Onderzoek naar de (bouw)fysische condities van de spouw en de duurzame toepasbaarheid van vlaswol als isolatiemateriaal in een traditionele spouwmuur Afstudeerverslag H.M. van Schijndel FAGO rapport 04.49.m
Oktober 2004 Faculteit Bouwkunde Capaciteitsgroep Fysische Aspecten van de Gebouwde Omgeving Technische Universiteit Eindhoven
Afstudeercommissie: Prof. Ir. N.A. Hendriks Ir. H.M. Lamers Dr. Ir. A.J.J. van der Zanden
Voorwoord Dit afstudeerverslag is de afsluiting van mijn studie Bouwkunde aan de Technische Universiteit Eindhoven. Een jaar lang heb ik me bezig gehouden met ’mijn muurtje’. Ik had nooit gedacht dat ik daadwerkelijk nog eens een muurtje zou metselen, maar ik ben erg blij dat de metselaars mij een steen hebben laten leggen; dat zou elke bouwkundig ingenieur gedaan moeten hebben! Afgezien van het feit dat ongeveer alles mis is gegaan wat mis kon gaan, heb ik met veel plezier aan het onderzoek gewerkt. Ik heb niet alleen veel geleerd op het gebied van materiaalkunde en het opzetten van een experiment, maar ook op het gebied van organiseren en communiceren. Allereerst wil ik mijn afstudeercommissie bedanken, in het bijzonder Hans Lamers, met wie ik veel uurtjes heb gediscussieerd, overigens niet alleen over mijn onderzoek. Ik vond het een erg prettige samenwerking. Ook wil ik Afshin Aghaei bedanken voor zijn medewerking. Zonder de hulp van de medewerkers van het laboratorium had dit onderzoek niet gerealiseerd kunnen worden. Daarom wil ik graag Peter Cappon bedanken voor de hulp bij calibraties en Harrie Smulders voor de ondersteuning bij het programmeren. Guus Theuws mag ook zeker niet ontbreken in dit dankwoord. Hij heeft het binnenspouwblad gerealiseerd en zelfs een vakantiedag opgeofferd om samen met Stan van Asten de opstelling aan te passen. Stan en Guus, hartelijk dank! Mijn allergrootste dank gaat uit naar Wout van Bommel, die altijd voor me klaar stond, geduldig voor de zoveelste keer uitlegde welke kleur draadje nou waar hoorde en actief meedacht met het onderzoek. Alle credits gaan dan ook naar hem uit, als het gaat om de ontwikkeling van de weerstandssensoren die gebruikt zijn. Ik wil graag Rogier van Mensvoort van Isovlas bedanken voor het leveren van de vlaswol en de informatie. Ook wil ik graag Dyonne Zwaal en Bas Hasselaar, inmiddels afgestudeerd aan de Technische Universiteit Delft, bedanken. Hoewel we uiteindelijk niet veel aan elkaar hebben gehad, vond ik het erg interessant om met jullie te discussiëren over het onderzoek. Natuurlijk wil ik ook mijn familie en vrienden bedanken voor hun steun het afgelopen jaar. Hanneke van Schijndel Oktober 2004
i
Samenvatting Het principe van de traditioneel gemetselde spouwmuur met open stootvoegen berust op het feit dat door middel van ventilatie dubbelzijdige droging van het buitenblad plaatsvindt. De lucht die door de open stootvoegen de spouw binnenstroomt, zal worden opgewarmd door het warme binnenblad en opstijgen. Dit proces, een vorm van spouwventilatie, wordt thermische trek genoemd. Er worden echter vraagtekens gesteld bij de mate van effectiviteit van de spouw, nu deze gedeeltelijk gevuld is met isolatiemateriaal. De lucht in de spouw kan slechts beperkt opgewarmd worden, vanwege het ontbreken van een warm vlak in de spouw. De spouw fungeert ook als capillaire onderbreking. Op deze manier kan het isolatiemateriaal niet nat worden bij vochtdoorslag door het buitenblad. De open stootvoegen zorgen voor vereffening van de druk. In deze situatie wordt niet alleen de doorslag van regenwater onder invloed van de heersende winddrukken over het buitenblad gereduceerd. Een extra voordeel van een drukvereffende gevel is de vermindering van de windbelasting op het buitenblad. Duurzame materialen komen tegenwoordig steeds meer in de aandacht. Een specifieke categorie is die van de vernieuwbare materialen van organische oorsprong, bijvoorbeeld kurk, vlas, hennep en riet. Deze organische materialen hebben een zwak imago op het gebied van schimmelvorming. De verwachting dat de spouw in een traditioneel gemetselde spouwmuur vochtig is, en het zwakke imago van organische materialen zorgen ervoor dat vlaswol op dit moment slechts op beperkte schaal toegepast wordt in spouwmuren. Dit onderzoek heeft zich gericht op het verzamelen van informatie aan de hand van thermische en hygrische metingen aan vlaswol isolatiedekens en aan de hand van metingen aan de fysische condities van een traditioneel gemetselde spouwmuur. Metingen met betrekking tot het hygrische en thermische gedrag van vlaswol laten zien dat vlaswol sterk hygroscopisch is. Boven 80% relatieve vochtigheid (RV) bevat de vlaswoldeken een grote vochtopnemende capaciteit (>90 massa-%). Dit is te wijten aan het bindmiddel zetmeel dat gebruikt wordt. De isolerende waarde van vlaswol neemt af naarmate de hoeveelheid vocht in het materiaal toeneemt, aangezien vocht slechter isoleert dan de lucht die het vervangt. Er zijn metingen gedaan aan een traditionele bakstenen spouwmuur in een gevel van 3 verdiepingen hoog. Deze metingen wijzen uit dat het drukverschil over de totale gevel in het geval van laagbouw klein is. Windsnelheden van meer dan 4 m/s zorgen voor een drukverschil van slechts 15 Pa. In 99,9% van de metingen werd het drukverschil over het buitenblad met 64% gereduceerd vanwege de aanwezigheid van open stootvoegen, waaruit geconcludeerd kan worden dat er drukvereffening optreedt (NEN 6702). Bij laagbouw vindt er slechts een kleine windbelasting plaats. Reductie van het drukverschil over de buitengevel is daarom minder van belang. Een goede spouwventilatie zou betekenen, dat de RV in de spouw (RVc) sterk afhankelijk is van de RV buiten (RVe). Metingen wijzen uit dat RVc in de spouw met glaswol als spouwvulling hoger is dan de RVe. De metingen met vlaswol als spouwvulling laten gemiddeld een lagere RVc zien. Dit heeft geen verband met de mate van ventilatie, maar met het absorptievermogen van vlaswol. De maximale hoeveelheid vocht die zich in de luchtspouw kan bevinden, is slechts een fractie van de hoeveelheid vocht die de vlaswol kan absorberen. RVc is sterker afhankelijk van de aanwezigheid van een absorberend isolatiemateriaal zoals vlaswol, dan van de mate van ventilatie in de spouw. De absolute vochtigheid buiten is bij benadering constant (10 g/kg lucht). Vanwege de droging van de baksteen bij hoge temperaturen van het buitenblad en in de spouw (>40 oC), kan het absolute vochtgehalte in de spouw stijgen tot 25 g/kg. In dit geval zorgt de spouw dus voor tweezijdige droging van het buitenblad. Deze metingen zijn gedaan in een warme en droge periode. De metingen laten ook zien dat in periodes waarin het regent en de temperatuur lager is, het absolute vochtgehalte in de spouw vergelijkbaar is met die van buiten. De mate van droging van het buitenblad is op dat moment beperkt. In de winter zal dit effect ook plaatsvinden. Het buitenblad wordt niet opgewarmd en zal slechts zeer beperkt drogen, terwijl juist in deze periodes een hogere RV voorkomt. In een meetperiode van 2 maanden is er slechts één geval geregistreerd van vochtdoorslag. Dit gebeurde tijdens een zeer extreme regenbui. Het drukverschil over de totale gevel was in dat geval zeer
ii
klein (<5 Pa). De oorzaak van regenpenetratie was in dit geval dus niet het drukverschil over het buitenblad. De spouw functioneert als capillaire onderbreking. Op het moment dat er vochtdoorslag plaatsvindt, wat slechts bij extreme regenbuien het geval is, wordt het isolatiemateriaal niet nat vanwege de aanwezigheid van de luchtspouw. Dit is voornamelijk belangrijk bij organische isolatiematerialen, zoals vlaswol, waarbij vocht kan leiden tot schimmelvorming en degradatie. Vlaswol kan toegepast worden in de spouw, uitgaande van de condities die gemeten zijn in dit onderzoek. Met betrekking tot het verantwoord toepassen van vlaswol isolatiedekens is de bedreiging van vlaswol de grote vochtopnamecapaciteit en de daarmee gepaard gaande afnemende isolatiewaarde en kans op schimmelvorming. Er komt echter geen langdurige periode van hoge RV in de spouw voor en de absolute hoeveelheid vocht die zich in de luchtspouw kan bevinden, kan zonder consequenties door de vlaswol geabsorbeerd worden. De metingen zijn gedaan in de zomerperiode. In de herfstperiode, waarin hogere RV voorkomt en gemiddeld veel neerslag valt, zal nog onderzoek gedaan moeten worden om met zekerheid te kunnen zeggen dat vlaswol toegepast kan worden in een traditioneel gemetselde spouwmuur.
iii
Summary In the Netherlands, 90% of the low-rise buildings contain traditionally masonry cavity walls with weep holes. The main reason for this type of wall is based on ventilation. Through the weep holes, air flows into the cavity where it gets heated by the warm inner leaf. This principle, where air rises due to temperature increase is called thermal draught. There are doubts about the degree of effectiveness. After partially insulating the cavity, the air isn’t heated anymore because of the lack of a warm surface inside the cavity wall. The open joints also are used for pressure equalization. The two reasons for pressure equalization are (1) reduction of the forces of wind on the outer leaf and (2) prevention of penetration of rain water due to pressure differences through the outer leaf. Another advantage of the cavity is the capillary interruption. Due to the cavity, the insulation material won’t get wet by the moist that has penetrated the outer leaf. Durable materials are gaining more and more importance nowadays. One specific group is the one of organic materials. These have a good capacity of absorbing moist and therefore are vulnerable for degradation by organisms. This disadvantage and the assumption that there is a constant high relative humidity (RH) in the cavity, is the reason why the durable insulation flax wool isn’t used very often in cavity walls. The present research concentrates on collecting information by measuring the physical cavity conditions to validate the use of flax wool blankets for insulation purposes. Also, measurements on the thermal and hygroscopic conditions of flax wool blankets have been done. Measurements on the hygroscopic and thermal behavior of flax wool show that flax wool is strongly absorbent. At a relative humidity of air above 80%, flax wool can absorb more than 90% of its own weight. As the amount of moist in flax wool increases, the insulation value decreases. There have been done measurements on a full scale brick laid cavity wall in a façade of 3 stories. These measurements show a small pressure difference over the entire cavity wall. Even with air speed measured over 4 m/s, the total pressure difference is about 15 Pa. In 99,9% of the measurements, there was pressure equalization of more than 64% as a result of the presence of the weep holes. According to the Dutch standard (NEN 6702), this is sufficient. The total wind pressure on low-rise buildings isn’t that high that it’s a danger to the construction of the building. Also, the pressure difference will not be of a big effect on the moisture penetration of the outer leaf. Good ventilation in the cavity would result in a RH in the cavity strongly dependent on the RH outside. Measurements on the RH in the cavity (RHc), outside (RHe) and inside (RHi) show that RHc is higher than outside, considering the cavity partially filled with glass wool. Measurements done on the cavity partially filled with flax wool show a lower RHc. This isn’t due to the cavity ventilation, but due to the absorbent characteristic of flax wool. The maximum amount of moist possible in the cavity is only a fraction of the amount of moist possible in the flax wool. The RHc is more dependent on the presence of the absorbing material flax wool, than the cavity ventilation. The absolute content of moist in the air outside is more or less constant (10 g/kg air). In summertime, the brick wall is drying because of the high temperature (>40 oC) of the brick wall. Therefore, the content of moist in the cavity increases, sometimes to more than 25 g/kg air. In this case, there is a matter of double-sided drying of the outer leaf. These measurements have been done in summertime. In wintertime it is more important that the outer leaf dries, because of the higher RH outside. However, measurements show that at low temperatures the degree of drying of the wall is limited. There has only been registered one case of rain penetration through the outer leaf. This case was characterized by its short but very heavy rainfall. The total pressure difference at that moment was limited (<5 Pa). Thus, pressure difference was not necessary in this case for rain penetration. During rain penetration the insulation material is prevented from getting wet by the cavity, a capillary interruption. Primarily for organic materials, such as flax wool, this is very important because of the risk of moulding. Flax wool is applicable in a cavity wall, assuming the measurements done in summertime. The threat of flax wool is the big capacity of absorbing moist, and its decreasing insulation value and chance of generating mould. There haven’t been measured long periods of high RH in the cavity and the absolute content of moist in the air cavity can be absorbed easily by the flax wool without any consequences.
iv
v
Inhoudsopgave VOORWOORD ........................................................................................................................................................... I SAMENVATTING .....................................................................................................................................................II SUMMARY............................................................................................................................................................... IV INHOUDSOPGAVE ................................................................................................................................................ VI 1
INLEIDING .........................................................................................................................................................1 1.1 KLIMAAT EN GEVELONTWERP ........................................................................................................................1 1.2 PROBLEEMSTELLING.......................................................................................................................................2 1.2.1 Ventilatie................................................................................................................................................3 1.2.2 Vochtdoorslag........................................................................................................................................3 1.2.3 Toepasbaarheid van vlaswol in een traditioneel gemetselde spouwmuur .............................................3 1.3 DOELSTELLING ...............................................................................................................................................3
2
LITERATUURSTUDIE......................................................................................................................................5 2.1 INLEIDING.......................................................................................................................................................5 2.2 WIND ..............................................................................................................................................................5 2.2.1 Windstroming om gebouwen..................................................................................................................7 2.2.2 Winddruk ...............................................................................................................................................7 2.2.3 Drukvereffening .....................................................................................................................................7 2.2.4 PEC-coëfficiënt......................................................................................................................................8 2.2.5 Spouwventilatie......................................................................................................................................8 2.3 REGEN ..........................................................................................................................................................11 2.3.1 Vochttransport door de baksteen .........................................................................................................11 2.3.2 Vochttransport in een spouwmuur .......................................................................................................13 2.3.3 Gerelateerde onderzoeken ...................................................................................................................13 2.4 NACHTELIJKE AFKOELING ............................................................................................................................17
3
VLASWOL.........................................................................................................................................................19 3.1 3.2 3.3 3.4
4
MEETOPSTELLING........................................................................................................................................23 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9
5
DUURZAAM BOUWEN ...................................................................................................................................19 PRODUCTIEPROCES .......................................................................................................................................19 TECHNISCHE GEGEVENS ...............................................................................................................................20 MARKTKANSEN ............................................................................................................................................20
OMGEVING EN GEBOUW ...............................................................................................................................23 DE TESTGEVEL .............................................................................................................................................24 DRUKVERSCHIL ............................................................................................................................................25 TEMPERATUUR EN RELATIEVE VOCHTIGHEID IN DE SPOUW .........................................................................26 VOCHTDOORSLAG BUITENBLAD ...................................................................................................................27 LUCHTSNELHEID IN DE SPOUW .....................................................................................................................28 TEMPERATUUR EN RELATIEVE VOCHTIGHEID BUITEN ..................................................................................30 LUCHTSNELHEID BUITEN ..............................................................................................................................30 NEERSLAG ....................................................................................................................................................31
MATERIAALEIGENSCHAPPEN VLASWOL.............................................................................................33 5.1 INLEIDING.....................................................................................................................................................33 5.2 HYGROSCOPISCHE KROMME .........................................................................................................................33 5.3 DYNAMISCH VOCHTGEDRAG ........................................................................................................................35 5.4 DEGRADATIE ................................................................................................................................................35 5.4.1 Kwaliteit...............................................................................................................................................35 5.4.2 Schimmelvorming ................................................................................................................................36 5.5 RELATIE VOCHTIGHEID – ISOLATIEWAARDE ................................................................................................36 5.5.1 Inleiding...............................................................................................................................................36 5.5.2 Resultaten ............................................................................................................................................37
vi
5.5.3 6
Discussie..............................................................................................................................................38
RESULTATEN SPOUWMUUR ......................................................................................................................41 6.1 DRUKVERSCHIL ............................................................................................................................................41 6.1.1 Correlatie.............................................................................................................................................41 6.1.2 PEC-coëfficiënt....................................................................................................................................42 6.1.3 Luchtsnelheid.......................................................................................................................................43 6.1.4 Windstille dag ......................................................................................................................................44 6.2 TEMPERATUUR .............................................................................................................................................45 6.2.1 Algemeen .............................................................................................................................................45 6.2.2 Verdeling in spouw ..............................................................................................................................47 6.3 RELATIEVE VOCHTIGHEID EN NEERSLAG .....................................................................................................48 6.3.1 Statisch.................................................................................................................................................48 6.3.2 Verwachting wintersituatie ..................................................................................................................49 6.3.3 Dynamisch ...........................................................................................................................................50 6.3.4 Verdeling in de spouw..........................................................................................................................54 6.4 CASE STUDY: 21 JULI 2004 ...........................................................................................................................54 6.4.1 Drukverschil ........................................................................................................................................54 6.4.2 Relatieve Vochtigheid ..........................................................................................................................56 6.5 VOCHTDOORSLAG ........................................................................................................................................57
7
CONCLUSIES ...................................................................................................................................................59
8
AANBEVELINGEN ..........................................................................................................................................61
LITERATUURLIJST ...............................................................................................................................................63 SYMBOLENLIJST ...................................................................................................................................................65 BIJLAGE A
SPECIFICATIES MEETAPPARATUUR...................................................................................67
BIJLAGE B
CORRELATIE-COËFFICIËNT..................................................................................................69
BIJLAGE C
KLIMAATGEGEVENS EINDHOVEN ......................................................................................71
vii
1 Inleiding 1.1
Klimaat en gevelontwerp
Noordwest Europa heeft door de overheersende zuidwestenwinden een zeeklimaat en wordt belaagd door overvloedige slagregens. Om de muren droog te houden begon men een dubbele gevel toe te passen, met een buitenblad als regenscherm, gescheiden van de dragende binnenmuur door een luchtspouw. Deze constructiewijze wordt sinds de tweede wereldoorlog op grote schaal toegepast. Meer dan 90% van de woningen die in Nederland worden gebouwd hebben een spouwmuur. [VZW Bouwen, 1997]
figuur 1: Traditie van de gevelopbouw in Europa [VZW Bouwen, 1997]
Voordat de spouwmuur bestond, werd de buitengevel doorgaans uitgevoerd als een enkelvoudige ongeïsoleerde muur van steens metselwerk. Echter, het drukverschil over de buitengevel en het capillaire gedrag van de baksteen zorgde voor het binnendringen en soms doorslaan van regenwater (figuur 2). Dit binnendringen zorgde voor vochtproblemen in de ruimte.
wind
buiten
binnen
figuur 2: Steens gemetselde buitengevel zonder spouw Om dit probleem te ondervangen is de spouwmuur ontworpen. Hierdoor werd de gevel regendicht. Regendichtheid is gebaseerd op 3 principes: 1. Het buitenspouwblad gedraagt zich als regenscherm en waterbuffer; 2. De spouw is ontworpen als capillaire onderbreking en drukvereffening; 3. Het binnenspouwblad gedraagt zich als luchtdichte barrière (Error! Reference source not found.).
1
Tussen 1970 en 1980 werd men er meer bewust van het probleem van inwendige condensatie door dampdiffusie en werd de open stootvoeg geïntroduceerd. [Hens, 1995]. Open stootvoegen zijn de verticale ongevulde voegen van baksteen metselwerk die zich op enkele plaatsen in de buitengevel bevinden. Deze zorgen voor een ventilatie in de spouw. Het principe berust op thermische trek. Het warme binnenblad zorgt ervoor dat de lucht in de spouw opgewarmd wordt. Hierdoor zal er een luchtbeweging omhoog ontstaan die de vochtige lucht afvoert via hoger gepositioneerde open stootvoegen (figuur 3). Hierop zal in hoofdstuk 2 worden ingegaan.
wind
buiten
binnen
figuur 3: De traditionele ongeïsoleerde spouwmuur Tot 1970 werd er geen isolatiemateriaal toegevoegd. Na de energiecrisis in 1973 ging men de spouw volledig of gedeeltelijk isoleren (figuur 4). Gangbare isolatiematerialen zijn minerale wol, zoals glaswol en steenwol, en kunststof schuimen met gesloten celstructuur, zoals XPS. Duurzame bouwmaterialen zoals isolatiedekens gemaakt van vlas, de zogenaamde vlaswol, komen tegenwoordig steeds meer in de aandacht.
wind
buiten
binnen
figuur 4: De huidige traditionele geïsoleerde spouwmuur Isolatiemateriaal uit vernieuwbare grondstoffen zijn vaak sterk hygroscopisch in vergelijking met gangbare isolatiematerialen als EPS of minerale wol. Daarom wordt vlaswol op dit moment voornamelijk toegepast in droge constructies, zoals sandwichconstructies. Deze constructie bestaat uit 2 stijve platen waartussen het vlaswol wordt gepositioneerd. Door het juist toepassen van waterkerende en dampremmende folies zijn er weinig vochtproblemen. Echter, in een spouwmuur zijn de condities aanzienlijk anders. Ook heeft vlaswol een zwak imago ten aanzien van brand- en rotwerendheid en een beperkte isolatie bij een groot evenwichtsvochtgehalte. [Van Dam, 2001]. Om deze (voor)oordelen te ontkrachten, of te bevestigen, is onderzoek nodig naar de hygrische eigenschappen van vlaswol. Het is noodzakelijk de fysische eigenschappen te bekijken van het materiaal zelf, evenals de condities in een spouwmuur, om te bepalen of vlaswol ook geschikt is om toe te passen in de traditionele gemetselde spouwmuur.
1.2
Probleemstelling
Sinds enkele jaren bestaat de discussie over de effectiviteit van de werking van de spouwmuur. De verschillende aspecten die hebben geleid tot dit onderzoek worden in deze paragraaf besproken. Een uitgebreide analyse van de problemen is te vinden in hoofdstuk 2 .
