Technische Hogeschool AfdeIing der W e g - en Waterbouwkunde
ID.kwatervoorziening rIn
NEGENDE VAKANTIECURSUS 3 en 4 januari 1957
MOORMAN'S PERIODIEKE PERS N.V.
- DEN HAAG
Reeds zijn in onderstaande volgorde in boekvorm verschenen de voordrachten der volgende cursussen: 1. Filtratie, 2. Vervaardiging van buizen voor transport- en distributieleidingen, 3. Winning van grondwater, 4. Waterzuivering, 5. Hygiënische aspecten van de drinkwatervoorziening, 6. Het transport en de distributie vali leidingwater, 7. Keuze, aantasting en bescherming van materialen voor koud- en warmwaterleidingen, 8. Enige wetenschappelijke grondslagen der waterleidingtechniek I.
Technische
hogeschool^
(AfdeIing der Weg- en Waterbouwlunde)
Negende Vakantiecursus in Drinkwatervoorziening gehouden op 3 en 4 januari 1957 te DeIft
Enige wetenschappelijke groridslagen der waterleidingtechniek
MOORMAN'S PERIODIEKE PERS N.V.
-
11
DEN HAAG
W O O R D VOORAF I n de 9e vakantiecursus in drinkwatervoorziening zijn wederom enige wetenschappelijke grondslagen behandeld, die voor de waterleidingtechniek van belang zijn. Het is wel gebleken dat dit thema door de deelnemers op prijs wordt gesteld. De Commissie van Voorbereiding betuigt haar dank aan de docenten, die hun beproefde medewerking hebben willen verlenen. Helaas is tijdens het ter perse gaan van deze bundel prof. dr. J a n S m i t, die zulk een voorname plaats onder de docenten innam, overleden. Delft, najaar 1957.
De Commissie van Voorbereiding, Ir. C. BIEMOND, Prof. W. F. J. M. KRUL, voorzitter, Ir. J. LEEUWENBERG, Ir. A. F. MEYER, JAC. BREUNESSE, secretaris.
door prof. W . F . J . M . Krul Het feit dat ten tweede male zulk een grote belangstelling aan de dag treedt voor wetenschappelijke grondslagen van een speciaal onderdeel der techniek, is voor mij aanleiding, uw aandacht te vragen voor het natuurwetenschappelijk onderzoek in het algemeen en zijn plaats in het cultuurbeeld van onze tijd. Een taak, hachelijk voor een niet-wijsgerig geschoolde, doch die zich als een plicht opdringt, nu in de reeks van vakantiecursussen zo vele speciale punten behandeld zijn en aldus een geheel dreigt te ontstaan van wetenswaardigheden, zonder dat wij ons van de diepere zin van onze technische functie rekenschap geven. Dit gevaar bedreigt in zijn algemeenheid het leven van de technicus en de wetenschapsman, ja onze hele samenleving. Het moet zeker aan een Technische Hogeschool, centrum van technische en wetenschappelijke vorming, onder ogen worden gezien. Bij een verkenning van ons huidige westerse cultuurbeeld zien wij als in het oog springende kenmerken: de ontzaglijke betekenis van de techniek voor de samenleving, de intense wederzijdse invloed van techniek en wetenschap en de vrijheid van de wetenschapsbeoefening. De betekenis van deze trits wordt pas duidelijk, wanneer men voldoende afstand naar tijd en ruimte neemt van zijn dagelijkse omgeving. Daartoe staan de moderne mens twee wegen open: studie van de geschiedenis en het bezoeken van andere landen, want vele, door de historie onderscheiden, perioden der menselijke geschiedenis bestaan op onze zo klein geworden aarde nog naast elkaar op ditzelfde ogenblik. Al terstond wordt het dan duidelijk, dat die drie kentekenen van ,,onze1' cultuur niet algemeen geldend zijn. Voor het grootste deel der wereldbevolking is de ontwikkeling der techniek nog niet van betekenis, in vele delen der wereld ontbreekt nog de wisselwerking tussen wetenschap en techniek, wetenschapsbeoefening ligt in vele plaatsen en onder tal van omstandigheden aan banden. I n deze korte voordracht moet ik de boeiende ontwikkelingsgang der oostelijke landen geheel buiten beschou-
wing laten en mij beperken tot de cultuur van het avondland, die wij als Grieks-Christelijk kunnen omschrijven en omstreeks 2500 jaar geleden zien aanvangen. I n die beginperiode, een bekroning van eeuwenoude ontwikkeling, leggen Plato en zijn leerling Aristoteles, bevrucht door het genie van Socrates, de grondslagen van twee denkrichtingen: de wijsgerige benadering van de alles doordringende idee, waarvan de ons omringende kenbare wereld slechts een afschaduwing is (Plato) en de studie van de natuurwetten in de wereld der verschijningen (Aristoteles). Deze denkrichtingen kunnen in de hele geschiedenis onzer cultuur tot de huidige dag worden onderscheiden. Typisch voor beide wijsgeren is, dat Plato verklaarde, dat al het grondwater uit de aarde zich in de ondergrondse Tartaros verzamelt en daaruit weer opstijgt naar de oppervlakte; Aristoteles daarentegen nam aan dat het grondwater door condensatie van de neerslag ontstaat. I n de 600-jarige periode van het Hellenisme, n a Alexander de Groote, gaat de ontwikkeling der natuurwetenschappen op de door Aristoteles gelegde basis verder, vooral na de vestiging van het centrum in Alexandrië, het Museion: de wiskunde (Euclides), de sterrenkunde, de aardrijkskunde, de geneeskunde. Ook de techniek plukte daarvan de vruchten (de zeevaart, het wereldwonder ,,Pharos", de brandspuit van Hero van Alexandrië). Slechts terloops maak ik hier melding van de Romeinen, niet omdat hun prestaties op het gebied der staatkunde, het recht en de techniek niet van grote invloed zijn geweest op onze beschaving, maar omdat in oorsprong en wezen toch ook de Romeinse cultuur Grieks was. Met het verval van het West-Romeinse Rijk valt de opbloei van het Christendom samen en hier ontstaat nu de tweede pijler van onze Westerse cultuur, waarvan Augustinus omstreeks 400 de grondslag legt. Zijn theologie, gebaseerd op de openbaring en op de wijsbegeerte van Plato, het Neo-Platonisme, beheerst eeuwenlang het menselijk denken. Daarin is enerzijds voor de natuurlijke kennis volgens het systeem van Aristoteles geen plaats meer, evenmin voor technische ontwikkeling. Anderzijds opent Augystinus' leer de mogelijkheid van een harmonische opbouw voor individu en samenleving. In de Middeleeuwen blijft zich - sterker dan velen gedacht hebben - altijd de Grieks-Romeinse invloed doen gelden, alleen al door het Latijn, de taal der geleerden. I n dit Delftse milieu, waar een studentensociëteit de
naam Alcuin draagt, mag niet onvermeld blijven, dat Alcuinus, de geleerde secretaris van Karel de Groote, als een der grondvesters der zg. Karolingische Renaissance in de 9e eeuw mag worden beschouwd: zijn ideaal was, ,,in het westen een nieuw geestelijk Athene te stichten, dat het oude met al diens menselijkheid zou overtreffen, omdat het door Christus onderricht is". l ) Eerst in de 12e eeuw leert het westen weer Aristoteleskennen via een Arabische vertaling; zeer merkwaardig is de grote invloed van de Arabische wetenschap, in het bijzonder van de natuurwetenschappen, in haar oostelijk centrum Alexandrië en haar westelijke centra in Spanje, op de latere Middeleeuwen geweest. In de 13e eeuw pas komt het Aristotelisme tot volle gelding, vooral door de uitzonderlijke begaafdheid van Albertus Magnus en zijn leerling Thomas van Aquine. Dezen stellen de gedachte van een eigen werkelijkheid der ervaarbare wereld volgens Aristoteles tegenover het Neo-Platonisme van Augustinus. De Thomistische wijsbegeerte gaat dan een afzonderlijke plaats innemen naast de theologie; zij erkent de mogelijkheid en toelaatbaarheid van een natuurlijke kennisleer, los van de openbaring; zij maakt aldus de weg vrij voor een zelfstandige beoefening van de natuurwetenschap; maar tevens betekent zij in wezen een scheuring in de eenheid van geest. Eerst drie eeuwen later werd de vrije natuurwetenschappelijke beschouwing geboren en niet zonder barensweeën. Giordano Bruno moest zijn leven offeren, Galilei zijn leer herroepen, Descartes de ballingschap in de Nederlanden aanvaarden. Parallel aan de Hervorming in de theologie, liep de Renaissance in de wijsbegeerte, de kunst en de natuurwetenschap; het individualisme nam stormenderhand de plaats in van het collectivisme der Middeleeuwen; rationalistisch, mathematisch en empirisch werd de moderne werkwijze; de 17e eeuw bracht in Descartes' ,,Discours de la méthode" de magna charta van de moderne wijsbegeerte, in Newton's bespiegelingen de grondslag der nieuwe physica. Zijn grafschrift luidde: ,,Nature and nature's laws lay hid in night. God said: let Newton be and al1 was light." Is het verwonderlijk, dat deze snelle ontwikkeling die - bij vergelijking van het korte tijdsbestek van nauwein ,,Europese Geest", 1948. Prof. dr. W. Banning: ,,De moderne wereld" in ,,Europese Geest", 1948.
') Prof. dr. F. Sassen: :,,De geest der Middeleeuwen"
9
lijks drie eeuwen met de tientallen voorafgaande - de indruk van een explosie geeft, tot het rationalisme der 18e eeuw voerde? Rationalisme in de wijsbegeerte, die alle banden met de theologie verbrak, doch tevens elke metafysische bespiegeling ging afwijzen; de politieke exponent was de Franse revolutie. Rationalisme in de natuurwetenschap, die zich op het experiment en de specialisatie richtte; zij leidde tot de ontwikkeling van de techniek in de 19e eeuw, tot de industriële revolutie. Van dit alles is in de 2e helft der 19e eeuw de ontzaglijke groei van de produktie, de bevolking en de welstand in ,,het Westen", waartoe nu ook de Verenigde Staten zijn gaan behoren, het gevolg. Maar even verklaarbaar is de groeiende geestelijke malaise als gevolg van het vooruithollen der techniek en de natuurwetenschap op de stand der geesteswetenschappen die, los van vroegere bindingen, in volslagen agnosticisme en pessimisme dreigden te verzanden. De wereldoorlogen, de vlucht uit het rationalisme naar irrationele levensbeschouwingen als fascisme en existentialisme, zijn de vruchten in onze eeuw. In deze ontreddering vraagt de tijdgenoot zich af, wat er van de westelijke cultuur geworden is. Hij zoekt naar ,,de schuldige" en meent de techniek als zodanig te moeten aanwijzen. In wanhoop voorspelt hij de ondergang van ,,de cultuur van het Avondland". Wie zich echter bewust is van de diepte en de rijkdom van ons gemeenschappelijk verworven bezit, zal het misplaatste van een overhaaste conclusie inzien, die alleen op ongeduld en gebrek aan breedheid van visie gebaseerd kan zijn. Een nieuwe ontwikkeling heeft zich reeds duidelijk merkbaar aangediend. In de natuurwetenschap geldt niet langer de ,,absolute causaliteit" uit de klassieke periode der ,,moderne9'fysica, maar de relativistische causaliteit, op de waarschijnlijkheid gebaseerd, die nimmer tot absolute voorspelbaarheid kan voeren (relativiteitsbeginsel, quantenleer, atoomtheorie). In de geesteswetenschap is de erkenning groeiende van het absolute als richtinggevend aan het menselijk bestaan en Aldous Huxley waarschuwt, dat ,,science (d.i. de natuurwetenschap) is not able to put sult on the tail of the
Absolute".
Dit alles wijst op een mogelijkheid van synthese, vurig Verwacht door het steeds stijgend getal dergenen die de symptomen en oomaken der culturele ontwrichting zijn gaan inzien. De specialisatie, grondslag van de vooruitgang van wetenschap en techniek, moest onvermijdelijk tot een splij-
ting in onze cultuur leiden: tot de massa enerzijds die gedachtenloos, begriploos en als een verwend kind de verworvenheden van het menselijk denken aanvaardt, gebruikt en misbruikt; anderzijds tot de onsamenhangende groep der specialisten die door de begrensdheid van hun ontwikkeling geen werkelijke leiding aan de samenleving vermogen te geven. Ortega y Casset noemt dit de barbaarsheid van het specialisme. Dit te constateren betekent geenszins het dadenloos aanvaarden. Integendeel, de therapie ligt voor de hand. Zij ligt in de synthese tussen de stoutmoedige beheersing der natuurkrachten en het nederig erkennen van het Absolute, waaraan het menselijk verstand onderworpen is. Zij voert tot het besef, dat de geestelijke kracht van onze cultuur groter is dan ooit tevoren, dat zich nooit gedroomde mogelijkheden voor de toekomst openen. Maar daartoe is het nodig, dat de specialisten in techniek en wetenschap zich van de achtergrond van hun werk bewust zijn en doordrongen van het onderling verband. Zij moeten beseffen dat het van hen afhangt, of de moderne natuurkennis en natuurbeheersing een geïntegreerd deel van onze cultuur zal worden. Alleen dan kan de Westerse beschaving aan haar wonderbaarlijke potentie en haar dienovereenkomstige roeping voldoen. Dit besef moet de grondslag zijn van de opleiding en het we'enschappelijk onderzoek aan universiteit en hogeschool. Ik meende dat het nuttig kon zijn, het hier ook als grondslag van de wetenschappelijke grondslagen der waterleidingtechniek aan de orde te stellen. Literatuur: ,,E u r o p e s e G e e s t" - Diverse auteurs onder red. van prof. dr. W. Banning en dr. J. D. Bierens de Haan, Van Loghum & Slaterus, Arnhem, 3e dr., 1948. ,,D e o p s t a n d d e r h o r d e n", door José Ortéga y Casset, Vert. dr. J. Brouwer. H. P. Leopold's uitg. Mij, 's-Gravenhage, 9e dr., 1950. , , G e h e i m e n v a n r u i m t e e n tijd", door dr. H. Groot. J. H. Meulenhoff, Amsterdam, 4e dr., 1946.
Meteorologie door dr. L. J . L. Dey
1. Inleiding Ik weet niet of u wel eens in de gelegenheid bent geweest een boek ter hand te nemen dat dezelfde titel droeg of een soortverwante als die van mijn voordracht. Er bestaan verschillende van zulke boeken. Een zeer modern werk is het ,,Compendium of Meteorology", dat enkele jaren geleden door de ,,Arnerican Meteorological Society" werd uitgegeven en een omvang bezit van ruim 1300 pagina's in kwartoformaat. Zo'n boek is op voortreffelijke wijze in staat u een indruk te geven van het omvangrijke studieterrein van de meteoroloog. Het bevat bijdragen omtrent de samenstelling van de atmosfeer, de stralings- en warmtehuishouding van atmosfeer en aardoppervlak, optisch en elektrische verschijnselen, wolkenfysica, de opperatmosfeer, dynamica, algemene circulatie en locale circulaties, weervoorspelling op korte termijn en meerdaagse verwachtingen, klimatologie, atmosferische verontreiniging en nog verschillende andere om bij de voornaamste onderwerpen te blijven, welke in het brandpunt van de belangstelling staan. Het zal u echter duidelijk zijn dat het niet in de bedoeling kan liggen u zij het ook een slechts vluchtige schets daarvan te geven. Gelukkig behoeft dat ook niet en mag ik, ja moet ik mij de uiterste beperking opleggen. En wat ligt dan tegenover u, als exponenten van de kring der waterleidingdeskundigen in Nederland, meer voor de hand dan enkele schakels te lichten uit de kringloop die het water ondergaat. Anders gezegd ik zal in hoofdzaak uw aandacht vragen voor neerslag- en verdampingsonderzoek dat in de afgelopen jaren in Nederland werd uitgevoerd. Door toevoer van de stralingsenergie van de zon verdampt het water van zeeën en oceanen, en aan het aardoppervlak via het plantendek. Door turbulente menging wordt de waterdamp in de atmosfeer omhoog gevoerd en met de algemene luchtstroming verder getransporteerd. Zg kan in de atmosfeer condenseren tot druppeltjes vloeibaar water of tot fijne ijskristalletjes en daarmee aanleiding geven tot wolkvorming, waarna onder gunstige om-
standigheden water in de vorm van regen of sneeuw weer naar het aardappervlak kan terugkeren. 2. De luchtvochtigheid Onze allereerste vraag luidt nu: hoe bepalen we de vochtigheid van de lucht. Deze wordt op verschillende wijzen gedefinieerd: a. absolute vochtigheid of dichtheid (Q,,.),zijnde de verhouding van de massa (m,) van de waterdamp tot zijn volume (V) b. relatieve vochtigheid (U), zijnde de verhouding van de waterdampspanning (e,) bij gegeven temperatuur tot de maximale spanning (E,) bij dezelfde temperatuur u = - e, (2) E, Zoals bekend is de maximale spanning die, welke heerst aan het platte grensvlak van water, dat in evenwicht verkeert met de daarboven aanwezige waterdamp. c. specifieke vochtigheid (s), zijnde de verhouding van de dichtheid van de waterdamp (Q,,.)tot die van de vochtige lucht (Q,,,+ S
=
ew
(3)
Aannemende dat ook de waterdamp de ideale gaswet volgt kunnen we schrijven e
e 0.622 (3a) p-0.378 e waarin e = dampdruk, p = luchtdruk, RL = de gasconMI, met R = absolute gasconstante, stante voor lucht = R ML = equivalent moleculair gewicht van lucht = 28.8, R, de gasconstante voor waterdamp, M,. = 18.0 hel; moleculair gewicht van water, T de absolute temperatuur. d. mengverhouding, zijnde de verhouding van de dichtheid van waterdamp (Q,,.)tot die van droge lucht (&?L) : e X = & = RL e - 0.622 (4) PL R,, p-e P-e =
l a Pqych~ometervan Assmann (foto arch.ief Gezlon,dheidstechntek, Delft; reeh€s: Afb. Ib ElermsCne psychrometer (foto archief Gezonaleddstech,niek, Delft)
~ i & s : &b.
Daar in atmosferische lucht de waterdampspanning ten hoogste enkele procenten bedraagt van de luchtdruk kan men ih de meest gevallen r
stellen. e. dauwpunt, zijnde de temperatuur tot welke voch-
tige lucht bij gelijkblijvende druk moet worden afgekoeld om verzadigd te worden. I n de meteorologie worden dampspanning en relatieve vochtigheid bepaald door gebruikmaking van een psychrometer (afb. l ) ,zijnde een combinatie van een drogeen een nattebolthermometer. De laatste heeft om de kwikbol een mousseline kousje, dat vóór de meting wordt bevochtigd. Beide thermometers worden geventileerd en afgelezen op het moment dat de natte thermometer zijn laagste stand heeft bereikt. De psychrometer formule geeft het verband aan tussen de droge- en natteboltemperatuur (t en t,.), de dampspanning bij de heersende temperatuur (e,) en de maximale dampspanning bij de nattebol-temperatuur (E,) : w
e,
=
-
E, m
P
RL .-
(t-t,)
(6)
RW Hierin is verder p = luchtdruk, c, = soortelijke warmte van lucht bij constante druk. L, = verdampingswarmte van water bij de temperaR tuur t,, en 2 = 0.622. Onder normale atmosferische R\\, omstandigheden bij het aardoppervlak kan men hier de in
fluctuaties in p en L verwaarlozen en dus
P
-
Lt R ,
als
RW
een constante, ,,de psychrometerconstante", opvatten. Bij temperaturen beneden O "C, wanneer we met een bevroren bol thermometer te doen hebben, moeten we in de psychrometerconstante niet de verdampingswarmte van water doch de sublimatiewarmte van ijs gebruiken. Daarbij dient opgemerkt te worden dat de relatieve vochtigheid ook bij temperaturen beneden O "C t.o.v. de maximale dampspanning aan een plat wateroppervlak is gedefinieerd. De betrekkingen tussen dampspanning, temperatuur, relatieve vochtigheid, nattebol-temperatuur en dauwpunt kunnen in een grafiek op eenvoudige wijze in beeld worden gebracht (afb. 2). De lijn van de maximale dampspanning als functie van de temperatuur is experimenteel gegeven. Zij geeft tevens de lijn van 100% relatieve vochtigheid weer. Lijnen met relatieve vochtigheid f X 100% vindt men door alle ordinaten met de factor f te vermenigvuldigen.
Alle bij elkaar behorende waarden e, en t, die dezelfde nattebol-temperatuur t, en dampspanning E, hebben, liggen op een rechte waarvan de helling door de psychrometer constante bepaald wordt (zie formule (6) ) . Het dauwpunt t , dat bij de waarde (e,, t) behoort is eveneens gemakkelijk te vinden.
