Roofs 2010-02-24 Isolatie op basis van reflectie – hoe werkt dat? (1)

In het verleden zijn, o.a. in Roofs, hooglopende discussies gevoerd over de vraag in hoeverre reflecterende folies goed isoleren of niet. Om deze discussie goed te kunnen voeren, is het nodig de werking van deze folies te doorgronden. In een serie van drie artikelen zet Léon Tummers van Isobooster de werking van reflecterende folies uiteen en gaat hij in op diverse vraagstukken die rond deze materialen spelen. In deze eerste aflevering: straling en reflectie.

Léon Tummers, Isobooster

Alles en iedereen is onderhevig aan dezelfde wetten van warmtetransport. In deze eerste aflevering zal ik deze algemene wetten uiteen zetten.

“Houdt isolatie de kou buiten?” is een veelgestelde vraag. Het antwoord is: alleen voor de mate waarin de (traditionele) materialen zoals steen, glas, vezels e.d. winddicht zijn. Koude is de afwezigheid van warmte. Het is enkel de warmte die stroomt, in de richting van koude (behalve natuurlijk in situaties waarin geforceerde luchtstroming plaatsvindt, bijvoorbeeld door een ventilator).

Stel je voor dat je de ramen in een gebouw open zet, en stel je tevens voor dat de buitenlucht, hoewel zéér koud, absoluut stil staat. De kou zou niet naar binnen komen, maar de warmte in het gebouw zou wel naar buiten gaan. Gedeeltelijk door luchtstroming (convectie), een beetje door contact tussen de luchtdeeltjes (conductie), maar het overgrote deel door straling. Dit proces van warmtestroming blijft net zo lang doorgaan totdat de temperatuur binnen even groot is als de temperatuur buiten (thermisch equilibrium). Ook met gesloten ramen, en aannemende dat het gebouw volledig luchtdicht is, zal de warmte door de drie genoemde natuurkundige fenomenen (conductie, convectie en straling) het gebouw verlaten – zij het minder snel.

Warmtetransport

Alle substanties die wij kennen transporteren warmte, of vertragen warmtetransport, via conductie, convectie of straling; alle fysieke substanties zijn dan ook onderhevig aan dezelfde natuurkundige wetten. Er is géén uitzondering. Warmtetransport vindt plaats door convectie (stroming in een vloeistof of gas/lucht), straling(swarmte) en conductie (warmtegeleiding). De mate waarin dit met deze drie fenomenen gebeurt, hangt af van de intensiteit van conductie, de mate van stralingsopname of –weerkaatsing en de hoeveelheid convectie. Deze kwantitatieve verschillen vinden hun oorsprong in de materiaaleigenschappen: soortelijke massa, gewicht, vorm, luchtdichtheid, moleculaire structuur en andere fysieke eigenschappen.

Conductie en convectie

Conductie (warmtegeleiding) is warmtetransport d.m.v. direct, fysiek contact tussen materialen (waarbij ‘materiaal’ ook lucht of een onzichtbaar gas kan zijn). Hierbij wordt warmte getransporteerd door het snellere trillen van warmere moleculen naar de langzamere koude moleculen op de plaatsen waar materialen elkaar raken. Hierdoor gaan de koudere moleculen sneller trillen. Ook hier geldt dat het transport altijd van warm richting koud plaatsvindt, nooit andersom.

Convectie is warmtetransport in vloeistof of gas veroorzaakt door de stroming van verwarmde lucht of verwarmde vloeistof. Dit kan mechanisch, bijv. met een ventilator (geforceerde convectie), maar het kan ook vrije convectie zijn: een warme kachel, of persoon, zal altijd eerst d.m.v. fysiek contact warmte afgeven aan de koelere omgevingslucht. Hiermee zal de warmte de moleculen in de omgevingslucht activeren. De verwarmde lucht zet uit (wordt minder dicht) en zal stijgen. Koelere lucht neemt de plaats in van de vertrokken warme lucht.

Warmtestraling

Thermische straling is de verplaatsing van energie door een ruimte middels elektromagnetische straling van verschillende golflengten. De zon straalt door miljoenen kilometers ruimte energie naar de aarde in o.a.. licht, maar voornamelijk in zogeheten infrarode stralen, warmtestralen. Maar de warmtebron hoeft niet per se de zon te zijn, en de ruimte niet zo groot. Elk object in ons universum, met een temperatuur boven het absolute nulpunt in Kelvin (0 Kelvin = -273° C) straalt een hoeveelheid infrarode straling uit. Deze stralen ‘reizen’ door welke ruimte dan ook vanaf het oppervlak van het object naar een ander object dat het tegenkomt in die ruimte. Deze ruimte kan een millimeter zijn, of miljoenen kilometers. Er is geen verschil.

