Ecologieforum

Discussiestuk.

Inleiding
Een (massa)kachel bouw je om je huis te verwarmen. Daarbij zoek je naar een compromis tussen schone verbranding, niet (te) vaak stoken / bijvullen, en een acceptabel binnenklimaat (binnen bepaalde temperatuurs-grenzen).

Je kachel heeft eigenschappen (traagheid, vermogen, oppervlak, kg hout per batch etc), maar het huis waar de kachel in staat heeft ook eigenschappen (isolatiewaarden, warmtecapaciteit, zoninval etc).

Dit schrijven is een zoektocht naar inzicht in het dimensioneren van een kachel n.a.v. eigenschappen van het te verwarmen huis.

Warmtevraag
Het nederlands klimaat is tamelijk wispelturig. De ene dag warm, de volgende dag koud. In onderstaande grafiek heb ik van 3 wintermaanden de temperatuur op de 15e getekend. Gewoon om een beeld van de variaties te krijgen. Je ziet dat het temperatuursverloop geen mooie regelmatige golf is.
De buitenmuur en binnenmuur van een huis hebben een behoorlijke warmte-traagheid. Dat wil zeggen dat de isolatie in de muur niet direct de temperatuur van de buitenlucht “voelt”: dat duurt een paar uur. Die traagheid verschuift de grafiek naar rechts (naar een paar uur later), en vlakt intussen een beetje af. In de onderstaande grafiek is de traagheid van 15 februari weergegeven. De verliezen door de isolatie heen gaan het huis uit, dus zijn in de schaal negatief gezet. Ons huis heeft bij die temperatuur een gemiddeld verlies van ca 1000W, dus heb ik de curve daar getekend. Bij een buitentemperatuur van 20 graden is er geen temperatuursverschil, en dus geen isolatie-verlies. Als de kachel elk moment van de dag precies evenveel vermogen het huis in stuurt als de transmissieverliezen van dat moment het huis uit gaan, dan zal de binnentemperatuur precies gelijk blijven. Maar als er een verschil is, dan gaat de temperatuur in de kamer veranderen. De snelheid waarmee het huis opwarmt/afkoelt is afhankelijk van hoe groot het verschil-vermogen is, en hoeveel warmtecapaciteit het huis heeft. Hoe grote de warmtecapaciteit van de kamer is, hoe trager een temperatuurs-verandering zal verlopen.
Een huis heeft ramen, en ook in de winter schijnt de zon. De hoeveelheid energie die er door de ramen naar binnen schijnt, verandert met de seizoenen. In deze grafiek staan de gemiddelde maandhoeveelheden voor noord- en zuidramen. (de waarde van augustus is waarschijnlijk een typefout van de grafiek-maker; de site waar dit plaatje vandaan komt was niet bepaad voutloos...) Als we deze hoeveelheid energie in de grafiek tekenen (omgerekend naar uren van de dag dat de zon schijnt, en oppervlak van de ramen) dan ziet de grafiek er als volgt uit: De zwarte lijn geeft weer hoeveel energie er gedurende de dag het huis uit gaat. Als de zon schijnt, dan warmt het huis zelfs even op zonder kachel! Overigens schijnt de zon ook op de zuidmuren, waardoor deze opwarmen en de isolatieverliezen nog kleiner worden.
Stel dat we een kachel hebben die gedurende de hele dag een vermogen van 1200W afgeeft. Een hele trage kachel, of een kachel die we continu stoken. Dit vermogen is in de grafiek weergegeven als een rode lijn bij +1200W. We berekenen een nieuwe lijn (zwart) door de groene, gele en rode bij elkaar op te tellen. Dan ziet het plaatje er zo uit: Tot een uur of 8 warmt het huis iets op/koelt iets af. Maar zodra de zon gaat schijnen, komt er behoorlijk wat energie teveel het huis in. De zon gaat vervolgens onder (dus de zwarte lijn gaat ook naar beneden) maar omdat de transmissieverliezen intussen kleiner zijn geworden komt de zwarte lijn een stuk boven 0W uit. Het huis is bezig op te warmen.
Het oppervlak tussen de zwarte lijn en de 0W-lijn (“B” in de tekening) geeft de hoeveelheid energie weer die extra in het huis is gaan zitten. (Oppervlak van deze grafiek is vermogen*tijd = energie). Je kan uitrekenen wat de warmtecapaciteit van de kamer/huis is, en daarmee de hoeveelheid opwarming.
Een kachel met veel massa is traag, en levert dus een behoorlijk constant vermogen af over de dag. Dat levert tekorten op bij het opstarten (het duurt namelijk een tijd voordat de kachel warm wordt), en levert overschotten op overdag, zeker als er veel zon-instraling is. Een voordeel van veel massa is dat je maar weinig keren de kachel aan hoeft de doen.
Als het huis veel warmtecapaciteit heeft, dan zal dat overschot aan vermogen leiden tot een kleine temperatuurs-verandering. Maar omgekeerd: als het huis weinig warmtecapaciteit heeft, dan gaat de temperatuur snel omhoog/omlaag. Samenvattend:

