Temperatuuradaptatie door bouwblokken: een vergelijkende analyse leemstenen -betonblokken
Auteur: Julie Moraca (BC architecten)
In Vlaanderen wordt er heel wat gemetst. Dat blijkt snel, eenvoudig en budgetvriendelijk, maar kunnen bouwblokken ook een bijdrage leveren aan de ervaren temperatuur in een gebouw? Een recente studie aan ETH Zurich bekeek het verschil in klimaatadaptief vermogen van leem- en betonblokken. In dit artikel hernemen we uit die studie de voornaamste bouwfysische eigenschappen en conclusies zodat jij als architect een onderbouwd advies kan verlenen aan je klant.
CAS studie
2024 breekt opnieuw records: het is het warmste jaar sinds het begin van de metingen van het Europese Copernicus-programma1 Willen we in het licht van extreme weersomstandigheden een aangenaam binnenklimaat verzekeren, wordt het belang van de materiaalkeuze in gebouwen en hun vermogen om interne temperatuurschommelingen tegen te gaan nog maar eens beklemtoond.
In dit artikel kijken we enkel naar blokken, meer bepaald in leem en beton, en hoe deze functioneren ten opzichte van de klimaatuitdagingen. Als basis nemen we daarvoor het CAS programma in Regenerative Materials - Hygrothermal Specialisation (ETH Zurich, 2023) en de nieuwste wetenschappelijke inzichten. Wat daaruit blijkt: als we slimme keuzes in bouwmaterialen maken, kunnen we onze afhankelijkheid van energieverslindende mechanische koeling en verwarming beperken. De case study van de CAS-graduaat kan daarbij goede inzichten aanreiken
Hoe verschillende metselstenen verschillend werken
De case study vergeleek het gebruik van volle leemstenen en volle betonblokken voor de bouw van muren van eenzelfde ruimte: een paviljoen in Grenoble. Door gebruik te maken van een dynamische hygrothermische simulatiesoftware (WUFI plus) en sensoren die echte gegevens verzamelen (van de operationale temperatuur, de relatieve vochtigheid en de weersomstandigheden buiten), kon de volgende grafiek bekomen worden, die de werkingstemperatuur binnenshuis van beide bouwscenario's illustreert
1 See: https://climate.copernicus.eu/copernicus-summer-2024-hottest-record-globally-and-europe
(De leemblokken werden beschermd door een overhangend dak).
De grafiek laat zien dat in de loop van één jaar de reële binnentemperatuur in de ruimte, gebouwd met betonblokken (grijze lijn), hoger was in de zomer (midden van de grafiek) en aanzienlijk lager in de winter (linker- en rechterkant). Dit geeft aan dat, onder identieke externe weersomstandigheden, met 30 cm dikke muren en zonder extra isolatie, de ongebakken leemstenen een comfortabelere en stabielere binnentemperatuur behielden, schommelend tussen 16°C en 26°C. De betonblokken daarentegen vertoonden een grotere temperatuurwisseling, schommelend tussen 10°C en 28°C. De leemblokken uit deze studie hebben bijgevolg een beter thermisch regulerend vermogen, die de nood aan verwarming of koeling verlicht.
REFERENTIEWAARD EN VOLLE BETONBLOKKEN VOLLE LEEMBLOKKEN gevormd of geperst
THERMISCHE EIGENSCHAPPEN
Thermische geleidbaarheid of isolatiewaarde: hoe hoger, hoe meer warmte het materiaal doorlaat [W/m*K]
Warmteopslagcapaciteit: het vermogen om energie in de vorm van warmte op te slaan [J/kg*K]
HYGROSCOPISCHE EIGENSCHAPPEN
Waterabsorptie coëfficiënt A: de snelheid waarmee een materiaal vocht opneemt en afgeeft [kg/m2*s 0,5]
Dampdiffusieweerstand μ: hoe lager deze waarde, hoe meer waterdamp het materiaal doorlaat [-]
Lage isolatiewaarde: > 0,076
Hoge isolatiewaarde: < 0,024
Lage warmteopslag: 0 - 47,4
Hoge warmteopslag: >436,4
Lage waterabsorptie: 0 - 0,42
Hoge waterabsorptie: >6,43
Lage doorlaatbaarheid = hoge weerstand (dampdicht): >133 Hoge doorlaatbaarheid = lage weerstand (dampopen): <12,9
Dat zijn bijzonder relevante resultaten, gezien de uitdagingen waar we voor staan, en daarom is het belangrijk om ons te verdiepen in de fysische karakteristieken van deze materialen om de resultaten van dit onderzoek beter te begrijpen. We doen hiervoor beroep op de gegevens uit de gids voor de leemstenen en de technische fiches van de betonblokken
Thermisch gedrag
Een belangrijke eigenschap om rekening mee te houden is de thermische inertie, die we als volgt kunnen definiëren: het vermogen van het materiaal om warmte op te slaan en de overdracht ervan te vertragen. Veel onderzoekers hebben geprobeerd om deze eigenschap te definiëren met verschillende thermisch-fysische parameters, zoals thermische geleidbaarheid, specifieke warmtecapaciteit, thermische effusiviteit en thermische diffusie, die allemaal helpen om de thermische inertie te bepalen en de werking ervan te beschrijven.