Afb. 2
Grafische voorstelling v a n h e t verband tussen verschille~tde vochtigheidsgrootheden
Droge- en nattebol-temperaturen worden regelmatig op de hoofd- en termijnstations van het K.N.M.I. gemeten. Zij vormen een netwerk van ongeveer 40 plaatsen. Op de hoofdstations vinden uurlijkse metingen plaats, op de termijnstations driemaaldaagse metingen te 8 uur, 14 uur en 19 uur (afb. 3 en 4). Registratie van de relatieve vochtigheid met een haarhygrograaf vindt te De Bilt plaats. Verder wordt op enkele stations de dauwpuntstemperatuw geregistreerd. 3. De meting van de neerslag De volgende vraag die we ons stellen geldt de meting van de neerslag. Hieronder verstaan we de equivalente waterhoogte aan het aardoppervlak, die gemeten zou worden indien geen afvloeiing, inzij ging of verdamping plaats vond. Voor de meting maken we gebruik van een regenmeter (afb. 5,6). Het normale type van het K.N.M.I. bestaande uit een opvangtrechter met cirkelvormige opvangopening van 400 cm2 passende op een opvangreservoir met kegelvormige bodem, kan men op een 300-tal plaatsen opgesteld vinden. De meting geschiedt op de
A f b . 3 Thermome (Foto 1 dienst reinen,
gewone regenstations eenmaal per dag te 8 uur en op de overige 3 X per dag te 8 uur, 14 uur en 19 uur. De opgevangen hoeveelheid wordt uitgeschonken in een maatglas waarop de waterhoogte direct in mm is af te lezen. De opstelling van de regenmeter moet aan bepaalde voor-
6 ##cm-+ b-
- - - - - - -- - - -,,cm- - - - - - - - -. . -
I
I
12 cm
a
a-
-- j
B
t I
Afb. 5 Regenmeter met Nipher-scherm (Bleeker, Leerboek der meteorologie I I )
I
I 8 I I
waarden voldoen. Hij moet enigszins beschut tegen de wind worden geplaatst op een afstand van tenminste 2 X de hoogte van omringende obstakels. Misschien is een factor 4 zoals die internationaal wordt aanbevolen nog beter. De bovenrand van de regenmeter bevindt zich 40 cm boven de grond. Dit is eerst sedert 1947 het geval. Vóór die tijd bevond zich de bovenrand op 1.50 m boven de grond (afb.7). Het is evenwel uit een onderzoek van mijn voorganger dr. Braak ge-
I
, l l l
l I
, I
E S I
I I
I l
I I l I
t I I
I l I
I I
I
--
I I
Afb. 6 Regenmeter met Nipherscherm (Water 1946, nr 19)
--
---
-
- --
:telling
regenn
P 1,
,40 m h
bleken dat de regenmeters op deze hoogte, vooral op winderige plaatsen, een tekort aanwezen vergeleken met de zg. grondregenmeter (afb. 8). Wanneer een regenmeter aan de wind is blootgesteld treedt een stuwwerking op en wordt dientengevolge een gedeelte van de vallende druppels over de opvangtrechter heen gevoerd. Deze fout wordt des te erger naarmate de meter hoger is opgesteld. Dok vorm en grootte van het opvangoppervlak en druppelgrootten spelen een rol. Bij een goed, beschutte opstelling bedraagt de fout gemiddeld ongeveer 4%; deze kan bij enigszins gebrekkige beschutting in het kustgebied tot 6 a 9% oplopen en bij geheel vrije opstelling tot bijna 20% stijgen. Het zou te'kostbaar zijn
Afb. 8 Grondregenmeter. der Terreinen, Bakkum)
(Foto P.W.N.-dienst
alle regenmeters op 1.50 m te vervangen door grondregenmeters. Deze toch vereisen rondom de trechter een borstelmat om inspatten van water te voorkomen en een rooster om de groei van gras en onkruid in de omgeving te vermijden. In de bediening zijn ze minder handig dan de bovengrondse opgestelde. Als een compromis-oplossing heeft men toen de regenmeter van 150 tot 40 cm verlaagd. Ook in deze opstelling is de invloed van de wind nog merkbaar, doch minder dan bij de hoge opstelling. Bij de waardering van regencijfers zal men hiermede onder omstandigheden rekening moeten houden. Een verbetering kan nog worden gevonden door de regenmeter in een zg. Engelse opstelling (afb. 9 ) te plaatsen, d.w.z. te omgeven door een cirkelvormige aarden wal met een binnenstraal van 1.50 m, welke naar buiten af loopt.
Afb. 9 De Engelse opstelling van de regenmeter (Bleeker, Leerboek der meteorologie I I )
Hoewel de regenmeting in het algemeen gesproken een eenvoudige handeling is, die met voldoende betrouwbaarheid kan worden uitgevoerd, is een voortdurende controle op de waarnemingen en een regelmatige inspectie van de opstelling een dwingende eis. De sneeuwmeting levert vaak moeilijkheden op. Doordat ondanks beschutte opstelling sneeuw uit of in de trechter kan waaien zijn de uitkomsten vaak onbetrouwbaar. Sneeuw wordt in gesmolten toestand gemeten. Enige controle op de uitkomsten verkrijgt men door meting van de dikte van de sneeuwlaag, hoewel deze op zichzelf ook geen al te grote nauwkeurigheid bezit. Alleen de hoofd- en termijnstations zijn met sneeuwwegers uitgerust. Met behulp van een cilinder kan uit de sneeuwlaag, die op een cirkelvormige plaat is gevallen, een schijf worden uitgestoken en aan een balans gewogen. De schaalverdeling geeft direct de equivalente waterhoogte aan. Deze weging kan vrij betrouwbaar zijn als de plaat in een representatief gedeelte van het sneeuwdek was opgesteld en geen regen- of dooiwater het resultaat heeft bedorven. Alle neerslagmetingen, zoals die op de gewone regenstations worden verricht, leveren alleen dagsommen van de neerslag op. Voor verschillende doeleinden is het echter van belang het verloop van de regenval in de tijd
nauwkeuriger te kennen. Het hulpmiddel daartoe is de registrerende regenmeter (afb. 10), waarvan verschillende typen bekend zijn. Te De Bilt heeft vele jaren een registrerende regenmeter volgens het kantelbakjes principe gewerkt. Deze is enkel jaren geleden vervangen door een die volgens het hevelprincipe werkt. In het vorige jaar zijn ook de 4 overige hoofdstations daarmede uitgerust. De regenval wordt door een pen getekend op een strook, Afb.10a Registrerende regenmeter .(Foto P.W.N.-
Afb. lob Registre-
rende reaenmeter (Foto P.W.N.dienst der Terreinen, Bakkum)
die van tijd-hoeveelheid-coördinaten is voorzien en op een draaiende trommel is gespannen. Wanneer een hoeveelheid van 10 mm is bereikt, wordt het opvangreservoir automatisch geledigd en begint de pen van O mm af verder te schrijven (afb. 11).Men kan uit deze diagrammen zowel duur als hoeveelheid van de regens aflezen alsmede in welke gedeelte van de dag zij vielen. Belangrijk is verder dat uit de helling van de lijn de regenintensiteit kan worden bepaald. Normaal worden hoeveelheid en duur van de regen per uurtijdvak afgelezen. 4. De bewerking van de neerslaggegevens
A f b . l 1 Schema v a n een registrerende reaenmeter (~rijverpluviogrÜafv a n Hellmann), (Bleeker, Leerboek der meteorologie II).
Wat doet het K.N.M.I. met de verzamelde neerslaggegevens? De behandeling daarvan valt uiteen in twee groepen nl. die van de resultaten met de gewone regenmeters en in die van de pluviografen. Het is voor de klimatoloog van betekenis de geografische verdeling van de neerslag te leren kennen. Nu is de neerslag wel een van de elementen die zowel naar tijd als naar plaats de sterkste variabiliteit vertonen. Om voor een bepaalde plaats enigszins betrouwbare gemiddelde waarden te kunnen bepalen moet men over vele jaren waarnemingen beschikken. Braak heeft in zijn publikatie over het, klimaat van Nederland de gemiddelde maandelijkse en jaarlijkse hoeveelheden neerslag berekend over de 40-jarige periode 1891-1930, gebaseerd op de gegevens van ruim 140 stations. Daar niet alle stations in deze periode over regelmatig doorlopende reeksen beschikten, moesten voor deze stations de waarden door vergelijking met naburige stations worden herleid tot de gekozen standaardperiode. Op grond van de uitkomsten zijn voor de maanden, de seizoenen en het jaar kaarten samengesteld van de gemiddelde neerslag-verdeling over ons land (afb. 12, 13, 14, 15, 16). Bezien we allereerst het jaarkaartje. Het gemiddelde over het gehele land bedraagt 705 mm. De streken waar de meeste regen valt liggen in het Z.O.-deel van Limburg, de strook achter de duinen van Noord- en ZuidHolland, in Utrecht en op de Veluwe. De streken met de
geringste regenval vindt men in het dal van de Maas in Limburg, enkele gedeelten rond de Zuiderzee en in het westelijke deel van Zeeland. De lente is in doorsnede het droogste jaargetijde, in de zomer treft men de natste streken overwegend in het midden en het oosten van het land aan. In de herfst echter zijn het juist de kuststreken waar de regen het overvloedigst valt. De winter vertoont een verdeling die veel op de jaarlijkse gelijkt. De tegenstelling tussen zomer en herfst is ongetwijfeld voor een belangrijk deel te danken aan de ligging van ons ons land bij de zee. I n de zomer wanneer de verwarming van het land het sterkst is en de zee nog relatief koel, treedt buienvorming voornamelijk boven het land op, in de herfst daarentegen wanneer het land snel afkoelt en het zeewater nog relatief warm blijft vormen zich de buien boven zee die met de overheersende wind landin-
Afb. 13 Regenkaart over maart-mei (dr. C. Braak, Het klimaat v a n Nederland)
waarts worden gedreven. Het is ook wel zeker dat de orografie van de duinen daarbij een rol speelt. De relatieve maxima over de Veluwe, Utrecht en het Z.O.-deelvan Limburg hangen eveneens met het bodemreliëf samen. Bij de beschouwing van de kaartjes dient bedacht te worden dat zij gebaseerd zijn op de dagelijkse waarnemingen met regenmeters die op 1.50 m hoogte waren opgesteld. Het jaarkaartje werd later gecorrigeerd voor de invloed van de wind (afb. 17). De gemiddelde neerslag over het land bedraagt dan 745 mm (dus een gem. correctie van +51/, % ) . Het algemene karakter van de regenverdeling is bewaard gebleven; terwijl het algemene niveau iets is gerezen zijn de tegenstellingen iets verscherpt. Van een correctie van de maand- en seizoengemiddelden werd destijds afgezien.
Afb. 14 R e g e n k a a r t o v e r junia u g u s t u s ( d r . C. B r a a k , H e t k l i m a a t v a n Nederland)
'Gezien het feit dat neerslaghoeveelheden een grote veranderlijkheid vertonen is het van belang de frekwentieverdeling van regenhoeveelheden te leren kennen. Het initiatief daartoe werd enkele jaren geleden genomen toen het K.N.M.I. het plan opvatte de waarnemingen der klimatologische stations op ponskaarten te brengen. I n 1953 werd hiermede voor de oude waarnemingen der hoofd- en termijnstations een begin gemaakt. Voorts werden van 24 regenstations met langjarige waarnemingsreeksen de dagelijkse neerslaggegevens geponst en hieruit werden geheel machinaal meerdaagse sommen samengesteld en gefrekwenteerd. 1n het afgelopen jaar zijn de eerste regenfrekwentie boeken van Winterswijk en Hoofddorp verschenen, en naar gehoopt wordt zullen de volgende delen in de eerstkomende twee jaren gepubli-
Afb. 15 Regenkaart over september-november (dr. C . Braak, Het klimaat van Nederland)
ceerd worden. Deze boeken bevatten de distributieve en de procentuele distributieve en cumulatieve frekwentieverdelingen van k-daagse neerslagsommen voor k = 1, 2, 3, 4, 7, 10, 15, 30, 60, 90, 180, 360, 540, 720, 1080, 1800.
Tot de keuze daartoe heeft in het bijzonder de Werkgroep Regenwaarnemingen T.N.O. bij gedragen. Voorts werd een studie gemaakt van de wijze waardoor het K.N.M.I. op deze frekwentieverdelingen grafisch kunnen worden voorgesteld of in formule gebracht. Het is gebleken dat de uitkomsten goed benaderd kunnen worden door Goodrich-verdelingen en de hogere meerdaagse sommen ook door ~oisson-verdelingen.Van belang is te zien hoe de constanten die in de formules optreden variëren met de tijd van het jaar en met de waarde van k, teneinde langs deze weg tot meer universele formules te komen. Verdere 24
Afb. 16 Gemiddelde jaarlijkse neerslag 1891-1930 (dr. C. Braak, Het klimaat van Nederland)
studie zal moeten uitmaken of en hoe de parameters van de frekwentieverdelingen van de ene plaats met die van de andere plaats in relatie staan, opdat wellicht zou kunnen blijken dat met de kennis der frekwentieverdelingen van de 24 gekozen stations kan worden volstaan en voor een willekeurig ander station op eenvoudige wijze kan worden geïnterpoleerd. Een meer gedetailleerde studie van de afzonderlijke regens is alleen mogelijk door de bewerking van de pluviogrammen. Een eerste analyse werd door Braak uitgevoerd, die later door Levert werd aangevuld en uitgebreid. Het onderzoek geldt hier vooral de frekwenties van regens van bepaalde vooraf gedefinieerde typen, wat betreft duur en intensiteit, waarbij dan in het bijzonder de aanda.cht aan extreme waarden wordt geschonken.
A f b . 17 Gemiddelde jaarlijkse neeTslag 1891-1930, gecorrigeerd voor het w i n d e f f e c t (dr. C. Braak, Invloed v a n de wind o p regennemingen)
Verwezen mag worden naar MV 34a van Braak (1930) en MV 62 van Levert (1954). Het ligt in de bedoeling dat binnenkort een studie zal worden gemaakt van 2 jaren pluviograafmateriaal resp. uit een nat en uit een droog jaar dat door de Afd. Bew. W.T.N.O. machinaal per 5minuten tijdsinterval werd uitgetrokken en op ponskaarten gebracht. Het ligt daarbij o.a. in de bedoeling iets meer te weten te komen van de morphologie van de regenbui. Hiermede hoop ik u, zij het ook zeer oppervlakkig, een indruk gegeven te hebben van het vele werk dat door het K.N.M.I. met betrekking tot de statistische bewerking van neerslag-hoeveelheden is ondernomen. ,
5. De vorming van neerslag
Thans willen we onze aandacht richten op de fysische omstandigheden waaronder de neerslagvorming tot stand komt. Wanneer waterdamphoudende lucht wordt afgekoeld tot het dauwpunt treedt condensatie op van de waterdamp. Er vormt zich dan een zichtbare nevel of een zuolk, bestaande uit een zeer grote verzameling van zeer fijne druppeltjes, die een diameter van 10 à 40 micron bezitten. De valsnelheid van deze druppeltjes bedraagt niet meer dan enkele m/sec, zodat ze nagenoeg in de atmosfeer blijven zweven. Men kan zich direct de vraag stellen hoe het mogelijk is dat deze druppeltjes zoals de ervaring leert voor lange tijd kunnen blijven bestaan. Immers een waterdruppeltje kan alleen in evenwicht verkeren met de omringende waterdamp, indien de spanning van deze waterdamp gelijk is aan de verzadigingsspanning aan het oppervlak van het druppeltje. Nu leert de theorie van Thomson dat de verzadigingsdruk afhankelijk is van de kromming van het vloeistofoppervlak volgen de vergelijking 2U 1 -e- = l + - c, E @,RTT ' r = + l T waarin e de verzadigingsspanning voorstelt aan het gekromde oppervlak, E de verzadigingsspanning aan een plat oppervlak bij de temperatuur T, o de oppervlaktespanning van water, p,,, de dichtheid van water, R, de gasconstante voor waterdamp, T de absolute temperatuur en r de kromtestraal van de vloeistof (+ voor een bol oppervlak, - voor een hol oppervlak). We zien dus dat de relatieve vochtigheid van de lucht boven 100% moet liggen
(G>
1) , de atmosfeer dus oververzadigd
moet zijn en Wel des meer naarmate de straal van een druppeltje kleiner is, wil dit in evenwicht verkeren met zijn omgeving. Is de omgevingdampdruk kleiner dan de vereiste verzadigingsspanning dan zal een diffusie transport van waterdamp naar buiten plaats vinden en het druppeltje dus verdampen. De oplossing van de gestelde vraag wordt evenwel geleverd door de omstandigheid dat in de atmosfeer zeer fijne stofjes, condensatie kernen genaamd, aanwezig zijn waarop de initiaal-condensatie, kan plaats vinden. Deze condensatiekernen zijn merendeels hygroscopische stoffen die in water oplossen. Hiermede gaat een verlaging gepaard van de verzadigingsdruk, die de verhoging vanwege de kromming van het oppelvlak ten dele compen-
seert. Uit de fysische chemie kennen we de wet van Raoult, die zegt dat de darnpspanningsverlaging evenredig is met de concentratie van de oplossing en zo kar, men gemakkelijk beredeneren, dat voor een druppeltje zal gelden: e - = c 2 1- E P waarin C, o.m. afhangt van de massa der opgeloste stof. Nemen we beide effecten in aanmerking dan zal dus gelden: uit welke betrekking men gemakkelijk kan voorspellen wat met een druppeltje onder bepaalde omstandigheden zal gebeuren. De afb. (18) geldt voor een waterige NaCl-oplossing.
-eE A
8
I I
\ \ \
\ \\ \
.'. .. oOc ..
/
-- --- __ _
,
/ /
1p=~ o - ~ m ' -ie 9 0 molair I
I I
I
Afb. 18 Druppelgrootte in afhankelijkheid van de oververzadigingsverhouding voor een gegeven NaCl-concentratie.
h- .
Blijkbaar zijn bij relatieve vochtigheden beneden 100% alleen druppeltjes met de gegeven hoeveelheid opgelost zout (10-Ismolair) bestaanbaar waarvan de straal < 0.5 p blijft. Alleen in een oververzadigde atmosfeer met een relatieve vochtigheid die boven het maximum van de kromme kan worden gehandhaafd is verdere aangroeiing van het druppeltje mogelijk. Men kan uit de theorie aantonen dat de aangroeiingssnelheid met toenemende druppelgrootte aanzienlijk afneemt zodat zij bij 40 FL ongeveer nihil wordt. Directe metingen van druppeldiameters in wolken hebben inderdaad geleerd dat deze merendeels tussen 1 FL en 100 p zijn gelegen met 10 à 20 p als de meest frekwente.
In de atmosfeer kan afkoeling met als gevolg condensatie van waterdamp op verschillende wijzen plaats vinden. De belangrijkste is de dynamische afkoeling door stijgende luchtbewegingen. Daarbij voert de lucht een adiabatische expansie uit en is een geringe oververzadiging voldoende om bij aanwezigheid van condensatiekern tot wolkvorming te geraken. Dit brengt nog niet automatische regenvorming met zich mede; deze vereist namelijk de aanwezigheid van druppeldiameters van tenminste 200 !(. Deze kunnen verkregen worden door vereniging van kleinere druppeltjes bij botsing als gevolg van de turbulente luchtbewegingen of doordat grotere druppeltjes kleinere invangen. Deze processen blijken in het algemeen zeer langzaam te werken en zij kunnen daarom de regenvorming zoals die in snel opschietende stapelwolken plaats grijpt nauwelijks verklaren. Bergeron heeft evenwel op de volgende mogelijkheid gewezen. De snel rijzende cumuli komen vaak ver uit boven het niveau waarop de temperatuur beneden het vriespunt is gedaald. Het is nu gebleken dat druppeltjes boven dit O "C-niveau zelfs tot temperaturen van -20" als onderkoelde druppeltjes kunnen blijven bestaan, ja, dat dit eerder regel dan uitzondering is. IJskristalletjes komt men eerst op hoogten tegen waar de temperatuur tot 5 à 10" beneden het vriespunt is gedaald (ijskiem niveau). Over de vorming van ijskristalletjes is minder met zekerheid bekend dan over die van druppeltjes. Men neemt vrij algemeen aan dat de kristalletjes kunnen ontstaan door verdichting van waterdamp op bepaalde soorten van kernen, de zg. sublimatiekernen. Men kent wolken die volledig uit ijskristalletjes bestaan, bv. de cirruswolken die in de hoogste niveaus voorkomen. Ook kent men wolken welke alleen uit druppeltjes bestaan. Op de niveaus boven het ijskiemniveau kunnen evenwel ook gemengde wolken voorkomen en deze zijn voor de regenvorming van de grootste betekenis. De evenwichtsdarnpspanning aan het oppervlak der onderkoelde druppeltjes is bij dezelfde temperatuur nl. groter dan aan dat van ijskristalletjes. Bij temperaturen van omstreeks -15" bereikt het verschil een maximale waarde. Als gevolg van dit dampspanningsverschil kan een damptransport ontstaan, dat van het druppeltje naar het ijskristalletje is gericht. Dit laatste groeite aan ten koste van het eerste. Dit proces nu, dat naar Bergeron genoemd is, kan een onderkoelde waterwolk in ongeveer een kwartier tot half uur in een ijswolk omzetten. De ijskristalletjes groeien aan tot sneeuwvlokken die een voldoend grote valsnelheid krijgen om in korte tijd naar beneden te zakken, daarbij onderweg nog
druppeltjes invangende. Wanneer deze agrega'ten beneden het O "C-niveau komen smelten ze en kunnen ze als regendroppels het aardoppervlak bereiken. Deze theorie vindt steun in de waarnemingen aan cumuluswolken zoals die op onze breedten voorkomen. Zij is evenwel niet in staat om onder alle omstandigheden de buienvorming te verklaren. I n de tropen komen zware regens uit wolken voor, waarvan de toppen het O "C-niveau niet hebben bereikt, laat staan het ijskiemniveau. Hier kunnen evenwel de invangprocessen van druppeltjes met verschillende grootten en de botsingen door turbulentie een redelijke verklaring geven omdat de verticale wolkenmassa in de tropen doorgaans veel groter is dan op gematigde breedten, de stijgende beweging krachtiger is en daarmede de verblijftijd van de druppeltjes in de wolk ook groter zodat zij volop gelegenheid krijgen zodanig aan te groeien dat zij de stijgwind kunnen overwinnen en naar de aarde vallen. 6. Kunstmatige regenvorming
Onze kennis omtrent wolken- en regenvorming is sedert de laatste wereldoorlog 'vooral gestimuleerd door het onderzoek naar de mogelijkheden om langs kunstmatige weg regen te verwekken. Ongetwijfeld zult u zich herinneren hoe ongeveer 25 jaren geleden reeds in Nederland door Veraart pogingen werden ondernomen, die evenwel
Afb. l9a Verciampifigsbak (Foto P.W.N.-dienst der Terreinen, Bakkum)
geen overtuigend succes hebben gehad. In beginsel komt het er op neer dat men tracht door toevoering van ijskernen het proces van Bergeron op gang te brengen. Deze ijskernen worden bij temperaturen van -70" spontaan gevormd in het baanspoor van korrels vast CO, die uit een vliegtuig op het wolkendek worden gestrooid. Ook injecteert men de wolk hetzij van boven, hetzij van de grond af met AgJ-kernen. Deze hebben een kristal structuur die enigszins met die van ijs overeenstemt, waardoor zij reeds bij -3 "C ijskristalletjes kunnen vormen die zich ten koste van onderkoelde druppeltjes vergroten. Een derde methode die werd toegepast is die waarbij men in de wolk, die overwegend uit kleine druppeltjes van eenzelfde grootte bestaat, druppels van voldoende groote brengt welke een invangproces kunnen inleiden. Hoewel het vaak zeer moeilijk is om met volledige zekerheid vast te stellen of een van de hier genoemde methoden inderdaad succes heeft gehad zijn er toch wel zulke gevallen bekend. Aan de realiteit van kunstmatige regenvorming behoeft daarom niet te worden getwijfeld.