2
1.2.1 Ventilatie De ventilatie in de spouw wordt voornamelijk bepaald door thermische trek. Thermische trek wordt gegenereerd door het warme binnenblad dat de koude lucht opwarmt die in de spouw stroomt. Echter, bij de aanwezigheid van spouwisolatie is er geen warm vlak in de spouw en wordt de spouwlucht dus nauwelijks opgewarmd. Niet alleen ontstaat daardoor vrijwel geen schoorsteenwerking, maar ook geen vochtopnamecapaciteit van enige betekenis. [Hendriks, 1999]
1.2.2 Vochtdoorslag De vochtproblemen die men ondervond bij enkelvoudige muren werden niet alleen veroorzaakt door de vochtdoorslag door de muur. Slechte ventilatie zorgde voor een te hoge relatieve luchtvochtigheid in ruimten. De aanname dat er water aan de binnenkant van het buitenblad zou lopen, wordt hier ter discussie gesteld. Dit was al niet in zeer grote mate het geval bij enkelvoudige muren. Bij spouwmuren, waarbij drukvereffening tot stand komt door de open stootvoegen, zal dit nog minder het geval zijn. De capillaire werking van de baksteen kan alleen leiden tot het opzuigen van het vocht. Voor het uittreden van het water aan de binnenzijde van het buitenblad zijn uitwendige drukken nodig en moet de steen verzadigd zijn. De drukvereffening zorgt echter voor een gering drukverschil over het buitenblad. De baksteen kan ongeveer 30 volume-% aan vocht absorberen. Dit is aanzienlijk meer dan geabsorbeerd wordt door een baksteen bij een normale regenbui. De uittreding van het water zal dus niet snel op gang komen.
1.2.3 Toepasbaarheid van vlaswol in een traditioneel gemetselde spouwmuur Vanwege het zwakke imago ten aanzien van rotwerendheid van organische materialen en de aanname van de aanwezigheid van grote hoeveelheden vocht in de spouwmuur, is men sceptisch over het gebruik van vlaswol in een traditioneel gemetselde spouwmuur. Het onderzoek naar de hygrische eigenschappen van een organisch materiaal als vlaswol is nog in een vroeg stadium. De condities in een gedeeltelijk gevulde spouw zijn dynamisch en complex. Hier is nog niet voldoende onderzoek naar gedaan.
1.3
Doelstelling
De doelstelling van dit onderzoek is daarom: Het onderzoeken van de (bouw)fysische condities van een spouw en de mogelijkheid tot het duurzaam toepassen van vlaswol als isolatiemateriaal in een traditionele bakstenen spouwmuur Onderzoeksvragen die daarbij aan bod komen zijn: Hoe effectief functioneert een spouw? De oorspronkelijke gedachte achter de spouwmuur is ventilatie en dubbelzijdige droging van het buitenblad. Treedt er na toevoegen van spouwisolatie nog wel voldoende ventilatie en droging op, terwijl thermische trek ontbreekt? In hoeverre is er sprake van vocht dat aan de binnenkant van het buitenblad naar beneden loopt als gevolg van regenpenetratie? Wat zijn de hygrische en thermische condities in een spouw en kunnen die verklaard worden aan de hand van de regenpenetratie of aan de hand van de relatieve luchtvochtigheid? Is vlaswol toepasbaar in een spouwmuur? Na het bepalen van de fysische eigenschappen van zowel de spouw als van het isolatiemateriaal vlaswol, kan bepaald worden of vlaswol een geschikt isolatiemateriaal is om toe te passen in een spouw.
3
4
2 Literatuurstudie 2.1
Inleiding
In paragraaf 1.1 is gesproken over de ontwikkeling van de spouwmuur met open stootvoegen. Samenvattend werden de volgende punten ter discussie gesteld: 1. Vochtdoorslag door de muur wordt voorkomen door de luchtspouw die als capillaire onderbreking functioneert. Voor het ontstaan van vochtdoorslag is niet alleen de capillaire werking van de baksteen van belang. Vanwege de zwaartekracht treedt het zogenaamde ‘zakkend water’ op. De daadwerkelijke uittreding kan alleen optreden met behulp van uitwendige krachten. 2. Open stootvoegen zorgen voor tweezijdige droging; door middel van thermische trek vindt er ventilatie in de spouw plaats waardoor eventueel aanwezig vocht afgevoerd wordt. Na het toevoegen van isolatiemateriaal zal er minder thermische trek optreden als gevolg van het uitblijven van het opwarmen van de spouw door middel van het warme binnenspouwblad. De mate van spouwventilatie zal dus minder zijn. In dit hoofdstuk zal dieper worden ingegaan op deze discussiepunten. Aan de hand van de verschillende facetten van het klimaat (wind, regen) zal worden besproken op welke principes de fysische werking van een spouwmuur berust.
2.2
Wind
De condities in een spouwmuur worden in grote mate beïnvloed door de wind die om het gebouw stroomt. Om de condities in de spouwmuur te verklaren, is het van belang om de karakteristieken van de wind te kennen. Het gedrag van wind kan door een aantal eigenschappen gekarakteriseerd worden: 1. Een variërend verloop van de (horizontale) windsnelheid over de hoogte, afhankelijk van de ruwheid van het terrein; 2. Een variatie op deze snelheid door de vlagen, waarvan de grootte ten opzichte van de plaatselijke gemiddelde snelheid eveneens weer afhankelijk is van de hoogte. Ruwheid Temperatuurverschillen op aarde veroorzaken luchtdrukverschillen in de atmosfeer die luchtbeweging tot gevolg hebben. Op grote hoogte boven het aardoppervlak kan de lucht vrij bewegen, maar in de buurt van het aardoppervlak treden verstoringen op in de stroming door wrijving. Dit gebeurt op macro-schaal door gebergten en op micro-schaal door de ruwheid (bebouwing) van het terrein (figuur 5) [SBR, 1979].
figuur 5: Verandering van het windsnelheidsprofiel door het passeren van een bebouwde omgeving [SBR, 1979]
5
Vaak wordt de omgeving in categorieën gedeeld om te bepalen hoe ruw het oppervlak is ([Aynsley e.a., 1977], [Cook, 1999]). Vanaf een bepaalde hoogte zG speelt de bebouwing geen rol meer op de gemiddelde windsnelheid vg . Uiteraard neemt zG toe naarmate het oppervlakte ruwer wordt. De coëfficiënt α duidt de ruwheid van het terrein aan (Tabel 1). Tabel 1: Indeling op ruwheid in 4 categorieën Terrein Omschrijving categorie 1 Open vlakte zoals woestijn, open zee 2 Open vlakte met weinig begroeiing 3 Kleine dorpen, goed beboste gebieden 4 Stedelijke omgeving, hoge gebouwen
zG
α
250 300 400 500
0,11 0,15 0,25 0,36
Een stedelijke omgeving als waarin het TU/e-terrein is gelegen, valt onder categorie 4. Hoogte De variatie van de gemiddelde windsnelheid als functie van de hoogte kan op verschillende manieren worden benaderd. Een veelgebruikte wiskundige uitdrukking geeft de verhouding tussen de gemiddelde windsnelheid op hoogte z en de gemiddelde windsnelheid ( vzG ) op het punt waarop de ruwheid van het oppervlak niet meer van invloed is [Aynsley e.a., 1977]: α
vz ⎛ z ⎞ =⎜ ⎟ vzG ⎝ zG ⎠
,
1
600
600
500
500 Hoogte boven grond [m]
Hhoogte boven grond [m]
waarin zG en α een functie zijn van de ruwheid van de grond. Het gemiddelde windsnelheidsprofiel voor een stedelijke omgeving is weergegeven in figuur 6 (Tabel 1, categorie 4)
400
300
200
100
400
300
200
100
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0
wind snelheid ratio
figuur 6: Gemiddeld windsnelheidsprofiel
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Turbulentie intensiteit Iu
figuur 7: Turbulentie-intensiteit voor verschillende ruwheden in homogene en stationaire stroming
Turbulentie Onder turbulentie wordt het variëren van de luchtstroming in grootte en richting verstaan, veelal onder het vormen van wervels. De ruwheid van het aardoppervlak en de afstand tot het aardoppervlak spelen hierbij een rol. Geurts (1997) spreekt van een coëfficiënt Iu als mate voor de turbulentie. Iu is de verhouding tussen de standaarddeviatie van de windsnelheid en de gemiddelde windsnelheid op een bepaalde hoogte z. In dit geval wordt de longitudinale component van de wind bedoeld. De longitudinale component is dat deel van de wind in dezelfde richting als de gemiddelde windsnelheid. Geurts heeft ook onderzoek gedaan naar de laterale en verticale component van de wind, maar deze wordt in dit onderzoek buiten beschouwing gelaten. De turbulentie intensiteit Iu als functie van de hoogte boven de grond voor een terrein uit categorie 4 is weergegeven in figuur 7. Deze figuur laat zien dat de turbulentie-intensiteit sterk toeneemt naarmate het te meten object dichter bij de grond is. De variatie in luchtsnelheden is daar dus groter.
6
2.2.1 Windstroming om gebouwen Als men het windprofiel beschouwt bij een vrijstaand hoog gebouw, dan wordt de wind voor het gebouw in bepaalde mate afgeremd, terwijl over en langs het gebouw juist verhoogde snelheden optreden, omdat in totaal dezelfde hoeveelheid lucht moet worden afgevoerd. Er is al opgemerkt dat de luchtsnelheid toeneemt naarmate de hoogte toeneemt. De windsnelheden zullen dus aan de bovenzijde van het gebouw hoger zijn dan aan de onderzijde. Onderstaande figuren laten de luchtstroming rond een gebouw zien.
figuur 8: Gestileerde aanduiding van de luchtstromingen rond een gebouw [SBR, 1979]
figuur 9: Windstroming in zijaanzicht en in bovenaanzicht, betrekkelijk dicht boven de begane grond [SBR, 1979]
2.2.2 Winddruk De windbelasting op een gevel wordt bepaald door het verschil in druk tussen buiten en binnen. De interne druk hangt af van de relatieve grootte en positie van de openingen en lekken in de gevel in relatie tot de externe drukverdeling. De externe drukverdeling hangt af van de grootte en richting van de wind. Openingen aan de loefzijde van een gebouw zorgen voor een vereffening van de druk tussen buiten en binnen. De interne druk zorgt dus voor een overdruk in het gebouw. Openingen aan de luwzijde van een gebouw zorgen echter voor een onderdruk in verhouding tot de atmosferische druk (figuur 10) [Newberry e.a., 1974].
a
b
figuur 10: Interne druk in gebouwen met openingen in slechts één gevel, loefzijde(a) en luwzijde(b)
2.2.3 Drukvereffening De open stootvoegen dragen onder andere bij tot drukvereffening. Door deze gaten wordt een gedeelte van de wind de spouw ingeblazen. Dit zorgt ervoor dat de winddruk op het buitenblad gereduceerd wordt. Er is dan sprake van drukvereffening. Een ideale drukvereffening wordt gerealiseerd wanneer de druk in de spouw gelijk is aan de buitendruk. In deze situatie wordt niet alleen de doorslag van regenwater onder invloed van de heersende winddrukken over het buitenblad gereduceerd. Een extra voordeel van een drukvereffende gevel is de vermindering van de windbelasting op het buitenblad. Dit komt doordat een verschuiving van de krachtenverdeling over de gevelconstructie van het buiten- naar het binnenblad plaatsvindt. De resultaten van een experiment op een drukvereffende gevel, gedaan op westgevel van de 10e verdieping van het hoofdgebouw van de Technische Universiteit Eindhoven (39 meter boven maaiveld)
7
zijn te zien in figuur 11 [Schols, 1997]. In dit onderzoek zijn twee gevelpanelen van glas vervangen door gevelconstructies van betonmultiplex, waarmee een spouwgevel wordt gesimuleerd. Er zijn drukverschilmetingen gedaan met gevelpanelen met verschillende mate van permeabiliteit. In figuur 11 is het drukverschil over de totale gevel (1), over het binnenblad (2) en het buitenblad (3) weergegeven.
figuur 11: Voorbeeld van een meting: 1- het gemeten drukverschil over de totale gevel; 2 - het drukverschil over het binnenblad van de gevel; 3 - het drukverschil over het buitenblad. Sampletijd is 0,05 seconde. [Schols, 1997] Deze figuur laat zien dat het drukverschil over het buitenblad aanzienlijk kleiner is dan het drukverschil over de totale gevel. Er is in dit geval dus sprake van drukvereffening. Er was onduidelijkheid over de mate van permeabiliteit van het buitenblad en het binnenblad in dit onderzoek.
2.2.4 PEC-coëfficiënt De mate van drukvereffening wordt aangegeven met de PEC-coëfficiënt. PEC staat voor Pressure Equalization Coefficient . Deze wordt als volgt gedefinieerd [Schols, 1997]:
PEC =
∆pec ∆pei
∆pec ∆pei
= Drukverschil tussen buiten (e) en de spouw (c) [Pa] = Drukverschil tussen buiten (e) en binnen (i) [Pa]
2
Voor |PEC|<1 geldt dat er een reductie van het drukverschil over het buitenblad optreedt. Is |PEC|>1, dan treedt er een versterking op. Het drukverschil over het buitenblad is dan groter dan het drukverschil over de totale gevel. Er treedt dan geen drukvereffening op. Om regendoorslag door drukvereffening te voorkomen is het volgens NEN 6702 noodzakelijk een PECwaarde te waarborgen van 0,64 of lager; dit gezien de extreme windbelasting op een gevel of gevelelement van 1000 Pa en het maximale drukverschil van 640 Pa [NEN 6702, 2004] waaraan een gevel moet voldoen bij een extreme waterdichtheid. In deze NEN-norm wordt verder niet ingegaan op opbouw, materiaalkeuze of mate van permeabiliteit van de gevel. Bij lage drukverschillen over de gevel is deze coëfficiënt betekenisloos. Bij een lage windsnelheid, en dus een laag drukverschil, kan het voorkomen dat het drukverschil over het buitenblad groter is dan het drukverschil over de totale gevel. Turbulentie speelt hierbij een rol. Deze situatie is niet van belang. Bij lage luchtsnelheden zal de druk op de gevel minimaal zijn, en dus zal de mate van regenpenetratie verwaarloosbaar zijn. Vereffening is dan niet nodig.
2.2.5 Spouwventilatie De belangrijkste reden van het bestaan van de open stootvoeg is ventilatie. Door middel van de buitenlucht die door de open stootvoegen naar binnen stroomt, vindt er luchtverversing plaats.Deze
8
ventilatie zorgt voor tweezijdige droging van het buitenblad. Door de ventilatie en de tweezijdige droging zal de kans op aantasting van het isolatiemateriaal minder zijn. De luchtsnelheid in de spouw wordt bepaald door [SBR, 1968]: • Het temperatuurverschil tussen de lucht binnen en buiten; • De hoogte van de spouw; • De verhouding tussen oppervlak van de spouwdoorsnede en oppervlak van de ventilatieopeningen, beide genomen over dezelfde muurlengte; • Het stuwdrukverschil tussen de openingen. Volgens Stichting Bouwresearch [SBR, 1968] wordt voor een ‘normale’ spouwmuur de luchtsnelheid bepaald aan de hand van de volgende formule:
v= v z Ti Te σ ∆p
0, 6
σ
0, 015 z (Ti − Te ) − 8,5∆p
3
= Luchtsnelheid in de spouw [m/s] = Spouwhoogte tussen ventilatieopeningen (m) = Temperatuur van de lucht binnen [oC] = Temperatuur van de lucht buiten [oC] = Verhouding oppervlakte spouwdoorsnede en oppervlakte ventilatie-openingen [-] = Stuwdrukverschil tussen ventilatie-openingen [kgf/m2]
Het is niet duidelijk wat verstaan wordt onder een normale spouwmuur (geïsoleerd of ongeïsoleerd?), maar onderstaande figuur laat zien dat bij een dergelijke muur enkel lage luchtsnelheden optreden.
figuur 12: Luchtsnelheid in de spouw (v) als functie van het temperatuurverschil tussen binnen en buiten (Ti-Te), voor verschillende waarden van de verhouding tussen het oppervlak van de spouwdoorsnede en dat van de ventilatie-openingen per m muurlengte (σ) Bovenstaande figuur laat de luchtsnelheid zien in de spouw als functie van het temperatuurverschil tussen binnen en buiten. De aanwezigheid van isolatiemateriaal is echter van groot belang bij het bepalen van de luchtsnelheid, aangezien deze bepaalt of er een warm vlak in de spouw is. In paragraaf 1.2.1 zijn vraagtekens geplaatst bij de mate van ventilatie die kan optreden bij de huidige spouwmuur met isolatiemateriaal vanwege het ontbreken van thermische trek in de spouw.
9
T1 T2
T1 = 16,2 oC T2= 11,2 oC T3= 6,2 oC T4= 1,2 oC
T2
T3
T3 T4
figuur 13: Temperatuurverloop in een ongeïsoleerde spouwmuur
T1
T1 = 19,2 oC T2= 18,1 oC T3= 2,4 oC T4= 1,3 oC T5= 0,3 oC
T5
T4
figuur 14: Temperatuurverloop in een geïsoleerde spouwmuur
Bovenstaande figuren laat het temperatuurverloop zien in een geïsoleerde en een ongeïsoleerde spouwmuur. In dit geval wordt uitgegaan van een stationaire situatie met een binnentemperatuur Ti van 20 oC en een buitentemperatuur Te van 0 oC. In figuur 13 is te zien dat in het geval van de ongeïsoleerde spouwmuur de temperatuur aan de binnenzijde van het binnenspouwblad 11,2 oC bedraagt. De koude lucht van 0 oC die door de open stootvoegen de spouw instroomt, zal dus inderdaad worden opgewarmd door het warme binnenspouwblad. In het geval van de geïsoleerde spouwmuur echter, zal de lucht van 0 o C slechts op kunnen warmen tot maximaal 2,4 graden. Het model is vereenvoudigd door geen rekening te houden met (koude) lucht die door de open stootvoegen in de spouw stroomt en daardoor de oppervlaktetemperaturen nog lager maakt. Indien men dit wel doet, kan men de isolerende waarde van het buitenspouwblad verwaarlozen. Het principe dat hierboven geschetst is, blijft echter hetzelfde. Samenvattend: Bij een geïsoleerde, geventileerde spouwmuur wordt de lucht minder opgewarmd vanwege het ontbreken van een warme binnenzijde van de spouw. Er zal dus geen luchtbeweging ontstaan. De zogenaamde thermische trek ontbreekt. Dit houdt in dat de ventilatie in de spouw minimaal zal zijn. De mate van droging is beperkt. Silberstein (1996) ondersteunt de aanname dat er in de spouw enkel lage luchtsnelheden optreden. In Denemarken is onderzoek gedaan naar de luchtsnelheid in een geventileerde, geïsoleerde spouw als functie van de windsnelheid buiten (figuur 15).
figuur 15: Luchtsnelheid in een spouw als functie van de luchtsnelheid buiten [Silberstein, 1996] Bovenstaande figuur laat zien dat er geen grotere luchtsnelheid optreedt in een spouw dan 0,16 m/s. Deze orde van grootte is vergelijkbaar met een luchtstroming in een binnenruimte. Bij dergelijke lage luchtsnelheden is de mate van ventilatie beperkt. Hoewel er onduidelijkheden zijn over de meetmethode en de opbouw van de spouwmuur van Silbersteins onderzoek, is een dergelijke lage luchtsnelheid in de spouw een duidelijke aanwijzing dat thermische trek in een geïsoleerde spouwmuur ontbreekt.
10
2.3
Regen
Als regen op een bakstenen gevel valt, zal veel van het water geabsorbeerd worden. Het geabsorbeerde water zal later ergens vrijgelaten worden door verdamping. De hygrische condities in een spouw zijn dus niet alleen afhankelijk van de geventileerde lucht die door de open stootvoegen de spouw instroomt, maar ook door het vocht dat van de bakstenen verdampt. Een van de traditionele principes van de luchtspouw is dan ook dat er geen vochtbruggen kunnen ontstaan die het isolatiemateriaal nat maken en dus in thermische prestatie kunnen doen afnemen.
2.3.1 Vochttransport door de baksteen Er zijn twee oorzaken voor het transport van vocht (in poreuze materialen) aan te wijzen: een watergehaltegradiënt en een temperatuurgradiënt: elk van beide oorzaken heeft verplaatsing van vocht ten gevolge zowel in de vloeibare fase als in de dampvormige fase en wel in de richting van het lage vochtgehalte en in de richting van de lage temperatuur [Tammes en Vos, 1984]. De vochtstroomdichtheid (qv) in een poreus materiaal kan als volgt beschreven:
q v = − Dv ρ w gradψ − Kgradθ
4
ψ = Vochtgehalte [m3 water/m3 materiaal] θ = Temperatuur [K] ρw = Volumieke massa water [kg/m3] Dv = Vochtvereffeningscoëfficiënt [m2/s] K = Thermische vochttransportcoëfficiënt [kg/mKs]De vochtvereffeningscoëfficiënt is een mate voor de snelheid waarmee het vocht zich herverdeelt van een instationaire toestand tot een stationaire toestand. Als een capillair in contact gebracht wordt met een vrij wateroppervlak (zoals regen), wordt het water met afnemende snelheid opgezogen, waarbij de plaats van de meniscus in het capillair (X= vochtfront) als volgt gedefinieerd wordt (indien de invloed van zwaartekracht verwaarloosd wordt):
X = B tB X B tB
5
= Vochtfront [m] = Waterpenetratiecoëfficiënt [m/s0,5] = Tijd [s]
De waarde van B wordt bepaald door de vochtvereffeningscoëfficiënt (Dv), het kritische vochtgehalte (ψc) en het maximale vochtgehalte (ψo). Onder het kritische vochtgehalte wordt het gehalte verstaan waarboven geen vochttransport in vloeibare vorm optreedt. Het maximale vochtgehalte geeft de hoeveelheid vocht aan die maximaal door het materiaal opgezogen kan worden. In figuur 16 is de vochtverdeling in een materiaal weergegeven als er vanaf één oppervlak water wordt opgezogen. Curven a, b en c laten situaties zien op een zeker tijdstip; er vormt zich een vochtfront (X) waar het vochtgehalte kritisch is (ψc); curve d stelt de vochtverdeling voor als ψc gelijk aan 0 zou zijn.
