#OverdeVloer: Vloerverwarming in monumentale gebouwen

Vooral in kerken wordt vaak vloerverwarming aangebracht vanwege het thermisch comfort. Allerlei neveneffecten hiervan, zoals een toename van vervuiling op de gewelven of het op gang brengen van vocht- en zouttransport, worden echter onvoldoende her- en onderkend. Bovendien blijkt de inpasbaarheid van een dergelijke installatie in monumentale gebouwen problematisch te zijn wegens de hoge cultuurhistorische waarde van de vloer en het bodemarchief.

Centrale verwarmingssystemen in vogelvlucht

Al in de eerste eeuw vóór Christus hadden de oude Romeinen een vorm van vloerverwarming ontwikkeld, de zogenaamde hypocaustenverwarming. Een dergelijk systeem bestaat uit een soort lage kelder, het hypocaustum (1). Deze strekt zich uit onder de gehele vloer (2) van de te verwarmen ruimte. De vuurruimte met de stookplaats (3) bevond zich meestal buiten het gebouw. Deze was via een ondergronds stenen kanaal met het hypocaustum verbonden. Via dit stenen kanaal werden de verbrandingsgassen van verbrande houtskool in het hypocaustum geleid om van daaruit via rookkanalen (4) naar buiten te worden geleid. Deze gassen verwarmden de stenen vloer en de stenen kolomen (5) die deze vloer droegen. De op deze manier in deze steenmassa's opgeslagen warmte werd vervolgens aan de te verwarmen ruimte afgestaan. Soms werd dit systeem uitgebreid met een wand-verwarmingssysteem door de rookgassen via meerdere in de wand geplaatste rookkanalen (4) te geleiden.

Vloerverwarmingsystemen waarbij gebruik werd gemaakt van opgewarmd water, zoals we die vandaag de dag toepassen, zijn pas mogelijk geworden na de introductie van de warmwaterketel in Engeland aan het einde van de achttiende eeuw. De Verenigde Staten en de ons omringende landen hadden wat betreft de techniek van het verwarmen een forse voorsprong. Zo werd reeds in het Parijse beursgebouw (1808-1826) een vloerverwarming op basis van stoom toegepast. In de Nederlandse woonhuizen is centrale verwarming pas in de jaren dertig van de negentiende eeuw geïntroduceerd.

Een verwarmingssysteem dat nauwelijks in monumenten is toegepast is plafondverwarming. In 1932 wordt dit voor het eerst in de Nederlandse literatuur beschreven. Hoewel dit systeem feitelijk volgens hetzelfde principe werkt als vloerverwarming, zou het nog tien jaar duren voordat er over vloerverwarmings-systemen gesproken wordt. Een van de eerste vermeldingen hiervan in Nederland is te vinden in de derde druk van ditzelfde handboek van L.E. Wisse en P.M. van der Weel uit 1942: Centrale verwarming: handleiding ten dienste van ingenieurs, verwarmingstechnici, -monteurs, architecten, bouwkundige opzichters en het onderwijs in centrale-verwarmingstechniek. Het betreft het systeem Dériaz, vernoemd naar de Zwitserse constructeur die patent had aangevraagd op het door hem ontworpen systeem van vloerverwarming.

Het principe van dit systeem lijkt veel op het systeem, zoals dat tegenwoordig wordt toegepast. De bouwkundige opbouw is echter anders. De doorbraak van vloerverwarming als hoofdverwarming zou echter nog enkele decennia op zich laten wachten en de toepassing ervan komt pas op aan het einde van de jaren zeventig van de twintigste eeuw. Dit hangt nauw samen met de verbetering van de thermische isolatie. In moderne gebouwen werd dit type verwarmingssysteem vrijwel direct met succes op grote schaal toegepast. In het kielzog hiervan werd vloerverwarming ook aangebracht bij renovaties en restauraties van bestaande panden, waaronder monumentale gebouwen en met name ook kerken.

Het verwarmen van kerken begint in de negentiende eeuw. De eerste verwarmingsinstallaties in kerken bestonden uit een of meerdere kolomkachels die met hout werden gestookt. Centrale verwarming werd in de Nederlandse kerken pas omstreeks 1900 voor het eerst toegepast, dus pas ongeveer honderd jaar na de toepassing hiervan in burgerlijke woonhuizen. Deze systemen hadden open drukvaten en werden met kolen gestookt. Vanaf ongeveer 1950 werden deze kachels en ketels op grote schaal omgebouwd om op olie gestookt te kunnen worden. Omstreeks 1960 doet de hedendaagse variant op gas zijn intrede en nauwelijks twee decennia later de hedendaagse vorm van vloerverwarming. Een van de vroege toepassingen hiervan is de Grote Kerk te Leeuwarden die bij de in 1972-1976 uitgevoerde restauratie is aangebracht.

Vloerverwarmingssystemen

Vloerverwarming is een verwarmingswijze waarbij de vloer van een vertrek het feitelijke warmteafgifteelement is. Het bijzondere ervan is dat vloerverwarming bouwkundige elementen en werktuigbouwkundige elementen integreert. Het doel van dit systeem is de vloer op een hogere temperatuur te brengen dan de omgeving waardoor een thermisch behaaglijk binnenklimaat gerealiseerd kan worden. Er zijn drie verschillende systemen van vloerverwarming te onderscheiden: vloerverwarming door middel van warme lucht (hypocaustenverwarming), een systeem waarbij de warmteafgifte wordt gecreëerd door middel van elektriciteit van een lage spanning, en een systeem waarbij de warmteafgifte afkomstig is van warm water met een maximale temperatuur van 50 °C.

Wanneer tegenwoordig over vloerverwarming wordt gesproken, wordt vaak het laatste systeem bedoeld, vloerverwarming door middel van warm water. Dit systeem is qua warmteopwekking en -distributie nagenoeg gelijk aan wat generaliserend centrale verwarming wordt genoemd: de radiatorenverwarming. Voor grote ruimtes als kerken worden beide andere vloerverwarmingssystemen eigenlijk niet of nauwelijks toegepast. Elektrische vloerverwarming wordt wel gebruikt voor kleinere woon- en kantoorvertrekken, evenals voor kleinere oppervlakten zoals kerkbanken waar ten behoeve van de lokale comfortverhoging elektrische voet- of bankverwarmingen worden geplaatst.