7. Verdamping Zo gemakkelijk als het is de hoeveelheid water te bepalen die op de aarde valt, zo moeilijk is het de hoeveeldamp te meten die daarvan verdwijnt. Er bestaat geen instrument dat ons door een eenvoudige directe meting in staat stelt de verdamping in een natuurlijk terrein te bepalen. Natuurlijk kent iedereen wel de verdampingsbak (afb. 19) die met water wordt gevuld en waarvan men de hoe-
Afb. 19b Verdarnpingsbak (detail meetbrug) (Foto P.W.N.-dienst der Terreinen, Bakkum)
veelheid water bepaalt die in zekere tijd door verdamping daaruit verdwijnt. Het is echter een illusie te menen dat hiermede ook de verdamping van een natuurlijke begroeiing is bepaald. Hoogstens geeft de verdampingsbak, wanneer ze in een drijvend raam is opgesteld in een groter waterbassin, daarvan een benaderde waarde van de verdamping. Voor natuurlijke terreinen kan onder gunstige omstandigheden de methode van de waterbalans worden toegepast. De verdamping wordt dan bepaald als sluitpost op de waterbalans van een grondblok. Deze waterbalans wordt uitgedrukt door de vergelijking: N+AG=D+V waarin N de neerslag, A G de vermeerdering van het bodemvocht, D de drain of afgevoerde hoeveelheid water en V de verdamping voorstelt, alle grootheden genomen over eenzelfde tijdvak. De moeilijkheid bij de toepassing van deze methode schuilt vaak in een betrouwbare bepaling van de verandering in het bodemvocht. De eenvoudige monstertrekking is misschien nog de meest directe, maar in de praktijk blijkt dat zij, waar enige nauwkeurigheid van het resultaat wordt vereist omslachtig is door de veelheid der nodige monsters. Vaak omzeilt men de moeilijkheden door een zo grote belansperiode te kiezen, dat men A G ten opzichte van de overige gemeten grootheden kan verwaarlozen. Fysische methoden ter bepaling van grondvocht zoals het elektrisch geleidingsvermogen van. gipsblokjes of nylonplaatjes, het warmtegeleidingsvermogen van de grond en andere zijn nog niet algemeen in gebruik, hetzij doordat de resultaten weinig betrouwbaar blijken, hetzij de methode buiten het laboratorium op moeilijkheden stuit. Van meteorologische zijde is een methode ontwildceld die de verdamping afleidt uit het verticale waterdamptransport dat door turbulente uitwisseling aan het aardoppervlak optreedt. Langs theoretische weg kan men afleiden dat voor een oneindig groot homogeen terrein het turbulente waterdamptransport en dus de verdamping onder stationaire omstandigheden wordt bepaald door de uitdrukking waarin Q de dichtheid van lucht, k = 0,40, de constante van von Kármán, u de gemiddelde windsnelheid, e de gemiddelde dampspanning, Z de hoogte boven het aardoppervlak en Zo de ruwheidsparameter van het terrein voorstellen. Door meting van de dampspanning en de windsnelheid op tenminste 2 hoogten boven elkaar kan
men hun verticale gradienten bepalen, zomede de ruwheidsparameter en daarmede tenslotte de verdamping uitrekenen. Deze methode wordt reeds gedurende een reeks van jaren in de Rottegatspolder naast de methode van de waterbalans gevolgd. Daar de verdamping uur voor uur wordt uitgerekend is het rekenwerk omvangrijk. Voor grasland werden redelijk betrouwbare resultaten verkregen. In hoogopschietende gewassen (granen bv.) leidt de toepassing tot moeilijkheden, die alleen door modificatie van de formules zullen kunnen worden opgelost.
Scheikunde door drs. F. W . J . v a n Haaren Scheikundige verschijnselen zijn bij de waterzuivering van fundamentele betekenis. Misschien waren de pioniers op dit gebied zich daarvan niet direct bewust; latere generaties echter kostte het minder moeite om zich te verzoenen met de gedachte dat die geheimzinnige scheikunde bij de op het oog zo simpele wijzen van waterzuivering een rol ZOU kunnen spelen. Nog later werd de situatie zelfs zodanig dat er systemen van waterzuivering ontstonden die geheel op chemische en fysisch chemische processen zijn gebaseerd. Men behoeft zich slechts te herinneren dat het silhouet van vele grote waterbedrijven in de V.S. zijn markante lijnen dankt aan het ,,chemica1 building" om in te zien dat hier de zuivere chemie een allesbeheersende rol is gaan spelen. Over deze actieve deelneming van de scheikunde aan het proces van de drinkwaterbereiding zal echter thans niet worden gesproken. Zij is reeds door meer bevoegde inleiders in vroegere vakantiecursussen behandeld. Het is veeleer de bedoeling een andere kant te belichten van de dienende taak die de scheikunde heeft bij de bereiding van drinkwater en wel die van de controle op de kwaliteit van het water in de ruimste zin van het woord. Onder de tegenwoordige omstandigheden behoort de leiding van een waterbedrijf niet alleen op de hoogte te zijn van de kwaliteit van het afgeleverde water, al is deze kennis uitermate belangrijk omdat daar haar eerste verantwoordelijkheid ligt ten opzichte van de gemeenschap die door het bedrijf van een der eerste levensbenoeften wordt voorzien. Daarnaast moet zij ook inzicht hebben in het effect van de in het bedrijf gebruikte methoden van waterzuivering, hetgeen een controle vereist op de kwaliteit van de grondstof en op die van het water in de verschillende stadia van zuivering. Tenslotte - en dat is zeker niet de gemakkelijkst te verkrijgen informatie behoort zij op de hoogte te zijn van de kwaliteit van de bronnen voor de grondstof die in de overzienbare toekomst in aanmerking komen om als zodanig te worden gebruikt. Het verkrijgen van deze laatste soort van informatie is een werk van lange adem. Waar immers de ont-
wikkeling gaat in de richting van het gebruik van steeds meer oppervlaktewater met zijn variabele samenstelling moet het onderzoek zich over jaren uitstrekken willen de ermede verkregen gegevens voldoende zijn om in dit verband ook op langere termijn de geschiktheid van een watervang te kunnen beoordelen. Alle hierboven bedoelde informatie wordt op een daartoe ingericht laboratorium verkregen; zij wordt doorgegeven door middel van een analysestaat. Een dergelijke staat bevat doorgaans de mogelijkheid tot vermelding van de resultaten van wat de waterleidingchemici met kinderlijke eenvoud een volledige analyse noemen. Dat is een wel wat weidse omschrijving voor de geleverde prestatie, want van de op aarde voorkomende elementen worden er slechts enkele op aangetroffen, terwijl er ongetwijfeld een veel groter aantal in het onderzochte water aanwezig was. Zo zal bijvoorbeeld op een analysestaat nooit titaan worden vermeld ofschoon het vrijwel zeker in het water voorkomt. Dit weglaten mag niet worden beschouwd als een slordigheid van de chemici. Het vindt zijn oorzaak hierin, dat het water alleen onderzocht wordt op die eigenschappen en op de aanwezigheid van die stoffen welke voor de kwaliteit van betekenis worden geacht. De ervaring heeft geleerd hier de juiste selectie toe te passen. De ervaring heeft echter tevens uitgewezen dat er soms mede tengevolge van het chemisch onderzoek, in dit gebied steeds nieuwe vraagstukken opduiken die om een oplossing vragen. Het zijn onder andere deze vraagstukken waarover thans zal worden gesproken, al moet worden toegegeven dat er ook een paar belegen problemen zullen worden behandeld, die er echter door het liggen niet beter op zijn geworden. Achtereenvolgens zullen worden besproken het onderzoek naar: . reuk en smaak; kaliumpermanganaatverbruik (KMn0,-verbruik) ; gehalte aan zuurstof; gehalte aan radio-actieve stoffen; gehalte aan detergente stoffen. Reuk en Smaak
Vooropgesteld zij dat een volmaakt objectieve meting van reuk en smaak niet mogelijk is omdat de waarneming ervan rechtstreeks met de betrokken zintuigen moet geschieden en omdat de reacties van een mens op de aanbieding van bepaalde reuk- en smaakstoffen, althans zeker in grote verdunning, van individu tot indi-
vidu verschillen. Dan is er nog de moeilijkheid, dat de door een bepaalde stof veroorzaakte smaak afhankelijk is van de concentratie van andere in de te proeven vloeistof aanwezige stoffen (1). Vervolgens moet worden opgemerkt dat althans bij de smaak een eigenlijk nulpunt ontbreekt. Want water dat wij ,,smaakloos" noemen heeft nog wel degelijk een smaak, maar die definiëren wij als fris en opwekkend en die vinden wij goed. Zou als objectief kriterium worden gebruikt de smaak van chemisch zuiver water dan schieten wij ons doel voorbij, want chemisch zuiver water smaakt laf en flauw. Nadere analyse van de in de praktijk toegepaste smaakkriteria zou leren, dat deze eigenlijk neerkomen op een oordeel, dat het best kan worden omschreven als: ,,bedrogen worden in zijn verwachting". Men verwacht van drinkwater, dat het fris en opwekkend smaakt; er mogen dan nuances zijn in de frisheid en de opvekkendheid, zolang deze eigenschappen er zijn is de totale indruk goed. Als wij zeggen dat een bepaald water smaak heeft bedoelen wij dat er een ,,smaakjeu aan is; het gemakkelijkst zouden wij ons er van af kunnen maken met te zeggen dat dit afwezigheid van de goede smaak betekent. Hoe kan een chemicus nu aan de hand vam deze wirwar van begrippen ooit tot een meting komen? Hij begint met abstractie te maken van kwalitatieve verschillen. Hij zal deze, indien mogelijk, in zijn eindvoordeel met woorden omschrijven, maar zij onttrekken zich door hun aard aan het vastleggen in een kwantiteit. Vervolgens zal hij de in een bepaald geval gegeven smaak trachten te elimineren door zoveel smaakloos water toe te voegen dat de oorspronkelijke smaak juist niet meer kan worden waargenomen. De hierbij gebruikte hoeveelheid is een maat voor de intensiteit van de gegeven smaak. Toch kan ook deze omschrijving weer niet strikt worden genomen, want bij het verdunnen zal het meer dan eens voorkomen dat juist tengevolge van de verdunning de smaak van karakter verandert; aanvankelijk kan de smaak laf-grondig zijn, om na enkele verdunningen in een bittere over te gaan. Afgesproken is nu dat als smaakgetal zal worden aangeduid het aantal volumina smaakloos water, dat aan één volume van het oorspronkelijke water moet worden toegevoegd om een smaakloos eindprodukt te verkrijgen. Heeft het water een smaakgetal van 31, dan betekent dit dat er bij de zo juist beschreven verdunningsproef, uitgaande van bijvoorbeeld l liter te onderzoeken water, 31 liter smaakloos water zijn gebruikt. Men kan het ook zo uitdrukken dat na vijfmaal verdunnen met een telkens gelijk volume
een smaakloos eindprodukt is verkregen (2= = 32). Voor de reukmeting geldt een analoge redenering als hierboven is gegeven, maar hier is de invloed van persoonlijke faktoren nog sterker. Ieder die wel eens met de olfaktometer van Zwaardemaker heeft gewerkt zal dit bevestigen. Welke stoffen zijn nu verantwoordelijk voor de in water optredende smaken? In de meeste gevallen is dat niet bekend. Een gevreesd type smaakbezwaar is de klacht over een muffe of grondige smaak. Er is in dit verband wel gewezen op door actinomyceten geproduceerde stoffen, maar het is geenszins zeker dat deze in het algemeen als oorzaak mogen worden aangewezen (2) (3). Proeven die wij hebben uitgevoerd met vloeistoffen waarin actinomyceten waren gegroeid (deze waren ons welwillend ter beschikking gesteld door de Nederlandse Gist- en Spiritusfabriek te Delft, waarvoor wij ook hier onze dank willen uitspreken), wezen uit dat deze vloeistoffen weliswaar een intense grondige geur hadden, maar dat reeds na betrekkelijk geringe verdunning de typische muffe smaak verdween. Een poging om deze stoffen te isoleren bracht aan het licht, dat een dergelijke vloeistof een rijk gevarieerd mengsel bevat van reuk- en smaakstoffen die, eenmaal uit hun normaal milieu geïsoleerd, snel van eigenschappen veranderen. Ook chloorphenolen hebben in het opzicht *ran smaakvorming een slechte naam; hun smaak is inderdaad in concentraties van de orde van een microgram per liter nog duidelijk offensief (4) (4a). Daarom is een waterverontreiniging met phenol zo gevreesd, omdat na chloring hieruit de zojuist genoemde smaakstoffen ontstaan. Over de ernstige smaakbezwaren die veroorzaakt kunnen worden door aardolieprodukten bestaat een uitgebreide literatuur (5) (6) (7) (8) en ook van detergenten wordt wel vermeld dat zij in dit opzicht moeilijkheden hebben veroorzaakt. Wij komen hierop straks nog terug. Voor het onderzoek naar de identiteit van smaakstoffen zou het ideaal zijn wanneer er een universele methode bestond om smaakstoffen snel te isoleren en te herkennen, zodat adekwate preventieve en repressieve maatregelen zouden kunnen worden voorgesteld c.q. genomen. Een eerste benadering van dit ideaal werd gevonden in de chromatografie.Dit is een methode van onderzoek waarbij wordt gebruik gemaakt van ,adsorptie aan een grensvlak van $en vaste phase, van een verschil in verdeling over twee vloeistofphasen of het optreden van meer of minder gemakkelijke ionenwisseling (9). Om deze methode op in water aanwezige smaakstoffen
te kunnen toepassen is echter wel steeds eerst een concentratie nodig, omdat de te onderzoeken stoffen slechts in uiterst geringe hoeveelheden in het water voorkomen. Daartoe kan worden gebruik gemaakt van dezelfde principes als bij de chromatografie: verschil in oplosbaarheid en adsorptie. Men zal dus trachten het te onderzoeken water uit te schudden met organische oplosmiddelen of wel het water te filtreren over bijvoorbeeld aktieve kool die de smaakstoffen adsorbeert. Beide werkwijzen hebben hun bezwaren: uitschudden kost veel tijd en veel chemicaliën. Actieve kool werkt niet alleen adsorberend maar aan het kooloppervlak vinden ook chemische reacties plaats, onder andere oxydaties; de geadsorbeerde stoffen moeten uit de kool geëlueerd worden en het is de vraag of men daarbij de oorspronkelijke stoffen alle onverminderd en onveranderd terug krijgt. Na deze concentratie zal men op het verkregen mengsel de in de organische chemie gebruikelijke analysemethodes toepassen, waarbij een eerste scheiding wordt verkregen in groepen van zure, basische en neutrale stoffen. Deze groepen worden dan chromatografisch verder onderzocht. Als voorbeeld van de methode zullen wij nemen de papierchromatografie, één van de vormen waarin deze analysemethode kan worden beoefend. Dicht bij de rand van een strook speciaal filtreerpapier brengt men een kleine hoeveelheid van de te onderzoeken stof, die dan als een klein cirkelvormig vlekje is te zien. Dan laat men een voor de proef geschikte vloeistof meestal een organisch oplosmiddel, gelijkmatig in de smalle zijde van het papier trekken, beginnend aan de zijde waar zich het genoemde vlekje bevindt. De door de capillaire krachten in het papier voortschrijdende vloei-stof neemt de opgebrachte stoffen uit de vlek mede. De stoffen verplaatsen zich hierbij meer of minder gemakkelijk. Wanneer n a enige tijd het papier wordt gedroogd is de oorspronkelijke vlek in een aantal van elkaar gescheiden vlekjes uiteengevallen. Zijn de betrokken stoffen gekleurd dan kunnen zij direct worden waargenomen; kleurloze stoffen kunnen zichtbaar worden gemaakt bijvoorbeeld door bestraling met ultraviolet licht. Na deze scheiding is nog een nadere identificatie noodzakelijk; dit kan bijvoorbeeld geschieden door besproeiing met geschikte chemicaliën die met de te onderzoeken stoffen bekende kleurreacties geven. Een ander hulpmiddel ter herkenning is de bepaling van de Rf-waarde (Rf: retention factor) ; deze is het quotiënt van de door een stof op de papierstrook afgelegde afstand en de afstand, die het vloeistoffront in dezelfde tijd heeft afgelegd. Hiermede
moet men echter voorzichtig zijn, want de waarde van Rf hangt af van velerlei omstandigheden, zodat het moeilijk is reproduceerbare waarden te krijgen. I n eerste aanleg is de chromatografie een kwalitatieve methode, maar in principe kan zij tot een kwantitatieve worden uitgewerkt. Met deze methode zijn reeds interessante resultaten bereikt, bijvoorbeeld bij het onderzoek -van Rijnwater. De laboratoria van de gemeentelijke waterbedrijven van Amsterdam en Rotterdam houden zich met dit onderzoek bezig, terwijl een publicatie van H o l l u t a in :,Vom Wasser" van 1955 een goede indruk geeft van wat er op dit gebied in Duitsland is bereikt (10). Wat de resultaten betreft valt het op dat het grootste gedeelte van de organische stoffen werd teruggevonden in de neutrale fractie; dit werd ook door H o l l u t a bevestigd. Voor nadere bijzonderheden zij naar de reeds vermelde publicatie van H o l l u t a verwezen. Tenslotte is er nog een groep van onderzoekingsmethoden waarbij gebruik wordt gemaakt van de eigenschap dat de te onderzoeken stof licht van een bepaalde golflengte absorbeert. Wanneer het gaat om het herkennen van moleculestructuren dan kunnen de interessantste resultaten worden verwacht in het infrarode deel van het spectrum. Daar liggen de frekwenties van de trillingen die de tamelijk logge gevaarten van de grote organische moleculen en atoomgroeperingen kunnen uitvoeren. Gaan deze vibraties gepaard met een verandering in het dipoolmoment, dan zal een elektromagnetische trilling, die dezelfde frekwentie heeft als de vibratie van het molecule, energie aan het molecule kunnen overdragen (11). Hiervan wordt gebruik gemaakt in de infraroodspectrografie. Deze levert twee soorten informatie, een algemene en een bijzondere. De algemene informatie betreft de aanwezigheid van bepaalde kenmerkende groepen. Zo kunnen bijvoorbeeld herkend worden OH, NH, NH,, CH, CH, en CH,. De absorptiebanden hiervoor liggen in de omgeving van een golflengte van 3 Er (meestal aangegeven met behulp van het golfgetal: 3300 cm-'). De COgroep heeft een typische band bij 1750 cm-'. De bijzondere informatie, i.c. het eigen absorptiepatroon- van de onderzochte moleculesoort, wordt gevonden in het zogenaamde ,,fingerprintM-gebied; het molecule zet als het ware zijn vingerafdruk op de band van het registratieapparaat. Dit gebied ligt tussen 1350 en 650 cm-'; er wordt ook wel een kleinere omvang opgegeven, afhankelijk van de gebruikte apparatuur. Op het eerste gezicht lijkt dit een ideale methode, mits
, ,,l
eir
5
er maar gezorgd wordt dat de betrokken stof in zo zuiver mogelijke toestand wordt onderzocht. Dit laatste zal bij het onderzoek op het gebied van de waterverontreiniging slechts bij uitzondering mogelijk zijn. Bij het werken met mengsels moet men zeer voorzichtig zijn met de interpretatie van het spectrogram (12). Ondanks de hiergenoemde beperkingen houdt de infraroodspectroscopie nog vele beloften in voor de toekomst. Kaliumpermanganaatverbruik
De methode voor het bepalen van het gehalte aan organische stoffen volgens Kubel-Tiemann, waarbij gemeten wordt hoeveel KMnO, er verbruikt wordt voor de oxydatie van het organisch materiaal in een bepaald volume water, is wel oud maar nog geenszins der dagen zat. Zij is onmisbaar voor een snelle oriëntatie aangaande genoemd gehalte, ook al moet worden toegegeven dat zij zeer onvolmaakt is. Er bestaan dan ook een groot aantal variaties op deze methode. Een bekend voorschrift voor de uitvoering van de bepaling luidt kort geformuleerd als volgt: Bij 100 m l water worden gevoegd 5 m l xwavelxuur 8 n e n 10 m l KMn0,-oplossing 0,01 n. Kook gedurende 10 minuten, voeg 10 ml oxaalxuur 0,01 n toe e n titreer de dan nog overgebleven hoeveelheid oxaalxuur m e t KMn0,-oplossing 0,01 n. Op vrijwel alle onderdelen van dit voorschrift zijn variaties bedacht, die alle hun voor en tegen hebben, maar die geen van alle een definitieve verbetering hebben gegeven. Zelfs in de boezem van de betrokken normalisatiecommissie is hierover geen eenstemmigheid bereikt (13). Het is dan ook noodzakelijk dat de gevolgde wijze van onderzoek wordt aangegeven. Strikt genomen zijn alleen die uitkomsten vergelijkbaar die volgens nauwkeurig gelijke werkwijzen zijn verkregen. Enkele belangrijke factoren, die het resultaat van de bepaling beïnvloeden, mogen hier kort worden vermeld. Het spreekt vanzelf dat men een hogere uitkomst krijgt naarmate men de kooktijd verlengt, al is hier geen sprake van evenredigheid. De afgesproken tijd van 10 minuten is een compromis. Langer koken geeft een hogere uitkomst, maar bij weinig verontreinigd water is het verschil niet groot. Zeer zuiver gedestilleerd water heeft ook een zeker KMn0,-verbruik; ook hier krijgt men bij langer koken een hogere uitkomst. Hierbij is een autokatalytische reactie in het spel: de bij de reactie gevormde mangano-
