Warmtetransport door isolatielagen

Sophie stelde deze vraag op 05 maart 2024 om 22:46.

Hallo! 

Ik heb moeite met deze vraag.

Bij sommige huizen bestaat een buitenmuur uit drie onderdelen:
10 cm baksteen (0,70 W/(mK) ), 16 cm glaswol (0,040 W/(mK) ) en 10 cm
baksteen aan de binnenkant (zie figuur 1). Bij een huis is de warmtestroom via de
buitenmuren (totaal 96 m2) 0,36 kW, Buiten is het 4 graden celcius

1) Bereken de temperatuur binnen. (tip: bereken eerst het temperatuur verschil per laag)

Ik vermoed dat we hier de formule:

P= ΔT x A x λ/d

 

moeten gebruiken

als ik van elke laag dit doe:

als je de formule herleidt wordt het:
ΔT =( p x d) / (A x λ)

eerste laag:
P = 0,36kW = 360 watt
A = 96 m2
λ = 0,70 W/(mK)
d = 0,1 m

vul je dit in: 

(360 x 0,1) / (96 x 0,70) ≈ 0,26

En ik geloof dat dit bij elke laag zo moet (correct me if im wrong), maar nu vraag ik me af hoe ik uiteindelijk kom aan het eind antwoord want ik heb dan 3 verschillende temperaturen van 3 verschillende lagen.

Reacties

Jaap op 05 maart 2024 om 23:26
Dag Sophie,
• Je schrijft: '(360 x 0,1) / (96 x 0,70) ≈ 0,26'. Reken dat nog eens uit?
• Het binnenblad en het buitenblad, elk 10 cm baksteen met dezelfde warmtegeleidings-coëfficiënt, kun je samennemen:

Met dezelfde formule kun je het temperatuurverschil over de laag steenwol berekenen en vervolgens het totale temperatuurverschil over de samengestelde muur.
• Voorbeeld: stel dat het totale temperatuurverschil over de samengestelde muur 20 K is,
stel dat het buiten 4 ºC is en stel dat het binnen warmer is dan buiten.
Hoe groot is dan de temperatuur binnenshuis?
Groet, Jaap
Sophie op 06 maart 2024 om 08:33
Glaswol:
ΔT = (P x d) / (λ x A) 
P = 360 W (maar is dit niet alleen voor buiten?)
d = 0,16m
λ = 0,040 W/(mK)
A = 96 m2 (? ook alleen voor buiten)

(360 x 0,16) / (0,040 x 96)
dit komt op een heel raar groot antwoord uit

en als ik eenmaal die glaswol heb, moet ik dan dit min 1,017K doen?
Theo de Klerk op 06 maart 2024 om 09:19
Een oppervlak A is een eigenschap van de constructie en heeft niks met "alleen buiten" te maken. Overal waar je de constructie neerzet heeft het dat oppervlak.
Hetzelfde geldt voor P - de energiestroom is materiaalafhankelijk (λ) en van oppervlak (A) en de dikte (d) waar de energie doorheen stroomt. Alleen het temperatuursverschil tussen beide uiteinden of kanten bepaalt daarna hoeveel energie/seconde (watt, J/s) er stroomt. Tussen kamer en tuin maar ook tussen koelkastinterieur en keuken.
Sophie op 06 maart 2024 om 09:38

Oke dankje dus

A = 96 m2 
P = 360 watt

maar  als ik deze formule invul kom ik uit op een heel raar antwoord namelijk:

5400000 

Jaap op 06 maart 2024 om 11:26
Dag Sophie,
Jouw 5400000 is

Dat kun je inderdaad een raar antwoord noemen voor het temperatuurverschil over de laag glaswol.

Volgens je herleide formule moet je echter berekenen

Wat komt daar uit?

De warmtestroom P=360 W gaat eerst door de binnenmuur, dan door de glaswol en daarna door de buitenmuur. Het is in elke laag P=360 W. Dezelfde hoeveelheid warmte, 360 joule, moet immers door elke laag heen in een seconde.