11
figuur 16: Vochtverdeling, ψ(x), in een materiaal indien vanaf één oppervlak water wordt opgezogen Analoog aan de waterpenetratiecoëfficiënt wordt de vergelijking voor het door het materiaal geabsorbeerd water m (in kg/m2) als volgt gedefinieerd:
m = A tA m A ta
6
= door het materiaal geabsorbeerd water [kg/m2] = waterabsorptiecoëfficiënt [kg/m2s0,5] = tijd [s]
Tammes en Vos (1984) geven voor verschillende dichtheden van baksteen de volgende eigenschappen: Tabel 2: Eigenschappen van baksteen voor twee verschillende dichtheden Dichtheid [kg/m3] ψo [m3/m3] ψc [m3/m3] A [kg/m2s0,5] B [m/s0,5] 1700 0,36 0,08 0,37 1,4*10-3 1900 0,28 0,06 0,09 0,7*10-3 Deze tabel laat zien dat de waterpenetratiecoëfficiënt sterk kan afwijken bij verschillende dichtheden. Bij een baksteen muur met een dikte van 100 mm en een relatief lage dichtheid (1500 kg/m3), zoals gebruikt is in de meetopstelling van dit onderzoek, duurt het ongeveer 1,5 uur voordat het vochtfront de andere kant van de muur heeft bereikt. Bij een kritisch vochtgehalte van 0,36 m3/m3 zal er dus maximaal 36 kg water/m2 in een bakstenen muur van 100 mm dikte zitten. Met behulp van de waterabsorptiecoëfficiënt kan dan worden uitgerekend dat het theoretisch ongeveer 2,5 uur duurt voordat de steen helemaal volgelopen is met water. Penetratie van regenwater kan op verschillende manieren plaatsvinden. Lekkage door voegen of naden kan worden veroorzaakt door de kinetische energie van regendruppels. De invloed van drukvereffening hierop is over het algemeen vrij klein. De regendruppels behouden namelijk voor de gevel hun snelheid. Dit soort lekkage wordt voorkomen door de voegen en naden zo te construeren, dat er geen directe wegen zijn. De zwaartekracht is van invloed bij lekkage van regenwater. Het water kan via de voegen en naden naar binnen lopen. Ook kan men in deze situatie door verandering van de voegvorm regendoorslag verhinderen. Drukvereffening heeft hier invloed op, mits de voeg niet geheel met water is gevuld.
12
Door capillariteit, een vorm van oppervlaktespanning, kan door nauwe voegen water naar binnen worden getrokken.
De belangrijkste oorzaak van het binnendringen van regen in een niet afgedichte voeg is het luchtdrukverschil tussen de buitenzijde en de binnenzijde van de voeg. De verschijnselen die optreden zijn afhankelijk van de hoeveelheid water die langs de gevel stroomt en van de breedte van de voegen. a) Bij smalle voegen kan het langs de gevel stromende water een gesloten film voor de voegopening vormen. Dit water wordt ten gevolge van het luchtdrukverschil in de voeg geperst. Als de voeg smal genoeg is in vergelijking met de hoeveelheid langs de gevel stromend water, kan hierdoor een constante waterstroom in of door de voeg optreden. b) Bij wijde voegen zal het langs de gevel stromende water voor de voegopening geen gesloten waterfilm vormen. Het luchtdrukverschil heeft dan een luchtstroom door de voeg tot gevolg, waardoor water, dat zich bij de opening van de voeg of aan de voegwand bevindt, verder de voeg in wordt getransporteerd. c) Bij voegen waarvan de breedte ligt tussen die welke hierboven zijn beschreven, kunnen beide genoemde verschijnselen afwisselend optreden. [Hendriks, 2002]
2.3.2 Vochttransport in een spouwmuur Wanneer men regendoorslag in een spouwmuur beschouwt, kunnen de volgende oorzaken aangewezen worden: 1. Rechtstreekse regendoorslag van regendruppels Carmeliet (2002) heeft onderzoek gedaan naar de kans dat een regendruppel de juiste druppelbaan heeft om rechtstreeks door de voeg te slaan en de spouw te bereiken. In dit onderzoek wordt geconcludeerd dat dit alleen bij extreem hoge windsnelheden in combinatie met hoge neerslagintensiteit kan voorkomen. De kans hierop is minder dan 1% van de tijd in België, dat een vergelijkbaar klimaat heeft met Nederland. 2. Aflopende waterfilm Als door capillaire werking het vochtfront de andere zijde van de baksteen bereikt heeft, kan het nog niet automatisch uittreden. Wanneer de baksteen aan het oppervlak het maximale capillaire vochtgehalte bereikt, ontstaat een waterfilm, waarvan de dikte toeneemt. Initieel blijft de waterfilm ten gevolge van de grote oppervlaktespanning van water aan de gevel kleven. Bij toenemende dikte van de waterfilm zal deze onder de zwaartekracht naar beneden stromen. Er kunnen ook druppels gevormd worden aan onregelmatigheden die afdruppelen. De druppels kunnen door een winddrukverschil over het buitenspouwblad naar binnen geblazen worden. [Carmeliet e.a., 2002] 3. Vochtdoorslag door de open stootvoegen Het principe dat er vochtafvoer zou geschieden door de open stootvoegen is onderzocht door het Fraunhofer-Institut. Dit onderzoek heeft aangetoond dat met open stootvoegen het buitenblad gemiddeld ongeveer 4 volumeprocent vochtiger is dan bij het ontbreken ervan (resp. 24 en 20 vol.%). Kennelijk is de vochttoevoer door de open stootvoegen bij beregening groter dan de afvoer door de veronderstelde ventilatie van de luchtspouw. [Hendriks, 1998]
2.3.3 Gerelateerde onderzoeken Er is al onderzoek gedaan naar vochtdoorslag in spouwmuren. Toch is er nog geen uitsluitsel te geven over de mate van vochtdoorslag in de spouw. Hieronder zijn vier onderzoeken samengevat.
13
Tammes en Vos (1984) Tammes en Vos (1984) hebben een experimenteel onderzoek gedaan naar de vochtpenetratie in spouwmuren, waarbij door middel van een sproeibuis water boven tegen de buitenzijde van een geventileerde metselwerk spouwmuur werd gesproeid. De mate van vochtdoorslag werd gemeten door het water naar buiten af te voeren door ingemetselde pijpjes via de stootvoegen en daar op te vangen en te meten. De hoeveelheid vocht die de spouw heeft bereikt is afgezet tegen de hoeveelheid vocht die aan de buitenkant is aangeboden in figuur 17.
figuur 17: Hoeveelheid naar beneden stromend water als functie van de hoeveelheid aangeboden water q’e = hoeveelheid op het buitenblad gesproeid water per strekkende meter muur per uur q’s = idem langs de binnenzijde naar beneden stromend water a. geen winddrukverschil over de wand b. winddrukverschil ∆p=10 Pa c. winddrukverschil ∆p=40 Pa De metingen hebben betrekking op een stationaire situatie. De figuur laat zien dat er een aanzienlijke hoeveelheid vocht de spouw bereikt. Echter, de hoeveelheid water die op de muur gesproeid is, is niet te vergelijken met de regenbuien die in dit klimaat voorkomen. 100 kg/mh (zie ook bijlage C). In dit onderzoek wordt er van uitgegaan dat er een regenintensiteit van 10 kg/mh kan voorkomen. In figuur 17 is te zien dat in dit onderzoek een neerslag is gesimuleerd van wel 100 kg/mh. Het is niet eenvoudig te bepalen hoe vaak dit voorkomt in het Nederlandse klimaat, aangezien de regenintensiteit op het verticale vlak niet eenvoudig te meten is en daar dus weinig gegevens van zijn. Tammes en Vos geven een indicatie: In de periode van 1960 tot 1970 is in Den helder, waar gemiddeld de zwaarste slagregens in Nederland voorkomen, de grootste intensiteit die gemeten is 3,7 kg/m2 regen op het horizontale vlak. Dit komt volgens Tammes en Vos overeen met 9,9 kg/m2h. Dit is slechts één tiende van de hoeveelheid gesimuleerde regen. Gedurende de aanloopperiode, dus voordat de stationaire toestand wordt bereikt, verandert de hoeveelheid van binnen afstromend water (figuur 18). Bij deze figuur moet echter wel de kanttekening geplaatst worden dat er onduidelijkheid bestaat over de hoeveelheid water waarmee in dit experiment is gewerkt.
14
figuur 18: Hoeveelheid aan de binnenzijde afstromend water (qs') ten opzichte van de maximale hoeveelheid afstromend water (qsm') als functie van de tijd (t) Deze figuur laat zien dat er al na circa 10 minuten vochtdoorslag plaatsvindt. Dit is in strijd met de 1,5 uur die genoemd is in paragraaf 2.3.1 voor vochtdoorslag bij een baksteen. De oorzaak wordt dan ook niet gelegd bij de baksteen, maar bij de voegen. Onnauwkeurige voegen en krimpscheurtjes in voegmortel worden als boosdoener gezien. KU Leuven (2002) Aan de Katholieke Universiteit in Leuven is met behulp van de eindige-elementen-methode een model ontwikkeld waarmee het warmte en vochttransport in een baksteen 1-dimensionaal wordt berekend. Hiermee is het afstroomdebiet en de kans op regendoorslag berekend voor gelijmd metselwerk. [Carmeliet, 2002] Carmeliet concludeert dat de waterpenetratie en waterdoorslag afhankelijk zijn van het afstroomdebiet. Aflopend water treedt op wanneer de toevoer van vocht (regen, onderkoelingscondens) groter is dan de mogelijke absorptie in de baksteenwand. De kans op het (gedeeltelijk) vollopen van de kopse voeg met water en de hoeveelheid water die kan doorslaan naar de spouw is zeer gering. Belangrijke krachten hierbij zijn capillaire krachten, de zwaartekracht en de winddruk. Bij capillaire stenen treedt enkel afloop op wanneer voor de regenperiode de steen hoge vochtgehalten vertoont. Hierdoor kan de steen geen regenwater meer bufferen. Deze hoge vochtgehalten treden op tijdens de winter ten gevolge van de beperkte droogcapaciteiten en de nachtelijke onderkoelingscondensatie. Carmeliet concludeert ook dat doorslag gemiddeld niet veel voorkomt en wanneer doorslag wel optreedt, deze zeer gering is. Echter, dit is gebaseerd op rekenmodellen die enkel met gemiddelde waarden rekenen. Tijdens extreme regenbuien kunnen tijdelijk grotere afstroomdebieten ontstaan. TU/e (1996) In dit afstudeeronderzoek aan de faculteit Bouwkunde van de Technische Universiteit Eindhoven [Leppers, 1996], zijn waterdoorslagproeven aan halfsteens gemetselde en halfsteens gelijmde muren met dichte en met open stootvoegen gedaan. In onderstaande figuur is het resultaat te zien van een experiment met twee verschillende soorten metselwerk muren en twee verschillende soorten gelijmde bakstenen muren. De neerslagintensiteit die gesimuleerd is, bedroeg 18 L/m2h. De figuur laat het volumedebiet van vochtdoorslag zien als functie van het gesimuleerde drukverschil over de totale gevel.
15
Volumedebiet [L/m2h]
4 Metselwerk 1
3.5
Metselwerk 2
3
Gelijmd 1
2.5
Gelijmd 2
2 1.5 1 0.5 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Drukverschil over de totale gevel ∆pei [Pa]
figuur 19: Volumedebiet van vochtdoorslag als functie van het drukverschil over de totale gevel [Leppers, 1996] Leppers concludeert dat het vochtgedrag van gelijmde baksteenmuren verschilt met dat van traditioneel gemetselde muren. De waterdoorlatendheid van de lijmmuren is beduidend lager dan van gangbare metselmortels. Leppers concludeert ook dat waterdoorslag door gelijmde baksteenconstructies met dichte stootvoegen nauwelijks plaatsvindt, zelfs niet onder extreme omstandigheden. Doorslag treedt dan op in de stenen en niet in de voegen. Bij metselwerk treedt doorslag op in de voegen en niet in de stenen. Het drukverschil over de gevel is alleen bij gemetselde muren van belang (figuur 19). TU/e (2003) Aan de Technische Universiteit Eindhoven is een kleinschalig experimenteel onderzoek gedaan naar de vochtdoorslag door het buitenblad van een spouwmuur [Van den Braak e.a., 2003]. Deze metingen zijn gedaan aan een spouwmuur met een gelijmd metselwerk buitenblad. Er is in deze meting gebruik gemaakt van CONRAD regenmeters. Deze regensensoren, die normaliter gebruikt worden bij automatische regenschermen, zijn dusdanig in het bakstenen buitenblad gemonteerd, dat het sensoroppervlak in een rechte lijn zit met de binnenkant van het buitenblad (figuur 20). De sensoren zijn onder open stootvoegen geplaatst. Vocht dat aan de binnenkant van het buitenblad naar beneden loopt, zal dan gesignaleerd worden. Deze sensor geeft het signaal ‘aan’ bij detectie van vocht en registreert geen hoeveelheden.
figuur 20: Meetsteen met ingebouwde regensensor [Van den Braak, 2003] De conclusie van dit onderzoek is dat de perioden dat regendoorslag geregistreerd werd, worden gekenmerkt door een uit het zuidwesten waaiende wind, gecombineerd met bovengemiddelde neerslag en een windkracht van ongeveer 4 Beaufort. Er zijn enkele beperkingen aan dit onderzoek. Allereerst was het niet meer mogelijk om in een praktijksituatie de sensoren te controleren. De spouw is na de bouw niet meer bereikbaar. Hierdoor was het ook moeilijk om te bepalen of de uitslag die in de gemeten periode gegeven is, daadwerkelijk te wijten is aan vochtdoorslag en of de sensoren wel naar behoren werkten. Conclusie In het eerste onderzoek, dat door Tammes en Vos is uitgevoerd, wordt geconcludeerd dat er aanzienlijke vochtdoorslag optreedt. Echter, hierbij zijn experimenten gedaan met hoeveelheden vocht die in de
16
praktijk nauwelijks optreden bij een intense regenbui. In dit onderzoek wordt geconcludeerd dat het drukverschil over de gevel geen grote rol speelt in de mate van vochtdoorslag. Dit wordt niet ondersteund door Carmeliet, die juist concludeert dat de winddruk een belangrijke rol speelt bij vochtdoorslag. Tammes en Vos concluderen dat vochtdoorslag voornamelijk optreedt ter plekke van de voegen. Aan de hand van deze conclusie is het logisch dat er nauwelijks vochtdoorslag plaatsvindt bij het experiment dat gedaan is aan universiteiten in Leuven en Eindhoven (in 2003). Beide onderzoeken zijn gedaan naar buitenspouwbladen van gelijmde baksteen. Het onderzoek van Leppers is gedaan onder extreme omstandigheden. Het simuleren van een regenbui bleek gecompliceerd te zijn. Een onderzoek naar een traditioneel gemetselde spouwmuur (geïsoleerd, mortel als voegmiddel) in een zo reëel mogelijke situatie is dus nodig.
2.4
Nachtelijke afkoeling
Een daling in temperatuur heeft gevolgen voor de relatieve vochtigheid van de lucht. Ter illustratie staat hieronder een voorbeeld voor een gemiddelde dag in de winter. In Eindhoven is het in de maand januari gemiddeld 2,8 oC met een relatieve vochtigheid (RV) van 88% [KNMI]. De absolute hoeveelheid vocht die zich op dat moment in de lucht bevindt is dan 4,08 g/(kg droge lucht). Deze hoeveelheid komt overeen met het maximale waterdampgehalte (xsat) bij 1 oC. Aannemende dat de temperatuur en RV van de buitenlucht met enige vertraging overeen zal komen met de temperatuur en RV in de spouw, zal er dus bij slechts een afkoeling van minder dan 2 oC condensvorming optreden. Ochtenddauw op de planten ’s ochtends vroeg tijdens de winter is een bekend fenomeen. Dit fenomeen zal ook in de spouwmuur optreden; een maximale RV van 100% en condensvorming op de oppervlakken. Dit voorbeeld toont aan dat wellicht niet de regendoorslag de grootste rol speelt met betrekking tot de RV in de spouwmuur, maar de nachtelijke afkoeling. De aanwezigheid van de open stootvoegen staat in dit oogpunt ter discussie. Men kan zich hierbij de vraag stellen of men wel ventilatie in de spouw wenst. Op deze manier zal namelijk de vochtige buitenlucht sneller voor inwendige condensatie kunnen zorgen. Het vochttransport door enkel het bakstenen buitenspouwblad zal langzamer gaan dan dat door open stootvoegen.
17
18
3 Vlaswol 3.1
Duurzaam bouwen
In het kader van duurzaam bouwen is gebruik van bouwmaterialen uit vernieuwbare grondstoffen interessant, omdat ze (1) een lage energie-inhoud hebben, (2) er bij de productie in de regel weinig milieubelasting optreedt en (3) er goede mogelijkheden zijn voor lokale productie waardoor milieuvervuilend vervoer kan worden vermeden. Hierdoor leveren vernieuwbare grondstoffen nauwelijks een bijdrage aan het broeikaseffect. Andere milieuvoordelen zijn dat ze, mits onbehandeld, een positieve invloed hebben op het binnenmilieu, niet bijdragen aan de radonbelasting binnenshuis en dat ze door de aard van het materiaal als prettig worden ervaren in de woonomgeving. Bouwproducten uit vernieuwbare grondstoffen zijn in de regel goed afbreekbaar, waardoor ze bij afdanking weinig problemen geven. [Fraanje, 1999] Worden vernieuwbare grondstoffen zoals vlas op grotere schaal gebruikt in de samenleving, dan zijn de geringere afhankelijkheid van aardolie, steenkool en andere eindige grondstoffen, een sterk verminderd risico bij productieprocessen en transport en de relatieve arbo-vriendelijkheid gunstige bijkomstigheden. Bovenstaande opsomming illustreert dat er genoeg redenen zijn het toepassen van vernieuwbare grondstoffen in het kader van duurzaam bouw te stimuleren. Vroeger werden vernieuwbare grondstoffen volop in de bouw toegepast, ook nog in de naoorlogse jaren van deze eeuw was hout voor constructies en vloeren zeer belangrijk en waren zacht- en hardboard, vlasschevenplaten, stro- en rietplaten, stukadoorsriet, schelpkalk en kurk gangbare bouwproducten. Schilders werkten op grote schaal met lijnolieverven, behangers maakten gebruik van vlaslinnen behang en vloeren en meubels werden met was of lak behandeld op basis van lijnolie. Linoleum is sinds de uitvinding rond 1850 op steeds grotere schaal toegepast in openbare gebouwen en tal van woningen.
3.2
Productieproces
Het Nederlandse vlas-areaal schommelt de afgelopen jaren tussen de 3.500 en 4.500 ha. De totale productie van vlasvezel (lange en korte vezels) is in 2000 voor Europa meer dan 300.000 ton. De vlasplant levert elk jaar hoogwaardige vezels, houtige scheven en lijnzaad waaruit lijnolie kan worden geslagen. De lange vlasvezel wordt van oudsher verwerkt tot linnen kleding en degelijken. Uit de scheven worden vlasspaanplaten gemaakt, die worden verwerkt in binnenwandsystemen, dakelementen en deuren. Van de korte vlasvezel kan vlaswol isolatiemateriaal worden gemaakt. Lijnolie is een belangrijke grondstof voor linoleum en natuurverf. Vlas wordt aangemerkt als een vernieuwbare grondstof omdat de plant in relatief korte tijd (drie tot vier maanden) en in aanzienlijke hoeveelheden regenereerbaar is. Het al of niet regenereerbaar zijn hangt onder meer af van een goed beheer en een milieubewust gebruik. Voorbeelden van vernieuwbare grondstoffen voor de bouw behalve vlas zijn, hout, riet, stro, hennep, schapenwol, schelpen enzovoorts. Vlas groeit het best op een lichtzure grond en prefereert een kiezelhoudende kleiige grond. Op rijke kleigronden kan vlas zich zonder noemenswaardige bemesting goed ontwikkelen. Op armere gronden is toevoeging van mineralen in de vorm van gesteentemeel nodig. De grond mag niet te rijk aan stikstof zijn, omdat anders de kans op legering van het gewas toeneemt. Optimaal is een gematigd en tamelijk vochtig klimaat. Te weinig neerslag remt de groei en overmatige regenval doet het legeringsrisico toenemen. Vlas heeft een voorkeur voor een matig warm en vochtig klimaat. Vlas verdraagt hoogstens voor een korte periode lichte vorst tot ongeveer –3 °C. Regio's met een zeeklimaat en middelhoge berggebieden met veel bos die een hogere luchtvochtigheid garanderen, zijn daarom ideaal voor vlas. Vlas wordt eind maart of begin april gezaaid. De groeiperiode bedraagt ongeveer 100 dagen of drie tot vier maanden. Vlas bloeit blauw of wit omstreeks juni; elk bloempje bloeit slechts enkele uren, zodat het bloeien van een vlasveld niet langer duurt dan enkele dagen. De vezel rijpt eerder af dan het zaad, het vlas is dan geelrijp. In normale omstandigheden is het vlas halverwege de maand juli volrijp: het zaad is dan ook rijp en kan er geoogst worden.
19
3.3
Technische gegevens
Isovlas kent aan vlaswol de volgende eigenschappen toe: Dichtheid Warmtegeleiding λ Warmteopslag capaciteit Evenwichtsvochtgehalte Binder Brand/schimmelwerend middel Elektrisch neutraal Antistatisch Ongevoelig voor schimmel
3.4
32 0.037 1600 12 10 (zetmeel) 10 (N-verbinding)
kg/m3 W/m.°C J/kg.°C % % kg/kg % kg/kg
Bij RV 80% en 23 °C
Marktkansen
Door Murphy e.a. (1999) is onderzoek gedaan naar de vooruitzichten voor vernieuwbare materialen in de isolatiematerialenindustrie. Het onderzoek is uitgevoerd onder de aanname dat een verdedigbare acceptatie van het gebruik van vernieuwbare grondstoffen in isolatie afhangt van de interactie tussen technische voordelen voor de consument, milieuvoordelen voor de samenleving en de productprijs. Hoewel de fabrikanten pretenderen dat vernieuwbare materialen aanzienlijke voordelen hebben ten aanzien van het binnenklimaat en de gezondheid, wordt dit niet ondersteund door wetenschappelijke literatuur. Wel is de grotere dichtheid een voordeel met betrekking op de warmteweerstand in de zomer en betere geluidisolatie. De milieuvoordelen zijn doorgaans niet zo groot als de fabrikant zegt. De energieconsumptie in de productie is weliswaar minder dan bij conventionele isolatiematerialen, maar vernieuwbare materialen zijn moeilijker te recyclen, omdat er grote hoeveelheden nodig zijn om een recycle-industrie te hebben. Alleen als het materiaal onbehandeld is, zal het geen negatieve invloed op het milieu hebben.