Warmteopwekking

De warmteopwekking ten behoeve van vloerverwarmingssystemen in grote ruimten gebeurt, net zoals bij een radiatorenverwarming, in warmwaterketels. Hierbij zijn de ketels meestal in een serie van twee of meer in cascadegeschakeld. Al naar gelang de warmtevraag worden daarbij één of meerdere ketels in bedrijf gesteld. Het water wordt daarbij verwarmd tot ongeveer 80°C en vervolgens het leidingnet in gepompt. Aan de retourzijde van de ketel komt het water terug met een temperatuur van ongeveer 60°C.

De capaciteit van de ketels wordt bepaald door de benodigde hoeveelheid warmte voor de vloerverwarming, evenals de benodigde warmte voor de aanwezige aanvullende systemen in de vorm van een radiatoren-, convectoren- of luchtverwarming. Voordat een verwarmingsinstallatie wordt ontworpen, wordt eerst de warmtebehoefte per ruimte in een programma van eisen vastgelegd. Met behulp van transmissie- en ventilatieberekeningen is de hoeveelheid energie te bepalen die per tijdseenheid voor een ruimte nodig is om deze tot een bepaalde temperatuur te verwarmen.

Het onvermijdelijke warmteverlies door de vloer wordt hierbij niet meegerekend. Voor de bepaling van de ketelcapaciteit, pompen leidingsysteem moet daarmee uiteraard wel rekening gehouden worden.

Distributie

Het warme water wordt vanuit de ketel naar een verdeler (1) geleid die dit water verdeelt over een aantal groepen (2) of registers. Deze verschillende groepen zijn nodig om de warmte zo gelijkmatig mogelijk over de gehele vloer te verdelen. Hoeveel groepen er precies nodig zijn, wordt bepaald door de afmetingen van de ruimte en het buizenpatroon.

Het is belangrijk dat het buizenpatroon waarvoor gekozen wordt zo min mogelijk bochten bevat en dat de kromtestraal van de bocht(en) zo groot mogelijk is. Het patroon moet vooraf worden bepaald, evenals de onderlinge afstand van de buizen. Hierbij verdient het de sterke voorkeur dat het aanvoerwater met een hoge(re) temperatuur in de koudere zones wordt ingebracht.

Feitelijk zijn er twee verschillende buizenpatronen te onderscheiden: het slakkenhuispatroon en het meanderpatroon. Het voordeel van het slakkenhuispatroon is dat de warme(re) aanvoerleiding en de koude(re) afvoerleiding naast elkaar liggen. De temperatuur van de vloer zal hierdoor vrij gelijkmatig zijn. De koudere leiding compenseert immers de warmere, waardoor de gemiddelde temperatuur gelijk blijft. Bij het meanderpatroon daarentegen liggen de warmere en koudere leidingen niet naast elkaar. Hierdoor is aan het begin van het leidingnet de warmteafgifte groter door de hogere watertemperatuur. Het meanderpatroon wordt bijvoorbeeld toegepast wanneer een asymmetrische koudestraling gecompenseerd moet worden, bijvoorbeeld nabij een raam met enkel glas. Bij dit patroon wordt er soms ook voor gekozen om de vaste onderlinge afstand van de buizen te variëren.

De warmere aanvoerleiding wordt dan wat verder van elkaar gelegd in vergelijking tot de minder warmere afvoerleiding. Belangrijk is dat bij wandaansluitingen, kolomaansluitingen, leidingdoorvoeren en dergelijke, stroken isolatiemateriaal worden gebracht. Deze zogeheten randstroken moeten ten minste vijf millimeter dik zijn. Zij moeten in verband met het uitzetten en krimpen van de vloer van een goed samendrukbaar materiaal worden gemaakt. Grote vloeroppervlakten dienen gedilateerd te worden om scheurvorming in de cementgebonden dekvloer te voorkomen. Oppervlakten groter dan 25 à 40 vierkante meter of langer dan de maximaal toelaatbare lengtemaat van zeven meter moeten door middel van krimpvoegen in kleinere eenheden worden onderverdeeld.

De warmwaterleidingen worden meestal, bevestigd aan een wapeningsnet, in de dekvloer aangebracht. Soms worden ze op of in een isolatielaag of constructievloer aangebracht (afb. 7, 8). De buizen die voor de leidingen worden gebruikt, moeten voldoende zuurstofdiffusiedicht zijn, omdat er anders via de leidingen zuurstof in de ketel terecht komt met corrosie tot gevolg. Immers een verhoging van de watertemperatuur met 10 °C betekent een verdubbeling van de zuurstoftoetreding.

Tegenwoordig zijn de leidingen van kunststof (vaak polyetheen (PE)), metaal (koper (Cu)), of een product waarin de eigenschappen van deze beide materialen zijn gecombineerd. Vroeger werd hiervoor ook wel gietijzer gebruikt. Maar dit materiaal had corrosie als groot nadeel met lekkages en een niet of slecht functionerend verwarmingssysteem als gevolg. Hoewel kunststof (α=18×l0-5 K-1) een veel hogere uitzettingscoëfficiënt heeft dan staal (α=1, 2×l0-5 K-1) of beton (α=1, 2×l0-5 K-1), zijn er bij het gebruik van kunststofbuizen geen problemen te verwachten. Deze kunnen de uitzetting namelijk zelf opvangen. Bij staal is dit anders hoewel dit materiaal nagenoeg dezelfde uitzettingcoëfficiënt heeft als beton. Dit komt doordat staal beduidend sneller opwarmt dan beton en al wil uitzetten terwijl het beton door haar nog lagere temperatuur dat nog niet wil.

Verbindingen in de buis zijn ongewenst in verband met het vergroten van de kans op lekkage. Afhankelijk van de gekozen buisafstand wordt hierdoor het oppervlak van een enkele vloerverwarmingsgroep tot ongeveer 20 à 30 vierkante meter beperkt, immers er is een maximale buislengte. In elk vloerveld wordt dan één leiding van maximaal 200 meter gelegd, welke apart wordt gevoed vanaf de eerder genoemde verdeler. De leidingen van de verschillende groepen moeten ongeveer eenzelfde lengte hebben om eenvoudig inregelen mogelijk te maken. Om dezelfde reden moet elke groep ook afsluitbaar c.q. instelbaar zijn door middel van afsluiters.