Zichtbare straling is ‘licht’, maar de meeste straling is onzichtbaar voor het menselijk oog. Het kleine gebied aan zichtbaar licht (paars, blauw, groen, geel, oranje en zichtbaar rood) vormt slechts één van de 66 octaven aan stralingsbundels. De verschillende stralen hebben verschillende golflengten: progressief langer aan de ene kant van het spectrum, progressief korter aan de andere kant van het spectrum. De stralen die liggen tussen één reeks van een bepaalde golflengte en een andere reeks die dubbel zo lang is (of half zo klein) noemen we een octaaf, vergelijkbaar met de octaven zoals die ook in de muziek worden gebruikt. Lichtstralen hebben een korte golflengte en veroorzaken weinig warmte. De echte warmteboosters zijn de infrarode stralen met hun grote golflengten over meer octaven.

Straling

Bij het uitstralen van warmte, zoals alle objecten doen, zijn drie processen van betekenis. Warmteafgifte (emissie) vanuit een object (omdat het warmte in zich heeft), noemen we emissiviteit. De andere twee zijn de mate waarin warmtestraling wordt opgenomen (absorptie) of wordt gereflecteerd/teruggekaatst (reflectie).

Vergelijk het met voetbal. Wanneer een speler de bal wegtrapt, wordt de bal (vgl: het stralingsdeel) in beweging gezet door de energie (vgl: warmte) van de speler zelf. Wanneer de weggetrapte bal ergens door een speler wordt weggekopt in een willekeurige richting, dan kunnen we dat vergelijken met het reflecteren van warmte (reflectie). Zou de bal echter op de borst worden stilgelegd, dan is dat een voorbeeld van opnemen van energie (absorptie).

Emissiviteit

De uitstraling van warmte (emissiviteit) vanuit een oppervlak is afhankelijk van de mate waarin datzelfde oppervlak in staat is warmte in zich op te nemen, absorptie. De mate waarin een oppervlak stralen terugkaatst is onafhankelijk van de afstand waarvan deze stralen komen. Dat kan miljoenen kilometers zijn, maar ook enkele centimeters (zoals in veel luchtspouwen in gebouwen).

De emissiviteit van een materiaal is de fysieke eigenschap van dat materiaal (net als kleur, vorm, dichtheid, etc.) en kan worden gemeten via de standaard meettechnieken. Theoretisch drukken we dat uit in waarden van 0 tot 1 (100%). De term ‘emissiviteit’ is de relatieve mate van uitgezonden warmtestralen vanuit het oppervlak van het object. Het is niet hetzelfde als de (netto) hoeveelheid, want die zal variëren met de tijdsduur, temperatuur, opslagcapaciteit, etc. De emissiviteit van veel voorkomende materialen, zoals hout, steen, glas, papier, etc. ligt rond de 90%. Aluminiumfolie, gemaakt voor de isolatie-industrie, heeft slechts een emissiviteit van 3%.

Absorptie en reflectie

Wanneer energiestralen, van welke golflengte dan ook, het oppervlak van een object raken, dan zal de absorptie van deze stralen leiden tot temperatuursstijging in dat object. Door middel van conductie (warmtegeleiding) zal de warmte zich verspreiden door het object. Stralen die niet worden geabsorbeerd, worden teruggekaatst/gereflecteerd. Er is een 1 op 1 relatie tussen reflecteren en absorberen. Een oppervlak van 90% emissiviteit heeft een corresponderende absorptie van 90% en een reflectie van 10% (en een oppervlak met 3% emissiviteit heeft dus een corresponderende absorptie van 3% en een reflectie van 97%).

De meeste oppervlakken van bouwmaterialen, inclusief de meest gebruikte isolatiematerialen, zijn goede warmte-opnemers en slechte kaatsers. Meestal liggen de waarden rond 90% absorptie/emissie en 10% reflectie. Uitzondering zijn de materialen die zijn voorzien van een aluminiumhuid. De traditionele materialen zoals glas- en steenwol en (PUR)schuimen worden steeds vaker uitgevoerd met één aluminiumzijde. Dit principe is overgenomen van de multifolies.

In het volgende deel: rekenkundige begrippen met betrekking tot straling.