ionen en het eveneens gevormde hydraat van MnO, versnellen de ontleding van het KMnO,. Reeds uiterst kleine hoeveelheden organische stof zullen deze reactie in gang zetten. Om van dit verschijnsel bij de bepaling zo weinig mogelijk last te hebben wordt in het desbetreffende normvoorschrift vermeld dat gedestilleerd water voor deze proef eerst moet worden bevrijd van reducerende stoffen door het n a aanzuren met zwavelzuur en toevoegen van een kleine overmaat KMnO, opnieuw te destilleren. Bij matig verontreinigd water treedt dit verschijnsel eveneens op, maar in sterkere mate. Duidelijk wordt dan dat er twee tegengesteld werkende factoren zijn: snellere ontleding van het K m , door meer gevormde manganoionen en MnO,.n H,O; minder snelle oxydatie van organische stof door de gedurende de reactie sterker verlaagde concentratie van het KMnO,. Bij sterk verontreinigd water wordt het KMnO, snel gereduceerd, zodat in het grootste deel van de reactietijd slechts een zeer geringe hoeveelheid KMnO, oxyderend zou kunnen werken. Vandaar dat is afgesproken om zulk water zover met gedestilleerd water te verdunnen dat aan het einde van de kooktijd nog minstens de helft van het toegevoegde KMnO, is overgebleven. Maar zelfs deze afspraak geeft geen garantie voor een vergelijkbare oxydatiepotentiaal, want sommige wateren reduceren het KMnO, snel en voor een aanmerkelijk deel tot een hydraat van MnO,. ,Dit MnO, wordt bij de eindtitratie op een ekwivalente hoeveelheid KMnO, omgerekend. Dit is toelaatbaar om de hoeveelheid verbruikte ,,zuurstof" te berekenen, maar niet om oxydatiepotentialen te vergelijken: het neergeslagen hydraat van MnO, is een veel minder krachtig oxydatiemiddel dan een KMn0,-oplossing. In het licht van het bovenstaande is het begrijpelijk dat men hogere uitkomsten krijgt naarmate men het te onderzoeken water meer met gedestilleerd water verdunt; er moet immers worden teruggerekend op ,,permanganaatverbruik per liter". Het alternatief: toevoegen van meer KMnO, vóór het koken geeft vanzelfsprekend ook hogere uitkomsten; bij overmaat KMnO, krijgt men zelfs zeer hoge waarden, want ook hier wordt de zelfontleding van het KMnO., met een hoge omrekeningsfactor vermenigvuldigd. Het bovenstaande is vermeld om te waarschuwen tegen een te simplistische interpretatie van uitkomsten voor het KMn0,-verbruik, vooral bij sterk verontreinigd water. Daar komt nog bij dat bij de oxydatie in zure omgeving een van de produkten van de oxydatie van organische stof, mierenzuur, niet snel wordt omgezet in
,
CO, en H,O. Dit heeft men trachten te ondervangen door de oxydatie in basisch milieu uit te voeren, maar dan wordt een ander afbruakprodukt, oxaalzuur, niet snel geoxydeerd. Zou met alle bekende factoren rekening worden gehouden dan zou er wel een combinatie van optimale proefomstandigheden kunnen worden gevonden, maar dan zou de proef zo gecompliceerd en langdurig worden dat zij niet meer voor routinewerk in aanmerking komt. Vandaar de gemaakte simpele afspraak. Deze moet nog worden aangevuld met een aanwijzing over de wijze van verwarming: bunsenvlam, kookplaat of waterbad, want ook deze bepaalt mede het eindresultaat. De in het buitenland wel gebruikte methode waarbij het reactiemengsel niet wordt gekookt, maar gedurende enkele uren bij 27 "C wordt bewaard of enige tijd in een kokend waterbad wordt geplaatst, laten wij hier, samen met de daarbij optredende complicaties buiten beschouwing. Een voor de praktijk belangrijke gevolgtrekking is deze, dat vergelijking van uitkomsten voor het KMn0,-verbruik voor watermonsters wier herkomst naar plaats en/ of tijd verschillen, niet altijd tot een juiste conclusie voert, zeker als het gaat om wateren met een sterk verschillende of variabele organische verontreiniging. Als ander uiterste zou men kunnen nemen een grondwater van constante samenstelling dat in de loop der tijden een nauwelijks veranderend KMn0,-verbruik heeft. In een dergelijk geval zullen zelfs kleine veranderingen in de uitkomsten aanwijzingen kunnen geven over een wijziging van de samenstelling van het betrokken water. Zuurstofgehalte De bepaling van het zuurstofgehalte levert weinig moeilijkheden op zolang het mogelijk is om een representatief monster te nemen; dan is de methode van Winkler zeer geschikt. Zij berust op de in basische omgeving snel verlopende reactie tussen zuurstof en een manganozout, waarbij onoplosbare hydraten van hogere mangaanoxyden, gemakshalve voorgesteld als MnO, . n H,O, worden gevormd. Bij deze omzetting wordt de zuurstof kwantitatief gebonden. Na aanzuren met fosforzuur wordt kaliumjodide toegevoegd en het gevormde vrije jodium met natriumthiosulfaat 0,01 n getitreerd. Levert de monsteimeming om een of andere reden moeilijkheden op of wil men continu meten dan zou een meting langs elektrische weg een goede oplossing zijn. Het is in principe mogelijk deze uit te voeren omdat een
zuurstofatoom een elektronenvanger is; in de L-sc.hi1 van dit atoom bevinden zich 6 elektronen, terwijl er plaats is voor 8. Is deze L-schil geheel gevuld dan is dus de situatie in dit opzicht energetisch gunstiger; zij zal zich dus vanzelf instellen als er maar een geschikte elektronenleverancier bij de hand is. Hiervoor wordt dan een metaal genomen dat gemakkelijk elektronen afstaat, dat wil dus zeggen een onedel metaal zoals zink. Wordt een zinkelektrode in water geplaatst dan gaan zinkionen in oplossing, waarbij telkens per geïoniseerd atoom 2 elektronen vrijkomen. Dit proces houdt spoedig op als de elektronen niet ergens heen kunnen, want zij scheppen door hun aanwezigheid een tegenwerkende potentiaal. Wordt de zinkelektrode echter door een geleidende draad met een eveneens in het te onderzoeken water geplaatste elektrode van een edel metaal, bijvoorbeeld goud, verbonden, dan zullen de elektronen zich ook daarheen kunnen begeven. Daar worden zij door niets verhinderd om met een elektronenvanger, i.c. zuurstof, te reageren. De reacties die zich hierbij afspelen kunnen als volgt worden geschreven: 1/2
+
Zn + Zn++ 2e O2 + H20 2 e -. 2 OH-
+
Zorgt men nu voor verversing van de vloeistof aan de elektroden dan kunnen er opnieuw elektronen doorschuiven van het zink naar het goud en zo kan het spel zich blijven herhalen zolang er maar elektronen en zuurstof ter beschikking zijn. Maar dit betekent dat er een elektronenstroom gaat lopen van het zink naar het goud; de sterkte van die elektrische stroom kan met een gevoelige ampèremeter worden gemeten. Er bestaat, zoals kan worden verwacht, een zeker verband tussen het zuurstofgehalte van het water en de optredende stroomsterkte. Door ijking kan dit verband voor een bepaald elektrodenpaar worden vastgelegd. Door de elektroden ten opzichte van het water te bewegen wordt een voldoende verversing bereikt. Ook dan blijven er nog remmen bestaan op de reactie, onder andere door de diffusie die de zuurstof naar de goudelektrode moet voeren. Het resultaat van de meting is afhankelijk van een groot aantal factoren, wier invloed op het resultaat van de meting geenszins altijd theoretisch kan worden verklaard. Voor de door verschillende auteurs toegepaste kunstgrepen om de methode voor de praktijk bruikbaar te maken zij naar de betreffende literatuur verwezen (14) (15) (16) (17). Op het ogenblik worden door dr. G. v a n
H e u s d e n (Amsterdam) voor de Gemeentewaterleidingen op dit gebied onderzoekingen verricht die ook in biologisch opzicht van grote betekenis zijn. Verontreiniging van oppervlaktewater, c.q. van grondwater met radio-actieve stoffen is een gevaar waarmede in de naaste toekomst, maar voor sommige wateren ook reeds nu, rekening moet worden gehouden. Hierover bestaat reeds een zeer uitgebreide literatuur. In de 5e Vakantiecursus is hierover reeds gesproken; sindsdien hebft de atoomconferentie van Genève 1955 onze kennis op dit gebied verrijkt (18). De bepalingsmethode voor het gehalte van water aan radio-actieve stoffen die hier te lande is ontwikkeld Bal ter anderer plaatse uitvoeriger worden behandeld. Hier kan worden volstaan met mededeling van de principes die aan deze bepaling ten grondslag liggen. Een radio-actieve stof zendt straling uit. Met betrekkelijk eenvoudige middelen kan met een vrij groot nuttig effect de p-straling worden gemeten; dit geschiedt met een Geiger-Muller-telbuis. Deze werkwijze levert ook bij metingen aan water in principe geen moeilijkheden; in de praktijk echter zijn er vele. Zij doen zich voor bij de monsterneming, bij de voorbehandeling van het monster en bij de meting op de in het gebied van wateronderzoek wel steeds voorkomende lage stralingsniveaus. Bij de monsterneming moet er rekening mede worden gehouden dat de radio-actieve isotopen meestal in uiterst kleine concentraties zullen voorkomen. Het nemen van een watermonster in een schone glazen fles schijnt een onaanvechtbaar juiste procedure te zijn, maar zij is het niet. Het glas heeft namelijk adsorberende eigenschappen. De actieve plekken in dit glas zullen ook de radioactieve isotopen aantrekken en ten dele vastleggen. Om dit effect te niet te doen kan men twee wegen volgen: ofwel bij de monsterneming een overmaat van de te verwachten of althans daaraan verwante atoomsoorten in niet-actieve vorm aan het water toevoegen, ofwel de fles vullen met het te onderzoeken water, het adsorptie-evenwicht zich laten instellen, de fles leeggieten en in àezelfde fles een nieuw monster nemen. Deze laatste mèthode is bruikbaar wanneer de concentraties niet te laag liggen, zoals bijvoorbeeld in een effluent van een atoomcentrum; zij wordt dan ook te Harwell (Engeland) toegepast bij de controle van het afvalwater. Heeft men te maken met een rivier waarin reeds een grote verdunning
van eventueel radio-actief afvalwater heeft plaats gehad, dan verdient de eerste methode wel de voorkeur. De behandeling van het watermonster vóór de eigenlijke meting omvat in hoofdzaak het droogdampen. Dit moet snel verlopen, omdat in geval van nood zo spoedig mogelijk bekend moet zijn of de activiteit de gevaarlijkheidsgrens heeft overschreden. Terwille van de vergelijkbaarheid der resultaten wordt ook onder normale omstandigheden een zo snel mogelijke werkwijze gevolgd. Wetenschappelijke precisie moet hier aan de snelheid worden opgeofferd. Aanvankelijk werden moeilijkheden ondervonden doordat het residu hygroscopisch was; deze bezwaren konden redelijk worden ondervangen door het af te roken met zwavelzuur, waarbij een sulfaatas werd verkregen. De meting bij de zeer lage stralingsniveaus waarom het bij het wateronderzoek gaat, staat of valt met het nauwkeurig bekend zijn van de natuurlijke achtergrondstraling en de variatie daarin. Door gebruik van een loodmantel om de G.M.-buis kan men trachten deze achtergrond zo laag mogelijk te houden, maar ook dan nog krijgt men een waarde van rond 20 tikken per minuut. Een aanmerkelijke verbetering kan worden verkregen door een anti-coïncidentieteller, maar deze is zeer kostbaar en voor zover ons bekend niet kant en klaar verkrijgbaar. Zeer waarschijnlijk kan ook reeds een 'beter resultaat worden verkregen door een tweede G.M.-buis in de nabijheid van de eigenlijke meetbuis te plaatsen en hieqede afzonderlijk de achtergrond te meten. Dit is vooral van belang als er snelle variaties in de achtergrond optreden, zoals dit in het najaar van 1956 werd geconstateerd. Deze variatie vertoonde een duidelijk dageffect: de achtergrond was normaal in de morgenuren, maar hoger in de namiddag. Volgens persoonlijke mededelingen werd dit verschijnsel ook in België en Duitsland geconstateerd. Wat ook de oorzaak van deze storing geweest moge zijn (waarschijnlijk hing zij samen met de aanwezigheid in de atmosfeer van radio-actieve deeltjes afkomstig van explosies van kernwapens), voor het wateronderzoek was zij zeer hinderlijk. Tenslotte nog een opmerking betreffende de meest urgente vraagstukken die op dit gebied om een oplossing vragen. Tot de gevaarlijkste radioactieve isotopen behoren Srs0en PuPa9,de eerste een B-, de tweede een astraler. Om allerlei redenen, die hier niet nader zullen worden uiteengezet, zal het op de duurmodig zijn de concentratie van deze beide isotopen afzonderlijk te kunnen bepalen. In verschillende centra wordt hieraan gewerkt.
In dit verband moet ook de wens worden uitgesproken dat er binnen afzienbare tijd een voor dit doel geschikte en niet te dure U-tellerop de markt verschijnt. Wij moeten het bij deze korte beschouwingen laten; de wetenschappelijke grondslagen van de radio-activiteitsmetingen worden ontleend aan zulk een uitgebreid gebied van natuurwetenschappelijk onderzoek, dat het ver boven ons vermogen ligt om er, zeker in kort bestek, verder op in te gaan. Detergente stoffen Het waterbedrijf van Wheeling (W.va), V.S.,was in het najaar van 1953 in een verre van benijdenswaardige positie (19) (20). Het aan de rivier Ohio onttrokken ruwe water bevatte 1 tot 8 mg/l aan detergente stoffen; de . rivier was benedenstrooms van een stuw met een 50 cm dikke laag schuim bedekt. Dit was een extreem geval, dat aanleiding gaf tot enorme smaakbezwaren, gestoorde coagulatie en ,,zwart water" in het leidingnet. Maar ook in kleinere concentraties kunnen detergenten moeilijkheden opleveren. In Groot-Brittannië is kort geleden hierover een rapport verschenen, uitgebracht door een commissie die door het Ministry of Housing and Local Government met een onderzoek naar deze bezwaren was belast (21). In hetgeen volgt zijn enkele gegevens uit dit rapport verwerkt. In fysisch opzicht behoren de detergenten tot de oppervlakte-actieve stoffen; zij verlagen de oppervlaktespanning van het water waarin zij worden opgelost, waardoor dit mengsel een beter bevochtigende en daardoor beter wassende werking verkrijgt. In chemisch opzicht kunnen zij in drie groepen worden onderverdeeld, en wel in:
a. anionactieve detergenten; b. kationactieve detergenten; c. niet-ioniserende detergenten. Van deze drie groepen is de eerste verreweg het belangrijkst; deze omvat in Groot-Brittannië 95 % van het totale verbruik. Wij zullen ons bij de bespreking tot deze beperken. Tot het type a. behoren ook de zepen; de bekendste synthetische detergenten in deze groep zijn de alkylarylsulfonaten en de alkylsulfaten. Van deze laatste twee wordt hiernaast een schematische structuurformule gegeven.
alkylarylsulfonaat
alkylsulfaat
Hierin stelt R een lange, eventueel vertakte koolwaterstofketen voor, met 9 tot 15 koolstofatomen. Modellen van de anionen van enkele detergenten zijn mij welwillend ter beschikking gesteld door prof. dr. E. H av i ng a te Leiden; wij willen ook te dezer plaatse hiervoor onze dank uitspreken. Foto's van deze modellen zijn weergegeven in de afb. 1, 2 en 3. Deze stoffen zijn in hun moleculebouw gekenmerkt door een uitgesproken tweeslachtig karakter. Aan de ene kant van het molecule bevindt zich een grote hydrofobe (,,watervrezende") groep die koolwaterstofachtig gebouwd is; aan de andere kant zit een uitgesproken hy-
Afb. 1 Anion van een normale zeep
Afb. 2 Anion van nlleylsulfan+
Af b. 3 Anion van alkylarylsulfonaat
47
drofiele (,,waterminnende") groep die een ionogeen karakter heeft. Deze chemische bouw bepaalt mede hun fysische eigenschappen. Dank zij hun peripheer geplaatste hydrofiele groep zullen zij in grensvlakken, waar water een van de begrenzende fasen vormt, zich zo oriënteren dat de hydrofiele groep naar het water is gekeerd, terwijl de hydrofobe groep naar de andere fase is gericht. Hierop berust hun bevochtigende werking. Vetdeeltjes bijvoorbeeld zullen door detergenten worden geemulgeerd omdat de reeds genoemde hydrofobe groep aan het vet gaat zitten; de hydrofiele groep steekt naar buiten, waardoor het deeltje door een elektrische dubbellaag tegen uitvlokking wordt beschermd. Dit verschijnsel heeft een ongunstig effect zowel op coagulatie als op filtratie, maar het begint pas duidelijk op te treden bij grotere concentraties. Volgens eerder genoemd rapport zou deze grens liggen bij een concentratie van rond 1 mg/l, maar hierbij moet worden bedacht dat bedoeld effect nog van vele andere factoren afhankelijk is, o.a. van de pH. De hierboven genoemde moeilijkheden zouden niet of in veel mindere mate optreden wanneer sommige detergenten niet bepaalde chemische eigenschappen hadden die er de oorzaak van zijn dat zij in betrekkelijk grote hoeveelheden in rivierwater kunnen voorkomen. Het is namelijk gebleken dat althans sommige detergenten niet of slechts zeer langzaam biologisch kunnen worden afgebroken en dat zij zelf storend werken bij de biologische oxydatie die in rioolwaterzuiveringsinrichtingen wordt toegepast (22) t/m (27). Dit verklaart waarom bij de zuiveringsprocessen slechts rond 50 'j%van de in het ruwe rioolwater aanwezige detergenten wordt verwijderd, in hoofdzaak nog door adsorptie, en waarom het effect van de bij de waterzuivering toegepaste processen niet veel beter is. Het meeste effect heeft in dit opzicht nog de langzame zandfiltratie, waarbij een verlaging van maximaal 50% optreedt. Wordt uitgegaan van ruw water dat 0,2 tot 0,4 mg/l aan detergenten bevat, dan heeft na snelle en langzame zandfiltratie het reine water een gehalte van 0,l tot 0,2 mg/l (Metropolitan Water Board, jaargemiddelden voor 1954). Er is geen sprake van dat detergenten in deze concentratie op zichzelf genomen smaakbezwaren opleveren; dit geschiedt eerst bij 4 mg/l en hoger. Maar wel moet men zich afvragen of het regelmatig gebruik van drinkwater met enkele tiende milligrammen per liter aan detergente stoffen op de duur niet schadelijk is voor de gezondheid. Om hiervoor een uitspraak te kunnen doen moest in ieder geval beschikt worden over een analysemethode die
ook in deze lage concentraties betrouwbare resultaten geeft (25). Op verzoek van de reeds genoemde commissie is toen door het Department of the Government Chemist de in 1953 door De g e n s e.a. gepubliceerde methode aan een revisie onderworpen (28). De verbeterde methode is gepubliceerd door L o n g w e l l en M a n i e c e (29) (30). Wij hebben beide methoden gebruikt voor het onderzoek van Lekwater op detergenten. Het is gebleken dat ook de verbeterde methode nog gevoelig is voor persoonlijke fouten; toch kon wel worden vastgesteld dat in het Lekwater de concentratie aan detergenten van dezelfde orde van grootte was als iki de Thames. Het onderzoek; dat ook door andere laboratoria van de in de Rijncommissie samenwerkende waterbedrijven wordt verricht, zal worden voortgezet in het bijzonder om na te gaan hoe de persoonlijke fouten kunnen worden geëlimineerd. Blijft nog de vraag waarom sommige detergenten wel gemakkelijk biologisch worden verwerkt en andere riiet. Dit verschil hangt samen met de moleculestructuur. De eerste onderzoekingen dienaangaande brachten aan het licht, dat alkylsulfaten gemakkelijk worden afgebroken, alkylarylsulfonaten niet; omdat laatstgenoemde het meest worden gebruikt was het totale effect van de rioolwaterzuivering in dit opzicht dus slechts gering (26). Nader onderzoek leerde echter dat het niet juist was de alkylarylsulfonaten in het algemeen te veroordelen, maar dat het veeleer zo was dat iedere moleculesoort afzonderlijk op zijn verwerkbaarheid moest worden beoordeeld. Dit onderzoek is, zover ons bekend, nog niet afgesloten. Er is echter geen reden om aan te nemen dat niet binnen een redelijke termijn een of meer stoffen zouden kunnen worden gevonden die voldoen aan alle te stellen voorwaarden: economisch aantrekkelijk voor de producent, acceptabel voor de huisvrouw en gemakkelijk verwerkbaar in een rioolwaterzuiveringsinrichting van normale capaciteit. Dit is een kwestie van vertrouwen in het speurwerk der chemici. In ons land wordt hun dit vertrouwen door vele instanties, ook op het gebied van onderzoek dat ons thans bezig houdt, in ruime mate geschonken. Speurwerk, mits met fantasie, hoop en volharding uitgevoerd, heeft vroeg of laat resultaat. Geld aan speurwerk besteed is ongetwijfeld een risicodragende investering, maar deze kunnen wij ook op het gebied van het wateronderzoek niet missen. Literatuur. 1. F. R o e l s, Handboek der Psychologie. Utrecht-Nijmegen 1934, Deel, 218, 226.