Overigens moet met het in bedrijf stellen van een nieuw vloerverwarmingssysteem een verhardingsen een droogperiode voor de cementgebonden dekvloeren van minimaal 28 dagen in acht genomen worden. Om scheurvorming en andere problemen te voorkomen mag het verharden niet worden versneld door de vloerverwarming vroegtijdig in bedrijf te stellen.

Bouwkundige inpassing

De keuze voor een vloerverwarming wordt vaak snel gemaakt. Immers aangevuld met een aanvullend verwarmingssysteem lijkt thermisch comfort gegarandeerd. Maar het inpassen van een vloerverwarming in een bestaand gebouw is een ingrijpende onderneming. Om deze aan te kunnen leggen is het immers onvermijdelijk dat de bestaande vloer wordt uitgenomen. De vloer gaat dus letterlijk op de schop.

In monumentale gebouwen is dit zo mogelijk nog ingrijpender, omdat de vloeren daarin vaak deel uitmaken van de monumentale waarden. Bovendien is het zeker geen uitzondering als zich onder een dergelijke cultuurhistorisch waardevolle vloer nog een waardevol archeologisch bodemarchief bevindt. In kerkgebouwen zijn dat behalve talloze historische graven en grafkelders vaak ook (restanten van) oudere vloeren, muurresten en funderingen van eerdere bouwfasen.

Tabel 1: Globale indeling van een vloerverwarmingssysteem op basis van de opwarmtijd van de thermische massa (bron: Vloerverwarming/wandverwarming en vloer- wandkoeling, ISSO-publicatie 49)

Thermische massa	Opwarmtijd
Zwaar 170-240 kg/m2	> 2 uur
Licht 30-90 kg/m2	≤ 2 uur

 

Bij het maken van de keuze voor een vloerverwarming wordt - gemakshalve - vaak vergeten dat naast de installatietechnische en bouwkundige kosten er ook nog andere kosten zijn: die van transport, opslag, het uitnemen en terugplaatsen van de vloer, evenals de daarbij behorende arbeidsuren. Daarnaast zijn er, in kerken, de maatregelen die genomen moeten worden voor de bescherming van het orgel en het kerkmeubilair tegen de stofproductie. Naast het zojuist genoemde aspect van de verstoring van het archeologisch bodemarchief is dit alles dus geen sinecure. Alles bij elkaar opgeteld, kan met enige voorzichtigheid worden gesteld dat in de gevallen waar sprake is een van een authentieke, monumentale vloer of een ongestoord bodemarchief de aanleg van een vloerverwarming feitelijk geen optie is.

Regelbaarheid

Boven de zojuist genoemde negatieve aspecten blijkt ook de regelbaarheid van vloerverwarming in met name kerken een lastig punt. Dit heeft voornamelijk te maken met de grote thermische massa van de ruimte boven de verwarmingselementen. De mogelijkheden om daar de temperatuur door middel van een vloerverwarming te kunnen regelen blijken beperkt. Immers naarmate een ruimte groter is, neemt de regelbaarheid af. Een gemiddelde vloerverwarming in een monumentale kerkruimte heeft, afhankelijk van het vloeroppervlak en de ruimtelijke massa, enkele uren tot dagen nodig om op temperatuur te komen (tabel 1).

Regeling

Om de temperatuur van het verwarmingssysteem te kunnen reguleren zijn er in beginsel twee verschillende besturingssystemen:

• De weersafhankelijke regeling: hierbij wordt de temperatuur van het verwarmingswater hoger naarmate het buiten kouder is

• De ruimtetemperatuurregeling: bij dit systeem wordt de temperatuur van het verwarmingswater verhoogd als het in de te verwarmen ruimte kouder is

Een combinatie van deze beide systemen is eveneens mogelijk, bijvoorbeeld door bij de ketel een weersafhankelijke voorregeling te plaatsen en deze in een specifieke ruimte aan te vullen met een naregeling in de vorm van een ruimtetemperatuurregeling.

De temperatuur van het water uit de cv-ketel is hoger (maximaal 80 °C) dan die van het water dat in een vloerverwarmingsysteem wordt toegepast (maximaal 50 °C). Om deze lagere temperatuur te bereiken wordt met behulp van een zogeheten driewegmengventiel en servomotor retourwater (van een lagere temperatuur) uit de koudere afvoerleiding van het vloerverwarmingsysteem bijgemengd.

Afgegeven vermogen

Een beperkende factor voor het afgegeven vermogen per vierkante meter (q) van een vloerverwarming is de warmteoverdrachtsweerstand (R) tussen de vloer en de lucht. Deze is in het meest gunstige geval 0, 08 m2K/W. Een vloerverwarming met een oppervlaktetemperatuur van 26 °C levert bijvoorbeeld bij een binnenluchttemperatuur van 16 °C een afgegeven vermogen van ongeveer 100 W/m2 (zie het rekenvoorbeeld in kadertekst pag. 390-391). In de praktijk blijken dergelijke vermogens moeilijk haalbaar. Veel realistischer zijn de vaak gehanteerde kengetallen van 50 tot 80 W/m2.

Straling versus convectie

Warmteoverdracht door een voorwerp aan zijn omgeving vindt plaats door convectie of door straling.

Convectie

Bij warmteoverdracht door convectie wordt warmte door een stromend medium (bijvoorbeeld lucht) meegenomen. Lucht is altijd in beweging. Daardoor hebben voorwerpen zelden een temperatuur gelijk aan de omringende lucht. Er vindt dus altijd warmteafgifte of -opname plaats.

Voor de warmtestroom door convectie geldt dat de warmtestroomdichtheid gelijk is aan het product van de warmteoverdrachts-coëfficiënt voor convectie (hc) en het temperatuurverschil tussen de lucht (θa) en de vloer (θs): qc=hc (θa-θs)

Met:
q	: warmtestroomdichtheid door convectie	[W/m2]
hc	: warmteoverdrachts-coëfficient door convectie	[W/m2K]
θa	: luchttemperatuur	[°C]
θs	: oppervlaktetemperatuur van de vloer	[°C]

 

Straling

Elk oppervlak geeft warmte af in de vorm van straling. Straling is transport van energie in de vorm van elektromagnetische trillingen. Naar mate de temperatuur hoger is, wordt er meer warmte afgegeven. Deze wordt niet (of zeer beperkt) opgenomen door de lucht, maar voornamelijk geabsorbeerd door de omringende oppervlakken. Deze geven op hun beurt ook weer warmte in de vorm van straling af. Dit noemt men stralingsuitwisseling en deze kan zeer complex zijn wanneer het meerdere vlakken en verschillende voorwerpen betreft.

