Wat houdt de gelaagdheid of stratificatie van een boiler in en waarom is dat?

In een boiler zit warm water van een bepaalde temperatuur, althans dat is wat je denkt. Maar in werkelijkheid is de temperatuur van het water in de boiler niet overal gelijk. Onderin is het kouder en bovenin is het water het warmst.

Die overgang van koud(er) water naar warm(er) water is niet geleidelijk, maar is vrij scherp. Die scheiding van lagen koud en warm water wordt de gelaagdheid in een boiler genoemd en daar moeten we héél blij mee zijn.

Geen gelaagdheid?

Stel dat er geen gelaagdheid zou bestaan in de boiler, en het boilerwater heeft een temperatuur van bijvoorbeeld 50°C en je draait de warme kraan in de douche open. Op dat moment vloeit water van 50 graden uit de boiler. Maar de boiler is een gesloten circuit, je kan hem niet als een soort plantengieter of regenton leeg tappen en hem daarna weer vullen.

Op het moment dat er warm water uit de boiler stroomt, stroomt er meteen ook koud water (uit de koudwaterleiding) de boiler in.

Het warme water wordt aan de bovenzijde van de boiler getapt, het koude water stroomt aan de onderzijde de boiler in.

Stel dat de boiler 100 liter water bevat en die was eerst 50 graden Celsius, en je tapt er 50 liter warm water uit. En laten we aannemen dat het koude water een temperatuur heeft van 10°C. Dan zou, als er geen gelaagdheid zou bestaan, de boiler 100 liter water bevatten met een temperatuur van (50+10)/2=30 graden.

Dat zou betekenen dat de eerste liter warm water een temperatuur heeft van 50°C maar terwijl het water uit de boiler getapt wordt zal de temperatuur langzaam dalen van 50 naar 30 graden Celsius. En dat terwijl je maar de helft van de inhoud van de boiler hebt gebruikt.

En douchen onder een straal van 30°C vinden de meeste mensen niet fijn.

Wat we hiervoor beschreven komt niet overeen met de werkelijkheid. Wanneer het koude water de boiler instroomt wordt dit juist niet vermengd met het hete water in de boiler. Verre van dat, en daar moeten we maar wat blij mee zijn.

Gelukkig gelaagdheid!

Wanneer je water uit de boiler tapt zal koud water de boiler in stromen. Maar dat koude water mengt zich niet goed met het warme water.

De oorzaak daarvan is een natuurkundig verschijnsel. Koud water is "zwaarder" (heeft een hoger soortelijk gewicht) dan warm water. Warm water stijgt, koud water daalt.

Mogelijk heb je wel eens in een natuurbad of meer gezwommen. Daarbij heb je wellicht gemerkt dat de bovenste laag van het water relatief warm is als je zwemt, maar als je stil hangt in het water, met je voeten naar beneden, dat bij je voeten het water koud aanvoelt, dit merk je vooral als je ver van de kant bent, dus waar het water flink diep is.

In dat meer is ook sprake van stratificatie of gelaagdheid van water. Het water dat door de zon verwarmd is zal bovenin blijven omdat het lichter is dan koud water. En het koude water, dat zwaarder is dan warm(er) water blijft onderin. Die scheiding tussen warm en koud is, als er weinig stroming is, door zwemmers, vaartuigen of wind is relatief scherp.

Die scheiding van koud en warm water vindt ook plaats in een boiler. De koudwaterinlaat van de boiler heeft men niet voor niets onderin aangebracht, want als je deze ergens bovenin zou aanbrengen dan zou het koude water zich sterk mengen met het warme water en krijg je snel lauw water uit je boiler (omdat de gelaagdheid verstoort wordt).

Je kan het weliswaar niet zien, maar wel meten met temperatuursensoren in de boiler, maar het water in een boiler is normaal gesproken behoorlijk scherp gelaagd. Als je een boiler hebt van 100 liter van 50°C, en je zou het warme water langzaam onttrekken uit de boiler (om turbulenties van het instromende koude water te beperken) dan kan je wellicht wel 70 liter water uit de boiler halen waarbij de temperatuur nagenoeg 50°C blijft en gedurende het tappen maar heel langzaam daalt.

Terwijl je het warme water uit de boiler tapt zal de scheiding tussen het koude en warme water in de boiler zich langzaam naar boven verplaatsten (en de scheiding zal iets diffuser worden). Pas nadat je het grootste deel van de inhoud van de boiler hebt getapt zal je merken dat de temperatuur daalt en dan is die overgang tussen warm en koud water bovenin beland en daalt de temperatuur van het water steeds sneller

Hoe scherp die scheiding is, is afhankelijk van de turbulentie in de boiler. Zou je geen water tappen dan is die scherp. Zodra je water tapt zal er enige turbulentie ontstaan vanwege het instromende koude water, daardoor zal de scheiding tussen koud en water diffuser worden. Zodra je stopt met tappen van warm water zal de diffuse overgang tussen koud en warm water zich langzaam herstellen.

Een regendouche zal de gelaagdheid dus sneller verstoren, en de bruikbare inhoud van de boiler verlagen, terwijl een spaardouche de gelaagdheid beter in stand houdt en de bruikbare inhoud van de boiler hoger zal zijn.

Het voordeel van een goede gelaagdheid is dus dat je relatief veel warm water uit de boiler kan tappen voordat het water kouder wordt.

Zou deze gelaagdheid niet bestaan dan zou je een veel grotere boiler nodig hebben en/of deze op een veel hogere temperatuur moeten brengen wil je dezelfde hoeveelheid water van een bepaalde temperatuur kunnen tappen, in vergelijking met de boilers zo die volgens de natuurwetten zich gedragen.

Verstoring van gelaagdheid

Niet alleen wordt tijdens het tappen van warm water de gelaagdheid verstoord, maar vindt dit vooral plaats tijdens het opwarmen van de boiler. Tijdens de opwarmfase van de boiler wordt immers koud(er) water verwarmd. En wat doet dat warme water? Dat stijgt. Dus ontstaan stromingen van warm water naar boven en daardoor zal de gelaagdheid flink verstoord worden.

Die verstoring vindt zéér sterk plaats als gebruik wordt gemaakt van een elektrisch verwarmingselement die zich vrijwel onderin de boiler bevindt.

Zo'n verwarmingselement is aangebracht voor een zogenaamde anti-legionellacyclus. Daarbij wordt de boiler tot minimaal 60°C opgewarmd. Wanneer het water voor een aantal minuten 60°C of warmer is, zullen eventueel aanwezige legionella bacteriën sterven.

Dat elektrisch element is expres zo laag mogelijk in de boiler aangebracht en zorgt er voor, mede door de turbulenties die het element veroorzaakt, dat vrijwel de gehele boiler een temperatuur krijgt van 60°C.

Zou zich in een boiler nog 40% warm douche water bevinden en de rest is koud, en de anti-legionella cyclus zou gestart worden, dan zal bovenin een sterke menging plaatsvinden waardoor eerst bovenin de boiler de temperatuur daalt en later (maar dat duurt een tijd) zal deze pas weer stijgen.

Gelaagdheid en de positie van de temperatuursensor in de boiler

In een boiler bevindt zich een temperatuursensor die de temperatuur meet van het boilerwater en op basis van die waarde wordt besloten om de boiler opnieuw op te warmen.

De positie van die temperatuursensor heeft grote gevolgen. Wat die gevolgen zijn, daar gaan we in dit artikel nader op in.