1. Als een huis goed geisoleerd is, stook je (gemiddeld op een dag) minder kg hout per dag dan een slecht(er) geisoleerd huis.
2. Als een huis een kleinere warmtecapaciteit heeft (bijv. houtskelet), warmt het huis sneller op bij een vermogen-overschot dan een huis met grote warmtecapaciteit (stenen huis)
3. Als een huis veel op het zuiden gerichte ramen heeft, zijn de fluctuaties in inkomend vermogen groter dan een huis met weinig zuidgerichte ramen.

Het huis waar ik een kachel voor kies is een zeer goed geisoleerd huis met veel ramen op het zuiden en met weinig warmtecapaciteit.

Stelling 1 geeft geen reden om te kiezen voor veel of weinig massa. Wel dat een kleinere vuurkern voldoet.
Stelling 2 geeft aan dat een houtskelet huis beter af is met een lichtere, snellere kachel om vermogens-overschotten klein te houden
Stelling 3 geeft aan dat een huis met veel op het zuiden gerichte ramen beter af is met een lichtere, snellere kachel om in te kunnen spelen op de grote fluctuaties in inkomend vermogen.

Binnenkort ga ik wat proberen te rekenen. Het afgevend vermogen van een bell is koffiedik kijken, maar we zullen zien waar het schip gaat stranden... Tot zover was het in elk geval een nuttige exercitie.

Super interessant!

Veel massa gecombineerd met een snelle, bij of af te schakelen convectie-unit? Met een kookplaatje; je weet niet hoe handig dit vaak is.......

De keuze voor een grote of kleine verbrandingskamer kan ook bepaald worden door de maat van het hout. Grof gekloofd stamhout vraagt om een andere maat dan de keuze voor pallethout.

Groet,
DJ

Het ziet er allemaal degelijk uit maar er valt toch een speld of zelfs iets meer tussen te krijgen. Je geeft de afgifte van de (massa) kachel weer als een rechte lijn, 1200 W. Die vlieger gaat bij een echte massakachel niet op, als de temperatuur in huis stijgt dan neemt ook het afgegeven vermogen van de kachel af.
Simpel gezegd: hoe warmer in huis, hoe langer het duurt voordat de kachel al zijn warmte kwijt is.

Het verschil in temperatuur van de warmtebron en de temperatuur van de omgeving bepaalt hoe snel de opgeslagen energie wordt afgegeven. Is dat verschil betrekkelijk klein dan gaat warmte afgifte steeds trager naarmate de omgeving temperatuur stijgt. Is er sprake van een evenwicht dan stopt afgifte helemaal.

Overigens zou ik er niet meer over prakiseren om een kachel met weinig massa te installeren, vooropgesteld dat ik de keus heb. De temperatuur fluctuaties in ons huis (een passiefhuis met grote ramen op het zuiden) zijn vergeleken met ons oude huis een stuk kleiner.

Dag Pietje,

Interessante discussie.

Is het niet net aangewezen om in jouw geval een massakachel net zo zwaar mogelijk te maken? Dan helpt die alvast mee om het gebrek aan inertie op te vangen. Dan ga je in het tussenseizoen ook minder nood hebben aan verwarming bij enkele koude dagen.

Des te groter een massakachel, des te lager de kans op oververhitting.

Het nadeel van het traag opwarmen van een massakachel is ook maar één keer op het seizoen. In mijn ogen steek je de kachel pas aan zodra die continu kan blijven branden.



Groet
Wouter

peterberg schreef: ↑10 nov 2017, 12:39 Het ziet er allemaal degelijk uit maar er valt toch een speld of zelfs iets meer tussen te krijgen. Je geeft de afgifte van de (massa) kachel weer als een rechte lijn, 1200 W. Die vlieger gaat bij een echte massakachel niet op, als de temperatuur in huis stijgt dan neemt ook het afgegeven vermogen van de kachel af.