Stralingsuitwissing kent geen transportmedium. Het speelt zicht dus af in het luchtledige. Daarnaast is de hoeveelheid straling ook afhankelijk van de aard van het oppervlak. Metaalachtige oppervlakken zijn slechte stralers in vergelijking tot andersoortige oppervlakken.

Voor de warmtestroom voor straling geldt dat de warmtestroomdichtheid gelijk is aan het product van de warmteoverdrachts-coëfficiënt voor straling (hs) en temperatuurverschil tussen de lucht (θa) en de vloer (θs): qs=hs (θa-θs)

Waarin: hs=4.ε.σ.⍑s3;

Met:
qs	: warmtestroomdichtheid door convectie	[W/m2]
hs	: warmteoverdrachtscoëfficient door convectie	[W/m2K]
θa	: luchttemperatuur	[°C]
θs	: oppervlaktetemperatuur	[°C]
ε	: emmissiefactor	[-]
σ	: constante van Stefan-Boltzmann (σ=57, 6×l0-9 W/m2K4)	[W/m2K4]
Ts	: oppervlaktetemperatuur van de vloer	[K]

 Het totale afgeven vermogen per vierkante meter wordt dan: q=(hc+hs) (θs-θa)

De waarde voor hc+hs is maximaal 12, 5 W/m2K. Omdat de overgangsweerstand (Ri;vloer) gelijk is aan de reciproque van warmteoverdrachts-coëfficiënten:

Ri;vloer=1/hc+hs

is het totaal afgegeven vermogen ook gelijk aan:

qvloer=θs;vloer-θa/Ri;vloer

Hieruit valt af te leiden dat als de binnenluchttemperatuur (θa) stijgt en de temperatuur van de vloerverwarming constant blijft, het afgegeven vermogen (q) daalt en omgekeerd. Dit effect wordt ook wel het zelfregelend effect genoemd.

Rekenvoorbeeld

Een vloerverwarming met een oppervlaktetemperatuur van 26°C en een binnenluchttemperatuur van 16°C levert ongeveer 100 W/m2 volgens:

qvloer=θs;vloer-θa/R1=26-16/0.1=10/0.1=100W/m2

Warmteafgifte-elementen

Warmteafgifte-elementen geven hun warmte dus af door middel van convectie en door straling. De verhouding tussen die twee is afhankelijk van het type verwarmingselement.

Tabel 2: Verhouding tussen de warmteafgifte door straling en convectie (bron: Kengentallen en vuistregels, 1996, p. 28)

Warmteafgifte-element	Convectie	Straling
Vloerverwarming	30%	70%
Radiatorenverwarming, enkelplaats	55%	45%
Radiatorenverwarming, dubbelplaats	70%	30%
Luchtverwarming	100%	0%

 

Tabel 3: Globale kostenindicatie voor vloerverwarmingsystemen ten opzichte van radiatoren- en luchtverwarmingsystemen (samenstelling auteur)

Type verwarming	Kengetallen
	Oppervlakte	Installatiekosten	Bouwkundige kosten
Vloerverwarming
- Kleine ruimte	< 250 m2	€ 70 / m2 (40% vermogen*)	€ 105-€ 125 / m2**
- Middelgrote ruimte	250-1500 m2	€ 65 / m2 (40% vermogen*)	€ 95-€110 / m2**
- Grote ruimte	> 1500-2000 m2	€ 55 / m2 (40% vermogen*)	€ 90-€ 100 / m2**
Radiatorenverwarming	< 250 m2***	€ 50 / m2	€ 1 / m2
Luchtverwarming		€ 4 tot € 6 m3****	€ 4 / m3*****

 

In deze tabel zijn indicatief de installatiekosten en bouwkundige kosten van een vloerverwarmingssysteem voor verschillende oppervlakken weergegeven ten opzichte van andere verwarmingssystemen. Het betreft een globale kostenindicatie waarbij met vele variabele factoren rekening moet worden gehouden, waaronder het soort vloer, de monumentale waarde daarvan, de ondergrond, de bouwkundige structuur, archeologisch onderzoek etc..

*	De capaciteit van een vloerverwarming is in het algemeen niet voldoende om een ruimte tot de gewenste gebruikstemperatuur te verwarmen. In dit voorbeeld is daarom rekening gehouden met de kosten van een vloerverwarming wanneer deze 40% van de benodigde capaciteit levert.
**	Exclusief vloerafwerking en verwijderen bestaande vloer, inclusief isolatie, staalnetten, ondervloer en afwerkvloer
***	Radiatorenverwarming is alleen geschikt voor kleine, smalle ruimten. De invloed van het stralingsaandeel is beperkt tot ongeveer een afstand van zeven meter vanaf de radiator.
****	Uitgaande van een luchtverversing van minimaal 2, 2 keer de gebouwinhoud per uur.
*****	Exclusief vloer.

 

Kosten

De kosten voor het installeren van een vloerverwarming zijn in vergelijking met andere verwarmingssystemen over het algemeen hoog. Deze kosten worden enerzijds bepaald door de installatietechnische kosten en anderzijds de bouwkundige kosten. De installatietechnische kosten zijn wellicht het minst lastig te begroten, de bouwkundige kosten daarentegen worden sterk bepaald door de aard van het gebouw, het type vloer en de waarde daarvan, evenals door de soort ondergrond, dan wel door ondergrondse bouwkundige elementen. Bij bijzondere historische vloeren zoals een zerkenvloer of een karakteristieke tegelvloer in een monumentaal kerkgebouw moet rekening gehouden worden met aanzienlijke bouwkundige kosten.