20
Van Dam (2001) toont de volgende SWOT-analyse1: Sterkte
Zwakte
Kans
Bedreiging
Hogere prijs dan minerale wol, kleinschaligheid
Positieve prijs/kwaliteit verhouding, schaalvergroting
Restproduct textielindustrie, éénjarig gewas, flexibel in te passen. Vraag naar nieuwe gewassen en afzet landbouw Technologie beschikbaar, eenvoudig uit te breiden
Relatief klein aanbod, geen continu aanbod door het jaar heen, (kwaliteit) weersafhankelijk
Alternatief gewas akkerbouw (rotatiegewas)
Hoge grondstofprijs door kosten agrarisch product, kleinschaligheid, investeringen Afhankelijkheid linnenindustrie
Klein aanbod afhankelijk van vraag markt
Technische kwaliteit
Goede geluid- en vergelijkbare warmte-isolerende eigenschappen, vochtregulerende eigenschappen
Zwak imago t.a.v. brand- en rotwerende eigenschappen
Huidige areaalgrootte vlas, vraag lager door onbekendheid materiaal Beperkt toepasbaar in zeer vochtige toepassingen, aangepast ontwerp, aangepaste installatietechniek
Milieuaspecten
Lage energie productie, biologisch afbreekbaar in de afvalfase, geen aantasting natuur en landschap, locale productie minder transport, geen irritaties bij verwerking/ gebruik Regulerende eigenschappen binnenklimaat, vochtopname en afgifte, geen gezondheidsrisico Breed toepassingsgebied in de bouw, dampopen constructies Akoestische demping, hernieuwbaar, geen probleem in afvalfase, geen irritatie bij verwerking/ toepassing, vochtregulatie
Groeiend aanbod door groeiende vraag markt, waardoor prijzen zakken Toepassingen waar geluid- en warmteisolatie belangrijk zijn, damp open constructies, verbeterd binnenklimaat Reductie gebruik primaire grondstoffen, oppervlakte delfstoffen
Stofvorming tijdens productie
Installatie moderne afzuiging
Investeringskosten
Risico bij grote of langdurige vochtbelasting tijdens bouw
In droge toepassingen langere levensduur
Wisselende grondstofkwaliteit
Grondstof kwalificatie, product certificering
Factoren en actoren Prijs
Beschikbaarheid grondstof
Aanbod (product)
Gezondheid
Toepasbaarheid en inpasbaarheid
Meerwaarde
1
Bestaande normen geënt op minerale en synthetische isolatieproducten
SWOT= strengths, weaknesses, opportunities, threats 21
Er is een aantal belangrijke factoren die de vlaswolmarkt kan belemmeren. Allereerst is vlaswol aanzienlijk duurder dan de conventionele isolatiematerialen. Voornamelijk in tijden van recessie, waarbij fabrikanten van minimale wol hun producten tegen zeer lage prijzen verkopen, is het moeilijk voor kleinschalige bedrijven om bij te blijven. Productprijs is in veel gevallen het belangrijkst bij het kiezen van een materiaal. De consument wil wel meer betalen, maar dan moet er een hogere kwaliteit tegenover staan. Vlaswol bezit een iets hogere geluidisolatie dan glaswol. Daartegenover staat het zwakke imago ten aanzien van brand- en rotwerendheid en de grote vochtopname-capaciteiten.
22
4 Meetopstelling Gedurende 8 weken zijn er metingen gedaan aan een traditioneel gemetselde spouwmuur. In de periode van 21-06-04 tot 19-06-04 zijn metingen gedaan waarbij de spouw gedeeltelijk gevuld is met vlaswol, en in de periode van 20-07-04 tot 17-08-2004 met een spouw gedeeltelijk gevuld met glaswol.
4.1
Omgeving en gebouw
Het onderzoek is gedaan op de campus van de Technische Universiteit in Eindhoven (figuur 21). Een gedeelte van de buitengevel aan de westgevel van het gebouw waar de faculteit Bouwkunde is gehuisvest, bevat niet de typische groene geveldelen, maar is een traditioneel gemetselde spouwmuur. Het gebouw wordt aangeduid met de naam Vertigo (zie figuur 22); in de plattegrond is dit VRT.
N
figuur 21: Plattegrond van de campus van de Technische Universiteit Eindhoven
figuur 22: Perspectief westgevel van Vertigo met de testgevel (omcirkeld)
De renovatie van dit gebouw is afgerond in 2002, waarbij een gevelopening en bordes op de tweede verdieping van de laagbouw is geplaatst voor onderzoek. Daar is een stalen frame gebouwd waarin verschillende geveldelen geplaatst zijn voor onderzoeken bij de capaciteitsgroep Fysische Aspecten van de Gebouwde Omgeving (FAGO). In dit onderzoek is gebruik gemaakt van het langwerpige, verticale, bakstenen gedeelte (figuur 23).
figuur 23: Verschillende geveldelen voor onderzoek bij de capaciteitsgroep FAGO
23
4.2
De testgevel
De testgevel bestaat uit een bakstenen buitenblad van 100 mm dik met boven en onder twee open stootvoegen (figuur 24). De baksteen die gebruikt is, is van het merk Terca en heeft de afmetingen 210x100x70 mm. Tegen het buitenblad is een luchtdicht binnenblad gemonteerd met 100 mm isolatiemateriaal en een luchtspouw van 40 mm breed (figuur 25). De afwerking bestaat uit 15 mm betonplex. De ruimte achter de spouwmuur is ongeconditioneerd.
figuur 24: Afmetingen van de spouwmuur en positionering van de open stootvoegen
figuur 25: Dwarsdoorsnede van de testgevel
Onderstaande tabel laat zien welke grootheden gemeten zijn. Tabel 3: Metingen aan de testgevel Buiten
Binnen Spouw
24
Temperatuur Relatieve Vochtigheid Luchtsnelheid Neerslag Temperatuur Relatieve Vochtigheid Temperatuur Relatieve Vochtigheid Vochtdoorslag
Grootheid T RV V T RV T RV -
Eenheid o C % m/s mm o C % o C % -
Drukverschil binnen-buiten Drukverschil buiten-spouw Drukverschil spouw-binnen
∆pei ∆pec ∆pci
Pa Pa Pa
4.3
Drukverschil
Meetopstelling Om te beoordelen of er drukvereffening optreedt in de spouwmuur, is het drukverschil gemeten tussen de buitenzijde en de spouw (∆pec =pe-pc), en het totale drukverschil over de gevel (∆pei =pe-pi). De binnendruk wordt als referentiedruk gebruikt. De buitengevel is niet luchtdicht. Het gedeelte waar de spouw zit is bij benadering dicht, maar de gevel eromheen bevat verschillende gaten en kieren, waardoor er tussen binnen en buiten ook een zekere mate van drukvereffening optreedt. Ook met een luchtdichte gevel is het moeilijk om de binnendruk (of in dit geval het drukverschil tussen binnen en buiten) te meten zonder verstoringen. Gelijk aan de meetopstelling van Geurts (1997), wordt een geïsoleerd vat voor de meting van de binnendruk gebruikt. Dit vat is verbonden met de binnenruimte met behulp van een slang, zodanig dat de lange termijnveranderingen in druk geregistreerd worden door de tank. Korte termijn drukverschillen worden uitgedempt. Omdat temperatuurwisselingen de druk beïnvloeden, is het vat volledig geïsoleerd met 100 mm glaswol. Voor de zekerheid wordt in het vat ook de temperatuur gemeten. Een schematisch de meetopstelling van de drukverschilmeting is weergegeven in figuur 16.
figuur 26: Schematische weergaven van de meetopstelling van het drukverschil De drie sensoren meten de volgende parameters: Tabel 4: Drukverschilmeting Sensor Meting ∆pec ∆pci ∆pei
Drukverschil tussen buiten en de spouw Drukverschil tussen de spouw en het vat Drukverschil tussen buiten en het vat
Hoogte meting, gerekend vanaf laagste punt muur 2000 mm hoogte, in het midden van de spouw 2000 mm hoogte, in het midden van de spouw 410 mm hoogte, in het midden van de spouw
Sensor De metingen zijn uitgevoerd met 3 sensoren van het merk Setra. Er is gekozen voor het model 267MR, vanwege de goede nauwkeurigheid. Er zijn eerder metingen aan het drukverschil gedaan aan het 12verdiepingen tellende hoofdgebouw op het terrein van de Technische Universiteit Eindhoven (figuur 21). Daar werden op de 10e verdieping drukverschillen over de gevel gemeten van circa 100 Pa. Echter, zoals staat beschreven in paragraaf 2.2.3, kan men een aanzienlijk lagere druk verwachten op de 2e verdieping. Er kunnen verschillende bereiken ingesteld worden bij de Setra 267MR. In dit geval is gekozen voor een bereik van -100 tot +100 Pa. Er wordt een nauwkeurigheid gegarandeerd van 1% full scale. Dit zou in dit geval betekenen dat er een onnauwkeurigheid van 2 Pa zou zijn. Echter, calibraties hebben uitgewezen
25
dat de nauwkeurigheid nog beter is, namelijk ongeveer 0,5 Pa. De Setra 267MR kan drukverschillen meten met maximaal 100 Hz. Met behulp van een Betz micromanometer zijn de sensoren in het laboratorium van de capaciteitsgroep FAGO gekalibreerd. In bijlage A zijn de specificaties te vinden van alle meetapparatuur. Instellingen De sensoren zijn aangesloten op een Labjack. Dit is een data-acquisitie systeem met 8 kanalen waarmee met maximaal 1200 Hz geregistreerd kan worden. Met behulp van Labview is een programma geschreven, waarbij de verschillende kanalen gelijktijdig gelogd kunnen worden. Labview is een grafische programmeeromgeving voor het verzamelen, analyseren en presenteren van data. Winddruk op de gevel wordt gekenmerkt door snelle fluctuaties. Daarom is gekozen voor een samplefrequentie van 20 Hz. Aangezien 8 kanalen met een frequentie van 20 Hz loggen erg snel grote bestanden oplevert, is het programma zodanig geschreven, dat alleen de data waarbij |∆pei| groter is dan 5 Pa. Hierdoor blijft de grootte van de bestanden beperkt.
4.4
Temperatuur en Relatieve Vochtigheid in de spouw
Om te bepalen of er ventilatie optreedt in een spouwmuur is het is noodzakelijk te weten wat de temperatuur en de relatieve vochtigheid is in een spouw. Een verticale temperatuurgradiënt over de spouw kan een indicatie zijn van thermische trek. De RV in de spouw geeft in een bepaalde mate aan op welke manier de spouw wordt beïnvloed door de RV buiten en neerslag. Meetopstelling
Op acht posities in de spouw zijn de T en RV gemeten (zie figuur 27). De bedrading is in de spouw naar de zijkant en daarna via een goot naar beneden geleid. Daar is de bedrading via luchtdichte wartels door het binnenblad naar de computer buiten de spouwmuur geleid.
figuur 27: Posities meetsensoren T en RV Sensor De Honeywell HIH-3602-C meet zowel T als RV. De temperatuursensor is een platina RTD2 en is thermisch is verbonden met de RV-sensor. Dit zorgt ervoor dat de sensor geschikt is om absolute vochtgehaltes te bepalen. De RV-sensor bestaat uit een condensator met een tweede polymere laag ter bescherming tegen vuil. Tabel 5 laat het bereik en de nauwkeurigheid zien. Tabel 5: Specificaties Honeywell HIH-3602-C Temperatuur [oC] RV [%] Bereik -40 … +85 0 ... +100 Nauwkeurigheid 0,5 0,5 Instellingen Met behulp van Labview is een programma geschreven waarbij elke 15 minuten een meting gedaan wordt. Om de bestanden niet te groot te laten worden, wordt er elke dag een nieuw bestand aangemaakt. 2
RTD= Resistance Temperature Detector
26
4.5
Vochtdoorslag buitenblad
Meetopstelling Op dezelfde posities als waar de temperatuur en RV gemeten zijn, is gemeten of er vochtdoorslag door de baksteen plaatsvindt (figuur 27). Aangezien er aangenomen wordt dat de meeste vochtdoorslag bij de open stootvoegen plaatsvindt, is er onder elke open stootvoeg een sensor geplaatst. Tussen de open stootvoegen is nog een sensor geplaatst om te kunnen controleren of er onder de open stootvoegen daadwerkelijk eerder vochtdoorslag plaatsvindt. In het midden van de muur op 2 meter hoogte zijn nog 2 sensoren gemonteerd. Sensor Er is onderzocht of de methode zoals deze beschreven is in paragraaf 2.3.3 van Van den Braak ook toegepast kon worden in de spouwmuur. Er zijn experimenten gedaan met vergelijkbare regensensoren om te bepalen of de detectie nauwkeurig genoeg is. De huidige sensoren blijken minder snel te reageren dan gewenst is in dit geval. Zelfs druppels water met een diameter van 3 mm werden doorgaans niet geregistreerd. Het was dus noodzakelijk naar een andere methode te zoeken om vochtdoorslag door het buitenblad te registreren. Deze is gevonden door te onderzoeken hoe de eigenschappen van de bakstenen veranderen naarmate de baksteen natter wordt. Het verschil in weerstand tussen water en baksteen is aanzienlijk. De mate van weerstand tussen twee bepaalde punten op het oppervlak van een baksteen is een indicatie voor de vochtigheid van de baksteen. Een schematische weergave van de methode is te zien in figuur 28. In een kleine houder zijn twee verende pennetjes geklemd die op hun beurt tegen het buitenblad geklemd zijn met behulp van een schroef die in de muur gedraaid is. Omdat een baksteen een grillige oppervlakte heeft, is het contactoppervlak met de sensoren moeilijk nauwkeurig vast te stellen. Daarom wordt er in deze opstelling gebruik gemaakt van verende pennetjes. Om corrosie te voorkomen is er gekozen voor vergulde kopjes. Door deze twee pennen wordt de weerstand gemeten. Dit is een maat van hoeveelheid vocht.
figuur 28: Bovenaanzicht weerstandsensoren (schematische weergave) Deze zogenaamde weerstandsensor wordt aangesloten op een basismodule van een MCM-sensor. Deze sensor wordt doorgaans gebruikt om houtvochtgehalte te meten op een vergelijkbare manier als hierboven is beschreven. De sensor zelf is, onder andere vanwege de afmetingen, niet geschikt in dit onderzoek. De module waarop de MCM-sensor wordt aangesloten is wel geschikt om de vertaalslag te maken van de sensor naar de computer. Experimenten wijzen uit dat er een duidelijk verschil in weerstand geregistreerd wordt tussen een ‘droge’ en ‘natte’ baksteen. De weerstand in een droge baksteen is aanzienlijk groter dan in een natte baksteen. De elektronica in de MCM Sensor zet de weerstand om in voltage. In tegenstelling tot bij de wet van Ohm, houdt dit in dat een hoge weerstand een hoog voltage geeft. Een volledig verzadigde baksteen geeft een uitslag van 2 Volt. Een steen waaruit al het aanwezige vocht verdampt is tot het evenwichtsvochtgehalte bij de heersende relatieve luchtvochtigheid is bereikt, geeft 13 Volt. Een goede kwantificatie is niet mogelijk, aangezien het proces van vochttransport in een spouwmuur niet na te
27
bootsen is in een laboratoriumomgeving. De absolute hoeveelheid vocht die zich in de steen bevindt is, aangezien er geen sprake is van een evenwichtssituatie in een spouwmuur, geen kwantificatie voor de hoeveelheid vocht die aan het oppervlak is. Daarom is ervoor gekozen om een grove schaalverdeling te maken van 3 elementen: ‘verzadigd aan het oppervlak’, ‘nat’ en ‘droog’. Onderstaande tabel laat zien op welke manier de uitslag in volt vertaald kan worden naar deze schaalverdeling. Tabel 6: Kwantitatieve schaalverdeling weerstandsensor Kwantificatie Uitslag Verzadigd aan het oppervlak 0 – 4 Volt Nat 4 – 9 Volt Droog >9 Volt Instellingen Evenals de temperatuur en de RV worden de weerstandsensoren elk kwartier eenmaal uitgelezen en opgeslagen met behulp van Labview.
4.6
Luchtsnelheid in de spouw
Meetopstelling Het meten van de luchtsnelheid in een spouw brengt enkele moeilijkheden met zich mee. Allereerst is er een beperkte ruimte (diepte: 40 mm), waarin een sensor geplaatst moet worden. Ook mag de sensor de luchtstroming niet beïnvloeden. Er is dus een kleine sensor gewenst.
28
Sensor In paragraaf 2.2.5 is aangetoond aan dat er in de spouw lage luchtsnelheden worden verwacht. Echter, in de praktijk is het erg moeilijk om een sensor te vinden die dergelijke lage luchtsnelheden met een goede nauwkeurigheid kan registreren. In deze paragraaf worden enkele sensoren besproken. Enotemp luchtsnelheid- en temperatuur meetsysteem, Tabel 7: Specificaties van het Enotemp luchtsnelheid- en temperatuur meetsysteem Fabrikant Innovation Handling Bereik [m/s] 0,00 … 50 m/s Nauwkeurigheid [m/s] 1% Temperatuur bereik [oC] -40… +60 Afmetingen [mm] Sensor 40 mm Richtingsgevoeligheid Meting in 2-dimensionaal vlak Op het eerste gezicht voldoet deze meting aan de eisen. Een groot voordeel van deze meetmethode is het feit dat er in een 2-dimensionaal vlak gemeten wordt. Echter, na bestudering van de literatuur en een gesprek met het bedrijf Innovation Handling, blijken er nogal wat haken en ogen aan het meetsysteem te zitten. De meetmethode van een akoestische meting berust op het feit dat de voortplantingssnelheid van geluid afhankelijk is van de luchtsnelheid en de temperatuur. De luchtsnelheid in de richting AB wordt bepaald door het tijdsverschil te meten dat het geluid nodig heeft om van A naar B te gaan en andersom (figuur 29).
A
B
figuur 29: Schematische weergave van het meetprincipe Gelijktijdig wordt de temperatuur gemeten. Dit is slechts op 1 punt in de ruimte. Het is niet zeker dat de temperatuur in de hele spouw gelijk is. Indien er thermische trek optreedt, zal er een temperatuurverschil ontstaan in het verticale vlak. Er zijn dus twijfels of er geen grote fout optreedt indien men de luchtsnelheid relateert aan een temperatuur die slechts op 1 punt in de ruimte wordt gemeten. De vraag is of de apparatuur wel degelijk zo betrouwbaar is als beweerd wordt. Een tweede bezwaar is de hoge kosten die het systeem met zich meebrengt (geschat op 11.000 euro). Anemosonic UA30, Dantec Tabel 8: Specificaties van de Anemosonic UA30 Fabrikant Dantec Bereik [m/s] 0 … 30 Nauwkeurigheid [m/s] 1% of 1 digit Temperatuur bereik [oC] -10 … 50 Afmetingen [mm] 32 x ±50 richtingsgevoeligheid Unidirectioneel, tot 20o vanaf stroomlijn Op het eerste gezicht lijkt deze sensor geschikt voor het toepassen in de spouw. Echter, het kalibratierapport laat niets los over de luchtsnelheden onder 0,1 m/s. Daarom is het apparaat op de TU/e zelf gekalibreerd [Van der Zanden, 2004/a] met behulp van de kalibratiemethode die beschreven is in het rapport van van der Hagen, (1984). Deze kalibratie wees uit dat de UA30 niet geschikt is voor het meten van lage luchtsnelheden.
29
Hittedraad-anemometer Testo 445 Tabel 9: Specificaties van de hittedraad-anemometer TESTO 445 Fabrikant TESTO Bereik [m/s] 0,06 … 10 m/s Nauwkeurigheid [m/s] 5% van meetwaarde Temperatuur bereik [oC] -20 … +70 Afmetingen [mm] Sensor 10 mm richtingsgevoeligheid 1-dimensionaal Deze luchtsnelheidsmeter bestaat uit een weerstandsdraad, welke op een constante temperatuur gehouden wordt via een variabele stroom. Indien het debiet wijzigt, zal de weerstandsdraad meer of minder afkoelen zodat de te leveren stroom eveneens wijzigt. De stroom is dan een maat voor de snelheid in het gemeten punt. De ondergrens van de hittedraad-anemometer wordt door de fabrikant gesteld op 0,06 m/s. Een zeer kleine luchtstroom, zal maar een minimale afkoeling van de hittedraad veroorzaken en dit is moeilijk waar te nemen. Echter, kalibratie op de Technische Universiteit Eindhoven van de hittedraad anemometer van het merk TESTO wees uit dat deze luchtsnelheidsmeter nauwkeuriger is dan de fabrikant aangeeft [Van der Zanden, 2004/b]. Snelheden van 0,01 m/s werden ook met een acceptabele nauwkeurigheid waargenomen. Conclusie Bovenstaande vergelijking van de verschillende sensoren laat zien dat de hittedraad-anemometer het beste voldoet aan de gestelde eisen met betrekking tot afmeting, bereik en nauwkeurigheid. Echter, financieel bleek het niet haalbaar te zijn om de sensoren te kopen. Uiteindelijk is er daarom geen luchtsnelheidmeting gedaan in de spouw.
4.7
Temperatuur en Relatieve Vochtigheid buiten
Meetopstelling Op 1,6 m afstand van de meetopstelling en 0,73 m hoogte vanaf het onderste punt van de gevel is de sensor geplaatst. Over de sensor is een kap geplaatst ter bescherming tegen regen en wind. Sensor De sensor die gebruikt is om de temperatuur en RV buiten te meten is van het merk Escort. De sensor heeft een diameter van 75 mm en een hoogte van 18 mm. Het bereik en de nauwkeurigheid staan in onderstaande tabel. Tabel 10: Specificaties Escort sensor Temperatuur [oC] RV [%] Bereik -20 .. 100 0 .. 100 Nauwkeurigheid 0,3 0,5 Instellingen De off-line Escort-loggers worden middels de PC op eenvoudige wijze ingesteld en meten op een interval van 15 minuten de temperatuur en RV.
4.8
Luchtsnelheid buiten
Meetopstelling Op 800 mm van de gevel is een cup-anemometer opgesteld, op een hoogte ten opzichte van de onderkant van de gevel van 1,35 m.
30
Sensor Er wordt gebruik gemaakt van een cup-anemometer. Deze luchtsnelheidsmeter bestaat uit 3 half open bolletjes die elk 120° uit elkaar zijn opgesteld. Doordat de windkracht uitgeoefend aan de holle zijde groter is dan deze aan de bolle zijde gaat het systeem draaien. Naarmate de windsnelheid groter wordt, neemt de draaisnelheid toe. Kenmerken voor een cup-anemometer is een goede lineariteit. Een nadeel is dat bij afnemende windsnelheid de sensor niet direct volgt, maar even moet ‘uitdraaien’. De sensor is gedateerd en informatie over bereik of nauwkeurigheid was niet voor handen. De sensor is gekalibreerd met behulp van een windtunnel bij de faculteit Natuurkunde aan de Technische Universiteit Eindhoven. Instellingen De opslag van data vindt gelijktijdig plaats met de registratie van het drukverschil. Op deze manier zijn deze twee parameters eenvoudig met elkaar te vergelijken. Een samplefrequentie van 20 Hz is te snel voor een cup-anemometer. Daarom wordt de data gemiddeld over een periode van 1 seconde.
4.9
Neerslag
Meetopstelling Boven op het dak van Vertigo, op 500 mm afstand van de rand van het dak en boven het midden van de testgevel is een regenmeter geïnstalleerd. Sensor Er is gebruik gemaakt van een zogenaamde druppelteller. Deze leidt het regenwater door een smal buisje, waardoor er druppeltjes ontstaan van vergelijkbare afmetingen. Deze druppels worden door middel van een elektrisch signaal geregistreerd. Instellingen Het totale aantal druppels dat per kwartier valt wordt met behulp van Labview verwerkt en opgeslagen.
