Bereken je kledingisolatie

Het menselijk lichaam zet voedsel om in fysieke en mentale arbeid, maar ook in (rest)warmte: ongeveer 100 tot 120 watt voor een persoon in rust.

Onze kleding zorgt ervoor dat de warmte die het lichaam produceert, niet meteen verloren gaat aan de omgeving. Precies hetzelfde principe wordt toegepast bij de isolatie van een gebouw. 

In beide gevallen kan de isolatiewaarde heel precies worden berekend.

 

 Foto: winterpak van een eskimo in het Liverpool Museum.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een paar jaar geleden publiceerden we een artikel over het belang van kledingisolatie: Isolatie: eerst het lichaam, dan het huis. Daarin argumenteerden we dat isolatie van het lichaam veel efficiënter is dan isolatie van de ruimte waarin het lichaam zich bevindt. Dat verhaal was voornamelijk gebaseerd op persoonlijke ervaring, maar het energie-besparende potentieel van kleding kan ook wetenschappelijk worden berekend met behulp van de zogenaamde "clo"-standaard. Deze eenheid, die uiteraard is afgeleid van het Engelse woord "clothes", werd in 1941 geïntroduceerd en wordt vandaag algemeen gebruikt in het wetenschappelijk onderzoek naar thermisch comfort.

Eén clo komt overeen met een warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,155 m²K/W en een R-waarde van 0,88 (terwijl een R-waarde van 1 correspondeert met een clo-waarde van 1,137 clo). Het voordeel van het gebruik van de clo is dat het een makkelijk te begrijpen eenheid is: 1 clo is de kledingisolatie die nodig is om een rustende persoon (bijvoorbeeld iemand die al zittend televisie kijkt) comfortabel te houden bij een binnentemperatuur van 21 graden. Een kledingisolatie van 1 clo komt overeen met het typisch driedelig pak inclusief hemd, vest en ondergoed.

De keuze voor deze archetypische moderne mannelijke kleding is het gevolg van het feit dat de eenheid oorspronkelijk werd geïntroduceerd voor gebruik in het leger. A.C. Burton, die de clo mee bedacht, schreef in 1946:

"We found that we could explain even to a General or Admiral, without a course in physics for which he had neither the time nor patience, that his uniform had about one clo-unit of thermal insulation, his greatcoat another one clo-unit, and that together they provided him with a total of two clo-units."

Een clo-waarde op het etiket?

Elk kledingstuk heeft een precies bepaalde clo-waarde. Het zou handig zijn als die informatie op het etiket stond vermeld, wat perfect mogelijk zou zijn. Voorlopig moeten de clo-waarden van afzonderlijke kledingstukken worden gezocht in databases van onder meer de ISO en de ASHRAE, waarvoor flink moet worden betaald. Hieronder een aantal voorbeelden op basis van verschillende bronnen:

• T-shirt met korte mouwen: 0,10 clo
• Dikke trui: 0,20 - 0,40 clo
• Hemd met lange mouwen: 0,20 - 0,30 clo
• Lange broek: 0,20 - 0,35 clo
• Lang winterkleed: 0,40 clo
• Onderbroek: 0,05 clo
• Gewone sokken: 0,02 clo
• Dikke, lange sokken: 0,10 clo
• Schoenen: 0,02 - 0,04 clo
• Laarzen: 0,10 clo
• Lange onderbroek: 0,20 - 0,35 clo
• Parka: 0,70 clo
• Ook meubels kunnen de clo-waarde verhogen. Een typische bureaustoel op kantoor heeft een isolatiewaarde van ongeveere 0,15 clo.

De clo-waarden van verschillende kledingstukken kunnen eenvoudigweg worden opgeteld om de totale isolatiewaarde van iemands outfit te berekenen. Een naakt persoon heeft een kledingisolatie van nul clo.

Bereken de energiebesparing van kleding

De clo-waarde maakt het mogelijk om precies te berekenen welke kleding we moeten dragen bij een bepaalde binnentemperatuur, en andersom. Als vuistregel geldt dat een verandering van 1 graad in temperatuur een verhoging of verlaging van 0,18 clo in kledingisolatie vereist. Als de temperatuur in de woonkamer tot 16 graden daalt, dan stijgt de benodigde isolatiewaarde naar 1,9 clo. Daalt de temperatuur naar 10 graden, dan is een isolatie nodig van 3 clo.