Het opmeten, intekenen en markeren van de zerken of tegels, het vastleggen van de precieze locatie, het zorgvuldig uitnemen, herstellen, veilig transporteren en zorgvuldig opslaan en weer terugplaatsen daarvan vraagt veel tijd, en dus geld. Daarnaast zijn er de kosten van een archeologisch onderzoek, evenals van de eerder genoemde beschermingsmaatregelen voor het orgel en het kerkmeubilair.

Afwerkingen

Wanneer na het aanbrengen van een vloerverwarmingsinstallatie de oude vloer niet wordt teruggeplaatst zijn er verschillende soorten vloerafwerkingen mogelijk. Steenachtige materialen als plavuizen of natuurstenen tegels zijn zeer geschikt, mits een geschikte lijmsoort wordt gebruikt. Ook een katoenen-, wollen- of nylonvloerbedekking, mits geschikt voor vloerverwarming, komt in aanmerking. De foam- of juterug hiervan mag niet dikker zijn dan 3 mm en de totale dikte niet meer dan 10 mm. Hoogpolig tapijt is uit oogpunt van hygiëne af te raden. Overigens zal door de hogere temperatuur de vloerbedekking een lage relatieve luchtvochtigheid hebben, hetgeen een ongunstige factor is voor (huisstof)mijten of andere organismen.

Ook bij parket zijn er beperkingen: zachte houtsoorten zijn in principe niet toepasbaar. Laminaatparket kan alleen worden toegepast als de vloerverwarming als basisverwarming dient. Dit moet, conform de instructies van de leverancier, direct op de ondergrond worden gelijmd en mag niet dikker zijn dan 10 mm.

Bij het berekenen van de benodigde capaciteit van de aan te brengen vloerverwarmingsinstallatie is het essentieel daarbij ook de vloerafwerking- en/of bedekking te betrekken. Hierbij is het belangrijk om te weten dat een hogere warmteweerstand van de vloerafwerking tot een meer gelijkmatige vloeroppervlaktetemperatuur leidt. Hoewel comfortverhogend betekent dit wel dat voor eenzelfde afgegeven vermogen een hogere watertemperatuur nodig is en dat de installatie dus meer energie zal verbruiken. ISSO-publicatie 49 stelt dat deze warmteweerstand van een vloerafwerking in het algemeen niet hoger mag zijn dan 0, 15 m2K/W.

Binnenklimaat

Zoals vermeld wordt vloerverwarming met succes toegepast in moderne, goed geïsoleerde woningen. Doorslaggevend hierbij zijn de grote mate van thermisch comfort door de gemiddeld hoge stralingstemperatuur, de hoge (voet)contacttemperatuur - zelfs bij stenen vloeren - en de kleine thermische stratificatie. Daardoor wordt al snel een thermisch binnenklimaat gerealiseerd waarbij personen zich behaaglijk voelen.

In kleine(re) monumentale gebouwen kan in sommige gevallen vloerverwarming eveneens succesvol worden toegepast zonder de aanwezige monumentale waarden geweld aan te doen. In de praktijk blijkt de toepassing van vloerverwarming in grotere monumentale gebouwen echter meer problematisch. In tegenstelling tot moderne gebouwen is de bouwkundige schil in deze categorie gebouwen eigenlijk nooit geïsoleerd.

Bovendien zijn monumentale ruimtes doorgaans beduidend hoger en is het vloeroppervlak relatief klein in vergelijking tot de totale oppervlakte van de wanden, het plafond of de gewelven. Hierdoor is het lastig een aangenaam thermisch binnenklimaat te realiseren. Immers de gemiddelde stralingstemperatuur zal laag zijn door de niet of matig geïsoleerde ramen, evenals door de niet of matig geïsoleerde wanden met de grote thermische massa. Bovendien zijn er de onvermijdelijke thermisch gedreven luchtstromingen.

Luchtstromingen

De luchtstromingen door een vloerverwarming in kleine en grote ruimten zijn sterk verschillend. In kleine ruimten, mits goed geïsoleerd, kan met vloerverwarming zonder problemen een thermisch comfort wordt bereikt. De gemiddelde stralingstemperatuur en de gemiddelde luchttemperatuur liggen daar binnen een voor de mens comfortabel gebied. Enkel bij de ramen is enig discomfort te verwachten door stralingsasymmetrie en eventueel koudeval.

Bij grote ruimtes is de verhouding tussen vloer- en wandoppervlak groot. Hierdoor zal om enig comfort te kunnen bereiken de vloertemperatuur zo hoog mogelijk worden gemaakt. Dit kan leiden tot grote thermisch gedreven stromingen, immers bij een vergroting van het verschil tussen vloer- en luchttemperatuur zal de luchtsnelheid toenemen. Door koudeval worden de luchtstromingen bovendien nog eens versterkt. Het resultaat van dit alles is dat het tegenovergesteld effect wordt bereikt: een verhoging van de vloertemperatuur leidt tot een verlaging van het thermisch comfort, al dan niet door tocht.

Tocht en koudeval

Tocht wordt volgens NEN-EN-ISO 7730 als probleem beschouwd wanneer de zogenaamde draught rate (dr) hoger is dan 15%. De draught rate wordt bepaald volgens:

dr = (34 - θa)(va - 0, 05)0.62(0, 37 × va × Tu + 3, 14)

Met:
dr	: draught rate: percentage ontevreden personen door tocht	[%]
θa	: (gemiddelde) luchttemperatuur	[°C]
va	: gemiddelde luchtsnelheid	[m/s]
Tu	: turbulentie intensiteit	[%]

 

Tochthinder wordt in belangrijke mate beïnvloed door het type verwarmingssysteem en de plaats van het verwarmingselement ten opzichte van de vensters. Andere factoren die een rol spelen zijn de luchtdichtheid van het gebouw en de warmtedoorgangscoëfficiënt (U-waarde) van de gebouwschil, met name die van het beglazingssysteem. De optredende luchtsnelheden bij vloer- en radiatorenverwarming zijn vergelijkbaar. De turbulentie-intensiteit is echter verschillend. Voor vloerverwarming is deze ongeveer 20% en voor radiatoren bijna 50%.