In de tekst leg ik uit dat dat een hypothetisch geval is, enkel bedoeld om uit te leggen dat er een overschot komt als de massa van de kachel heel (oneindig) groot is. Maar los daarvan weerlegt dit niet de conclusies: het effect verzacht hoogstens de pijn enigszins.

peterberg schreef: ↑10 nov 2017, 12:39Het verschil in temperatuur van de warmtebron en de temperatuur van de omgeving bepaalt hoe snel de opgeslagen energie wordt afgegeven. Is dat verschil betrekkelijk klein dan gaat warmte afgifte steeds trager naarmate de omgeving temperatuur stijgt. Is er sprake van een evenwicht dan stopt afgifte helemaal.

De warmteafgifte is inderdaad afhankelijk van het temperatuursverschil tussen kachel en omgeving, en stopt op het moment dat het temperatuursverschil 0C is.

Wouter Gillis schreef: ↑10 nov 2017, 13:40Is het niet net aangewezen om in jouw geval een massakachel net zo zwaar mogelijk te maken? Dan helpt die alvast mee om het gebrek aan inertie op te vangen.

Nee, dat gat zeker niet helpen... Het gaat wel helpen om meer massa in de woonkamer aan te brengen. Die traagheid helpt de temperatuurschommelingen kleiner te houden. Maar meer massa in de kachel maakt voornamelijk de kachel traag, niet de kamer. En een trage kachel veroorzaakt afwijkingen in gewenste temperatuur bij schommelingen in buitentemperatuur en zon.

Ik zal nog een stapje verder gaan. We hebben 3 stellingen, en kunnen er (mbv logische deductie) een 4e aan toevoegen:
1. Als een huis goed geisoleerd is, stook je (gemiddeld op een dag) minder kg hout per dag dan een slecht(er) geisoleerd huis.
2. Als een huis een kleinere warmtecapaciteit heeft (bijv. houtskelet), warmt het huis sneller op bij een vermogen-overschot dan een huis met grote warmtecapaciteit (stenen huis)
3. Als een huis veel op het zuiden gerichte ramen heeft, zijn de fluctuaties in inkomend vermogen groter dan een huis met weinig zuidgerichte ramen.

Als een huis beter geisoleerd wordt (en de omgevingstemperatuur blijft gelijk), dan nemen de isolatieverliezen af. Als de isolatieverliezen afnemen en de zoninvloed blijft gelijk dan is de invloed van zoninval relatief groter. Dus:
4. In een huis met betere isolatie moet de massa van de kachel relatief kleiner worden om in te spelen op die invloeden.

(Je kan ook stellen dat de warmtecapaciteit van de woning vergroot moet worden. Dat lukt niet altijd even makkelijk (dikkere binnenmuren), maar het heeft ook als nadeel dat na een vakantie het warm maken van de woning nog meer tijd kost. Dat blijven natuurlijk compromissen: een snellere kachel bouwen is ook nog eens makkelijker)

peterberg schreef: ↑10 nov 2017, 12:39Overigens zou ik er niet meer over prakiseren om een kachel met weinig massa te installeren, vooropgesteld dat ik de keus heb. De temperatuur fluctuaties in ons huis (een passiefhuis met grote ramen op het zuiden) zijn vergeleken met ons oude huis een stuk kleiner.

Wellicht is de traagheid van jouw nieuwe woning een stuk groter dan de oude woning. En misschien is de invloed van zon kleiner dan ik in het plaatje getekend heb. Ik ga dit de komende weken voorzien van realistische getallen, en dan ben ik benieuwd waar het ergens uit komt. En als het me lukt dit te berekenen, dan kunnen we de gegevens van jouw woning verwerken en kijken of dat overeenkomt met wat er in de praktijk bij jou gebeurt.

Ik zou ook eens het vermogen van de zoninval proberen in te schatten, misschien is dit vanwege de dakoverstek wel niet zo'n grote factor.

Pietje schreef: ↑11 nov 2017, 00:10Wellicht is de traagheid van jouw nieuwe woning een stuk groter dan de oude woning.

Nou nee, ons oude huis had massieve bakstenen muren en ijlde 3 dagen na. Hopeloos als voor een paar koude dagen was gestookt en de zon op de derde dag vol naar binnen scheen. Ons nieuwe huis is volledig houtskeletbouw, met alleen de zwevende cement dekvloeren als massa. De massakachel is wel veel groter en trager maar desondanks of dankzij dat is de temperatuur in huis veel gelijkmatiger.