'
2. Metropolitan Water Board, 36 t h Report on the results of the bacteriological, chemica1 and biologica1 examination of London waters for the years 1953-1954. London, z.j. 3. J. K. G. S i l v e y, Water and Water Eng. 58, 376 (1954). 4. K. V i e h l , G.W.F. 96, 105 (1955). 4a.F. M e i n c k en A. S p a l t e n s t e i n , Ges. Ing. 68, 7 (1947). 5. F. W u r t z, G.W.F. 96, 461 (1955). 6 W. Z i m m e r m a n n, Stadtehygiëne 10, 216 (1955). 7. C. C. R u c h h o f t, Ind. Eng. Chem. 46, 284 (1954). 8. K. F r i c k e, Ges. Ing. 74, 395 (1953). 9. H. H. S t r a i n, Chromatographic Adsorption Analysis, New York, N.Y. 1945. 10. J. H o l l u t a en J. T a l s k y, Vom Wasser XXII, 212 (1955). Zie ook G.W.F. 96, 449 (1955). 11. B. B a k , Elementary introduction to molecular spectra. Amsterdam 1954. 12. F. N. H o o g e, Chem. Weekblad 52, 850 (1956). 13. H.C.N.N., Ontwerp Methodes voor het Physisch en Chemisch Onderzoek van Drinkwater, V 1056. Delft 1951. 14. F. T ö d t en H. G. T o d t, Vom Wasser XX,72 (1953). 15. F. T ö d t e.a., Ges. Ing. 75, 225 (1954). 16. W. O h l e, Vom Wasser XIX, 99 (1952). 17. F. T ö d t en G. P e s c h, Ges. Ing. 76, 104 (1955). 18. International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Genève 1955. Waterverontreiniging: o.a. Papers nr 12, 86, 278, 280, 283, 310, 311, 312, 398, 415, 418, 419, 420, 552, 553, 554, 564, 565, 569, 848. Volksgezondheid: o.a. Papers n r 79, 234, 235, 238, 245, 247, 449, 451, 478, 778, 939. 19. A. R. T o d d, The American City, March 1954, p. 88. 20. A. R. T o d d , J.A.W.W.A. 47; 218 (1955). 21. Report of the Committee on Synthetic Detergents, London, H.M.S.O. 1956. 22. B. D i e t e r i c h , G.W.F. 96, 391 (1955). 23. Task Group Report. Characteristics and Effects of Synthetic Detergents. J.A.W.W.A. 46, 751 (1954). 24. J. C. V a u g h n e.a., J.A.W.W.A. 48, 30 (1956). 25. F. J. C o u g h l i n , J.A.W.W.A. 48, 70 (1956). 26. R. H. B o g a n en C. N. S a w y e r , Sew. Ind. Wastes 26, 1069 (1954); 27, 917 (1955). 27. F. S i e r p en H. T h i e l e, Vom Wasser XXI, 197 (1954). 28. P. N. D e g e n s e.a., J. Appl. Chem. 3, 54 (1953). 29. J. L o n g w e l 1 en W. D. M a n i e c e, Analyst 80, 167 (1955). 30. A. A. R o s e n e.a., J.A.W.W.A. 48, 1321 (1956).
door prof. dr. Jan Smit De waterleidingtechnicus heeft vaak de neiging om van de methodiek der bacteriologie meer te vragen dan zij geven kan. Hij wehst de bacteriologische deugdelijkheid van zijn produkt te schatten zonder daarbij de al of niet-gevaarlijkheid van de aanwezige bacteriën in het geding te brengen; hij wenst hun aantal zo nauwkeurig mogelijk te kennen door gebruik van één enkele voor alle soorten drinkwater geldende standaardvoedingsbodem, die liefst alle ongewenste bacteriën binnen een zo kort mogelijke tijd tot kolonievorming moet brengen (immers dit aantal moet de grondslag vormen voor zijn oordeel), terwijl de volledig onschadelijke soorten liefst maar niet moeten groeien, omdat hij hun geen hygiënische betekenis wil toekennen. Hij verlangt van de bacterioloog een snelle en onfeilbare kwantitatieve methode om die vertegenwoordigers van de coligroep te tellen, die de indicatie vormen ener faecale besmetting, waaraan het begrip van gevaar voor de verbruiker verbonden is. Hij wil ook weten wat andere ,,coliachtigen" (zg. ,,coliforms") in het waterbeduiden en hoe hij hun aanwezigheid in zijn beoordeling moet plaatsen. Verder beseft hij, dat niet alle streptococcen gelijk zijn en wil dus weten ,,which is which" en op welke voedingsbodem de hygiënisch belangrijke soort (en), liefst met uitsluiting van andere te kweken is (zijn). Dit zijn nog niet alle vragen die hij stelt, maar de genoemde zullen voldoende zijn om te beseffen, dat ze de bacterioloog danig in moeilijkheden kunnen brengen en dat een afdoende antwoord niet altijd te geven zal zijn. Ook de in 1949 door de N.V. Keuringsinstituut voor Waterleidingartikelen (KIWA) ingestelde Commissie, die de opdracht kreeg, het onderzoek in de verschillende waterleidingen en onderzoekslaboratoria te coördineren (hier aangeduid als Normencommissie) heeft deze moeilijkheden begrepen en heeft daarom afgezien van het stellen van minimum-eisen, maar heeft zich beperkt tot het stellen van Normen, waaraan goed drinkwater in het algemeen moet voldoen en die ook bereikbaar zijn. Een belangrijke afwijking ten ongunste behoeft nog niet
dadelijk tot het afkeuren van het water te leiden, maar suggereert toch een fout, die zo spoedig mogelijk moet worden verholpen. Anderzijds staat het ieder vrij, voor de eigen waterleiding strengere eisen te stellen. Vooral het coli-onderzoek geeft aanleiding tot moeilijkheden en meningsverschillen. Schrijver dezes heeft reeds verscheidene malen geconstateei-d dat velen in binnenen buitenland de neiging hebben, ook aan met moeite opgekweekte en in enkele eigenschappen van het standaardtype afwijkende colibacteriën een indicatie voor gevaar toe te kennen, vergetende dat deze bacteriën door hun verblijf in zuiver water sommige eigensqhappen plegen te verliezen, maar daarmede ophouden indicatoren voor de aanwezigheid van gevaarlijke bacteriën te zijn, omdat de laatste alreeds vóór die tijd afgestorven zijn. De Normencommissie huldigt dit standpunt eveneens, door de proef van Eijkman in haar oorspronkelijke betekenis als gistingsproef te herstellen en dus bij een positieve uitslag geen bevestigende proef op B. coli voor te schrijven. Eijkman heeft immers uitdrukkelijk het verschil tussen ondeugdelijk en deugdelijk water verbonden met een al of niet optredende gisting in glucose-peptonoplossing bij 45 "C, zonder te vragen naar de aard der gistingverwekkende microben. Er is aan deze proef in de loop der jaren veel gedokterd en veel kritiek besteed. De Amerikaanse onderzoekers hebben haar in grote meerderheid verworpen; in Engeland heeft men de neiging, de temperatuur te hoog te beschouwen en haar te verlagen tot 44", onder het motto, dat kennelijk vervuild water bij deze temperatuur wel een gisting vertoont, die bij 45" uitblijft. Zelfs wordt de mening vernomen dat verlaging tot 42" voordeel zou geven, omdat dan nog meer positieve uitslagen verkregen zouden worden. Het zal echter duidelijk zijn dat men daarmee Eijkman's denkbeeld geweld aandoet. Zijn doel was immers niet, zoveel mogelijk colibacteriën aan te tonen, maar uit hun veelheid die kleine groep naar voren te brengen, die hij als aanwijzers ener recente faecale infectie had leren kennen en die zich van vele anderen onderscheidt door een vergisting van glucose bij 45 "C. Men moet hierbij beseffen dat deze temperatuur ongeveer aan de bovenste grens van het uithoudingsvermogen dezer bacterie ligt. Wel heeft Eijkman in zijn eerpublikatie 46" als broedtemperatuur aangewezen, maar later heeft ook hij ingezien dat dit te hoog was. De onvermijdelijke fluctuatie in de temperatuur der broedstoven maakt het nl. waarschijnlijk dat bij een gemid-
delde temperatuur van 46" er ook periodes zullen voorkomen waarin ze nog een fractie van een graad hoger is en dat geeft tot teveel negatieve resultaten aanleiding. De Norrnencommissie heeft zich nu verenigd met de zienswijze, dat de temperatuur tussen 44-45 "C maet worden gehouden, waarbij een, ook tijdelijke, stijging boven 45 " als ,,ongeoorloofd" wordt bestempeld. Men heeft zich verder de vraag gesteld of het aanbeveling zou verdienen,. het te onderzoeken monster en de toegevoegde voedingsvloeistof snel tot 45" te verwarmen en dan in de lucht- of waterstoof te plaatsen. Recent onderzoek heeft echter uitgewezen, dat daarmee te hoge eisen aan de bacteriën worden gesteld: de plotselinge overgang naar de hoge temperatuur verdragen zij slecht, maar zij eisen een korte tijd van aanpassing, waaraari redelijk goed voldaan wordt als men de gevulde flesjes zonder voorverwarming in de stoof zet. De inhoud passeert dan de temperatuur-reeks tot 45" snel genoeg om geen last te hebben van gisting, die men eigenlijk aan een verblijf bij lagere temperatuur zou moeten toeschrijven: de gisting zet door of begint ook na het ogenblik waarop de 45" is bereikt. Op deze gronden ziet de Commissie in de proef van Eijkman een scherp reagens op de aanwezigheid van een ongewenste en mogelijk gevaarlijke besmetting. Is de proef, ook met relatief grote hoeveelheden water negatief, dan mag men acuut gevaar voor de verbruiker afwezig achten, ook al zou men erin slagen, uit een dergelijk monster bij lagere temperatuur en een betere voedingsvloeistof toch nog colibacteriën te kweken. In het bijzonder verwerpelijk lijkt mij de vaak toegepaste werkwijze, volgens welke bij lage temperatuur colibacteriën uit het water worden geïsoleerd en de zo verkregen reinculturen aan een proef bij 44 of 45O worden onderworpen. Men vergeet daarbij geheel dat door deze ,,sanatorium-behandeling" (het reinkweken bij lage temperatuur en in de meest gunstige voedingsbodem) een ,,hersteln van de in het water aanwezige verzwakte bacteriën kan worden verkregen, zodat ze hun vermogen tot suikervergisting bij de hoge temperatuur kunnen terugkrijgen. Zou men op grond hiervan het water veroordelen dan zou men de grote fout maken, de ,,opgekweekte9' colibacteriën als indicatoren van gevaarlijkheid aan te zien, wat ze zonder twijfel niet zijn. Nog een ander inzicht is door de Commissie aanvaard en wel, dat het wenselijk is, de eventuele aanwezigheid van vertegenwoordigers der coligroep door de gistings-
proef bij 37 "C vast te stellen. Niet dat deze, naast een negatieve proef van Eijkman, veel betekenis zouden hebben als indicatoren voor gevaarlijkheid, maar men mag er wel een aanwijzing in zien van een bedrijfsfout, die moet worden verholpen. De term ,,vertegenwoordigers der colig-roep" sluit zich min of meer aan bij wat hier en elders als ,,coli-achtigen" of ,,coliforms" wordt aangeduid: facultatief anaerobe, Gram-negatieve, staafbacteriën zonder sporen, die lactose onder zuur- en gasvorming vergisten. Dat dan glucose op dezelfde wijze wordt aangetast neemt men daarbij stilzwijgend aan. De Normencommissie heeft daarbij alleen willen uitspreken dat zulke bacteriën in goed drinkwater niet thuisbehoren. De waterleidingstechnicus moet zelf maar zijn gevolgtrekking maken. Het is bekend dat uit het zoeken naar ,,coliforms" vóoral in het buitenland een ware coli-jacht is ontstaan, waarbij men naar steeds betere kweekvloeistoffen zoekt, maar geen rekening houdt met de toestand waarin zich de bacteriën in het water bevinden. Een poging om de zo geïsoleerde culturen op grond van hun eigenschappen het stempel: faecale of niet-faecale coli te geven, mag men nauwelijks geslaagd rekenen en ook de Amerikaanse Standard Methods (ge druk 1947, p. 207) stelt vast, dat de beoordeling van een drinkwatermonster op grond van deze onderscheiding der colibacteriën onverantwoord is. Dikwijls heeft zich de vraag voorgedaan of ook nog enige betekenis moet worden gehecht aan de aanwezigheid van coli-achtige bacteriën, die de lactose niet meer kunnen vergisten. Men weet dat ze in kleine hoeveelheid in de zoogdierdarm voorkomen en de vraag is dus niet zinloos. Maar hun aanwezigheid in hygiënisch verdacht water is toch niet denkbaar zonder de tegelijktijdige tegenwoordigheid van vollediger toegeruste colisoorten, die dan de lactose wel zouden hebben vergist. Mochten de lactose-negatieve soorten inderdaad de enig overgeblevenen zijn dan mag men hun aanwezigheid niet meer als een indicatie van enig gevaar zien: het mag wel uitgesloten geacht worden dat men in dat geval met een of andere ongewenste Salmonella-soort te maken zou hebben. Ook aan de kwantitatieve zijde van het onderzoek kleven nog moeilijkheden. In wezen is de keuze van een kwantitatieve norm, bv. die van het aantal bij 20-22" kweekbare bacteriën in gelatine, volkomen willekeurig: niemand kan met zekerheid bewijzen dat en waarom een water met 150 kiemen wel verdacht moet worden be-
schouwd en met 50 kiemen niet. Hetzelfde geldt natuurlijk voor de hoeveelheid water waarin men bij voorkeur B.coli afwezig wil zien. Maar de gegeven getallen zijn eer-Z
te lande door dr. W. Kauffmann beproefd en veelbe-
*
- :-.asgenomen, vervalt weliswaar in de glutaminezuurvloeistof, maar dat is in zekere zin een voordeel omdat de gevallen -ez&van gisting zonder kleuromslag of kleuromslag zonder " gisting, tot twijfel en verschillende opvattingen aanlei-.e ding geven, die hier vermeden worden. , p 2 L ~ - ~De membraanfilter-methode is in principe een ideale +:%werkwijze: men kan voor de praktijk zeer grote volumina _-;?&i water (mits de hoeveelheid zwevende stof zo klein is dat = y h e t filter niet verstopt) onder een geringe onderdruk door het geprepareerde membraan zuigen, waarna de ' K.-:achtergebleven-kiemen gelegenheid krijgen zich tot kolo-'niën te ontwikkelen, waarvan het aantal geteld kan worIzden. Deze ontwikkeling wordt mogelijk als het filter op
=
.-
=
L
:
l -
-':'g
,c
e .
.
-
2
.
: c -2 e!=
1 =
- -
4-
r&: G
3
-M
--F * =.'a-
55
e =
'-
-
een vaste voedingsbodem van geschikte samenstelling wordt gelegd en daarna, beschut tegen uitdroging, enige tijd wordt bebroed. De methode, toepassing van de vanouds bekende ultrafilter op de bepaling van bacteriën in water, dateert van ongeveer 1943 (Schutz en Kruse, 1943) maar is later voornamelijk in Duitsland (Membranfilter Gesellsch. in Göttingen) en Amerika (dr. Goetz aan het Califorina Institute of Technology te Pasadena) verder ontwikkeld tot een zeer bruikbare en dan ook in tosnemende mate toegepaste methode. Vooral het coli-onderzoek en in veel mindere mate dat naar pathogenen heeft er voordeel van. Voor het tellen'van het aantal colibacteriën in een watermonster lag het min of meer voor de hand, het filter, n a doorzuigen van het water, op een Endoplaat over te brengen, in de Verwachting, dat de in het filter diffunderende bestanddelen een ontwikkeling van de bekende rode colikoloniën zouden veroorzaken. In grote trekken is aan die verwachting wel voldaan, maar toch bleven enige wensen onvervuld, omdat vaak de ontwikkeling der koloniën onvoldoende is, of de kleur niet sprekend genoeg. Om deze te bevorderen willen sommigen een dubbele behandeling toepassen, waarbij het filter eerst 1of 2 uur op een rijkere voedingsbodem te land komt, waardoor de aanwezige bacteriën in hun logarithmische groeifase komen, zodat n a verplaatsing van het filter naar de Endoplaat de kolonievorming beter en sneller geschiedt. Later (Gwtz 1952) heeft men de beide voedingsmedia in één, dubbel filter verenigd, zodat de verplaatsing niet meer nodig is. Mep zal van mij de opmerking verwachten, dat deze werkwijze weer geen rekening houdt met de toestand waarin de colibacteriën zich in het te onderzoeken water bevinden: zij die een extra voeding nodig hebben vóór ze zich op de Endoplaat behoorlijk ontwikkelen, zijn weer de verzwakte bacteriën, in welke men niet meer de indicatoren van een gevaarlijke vervuiling kan zien. Het gebruik van eosinemethyleenblauw platen in plaats van Endoplaten verandert daaraan weinig: mocht de meerderheid der koloniën het type van Aerob. aerogenes hebben, dan betekent dit iets anders dan wanneer B.coli de meerderheid uitmaakt, maar men wint maar weinig voor een oordeel over het water zelf. Het heeft ook in de literatuur niet aan kritiek ontbroken. Een van de bezwaren is, dat op de Endoplaat oolr nog andere bacteriën kunnen groeien (,,background growth") , die de ontwikkeling en het 'tellen der colikoloniën kunnen bemoeilijken. Dit is vooral het geval indien een voorcultuur op een andere
men desgewenst nog eens Str. faecalis door enige andere eigenschappen, bv. de telluriet-resistentie, die tegen 6,5% NaCl en een pH van 9,6 benevens de groei van 45 "C, nader definiëren kan. Voor het routine onderzoek heeft de Normen-commissie de zwarte kleur der koloniën op tellunet-agar voldoende geoordeeld. Wat de hygiënische betekenis dezer streptococcen betreft bedenke men, dat zij tot de in de meeste watersoor57
%
ten vrij snel afstervende bacteriën behoren, zoals reeds in 1930 door dr. L. H. Louwe Kooymans gevonden werd. Vindt men dus ontwijfelbare Str. faecalis in een waterbron, dan valt daarop de verdenking, dat de natuurlijke reinigingsprocessen nog niet zijn afgelopen en dat men dus het water niet als volledig betrouwbaar mag aanzien. Meestal zal het daarnaast uitgevoerde coli-onderzoek deze mening wel bevestigen, maar het schijnt een enkele maal voor te komen, dat colivrij water toch streptococcen bevat. Of dit werkelijk Str. faecalis was is mij niet bekend. Afwezigheid van deze bacterie, hoewel in het algemeen een gunstig teken, kan, gezien hun korte overlevingsduur, zonder nadere bevestiging door het colionderzoek, niet als afdoende voor de goedkeuring van het water gelden. Zolang nog geen internationaal aanvaarde n o m e n gelden is het niet verwonderlijk dat in verschillende landen de klemtoon verschillend wordt gelegd. Ik noemde reeds de Engelse opvatting, die aan de proef op Cl. welchii grote waarde hecht, terwijl de Amerikaanse het onderzoek op streptococcen volkomen negeert en in Nederland aan de proef van Eijkman groter gewicht gehecht wordt dan elders. Maar overigens vindt men de nationale verschillen hoofdzakelijk terug in de samenstelling van de gebruikte voedingsbodems. Terwijl in de angelsaksische landen en in Nederland de vloeistof volgens MacConkey grote voorkeur geniet en de glutarninezuurvoedingsbodem nog nergens behalve hier wortel geschoten heeft, gaat Franse voorkeur voor het coli-onderzoek meer uit naar phenolhoudende vloeistoffen, waarin de vorming van indo1 de uitkomst van de proef bepaalt. In Duitsland zoekt men de remming van andere dan colibacteriën te verkrijgen door toevoeging van bacteriostatische kleurstoffen. In Amerika heeft de zg. Tergitol-7-agar enige voorstanders verworven (Chapman 1947), omdat daarop remming van grampositieve bacteriën en gramnegatieve sporevormers wordt verkregen. Voorlopige proeven te Rotterdam genomen, ook onder toevoeging van triphenyltetrazoliurnchloride (T.T.C.) waren niet zeer overtuigend. Een overzicht over de eisen of normen waaraan in verschillende landen goed drinkwater moet voldoen toont een verschillend beeld al naar men te maken heeft met een centrale voorziening van enige omvang, waar in vele gevallen desinfectie met chloor plaats heeft, of dat men een oordeel moet vellen over de voorziening van een kleine gemeenschap (boerderij), waar men van centrale voorziening is verstoken. Terwijl men in het eerste geval
geneigd is, de strengste eis nauwelijks voldoende te vinden, laat men zich in het tweede voornamelijk leiden door het hygiënische onderzoek der omgeving en bij het bacteriologische onderzoek gelden zeker niet de normen, waarvan men in het eerste niet wil afwijken. Maar hoever men gaan wil en welke eigenschappen van het water men nog aanvaarden kan laat zich niet voor alle gevallen vastleggen en de gekozen standaard draagt dus alle eigenschappen van willekeur. Zo stellen de Engelse voorschriften (1939) de wenselijkheid vast dat niet meer dan 10-25 colibacteriën per 100 ml aanwezig zullen zijn. De Nederlandse Normen voorzien hierin niet en stellen slechts de verschillende waarden vast van wat men onder ,,betrouwbaar drinkwater" heeft te verstaan, zonder daarmee te zeggen dat elk water met lagere waarden als gevaarlijk behoeft te worden bestempeld. Ze laten dus aan de beoordelaar een grote vrijheid, die door hen niet zelden weinig wordt gewaardeerd. Onlangs is een rapport verschenen van een Europese Studiegroep uit de World Health Organisation, bevattende Standards of Drinking Water Quality (Palais des Nations te Genève), waarin o.m. bacteriologische onderzoekmethoden worden beschreven en voor ,,Public Supplies of Drinkingswater" aanbevelingen worden gegeven aangaande de gewenste bacteriologische toestand. Voor het coli-onderzoek geldt maar één eis: in niet meer dan 5% van de gedurende een jaar onderzochte monsters van 100 ml mogen een of enkele ,,coliform organisms" voorkomen. De methodiek sluit zich vrijwel geheel aan bij die van de Amerikaanse Standard Methods en de voorschriften van het Engelse Ministry of Health. Van de beide andere als indicatoren gebruikte bacteriën, Str. faecalis en Cl. Welchii, wordt niet anders gezegd dan dat hun vondst een belangrijke bevestiging kan zijn voor de uitkomst van het coli-onderzoek. Vóór de vaststelling van dit rapport zijn wel enige bedenkingen teberde gebracht door het Nederlandse lid, drs. J. H. Boorsma, maar men vindt daarvan maar weinig terug in het rapport, dat ik dan ook niet zeer bevredigend kan vinden. Intussen is een nieuwe uitgave verschenen van de EngeBe voorschriften (London. Her Majesty's Stationery Office, 1956), waarin met veel verkregen ervaring is rekening gehouden. Men vindt o.a. een korte vermelding .van de glutaminezuur-methode en het gebruik van membraanfilters maar in principe zijn methodiek en be-
oordeling niet veranderd. Ofschoon het aantonen van Str. faecalis vrij uitvoerig wordt beschreven vindt men daarnaast een zinnetje als (blz. 34) ,,het zoeken naar faecale streptococcen in water wordt niet aanbevolen als een routine-bepaling", dat de Nederlandse o~derzoekerzonderling aandoet. Ook in Frankrijk zijn ,,Instructions générales relatives aux eaux d'alimentation" opgesteld (Journ. Off. de la Républ. francaise, des. 1954)) waarin men i.z. het colionderzoek slechts vermeld vindt dat elk drinkwater dat 1 i$.coU of meer pek 50 ml bevat als ,,impropreHmoet worden beschouwd. Het zoeken naar streptococcen en Cl. Welchii wordt ,,peu sensible" geacht, maar dit boekje doet een nieuw geluid horen in zover als het rekening houdt met het mogelijk voorkomen en aantonen van bacteriophagen, waarvan men weet dat ze vaak met faecaal materiaal worden uitgescheiden. Het zal nuttig zijn deze kwestie nader te overwegen. In België en Duitsland bestaan geen vaste voorschriften voor de bacteriologische kwaliteit van drinkwater, maar in het laatstgenoemde land heeft men in de zg. Einheitsverfahren zur Wasseruntersuchung de voornaamste voorschriften samengevat. Alles samenvattende wil het mij voorkomen dat, ondanks de overweldigende hoeveelheid literatuur, steunend op een machtige hoeveelheid onderzoek, op vele punten het klare inzicht nog ontbreekt in wat het bacteriologische wateronderzoek ons over de hoedanigheid van het water leren kan.