31
32
5 Materiaaleigenschappen vlaswol 5.1
Inleiding
Om een antwoord te kunnen geven op de vraag of vlaswol toepasbaar is in een spouwmuur, is het noodzakelijk enkele materiaalkundige eigenschappen te weten, evenals wat de condities zijn in een spouwmuur waaraan het materiaal blootgesteld wordt (relatieve vochtigheid, temperatuur, luchtsnelheid). In dit hoofdstuk wordt onderzocht wat de invloed van vocht is op vlaswol. Hierbij wordt de vraag gesteld wat de opnamecapaciteit is van vlaswol en wat de invloed van vocht is op de isolatiewaarde evenals de schimmelvorming. Met behulp van exsiccatorproeven is de hygroscopische kromme bepaald. Dit experiment berust op de samenhang tussen het vochtgehalte van het te onderzoeken monster en de relatieve vochtigheid van de lucht, die er mee in evenwicht is. Dit heet het evenwichtsvochtgehalte, dat per materiaal te ontlenen is aan de hygroscopische curve. In een exsiccator, die in een klimaatruimte geplaatst is waarin een constante temperatuur van 20 °C heerst, wordt een serie van 8 proefstukken geplaatst. Omdat er kans is op hysteresis, wordt het proefstuk twee keer in een bepaalde relatieve luchtvochtigheid geplaatst. Eén keer waarbij het proefstuk vocht opneemt (adsorptie) en één keer waarbij het proefstuk vocht afstaat (desorptie). De proefstukken worden op een rooster boven de zoutoplossing geplaatst. Aangezien de proefstukken nogal los van structuur zijn, zijn ze in roestvaste metalen bakjes gelegd. Regelmatig wordt de massa van de proefstukken bepaald met behulp van een weegschaal. De massa van het proefstuk wordt als constant beschouwd wanneer het massaverschil tussen twee opeenvolgende wegingen, uitgaande van een tijdsinterval van 24 uur, kleiner is dan 0,1 procent. Wanneer het evenwichtsvochtgehalte bereikt is, worden de proefstukken in een andere exsiccator, met een nieuwe verzadigde zoutoplossing, geplaatst. Aangezien er in deze exsiccator een andere relatieve luchtvochtigheid heerst, zullen de proefstukken opnieuw een evenwicht bereiken met de relatieve luchtvochtigheid. De volgende zoutoplossingen zijn gebruikt met de daarbij horende RV bij een temperatuur van 20 oC (Tabel 11): Tabel 11: Zoutoplossingen met bijbehorende RV Zout Molecuulformule RV [%] Lithium-Chloride LiCl 11 Kalium-Acetaat CH3COOK 22 Magnesium-Chloride MgCl2⋅6H2O 33 Kalium-Carbonaat K2CO3 43 Magnesium-Nitraat 54 Mg(NO3)2⋅6H2O Natrium-Chloride NaCl 75 Kalium-Chloride KCl 85 Kalium-Sulfaat K2SO4 97
5.2
Hygroscopische kromme
Het vochtgehalte in vlaswol is afhankelijk van de relatieve luchtvochtigheid. Om in een later stadium te kunnen bepalen wat de invloed is van de relatieve vochtigheid in de spouw op de isolatiewaarde van het isolatiemateriaal, is het van belang om de relatie te kennen tussen de relatieve luchtvochtigheid en het evenwichtsvochtgehalte. Een dergelijk verband wordt weergegeven met een hygroscopische kromme. Het resultaat zien van de exsiccatorproeven die gedaan zijn met vlaswol is weergegeven in figuur figuur 30. Ter vergelijking is tevens uit de literatuur ([Hasselaar, 2004]) de hygroscopische kromme van glaswol en cellulose weergegeven.
33
Evenwichtsvochtgehalte [massa%]
100
V laswol C ellulose G laswol
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
R elatieve V oc htigheid [%]
figuur 30: Hygroscopische kromme van vlaswol, cellulose en glaswol Van minerale wol zoals glaswol is bekend dat het maximaal minder dan één massa-% vocht opneemt middels adsorptie, zelfs bij zeer hoge relatieve vochtigheid. Cellulose en vlaswol hebben een vergelijkbare cellulaire structuur. Een vergelijking tussen deze twee laat in dit geval zien dat het vlaswol bij hoge relatieve vochtigheid (>85%) aanzienlijk meer vocht kan opnemen. Dit kan onder andere verklaard worden aan de hand van de eigenschappen van de toevoegingen, o.a. het bindmiddel dat in vlaswol toegepast wordt. Er zijn proeven uitgevoerd met vlaswol die gebonden is door zetmeel en vlaswol die gebonden is door waterglas (natriumsilicaat). Beide bindmiddelen geven hetzelfde resultaat; een hoge vochtopname bij hoge relatieve vochtigheid. Zowel zetmeel als waterglas staan bekend om de grote vochtopnamecapaciteit. Over het middel dat gebruikt is voor brandwerendheid, is niet voldoende bekend om te bepalen hoe groot deze bijdrage is aan het evenwichtsvochtgehalte. Ook het productieproces speelt een rol bij het evenwichtsvochtgehalte. De vlaswol wordt laagje voor laagje opgebouwd. Tussen de lagen wordt het bindmiddel gesproeid. Hierdoor ontstaat een luchtige deken met veel holtes waar vocht zich kan binden aan het materiaal. Onbehandelde proefstukken van vlaswol geven een ander resultaat [Murphy e.a., 1999] (zie onderstaande figuur). In dit onderzoek is er geen toeslagstof zoals bindmiddel, brandwerendheidsmiddel of insecticide toegevoegd. De dichtheid van het materiaal is vergelijkbaar met die van de vlaswol die in dit onderzoek gebruikt is.
Evenwichtsvochtgehalte [massa-%]
100 90
Huidig onderzoek
80
Murphy e.a., 1999
70 60 50 40 30 20 10 0 40
50
60
70
80
90
100
Relatieve Vochtigheid [%]
figuur 31: Vergelijking tussen de hygroscopische kromme van onbehandeld vlaswol [Murphy e.a., 1999] en behandeld vlaswol (huidig onderzoek) De curve van de onbehandelde vlas lijkt sterk op die van cellulose. Als men de gemeten waarden vergelijkt met die uit de literatuur, is er een groot verschil in vochtgehalte van het materiaal bij hoge RV te zien. Dit verschil is te verklaren aan de hand van het ontbreken van toevoegingen in de vlaswol die Murphy heeft onderzocht. Over het productieproces is weinig bekend.
34
5.3
Dynamisch vochtgedrag
In de vorige paragraaf is het evenwichtsvochtgehalte bij verschillende relatieve vochtigheden bepaald. Het is echter ook van belang om te weten hoe snel dit evenwichtvochtgehalte zich instelt. Om te kunnen bepalen of de hoge vochtopnamecapaciteit van vlaswol een reden is om het niet toe te passen in een spouw, is het noodzakelijk te weten hoe lang het duurt voordat het evenwichtsvochtgehalte bij vlaswol is bereikt en of dit soort periodes voorkomen in een spouw. Uit experimenten met exsiccatoren blijkt dat de tijd tot het evenwicht bereikt is bij een relatieve vochtigheid minder dan 85% rond 100 uur ligt. Het evenwichtsvochtgehalte wordt aanzienlijk later bereikt bij hoge relatieve vochtigheden (RV>85%), namelijk na meer dan 2 weken. Echter, hier gaat men wel uit van een volledig droog materiaal dat in een zeer vochtige omgeving wordt geplaatst. Omdat een dergelijke situatie in een spouwmuur niet voor zal komen, zijn proeven gedaan waarbij er tussen verschillende RV’s wordt gewisseld. Hieruit blijkt dat schommelingen onder 85% zichzelf stabiliseren in minder dan een dag; er vindt slechts een uitwisseling van maximaal 20 massa-% vocht plaats. Echter, de overgang van 85% naar 97% duurt aanzienlijk langer (zie onderstaand figuur).
Vochtgehalte [massa-%]
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
2
4
6
8
10
12
14
Tijd [dagen]
figuur 32: Dynamisch vochtopnameproces van RV=85% naar RV=97% Bovenstaande figuur laat zien dat na 12 dagen er nog geen evenwicht is ingesteld. Echter, de meting kon niet gecontinueerd worden vanwege het degraderen van het materiaal. Het zetmeel in het vlaswol verloor zijn bindende werking en het materiaal viel uiteen. Ook was het vocht niet meer evenwichtig verdeeld over het materiaal. Vanwege de zwaartekracht was het vocht naar beneden gezakt, waardoor het vlaswol letterlijk in een plasje water stond. Metingen werden hierdoor niet meer betrouwbaar. Proeven met het bindmiddel waterglas gaven een zelfde resultaat. Echter, degradatie trad minder snel op. Uit bovenstaand figuur valt af te leiden dat het vochtgehalte binnen enkele dagen al hoog is (>70%), hoewel het absolute evenwicht pas na ongeveer 2 weken bereikt wordt. De duur van vochtopname is afhankelijk van de luchtsnelheid van het medium waarin het proefstuk zich bevindt. In dit geval heerst in de exsiccatoren een luchtsnelheid van ~0 m/s. Aangezien de verwachting is dat er in een spouw ook zeer lage luchtsnelheden optreden, kan het resultaat van deze meting toegepast worden in het huidige onderzoek.
5.4
Degradatie
5.4.1 Kwaliteit In de vorige paragraaf is al besproken dat zetmeel goed oplost in water. Dit heeft consequenties voor de kwaliteit van het materiaal. Zetmeel wordt in dit geval gebruikt als bindmiddel tussen de verschillende lagen van het materiaal. Echter, na langdurige blootstelling aan vocht lost het zetmeel op en valt het vlaswol uiteen.
35
5.4.2 Schimmelvorming Vlaswol is een organisch materiaal. Het feit dat het bij hoge relatieve vochtigheden veel vocht kan opnemen, is een nadeel met betrekking tot schimmelvorming. Proeven hebben uitgewezen dat er na langdurige blootstelling aan hoge relatieve vochtigheden (>2 weken) schimmelvorming optreedt. Of dit een probleem is in een spouwconstructie, is afhankelijk van de fysische eigenschappen in de spouw. Echter, ook de manier van opslaan op de bouwplaats kan veel vochtproblemen geven. De bouwvakkers zijn vaak niet secuur met het opslaan en vaak wordt het materiaal langdurig blootgesteld aan regen.
5.5
Relatie Vochtigheid – Isolatiewaarde
5.5.1 Inleiding Het totale warmtetransport door een materiaal is afhankelijk van een aantal factoren. Eén ervan is vocht. Er zijn twee effecten van vocht op het warmtetransport: 1: De aanwezigheid van vocht in het materiaal Het eerste effect is gerelateerd aan de aanwezigheid van vocht in het materiaal. Vocht heeft een hogere warmtegeleidingscoëfficiënt dan het isolatiemateriaal. Ter vergelijking: water transporteert warmte 25x meer dan de lucht die het vervangt. Vocht beïnvloedt de warmtegeleidingscoëfficiënt van opencellige of poreuze materialen daarom veel meer dan van gesloten cel materialen. Als het isolatiemateriaal zich in een klimaat bevindt beneden 0 oC, zal het ijs in de cellen 100x meer warmte transporteren dan de lucht die het vervangt. WUFI3 is een simulatieprogramma dat instationair warmte en vochttransport in bouwconstructies kan simuleren. Dit programma bevat een database die van enkele materialen de warmtegeleiding (λ-waarde) afhankelijk van het vochtgehalte weergeeft. (figuur 33). 0.06
labda [W/mK]
0.055 0.05 0.045 0.04
Cellulose Vlaswol Glaswol
0.035 0.03 0
20
40
60
80
100
Vochtgehalte [massa%]
figuur 33: Warmtegeleiding als functie van het vochtgehalte [WUFI, 2004] Er moeten enkele kanttekeningen geplaatst worden bij deze database. De database laat een lineair verband zien tussen de λ-waarde en het vochtgehalte. Echter, er worden waarden gegeven tot een vochtgehalte van 950 kg/m3. WUFI geeft een dichtheid voor cellulose en vlaswol van resp. 70 en 30 kg/m3. Als een materiaal een vochtgehalte van 950 kg/m3 zou bevatten, zou dit betekenen dat er 3000 massa-% vocht opgenomen kan worden door het materiaal. Dit is uiteraard niet mogelijk. Het lijkt alsof er een verkeerde extrapolatie is gemaakt van een gemeten waarde. 2: Vochttransport en fase Het tweede effect is gerelateerd aan het vochttransport en faseverandering [Sandberg, 1990]. Het transport van vocht en de daarmee gepaard gaande faseveranderingen zorgen voor een complexe warmtegeleiding. Voor bijvoorbeeld geëxtrudeerd polystyreen is dit laatste effect verwaarloosbaar, aangezien het materiaal vrijwel impermeabel is en het vochttransport erg langzaam. Voor vlaswol, met zijn vezelstructuur, kan dit een groot effect hebben op het warmtetransport. Experimenten zijn gedaan om te bepalen in hoeverre de warmtestroom in een minerale houtvezelplaat verandert als er een temperatuurverschil over het materiaal heerst [Bomberg, 1978]. Er is een 3
WUFI = Wärme und Feuchte instationär (Warmte en vocht instationair)
36
tweeplatenapparaat gebruikt om de warmtestroom door het materiaal te bepalen. Aan het materiaal is 20 massa-% vocht toegevoegd. Om ervoor te zorgen dat er geen vocht verdampt tijdens de meting, is het materiaal na bevochtiging ingepakt in een polyethylene film. Voor een goede distributie van het vocht is het materiaal pas enkele dagen na inpakken gebruikt voor de metingen. In figuur 34 is te zien dat de warmtestroom de eerste uren gelijk blijft, maar dat er over een tijdbestek van een aantal dagen een flinke afname van de warmtestroom plaatsvindt, door het vochttransport in het materiaal. Nadat het meeste vocht naar de koude kant van het materiaal is verplaatst, is het proefstuk omgedraaid en is de warmtestroom andersom gemeten. Er is een verschil van ongeveer 2% aan het begin en 10% aan het einde na het omdraaien van het proefstuk. De reden van de toename van de warmtestroom is waarschijnlijk het effect van condensatie dicht bij de thermokoppels.
figuur 34: Warmtestroom als functie van de tijd, gemeten met een tweeplatenapparaat [Bomberg, 1978] Na 3 dagen heeft zich nog steeds geen evenwicht ingesteld. Dit bevestigt het 2e effect uit het artikel van Sandberg, dat niet alleen de hoeveelheid vocht van belang is voor de warmtegeleidingscoëfficiënt, maar ook de plaats en de fase van het vocht. Dit kan zelfs zorgen voor een verschil van 50%. Voor het begin van de meting is ervoor gezorgd dat het vocht zo goed mogelijk is verdeeld over het materiaal. Op dat punt wordt de grootste warmtestroom gemeten. Naarmate het vocht naar de koude kant wordt getransporteerd, ontstaat er aan de warme zijde een droger materiaal. De warmtestroom wordt kleiner; met andere woorden, de isolatiewaarde neemt toe. In de praktijk komt er geen stabiele situatie voor. Vochttransport zal plaatsvinden in het isolatiemateriaal vanwege het temperatuurverschil in het materiaal. Temperatuurschommelingen en regen zorgen voor toe- of afname van het vocht. Ventilatie zorgt ervoor dat vocht afgevoerd wordt. Geconcludeerd kan worden dat het meten van vochtige isolatiematerialen nogal wat vraagtekens met zich meebrengt. Een uniforme verdeling van het vocht zorgt voor een zogenaamde worstcase situatie. Indien men de minimale isolatiewaarde kent, kan men bepalen of het isolatiemateriaal voldoet aan de eisen, ook onder erg vochtige omstandigheden.
5.5.2 Resultaten Vergelijkbaar met het onderzoek van Bomberg (1978) is in dit onderzoek met een tweeplatenapparaat de warmtegeleiding van vlaswol bepaald als functie van de RV. Het tweeplatenapparaat brengt een temperatuurverschil van 20 oC over het materiaal. Steeds wordt na een zelf te bepalen tijdstip het temperatuurverschil over het materiaal en de warmtestroom gemeten. Als de laatste 10 gemeten waarden minder dan 2% afwijken, wordt de situatie als stabiel beschouwd en wordt de λ-waarde bepaald. Na bepaling van de dikte van het materiaal kan hieruit de warmtegeleiding bepaald worden. In figuur 35 is 37
de warmtegeleidingscoëfficiënt weergegeven als functie van de relatieve vochtigheid, in relatie tot het evenwichtsvochtgehalte van de vlaswol dat in dit onderzoek gemeten is. Met behulp van een klimaatkast wordt het materiaal op een bepaald evenwichtsvochtgehalte gebracht. Dit evenwichtsvochtgehalte is afhankelijk van de RV van de lucht. Ter vergelijking zijn de gegevens uit de database van WUFI ook in de grafiek geplaatst. Aangezien er geen verschil is gemeten in de vlaswol dat gebonden is met zetmeel en met waterglas, is alleen de curve van de vlaswol met zetmeel weergegeven. In de bouwwereld wordt vaker gepraat over de isolatiewaarde (R-waarde) dan over de warmtegeleidingscoëfficiënt. Voor een gevel wordt een R-waarde van 2,5 m2/WK geëist in de huidige bouwwereld. Bij een traditionele spouwmuur met de opbouw 100 mm baksteen – 40 mm spouw – 100 mm isolatiemateriaal – 100 mm kalkzandsteen betekent dit dat de λ-waarde van het isolatiemateriaal tenminste 0,0475 W/mK moet bedragen. Voor een beter begrip is in figuur 35 de λ -waarde als functie van het vochtgehalte tegen elkaar uitgezet. 0.060
Vlaswol [huidig onderzoek] Cellulose [Wufi]
0.055
labda [W /mK ]
Vlaswol [Wufi]
R=2,5 m2/WK
Glaswol [Wufi]
0.050
0.045
0.040
0.035
0.030 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Relatieve Vochtigheid [%]
figuur 35: Warmtegeleidingscoëfficiënt als functie van de RV Evenals in figuur 33 komen de gemeten waarden niet overeen met de waarden die WUFI stelt. Zoals al eerder aangehaald is, is dit waarschijnlijk te wijten aan de vreemde waarden die WUFI geeft (zie ook figuur 31). De isolatiewaarde van de gemeten vlaswol voldoet vanaf RV=65% niet meer aan de eisen van het bouwbesluit. Echter, onderstaande paragraaf laat zien dat er aanzienlijk wat beperkingen aan de metingen zijn.
5.5.3 Discussie Eerder in dit hoofdstuk is al geconcludeerd dat het meten van de isolatiewaarde bij een vochtig materiaal vraagtekens met zich meebrengt. Het apparaat waarmee de labda-waarden zijn gemeten, meet deze met een constante periode, totdat de laatste 10 waarden minder dan 2% afwijken. De duur van de meting neemt aanzienlijk toe naarmate het materiaal vochtiger is (zie onderstaande tabel). Tabel 12: Gemiddelde tijdsduur per meting RV [%] Gemiddelde tijdsduur meting [h:mm] 50 2:29 60 4:45 70 5:53 80 6:11 90 6:11 Dit impliceert een instationair proces. Tijdens de meting was af te lezen dat de warmtegeleiding afnam naarmate de meting vorderde. Helaas zijn hier geen concrete gegevens over beschikbaar. Dit ondersteunt wel het principe van Bomberg (figuur 34), dat de warmtegeleiding groter is naarmate het vocht beter verdeeld is over het materiaal.
38
De metingen met betrekking tot de isolatiewaarde die hierboven zijn gepresenteerd, zijn dus slechts een indicatie op welke manier vocht invloed heeft op de isolatiewaarde. Het instationaire vochttransport dat optreedt als men een temperatuurverschil over het proefstuk brengt, is op deze manier moeilijk in kaart te brengen.
39
40
6 Resultaten spouwmuur 6.1
Drukverschil
Zoals besproken is in paragraaf 4.3, is het drukverschil over de gevel (∆pei), over het buitenblad (∆pec) en over het binnenblad (∆pci) gemeten. Een representatief voorbeeld van een meting is te zien in figuur 36. Deze meting is gedaan op 14-07-2004 om 09:41:51 met vlaswol in de spouw. 16 ∆pei ∆pci ∆pec
14
Drukverschil [Pa]
12 10 8 6 4 2 0 -2
0
5
10
15
20
25
30
35
-4 Tijd [s]
figuur 36: Voorbeeld van een meting drukverschil (t=0 op 14-07-2004, 09:41:51) Bovenstaande figuur vertoont een goede overeenkomst met eerdere metingen (figuur 11) aan het drukverschil die gedaan zijn door Schols (1997). De verhoudingen tussen ∆pei, ∆pec en ∆pci zijn vergelijkbaar, maar het bereik is in figuur 36aanzienlijk kleiner. Dit is te verklaren aan de hand van de hoogte van de meetopstelling. Terwijl de metingen in het huidige onderzoek gedaan zijn op de 2e verdieping (hoogte 13 m), laat figuur 11een meting zien op 39 m hoogte. De gemiddelde windsnelheid is op 39 m hoogte bijna twee keer zo groot als op 13 m hoogte, terwijl de turbulentie intensiteit aanzienlijk lager is op 39 m hoogte. Er is een duidelijk verschil te zien tussen ∆pei en ∆pec zien in figuur 36. De eerste indruk is dat er drukvereffening optreedt. In deze paragraaf zal eerst bepaald worden of er een relatie is tussen ∆pei en ∆pec, waarna de mate van drukvereffening wordt vastgesteld.
6.1.1 Correlatie Correlatie is de mate van afhankelijkheid van twee parameters en wordt aangegeven door de dimensieloze coëfficiënt r [Smith, 1986]. Zie bijlage B voor een uitgebreide uitleg over de correlatie. In paragraaf 2.2.3 is gesteld dat er een relatie is tussen ∆pec en ∆pei. De PEC-coëfficiënt zou ook geen betekenis hebben als dit niet het geval is. De waarden van r kunnen ruwweg als volgt geïnterpreteerd worden:
r ≥ 0,8 0, 2 < r < 0,8 r ≤ 0, 2
Sterke correlatie. Aangenomen kan worden dat de factoren volledig afhankelijk zijn van elkaar. Correlatie. Zwakke correlatie. Aangenomen kan worden dat de twee factoren onafhankelijk zijn van elkaar.