Met deze gegevens kan eenvoudig worden gedemonstreerd hoe zelfs kleine wijzigingen in onze kleding een ingrijpend effect kunnen hebben op de verwarmingskosten en het energieverbruik. Als we zittend televisie kijken in alleen een lange broek en een T-shirt, dan daalt de totale clo-waarde van 1 naar ongeveer 0,55 clo en moet de temperatuur stijgen van 21 naar 24 graden om comfortabel te blijven. Aangezien het energieverbruik van de centrale verwarming stijgt met 7 tot 10% per graad Celsius extra binnentemperatuur, levert dat een extra energieverbruik op van 20 tot 30 procent.

Maar het werkt ook in de andere richting. Als we de originele outfit van 1 clo (een driedelig pak of een comfortabeler equivalent daarvan) aanvullen met een laag katoenen thermisch ondergoed, dan stijgt de clo-waarde naar 1,7 clo, wat het mogelijk maakt om de binnentemperatuur te verlagen naar 17 graden. Dat komt overeen met een energiebesparing van 30-40% in vergelijking met de normale outfit (een isolatiewaarde van 1 clo). In vergelijking met de outfit in T-shirt (0,55 clo) bedraagt de energiebesparing zelfs 50-70 procent.

Het is  duidelijk dat kleding een enorme invloed heeft op de capaciteit en het energieverbruik van de verwarming.

De isolatiewaarde van verschillende materialen

Het verhogen van de clo-waarde komt in essentie neer op het toevoegen van extra gewicht aan kleding. Een isolatiewaarde van 1 clo komt daarbij overeen met ongeveer drie kilogram kleding. Als we thermisch comfort willen bereiken bij een temperatuur van 13 graden (2,5 clo) dan is daar dus 7,5 kg kleding voor nodig. Ook de dikte van kleding is een handige indicatie van de isolatiewaarde: een kledinglaag van 2 centimeter komt overeen met een isolatiewaarde van ongeveer 1,6 clo. Voor een isolatiewaarde van 2,5 clo is dus ruim 3 cm kleding nodig.

Dikke en zware kleding beperkt de bewegingsvrijheid, maar gelukkig bestaan er uitzonderingen op deze regel. Ten eerste is de relatie tussen clo-waarde en dikte en gewicht van kleding ook afhankelijk van het materiaal waaruit de kleding is gemaakt. Er is op dat vlak veel vooruitgang geboekt. Het leger, de ruimtevaart en de fabrikanten van sportkledij hebben de warmte/gewicht verhouding van kleding aanzienlijk verbeterd. Deze synthetische materialen hebben clo-waarden die ongeveer het dubbele bedragen van katoenen kleding.

Verschillende wolsoorten. Bron: Wikipedia commons.

Nadeel is dat synthetische kleding bij het wassen vezels verliest die bijdragen tot de plastic-vervuiling in de oceanen. Bovendien gaat synthetische kleding snel stinken, zodat ze vaker moet worden gewassen -- dat kost ook energie. Gelukkig heeft ook wol, een natuurlijk materiaal dat deze nadelen niet kent, een isolatiewaarde die hoger is dan die van katoen. Het grote voordeel van wol is dat het slecht vuil opneemt, zodat het minder vaak moet worden gewassen.

De isolatiewaarde van thermisch ondergoed

Een tweede manier om het gewicht en de dikte van kleding te beperken, is het dragen van thermische onderkleding. Deze laag wordt onder de normale kleding gedragen en boven het ondergoed. Omdat thermische onderkleding strak om het lichaam past, heeft ze een optimale “pomp-coëfficient” -- een andere factor die het thermisch comfort van kleding bepaalt. De pomp-coëfficiënt definieert hoeveel van de door het lichaam opgewarmde lucht er ontsnapt als de persoon beweegt. Een dikke trui die los rond het lichaam hangt, laat veel warme lucht ontsnappen, zeker als er bewogen wordt. Bij thermische onderkleding is dat niet het geval. Een dunnere laag textiel volstaat dus, en dat is comfortabeler.

Omdat ze relatief dun is, kan thermische onderkleding ook in laagjes worden gedragen. Twee lagen thermische onderkleding geven een clo-waarde die meer dan het dubbele bedraagt van één laag thermische onderkleding. Volgens het "US Air Force Survival Book" heeft één laag thermische onderkleding in katoen een isolatiewaarde van 0,6 clo, terwijl de isolatiewaarde voor twee lagen niet 1,2 clo maar 1,5 clo bedraagt. Eén laag thermische onderkleding in combinatie met een winteroutfit van 1 clo maakt het mogelijk om comfortabel televisie te kijken bij 17-18 graden, terwijl twee lagen thermisch comfort geven bij slechts 12-13 graden. 

Thermische onderkleding. Bron: Ortovox.