Uit je discussie stuk (en ook al andere uitspraken) maak ik op dat je liever een snelle kachel hebt omdat je vreest voor oververhitting. Persoonlijk denk ik dat zo'n ding in een uitstekend geïsoleerd huis juist voor dat soort problemen zorgt. Het vermogen van een snelle kachel is al gauw te groot waardoor je de tent uit drijft of moet gaan smoren wat geen goed idee is.

Maar doe vooral wat je vindt dat nodig is, ik ben benieuwd wat het gaat worden.

Edit1: In deze tijd van het jaar stoken we alleen in de avond, de volgende ochtend is het nog steeds behaaglijk in de huiskamer. Overdag is het over het algemeen warm genoeg door zon instraling.

Ik heb altijd begrepen dat je minimaal begint , en later naar smaak en ervaring meer massa toevoegt.

Een enkele of double skin zal ook de waarden wijzigen.
Evenals hoe je de vuurkamer plaats in de kachel.

Hier een 314 dwars(panorama) voor een goed zicht op t vuur en een groot vlammenspel , echter geeft zon grote ruit ( ong 50x35cm) wel veel hitte tijdens de stook.

In de tekst leg ik uit dat dat een hypothetisch geval is, enkel bedoeld om uit te leggen dat er een overschot komt als de massa van de kachel heel (oneindig) groot is. Maar los daarvan weerlegt dit niet de conclusies: het effect verzacht hoogstens de pijn enigszins.

Toch geloof ik dat dit juist niet waar is en dat peterberg het bij het juiste eind heeft.

Als namelijk het gewicht en oppervlakte toeneemt neemt delta T af. Bij een oneindige massa is delta T oneindig klein om 1200 W te produceren.

Ofwel: Als het in je huis 20 graden is, en je hebt een oneindige massa die 20,1 graden is, is DAT al genoeg om 1200 W te produceren, en zal het nooit warmer worden (van je kachel) dan 20,1.
Daarbij opgeteld dat je voor zonne energie bij instraling dan ook weer 1200W nodig hebt om DIE massa weer 0,1 graad te verhogen.

Dus ik ben het absoluut met peterberg eens.

Alleen de vraag is bij hoeveel massa dat is. Ik denk ook dat je beter af bent met een kleine snelle kachel, want je wil ook vlug kunnen anticiperen.

Ik zal binnenkort eens proberen om met wat cijfers te rekenen eraan, als ik zin en tijd heb...

Dankzij de weervoorspelling kan ik met mijn zware massakachel best redelijk reageren op de weersveranderingen van de komende dagen. Met mijn snelle kachel (1000 kilo) lukt dat niet heel veel beter. Jammer is dat het sowieso niet lukt om een dergelijke kachel continu op temperatuur te houden. Bij het opstaan is dat ding bijvoorbeeld gewoon koud. Dus het voorkomen van temperatuurfluctuaties gaat dan niet goed lukken.
Misschien bedoel je met een snelle kachel wel een gietijzeren kachel, daar moet je toch al naast gaan zitten en dan kan je gelijk de zon in de gaten houden.

En eigenlijk maakt je massa niet uit voor je vermogen, maar voor het uithoudingsvermogen.

De oppervlakte (i.c.m. delta T) bepaald het vermogen, de massa bepaald het uithoudingsvermogen.

Vergelijk het met een radiator. Hoe meer oppervlak, hoe meer vermogen, des te lager kan delta T om een ruimte te verwarmen.
Hoe meer inhoud van liters, hoe meer energiebuffer.

Dag Pietje,

ik zie de massakachel als een manier om meer massa aan te brengen en daardoor de thermische inertie te vergroten, onafhankelijk of de kachel nu brandt of niet. Dus ook in de zomer zorgt een erg zware kachel voor een beter binnenklimaat.
Groet
Wouter

In de zomer, als de kachel uit is, helpt het zeker om de binnentemperatuur meer stabiel te houden. Maar in de winter, als die massa aan het verwarmend deel zit, dan houdt die massa de warmte-toevoer stabiel en dat is voor een huis waarbij de zon-instraling groot is t.o.v. de isolatie-verliezen niet handig. Liever heb je die massa onverwarmd in de huiskamer (zeg maar als een niet-brandende extra kachel ) elders in de woonkamer; want dan helpt die massa de zoninval te stabiliseren.

