Thermisch Actief Beton: duurzaam comfort en energie-efficiënt

Tekst: ing. Frank de Groot

Massieve vloer waarin de leidingen voor elektra, ventilatie, sanitair, waterleiding en verwarming/koeling (betonkernactivering) zijn ingestort. Foto: Olbecon.

Thermisch Actief Beton (ook wel afgekort tot TAB) maakt gebruik van het accumulerende vermogen van beton. In een betonconstructie worden watervoerende leidingen geïntegreerd die zijn aangesloten op een klimaatinstallatie. Hierdoor kan beton worden opgewarmd of gekoeld. De temperatuur van het water wordt maar enkele graden hoger of lager ingesteld dan de gewenste binnentemperatuur. Door de kleine temperatuurverschillen ontstaat een geleidelijke uitwisseling van energie tussen het beton en de binnenruimte. Daardoor hoeft het systeem continu maar een beetje te worden aangepast. De warmte-uitwisseling vindt voor een groot deel plaats door straling. Het resultaat is een zeer stabiel en zelfregelend binnenklimaat met minimale temperatuurschommelingen, zonder vervelende bijverschijnselen als tocht, geluid of droge lucht.

Zelfregelend effect

Een belangrijk voordeel van TAB is het zogeheten zelfregelend effect. Stel dat een betonmassa constant 22 °C is, dan:

• Wordt het binnen warmer (bijvoorbeeld 24 °C), dan neemt het beton de warmte op en werkt het als een koelelement.
• Wordt het binnen kouder (bijvoorbeeld 20 °C), dan geeft het beton warmte af en werkt het als een verwarmingselement.

Zonder complexe regeltechniek ontstaat er op deze manier een natuurlijke balans tussen de massa van een gebouw en de binnentemperatuur. Dit effect maakt TAB niet alleen comfortabel, maar ook betrouwbaar en onderhoudsarm.

Werking TAB. Beeld: Cement&BetonCentrum.

Energieneutraal en all-electric

TAB lijkt zo op het eerste gezicht op vloerverwarming, of -koeling, maar verschilt fundamenteel in werking. Bij vloerverwarming liggen de leidingen namelijk in de deklaag van de vloer, terwijl bij TAB de leidingen in de betonconstructie zelf zijn geïntegreerd. Dit betekent dat niet alleen het vloeroppervlak thermisch actief wordt, maar de volledige betonmassa. TAB combineert dus verwarming en energieopslag in één systeem, wat het aanzienlijk efficiënter maakt.

Omdat een TAB-systeem al effectief werkt met zeer kleine temperatuurverschillen, kan het optimaal samenwerken met duurzame warmtebronnen zoals warmtepompen, zonnecollectoren, oppervlaktewater of aquiferopslag (lees verderop). Verwarming op deze wijze kan plaatsvinden met watertemperaturen rond 23 °C, en koeling met 18 °C. Hierdoor is TAB bij uitstek geschikt voor energieneutrale en all-electric gebouwen, en vormt het een belangrijke schakel in de transitie naar klimaatneutraal bouwen.

TAB komt ook goed tot zijn recht in combinatie met warmte-koudeopslag (WKO) in de bodem. In een WKO-installatie wordt energie opgeslagen in watervoerende zandlagen, of zogenaamde aquifers. Een dergelijke installatie zorgt voor koel water in de zomer en warm water in de winter. In de zomer wordt namelijk koel grondwater door de leidingen in het beton gepompt. Dit water neemt warmte op uit de betonmassa en slaat die in op de bodem. In de winter gebeurt het omgekeerde: warm water uit de bodem verwarmt de betonmassa. Dankzij een dergelijke gesloten energiebalansprincipe zijn grote besparingen mogelijk.

TAB versus vloerverwarming. Beeld: Cement&BetonCentrum

Techniek achter TAB

De watervoerende leidingen (meestal zijn dit kunststof buizen) worden in lussen of spiralen in het beton opgenomen. De positie van deze leidingen bepaalt zowel de snelheid als de efficiëntie van de warmte-uitwisseling:

• Bij ruimten die vaker worden verwarmd, liggen de leidingen hoger in de vloer.
• Bij ruimten die vaker gekoeld worden, liggen de leidingen juist wat lager in de vloer.