Laten we de thermische geleidbaarheid van de twee materialen eens nader bekijken: 1,32 [W/m*K] voor de volle betonblokken en 0,9 [W/m*K] voor de leemstenen. Een beter isolerende muur zal een lagere warmtegeleidingswaarde hebben. In ons voorbeeld hebben muren gemaakt van leemstenen kleinere warmtestromen, en dus minder momentane afkoeling en verwarming in de ruimte door geleiding, dan de betonblokken waarmee ze vergeleken werden. Leemsteenmetselwerk heeft de massa om als een warmtereservoir te fungeren, terwijl ze een relatief evenwichtig isolatievermogen behoudt. Overdag, wanneer de buitentemperatuur hoger is dan die van de lemen muur, absorbeert de muur een aanzienlijke hoeveelheid warmte , waardoor de binnentemperatuur niet te hoog wordt. Als de avond valt en de omgevingstemperatuur daalt, geeft de lemen muur de opgeslagen warmte langzaam af, waardoor wordt voorkomen dat de binnenruimte te snel afkoelt. Betonblokken kennen eenzelfde werking, alleen resulteert de hogere geleidbaarheid in iets minder inertie.
Vochtgedrag en de invloed ervan op thermisch gedrag
Naast thermische eigenschappen moet er ook rekening worden gehouden met vochtfluxen. Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat de thermische stabiliteit - de capaciteit van bijvoorbeeld leemblokken om een stabiele binnentemperatuur te bekomen door het minimaliseren van fluctuaties - ook wordt bepaald door de vochtopname- en verdampingscapaciteit van het materiaal. We kunnen dit intuitief begrijpen door een warme zomerdag met een lage vochtigheid in een continentaal klimaat te vergelijken met een even warme zomerdag met een hoge vochtigheid in een moessonklimaat: de vochtige zomerdag voelt veel warmer aan dan de droge zomerdag.
Ongebakken leemstenen hebben, dankzij hun lage dampdiffusieweerstand (μ-factor tussen 5-15), het vermogen om vocht op te nemen en weer af te geven, wat helpt om een optimale relatieve vochtigheid (RV) binnenshuis van 40-60% te handhaven, hetgeen ideaal is voor de bewoners. In tegenstelling tot conventionele materialen zoals beton, met een hogere weerstand tegen dampdiffusie (μ-factor tussen 50-150), een lage dampdoorlaatbaarheid en een lage waterabsorptiecoëficient, vertonen leembouwmaterialen een complexer thermisch gedrag Door de combinatie van thermische en hygroscopische eigenschappen wordt het binnenklimaat “droog” gehouden (een evenwichtig laag % RV) en dus kan bij eenzelfde temperatuur de mens verkoeling vinden. Veel onderzoeken tonen aan dat leemstenen bij
specifieke temperaturen en een stijgende luchtvochtigheid van 50% tot 80% 10 tot 15 keer meer vocht kunnen opnemen dan gebakken bakstenen of beton. Deze conventionele materialen raken binnen twee dagen verzadigd. Het hoge waterabsorptievermogen van leemblokken is te verklaren door de microporositeit ervan: dankzij de ruimte tussen de kleideeltjes in de blokken kunnen die deeltjes zich binden aan de vele waterdampdeeltjes in de binnenlucht, die zo uit de lucht worden gehaald en in de steen worden vastgehouden.
Conclusie: materiaalkeuze kan de binnentemperatuur helpen reguleren
In vergelijking met enkele conventionele bouwblokken zoals betonblokken, zorgen de specifieke bouwfysische eigenschappen van leemblokken voor een betere stabilisatie van de temperatuur en de vochtigheid binnenshuis, met een mogelijke vermindering van ventilatie en verwarmings- en/of koelingslasten tot gevolg. Op basis van het CAS-onderzoek aan ETH Zurich en de gemeten temperatuurschommeling in bovenstaande grafiek kunnen we een schatting van een vork van 5 - 30% vermindering in het verbruik van technische installaties naar voren schuiven, hetgeen een significant verschil genoemd mag worden.
Ook werd in het CAS-onderzoek slechts één product per soort vergeleken; kijk dus zeker steeds de technische fiche na van het specifieke product dat je wil gebruiken.
En tot slot: naast de effecten op het binnenklimaat en het energieverbruik, is ook de milieuimpact een belangrijk aspect om mee in overweging te nemen. Onderstaande grafiek is een synthese van de voornaamste materiaaleigenschappen van zowel de leem- als betonblokken, waaronder ook de levenscyclusanalyse.