Er komt een vervolgtekst, die dieper ingaat op de relatie tussen afmeting vuurkamer en afmetingen bell. Bijna af, en verrassend. (Wel iets technischer)

De stap die daarna komt is het afstemmen van deze twee kanten van het verhaal (aanbod kachel versus vraag huis), daar ben ik nog niet helemaal uit. Die kan dus wat langer duren, of meer in deze draad vorm krijgen.

Al mn moed bijelkaar geschraapt, mn boeken tevoorschijn getoverd en ik ben aan het rekenen gegaan...

Het viel opzich best mee, om eraan te rekenen. Had verwacht dat het moeilijker zou zijn.

Heb 2 formules gebruikt. 1 voor de convectiewarmte en 1 voor de stralingswarmte.

convectie van vast materiaal naar stilstaande lucht Q = (A * t * deltaT) / r(th)

stralingswarmte: A * epsilon * (constante van stephan boltzmann) * (T1^4 - T2^4)

Q is in joule per sec
A is oppervlak in m2
t is tijd per sec
delta T in graden
r(th) in W/m.K

A oppervlak per m2
epsilon is constante van stralingsbron
constante steph boltz = 0,0000000567
T1 T2 tot de macht 4 = temperatuur in KELVIN

Gerekend met een kamertemp van 20 graden Celsius, en een tempverschil van 1 graden.
De r(th) van een vast medium naar stilstaande lucht alfa is 5 W/m2.K. r = 1/alfa

Q = (A * t * deltaT) / r(th) = (1 * 1 * 1) / (1/5) = 5 Watt convectie per m2 per sec

stralingswarmte: A * epsilon * (constante van stephan boltzmann) * (T1^4 - T2^4) = 1 * 0,95 * 0,0000000567 * (294^4 - 293^4) = 5,5 Watt per m2 per sec

Dat is 10,5 Watt per m2 massakachel met deltaT van 1 graad. Dus bij 1200W moet je een massakachel hebben van 1200/10,5 = 114 m2

Lijkt me niet echt realistisch.

Nu realistisch. Ik weet niet wat een realistische temperatuur is voor een massakachel, maar ik ga even uit van 40 graden Celsius.

Kom je uit op convectiewarmte van 100 Watt en stralingswarmte van 120 Watt (verloopt niet evenredig met de convectie, maar exponentieel!)

Dus 220 W per m2. 1200 / 220 is 5,45 m2

Lijkt me niet onrealistisch. Massakachel experts kunnen misschien hun mening erover geven. Dus een massakachel met oppervlak van 5,45 m2 bij temperatuur van 40 graden C en een kamertemp van 20 graden, levert 1200 Watt.

Nu gaan we de speld berekenen.

Stel de kamertemp rijst met 1 graden naar 21. Wat levert de kachel dan nog aan energie.

Het antwoord:

95W m2 aan convectie = 95 x 5,45 = 517,75 Watt
115W m2 aan straling = 115 x 5,45 = 626,75 Watt

Is bijelkaar opgeteld 1144,5 Watt. De speld is dus 1200 - 1144,5 = 55,5 Watt

Wat ik natuurlijk niet meereken is dat het verlies naar buiten toe natuurlijk veel zwaarder meetelt. Als het huis met 1 graad opwarmt, neemt het verlies naar buiten misschien wel met 500 Watt toe.

Maarja... Dus het is idd een speld (lijkt me)
Als ik een fout heb gemaakt in mijn berekeningen hoor ik het graag, want ik werk nooit met deze formules of misschien is dit niet genoeg en zijn er nog veel meer factoren oid.

Wel grappig: Voordat ik dit gepubliceerd heb, heb ik eerst even mijn eigen watergekoelde efel harmony aan deze berekeningen onderworpen.
Ik wil hier natuurlijk niet met hele rare cijfers voor de dag komen

De uitkomst:

De oppervlakte van mijn kachel inclusief schoorsteen in de kamer is 2,74 m2
Mijn schoorsteen is rond de 150 graden
Mijn kachelbovenkant en zijkanten rond de 60 graden
Mijn onderkant rond de 40 graden
Mijn voorkant inclusief ruit rond de 200 graden

Alles erdoorheen gegooid: 1.37 kW convectie 2,43 kW stralingswarmte

Dus ik kom op 3,8 kW naar de ruimte. Terwijl ik altijd al gedacht heb dat mijn kachel rond de 4 kW naar de ruimte zou zijn!

Maarja, wel grappig

Ik hoop dat anderen er misschien ook nog wat aan hebben! Best leuk om even uit te rekenen!