-
Bouwfysica (akoestiek)
2
door prof. dr. ir. C . W . Kosten
m
;,
a. dat de hoteikamers in de onmiddellijke omgeving van toiletten of badkamers feitelijk meestal onbewoon- ,
toon (680 Hz) heeft een golflengte van slechts 50 cm, enz. Men bedenke, dat de orkeststemtoon 440 Hz bedraagt. Voor de beschrijving van de ,,sterkte" van een geluidgolf kunnen we bv. gebruik maken van de grootheden geluiddruk en intensiteit. De geluiddruk p, of kortweg de druk p, is de wisselende kleine afwijking van, of de rimpel op de barometrische druk tengevolge van het geluid. Onder de intensiteit I verstaat men de geluidenergie, die per seconde door 1 m2 oppervlak stroomt, d.i. het geluidvermogen per m; eenheid watt/m2 (afgekort W/m2). De numerieke waarden van p en I zijn vrij klein, doch lopen zeer sterk uiteen. Zo varieert p van 2 X 10-s newton/m2 (d.i. 2 X 10-l0 atm) bij de gehoordrempel tot 200 newton/m2 (d.i. 2 X 10-3atm) bij de pijngrens. De bijbehorende waarden van I zijn 1 0 - 1 ~ / m 9 e s p100 . W/m2. Deze omstandigheden maken het werken met druk en intensiteit zelf soms uitermate onpraktisch. Men werkt dan met het zg. drukniveau L of het intensiteitsniveau L. Door eenvoudige afspraken heeft men bewerkstelligd, dat beide niveaus dezelfde waarde hebben (zodat men kortweg van het niveau van een golf kan spreken), en dat het niveau nul overeenkomt met de gehoordrempel (zie Tabel I). TABEL I. Bij elkaar behorende waarden van druk, intensiteit en niveau, met enkele typerende geluiden ter illustratie geluiddruk p 2 X 2 X 2 X 2 X 2 X 2 20 200
intensiteit I
10-5 N/m210-l2W/m2 I O - ~ ,, 10-l0 ,, 103 ,, 10-~ ,, 10-2 ,, 10-G ,, 10-1 ,, 1 0 - ~ ,,
niveau L
,, m-"
,, 7,
O dB 20 ,, 40 ,, 60 ,, 80 ,, 100 ,, 120 ,,
7,
t,
140
1 100
,,
voorbeeld gehoordrempel ritselen van bladeren fluisteren l m gesprek l m luide radio claxon nabij mitrailleur pijngrens
Uit Tabel I ziet men, dat de definitie van niveau blijkI P decibel (afbaar is: L = 10 log-_ = 20 log 2 x 10-s 10-l2 korting dB). Voor elke factor 10 in I neemt L 10 dB toe, dus 20 dB voor een factor 100, 30 dB voor een factor 1000 in I, enz. Echter voor elke factor 10 in p neemt L 20 dB toe, dus 20 dB voor een factor 10, 40 dB voor een factor 100 in p, enz. Het begrip intensiteitsniveau is dus vergelijkbaar met de pH-waarde der scheikunde. De acusticus zou, konsekwent doorredenerend, ertoe kunnen komen, te beweren,
dat de pH van water -70 decibel of -7 bel is. Hij zou de scheikundige echter vragen waarom deze de decibelpeilstok ondersteboven houdt. Dat voor de beschrijving van de sterkte van een golf wel liefst vier verschillende grootheden worden gebruikt, druk, drukniveau, intensiteit en intensiteitsniveau, heeft zijn goede redenen. Vele microfoons reageren op druk, echter geen enkele op intensiteit, waardoor druk en drukniveau in de meettechniek een belangrijke rol spelen, Daarentegen is de intensiteit in sommige energetische akoestische problemen een eenvoudiger grootheid dan de druk, bv. bij nagalmbeschouwingen, lawaaireductie. Zelfs zijn onze behoeften aan grootheden nog lang niet opgesomd. Zo is het totale akoestische vermogen van een of andere geluidbron, bv. een ventilator, een onmisbare hulpgrootheid. Hetzelfde geldt voor het totale akoestische vermogensniveau L,, dat O genoemd wordt bij een vermogen van 10-l2watt en 10 dB toeneemt voor iedere factor 10 vermogensaanwas, evenals het intensiteitsniveau dus. Hierdoor gaan L, en L gelijk op en neer. Een ventilator met een 10 dB hoger vermogensniveau L, veroorzaakt overal een 10 dB hoger intensiteitsniveau L. 3. Het nut van niveauspectra
Tot nu toe is gemakshalve gedacht aan een golf van een enkele toonhoogte, een zuivere toon. Bij de lawaaibestrijding heeft men steeds te doen met een complex geluid, geluid met vele componenten, geluid dat men kan denken een samenstel van oneindig vele zuivere tonen te zijn, elk met een passende sterkte. Het is duidelijk, dat men de sterkte van zo'n geluid ondoelmatig karakteriseert door slechts op te geven de totale intensiteit I of het totale niveau L. Een bepaald gebrom kan eenzelfde niveau hebben als een gefluit of gesis. De mens zal ondanks de gelijke niveaus beide geluiden in het algemeen niet even luid vinden, zal door beide geluiden ook in verschillende mate worden gestoord en hoort natuurlijk het klankverschil, terwijl de geluiden tenslotte op verschillende wijzen zullen moeten worden bestreden. Om deze redenen beschrijft men complexe geluiden niet met één getal, bv. het totale niveau, doch met niveau en niveauspectrum, m.a.w. met sterkte en sterkteverdeling over de verschillende toonhoogten. Een niveauspectrum van een geluid verkrijgt men als volgt. Met een geschikte meetapparatuur meten we het niveau van die tonen uit het gehele complexe geluid, waarvan de frekwenties liggen in een bepaalde frekwentieband, zeg van
100 tot 200 Hz, vervolgens van de band 200.. .400 Hz, 400 . . .800 Hz, enz. De reeks getallen, weergevende het niveau in de verschillende banden (in het gegeven geval banden ter breedte van één octaaf), vormen tezamen het zg. spectrum. Grafisch stelt men zo'n spectrum voor in een niveau-frekwentie diagram met behulp van een vloeiende lijn door de gevonden punten. Men kan uiteraard het spectrum met meer punten vastleggen door te meten in nauwere frekwentiebanden, bv. 1/3 octaaf breed, en krijgt dan een spectrum waaruit meer details van het complexe geluid naar voren komen. Het voordeel van deze spectrale beschrijving van het geluid is, dat men hierdoor de problemen grotendeels terug heeft gebracht tot die van zuivere tonen. Zo kan men de tonen tussen 400 en 800 Hz bestrijden als geluiden van 600 Hz, zonder al te grote fouten te maken. Voorts leert het spectrum in welk frekwentiegebied de hinderlijkste componenten voorkomen, op welk front de strijd dus in eerste instantie moet worden gevoerd.
sola at ie contra absorptie; luchtgeluid contra contactgeluid Isoleren van het geluid is het voorkomen, in de mate waarin dit mogelijk is, van voortplanting van het geluid, bv. van het ene vertrek naar het naburige (luchtgeluidisolatie) of van een betonnen kolom naar een erop steunende betonnen vloer (contactgeluidisolatie). Constructies die goed isoleren, dus weinig doorlaten, ontlenen hun kwaliteit doorgaans hieraan, dat zij het invallende geluid in hoge mate reflecteren (zie afb. 1). Absorberen van geluid is het omzetten van geluidenergie in warmte, waardoor het als zodanig verdwijnt. Doorgaans grijpt men naar absorptiematerialen als men de reflectie van invallend geluid op een wand wil verzwakken. Bij isoleren is steeds sprake van de geluidoverdracht 4.
Afb. 1 Een muur met een luchtgeluidisolatie van 40 dB (links) en een muur met een bekleding waarvan de absorptie-coëfficiënt 7fi0/o bedraagt (rechts).
van één ruimte naar een tweede. Bij absorptie hebben wij slechts belangstelling voor de ruimte waarin we ons zelf bevinden. Enigszins schematiserend zou men de tegenstelling nog kunnen verscherpen door te beweren dat isoleren ongeveer hetzelfde is als doelmatig reflecteren, absorberen juist het tegenovergestelde. Isoleren en absorberen doet men met verschillende middelen. Het is derhalve zaak deze begrippen scherp te scheiden, de problemen waarvoor men staat scherp te stellen. Doet men dit niet, dan loopt men gevaar de verkeerde middelen toe te passen met alle nadelige, soms grote financiële gevolgen van dien. Het door elkaar halen van de begrippen isolatie en absorptie komt helaas al te veel voor, zelfs in reclamefolders van bouwmaterialenfabrikanten. Men zij op zijn hoede. 5.
Geluidabsorptie
Bij reflectie van geluid tegen een wand gaat steeds een zekere energiefractie als geluid verloren. Deze fractie (soms in procenten opgegeven) noemt men de geluidabsorptiecoëfficiënt a van de wand. Men kan a verhogen, de wand dus beter absorberend maken, door een geschikte absorberende laag op de wand aan te brengen; a hangt o.a. af van de toonhoogte. Men kan de absorberende lagen als volgt classificeren naar hun absorptiegedrag: a. Maximum absorptie b.ij de lage frekwenties (zie afb. 2, kromme 1) Hiervoor komen vooral in aanmerking panelen van enkele millimeters dikte, bv. 3 mm multiplex, op regels aangebracht, op een afstand van enkele centimeters voor de harde wand. De luchtlaag is soms gevuld met lichte, poreuze, veerkrachtige vulmaterialen. Deze constructies absorberen zg. door resonantie. Zij hebben een zg. eigenfrekwentie, een toonhoogte waarin de massa van het paneel kan resoneren op de vering van de luchtlaag erach: l
-
Frequentie
Afb. 2 Typerende absorptiekrommen voor absorberende constructies van verschillende klassen: 1. niet geperforeerde panelen o p luchtlaag; 2. geperforeerde panelen op luchtlaag; 3. poreuze lagen.
w
w
'
ter. Heeft het invallende geluid een niet teveel hiervan afwijkende toonhoogte, dan trilt het paneel behoorlijk mee, hetgeen gepaard gaat met geluidvernietiging, geluidabsorptie. Zeer effectief absorberen deze constructies doorgaans niet. a is niet zeer hoog, zelfs niet in de absorptietop; het frekwentiegebied van redelijke absorptie is niet zeer breed. b. Maximum absorptie bij midden-frekwenties (zie afb. 2, kromme 2) Hiertoe behoren de geperforeerde panelen, waarachter een luchtlaag gevuld met vezelmateriaal. De perforatie behoeft slechts vrij klein te zijn, zeg 10%, en kan bestaan uit gaatjes of spleten. De panelen zijn bij voorkeur enkele millimeters dik; hun grondstof doet er niet toe (hout, hardboard, metaal, gips, enz.). Perforatie met spleten kan men gemakkelijk verwezenlijken door latjes of planken op enige onderlinge afstand naast elkaar te groeperen, het geheel weer op een luchtlaag met passende vulling. I n deze klasse vallen ook de vezelplaten met ingeboorde gaten of ingezaagde spleten. c. Maximum absorptie bij hoge frekwentie (zie afb. 2, kromme 3) Deze klasse bevat alle poreuze lagen in uiteenlopende dikte en dichtheid. De grondstof kan zijn een vezelmateriaal van organische of minerale oorsprong, doch ook korrelig, poreus, keramisch materiaal kan goed voldoen. Bovenstaande klassificatie is uiteraard zeer schematisch. Zo kan men bv. ook de midden- en zelfs de lage frekwenties goed absorberen met ,,klasse c-materialen", indien de laagdikte groot is en de luchtweerstand goed. Ook geperforeerde constructies (b) kunnen bij verstandige uitvoering de lage frekwenties absorberen (a). Het doen van de goede greep in een bepaald geval is het werk van de expert. '
Voorbeeld geluidabsorptie en niveauberekening Stel het totale geluidvermogen der geluidbronnen in een ruimte P (watt). Er zal zich nu een zodanige geluidintensiteit I instellen, dat er evenwicht is tussen geproduceerd en geabsorbeerd vermogen, dus P = I X a X wandoppervlak S. a X S noemt men de totale absorptie A van het vertrek, dus P=IA. Nooit zullen alle wanden evenveel absorberen. Dan zal P = Ia,S, Ia,S, + Ia$, + - - 6.
+
waarin a, a, a3-- - de absorptiecoëfficiënten zijn van de wanddelen met oppervlakte S , S, S, - - -. P
=I
(alSI
+ a,S, + a3S, + ---1
= IA. A heeft de m2 als eenheid, genoemd de m2 open raam, daar de absorptie A van een open raam gelijk is aan zijn oppervlak S ( A = 1S = S ) . Vertienvoudigt men het aantal m2 open raam in een ruimte, dan zal I 10 X kleiner
worden, daar P constant is. Het intensiteitsniveau neemt dus 10 dB af. De mens zal deze niveaudaling ongeveer waarderen als een halvering der luidheid. Dit gunstige resultaat is slechts in extreme gevallen mogelijk; er is nl. altijd vóór de behandeling al een zekere absorptie A, waardoor vertienvoudiging of onmogelijk of te kostbaar wordt.
7. Luchtgeluidisolatie Onder de isolatie van een wand, plafond of vloer verstaat men ruw gesproken de niveauverlaging van het doorgelaten geluid t.o.v. het invallende geluid. Is het doorgelaten geluid 50 dB zwakker dan het invallende geluid, dan noemt men de isolatie 50 dB. Men merke op, dat de absorptiecoëfficiënt als fractie gedefinieerd is, en dat a = 50% reeds een behoorlijke absorptie is. 50 dB isolatie komt overeen met een doorgelaten fractie 0,000 01 (0,001%) , waaruit men ziet dat voor isolatiebeschouwingen de decibeltaal onontkoombaar is. Goede luchtgeluidisolatie krijgt men met zware, vrijwel luchtdichte constructies. De isolatie wordt beter met stijgende frekwentie (zie voorbeeld in afb. 3), doch, ook met stijgende massa van de constructie per m2 (zie afb. 4)
Het is mogelijk goed te isoleren met luchtdichte, vrij
Afb. 3 Enkele typerende isolatiekrommen; de isolatie neemt toe a. één-steensmuur, met het aantal kglm2 en met de toonhoogte (Hz). 385 kglmg; b. 100 kglmz metselwerk; c. 15 m m hout.
dB 50
' ti
25
i
-
100 200 windmassa in kg/m2
Afb. 4
400
600
isolatie gemiddeld tussen 100 en 3200 Hz, in afhankelakheid van de wandmassa.
lichte, speciale constructies. Het zou te ver voeren hierop verder in te gaan. 8. Contactgeluidisolatie
Van de contactgeluidisolatie willen we één speciaal voorbeeld bespreken. Een motor, star verbonden aan bv. een betonnen vloer, zal motorgegons (of erger) afgeven aan de vloer. Dit kan soms tot op grote afstand worden voortgeplant en bij afstraling in een rustig vertrek in hoge mate irriteren. Hiertegen is het middel het vrijmaken van de motor van de vloer. Men stelle de motor verend op, op stalen veren of op rubber, vilt, kurk, e.d. Men moet iedere starre verbinding tussen motor (de contactgeluidbron) en de vloer vermijden, dus flexibele leidingen gebruiken. Ook make men niet de veelvoorkomende fout de motor verend op te stellen, doch daarna wederom met de vloer te verbinden via bouten door de verende laag heen. Het ontwerpen van een verende ondersteuning voor snellopers is eenvoudig: een vrij stugge vering is reeds afdoende. Naarmate de motoren langzamer lopen, moet doorgaans een slappere vering worden toegepast. Voor toerentallen beneden 500 omw/min leidt dit vaak tot dusdanig slappe ondersteuningen, dat de opstelling te weinig stabiel wordt. De berekening geschiedt als volgt. Stel de laagste frekwentie vast, welke men isoleren wil. Vaak is dit het motortoerental (aantal omw/seconde) . Ontwerp vervolgens een vering die zo slap is, dat de resonantiefrekwentie van de motor op de verende onderlaag minstens twee keer lager is dan eerstgenoemde stoorfrekwentie. De resonantiefrekwentie berekent men uit
waarin g = 9,81m/sed en f de sttitische (dus zichtbare) invering van de laag onder het machinegewicht. 1 cm invering leidt tot n,,, = 5 Hz, enz. Dit verband is zo eenvoudig, dat men vaak met een duimstok de kwaliteit van een verende ondersteuning kan meten.
'
11. DE TECHNIEK VAN DE LAWAAIBESTRIJDING 9. ,,Planning9'
Veel onheil kan worden voorkomen door een weinig gezond verstand. Bij nieuwbouwplannen scheidde men ,,stilleHen ,,lawaaiigepy ruimten zover mogelijk. Men legge een vergaderzaal niet naast een machinehal met compressoren, een directeurskamer niet onder een vloer waarop hollerith-machines staan, enz. Voorts bedenke men, dat deuren en ramen slechte constructies zijn wat luchtgeluidisolatie betreft. Zij zijn dan ook ontoelaatbaar in scheidingsmuren met hoge isolatie. 10. Bestrijding bij de broig Na de planning komt de aankoop en opstelling van
machines. Bij de aankoop is het gewenst, te bedenken dat elk werktuig lawaai kan maken en men zal zo mogelijk een rustig type bestellen. Vervolgens kan door verstanaige opstelling nog veel worden bereikt (afb. 5). Men vrage zich af of het werktuig luchtgeluid afgeeft of contactgeluid of beide. Geeft de bron contactgeluid af, wat doorgaans het geval is, dan houde men de bron zo los mogelijk van vloer of wand om te voorkomen, dat het geluid zich door de vaste materie van het gebouw overal heen verspreidt. Motoren, pompen, compressoren stelle men zo mogelijk elastisch op; alle toe- en afvoerleidingen make men dan elastisch en gedempt (zie 8).
Afb. 5 Lawaaibestrdding b@ de bron. a. luchtdichte ombouwing fluchtaeluidisolatieì: b. absorberende binnenbekledino (niveauverlaging binnen);.c. contactgeluidisolatie naar vloer; d. jlexibele aanzuigleiding (contactgeluidisolatie van trillingen langs de leiding) uitlaat dito; e. absorptiedemper (luchtgeluidisolatie, zie 12).
69
Het middel tegen afgifte van luchtgeluid is uiteraard (zie 7) het ombouwen van de lawaaibron met een luchtdichte zware constructie. De binnenzijde van de ombouwing voorzie men van voldoende geluidabsorptie, omdat anders het geluidniveau binnen de ombouwing zich zeer hoog zou kunnen opschommelen (zie 6), en het doorgelaten geluid nog vrij sterk zou zijn, zelfs als de ombouwing goed zou isoleren. Ramen en deuren in de ombouwing vermijde men zo mogelijk, of men make ze van goede kwaliteit (geen naden en kieren! ) . Men make niet de fout te willen isoleren met absorptiematerialen. Een ombouwing van een licht, poreus, absorberend materiaal isoleert zeer slecht, slechter dan een eenvoudige goedkope ombouwing van hardboard. Het ombouwen zal slechts zelden tot de mogelijkheden behoren. Men overwege dan of men het machinepark niet kan splitsen in ,,stillep' en ,,lawaaiige2*machines ondergebracht in gescheiden ruimten. Gedeeltelijke inkapseling - is soms ook mogelijk. 11. Lawaaibestrijding
Is het middel van heeft men een grote ruimte met een aantal geluidbronnen zoals een pompstation, een compressor~uimte,een kantoorruimte, dan kan men door toepassing van absorptiemateriaal, bv. tegen het plafond of tegen de zijwanden boven handbereik, trachten het geluidniveau laag te houden. Men hoort nog wel alles, maar iets zwakker en alleen maar uit de richting waar men de bron ziet. Hoewel het aantal decibels soms slechts weinig daalt, zeg van 68 naar 65 dB, is het werken en telefoneren in zo'n ruimte veel minder vermoeiend. Combineert men in een kantoorruimte een sterk absorberend plafond met een gedeeltelijke, gebrekkige scheiding tussen de individuele employé's (bv. 4 mm glas, 2 meter hoog), dan heeft men voor kantoren reeds een volkomen afdoende onderlinge isolatie (zie afb. 6). Als een direct criterium voor de mate van geluid-
Afb. 6 Een kantoorlokaal k e t sterk absorberend plafond (zeg 5 cm dikke, goed absorberende laag) en gedeeltelgke scheidingswanden met matige luchtgeluidisolatie (zeg 20 dB).
de eigenlijke hal, sterk absorberend aan de binnenzijde waar men staat te telefoneren (afb. 7). 12. In- en uitlaatpijpen
Compressoren voor filterspoeling zijn machtige lawaaibronnen. Essentieel zijn leidingen voor toe- en afvoer van lucht. Als deze luchtstroom zonder schokken, volkomen gelijkmatig, constant in de tijd zou plaatshebben, zou de lawaaiproduktie minimaal zijn. Compressoren werken doorgaans echter stootsgewijs, d.w.z. zij wekken luchttrillingen, dus lawaai op. Men kan het hierbij slecht treffen. Resoneert de inlaatpijp op de opname-frekwentie van de compressor (het aantal keren per seconde dat de compressor lucht opneemt uit de inlaatleiding) dan zal de inlaatleiding als een machtige orgelpijp tot in verre omtrek hindefen. Een voor de hand liggend middel om dit te voorkomen, een rrfiddel dat in Bergambacht met succes is toegepast, is nabij de compressor een doodlopende
A f b . 8 Isolatievoorzieningen op advies v a n d e Technisch Physische Dienst v a n T.N.O. e n T.H. t e D e l f t aangebracht in de aanzuig- e n a f voerleidingen v a n e e n luchtcompressor voor filterspoeling in h e t filtraatpompgebouw v a n h e t waterleidingpompstation t e Bergambacht. a. zijspruit afgestemd o p 100 trillingen per seconde; b. flexibele koppeling; c. absorptiedemper.
t
filterbakken
aangezogen lucht dB
2: .bn '" eo$70-
,
j 60 -
L wrspronkelijk
L------.
met voorzieningen
ais boven
: k.
--.\ ..
'-.'.