Op deze manier wordt er optimaal gebruik gemaakt van de natuurlijke luchtstroming, waarbij warme lucht stijgt en koude lucht daalt. Soms worden aan beide zijden van de vloer leidingen geplaatst. Dan is isolatie tussen beide lagen wel noodzakelijk om zogenaamde thermische kortsluiting te voorkomen.

Ook de diameter van de leidingen en onderlinge afstand, oftewel de steek, beïnvloeden het systeem. Grotere diameters en kleinere afstanden zorgen voor een snellere warmte-uitwisseling, terwijl kleinere diameters en grotere afstanden het systeem juist trager, maar wel accumulerender maken. Bij het ontwerp zal er dus een balans gevonden moeten worden tussen de gewenste reactiesnelheid en de opslagcapaciteit.

Aandachtspunten

Thermisch Actief Beton is – afhankelijk van de positie van de leidingen – een relatief langzaam systeem. Individuele naregeling is te realiseren via een andere installatie. Bijvoorbeeld door lucht extra te verwarmen via de ventilatie. Tijdens het symposium discussieerden de sprekers over de vraag of individuele regeling echt noodzakelijk is, of dat kleine individuele verschillen kunnen worden opgevangen door kleding, of met persoonlijke attributen. Zo werd er een ziekenhuis genoemd dat bij patiënten die het iets te koud vinden, een mobiel infrarood paneel boven het bed hangt.

Prefab of in het werk?

TAB-leidingen kunnen op de bouwplaats worden aangebracht, maar ook van tevoren in een fabriek worden geïntegreerd in prefab-betonelementen, zoals kanaalplaat- of breedplaatvloeren. Voordelen van volledige prefabricage zijn een hogere maatnauwkeurigheid en minder kans op beschadiging doordat medewerkers per ongeluk over leidingen lopen. Ook is er sprake van een snellere uitvoering waardoor verschillende disciplines tijdens de diverse installaties meer gescheiden kunnen werken.

Afwijkingen in de positie van leidingen moeten tot een minimum worden beperkt. Kleine afwijkingen kunnen grote gevolgen hebben voor de thermische prestaties en voor de veiligheid bij latere boorwerkzaamheden.

Peakshaving met TBA

Tijdens het symposium kwam ook een onderzoek van dr. ir. Pieter-Jan Hoes (TU Eindhoven) aan bod. Binnen het BEHeaT-programma (Built Environment Heat Transition), onderdeel van het Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems (EIRES), wordt onderzocht hoe thermisch actieve bouwdelen kunnen worden ingezet voor peakshaving: het afvlakken van pieken in energieverbruik en -vraag.

“Peakshaving is essentieel in een energiesysteem waarin duurzame bronnen zoals zon en wind fluctuerend zijn. Door warmte op te slaan in de gebouwmassa tijdens momenten van lage netbelasting – bijvoorbeeld ’s nachts of bij overschot aan zonne-energie – en deze warmte later te gebruiken, wordt het net ontlast. Dit voorkomt piekbelasting en draagt bij aan een stabielere energievoorziening”, aldus Pieter-Jan. Hij werkt met zijn team aan multi-scale simulaties waarin de interactie tussen gebouw, gebruiker en energienet wordt gemodelleerd. Hierbij wordt niet alleen gekeken naar de fysieke eigenschappen van beton, maar ook naar gedrag van gebruikers, zoninstraling, interne warmtelasten en klimaatdata.

Voor architecten en opdrachtgevers betekent dit dat constructieve keuzes direct invloed hebben op de energieprestatie van een gebouw. Een gebouw met zware betonnen vloeren en geïntegreerde betonkernactivering (BKA) kan fungeren als een thermische buffer, mits:

• De isolatie en zonwering goed zijn afgestemd.
• Er een warmtepomp of WKO-systeem aanwezig is.
• De regeltechniek dynamisch en voorspellend is.

“Ontwerpoptimalisatie is cruciaal. Ons onderzoek maakt gebruik van multi-objectieve optimalisatie, waarbij comfort, energieverbruik en flexibiliteit worden afgewogen. Dit leidt tot ontwerpen die niet alleen energiezuinig zijn, maar ook robuust en toekomstbestendig”, aldus Pieter-Jan.