Thermische onderkleding uit beter isolerende materialen (zoals synthetische vezels of fijne wolsoorten) heeft een clo-waarde die tot het dubbele of meer kan bedragen dan die van thermische onderkleding in katoen. Er kan dan met slechts één laag thermisch comfort worden behaald bij 12-13 graden, terwijl twee lagen het toelaten de temperatuur te doen dalen tot minder dan 4 graden. Zoals we in het artikel over thermische onderkleding uitlegden, zullen handen en voeten niet koud aanvoelen als de kerntemperatuur van het lichaam op peil blijft.

Lichaamsactiviteit

Tot slot: Alle cijfers hierboven zijn geldig voor een persoon in rust -- een metabolisme van 1 "met". Bij een hogere lichaamsactiviteit stijgt de warmteproductie van het lichaam en is minder kledingisolatie nodig. Zelfs lichte activiteiten zoals schrijven doen de benodigde clo-waarde al gevoelig afnemen. Terwijl een zittend en inactief persoon bij een binnentemperatuur van 10 graden een kledingisolatie van 2,7 - 3 clo nodig heeft, daalt dat naar slechts 1,7 clo als iemand zittend aan de computer werkt of een geanimeerde conversatie voert.

Kris De Decker

Bronnen en meer informatie:

• A Comprehensive Data Base for Estimating Clothing Insulation (pdf), E.A. McCullough. Het tweede deel van het document geeft een overzicht van de clo-waarde van verschillende kledingstukken.

• "ISO 9920 international database: Ergonomics of the thermal environment -- Estimation
  of thermal insulation and water vapour resistance of a clothing ensemble". (2007). Deze bron heeft recente informatie over de isolatiewaarde van kleding, maar kost ongeveer 200 euro.

• "Handbook on clothing: biomedical effects of military clothing and equipment systems", second edition, Ralph F. Goldman & Bernhard Kampmann, 2007.

• Human Thermal Environments: The Effects of Hot, Moderate, and Cold Environments on Human Health, Comfort, and Performance, Ken Parsons. Dit boek is een standaardwerk omtrent thermisch comfort, inclusief kleding.

• "Static and dynamic insulation values for cold weather protective clothing", Chil Soon Kim & Elizabeth A. McCullough, in "Performance of protective clothing: issues and priorities for the 21st century: seventh volume, American Society for Testing and Materials, 2000

• "Handbook of Technical Textiles", A.R. Horrocks & S.C. Anand, 2000

• "Physiology of heat regulation and the science of clothing", L.H. Newburgh, 1949

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Comments

[Geplaatst door: Renaat]

(1)

Op zich weer een erg interessant artikel, maar ik mis hier en daar toch wat.

"Bovendien gaat synthetische kleding snel stinken, zodat ze vaker moet worden gewassen -- dat kost ook energie."

Dat klopt niet voor alle synthetische kledij. Er zijn methoden (zoals het in de vezels verwerken van zilver) die dit probleem oplossen. (Of dat op termijn niet schadelijk is, daar spreek ik me niet over uit. In standaard wasmiddelen zitten echter ook vaak schadelijke stoffen.)
Sowieso is het verschil tussen diverse synthetische stoffen of zelf tussen kleding van éénzelfde materiaal maar een andere fabrikant aanzienlijk.

"Gelukkig heeft ook wol, een natuurlijk materiaal dat deze nadelen niet kent, een isolatiewaarde die hoger is dan die van katoen. Het grote voordeel van wol is dat het slecht vuil opneemt, zodat het minder vaak moet worden gewassen."

En het grote nadeel is dat diervriendelijke wol eerder zeldzaam is. De meeste wolproductie is erg dieronvriendelijke.

Raar is ook dat dons niet vernoemd wordt. Kwaliteitsdons steekt nog steeds met kop en schouders boven alle (al dan niet synthetische) alternatieven uit wat betreft gewicht/isolatie-verhouding. De synthetische alternatieven zijn wel snel aan het evolueren maar halen echt nog niet het niveau van dons.
Het grote nadeel is wel dat ook dons zelden diervriendelijk is. In tegenstelling tot wat vele fabrikanten graag willen doen uitschijnen is de meeste dons afkomstig van levend geplukte dieren, een extreem dieronvriendelijke en wrede praktijk.

[Geplaatst door: Borg Groeneveld]

(2)

Voor mij zou het interessant zijn wanneer er kledingstof bestaat die met verschillende omgevingstemperaturen en maten van activiteit om kan gaan.
Ik wissel in mijn werk vaak van stilzitten naar bewegen en draag dan vaak vesten, die ik snel kan openritsen.
Als ik alleen thuis ben, draag ik vaak twee truien voer elkaar om de verwarming niet hoger te hoeven zetten, zodat niet voor mij alleen het hele huis wordt opgewarmd.

