zitten de leidingen best zo dicht mogelijk bij de vloeroppervlakte, voor koeling best zo dicht mogelijk bij het plafond.

 

Het grootste deel van de energieoverdracht gebeurt door straling. Het verwarmen en koelen gebeurt met temperaturen die dicht liggen bij de comforttemperatuur. Bepaalde problemen worden hierdoor uitgeschakeld: stralingsasymmetrie en te veel luchtcirculatie.

 

De thermische buffering van beton brengt piektemperaturen naar omlaag waardoor het mogelijk is om het nominale vermogen van de installatie voor koude- en warmteproductie te verlagen. De piektemperaturen verschuiven meer naar de avond toe waardoor gebruik kan gemaakt worden van de tarieven in daluren.

 

Voordelen

 

De thermische massa van beton leidt tot thermische stabiliteit in de ruimte. Bij een temperatuurverschil tussen de constructie en de omgeving treedt een zelfregelend effect op. Dit zorgt voor een meer comfortabel binnenklimaat.

 

Het verwarmings- en koelingssysteem is in één element vervat en gebeurt respectievelijk via de vloer of via het plafond d.m.v. straling. Het gevolg is dat er minder luchtbewegingen zijn en dus een schoner binnenmilieu. Koeling wordt bereikt door straling i.p.v. convectie, wat voor een gebruiker aangenamer is.

 

Omwille van de grote (vloer)oppervlakte hoeft het temperatuurverschil tussen het water en de omgeving slechts klein te zijn om aan de warmte- of koudebehoefte te voldoen. Dankzij een relatief lage verwarmingstemperatuur en hoge koelingstemperatuur is betonkernactivering een energiezuinig systeem. Het laat toe gebruik  te maken van duurzame energie door middel van bv. warmtepompen.

 

Het systeem vraagt geen onderhoud. Verlaagde plafonds voor installaties zijn overbodig. Het systeem is dus plaatsbesparend.

 

Bij het gebruik van geprefabriceerde elementen kunnen grote oppervlakken snel en economischer worden gelegd.

 

Aandachtspunten

 

De reactietijd van het systeem is traag. Grote temperatuurwisselingen door wisselende zonnewarmte en interne lasten kunnen hierdoor niet onmiddellijk opgevangen worden.

 

De eerste centimeters van een constructie zijn belangrijk daar ze de opname of afgifte van warmte niet mogen belemmeren. Af te raden is de plaatsing van zachte of isolerende vloerbekledingen en verhoogde vloeren.

 

Bij plafondkoeling zijn valse plafonds uitgesloten. Verlaagde of akoestische plafonds mogen max. 30% van de plafondoppervlakte innemen. Aandacht dient gevestigd op de akoestiek (nagalmtijd) in de ruimte en het wegwerken van andere leidingen of kanalen. Het is raadzaam om in de ontwerpfase alle partijen te betrekken.

 

Koude val bij ramen is niet te vermijden. Het is wenselijk om een verwarmingselement onder de ramen te voorzien.

 

Betonkernactivering is voornamelijk geschikt voor lage-energie en passiefgebouwen en/of als basisverwarming. Door het trage karakter van het systeem heeft het regelen van de temperatuur per ruimte geen zin. Om een snellere of individuele regeling te verkrijgen moet het systeem gecombineerd worden met een aanvullende installatie. Dit geldt vooral voor ruimtes met snel wisselende omstandigheden zoals vergaderruimtes, feestzalen en kantines.

 

Toepassing

 

Gebouwen waar een continue nood is aan verwarming en koeling om te voldoen aan comforteisen en waar een constante bezettingsgraad is, zijn geschikt voor BKA (o.a. kantoren, zorgtehuizen,… ). Ruimtes met veel zonlicht en/of zware interne lasten (verlichting, machines) zijn uitermate geschikt.

 

De mate van koeling en verwarming met BKA hangt ook af van de aangebrachte zonnewering.

 

Tijdens de zomerperiode komt overdag de warmte binnen en, samen met de interne lasten, stijgt de binnentemperatuur. Een deel van die warmte wordt door het beton opgenomen. Zolang de temperatuur van de betonnen massa lager is dan de ruimtetemperatuur, ervaart de gebruiker een koudere maar aangename straling. ’s Avonds wordt er geventileerd, zodat de warmte die vrijkomt naar buiten wordt afgevoerd.

 

In het geval dat bij nachtkoeling onvoldoende warmte wordt afgevoerd, waardoor na verloop van tijd toch een stijging optreedt in de binnentemperatuur die de comforttemperatuur overschrijdt, kan het beton geactiveerd worden.

 

In de winterperiode laten we zonnewarmte toe. De warmte wordt opgenomen in de massa. Later op de dag zal die warmte worden vrijgegeven waardoor weinig of niet verwarmd zal moeten worden.

Wintersituatie:
a. situatie met verlaagd plafond.

b. situatie met betonkernactivering en Airdeck, geringe temperatuurschommeling.

Zomersituatie/tussenseizoen:

a. situatie met verlaagd plafond, verlichting en traditionele koeling. Grote temperatuurschommeling. De betonmassa werkt nauwelijks mee als warmtebuffer.

b. situatie met betonkernactivering, geringe temperatuurschommeling.