De hoogte van een glasvlak zonder extra warmtetoevoer waarbij nog net geen tochthinder optreedt, is te bepalen uit:

 

Met:
h	: hoogte van het glasvlak	[m]
vmax	: luchtsnelheid waarbij nog net geen tochthinder optreedt	[m/s]
Uglas	: warmtedoorgangscoëfficiënt van het glasvlak	[W/m2K]

 

Vervuiling

Een geheel ander gevolg van de luchtstromingen is vuil- en stofafzetting. Een grotere luchtstroom betekent meer vuil- en stoftransport met als gevolg meer afzetting daarvan. Vuil en stof zijn overal aanwezig. Het wordt door mensen met zich meegedragen, onder meer van de straat, en wordt overal afgegeven. Verwarmingssystemen zijn tegenwoordig, in tegenstelling tot bijvoorbeeld open haarden en kolenkachels, geen bron van vervuiling meer. In katholieke kerken zijn kaarsen en wierook verreweg de grootste bron van vervuiling. In verstedelijkte gebieden en de omgeving van industriegebieden is er bovendien algemene luchtvervuiling en fijnstof.

Luchtstromingen die het vuil en stof met zich meedragen ontstaan enerzijds door natuurlijke ventilatie, en worden anderzijds, zoals reeds gesteld, veroorzaakt door temperatuurverschillen. Deze kunnen ontstaan door zoninstraling van buiten, maar verwarmingssystemen zijn de belangrijkste bron hiervoor. Dit geldt zeker ook voor luchtverwarmingsinstallaties. Deze zuigen lucht uit een ruimte aan, verwarmen deze en blazen deze vervolgens weer in. Bij onvoldoende filtering van de lucht veroorzaken deze installaties een groot vuil- en stoftransport.

Om vervuiling zo veel mogelijk te voorkomen zullen, naast bronbestrijding, daar waar mogelijk ook de luchtbewegingen beperkt moeten worden. De eenvoudigste vorm van bronbestrijding is het plaatsen van vuilroosters en goede schoonloopmatten om het vuil en stof van de straat tegen te gaan. Ook luchtbewegingen blijken te kunnen worden beperkt. Uit onderzoek is gebleken dat een wijziging in het stookgedrag hierop een positief effect kan hebben. Door het verlagen van de luchttemperatuur zal het verschil met de vloertemperatuur afnemen, en de gemiddelde luchtsnelheid dalen.

Vuil- en stofafzetting

Voor het afzetten van vuil en stof zijn verschillende mechanismen te definiëren:

-Zwaartekracht: Deeltjes in de lucht zullen als gevolg van de zwaartekracht uiteindelijk neerslaan op horizontale oppervlakken. Een luchtstroom naar boven gericht kan de zwaartekracht tegenwerken. Kleinere deeltjes zullen meestal omhoog bewegen, zwaardere deeltjes daarentegen slaan wel neer.
-Thermoforese: Wanneer tussen een oppervlak en de lucht een temperatuurgradiënt - toeneming of verval van de temperatuur - ontstaat, worden vuil- en stofdeeltjes naar dit oppervlak gevoerd. De kleine deeltjes bewegen hierbij van warm naar koud.
-Inertie: Wanneer een warme luchtstroom in de buurt komt van een kouder oppervlak, zoals een gewelf, koelt de lucht af en zal daardoor afbuigen. Zwaarder vuil en stofdeeltjes hebben echter de neiging nog een stukje verder te stijgen (eerste wet van Newton) en botsen zo tegen het gewelfoppervlak.
-Brownse beweging: Wanneer vuil- en stofdeeltjes zich in de lucht bevinden, komen zij ook zelf in botsing met deze lucht. Door de beweging die hierdoor wordt veroorzaakt kunnen deeltjes in de buurt van een oppervlak tegen dit oppervlak aanbotsen en blijven plakken.
-Diffusioforese: Wanneer tussen een oppervlak en de lucht een gradiënt in de relatieve luchtvochtigheid ontstaat, zal vocht kunnen condenseren in de poriën. Deeltjes in de lucht kunnen hierdoor in de poriën neerslaan. Wanneer het water weer verdampt blijven de deeltjes achter.
-Electroforese: Wanneer de relatieve luchtvochtigheid in een ruimte laag is (< 65%) worden de deeltjes elektrisch geladen. Wanneer ze zich in een elektrostatisch veld bevinden worden ze door het oppervlak aangetrokken en blijven hieraan vast plakken.

Ontwerprichtlijnen

Om een vloerverwarmingsinstallatie te kunnen ontwerpen waarmee een thermisch comfortabel binnenklimaat bereikt zal kunnen worden, is het belangrijk een aantal richtlijnen te hebben waaraan dit binnenklimaat moet voldoen. Hiervoor zijn verschillende tabellen met uiteenlopende data beschikbaar. In tabel 4 worden verschillende onderen bovengrenzen aangegeven waarbinnen personen zich behaaglijk voelen. Tabel 5 bevat voor diverse ruimtes de optimale en de maximale temperaturen waarop een vloerverwarming kan worden ingesteld. Tabel 6 geeft de richtlijnen voor het ontwerpen van een vloerverwarmingsinstallatie in een monumentale kerk met een kwetsbaar historisch interieur.

Thermisch comfort voor personen

Tabel 4: Richtlijnen voor het ontwerpen van thermisch comfort voor personen (bron: Kengetallen en vuistregels, 1996, pp. 15-17)

Grootheid	Symbool	Ondergrens	Bovengrens
Ontwerptemperatuur	θl
- Rustig zitten		20°C (winter)	25°C (zomer)
- Rustig lopen		18-19°C (winter)	23-24°C (zomer)
- Zittend werk		18-20°C (winter)	23-25°C (zomer)
- Middelzwaar werk		16-17°C (winter)	22-23°C (zomer)
- Zwaar werk		12-15°C (winter)	19-21°C (zomer)
Temperatuurgradiënt	Δθ
- Luchttemperatuur hoofd (1, 1 m) - voeten (0, 1 m)			3°C
- Stralingsasymmetrie hoofd-voeten			5°C
- Stralingsasymmetrie voorkant-achterkant			10°C
Oppervlaktetemperatuur	θs	19°C	26°C
Relatieve luchtvochtigheid	RHl
- Algemeen		30-40%	60-70%
- Winkel		40%	50%
- Bibliotheek		45%	55%
- Bakkerij		60%	80%
- Museum		(afhankelijk van waarde en gevoeligheid van de collectie) [Publicatie in voorbereiding]
Luchtbeweging	Va
- Winter			0, 15 m/s
- Zomer			0, 25 m/s
- In de nek			0, 15 m/s
- Papier waait weg			0, 8 m/s
Luchtverversing
- Niet roken			35 m3/h
- Roken			50 m3/h
Luchtverversing
- Winkel		6h-1	8h-1
- Bibliotheek		4h--1	5h-1
- Bakkerij