De drukverschillen zijn gemeten met een frequentie van 20 Hz. Een meetduur van 8 weken levert ongeveer 1 Gigabite aan informatie op. Uit deze grote hoeveelheid informatie is een steekproef genomen van 10 meetreeksen vlaswol en 10 meetreeksen glaswol. Dit komt overeen met ongeveer 400.000 metingen. Voor deze metingen is r bepaald (figuur 37)
41
1 0.9
Correlatie r
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
V8
V9
V10
G1
G2
G3
G4
G5
G6
G7
G8
G9
G10
figuur 37: Correlatie-coëfficiënt r voor het drukverschil over de totale gevel (∆pei )en het drukverschil over het buitenblad (∆pec) Bovenstaande figuur laat zien dat er een grote spreiding is tussen de verschillende meetreeksen. Echter alle metingen op 1 na vertonen correlatie. Om dit nader toe te lichten, worden 2 meetreeksen nader toegelicht; een sterk gecorreleerde (V2) en een zwak gecorreleerde (G9). a
figuur 38
b
a) Voorbeeld van een sterke correlatie tussen ∆pei en ∆pec (V2) b) Voorbeeld van een zwakke correlatie tussen pei en ∆pec (G9)
Bij grote drukverschillen ∆pei is een duidelijke relatie aan te tonen tussen ∆pei en ∆pec. Bovenstaande figuur illustreert dat alleen bij kleine drukverschillen over de totale gevel de correlatie tussen ∆pei en ∆pec zwak is. Kleine drukverschillen over de totale gevel zullen niet het resultaat zijn van een zware windstoot die de gevel belast, maar van kleine, turbulente windvlagen. De grotere spreiding van ∆pec die optreedt, is het gevolg van het wisselvallige karakter van de turbulente windstroming. Zoals besproken is in paragraaf 2.2.3, zijn de twee voordelen van drukvereffening van mechanische en hygrische aard. In beide gevallen is de situatie zoals geschetst in figuur 38b niet relevant. De gevel zal krachten ten gevolge van een klein drukverschil van 5 Pa eenvoudig kunnen opvangen. Ook zal een dergelijk klein drukverschil geen regenpenetratie tot gevolg hebben.
6.1.2 PEC-coëfficiënt Voor dezelfde meetperiode als weergegeven is in figuur 36 is de PEC-coëfficiënt bepaald (zie figuur 39).
42
In paragraaf 2.2.4 is de PEC-coëfficiënt als volgt gedefinieerd:
PEC =
∆pec ∆pei
7
Onderstaande figuur laat zien dat de PEC-coëfficiënt in geen geval groter is dan 0,40. In dit geval is er dus sprake van een goede drukvereffening aangezien de norm, zoals deze besproken is in paragraaf 2.2.4, op 0,64 ligt. 0.40 0.35 PEC-coëfficiënt
0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Tijd [s]
figuur 39: Voorbeeld van de PEC-coëfficiënt als functie van de tijd (t=0 op 14-07-2004, 09:41:51) Voor de steekproef van 20 metingen is de gemiddelde PEC-coëfficiënt en de standaardafwijking bepaald (Tabel 13). Tabel 13: Gemiddelde PEC-coëfficiënt en standaardafwijking voor een steekproef van 20 metingen Gemiddeld StandaardGemiddeld Standaardafwijking afwijking V1 0.109 0.102 G1 0.123 0.094 V2 0.067 0.046 G2 0.085 0.029 V3 0.094 0.088 G3 0.264 0.127 V4 0.072 0.069 G4 0.237 0.138 V5 0.114 0.104 G5 0.217 0.137 V6 0.288 0.113 G6 0.168 0.064 V7 0.128 0.139 G7 0.276 0.151 V8 0.095 0.088 G8 0.175 0.111 V9 0.095 0.088 G9 0.260 0.158 V10 0.044 0.036 G10 0.395 0.212 Tabel 13 laat zien dat de PEC-coëfficiënt gemiddeld erg laag is (maximaal 0,4). Een PEC-coëfficiënt groter dan 0,64 komt minder dan 1% van de tijd voor. Er treedt dus duidelijk drukvereffening op.
6.1.3 Luchtsnelheid Met de middelen die ter beschikking stonden, was het niet mogelijk om een nauwkeurige meting van de luchtsnelheid buiten te doen. Het proces van windbelasting op de gevel en de daarmee gepaard gaande drukverschillen over de gevel verloopt snel. De drukverschillen zijn met een frequentie van 20 Hz gemeten. Vanwege praktische redenen is de windsnelheid ook met deze frequentie gemeten. Dit is echter niet geschikt voor de cupanemometer die gebruikt is. De cupanemometer waarmee gewerkt is, vertoont een vertraging. Voornamelijk als de wind afneemt moet de meter even ‘uitdraaien’. Daarom is er over een periode van 1 seconde gemiddeld. Een voorbeeld van een meting van 3 minuten die gedaan is op 14-07-04, gestart om 09:41:05 is te zien figuur 40 en figuur 41.
43
16
Drukverschil ∆pei [Pa]
14 12 10 8 6 4 2 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tijd [s]
figuur 40: Drukverschil over de totale gevel (∆pei) (t=0 op 14-07-2004, 09:41:05) 4.5
Luchtsnelheid [m/s]
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tijd [s]
figuur 41: Luchtsnelheid buiten (t=0 op 14-07-2004, 09:41:05) Bovenstaande figuren illustreren dat een accurate analyse van de relatie tussen luchtsnelheid en drukverschil over de gevel niet mogelijk is. Een grote windvlaag (tijdstip t=45 s) lijkt te correleren met het drukverschil, maar een windvlaag met ongeveer dezelfde windsnelheid (tijdstip t=120 s) geeft een kleinere verandering in drukverschil. Bovenstaande figuur laat zien dat een cupanemometer ongeschikt is om het snelle proces van winddruk te registreren. Snelle fluctuaties in wind kunnen moeilijk geanalyseerd worden. Metingen laten wel zien dat de windbelasting verantwoordelijk is voor de drukverschillen over de gevel. Tijdens een windstille dag, waarbij de binnendruk lager is dan de buitendruk, komt er geen drukverschil over de gevel voor.
6.1.4 Windstille dag In de vorige paragraaf is de invloed van wind op het drukverschil besproken. Windvlagen zorgen voor momentane drukbelasting op de gevel. Echter, op extreem warme, windstille dagen werd ook een drukverschil geregistreerd over de gevel (figuur 42). Tabel 14 laat de gemeten temperatuur en RV zien op dat tijdstip buiten, in de spouw en in het vat. Tabel 14: Temperatuur tijdens een windstille dag (30-07-04, 16:30) Buiten Spouw Vat Temperatuur [oC] 30.4 33.2 23.0 RV [%] 39.0 62 50
44
5
Drukverschil [Pa]
0 -5 -10
∆pec
-15
∆pci
-20
∆pei
-25 -30 -35 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tijd [s]
figuur 42: Voorbeeld van een meting waarbij de buitendruk lager is dan de binnendruk (t=o op 3007-04, 16:30) Bovenstaande figuur laat een groot verschil zien tussen de buitendruk en de druk in het vat (∆pei). In tegenstelling tot figuur 40is dit drukverschil stabiel. In theorie geldt dat ∆pci + ∆pec = ∆pei. In bovenstaande figuur is dit niet het geval. Een goede verklaring hiervoor is niet gevonden.
6.2
Temperatuur
6.2.1 Algemeen Tijdens dit onderzoek is alleen in de zomermaanden gemeten. In de acht weken waarin gemeten is, komen er verschillende dagen met veel regen en wind voor. Echter, ook een lange periode van extreme hitte is voorgekomen. In deze paragraaf zullen verschillende situaties besproken worden die voorgekomen zijn. Het verloop van Ti, Te, en de gemiddelde temperatuur in de spouw is in figuur 43 en figuur 44 te zien voor één week (Tc,gem). 45
Temperatuur [graden C]
40
Te Tc Ti
35 30 25 20 15 10 5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Tijd [dagen]
figuur 43: Temperatuurverloop (spouwisolatie: vlaswol, t=0 op 12-07-04, 00:00)
45
Temperatuur [graden C]
45 Te Tc
40 35
Ti
30 25 20 15 10 5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Tijd [dagen]
figuur 44: Temperatuurverloop, (spouwisolatie: glaswol, t=0 op 24-07-04, 00:00) Bovenstaande figuren laten zien dat de temperatuur in de spouw aanzienlijk kan oplopen. Dag 5 in figuur 44 laat zien dat de gemiddelde temperatuur in de spouw zelfs kan oplopen tot meer dan 40 oC. Theoretisch vindt de opwarming van de spouw in dit geval plaats op twee manieren: 1. Warmte-afgifte via het buitenblad Het opwarmen van het buitenblad door de zonnestraling zorgt voor warmte-afgifte naar de spouw. Een toenemende zonnestraling zorgt ervoor dat het buitenblad van een toenemende energietoevoer wordt voorzien. Het buitenblad wordt opgewarmd en zal deze energie afgegeven naar de spouw (figuur 45). Dit proces geschiedt met een faseverschil van ongeveer 3 uur [Tammes en Vos, 1984]. Vanwege de opwarming van het buitenblad, kan de temperatuur in de spouw uitstijgen boven Te. figuur 45: Warmte afgifte via het buitenblad aan de spouw 2. Warme lucht toevoer via open stootvoegen Via de open stootvoegen stroomt lucht met Te de spouw in. Bij een goede ventilatie zal een goede verversing van de lucht in de spouw optreden.
figuur 46: warme lucht toevoer via open stootvoegen In figuur 45 en figuur 46 is te zien dat (in de zomersituatie) voornamelijk het eerste proces verantwoordelijk is voor de temperatuur in de spouw. Bij goede spouwventilatie zou de temperatuur in de spouw niet zo hoog oplopen en zou het proces geen faseverschuiving ten opzichte van buiten vertonen. Indien de temperatuur in de spouw hoger is dan buiten, zorgt de luchtstroming van buiten in de spouw via de open stootvoegen juist voor ventilatie. Bovenstaande figuren laten zien dat op het moment dat in de
46
ochtend de temperatuur buiten begint te stijgen, dit in de spouw niet direct het geval is. De faseverschuiving is gemiddeld 1,5 uur. Vanwege de vergelijkbare thermische eigenschappen van vlaswol en glaswol, is er geen duidelijk verschil aan te wijzen tussen het temperatuurverloop in de spouw met vlaswol en met glaswol. Er zijn echter geen metingen gedaan met een isolatiemateriaal met gesloten celstructuur, zoals XPS. Hier zou een verschil kunnen ontstaan vanwege het feit dat lucht zich bij dit soort isolatiematerialen niet kan verplaatsen in het materiaal zelf. In paragraaf 6.3 zal besproken worden of er hygrisch een verschil is aan te wijzen tussen de twee verschillende spouwvullingen.
6.2.2 Verdeling in spouw Op drie verschillende hoogtes in de spouw is de temperatuur gemeten (8 sensoren). Voor elke hoogte is de temperatuur gemiddeld (ziefiguur 47). Voor een uitgebreide uitleg over de positie van de verschillende sensoren wordt verwezen naar Hoofdstuk 4.
1
2
3
ÆT1= Tgem1,2,3
T1
T2 4
5
ÆT2=Tgem 5,6
T3 buiten 6
7
8
binnen
ÆT3=Tgem 6,7,8
figuur 47: Schematische weergave meetposities Temperatuur en RV, in het YZ-vlak (links, en het XZ-vlak (rechts) Vanwege praktische redenen was het niet mogelijk om de twee isolatiematerialen gelijktijdig te meten.In figuur 48 en figuur 49 laten in detail zien hoe de verdeling van de temperatuur in de spouw is bij de twee verschillende isolatiematerialen. De twee figuren laten vergelijkbare situaties zien. 50 45
35
Temperatuur [graden C]
Temperatuur [graden C]
40
30 25 20 T1 T2 T3 Buiten
15 10 12:00
18:00
0:00
6:00
12:00
18:00
40 35 30 25 20
T1 T2 T3 Buiten
15
0:00
Tijd [hh:mm]
figuur 48: Verdeling van de temperatuur in de spouw (spouwisolatie: vlaswol, t=0 op 29-06-04, 12:00)
10 12:00
18:00
0:00
6:00
12:00
18:00
0:00
Tijd [hh:mm]
figuur 49: Verdeling van de temperatuur in de spouw (spouwisolatie: glaswol, t=0 op 28-07-04, 12:00)
De temperatuur onder in de spouw (T3) is aanzienlijk lager in vergelijking met de temperatuur in het midden (T2) en boven in de spouw (T1). De positionering van de temperatuursensoren van T3 is ter plekke van de onderste open stootvoeg. De invloed van de buitentemperatuur is daar het grootst. De lucht die via de onderste open stootvoeg de spouw binnenstroomt, zal opgewarmd worden door het warme
47
buitenblad en opstijgen. Echter T3 is gemeten onder de open stootvoegen. Hier zal de lucht dus in mindere mate zijn opgewarmd. De resultaten laten zien dat er wel degelijk opwarming van de luchtspouw en thermische trek optreedt. Echter, er is hier sprake van een zomersituatie: de spouw wordt opgewarmd door het warme buitenblad. De zonne-energie zorgt in dit geval voor een zeer belangrijke mate voor het opwarmen van de spouw. De thermische trek zorgt voor droging van de spouw. Juist in de wintersituatie, waarbij gemiddeld een hogere relatieve vochtigheid optreedt, is dit van belang. In de winter is het temperatuurverschil tussen het spouwblad en de lucht die de spouw instroomt echter kleiner. Er is met deze meting dus nog niet voldoende aangetoond dat er dan thermische trek optreedt.
6.3
Relatieve Vochtigheid en neerslag
6.3.1 Statisch
Percentage voorkomen [%]
Om praktische redenen was het ook hier niet mogelijk de twee materialen gelijktijdig te meten. Dit heeft als nadeel dat er niet exact dezelfde weersomstandigheden voorkomen bij beide materialen. In figuur 50 en figuur 51 zijn de percentages weergegeven van het voorkomen van de RV buiten en gemiddeld in de spouw. In beide gevallen is de gehele meetperiode (spouwisolatie vlaswol: 21-06-04 tot 19-06-04; spouwisolatie glaswol: 20-07-04 tot 17-08-04) in acht genomen. 40 35
RVe
30
RVc
25 20 15 10 5 0 0-10
10-20.
20-30
30-40
40-50
50-60
60-70
70-80
80-90
90-100
Relatieve vochtigheid [%]
figuur 50: Percentage voorkomen RV buiten en in de spouw (spouwisolatie: vlaswol)
Percentage voorkomen [%]
40 35 30
RVe RVc
25 20 15 10 5 0 0-10
10-20.
20-30
30-40
40-50
50-60
60-70
70-80
80-90 90-100
Relatieve Vochtigheid [%]
figuur 51: Percentage voorkomen RV buiten en in de spouw (spouwisolatie: glaswol) Bovenstaande figuren laten zien dat in beide meetperiodes ongeveer hetzelfde spectrum aan RVe is voorgekomen. Echter, in de spouwmuur met vlaswol als isolatie blijft de gemiddelde RV aanzienlijk lager. Bovenstaande figuren laten geen directe relatie zien tussen RVe en RVc. Het is dus niet zo dat een hoge RVe automatisch een hoge RVc op hetzelfde tijdstip tot gevolg heeft. Op het dynamische hygrische gedrag wordt later in dit hoofdstuk ingegaan. In figuur 50is een maximum van voorkomen te zien van de curve RVc bij 60-70%. Dit heeft te maken met het feit dat boven die RV de vlaswol sterk absorberend wordt (zie figuur 30).
48
Met behulp van het statistisch programma SPSS4 is de correlatie bepaald tussen RVe en RVc . Bij beide materialen was de relatie significant. Voor de spouw met vlaswol is de correlatie-coëfficiënt r 0,68 en voor de spouw met glaswol is deze 0,55. Lineaire regressie is gebruikt om de relatie te modelleren tussen RVe en RVc. Dit model is gebaseerd op de kleinste kwadraten methode. Hiermee wordt de best mogelijke rechte lijn getrokken door de meetpunten. In figuur 52 is voor beide isolatiematerialen het berekende lineaire model weergegeven. 100 95
RV buiten [%]
90 85 80 75 70 65
glaswol vlaswol
60 55 50 50
60
70
80
90
100
RV spouw (gemiddeld) [%]
figuur 52: Lineaire regressie lijn voor de RV in de spouw, als functie van de RV buiten Bovenstaande figuur laat zien dat de gemiddelde RV in de spouw met glaswol ongeveer 10% hoger is dan in een spouw met vlaswol. Echter, de standaardafwijking is groot; voor de RV in de spouw met glaswol 14,7% en in de spouw met vlaswol 8,4%. Dit houdt in dat, hoewel het model significant is, er een grote spreiding in RVc zit. Dit heeft te maken met het feit dat er sprake is van een faseverschuiving tussen RVe en RVc.
6.3.2 Verwachting wintersituatie
80
100
75
90
70
Neerslag [mm]
Relatieve Vochtigheid [%]
Onderstaande figuren laten de maandgemiddelden zien van de RV en de hoeveelheid neerslag [KNMI, 2004].
80 70 60 50
60 55 50 45 40
gemiddeld
35
12.00 uur
30 JAN
40 JAN
65
FEB MRT APR
MEI
JUN
FEB MRT APR
MEI
JUN
JUL
AUG SEP OKT NOV DEC
JUL AUG SEP OKT NOV DEC
figuur 53: Maandgemiddelden van de RV buiten [KNMI, 2004]
figuur 54: Maangemiddelden van de hoeveelheid neerslag [KNMI, 2004]
In figuur 53 is te zien dat de gemiddelde RV in de winter aanzienlijk hoger is. De hoeveelheid neerslag die per maand gemiddeld valt in de winter (±75 mm) is hoger dan de hoeveelheid die valt in juli (68 mm) en augustus (59 mm), maar het verschil is niet groot. Als men figuur 52 en figuur 53 met elkaar combineert, kan geconcludeerd worden dat de gemiddelde RV in een spouw met vlaswol zelden boven 80% uitkomt. De spouw met glaswol is aanzienlijk vochtiger. Er moet met enige scepsis naar deze figuur gekeken worden. In het bijzonder het feit dat het om gemiddelden gaat en om een grote standaard afwijking, zorgt voor een onnauwkeurigheid. Bovendien is er slechts voor de duur van 8 weken metingen gedaan in een relatief droge periode. Het is niet zeker dat het lineaire regressie model toegepast kan worden op de winterperiode.
4
SPSS: Statistical Package for the Social Sciences, tegenwoordig Statistical Product and Service Solutions. Een computerprogramma voor statistische berekeningen. 49
6.3.3 Dynamisch Het dynamische proces van vochttransport is niet eenvoudig te verklaren aan de hand van gemeten relatieve vochtigheden. Aan de hand van enkele voorbeelden van verschillende situaties zal het hygrische gedrag in de spouw verklaard worden.
100
100
90
90
80 70 60 50 40 30 RVe
20
RVc,gem
10
RVi
0
12:00
18:00
0:00
6:00
12:00
18:00
0:00
Tijd [hh:mm]
figuur 55: Verloop RV (spouwisolatie: vlaswol, t=0 op 29-06-2004, 12:00)
Relatieve Vochtigheid [%]
Relatieve Vochtigheid [%]
Droge dag In figuur 55 en figuur 56 is in detail weergegeven op welke manier de gemiddelde RV in de spouw reageert op RVe. Beide figuren zijn voorbeelden van een droge periode in de zomer. Het gaat hier om dezelfde meetperiode als weergegeven is in figuur 48 en figuur 49.
80 70 60 50 40 30 20
RVe RVc,gem RVi
10 0 12:00
18:00
0:00
6:00
12:00
18:00
0:00
Tijd [hh:mm]
figuur 56: Verloop RV, (spouwisolatie: glaswol, t=0 op 28-07-2004, 12:00)
Het toenemen van de relatieve vochtigheid terwijl er geen neerslag valt, heeft te maken met de nachtelijke afkoeling zoals deze is besproken in paragraaf 2.4. Bovenstaande figuren illustreren het feit dat zelfs bij droge dagen RVe tot aanzienlijke hoogte kan stijgen (>80%). Het temperatuurverloop is in bovenstaande situaties vergelijkbaar. Hoewel de curven voor RVe in bovenstaande figuren vergelijkbaar zijn, reageert de RV in de spouw bij glaswol anders dan bij vlaswol. Bij een toenemende RVe, volgt de RV in de spouw met glaswol als isolatiemateriaal ongeveer dezelfde curve. Het verschil in deze twee figuren is dat er in figuur 55 een amplitudedemping waarneembaar is, terwijl dit in figuur 56 niet het geval is. Deze amplitudedemping is te verklaren aan de hand van het hygroscopisch gedrag van de twee isolatiematerialen die de spouw gedeeltelijk vullen. Dit wordt aangetoond aan de hand van de volgende berekening. Onderstaande tabel laat zien hoeveel kg lucht en isolatiemateriaal zich in de spouw bevonden tijdens de twee meetperioden. Afmetingen van de meetopstelling zijn te zien in figuur 25. Daarna is berekend hoeveel gram vocht er zich theoretisch in het materiaal kan bevinden voor 2 situaties, die afgeleid zijn uit figuur 55. Situatie 1: T=24 oC, RV=40 % Situatie 2: T=15 oC, RV=80 % Tabel 15: Hoeveelheid aanwezig vocht in de spouwmuur in verschillende situaties Volume [m3] Dichtheid Gewicht Vocht [g] Vocht [g] [kg/m3] [kg] Situatie 1 Situatie 2 Luchtspouw 0,18 1,3 0,24 1,78 2,01 Vlaswol 0,46 32 14,75 732,3 2489,9 Glaswol 0,46 80 36,6 183,1 183,1 Als situatie 1 overgaat in situatie 2, zoals dat ruwweg gebeurt in de situatie geschetst in figuur 55, zal de hoeveelheid vocht in de luchtspouw maximaal 0,2 gram toenemen. Deze hoeveelheid kan eenvoudig opgenomen worden door het vlaswol, aangezien er in evenwichtssituatie maar liefst 1,7 kg extra vocht opgenomen kan worden. In de praktijk zal dit uiteraard nooit het geval zijn, omdat het vocht zich in de situatie die hierboven geschetst is gelijkmatig verdeeld zou moeten hebben over het materiaal. In 5
Gewicht van het materiaal in een droge situatie
50
werkelijkheid zal er een ongelijkmatige verdeling in het materiaal plaatsvinden. De eerste centimeter vlaswol kan echter al meer dan 100x de hoeveelheid vocht opnemen die zich in de luchtspouw bevindt bij 80% RV. De glaswol bevat, praktisch onafhankelijk van de RV slechts 0,5% vocht. Al is dit in vergelijking tot de hoeveelheid vocht in de lucht vele malen groter, de glaswol zal geen vocht kunnen opnemen vanuit de lucht. De RV in de spouw met glaswol zal dus in sterkere relatie staan tot de RV buiten. Evenals bij het temperatuurverloop, treedt er ook een faseverschuiving in het verloop van RV op, als men deze vergelijkt met de condities buiten. Voor de verschillende meetperiodes is het verschil in tijd bepaald tussen het moment dat RVe stijgt of daalt en dat RVc stijgt of daalt. In Tabel 16 staan de gemiddelde waarden hiervan. Tabel 16: Faseverschuiving bij stijging en daling in RV ∆t bij stijging RV [h] ∆t bij daling RV [h] Vlaswol 1,5 3,0 Glaswol 1,5 2,0 Er is geen verschil waarneembaar in het tijdverschil tussen de RV-opname in de spouw met vlaswol en met glaswol bij een stijgende RV. Het verschil in vochtopnamecapaciteit heeft in dit geval alleen invloed op de amplitude van de RV-curve. Het keerpunt zal hierdoor niet veranderen. Bij daling van RVe treedt echter wel een verschil op. Zoals eerder bepaald is, heeft RVe meer invloed op de RV in de spouw met glaswol, vanwege het feit dat het vocht niet kan worden opgenomen door de glaswol. Bij de spouw met vlaswol zal er echter een vochttransport van het vlaswol naar de luchtspouw plaatsvinden. Hierdoor zal de RV later gaan dalen dan in het geval van glaswol in de spouw. Neerslag In figuur 57 en figuur 59 is het verloop weergegeven van de RV buiten, binnen en in de spouw (gemiddeld) zien in dezelfde meetperiode als in figuur 43 en figuur 44. In figuur 58 en figuur 60is de hoeveelheid neerslag (in mm) weergegeven voor dezelfde periodes.