Betonkernactivering in een verdikte onderschil van een kanaalplaatvloer. Beeld: Olbecon.

Onderzoek

Binnen TU/e worden de modellen gevalideerd in living labs en pilotprojecten. Hierbij wordt samengewerkt met industriepartners en gemeenten. De focus ligt op:

• Meetcampagnes in gebouwen met betonkernactivering (BKA).
• Validatie van simulatiemodellen.
• Ontwikkeling van regelalgoritmen.
• Scenario-analyse voor netimpact.

Een voorbeeld is het TROEF-project, waar Pieter-Jan Hoes bij betrokken is. TROEF staat voor ‘Transparant Reduceren van CO₂ en Optimaliseren van Energie in een ecosysteem van Flexibiliteit’. Binnen dit project keek men naar het geheel van energiegemeenschappen die kunnen bestaan uit gebouwen, laadpalen voor EV’s en elektrische batterijen. Bij Pieter-Jan lag de focus binnen TROEF specifiek op de rol van gebouwen bij een dergelijke energiegemeenschap.

De TU Eindhoven heeft bij vier kantoren in Nederland verschillende verwarmings-strategieën toegepast en gebruikers van deze kantoren steeds gevraagd naar het ervaren thermisch comfort. Het ervaren thermisch comfort veranderde niet tijdens het veranderen van de verwarmings-strategieën. In modellen is een vergelijking gemaakt tussen thermische massa en elektrische batterijen. Binnen de grenzen van thermisch comfort werd zo efficiënt, dus zo goedkoop mogelijk, verwarmd. Dit rekening houdend met variabele prijs per kWh en eigen productie van PV panelen. Gecombineerd levert het gebruik van de thermische massa van het gebouw ongeveer evenveel capaciteit als de 200 kWh batterij in het stookseizoen voor wat betreft het verschuiven van energiebehoefte gedurende de dag.

“Peakshaving is essentieel in een energiesysteem waarin duurzame bronnen zoals zon en wind fluctuerend zijn. Door warmte op te slaan in de gebouwmassa tijdens momenten van lage netbelasting en deze warmte later te gebruiken, wordt het net ontlast”, aldus dr. ir. Pieter-Jan Hoes (TU Eindhoven). Foto: Olbecon.

Energieopslagmedium

Het werk van Pieter-Jan laat zien dat beton meer is dan een constructiemateriaal alleen: “In de energietransitie kan beton een actieve rol spelen als energieopslagmedium, mits goed ontworpen en aangestuurd. Dit vraagt om samenwerking tussen disciplines: bouwfysica, installatietechniek, energienetwerken en gebruikersgedrag.”

Voor de bouwsector biedt dit kansen:

• Lagere energiekosten door peakshaving.
• Betere benutting van duurzame opwekking.
• Verhoogd comfort zonder extra installaties.
• Toekomstbestendige gebouwen met flexibele energieprofielen.

Door de thermische massa van beton actief te benutten via betonkernactivering in nieuwbouw én via ventilatieve warmteoverdracht in bestaande bouw, kunnen gebouwen bijdragen aan een stabieler en duurzamer energiesysteem. Foto: Frank de Groot.

Conclusie

De onderzoeken van Pieter-Jan aan de TU Eindhoven tonen aan dat energieopslag in beton geen toekomstmuziek is, maar een realistische en effectieve strategie voor duurzame gebouwen. Door de thermische massa van beton actief te benutten via betonkernactivering in nieuwbouw én via ventilatieve warmteoverdracht in bestaande bouw, kunnen gebouwen bijdragen aan een stabieler en duurzamer energiesysteem.

Voor architecten, opdrachtgevers en ingenieurs betekent dit dat constructieve keuzes niet alleen esthetisch en functioneel zijn, maar ook energetisch strategisch. Zelfs zonder grote bouwkundige aanpassingen kunnen bestaande gebouwen worden geoptimaliseerd voor peakshaving, mits ventilatie en regeltechniek slim worden ingezet. Beton wordt daarmee niet alleen een bouwsteen van de energietransitie, maar ook een actieve component in het energiesysteem van morgen.