 

Tabel 5: Richtlijnen voor het ontwerpen van thermisch comfort voor personen (bron: WTH Vloerverwarming, technische handboek 2002, Dordrecht 2002, p. 9)

Functie	Optimale temperatuur	Maximale temperatuur
Voordurende beweging
- Gang	22°C	25°C
Langdurig stilstaan
- Tekenkamer	23°C	27°C
Stil zitten
- Kerk	25°C	29°C
- Woonkamer	25°C	29°C
- School	25°C	29°C
Natte ruimtes
- Badkamer	27°C	31°C
- Zwembad	27°C	31°C
Nauwelijks verblijf
- Koude stroken langs glas	29°C	34°C
- Hal	29°C	34°C
- Stal	22-29°C

 

 

Tabel 6: Richtlijnen voor het ontwerpen van een vloerverwarming in monumentale kerken met een historisch interieur en/of historisch orgel (bron: Schellen, Heating monumental churches, p. 100)

Grootheid	Symbool	Ondergrens	Bovengrens
Gebruikstemperatuur	θl, g		15°C
Basistemperatuur	θl, b	5°C	10°C
Relatieve luchtvochtigheid, gemiddeld	RHgemiddeld	45%	75%
Relatieve luchtvochtigheid, kortstondig	RHkortstondig	40%	90%
Relatieve luchtvochtigheid, jaarvariatie	ΔRHjaar		30%
Relatieve luchtvochtigheid, dagvariatie	ΔRHdag		10%
Luchtsnelheid	Va		0, 15 m/s
Oppervlaktetemperatuur, vloer	θs, vloer		25-28°C

Bepaling van de comfort- en contacttemperatuur. De comforttemperatuur kan als volgt worden bepaald:

Met:
θcomfort	: comforttemperatuur	[°C]
hstraling	: overdrachtcoëfficiënt voor straling	[W/m2K]
θ̅straling	: gemiddelde stralingtemperatuur	[°C]
hconvectie	: overdrachtcoëfficiënt voor convectie	[W/m2K]
θ̅luchttemperatuur	: gemiddelde luchttemperatuur	[°C]
a	: factor afhankelijk van de luchtsnelheil (va)	[-]

  

 

Tabel 7: Factor a als functie van de luchtsnelheid (bron: http://sts.bwk.tue.nl/7S005/presentaties/.%5Ccollego_warmte_3.ppt.12 augustus 2008)

Luchtsnelheid va	< 0, 2 m/s	0.2-0.6	gt; 0.6
Factor a	0.5	0.6	0.7

De mens voelt zich behaaglijk binnen de volgende grenzen voor luchttemperatuur, stralingstemperatuur en comforttemperatuur:

-	19°C < θa < 23°C;
-	16°C < θmrt < 25°C;
-	19°C < θcomfort < 23°C;

 

Wanneer een lichaamsdeel met een object in contact komt, ontstaat ter plaatse van het contactpunt een temperatuur die we contacttemperatuur noemen. Met behulp van onderstaande berekening kan de contacttemperatuur worden bepaald en worden vastgesteld of een oppervlak koud of warm aanvoelt:

Waarin:

θcontact	: contacttemperatuur	[°C]
b1	: contactcoëfficiënt van materiaal 1	[J/m2Ks0.5]
θ1	: temperatuur van materiaal 1	[°C]
λ1	: warmtegeleidingscoëfficiënt van materiaal 1	[W/mK]
c1	: soortelijke warmtecapaciteit van materiaal 2	[J/kgK]
ρ1	: soortelijke massa van materiaal 1	[kg/m3]
b2	: contactcoëfficiënt van materiaal 2	[J/m2Ks0.5]
θ2	: temperatuur van materiaal 2	[°C]
λ2	: warmtegeleidingscoëfficiënt van materiaal 2	[W/mK]
c2	: soortelijke warmtecapaciteit van materiaal 2	[J/kgK]
ρ2	: soortelijke massa van materiaal 2	[kg/m3]

 

Bouwfysica

Het aanbrengen van een vloerverwarming zorgt voor een aantal belangrijke veranderingen in de warmte- en vochthuishouding van de betreffende ruimte. Hierboven is al ingegaan op het hoofddoel van vloerverwarming: het verhogen van de gemiddelde lucht- en stralingstemperatuur. Onvermijdelijk zal in relatie hiermee ook de relatieve luchtvochtigheid veranderen. Daarnaast heeft het aanbrengen van een vloerverwarming ook invloed op de warmte- en vochthuishouding van de bouwkundige schil. De belangrijkste veranderingen betreffen enerzijds de afsluiting van de oude vochtdoorlatende vloer, en anderzijds de continue warmteafgifte die geïntroduceerd wordt.

Afsluiting van de vloer

Door de wijze waarop een vloerverwarmingssysteem is opgebouwd, wordt de vochtdoorlatendheid van de vloer sterk beperkt. Vroeger waren de vloeren relatief open, waardoor water uit het grondpakket eronder vrijelijk kon verdampen.

Tegenwoordig echter zijn de vloeren relatief dicht, zeker wanneer door het aanleggen van een vloerverwarming isolatiemateriaal en folies worden ingebracht. Vocht dat voorheen door de naden tussen de stenen, dan wel door de stenen zelf kon verdampen, wordt nu tegengehouden. Dit vocht zal nu via andere gebouwonderdelen, met name de muren en kolommen, verdampen en daardoor zoveel mogelijk het natuurlijke vochtevenwicht van de binnenlucht proberen te herstellen. Op zichzelf is dit niet problematisch, maar wanneer onderweg zouten in het water worden opgelost zullen deze door het water worden getransporteerd. Omdat het water aan het oppervlak, of erger nog, achter het oppervlak verdampt, zullen de zouten uitkristalliseren. Doordat zij daarbij in volume toenemen, zullen zij spanningen en op den duur vervolgschade veroorzaken. Hierdoor kunnen waardevolle pleisterlagen, beschilderingen of betegelingen beschadigd en kapot gedrukt worden. Dit effect wordt versterkt wanneer er een aanvullend verwarmingssysteem aanwezig is. Het muurvlak bij dat verwarmingselement zal te maken hebben met een hogere temperatuur en versterkte luchtstroming langs het oppervlak, met als gevolg een snelle droging.