Relatieve vochtigheid [%]
100 90 80 70 60 50 40 30 RVe RVc RVi
20 10 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Tijd [dagen]
droog (=0) - nat =(1)
figuur 57: Verloop RV (spouwisolatie: vlaswol, t=0 op 12-07-2004 00:00) 1
2,3
0 0
2,6 1
2
2,5 3
0,75 4
3,3 5
6
1,8 7
Tijd [dagen]
figuur 58: Aanwezigheid van neerslag (spouwisolatie: vlaswol, t=0 op 12-07-2004, 00:00)
51
100
Relatieve Vochtigheid [%]
90 80 70 60 50 40 30 RVe RVc RVi
20 10 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Tijd [dagen]
figuur 59: Verloop RV (spouwisolatie: glaswol, t=0 op 24-07-2004, 00:00) droog (=0) - nat (=1)
1
18,7
0,5
0 0
1
2
3
4
5
6
7
Tijd [dagen]
figuur 60: Aanwezigheid van neerslag (spouwisolatie: glaswol, t=0 op 24-07-2004 00:00) Afhankelijk van de intensiteit en duur van de bui, kan RVe stijgen tot 100%. Ook hier is het verschil in RV tussen de spouwmuur met glaswol en met vlaswol aanwezig. Vanwege het grillige karakter van de RV tijdens regenbuien is het moeilijk te bepalen of de faseverschuiving bij neerslag overeenkomt met de faseverschuiving zoals deze bepaald is voor droge dagen. Extreme verschillen zijn echter niet aan te wijzen. Een verschil zou een aanwijzing kunnen zijn voor vochtdoorslag door de muur. Als hier sprake van zou zijn geweest, zou na de regenbui de RV in de spouw langer hoog blijven vanwege het vochttransport van de baksteen naar de luchtspouw. Dit verschil is echter aan de hand van deze metingen niet waarneembaar. Er is wel vochttransport van de baksteen naar de spouw, maar dit is niet vanwege het aflopende water aan de binnenzijde van het buitenblad, maar vanwege het vocht in de capillairen van de baksteen dat afgestaan wordt aan de omgeving bij droging. Op vochtdoorslag door de gevel zal in paragraaf 6.5 worden teruggekomen. Dag 2 van de meetperiode met glaswol (figuur 59 en figuur 60) is een regenachtige dag, waarbij het gedurende een lange periode heeft geregend, maar met een kleine intensiteit (<0,2 mm per kwartier). Metingen laten zien dat de RVc gedurende zulke dagen voor een lange periode boven de 90% kunnen zijn. Echter, bij vergelijkbaar hoge RVe, wordt de RV in de spouw bij het isolatiemateriaal vlaswol niet zo hoog, zoals ook geconstateerd is bij droge dagen. Absoluut vochtgehalte Relatieve vochtigheid en temperatuur zijn sterk gerelateerd. Lucht met een hoge temperatuur kan absoluut gezien meer vocht opnemen dan lucht met een lage temperatuur. Dit effect is duidelijk zichtbaar. Een vergelijking van het temperatuurverloop (figuur 43 en figuur 44) en het verloop van de RV (figuur 50 en figuur 51) van de buitenlucht laat dit effect zien. Een stijging van Te gaat gepaard met een daling van RVe (en andersom). In figuur 61 en figuur 62is de absolute hoeveelheid vocht weergegeven voor dezelfde periode als in bovengenoemde figuren van de buitenlucht en de lucht in de spouw.
52
Vochtgehalte lucht [g/kg]
35 Buiten
30
Spouw gemiddeld 25 20 15 10 5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Tijd [dagen]
figuur 61: Absolute hoeveelheid vocht buiten en gemiddeld in de spouw (spouwisolatie vlaswol, t=0 op 12-07-2004, 00:00) Vochtgehalte lucht [g/kg]
35 Buiten
30
Spouw gemiddeld
25 20 15 10 5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Tijd [dagen]
figuur 62: Absolute hoeveelheid vocht buiten en gemiddeld in de spouw (spouwisolatie glaswol, t=0 op 24-07-2004, 00:00) Bovenstaande figuren laten zien dat de absolute hoeveelheid vocht in de buitenlucht min of meer constant is. In de spouw is dit echter niet het geval. Bij een lage temperatuur in de spouw is de curve van absoluut vochtgehalte van de lucht in de spouw vergelijkbaar met die van de buitenlucht. Het opwarmen van de spouw zorgt ervoor dat de lucht absoluut meer vocht kan bevatten. Echter, de zoninstraling zorgt ook voor het drogen van het buitenblad. De warme bakstenen buitengevel staat het vocht af aan de spouw, waardoor de RV in de spouw niet dezelfde trend volgt als de RV buiten. Als de enige bron van vochttoevoer de lucht die via de open stootvoegen de spouw instroomt, zou zijn geweest, zou het absolute vochtgehalte van de lucht in de spouw hetzelfde zijn als van de buitenlucht. Er zou geen toename zijn in absoluut vochtgehalte. Er zou slechts een verloop in relatief vochtgehalte zijn. Het verschil in absoluut vochtgehalte tussen de lucht buiten en in de spouw kan zelfs 15 g/kg bedragen. De lucht in de spouw heeft een gewicht van 0,24 kg. Dit houdt in dat er absoluut gezien 3,6 gram vocht afgestaan moet worden door het bakstenen buitenblad. Hoewel het evenwichtsvochtgehalte van baksteen bij een RV van 95% nog steeds minder dan 1% bedraagt, is het erg waarschijnlijk dat de 3,6 gram vocht afgestaan wordt door de baksteen. Dit is namelijk slechts 0,0005 massa-% van de totale massa van de muur. Deze metingen zijn gedaan in een warme en droge periode. In periodes waarin het regent en de temperatuur daardoor lager is, is het absolute vochtgehalte in de spouw vergelijkbaar met dat van buiten. De mate van droging van het buitenblad is dus, juist op het moment dat het erop aankomt, beperkt.
53
100
100
90
90
Relatieve Vochtigheid [%]
Relatieve Vochtigheid [%]
6.3.4 Verdeling in de spouw
80 70 60 50 40 30 RV1 RV2 RV3 Buiten
20 10 0 12:00
18:00
0:00
6:00
12:00
18:00
80 70 60 50 40 30
RV1 RV2 RV3 Buiten
20 10
0:00
Tijd [hh:mm]
figuur 63: Verdeling van de RV in de spouw (spouwisolatie: vlaswol, t=0 op 29-06-04, 12:00)
0 12:00
18:00
0:00
6:00
12:00
18:00
0:00
Tijd [hh:mm]
figuur 64: Verdeling van de RV in de spouw (spouwisolatie: glaswol, t=0 op 28-07-04, 12:00)
In figuur 63 is weergegeven dat de RV in het midden van de spouw (RV2) het laagst is. Een plausibele verklaring is dat op dat punt de interactie met het vlaswol het grootst en met de buitenlucht het kleinst is. De opnamecapaciteit van het vlaswol zorgt ervoor dat de vocht uit de lucht onttrokken wordt. Ter hoogte van de onderste open stootvoeg is de interactie met de buitenlucht het grootst, en zal dus de hoogste RV optreden. De lucht stroomt van onder naar boven, en zal dus droger worden naarmate de lucht hoger komt. Echter, bij de bovenste open stootvoeg zal er weer interactie tussen de buitenlucht en de lucht in de spouw plaatsvinden. Vandaar zit de RV op deze plek (RV3) tussen RV2 en RV3 in. Een andere verdeling van de RV is te zien in figuur 64. In de meeste gevallen neemt de RV af als functie van de hoogte. Dit komt doordat de glaswol geen vochtopnamecapaciteit heeft. De RV in de spouw is alleen afhankelijk van de RV van de buitenlucht en de vochtafgifte van het buitenblad. De lucht die van onder de open stootvoeg de spouw binnenstroomt, zal enkel vocht opnemen via het buitenblad en heeft geen mogelijkheid dit vocht weer af te staan aan het isolatiemateriaal, aangezien glaswol hydrofoob gemaakt is.
6.4
Case study: 21 juli 2004
Na het algemeen analyseren van de condities in de spouw, wordt in deze paragraaf als voorbeeld de storm van 21 juli 2004 om 18:18:00 uur toegelicht. Tijdens deze stormachtige dag, een typische zomerse onweersbui, werden harde rukwinden (10-20 m/s) gevolgd door een enorme stortbui.
6.4.1 Drukverschil In deze paragraaf wordt ingegaan op de drukverschillen die geregistreerd werden in deze periode. In figuur 65 zijn de gemeten drukverschillen weergegeven en in figuur 66 de windsnelheden.
54
120
∆pei
100
∆pec
Drukverschil [Pa]
80 60 40 20 0 00:00
00:30
01:00
01:30
02:00
02:30
03:00
03:30
04:00
04:30
05:00
05:30
-20 -40 -60
Tijd [mm:ss]
figuur 65: Drukverschil over de gehele gevel en over het buitenblad (t=0 op 21-07-2004, 18:18)
25
Luchtsnelheid [m/s]
20
15
10
5
0 00:00
00:30
01:00
01:30
02:00
02:30
03:00
03:30
04:00
04:30
05:00
05:30
Tijd [mm:ss]
figuur 66: Luchtsnelheid buiten (t=0 op 21-07-2004, 18:18) Bovenstaande figuren laten een extreem hoog drukverschil over de totale gevel zien. Waar bij de overige metingen in de meetperiode dit drukverschil zelden groter was dan 20 Pa, wordt in dit geval zelfs het maximale bereik van de sensor (100 Pa) overschreden (t=02:15). In figuur 65 is weergegeven dat het drukverschil op dat punt over het buitenblad aanzienlijk minder is, wat erop wijst dat er vereffening optreedt. Echter, deze figuur laat ook zien dat er niet altijd sprake is van drukvereffening. De gemiddelde PEC-coëfficiënt van bovenstaande meting is aanzienlijk hoger dan die uit de steekproef zoals deze besproken is in paragraaf 6.1.2; namelijk 1,17. Deze meting vertoont ook een grote spreiding; de standaard afwijking bedraagt 1,53. Hieruit kan geconcludeerd worden dat er tijdens deze storm niet voldoende drukvereffening is opgetreden. Op dit tijdstip was de regenbui nog niet begonnen. Vereffening was in dit geval niet nodig om waterpenetratie te voorkomen. Vereffening is echter ook nodig om de windbelasting op het buitenblad te reduceren. In dit geval echter, waar een drukverschil van 100 Pa optreedt, is de belasting op de gevel nog steeds niet extreem groot. Echter, op grote hoogte, waar de windbelasting aanzienlijk hoger is, kan vereffening wel van belang zijn. De storm die op 21 juli om 18.00 plaatsvond, was extreem. Andere metingen met flinke regenbuien en windvlagen laten wel een goede vereffening zien. Deze storm is echter uitzonderlijk. Windsnelheden van >10 m/s komen in Eindhoven 3% van de tijd voor [KNMI]. In slechts 0.08% van de tijd komt een windsnelheid groter dan 15 m/s voor. Uit mechanisch oogpunt is het uiteraard van belang dat windsnelheden die 3% van de tijd voorkomen opgevangen kunnen worden door het gebouw. Echter, als er in 3% van de gevallen regenpenetratie optreedt als gevolg van het uitblijven van drukvereffening, heeft
55
dit geen ernstige gevolgen voor de vochtigheid van de spouw. De duur van het binnendringen van het vocht is dusdanig kort, dat door middel van droging dit geen schimmel of degradatie van het aanwezige isolatiemateriaal kan veroorzaken.
6.4.2 Relatieve Vochtigheid In figuur 67 is de relatieve vochtigheid weergegeven buiten, binnen en in de spouw voor één week vanaf 21-07-04. Op dat moment was de spouw gedeeltelijk gevuld met glaswol. In figuur 68is de hoeveelheid neerslag weergegeven. 100
Relatieve Vochtigheid [%]
90 80 70 60 50 40 Buiten
30
RV1
20
RV2
10 0 21-07-04
RV3 22-07-04
23-07-04
24-07-04
25-07-04
26-07-04
27-07-04
28-07-04
figuur 67: Relatieve Vochtigheid binnen, buiten en gemiddeld in de spouw (t=0 op 21-07-2004, 00:00) 3 2.5 Neerslag [mm]
14 mm 2 1.5 1 0.5 0 21-07-04
22-07-04
23-07-04
24-07-04
25-07-04
26-07-04
27-07-04
28-07-04
figuur 68: Neerslag (t=0 op 21-07-2004, 00:00) De extreme regenbui, waarin meer dan 14 mm in 15 minuten viel, begon op 21-07-04 om 18.30. Bovenstaande figuren laten zien dat deze bui, in combinatie met de nachtelijke afkoeling ervoor zorgt dat meer dan 15 uur de RV buiten maximaal is. Zelfs bij langdurige regenbuien, zoals deze geregistreerd is op 28-07-04 kwam dit niet voor. De relatieve vochtigheid in de spouw reageert niet hetzelfde op de verschillende regenbuien. Terwijl RVc niet tot de 100% reikt bij de extreme regenbui, wordt deze wel gehaald op het moment dat het langdurig minder regent. Echter, de afnamesnelheid is verschillend in de twee gevallen. In het geval van de extreme regenbui blijft de RV in de spouw lang hoog, terwijl deze na het stoppen van de regenbui op 28-07-04 met een normale faseverandering daalt. Voornamelijk bij de curve van RV1 is te zien dat het bakstenen buitenblad extreem veel vocht heeft opgenomen tijdens de onweersbui. Gedurende 2 dagen na de onweersbui is er nog steeds vochttransport van het buitenblad naar de luchtspouw. Hierdoor blijft de RV in de spouw gedurende een aantal dagen erg hoog. De RV is boven in de spouw het hoogst, aangezien de lucht daar de langste weg langs het vochtige buitenblad heeft afgelegd. De RV in de spouw wordt op dit moment dus meer bepaald door het vochttransport door de baksteen naar de spouw, dan door RVe
56
Vochtgehalte lucht [g/kg]
40.00 Buiten X1 X2 X3
35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 21-07-04
22-07-04
23-07-04
24-07-04
25-07-04
26-07-04
27-07-04
28-07-04
figuur 69: Absoluut vochtgehalte in de spouw en buiten (t=0 op 21-07-04, 00:00) Bovenstaande figuur laat zien dat het absolute vochtgehalte in de spouw geen essentiële verschillen heeft met dagen waarop er geen vochtdoorslag plaatsvindt. Droging van het buitenblad naar de spouw vindt slechts plaats wanneer de temperatuur in de spouw oploopt tot meer dan 25 oC.
6.5
Vochtdoorslag
Gedurende de gehele meetperiode van 8 weken is er slechts éénmaal vochtdoorslag gemeten. Dit gebeurde tijdens de extreme onweersbui die in paragraaf 6.4 besproken is. De neerslag is gevallen tussen 18:30 en 18:45. De weerstandssensoren registreerden vochtdoorslag vanaf 18:45 (figuur 70). 14
Uitslag [V]
12 droog
10 8
nat
6 4
verzadigd aan oppervlak
2 0 21-07-04 12:00
22-07-04 0:00
22-07-04 12:00
23-07-04 0:00
23-07-04 12:00
24-07-04 0:00
figuur 70: Uitslag weerstandsensor (Spouwvulling: glaswol, t=0 op 12-07-2004, 12:00) Voor een periode van 15 uur blijven de sensoren registreren dat het oppervlak aan de binnenkant van het buitenblad verzadigd is. Het tijdstip waarop het buitenblad aan de binnenzijde begint te drogen komt overeen met het tijdstip waarop de RV buiten en in de spouw beginnen te dalen. Ongeveer 2.5 dag na de onweersbui is de baksteen weer op het oude niveau. Op het moment dat er vochtdoorslag plaatsvond, was er geen sprake van een groot drukverschil over de gevel. Kennelijk is de aanwezigheid van een drukverschil over de gevel niet nodig voor regenpenetratie.
57
58
7 Conclusies De volgende conclusies kunnen getrokken worden aan de hand van dit onderzoek: Ten aanzien van de metingen aan de vlaswol: •
Met betrekking tot de thermische en hygrische metingen aan vlaswol kan geconcludeerd worden dat vlaswol sterk hygroscopisch is. Dit kan verklaard worden aan de hand van de goede vochtopname capaciteit van het toegevoegde bindmiddel en brandvertragend middel, dat 20% van de massa van de vlaswoldeken bedraagt.
•
Bij hoge evenwichtsvochtgehaltes neemt de isolatiewaarde van de vlaswol sterk af.
Ten aanzien van de metingen aan de spouwmuur: •
In 99,9% van de gevallen treedt er drukvereffening op. De totale windbelasting op een 3verdiepingen hoge gevel is dusdanig laag, dat vereffening op zowel het gebied van de mechanische als hygrische werking van de gevel niet van belang is.
•
Met betrekking tot de thermische en hygrische eigenschappen van de spouwmuur kan geconcludeerd worden dat de gradiënt over de hoogte van de spouw niet significant is. Door de bufferwerking van vocht en warmte in de spouw zijn de verschillen tussen buiten en de spouw echter wel significant. De opbouw van de gevel is hierbij van belang. Het materiaal, de kleur en de bewerking (bijvoorbeeld hydrofobering) van het buitenblad spelen hierbij een grote rol.
•
Er is een sensor ontwikkeld om de vochtdoorslag te registreren. In de gehele meetperiode is er slechts één keer vochtdoorslag geregistreerd. Dit was in een zeer extreme situatie, waarbij in slechts één kwartier 14 mm regen is gevallen. Er is tijdens deze regenbui geen groot drukverschil (<5 Pa) over de gevel waargenomen. Er kunnen dus geen conclusies getrokken worden of drukvereffening zorgt voor een reductie in vochtdoorslag. Kennelijk kan er ook vochtdoorslag optreden zonder een groot drukverschil.
Ten aanzien van de onderzoeksvraag ‘Hoe effectief functioneert een spouw?’: •
Met betrekking tot de windbelasting, het daarmee gepaard gaande krachtenspel op de gevel en de vochtdoorslag is een spouw effectief bij hoogbouw. Bij laagbouw is de windbelasting op de gevel dusdanig klein, dat er geen groot drukverschil op de gevel optreedt. Vereffening van dit kleine drukverschil is daarom niet nodig. De onderste open stootvoeg (in combinatie met een loodslabbe) is wel nuttig voor de afvoer van zakkend water. Dit kan ook gerealiseerd worden zonder luchtspouw.
•
Er is niet aangetoond dat de spouw effectief is ten aanzien van ventilatie. Metingen met glaswol als spouwisolatie wijzen uit dat de RV in de spouw lang hoger is dan buiten. Als men dit vergelijkt met metingen met vlaswol, waar de RV in de spouw significant lager is dan bij glaswol als spouwvulling, kan men concluderen dat in deze situatie het hygroscopische gedrag van het isolatiemateriaal zorgt voor een lage RV in de spouw, en niet de mate van ventilatie.
•
De spouw functioneert als capillaire onderbreking. Op het moment dat er vochtdoorslag plaatsvindt, wat slechts bij extreme regenbuien het geval is, zal de luchtspouw ervoor zorgen dat het isolatiemateriaal niet nat wordt. Dit is voornamelijk belangrijk bij organische isolatiematerialen, zoals vlaswol, waarbij vocht kan leiden tot schimmelvorming en degradatie.
59
Ten aanzien van de onderzoeksvraag ‘Is vlaswol toepasbaar in een spouwmuur?’:
60
•
De absolute hoeveelheid vocht die zich in de luchtspouw kan bevinden is slechts een fractie van de hoeveelheid vocht die de vlaswol kan absorberen. In situaties, waarbij er geen vochtdoorslag plaatsvindt, zal de kans op schimmelvorming en degradatie van vlaswol klein zijn, omdat de absolute hoeveelheden vocht die geabsorbeerd zal worden door de vlaswol marginaal is. De isolatiewaarde van het materiaal zal dus ook niet afnemen, aangezien er geen grote hoeveelheid vocht in het materiaal zal voorkomen.
•
Vlaswol kan toegepast worden in de spouw, uitgaande van de condities die gemeten zijn in dit onderzoek. Er komt geen langdurige periode van hoge relatieve vochtigheid voor in de spouw en de absolute hoeveelheid vocht die zich in de luchtspouw kan bevinden, kan zonder consequenties door de vlaswol geabsorbeerd worden. Echter, er kunnen situaties voorkomen waarbij de muur wel langdurig aan veel vocht wordt blootgesteld, zoals bij verstoppingen van hemelwaterafvoer, lekkages of overstromingen. Enige voorzichtigheid moet dus in acht genomen worden.
8 Aanbevelingen Zoals elk onderzoek leidde ook in dit onderzoek de antwoorden naar nog meer vragen. Hoewel in een groot gedeelte van de Nederlandse laagbouw spouwmuren worden toegepast, zijn er nog veel vragen betreffende de condities in de muur en de mate van effectiviteit. •
De aanname dat er thermische trek optreedt in een luchtspouw is nog niet voldoende onderzocht. Onderzoek naar de luchtsnelheid in de spouw is in dit geval van belang. Er kan gedacht worden aan metingen van de luchtsnelheid in de spouw met behulp van luchtsnelheidssensoren, de tracergas-methode of een andere methode om de luchtstroming te visualiseren.
•
Metingen in de wintersituatie, waarbij als gevolg van een hoge RV buiten thermische trek noodzakelijk is, kunnen inzicht geven of thermische trek ook optreedt als gevolg van een warm binnenblad, en niet alleen als gevolg van een warm buitenblad.
•
Het dynamische karakter van het hygrisch gedrag van de spouwmuur zorgt ervoor dat de processen erg complex zijn. Een voortdurende toevoer van vocht in de spouw zou ervoor kunnen zorgen dat de vlaswol grote hoeveelheden vocht absorbeert, wat kan leiden tot schimmelvorming en degradatie van het materiaal. Lange termijn metingen zijn nodig om te onderzoeken in welke mate vochtopname voorkomt in een organisch isolatiemateriaal als vlaswol. Voornamelijk in een wintersituatie, waarbij vaker een hoge RV voorkomt, is het noodzakelijk onderzoek te doen.