Over elke laag bereken je een temperatuurverschil $\Delta T$.
Over de binnenmuur en de buitenmuur samen is het $\Delta T=1,071~$K.
Over de glaswol is het $\Delta T=15~$K.
Hoe groot is dan het temperatuurverschil over de drie lagen samen?
Groet, Jaap
Theo de Klerk op 06 maart 2024 om 11:33
Gebruikmakend van je formule:
ΔT =( P x d) / (A x λ)
vind je voor elk van beide muren:
ΔT = (360 x 0,10)/(96 x 0,70) = 0,53 
en voor de isolatielaag (die vooral van belang is hier)
ΔT = (360 x 0,16)/(96 x 0,040) = 15

Totale temperatuursverschil 16 ºC (wat Jaap in voorgaand antwoord ook al suggereerde).

De warmtestroom gaat door alle lagen. Immers als in een laag de stroom hoger zou zijn dan zou die laag opwarmen omdat de warmte niet doorgegeven kan worden. Wat je met isolatie probeert te bereiken is de warmtestroom zo klein mogelijk te maken. Dus geen 360 W maar 10 W of idealiter 0 W

In folders over isolerende materialen vind je dan ook vaak de U (geleiding) of R (weerstand) waarde van materialen:
P = λ/d A ΔT = U A ΔT  = 1/R  A ΔT
De waarde  (geleiding U=) λ/d of (weerstand R=) d/λ is voor een bepaalde dikte een vaste waarde. Op de bouwmarkt zie je dus waarden die horen bij de dikte van de isolatieplaten. Het isolatie effect is dan nog afhankelijk van het oppervlak (hoe groter hoe meer verlies) en het temperatuursverschil (groter verschil is groter verlies).
Bij R-waarden (d/λ) van verschillende materialen kun je die optellen net als bij stroomkringen:  Rtot = R1 + R2 + ...  en geldt hoe hoger, hoe beter.
Bij U waarden (1/R, de inverse van R, λ/d) is het geleiding. Die wil je juist zo klein mogelijk hebben. Optellen van U waarden kan net als bij parallelle schakelingen: 1/Utot = 1/U1 + 1/U2 + ...

In ons geval is R = d/λ = 0,1/0,7 = 0,14 voor steen en 4,0 voor de isolatie. De drie lagen opgeteld: R = 4,28.  Dan is ΔT = PR/A = 4,28 x 360 / 96 = 16,05
Sophie op 06 maart 2024 om 12:37
Ohhh dus eigenlijk moest je van elke laag de temperatuur berekenen met de formule en dan dat antwoord bij elkaar doen?
Theo de Klerk op 06 maart 2024 om 13:07
Ja - of (zoals bij verschillende bouwmaterialen in lagen) de totale weerstand berekenen en dan het temperatuursverschil (niet de temperatuur zoals je schrijft).
Je ziet dat de stenen muur niet zo bijster veel isolatie geeft. Veel oude huizen met enkelsteensmuur merken dat ook aan de stookkosten (je stookt vooral voor de buitenwereld). Een spouwmuur helpt al (als de lucht echt stilstaat en niet door de wind toch wordt aangestuurd) maar de spouw vullen met beter isolerend materiaal maakt een wereld van verschil (in opgave: al 15 graden).

Jouw fout zat vooral in wel de goede formule maar verkeerd uitgerekend.

Jaap op 06 maart 2024 om 13:11
Dag Sophie,
Je berekent het temperatuurverschil $\Delta T$ over elke laag met je herleide formule
en je telt de temperatuurverschillen bij elkaar op.
Met het temperatuurverschil over alle lagen samen en de gegeven buitentemperatuur bereken je de gevraagde temperatuur binnenshuis.
Groet, Jaap

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Roos heeft achtentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Roos nu over?

Antwoord: (vul een getal in)