Continue warmteafgifte: verhoogde lucht- en stralingstemperatuur

Door de thermische massa van de nieuwe betonnen vloer, al dan niet voorzien van een steenachtige vloerafwerking aan de bovenzijde, is deze vloervloerverwarming moeilijk regelbaar. In de praktijk zal een vloerverwarming daarom al snel continu gestookt worden. Dit heeft als gevolg dat de gemiddelde luchttemperatuur en de gemiddelde stralingstemperatuur stijgen.

Wanneer de luchttemperatuur in een ruimte stijgt, daalt de relatieve luchtvochtigheid bij een gelijkblijvende absolute luchtvochtigheid. Dit heeft tot gevolg dat hygroscopische materialen, zoals hout en baksteen, vocht gaan afstaan om het natuurlijke evenwicht te herstellen. De afgifte van vocht gaat, bij organische materialen, gepaard met krimpen (en bij vochtopname met zwellen). Hierdoor kunnen spanningen ontstaan, die wanneer deze te groot worden - groter dan de maximaal opneembare spanning - scheuren zullen veroorzaken.

Cultuurhistorisch waardevolle materialen, afwerkingen, voorwerpen en constructies kunnen hierdoor ernstige schade ondervinden. Hierbij moet met name gedacht worden aan lambriseringen, goudleren en andere behangsels, en in kerken met name aan houten tongewelven, historisch kerkmeubilair, retabels, en onderdelen van historische orgels, zoals windladen en houten orgelpijpen.

Het verhogen van de gemiddelde stralingstemperatuur heeft als voordeel dat oppervlakten warmer worden. Daardoor wordt de thermische behaaglijkheid groter. Bovendien zal op deze warmere oppervlakken de waterdamp uit de lucht minder snel condenseren. Ook de relatieve luchtvochtigheid in de directe omgeving van dit oppervlak zal hierdoor wat lager worden, met als gevolg dat de kans op schimmelvorming afneemt.  

Is de stralingsbelasting echter te hoog, dan kan ongewenst uitdrogen het gevolg zijn. Infrarode straling wordt, wanneer het een oppervlak treft, omgezet in warmte waardoor de oppervlaktetemperatuur zal stijgen. Het materiaal zal vervolgens vocht gaan afgeven met alle gevolgen van dien, zoals hierboven beschreven.

Samenvattend: de voor- en nadelen van vloerverwarming

Een vloerverwarmingsinstallatie heeft diverse voordelen, zeker in moderne goed geïsoleerde gebouwen. In die gevallen wegen de voordelen zeker op ten opzichte van de nadelen. In monumentale gebouwen met grote historische en cultuurhistorische waarden is de situatie anders, zeker in gebouwen met grote hoge ruimtes, zoals kerken. Samenvattend hierbij een overzicht van de voor- en nadelen van een vloerverwarmingssysteem:

Voordelen

-Geen verwarmingslichamen, zoals radiatoren, in het zicht
-Minder luchtbeweging (bij kleine(re) ruimten) en daarmee minder stofverplaatsing en minder huisstofmijt
-Grote verwarmde vlakken, waardoor koudestraling wordt beperkt en een gelijkmatige ruimtetemperatuur wordt bereikt in zowel het horizontale als het verticale vlak
-Ontwerptemperatuur kan ongeveer 2°C lager worden gekozen
-Mogelijkheid tot ruimtekoeling
-Kwalitatief hoogwaardig systeem dat geschikt is voor warmtebronnen met lage aanvoertemperaturen en voor het gebruik van restwarmte
-Vooral voor het thermisch comfort is het een aangenaam systeem

Nadelen

-Relatief hoge installatie- en bouwkundige kosten
-Geen veranderingen in een later stadium mogelijk
-Grote traagheid en daardoor moeilijk regelbaar
-In grote hoge ruimten grote kans op tochtverschijnselen
-Vloeren moeten worden opgebroken, en nadien worden hersteld met alle gevolgen van dien
-Het onderliggende bodemarchief wordt aangetast
-Versterkend effect op vervuiling van historische (gewelf)schilderingen, orgel, sculpturen etc.
-Verhoogd risico op zouttransport en –uitbloei
-Uitdroging van houten onderdelen, zoals betimmeringen, historisch (kerk-)meubilair en orgels
-Grote consequenties bij het veranderen van het systeem op een later moment (indien überhaupt mogelijk)

De zes laatste punten wegen vanuit het oogpunt van monumentenzorg zwaar. De cultuurhistorische waarden worden zwaar op de proef gesteld door de directe fysieke aantasting (vloer, bodemarchief, enorme consequenties bij veranderingen in de toekomst) evenals door de indirecte fysieke aantasting (zoutuitbloei, vervuiling, verandering vochthuishouding).

Het besluiten tot het aanbrengen van een vloerverwarming vergt dan ook een zorgvuldige afweging. Onderstaand stroomschema is hierbij een belangrijk hulpmiddel.

Afbeeldingen: 1) Historisch bodemarchief bestaande uit tientallen kleine grafkeldertjes afgedekt met een natuurstenen grafzerk, dergelijk bodemarchief kan, bij toepassing van een vloerverwarming moeilijk bewaard blijven, 2) Hypocaustenverwarming 1: hypocaustum, 2: vloer, 3: vuurruimte met stookplaats, 4: rookkanalen, 5: stenen kolommen), 3) Schematische weergave van het leidingnet in meanderpatroon, 4) Schematische weergave van het vochttransport in een gemoderniseerd gebouw met een vocht-afsluitende ondervloer: vocht kan niet meer vrij verdampen en zoekt, om het natuurlijk evenwicht te herstellen, andere wegen die daardoor zwaarder belast worden  

http://dbnl.org/tekst/kold006over01_01/kold006over01_01_0023.php