•
Experimenten in een laboratoriumomgeving waarbij geconditioneerde lucht en vocht aan de verschillende materialen wordt aangeboden, kunnen bijdrage aan de begripvorming van het dynamische hygrische en thermische gedrag van de baksteen en vlaswol. Met behulp van deze informatie kan een model opgesteld worden voor het dynamische gedrag van de spouwmuur. Simulaties met behulp van bijvoorbeeld het programma WUI kunnen leiden tot een betere begripvorming van het proces.
•
Vlaswol is een relatief nieuw isolatiemateriaal. Meer onderzoek naar de hygrische en thermische eigenschappen van vlaswol kan leiden tot kennis betreffende schimmelvorming en degradatie. Dit kan zorgen voor betere toepassingen van het materiaal.
•
Het is van belang de schimmelgroei te onderzoeken. Het effect van korte blootstelling aan hoge RV toont aan dat er schimmelvorming kan optreden. Het effect op lange termijn bij een dynamisch proces, waarbij hoge en lage RV’s elkaar opvolgen is nog niet voldoende onderzocht. Indien bekend is welke parameters leiden tot biologische aantasting, kan het materiaal verbeterd worden.
61
62
Literatuurlijst [Aynsley e.a., 1977]
Architectural aerodynamics, Aynsley, R.M., Melbourne, W., Vickery, B.J., Applied science publishers, 1977
[Bomberg e.a., 1978]
Influence of moisture and moisture gradients on heat transfer through porous building materials, Thermal transmission measurements of insulation, ASTM STP 660, Bomberg, M. e.a., 1978
[Van den Braak e.a., 2003]Vochtdoorslag door gelijmd metselwerk met open stootvoegen, Materiaalkunde 4 opdracht, Technische Universiteit Eindhoven, Van den Braak e.a., 2003 [Carmeliet e.a., 2002]
Regendoorslag in gelijmd metselwerk, Rapport Katholieke Universiteit Leuven, Laboratorium Bouwfysica, Carmeliet e.a., 2002
[Cook, 1999]
Wind loading, a prictical guide to BS 6399-2, Wind loads on buildingss
[Van Dam e.a., 2001]
Kansrijke bouw=product-markt-combinaties uit hernieuwbare materialen: Inventarisatie van kansen en trajecten voor grootschalige marktintroductie; ATO, SHR Hout research, TNO-bouw, Dr. J.E.G. van dam e.a., 2001
[Dechow e.a., 1978]
Laboratory and field investigations of moisture absorption and its effect on thermal performance of various insulations,Thermal transmission measurements of insulation, ASTM STP 660, Dechow, F.J. e.a., 1978
[Fraanje, 1999]
Vlas voor de bouw, vlas zichtbaar maken op de markt; P. Fraanje, 1999
[Geurts, 1997]
Wind-induced pressure fluctuations on buidling facades, proefschrift faculteit Bouwkunde, Technische Universiteit Eindhoven, Geurts, C.P.W., 1997
[Van der Hagen, 1984] Het ontwerpen, vervaardigen, testen en operationeel maken van een windsnelheidsmeter voor lage windsnelheden (<10 cm/s), Afstudeerverslag Technische Universiteit Eindhoven, faculteit Natuurkunde, Van der Hagen, T.H.J.J., 1984 [Hasselaar, 2004]
Vernieuwbare isolatie als Duurzaam Alternatief, Hasselaar, B.L.H., Afstudeerverslag Technische Universiteit Delft, tussenpeiling, faculteit Bouwkunde, 2004
[Hendriks, 1998]
De duurzaam geïsoleerde spouwmuur van de toekomst, Gevelraad, Hendriks N.A., 1998
[Hendriks, 1999]
Het einde van de luchtspouw komt in zicht, Gevelraad, Hendriks, N.A., 1999
[Hendriks, 2002]
Gevels en daken, dictaat Technische Universiteit Eindhoven, Faculteit Bouwkunde, Capaciteitsgroep FAGO, Hendriks, N.A., april 2002
[Hens, 1995]
Heat-air-moisture design of masonry cavity walls: theoretical and experimental results and practice; ASHRAE Transactions: Symposia, CH-95-3-2, Hens, H., Fatin, A.M., 1995 A synoptic cimatology of the convective weather in the Netherlands, KNMI rapport WR-93-04, DD. Hongnian, 1993
[KNMI, 1993] [KNMI, 2003]
Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI), http://www.knmi.nl/product/, 2001-2003
63
[Lecompte, 1989]
De invloed van natuurlijke convectie op de thermische kwaliteit van geïsoleerde spouwconstructies; KU Leuven, Lecompte, J., 1989
[Leppers, 1996]
Vochttransport door gelijmde baksteenconstructies, Afstudeerverslag Technische Universiteit Eindhoven, faculteit Bouwkunde, Leppers, R.F.R., 1996
[Murphy e.a., 1999]
Möglichkeiten und Chancen von heimischen nachwachsenden Rohstoffen zur Nutzung als Dämm-Material; Insititut für landwirtschaftliche Bauforschung und Institut für Betriegswirtschaft, Agrarstruktur und ländliche Räume der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), D.P.L. Murphy e.a., 1999
[NEN 6702, 2004]
Veranderlijke belastingen
[Newberry e.a., 1974]
Wind loading handbook, Buillding research Establishment Report, Newberry, C.W., Eaton, K.J., 1974
[Schols, 1997]
Drukvereffening in gevelsystemen, Afstudeerverslag Technische Universiteit Eindhoven, Schols, S.F.C., 1997
[Sandberg, 1986]
Moisture content and thermal conductivity in soil insulation, Journal of thermal insulation, volume 10, Sandberg, P.I., 1986
[Sandberg, 1990]
Deterioration of thermal insulation properties of extruded polystyrene: Classification and quality control system in Sweden, Insulation Materials, Testing and applications, ASTM STP 1030, Sandberg, P.I., 1990
[SBR, 1968]
Ventilatie van muren en daken, Stichting Bouwresearch, rapport 11, 1968
[SBR, 1979]
Beperken van windhinder om gebouwen, deel 1, Stichting Bouwresearch, 1979
[Schmidt e.a., 2003]
LCA Documents, Comparative Life Cycle Assessment of three insulation materials: stone wool, flax and paper wool, Final report, Schmidt, A., e.a., 2003
[Silberstein e.a., 1996] Effects of air and moisture flows on the thermal performance of insulations in ventilated roofs and walls, Journal of thermal insulation and building environments, volume 19, Silberstein e.a., 1996 [Smith, 1986]
Probabillity and statistics in civil engineering, an introduction, Department of Civil Engineering, Heriot-Watt University, Smith,g.n., 1986
[Tammes en Vos., 1984]Warmte- en vochttransport in bouwconstructies, Kluwer Technische Boeken B.V, Tammes, E. e.a., 1984 [VZW Bouwen, 1997]
Handboek snelbouwbaksteen, Belgische Baksteen Federatie, VZW Bouwen, 1997
[WUFI, 2004]
Wärme und Feuchte instationär, Simulatieprogramma, Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP-Holzkirchen, 2004
[Van der Zanden, 2004/a] UA30, calibratierapport, Technische Universiteit Eindhoven, Faculteit Bouwkunde, Van der Zanden, A.J.J., 2004 [Van der Zanden, 2004/b] TESTO, calibratierapport, Technische Universiteit Eindhoven, Faculteit Bouwkunde, Van der Zanden, A.J.J., 2004
64
Symbolenlijst A B cp
Waterabsorptiecoëfficiënt Waterpenetratiecoëfficiënt Druk coëfficiënt
[kg/m2s0,5] [m/s0,5] [-]
Dv
Vochtvereffeningscoëfficiënt
[m2/s]
h Iu
Uur Turbulentie coëfficiënt
[-]
K M m pe
Thermische vochttransportcoëfficiënt Door het materiaal geabsorbeerd water Minuut Druk op de gevel buiten
[kg/mKs] [kg/m2]
pi
Barometrische druk
[Pa]
pe-pi
Wind geïnduceerde druk
[Pa]
∆p ∆pci
Stuwdrukverschil tussen ventilatie-openingen Drukverschil tussen de spouw en binnen
[kgf/m2] [Pa]
∆pei
Drukverschil tussen buiten en binnen
[Pa]
∆pec
Drukverschil tussen buiten en de spouw
[Pa]
PEC q’e
[-] [kg/mh]
q’s
Pressure Equalization Coefficient Hoeveelheid op het buitenblad gesproeid water per strekkende meter muur Hoeveelheid langs de binnenzijde naar beneden stromend water
[kg/mh]
q’sm
Maximale hoeveelheid afstromend water
[kg/mh]
qv
Vochtstroomdichtheid
[kg/ms]
r RV RVe
Correlatie-coëfficiënt Relatieve luchtvochtigheid Relatieve luchtvochtigheid buiten
[-] [%] [%]
RVc
Relatieve luchtvochtigheid in de spouw
[%]
s T Te
Seconde Tijd Buitentemperatuur
[s] [oC]
Ti
Binnentemperatuur
[oC]
Tc
Temperatuur in de spouw
[oC]
Tc,gem
Gemiddelde temperatuur in de spouw
[oC]
v
Luchtsnelheid Gemiddelde windsnelheid
[m/s] [m/s]
Gemiddelde windsnelheid op het punt waarop de ruwheid van het oppervlak niet meer van invloed is Vochtfront Spouwhoogte tussen ventilatieopeningen Hoogte Hoogte vanaf waar de bebouwing geen rol meer speelt op de gemiddelde windsnelheid Coëfficiënt voor de ruwheid van een terrein Temperatuur Volumieke massa water Verhouding oppervlakte spouwdoorsnede en oppervlakte ventilatie-
[m/s]
vG vzG X z z zG α θ ρ σ
[Pa]
[m] [m] [m] [m] [-] [K] [kg/m3] [-]
65
ψ ψc
openingen Vochtgehalte Kritisch vochtgehalte
[m3 water/m3 materiaal] [m3 water/m3 materiaal]
ψo
Maximaal vochtgehalte
[m3 water/m3 materiaal]
66
Bijlage A Specificaties meetapparatuur A.1
Drukverschil
Naam Fabrikant
267MR Setra
Serienummer
1704 2277376 1704 2277377 1704 2277378 474 475 473 -100 … +100 1% Full Scale Buiten – spouw - vat
TU/e-nummer Bereik Nauwkeurigheid Lokatie
A.2
Temperatuur en Relatieve Vochtigheid
Naam Fabrikant Serienummer TU/e-nummer Bereik Nauwkeurigheid Lokatie Naam Fabrikant Serienummer TU/e-nummer Bereik
Escort Escort Data Logging Systems Ltd. 0346-085 0346-083 370 371 T: -20 … +100 oC RV: 0 … +100 % T: 0,3 oC RV: 3 % Binnen Buiten
Lokatie
HIH 3602 C Honeywell 419 – 427 T: -40 … +85 oC RV: 0 .. +100 % 0,5 oC 0,5 % Spouw
Naam Fabrikant Serienummer TU/e-nummer Bereik Nauwkeurigheid Lokatie
PT100 GTD 280 0 … +6 oC 0,4 oC vat
Nauwkeurigheid
67
A.3
Luchtsnelheid
Naam Fabrikant Serienummer TU/e-nummer Bereik Nauwkeurigheid Lokatie
A.4
Neerslag
Naam Fabrikant Serienummer TU/e-nummer Bereik Nauwkeurigheid Pulsfrequentie Lokatie
A.5
Serienummer TU/e-nummer
Toshiba Satellite Pro 460 0482
Fujitsu C-4110 0080
Calibratie Drukverschil
Naam Fabrikant Serienummer TU/e-nummer Bereik Nauwkeurigheid
68
Squirrel 1200 Grant Instruments Ltd. 1204-00395 439
Laptop
Naam
A.7
Druppelteller 3831 0 – 10 mm regen/minuut <10% 15 Hz Buiten
Logging
Naam Fabrikant Serienummer TU/e-nummer
A.6
Cupanemometer Ks001022 Onbekend Onbekend Buiten
Betz micromanometer Van Essen bv -50 … 2500 Pa 0,04% Full Scale
Bijlage B Correlatie-coëfficiënt B.1
Het scatter-diagram
Met behulp van het scatter-diagram kan globaal worden vastgesteld of (kwantitatieve) variabelen onderling samenhang vertonen. Onderstaand figuur laat een voorbeeld zien waarbij een duidelijke positieve samenhang te zien is tussen variabele x en y. 1.76 1.74 1.72 1.7
Y
1.68 1.66 1.64 1.62 1.6 1.58 40
50
60
70
80
90
100
110
X
figuur 71: Voorbeeld van een scatter-diagram Duidelijk blijkt uit figuur 71 de positieve samenhang tussen beide variabelen: met variabele X neemt ook variabele Y toe.
B.2
Lineaire regressielijn
De regressielijn tussen x en y is een rechte lijn met een vergelijking in de vorm:
yei = axi + b
8
Waar yei op de regressielijn ligt en de geschatte waarde is van Y wanneer X=xi. Tenzij er perfecte correlatie is tussen de twee variabelen, zal de regressielijn niet door alle geplotte punten lopen en zullen er afwijkingen zijn. Voor X=xi zal de fout in de voorspelling van de corresponderende waarde van y gelijk zijn aan yi-yei, waar yi de eigenlijke waarde van Y is. De regressielijn komt het beste overeen met de eigenlijke waarden wanneer SX,Y, de som van het kwadraat van de fouten, is minmaal. Voor n waarden geldt dan: n
S X ,Y = ∑ ( yi − yei ) 2
9
i =1
Als formule 1 en 2 gecombineerd worden, krijgt men: n
S X ,Y = ∑ ( yi − axi − b) 2
10
i =1
Deze is een functie van a en b: f(a,b) Als deze expressie minimaal moet zijn, geldt:
69
∂f (a, b) ∂f (a, b) = =0 ∂a ∂b
11
n ∂f (a, b) n ∂ = ∑ ( yi − axi − b) 2 = ∑ −2 xi ( yi − axi − b) ∂a i =1 ∂a i =1
12
n ∂f (a, b) n ∂ = ∑ ( yi − axi − b) 2 = ∑ −2 xi ( yi − axi − b) ∂b i =1 ∂b i =1
13
Als bovenstaande vergelijkingen gelijk zijn aan 0, volgt: n
∑ (ax + b − y ) = 0 i
i =1
14
i
Dus:
∑ y = a∑ x + nb ∑ x y = a ∑ x + b∑ x i
i
2
i
i
i
i
15 16
Oplossing van de vergelijkingen 8 en 9 geeft de waarden voor a en b die corresponderen met de minimumwaarden van Sx,y.
B.3
Covariantie
De covariantie COV wordt gedefinieerd als de correlatiemaat voor de relatieve standaardafwijking van twee verdelingen en wordt als volgt bepaald:
COV ( X , Y ) = B.4
1⎡ ∑ xi ∑ yi ⎤⎥ ⎢ ∑ xi yi − n⎣ n ⎦
17
Correlatie-coëfficiënt
Een eventuele lineaire samenhang tussen variabelen valt ook af te leiden uit de correlatie-coëfficiënt tussen twee variabelen. Deze coëfficiënt, gegeven door het symbool r, is een numerieke manier om uit te drukken hoe nauwkeurig de regressielijn van twee gerelateerde waarden X en Y samenhangen met de gegeven waarden. De mate van correlatie, r, is een genormaliseerde versie van de covariantie en kan verkregen worden met behulp van de volgende formule:
r=
COV ( X , Y )
18
σ xσ y
σ is de standaarddeviatie is. Als r negatief is, betekent dit dat er een negatieve correlatie is en dat Y afneemt in waarde als X toeneemt. Andersom geldt ook dat als r positief is, Y toeneemt waneer X toeneemt. Het bereik van r ligt dus tussen -1 en 1. De waarden van r kunnen ruwweg als volgt geïnterpreteerd worden:
r ≥ 0.8 0.2 < r < 0.8 r ≤ 0.2
70
Sterke correlatie. Aangenomen kan worden dat de factoren volledig afhankelijk zijn van elkaar. Correlatie. Zwakke correlatie. Aangenomen kan worden dat de twee factoren onafhankelijk zijn van elkaar.
Bijlage C Klimaatgegevens Eindhoven Het KNMI (2003) stelt gemiddelde waarden voor de verschillende facetten van het klimaat ter beschikking voor een grote hoeveelheid plaatsen in Nederland. De gegevens die in deze paragraaf besproken worden, komen van het weerstation op het vliegveld van Eindhoven. Dit station ligt op 20,9 meter hoogte t.o.v. NAP en heeft de coördinaten 51o 27’ N.B. en 05o25’ O.L. Het station is gelegen in half open landschap, bos (heide) afgewisseld door bouw- en grasland.
C.1
Temperatuur en RV
Onderstaande tabel geeft de gemiddelde temperatuur, en het gemiddeld minimum en maximum per maand voor Eindhoven Tabel 17: Temperatuur- en RV-verloop in Eindhoven Temperatuur [oC] RV [%] gemiddeld min max gemiddeld 12:00 JAN 2.8 0.0 5.4 88 84 FEB 3.1 -0.2 6.4 84 78 MRT 6.0 1.9 10.0 80 70 APR 8.6 3.6 13.4 75 62 MEI 13.1 7.7 18.1 73 59 JUN 15.6 10.3 20.4 75 62 JUL 17.6 12.3 22.6 76 63 AUG 17.5 12.0 22.8 76 61 SEP 14.3 9.7 19.0 82 68 OKT 10.4 6.4 14.5 85 73 OV 6.1 3.0 9.1 88 82 DEC 4.0 1.3 6.4 89 85
C.2
Neerslag
Tabel 18: Gemiddelde hoeveelheid neerslag in mm per maand JAN FEB MRT APR MEI JUN
neerslag JUL 69.1 AUG 50.0 SEP 67.5 OKT 46.1 NOV 64.7 DEC 70.3
68.1 58.8 65.9 65.1 75.5 75.7
71
Het rapport van KNMI [KNMI, 1993] geeft onder andere een overzicht van de hoeveelheid regen die per tijdseenheid is gevallen in extreme situaties. Daarin staan de volgende gegevens: Tabel 19: Gemiddelde waarden van het voorkomen van hevige regenbuien Verticale neerslagintensiteit voorkomen ≥ 80 mm/dag 1,75 dagen per jaar ≥ 10 mm/uur 8,2 dagen per jaar ≥ 25 mm/uur 1,8 dagen per jaar Leppers (1996) concludeert het volgende ten aanzien van de neerslagintensiteit: 1. Tijdens kortdurende buien valt over het algemeen meer regen dan tijdens langdurige buien. Er kan in sommige gevallen een horizontale neerslagintensiteit verwacht worden van 20 l/m2h; 2. De verticale regenintensiteit is lager naarmate de windsnelheid hoger is; 3. Een verticale wand kan gedurende enkele uren blootgesteld worden aan een regenintensiteit van 10 l/m2h bij een windsnelheid van 15 à 20 m/s.
C.3
Wind
Tabel 20 laat de frequentie zien van het voorkomen van een bepaalde windsnelheid in een bepaalde richting [KNMI, 2003].
72
Tabel 20: Frequentietabel van potentiele windsnelheid – distributief absoluut. Lokatie Eindhoven, periode Jaar, middeling over de jaren 1971 – 2000 [KNMI, 2003] Tabel 21 Windrichting (in tientallen graden) Windstil / 35-01 02-04 05-07 08-10 11-13 14-16 17-19 20-22 23-25 26-28 29-31 32-34 Cumulatief Variabel Windsnelheid (m/s)
Distributief in uren per jaar
0,0 - 0,9
193,1
10,9
1,0 - 1,9
134,7
63
5,8
6,4
9,5
16,9 11,7
13,3
13,8
11,1 12,5 12,8
327,8
74,8 58,1
2,0 - 2,9
10
51
69,5 98,1 81,7
89,6
71,1
70,5 66,6 60,5
989,3
29,9
80,3 120,2 118,7 80,7 120,3 136,3 123,3 154,7 132,9 122,1 85,6 81,5
1386,4
3,0 - 3,9
2,7
86,2 124,9 106,5 80,2 109,2 127,8 137,6 193,9 175,5 122,3 87,3 76,9
1430,9
4,0 - 4,9
0,4
68,8 96,8 117,1 73,6 92,3 92,3 126,1 183,1 180,5 117,5 77,7
1291,1
5,0 - 5,9
0,1
35,4 58,1 86,7 49,8 55,5 40,2 89,8 159,4 147,8 89,8 46,9 40,6
6,0 - 6,9
0
7,0 - 7,9
0
22
31,3 49,3 23,3 18,1 11,5 49,9 150,5 154,1 75,9 48,8 32,6
667,3
8,0 - 8,9
-
9,1
12,8 17,4
33,8 52,3 73,4 38,7 35,5 8,5
6,7
23
65
73,7 191,1 205,7 85,7 54,8 41,3
3,7
25,2
900,1 909
84,8
105,6 50,7 24,3 15,5
364,3
9,0 - 9,9
-
4,8
5,7
9,5
3,5
3,2
1,3
11
59,5
61,5
32,2
17
7,5
216,7
10,0 - 10,9
-
2,2
1,9
4,6
1,4
1,4
0,5
7
38,7
42
20,6
8,7
3,8
132,9
11,0 - 11,9
-
0,8
0,5
1,4
0,2
0,1
0,2
2,4
18,5
24,4
10,8
4,3
2,1
65,7
12,0 - 12,9
-
0,3
0
0,3
0
0
-
1,3
12,7
14,3
9,7
4,1
1,3
44,1
13,0 - 13,9
-
0
0
0,1
-
-
-
0,4
5,5
6,7
5
1,8
0,2
19,7
14,0 - 14,9
-
-
-
-
-
-
-
0,2
2,8
3,3
3
1,4
0,1
10,7
15,0 - 15,9
-
-
-
-
-
-
-
0,2
1,5
1,8
1,4
0,4
0,1
5,4
16,0 - 16,9
-
-
-
-
-
-
-
-
0,2
0,8
0,8
0,3
-
2,2
17,0 - 17,9
-
-
-
-
-
-
-
-
0,2
0,3
0,6
0,2
-
1,3
18,0 - 18,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,1
0,2
0
-
0,4
19,0 - 19,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,2
0,2
0
-
0,4
20,0 - 20,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,1
0,1
-
-
0,1
21,0 - 21,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,1
0
-
0,1
22,0 - 22,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0
0
-
-
0,1
23,0 - 23,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0
-
0
24,0 - 24,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
25,0 - 25,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
26,0 - 26,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
27,0 - 27,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
28,0 en hoger
-
Cumulatief
361
417,7 589,4 648,8 417,4 521,4 551,8 741,4 1359,9 1342,4 830,2 542,7 441,8
8766
73