C 11
oS
a L B&'="
I:
l0 50
-
100 200
400
e i 0 1600 3180 6;OOHz Frequentie
zijspruit op de leiding te zetten die men afstemt op de grondtoon van de compressor (afb. 8). Men voert deze uit als schuiftrompet en ,,schuiftp'het meeste lawaai weg. Absolute stilte bereikt men zo nooit, ware het slechts omdat een compressor niet alleen de grondtoon levert, doch ook boventonen. De grondtoon kan men met de zijspruit wegnemen, het overige lawaai verspert men de weg naar buiten door een absorptiedemper in de leiding op te nemen tussen compressor en inlaat. Zo'n absorptiedemper in de eenvoudigste vorm is een cilindrisch vat met poreus absorberend materiaal waarin een geperforeerde buis loopt voor het luchttransport. Aan de uitlaatzijde (drukzijde) voert men zonodig dezelfde voorzieningen uit. Soortgelijke maatregelen kan men uiteraard toepassen in alle gevallen waarin men gasstromen moet doorlaten doch het lawaai de weg wil versperren, bv. aanzuigen van koellucht. 13. Waterleidinginstallaties in gebouwen, bv. woningen De veelheid van problemen met hun oplossingen en mogelijke fouten maakt het vrijwel ondoenlijk ze alle te bespreken. Bovendien accepteert men doorgaans waterleidinglawaai met zo'n onbegrijpelijke gelatenheid, dat de voor de hand liggende maatregelen in vele gevallen nog nauwelijks in de praktijk geprobeerd zijn. Wij zullen ons dan ook beperken tot het signaleren van enkele problemen en het aangeven van mogelijke oplossingen. a. Elke kraan is een lawaaibron. Er bestaan echter kranen met gestroomlijnde onderdelen die minder lawaai maken. De kraan is een contactgeluidbron, hij geeft zijn lawaai af aan de wand waarop hij zit, en aan de toevoerleiding, die op haar beurt verderafgelegen constructiedelen doet trillen en deze tot geluidafstraling brengt. Een middel hiertegen is de kraan niet star aan de wand te bevestigen, doch flexibel. Verder kan, indien de toevoerleiding zelf de geluidtrillingen niet voldoende dempt (zie punt b), een speciale geluiddemper (elastische koppeling) aangeFacht worden, hetzij ergens in de leiding (afb. 9) of direct achter de kraan (afb. 10). b. Geluid, dat zich voortplant langs waterleidingbuizen, wordt gaandeweg verzwakt, d.w.z. omgezet in warmte, vnl. in het buismateriaal. Het heeft zeker zin te zoeken naar buismateriaal met grote inwendige verliezen, teneinde de demping per meter zo groot mogelijk te maken. De moderne plastic buizen dempen veel meer dan loden en koperen buizen. c. Sanitaire installaties in aangrenzende ruimten
Afb. 9 a. Elastische koppeling voor waterleidingbuizen (rechts compleet, links met afgenomen mantel), bestaande uit rubberslang, met klemmen bevestigd op canules. Flenzen en mantel verend bevestigd doordat rubberslang tot onder de flenzen doorloopt. Oliekous om slang aangebracht ter beveiliging bij extra hoge druk (geinstalleerd in de Proefwoningen T.N.O. te Rotterdam). b. Demping door deze elastische koppeling (uit nog t e verschijnen rapport van de Afd. Gezondheidstechniek T.N.O.).
hoort wen overwegend door contactgeluid-overdracht. Door planning, bouwkundige voorzieningen en details bij de aanleg is dit probleem oplosbaar. Men brenge geen onderdelen der watervoorziening aan tegen of in de scheidingsmuur. Zelfs houde men ze los van andere wanden, c.q. zorge men voor flexibele bevestiging, bv. een rubberring tussen bevestigingsbeugel en waterleidingbuis geeft een redelijke geluidisolatie. -
d. Het plaatsen van een aanrecht rekent men normaliter tot de normale bouwkundige bezigheden. Toch wake er veel voor te zeggen de aanrecht te rekenen tot de waterleidinginstallatie. Langs deze weg lijkt het mij mogelijk het geluidprobleem, dat hiermee samenhangt, op te lossen. Veel hinder wordt ondervonden van het vatenwassen van buren. Het betreft hier een complex van geluiden, gebruik van spoelwater, neerzetten van pannen, e.d. Waterleidinginstallatie plus aanrecht zou men los moeten houden van de scheidingsmuur met de buren. Zou men deze gehele ,,unit2', ook wat de aanleg ervan
Afb. 10 a. ,,Gedempteu kraan, bestaande uit flexibel aan de muur bevestigde kraan m e t ingebouwde elastische koppeling als in afb. 9 (verouderde constructie). Bij nieuwe constructie i s oliekous i.p.v. een spiraalveer o m de slang aangebracht (geinstalleerd in de Proefwoningen T.N.O. t e Rotterdam). b. Niveauverschil tussen kraan e n leiding: 0 0 0 bij normale kraan (verwaarloosbaar), x x x bij gedempte kraan. (Uit nog t e verschijn e n rapport v a n de A f d . Gezondheidstechniek T.N.O.).
betreft, tot de waterleidinginstallatie kunnen rekenen, en hieraan, ook wat de aanleg betreft, eisen stellen, dan zou een veelvuldige bron van hinder zijn verdwenen. Het ligt dan ook voor de hand de oplossing te zoeken in de fabrikage van een aanrecht met kraan, die in zijn geheel op het werk wordt geplaatst. 14. Het opsporen van waterlekken I n principe bestaat de mogelijkheid lekken te localiseren door meting van het geluid, dat het ontsnappende water maakt. Met een zg. contactgeluidmicrofoon beluistert men het geluid in het wegdek en zo mogelijk in de waterleidingbuis. Naarmate men de lekplaats nadert neemt het geluid in sterkte toe, terwijl ook het timbre verandert met de afstand tot de bron. De laatste jaren heeft men op dit gebied vrij aanzienlijke vorderingen gemaakt. 15. Het inschakelen van experts en de beperkingen van onze kennis Veel van het besprokene zal slechts tot een bevredigend resultaat leiden langs de weg van overleg tussen waterleiding- en geluidsdeskundigen. Als de noodzaak hiervan wordt ingezien stelle men dit overleg niet te lang uit. De ervaring leert, dat - speciaal waar het bouwkundige problemen betreft - de geluidkundige veelal eerst wordt geraadpleegd na voltooide en akoestisch mislukte arbeid. Niet steeds zal de geluidkundige de oplossing onmiddellijk kunnen opleveren. Daarvoor zijn de problemen soms te ingewikkeld. Vele problemen zullen eerst na grondige studie bevredigend kunnen worden opgelost. Als voorbeeld noem ik de gei uisloze woninginstallatie. Alle grondbeginselen om tot een oplossing te komen zijn het geestelijk eigendom van de geluidkundige. Het probleem is hier het vinden van de beste en goedkoopste praktische oplossing. Mijns inziens is de tijd gekomen dit probleem aan te vatten en op te lossen.
door ir. E. van Gunst 1. Inleiding Bezoekt men 's zomers gebouwen van pompstations of zuiveringsbedrijven en laat men na het binnentreden de buitendeur, waardoor men toegang heeft verkregen open, dan kan het gebeuren dat - al naar de status die men voert - de deur beleefd behoedzaam achter u wordt dichtgedaan, dan wel dat men meer of minder positief zelf wordt uitgenodigd dit te doen. ,,Er mag niet te veel buitenlucht naar binnen, omdat er al zoveel nattigheid in de buizenkelder is". Valt uw bezoek in de winter, dan zijn er gevallen waar men u er zorgzaam op attent maakt, het hoofd gedekt te houden, want.. . ,,hier en daar lekt nog al wat water van het plafond". Langs andere plaatsen tracht men u argeloos heen te lokken en opgewekt koutend wijst men u vele interessante zaken in andere richting: ,,een dergelijke muur is toch geen gezicht". Dit alle zijn in dit soort ruimten facetten van het zg. ,,binnenklimaat". Schrijver heeft het voor hem vererende verzoek gekregen over deze ,,niet-geleide waterproblematiek" enige opmerkingen te maken in deze cursus, en welk onderwerp laat zich beter denken onder het opschrift ,,Enige wetenschappelijke grondslagen der waterleidingtechniek", dan juist dit? Uit het afwezig zijn van de bovengeschetste omstandigheden in een aantal bedrijven zou men de niet geheel juiste conclusie kunnen trekken, dat daar geen binnenklimaten zouden worden aangetroffen. In dergelijke gevallen spreekt men echter wel van regeling van het binnenklimaat. Het is niet noodzakelijk hierbij direct aan grote machines te denken. Is aldus verantwoording afgelegd over de aanwezigheid van dit onderwerp in dit verband, dan kan hier in het kort volgen de opzet van het te ontwikkelen betoog. Omdat de factor ,,vochtigheid9'voor de hier aan de orde zijnde bedrijven uitermate belangrijk is, zal worden begonnen met een uiteenzetting van een methodiek om
een mengsel van lucht en vocht te kunnen beschrijven aan de hand van haar eigenschappen. Kort zal daarna worden ingegaan op de manieren waarop de component ,,vocht9'zich in het mengsel kan verplaatsen resp. op de manieren waarop het gehele mengsel verplaatst kan worden. De kern van het betoog zal gelegen zijn in de beschouwing hoe een ,,natuurlijk" binnenklimaat in de onderhavige gebouwen kan worden opgebouwd gedacht, hetgeen zal resulteren in een bespreking van de typisch winterse omstandigheden en de typisch zomerse omstandigheden. Als belangrijkste factoren komen aan de orde, de vochtigheid, de lucht- en oppervlaktemperaturen en de mate van ventilatie. Uiteraard zal één en ander behandeld worden langs de grote lijnen, en moeten in de gedachtengang enkele vereenvoudigingen worden gebruikt. 2. Het mengsel lucht-waterdamp Het Mollierdiagram. Neemt men een bepaalde gewichtshoeveelheid van een g a , dan zal daarvoor gelden de wet van Boyle-Gay Lussac : P.V. = A.t. (1) of in woorden: het produkt van druk en volume, gedeeld door de temperatuur zal voor die hoeveelheid constant zijn. Voor eenzelfde gewichtshoeveelheid van een ander gas zal dezelfde betrekking gelden, alleen met een andere waarde van de evenredigheidsconstante: p.v. = B.t. (2) Het zou prettig zijn, indien deze wet m een vorm te brengen zou zijn, die voor alle gassen hetzelfde uiterlijk had: dezelfde waarde van de evenredigheidsconstante. Dit is mogelijk, maar dan dient men niet uit te gaan voor de verschillende gassen van hoeveelheden, die naar menselijke maatstaven gelijk zijn, zoals 2 maal 1kg of 2 maal 1 ons, maar van hoeveelheden die voor de Natuur gelijk zijn. Men dient dan per gas uit te gaan van een hoeveelheid genoemd grammolecuul (kgmolecuul), een hoeveelheid in g (kg) gelijk aan het moleculair gewicht M. In een dergelijke hoeveelheid gas bevinden zich nl. voor ieder gas evenveel moleculen (6.1023: getal van Lohschmidt) volgens de Wet van Avogadro. Een dergelijke hoeveelheid van ieder gas heeft eenzelfde volume bij dezelfde druk en temperatuur.
Voor een kilogrammolecuul van eik gas geldt: P.V., = R.T. (3) Drukt men uit: p in kg/m2 v, in m3 T in (273+t "C) dan is: R = 848 kg m/" C Voor mengsels van lucht en waterdamp, welke wij beide als een ideaal gas zullen beschouwen, is het gebruikelijk uit te gaan van x kg waterdamp op 1 kg lucht. Beschouwen we eerst beide componenten apart. Voor 1 kg lucht zal gelden, als Ml het moleculair gewicht (= 28) is R p1.vl = .T. (4) 1 Voor de x kg waterdamp zal gelden, op overeenkomstige wijze (M, = 18) OK
Bij menging ontstaat (1 + x) k;, die één volume heeft, één totaaldruk, benevens één temperatuur. Valt over de gemeenschappelijke temperatuur en het gemeenschappelijk volume verder niet veel op te merken, over de totaaldruk van het mengsel kan naar voren worden gebracht, dat deze is opgebouwd als som van de drukken, die elk der gassen aanneemt als ze apart gebracht zouden worden in het volume, dat bij menging als gemeenschappelijk volilme fungeert (wet van Dalton). Deze partieeldrukken p, en p, zijn bij een bepaald volume v en temperatuur T dus met behulp van de wet van Boyle-Gay Lussac als volgt te berekenen
Voor de totaaldrue geldt: (8) P f Pm Pi Voor de mengsels die in het binnenklimaat van belang zijn (de binnenlucht) is deze totaaldruk doorgaans 1 atmosfeer. Uit ( 6 ) , (7) en (8) zijn de partieeldrukken op te lossen in de gedaanten
+
Kent men dus het gewicht aan waterdamp x, dat gemengd is met 1 kg lucht, dan geeft (10) de spanning aan van deze waterdamp in het mengsel. Bij toenemende waarde van x zal p,,, ook toenemen. Het is evenwel niet mogelijk om - werkende bij een bepaalde temperatuur T - een onbeperkte hoeveelheid waterdamp met 1kg lucht te mengen. Boven een bepaalde waarde van x. overeenkomen met een bepaalde partieeldruk - de verzadigingsspanning of max~mumd~mpspanning bij de temperatuur T - zal de waterdamp, die nog wordt toegevoerd gaan condenseren en zich als vloeibaar water manifesteren. Proefondervindelijk kan men voor de verschillende temperaturen vaststellen hoe groot deze spanning is, en afb. l -geeft van het verloop daarvan een beeld.
Afb. 1
Omgekeerd kan nu aan de hand van dit verloop uit (9) worden vastgesteld hoeveel waterdamp in een mengsel bij de temperatuur T kan worden opgenomen vóór het
is verzadigd. Heeft men een mengsel dat niet is verzadigd, dat dus bv. x kg damp bevat bij een partiële waterdampspanning p,, terwijl maximaal bij dezelfde temperatuur x kg zou kunnen worden opgenomen bij een verzadigingsspanning P',,,, dan definieert men: - de verhouding als de relatieve vochtigheid y X - de verhouding -als de verzadigingsgraad y x'
Beide grootheden kunnen waarden bezitten van
o-1,oo.
,
Worden van een mengsel gegeven de mengverhouding x, naast temperatuur, totaaldruk en volume, dan zijn twee belangrijke grootheden af te leiden. 1. Voor het mengsel als geheel is eveneens de wet van Boyle-Gay Lussac geldig, in de vorm 1 p.v = R.T. (11) Als soortel~kgewicht van het mengsel is hieruit af te leiden, via het soortel$jk volume d.i. het volume van 1kg menasel.
(- + $)
waaruit blijkt, dat door toevoeging van de waterdamp het mengsel soortelijk lichter wordt. Wellicht overbodig is de opmerking, dat uit (6) en (7) overeenkomstig de soortelijke gewichten voor waterdamp en lucht afzonderlijk zijn af te leiden. 2. De warmte-inhoud van de ( 1 + x) kg mengsel bij t OC (T OK) wordt gegeven door: i = Cpl.t + r.x + C,,.t.x. (13) uitgaande van O O C als nulbasis van de warmte-inhoud en C,, : soortelijke warmte van lucht, 0,24 kgcal/kg OC C,,: soorteiijke warmte van waterdamp, 0,44 kgcalpg "C x : verdampingswarmte van water, 597 kgcal/kg, alles bij atmosferische druk. Om nu snel en overzichtelijk de toestand van een mengsel van lucht en waterdamp te kunnen beschrijven, alsmede de verschillende toestandsveranderingen, zijn speciale diagrammen ontworpen. Het oudste hiervan stamt van Mollier en dit diagram is in West-Europa tot op heden nog steeds het meest gebruikt. In Amerika heeft men een soortgelijk diagram in een iets andere uitvoering en d i t is bekend onder de naam ,,Psychometrie Chaxt". De opbouw van het Mollier-diagram geeft afb. 2 te zien. Stelt men zich een mengsel van x,kg damp op 1 kg lucht voor bij tlOC,dan kan men in een rechthoekig assenkruis uitzetten: horizontaal q,verticaal de warmteinhoud i,. Het gearceerde gedeelte van het diagramkwadrant, het gebied waar de verdampingswarmte is uitgezet, zal dan evenwel nooit gebruikt worden. Om deze reden draait men daarom de lijn, die deze verdampingswarmte aangeeft zodanig, dat hij samenvalt met de horizontale as. De nullijn van de warmte-inhoud
Afb. 2
Opbouw
Mollìer-diagram
komt dan in het 4de kwadrant, onder de horizontale as. Lijnen van een constante warmte-inhoud (i) komen zodoende onder een helling in het diagram evenwijdig aan de gedraaide nul-as te lopen. Om na te gaan hoe de lijnen van constante temperatuur lopen gaan we uit van twee mengsels, met x, resp. x, kg damp en gaan van beide na, waar de warmte-in-houden i, en i, komen bij eenzelfde temperatuur t,. De afbeelding geef t duidelijk aan, hoe hierbij boven de horizontale as sprake is van een evenredige toename van de term C,, .x.t, met x. De term C,,.t, blijft constant. Op overeenkomstige wijze als de lijn t, komen lijnen t, etc. tot stand. Bij iedere temperatuur bestaat een maximale waarde van x, bv. t, -x,, t?.- x, enz. Op de lijnen van constante temperatuur zijn bij de betreffende x-waarden deze punten aan te geven. Verbindt men achtereenvolgens deze punten, dan ontstaat een kromme die als betekenis heeft, dat ze alle punten verbindt, die een verzadigingstoestand weergeven m.a.w. 97 = 100%. Op overeenkomstige wijze kan men krommen construëren die resp. verzamelingen zijn van alie andere vochtigheidstoestanden: men noemt deze lijnen, krommen van constante relatieve vochtigheid. Het verband tussen deze lijnen wordt voor een bepaalde waarde van t bijv. ti gegeven via de definitie van g, en de verg. (10)
Afb. 3 tenslotte toont het volledige diagram. Twee processen willen wij nu aan de hand van her; Mollies diag-sam nader toe lichten (zie afb. 4). DAUWPUNT
KOELGRENS
Afb. 4
1. Men heeft een mengsel met een hoeveelheid waterdamp x, en een temperatuur t,, gekarakteriseerd door het punt A en gaat dit mengsel afkoelen. De punten die in het diagram dan de achtereenvolgende toestanden beschrijven zullen gelegen zijn op een verticale rechte: een lijn van constante vochthoeveelheid. Op een gegeven ogenblik wordt zodoende de verzadigingskromme = = 100% bereikt: B. Nog verdere afkoeling zal van n u af condensatie te weeg brengen en het proces zal zich verder langs de lijn BC gaan bewegen: vocht in de vorm van water afscheiden en minder snel afkoelen aangezien bij de condensatie warinte vrijkomt. Het punt B wordt het dauwpunt van het mengsel A genoemd. 2. Men gaat wederom uit van hetzelfde mengsel A en brengt daarbij vrzj vocht in het mengsel van een bepaalde temperatuur, waarover straks iets meer.
Omdat het mengsel onverzadigd is, zal het vocht kunnen opnemen. Indien dit gebeurt, zal het gepaard gaan met het opnemen van een hoeveelheid ,,niet-voelbare" (latente) warmte: de verdampingswarmte. Voert men met het vrije vocht niet tegelijk de hiervoor nodige calorieën toe, dan zullen deze onttrokken worden aan het luchtmengsel en het vrije vocht, die dus beiden in temperatuur zullen dalen indien ze dezelfde begintemperatuur hebben. Indien het vocht een lagere begintemperatuur heeft dan de lucht, zullen ze naar een gelijke eindtemperatuur toe streven, onder gelijktijdige verdamping. Heeft het vocht een hogere temperatuur, dan zal eerst door warmte uitwisseling een temperatuurgelijkheid worden nagestreefd en daarna zullen beide onder gelijktijdige verdamping af koelen. Een proces dat verloopt, zonder dat van buiten warmte wordt toe- of afgevoerd, noemt men adiabatisch en verloopt dus met een constante warmte-inhoud i. Nemen we aan, dat het toegevoerde vrije vocht een temperatuur heeft, die weinig verschilt van de luchttemperatuur dan zal dus verdamping optreden, onder afkoeling van het mengsel. Dit (adiabatisch) proces verloopt in het Mollierdiagram volgens AB. In het punt B gekomen zal geen damp meer worden opgenomen en ook de afkoeling tengevolge van deze dampopname stopt. Het punt B noemt men koelgrens. Geheel volgens AB zal dit proces niet verlopen, zelfs niet als men het ingebrachte vrije vocht een temperatuur zou geven overeenkomende met de temperatuur t, van B, zoals dat theoretisch nodig zou zijn. Altijd wordt nog de voelbare warmte (vloeistofwarmte) van het vrije vocht toegevoerd! De lijnen van ,,gelijke koelgrens" (of ,,gelijke natte temperatuur") vallen dan ook niet samen met de lijnen van constante i, maar b snijden deze in de p, = 100%-kromme. Geheel juist kan men deze processen slechts volgen aan de hand van energie- en stof-balans vergelijkingen (Zie literatuurlijst).
Beide processen zijn mede aangesneden, omdat er meetmethoden aan te ontlenen zijn om de vochtigheidstoestand van een mengsel mede te bepalen. Speciaal op de meting m.b.v. een natte en droge thermometer willen wij nog even nader ingaan. Neemt men twee kwikthermometers en omwikkelt men één daarvan met een katoenen sokje (ook sigarettenvloei leent zich hiervoor), dat met gedistilleerd water bevochtigd wordt, dan kan men na enige'tijd, als de aanwijzingen van beide thermometers niet meer verlopen, twee aflezingen doen. De ,,drogep' temperatuur en de ,,nattep' temperatuur. Deze laatste komt overeen met de temperatuur t, van
het bovengeschetste proces in B en hiermede kan dus punt B gevonden worden. De droge luchttemperatuur t, geeft in verbinding met B via een lijn van constante warmte-inhoud, punt A. Dit punt stelt de luchttoestand voor van het mengsel waarin de meting is verricht. Special gelet moet worden op het juiste aanwijzen van de luchttemperatuur. Stralingseffecten op de thermometers moeten vermeden worden. Het verdient aanbeveling om daarom zeer dunne kwikthermometers te nemen (Bargeboerthermometers) of ze anders van stralingsschermen te voorzien. De dunne reservoirs hebben als nevenvoordeel, dat de natuurlijke convectie voor voldoende afvoer van de verzadigde lucht om het sokje zorgt. Bij grotere reservoirs wordt meestal kunstmatige afzuiging toegepast: psychrometer van Assman. Naast deze psychrometrische meting kan men de vochtigheid ook hygrometrisch meten bv. met behulp van een haarhygrometer. Deze verdient echter regelmatige ijking, aangezien aanzienlijke miswijzingen kunnen optreden. 3. Verplaatsing van waterdamp, resp. van een luchtwaterdampmengsel 1. Waterdamp zal zich kunnen verplaatsen op zichzelf,
als bestanddeel van een mengsel: - van plaatsen met een hoge partieeldruk p , naar plaatsen met een lage partieeldruk. 2. Het zal zich kunnen verplaatsen met het gehele lucht-waterdampmengsel: - van plaatsen met een hoge totaaldruk p naar plaatsen met een @gere totaaldruk. ad. 1. Zal ergens in een mengsel meer waterdamp zijn dan op een andere plaats, dan zullen de waterdampmoleculen zich zodanig verplaatsen, dat naar een homogeniteit zal worden toegewerkt: men noemt dit diffusie. Dit geval kan zich voordoen in gebouwen tussen diverse ruimten waar open verbindingen aanwezig zijn en waar in bepaalde ruimten meer waterdamp in de lucht komt dan in andere. Ook als geen open verbindingen tussen deze ruimten aanwezig zijn in de gebruikelijke zin, maar wanden, zal door deze wanden (als ze tenminste niet voorzien zijn van damp-afsluitende lagen) dampdiffusie kunnen plaatsvinden van de hoge waterdampspanning naar de lage spanning. De mate van dit transport zal bepaald worden door het dampdrukverschil en de aard van het wandmateriaal
resp. de wandconstructie. Bij de diverse bouwmaterialen kunnen de weerstanden tegen dit diffusietransport nogal uiteenlopend zijn. Het in de lucht komen van waterdamp door verdamping is eveneens een proces dat op diffusie berust. Boven een wateroppervlak of om een waterdruppel bevindt zich een dun grenslaagje van volledig met waterdamp verzadigde lucht, dat door diffusie zijn dampmoleculen op weg stuurt naar de verder gelegen luchthoeveelheden, die een mindere mate van verzadiging vertonen, d.w.z. waar lagere partiële waterdampspanningen heersen. Het heeft in dit bestek weinig zin verder in te gaan op de theoretische verhandelingen over diffusie. Volstaan kan worden met verwijzing naar de betreffende literatuur. ad 2. Mengsels van lucht en waterdamp als geheel zullen kunnen worden verplaatst als uitwendige krachten, verschillen in de totaaldruk gaan bewerkstelligen. Dit zal kunnen plaatsvinden als door thermische oorzaken dichtheidsverschillen ontstaan of als door de wind drukververschillen om gebouwen ontstaan. Dit laatste is voor het binnenklimaat in Nederland een belangrijke omstandigheid, speciaal ten aanzien van vrijstaande gebouwen. Door deze drukverschillen t.g.v. de wind kan nl. voor een belangrijk gedeelte de ventilatie bepaald worden, d.w.z. de aanvoer van verse buitenlucht en afvoer van lucht uit de gebouwen.
-
I
-
I
I Afb. 5 Drukverdeling om een gebouw, ten gevolge van de wind. . Schema-onderzoek aan modellen.
Als de wind een gebouw aanblaast ontstaat een drukverdeling die in principe door afb. 5 wordt gegeven. Aan de aangeblazen zijde - de loefzijde - zal een overdruk ontstaat t.o.v. de lijzijde en de zijkanten. De onderlinge verhoudingen in deze drukverdeling hangen af van vorm en afmetingen van het betreffende gebouw en blijhen onafhankelijk te zijq van de windsterkte, m.a.w. als bet
harder waait worden de drukverschillen wel groter, maar alle in gelijke mate tot de windsnelheid. Neemt men bijv het drukverschil tussen vóór en achterzijde Ap bij een bepaalde windsnelheid v en maakt men de verhouding P' dan blijkt deze verhouU.D.V~ ' ding nagenoeg constant t6 zijn voor alle windsnelheden. Draait de windrichting t.o.v. het gebouw, dan zullen de drukverschillen tussen voor- en achterzijde aanzienlijk mee variëren, en zo de drukverschillen tussen elke twee vaste punten van de buitenzijde van het gebouw.
C
Afb. 6 Drukverdeling o m een gebouw, t e n gevolge v a n de wind. Meetresultaten prof. v. d . Held, Phys. Lab., Utrecht.
Uitgebreide metingen aan dit verschijnsel zijn uitgevoerd door Van der Held en Businger en enkele van de resultaten geeft afb. 6. Tussen de punten 1 en 3 van twee tegenover elkaar liggende buitenwanden van het Phys. Lab. in Utrecht zijn de drukverschillen gemeten bij diverse richtingen en snelheden van de wind. Gezien het juist geschetste verband tussen drukverschillen en windsnelheid,. zijn de resultaten samengevat in de waarde " -
[email protected] polair is uitgezet bij de behorende windrichting. Het grootste drukverschil treedt op bij windrichtingen die loodrecht staan op één der beide gevels en is in orde van grootte ongeveer gelijk aan de waarde van de snelheidsdruk van de wind: 1/2ev2. Ten gevolge van deze drukverschillen tussen de diverse
plaatsen van de buitenzijde van een gebouw zullen luchttransporten gaan optreden dóór het gebouw en wel van plaatsen met overdruk naar plaatsen met onderdruk. Deze luchttransporten vinden plaats door openingen als ramen, deuren - ook in gesloten toestand door kieren en naden - en openingen speciaal voor ventilatieve doeleinden aangebracht zoals ventilatiekanalen en -openingen. De grootte van de optredende luchttransporten zal afhangen uiteraard van de grootte van de drukverschillen maar daarnaast van de weerstanden die moeten worden overwonnen door de doorstromende hoeveelheden lucht. Inwendige planning van een gebouw en uitvoering van de bouwkundige uitvoering zullen hiervoor maatgevend zijn. Een voorbeeld welke invloed bijv. de mate van dichtheid der ramen uitoefent geeft afb. 7.
Afb. 7 46
In de eerste plaats zijn voor het tweede geval de doorstromende hoeveelheden veel kleiner, daarnaast verandert zelfs één doorstroming geheel van richting. 4. Het natuurlijke klimaat in gebouwen van pompstations en zuiveringsinrichtingen Wat in deze gebouwen dient te worden nagestreefd is het creëren van een toestand, waarin het optreden van condensatie tot een minimum beperkt wordt.
We zullen daartoe nagaan welke situaties alzo verwacht kunnen worden onder ,,natuurlijke" omstandigheden, d.w.z. zonder luchtconditioneringsinstallaties. Het criterium voor het optreden van condensatie is het aanwezig zijn van koude oppervlakken waartegen de lucht uit de ruimte afkoelt en wel beneden het dauwpunt zodat vocht in vloeibare vorm zich op deze oppervlakken afzet. Of zich deze situatie zal voordoen, zal afhangen 1. van temperatuur en vochtigheid van de binnenlucht, 2. van de oppervlaktemperaturen in de ruimte, van wanden, pijpen, machines. Onderwerpen wij het temperatuurbeeld van het binnenklimaat in de bedoelde gebouwen aan een nader onderzoek. Verwarming van deze ruimten is niet gebruikelijk. Men vindt er vaak wel enige apparatuur, maar dan hoofdzakelijk met het doel tijdens de ergste vorst enige veiligheid te hebben voor een aantal kwetsbare plaatsen. Soms ook wordt verwarming van enkele plaatsen van het bedrijf toegepast uit representatiemotieven. De luchttemperatuur binnen zal beheerst worden door twee factoren, nl.: - de buitentemperatuur en de mate waarin deze zijn invloed kan laten gelden (isolatie- en ventilatie-eigenschappen van de gebouw-constructie) ; - de temperatuur van het water. Het is een bekend feit, dat de temperatuur van grondwater weinig variaties vertoont. Meestentijds is ze in de buurt van 10 "C. Oppervlakte-water zal grotere temperatuurfluctuaties vertonen; steller dezes heeft evenwel geen cijfers ter beschikking. Voor beide soorten water zal gelden, dat ze in de zomer voor koeling van de gebouwen zullen zorgen, in de winter voor verwarming. In verhouding tot de warmte-uitwisseling van het gebouw zullen de behandelde resp. verpompte hoeveelheden drinkwater enorme warmte-inhouden bezitten. De temperatuurniveau's van de ruimten zullen dus dichter bij de watertemperaturen liggen, dan bij de buitentemperaturen. ' I n afb. 8 zijn uitgezet voor Den Helder per maand, de r gemiddelde temperaturen van de buitenlucht over een redelijk lange periode, de gemiddelden van de dagmaxima en'dagminima en tenslotte de absolute maxima en minima. Eén en ander om een eerste indruk te geven over het verloop van de buitentemperatuur. Zeer volledig kan een indruk op deze basis uiteraard niet zijn. Bijvoorbeeld wordt zodoende geen informatie over de langdurigheid van de diverse temperatuurperiode gegeven.
-
Afb. 8
W DAGNINIMA
Deze kan verkregen worden uit een diagram zoals dat gegeven is in het tweede gedeelte van deze afbeelding, althans voor de winter. Hierin zijn nl. uitgezet het aantal malen dat over een periode van ca 10 jaar gemiddelde etmaaltemperaturen zijn voorgekomen lager dan een zekere waarde. Gegevens over het eindresultaat dat aan luchttemperatuur binnen wordt bereikt als gevolg van samenwerking tussen drinkwatertemperatuur, buitentemperatuur, en gebouwconstructie staan steller dezes niet ter beschikking. Omdat het in de bedoeling ligt aan het einde van deze par. in principe een vergelijking te maken tussen de typische zomer- en de typische winter-omstandigheden, zou hij de volgende waarden willen nemen: Water buitentemperatuur binnentemperatuur
Zomer 11-12 OC +23 "C l d 1 5 OC
Winter 9 OC
-7
"C +7 OC
Er kan direct aan toe worden gevoegd, dat enigszins
andere waarden niets aan het principe veranderen. Hoe deze buitentemperaturen zich verhouden tot het geheel van gegevens is in de afbeelding aangeduid. Wat betreft de opperv2aktetemperatuur kan nu het volgende gezegd worden. De oppervlaktetemperatuur van buizen en pompen zal nagenoeg niet verschillen van de watertemperatuur, aangezien isolatie doorgaans niet toegepast wordt.
Afb. 9 Relatieve vochtigheid v a n d e lucht v a n 7 OC waarbij condensatie op het wandoppervlak optreedt bij een buitentemperatuur v a n -7 OC, O OC.
De oppervlaktemperatuur aan de binnenzijde van de wanden kan worden afgeleid uit de luchttemperauren buiten en binnen. Afb. 9 vormt hierbij de illustratie, waar een bepaalde constructie is blootgesteld aan een buitentemperatuur van -7 "C en een binnentemperatuur van +'i "C: de voor de winterse omstandigheden gekozen temperaturen. Zoals bekend, zal de warmtestroom door een constructie bij een temperatuurverschil tussende lucht aan beide zijden van (t2-t,) gegeven worden door Q = k (t2--ti) (15) waarin k het geleidingsvermogen van de wand karakteriseert: de zg. transmissiecoëfficiënt. Het warmtegeleidingsvermogen van een constructie is opgebouwd uit een aantal onderdelen: m.n. - het vermogen van de warmte om van de lucht op de wand te komen: ai
- het geleidend vermogen van de diverse in serie geschadn kelde lagen: r, 1, - het vermogen van de warmte om tenslotte aan de buitenzijde van de wand weer op de lucht over te gaan: U,, De transmissiecoëfficiënt is hiermede op de volgende wijze opgebouwd:
Het omgekeerde van geleidingsvermogen noemt men weerstand. I n feite stelt de verg. (15) voor, de bekende stelling, dat de vervangingsweerstand van een aantal in serie geschakelde weerstanden gelijk is aan de som van die weerstanden. Het totale temperatuurverschil (t,-t,) verdeelt zich nu over de diverse onderdelen in evenredigheid met de weerstanden van deze onderdelen - verondersteld dat de gehele beschouwing is gebaseerd op een stationaire toestand. Dit is in genoemde afbeelding uitgebeeld voor een dragende betonconstructie voorzien van een isolatielaag boven of onder, waarvan de k-waarde 1,45 kcal/m2 h°C bedraagt. (1, beton = 1,6 kcal/m.h.OC; l, houtwolcement = d 0,144 kcal/m.h."C; ui = 7 en a,, = 20 kcal/m2.h."C; -
A
voor dakbedekking 0,08 m2 h. "C/kcal). De binnenoppervlaktemperatuur is voor beide gevallen dezelfde en wordt bepaald door t, en t, alsmede de verhouding van ai tot k. Wordt de constructie beter isolerend (meer weerstand, kleiner geleidingsvermogen) m.a.w. heeft ze een lagere k-waarde, dan zal de binnenoppervlaktemperatuur hoger worden. Dit is uitgebeeld in de onderste helft van afb. 9. Het gevolg hiervan is, dat minder snel condensatie op deze wanden zal optreden. Daarvoor zijn hogere waarden van de relatieve vochtigheid in de binnenlucht noodzakelijk. Ook dit is in de figuur aangegeven: Aandacht verdienen hier nog de volgende opmerkingen 1. Een enkele glazen ruit heeft een k-waarde van 5 kcal/ m2.h."C, deze krijgt in het hier geschetste beeld een opp. temp. aan de binnenzijde van -3 "C. K-waarden van enkele constructies volgen hieronder: Gemetselde muur 1% steen, k = 1,45 kcalm2 h."C hardgrauw Gemetselde muur 1 steen, hardgrauw- met klamp van 9 cm k = 1,30 kcal/m2 h.OC lichte beton
Gemets. spouwmuur, 2 X l/z steen, buiten hardgrauw, binnen rood k = 1,30 kcal/m2 h."C Gemetselde spouwmuur, l/, buiten l binnen, buiten hardk = 1,00 kcal/m2 h. "C grauw, binnen rood Gewapend betonplaat, 10 cm, als platdak gedekt met mastiek k = 2,85 kcal/m2 h."C en grind Idem, doch onder de beton een k = 1,45 kcal/m2 h."C houtwolcementplaat 5 cm Idem, doch onder de beton een k = 0,95 kcal/m"."C houtwolcementplaat 10 cm 2. Isolatie onder en boven de beton zijn naast elkaar afgebeeld omdat in praktijk dikwijls de vraag rijst: ,,moet de isolatie boven of onder?" Van de diverse aspecten willen wij alleen hier dat aanhalen van de dampdiffusie door de materialen. Is de situatie zodanig, dat binnen een hoge waterdampspanning heerst t.o.v. buiten en bevinden zich in de wand geen dampafsluitende lagen, dan betekenen de poriën in het materiaal een open verbinding en daardoorheen zullen dampmoleculen willen diffunderen. Er komt zodoende waterdamp in het materiaal en dit zal op zijn tocht naar buiten worden geconfronteerd met een steeds lager wordende temperatuur. Een en ander kan tot gevolg hebben, dat inwendige condensatie kan gaan optreden. Dit zal afhangen van de verhouding diffusie - weerstand temperatuurgradiënt in het materiaal. Er dient opgemerkt te worden, dat voor vele isolatiematerialen de diffusieweerstand laag is (de moleculen dringen er gemakkelijk doorheen) terwijl het temperatuurverval in isolatielagen sterk is. Samenvattend gesteld: met de isolatie aan de binnenzijde kan het zijn, dat een groot aantal dampmoleculen vrij snel op een zeer lage temperatuur komen. In zulke gevallen is overleg vooraf gewenst, of het wellicht noodzakelijk is aan het binnenoppervlak met dampafsluitende lagen te werken. Onderwerpen wij tenslotte het vochtbeeld van het binnenklimaat aan enige nadere beschouwing. In gebouwen van pompstations en zuiveringsinrichting is water het ,,produktM.Het komt voor, blootgesteld aan de binnenlucht, dikwijls van de meest fijn verdeelde toestand via grote wateroppervlakken tot afgesloten systemen. Tijdens de behandeling van dit produkt zal - als de omstandigheden daartoe gunstig zijn - een deel door verdamping in de lucht kunnen geraken en zich in, resp.
+
met, de lucht verplaatsen naar naastgelegen ruimten alweer als de omstandigheden daartoe gunstig zijn. Het waterbehandelingsproces kan een belangrijke invloed uitoefenen op het binnenklimaat, waarover later meer. Door ventilatie - natuurlijke of door middel van ventilatoren - zal verse buitenlucht naar binnen komen en moeten komen: ook voor de behandeling van het water is verse lucht nodig. Met deze lucht komt de hoeveelheid vocht mee, die daar door atmosferische omstandigheden in aanwezig is. Afb. 10 geeft een beeld van het verloop per maand voor bv. Den Helder van de gemiddelde dampspanning, als mede van de absolute maxima en minima.
ABSOLUTE MINIMA
Afb.
Ook bij deze meteorologische gegevens in het zeer moeilijk een juiste indruk te verkrijgen van wat zich afspeelt. Een belangrijke vraag t.a.z. van de vochtigheid van de buitenlucht is uiteraard of ze ,,ergn vochtig is dan wel relatief. Daartoe zijn voor de dampspanningen gezet de bijbehorende dauwpunten en samengevat in het onderste. deel van de afbeelding. Deze dauwpuntstemperaturen kunnen geconfronteerd worden met de buitenlucht-temperaturen, hetgeen is geschied.
Dan blijkt: - dat de absolute minimumwaarden van het dauwpunt weinig verschillen van de absolute minimumtemperaturen; -dat de gemiddelde dauwpuntstemperaturen tamelijk weinig boven de dagelijkse minimumtemperaturen liggen; Men kan hieruit wel concluderen, dat het dauwpunt vrijwel dagelijks zeer dicht benaderd wordt, hetgeen in ons waterrijke land ook niet verwonderlijk is. Om een indruk te verkrijgen in welke mate door natuurlijke ventilatie door de wind buitenluchtmensels van een zekere samenstelling komen, is een combinatie van meteorologische gegevens met betrekking tot windsterkte-richting en vochtgehalte nodig. JAN. ,N
OEN HELDER (OVER 01. J5 JAAR)
' i / JUL I
Afb. 11 geeft in principe een samenvoeging van deze gegevens. Van de wind is opgenomen: de frekwentie over de 4 kwadranten, benevens de gemiddelde windsnelheid per maand resp. maximum windsnelheden over 1 etmaal voor Den Helder. Voor het vocht is opgenomen: de gemiddelde dampspanning per maand, resp. de bijbehorende dauwpuntstemperatuur. Ook hier staan schrijver geen gegevens ter beschikking over wat actueel voor waarden van de vochtigheid in de
diverse ruimten gaan heersen. Maar, uitgaande van vochtigheden in de buitenlucht voor 75 0/0 of 16 mm Hg bij 23 "C Zomer Winter 85-90% of 2,3 mm Hg bij -7 "C (die in de betreffende afb. 10 zijn aangegeven), kan aan de hand van het Mollies-diagram worden aangegeven hoe men voor zomer en winter het binnenklimaat opgebouwd kan denken. Samenvattend hadden we gemaakt de volgende onderstellingen ten aanzien van de klimaten:
Zomer
Winter
Buitenlucht Temperatuur Vochtigheid Vochtigheid
"C %
mmHg
23 75 16
-7 85-90 2,3
Binnenlucht Temperatuur Verzadigingsspanning
"C
mmHg
14-15 12,4
7 7,5
11-12 10,2
9 8,6
Water Temperatuur Verzadigingsspanning
"C
mmHg
Binnenklimaat in de winter Zoals aangegeven in afb. 12 zal de buitenlucht, die door ventilatie binnenkomt in de eerste plaats worden opgewarmd en wel van -7 naar +7 "C. Dit opwarmen aleen kunnen we in het Moliierdiagram door een verticale rechte - constante x - voorstellen. Omdat deze lucht t.o.v. het binnenklimaat een lage waterdampspanning heeft en deze behoudt, zal ze aanleiding zijn tot verdamping van vrij water als ze daarmede in contact wordt gebracht, of aantrekking uitoefenen op diffunderende moleculen uit andere ruimten. Zelfs als ze opgewarmd tot 7 "C eventueel verzadigd geraakt zou zijn zou haar verzadigingsspanning nog lager liggen dan die van het water en dus zal de verdalliping blijven doorgaan! Binnentredende buitenlucht in de winter, op zichzelf droog, geeft aanleiding tot hevige verdamping. Daardoor zal haar vochtgehalte toenemen. Komt dit boven bepaalde hoeveelheden dan zal condensatie op de koude wandvlakken plaats vinden. I n de afbeelding is aangegeven bij welke k-waarde condensatie zal gaan optreden op de resp. wandonderdelen. Door het (laten) condenseren wordt de
Afb.
WINTER 85- 9 0 Ok 2.3 mm Hg
WATER 8.6 mmHg
ri ,k;g/kg LUCHT
ZOHER 75 % f 6 mm Hg BINNENLUCHT f 4 - f 5 % WATER
fi-fZDC f0.2mm Hg
x -kg/hg
LUCHT
verdamping niet geremd, deze gaat dóór tengevolge van de verhoudingen van de (verzadigings) dampspanningen. Wenst men geen condensatie op wandonderdelen, dan moet een evenwichtstoestand voor de lucht gecreëerd worden, die ligt onder de voor de condensatie kritische vochtigheid. D.W.Z.men moet zoveel lucht met een zodanig laag vochtgehalte doorsturen, dat de verdamping niet zo snel kan ,,bijvullenm.Ook de verdarnpingssnelheid neemt echter met verhoogde luchtcirculatie toe. Treedt condensatie op de wanden op, dan zal een deel hiervan in het materiaal opgezogen. worden. Door isolatie kan men de grens waarbij condensatie optreedt verhogen. Men dient zich evenwel af te vragen - gezien de dampspanningsverhoudingen - hoever men hiermede dient te gaan. Isolatie betekent een grote investering.
Binnenklimaat in de xÓmer Zoals in afb. 12 eveneens is aangegeven, zal in de zomer het temperatuurbeeld juist andersom liggen als in de winter. I n volgorde van toenemende temperatuur: winter. . . buitenlucht, binnenoppervlakken van de buitenwanden, binnenlucht, water. zomer . . . water, binnenlucht, binnenoppervlakken van de buitenwanden, buitenlucht.
Hieruit komt ook naar voren, dat de min of meer op de gis genomen temperaturen in de voorbeelden niet zo kritisch zijn: het komt veeleer aan op het principe van de onderlinge verhoudingen. In de zomer zal de buitenlucht, die vrij vochtig is t.o.v. het binnenklimaat, zodra het is binnengekomen gaan afkoelen. Al vrij spoedig is het dauwpunt bereikt en de condensatie begint. Waterafzetting treedt op, op de ,,koudere9' vlakken; nu zijn dit de wateroppervlakken (! ) en buizen, niet meer de binnenwandoppervlakken. Het inwendige van het gebouw gaat optreden als condensor voor de buitenlucht! Het vermijden van deze condensatie zonder conditionering is een vrijwel onbegonnen taak: het zou betekenen dat geen verse lucht aan het gebouw zou mogen worden toegevoerd. Aangezien de verzadigingsspanning aan het binnenoppervlak der wanden hoger ligt dan van de binnenlucht, zal vocht dat 's winters in het materiaal is getrokken in de zomer daaruit verdampen. 5.
Conclusies
Ontwikkeld is een beschouwing met welke men kan komen tot een beoordeling van het binnenklimaat zoals dat langs natuurlijke weg tot stand komt in de gebouwen van pompstations en zuiveringsbedrijven. Wenst men condensatie te voorkomen, dan is uit deze beschouwing af te leiden, welke bouwkundige mogelijk heden aanwezig zijn: ligging van de gebouwen; indeling van de gebouwen; uitvoering bouwkundige details voor ventilatie, raam- en deursluitingen; uitvoering van wanden t.a.z. van isolatie. Het principe van de verschijnselen laat zien, dat een gerede twijfel moet bestaan of men er met bouwkundige voorzieningen alleen komt ! De economische factor zal kunnen uitmaken hoeveel men in de constructie moet investeren en hoeveel in maatregelen ter conditionering van de lucht. publikatie 80
- Afd.
Gezondheidstechniek T.N.O.)
Literatuur: Mollier-diagram.
A.S.H.A.E.-Guide - (American Society of Heating and Air conditioning Engineers).
Mollier-diagram, diffusie. Die ~issenschaftlichenGrundlagen der Trocknungstechnik, Prof. O. K r i s c h e r. - Springer Verlag, 1956. Vochtigheidsmetingen. Methods of measuring humidity and testing hygrometers, National Bureau of Standards, Circular 512, Washington. U.S.A.
INHOUD Blz. Voorwoord . . . . . . . . . . . . . . . 3 Algemene inleiding, door prof. W. F . J . M. Krul . . 5 Meteorologie, door dr. L. J . L. Dey . . . . . . . 10 Scheikunde, door drs. F. W . J. van Haaren . 34 Bacteriologie door prof. dr. Jan Smit . 51 Bouwfysica (akoestiek), door prof. dr. ir. C . W . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Bouwfysica (klimaatregeling), door ir. E. van Gunst 77