[Geplaatst door: HansM]

(3)

Ik zou nog een factor willen noemen: leeftijd. Ik ben al meer dan veertig jaar energiebespaarder en heb al die tijd waarnemingen gedaan. Temperaturen die ik noem zijn van een thermometer, geijkt door de Bloembollen Keurings Dienst, die altijd naast de thermostaat heeft gehangen. (Uit ervaring weet ik dat de temperatuur van thermostaten in het verleden soms wel drie graden daarvan afweken). Vroeger hadden we aan een temperatuur tusen de 18 en 19 C genoeg. De laatste jaren hebben we 22.5 C nodig. En nog loop ik soms de hele dag met koude handen rond, ook al heb ik een dikke trui aan. Omdat dat soms is, vermoed ik dat de lichamelijke gesteldheid ook van invloed kan zijn.

[Geplaatst door: h. honnest]

(4)

Interessant artikel, maar behoeft naar mijn mening de nodige nuancering.

- Mensen van hetzelfde geslacht en leeftijd verschillen sterk in hun gevoel van comfort bij een bepaalde temperatuur. Wanneer ik met mijn even oude buurman buiten een pilsje drink, ril ik met mijn twee truien aan, terwijl hij zich comfortabel voelt met één t-shirt of sweater.

- Bij stijgen van de leeftijd daalt de stofwisseling in rust (basaalmetabolisme) aanmerkelijk, zoals ook blijkt uit de ondervinding van HansM (reactie 4).

- De hoeveelheid lichaamsvet draagt bij aan de kledingbehoefte.

- We verliezen niet alleen warmte door (infrarood)straling, maar ook door geleiding (vochtigheidsgraad!) en (lucht)stroming. Welke textielsoort (of combinatie van verschillende materialen) is het beste geschikt voor welke omstandigheid?

- Waar thermisch ondergoed tijdens fysieke activiteit beter isoleert dan katoen, is dat bij mij in stil zittende houding vreemd genoeg juist andersom. Iemand een verklaring?

- Meer kleding dragen (om minder te hoeven stoken) betekent dat bij het aangaan van een fysieke activiteit meteen ook meer lagen kleding moeten worden 'afgepeld'. Dat is behoorlijk onpraktisch. Een lange, goed sluitende kamerjas is wat dit betreft mogelijk nog het meest comfortabel.
Omdat gewicht een belangrijke factor speelt in het comfortabel dragen daarvan, lijkt dons hier inderdaad (Renaat, reactie 1) de beste kandidaat, al is diervriendelijk 'geoogst' dons helaas erg moeilijk (maar niet onmogelijk) verkrijgbaar.

- Een ecologische middenweg is misschien om de isolatie van meubels te verbeteren of zelfs de meubels of de onderzijde van een bureautafel te verwarmen. Misschien is er zelfs iemand die een zitmeubel kan ontwerpen dat automatisch begint te verwarmen op het moment dat je er op gaat zitten? Vooral handig op kantoor of achter de televisie lijkt me.

Er is kortom heel wat meer te zeggen over lichaamswarmte dan alleen de Clo, hoe interessant ook.

[Geplaatst door: Harry Snijders]

(5)

Interessant artikel. Wat ik mis, misschien niet op zijn plaats is, maar toch dicht tegen het onderwerp aan zit is de gewennings factor. Er wordt telkens van uit gegaan dat gekleed moet worden naar een constante temperatuur terwijl het lichaam, wetenschappelijk bewezen en uit eigen ervaring, zich aanpast. In hoeverre het lichaam flexibel is weet ik niet maar zou ik graag verder onderzoeken. Is iemand daar al verder mee?

[Geplaatst door: Friedhelm Veldhuijzen]

(6)

Ik vind dit ook zeer interessant en ook de reacties waarmee het artikel en de gedachten erachter zijn uitgebreid.

Ik persoonlijk zou graag wat meer berekeningen zien. Als ik bijvoorbeeld uitga van een warmtegeleidingscoefficient R van 0,155 m2K/W (zo uitgedrukt is dit m.i. een warmteweerstand, dit moet waarschijnlijk omgekeerd worden uitgedrukt in W/m2K. Verder een lichaamsoppervlak A van 1,9 m2 (man) en een vermogen in rust van 120 W, een omgevingstemperatuur van 21 gr en een lichaamsoppervlaktetemperatuur van 32 gr. moet het volgende sommetje kloppen:

P = A x (T1-T2) / R
120 = 1,9 x (32-21) / 0,155 = 135

Dit klopt niet (135 > 120). De vraag is waar ligt dit aan? Ik neem aan aan de temperatuur van de kleding aan de buitenkant. Die zal hoger zijn dan 21 gr. bijv 23 gr:
P = 1,9 (32-23)/0,155 = 110 W
Dit klopt al beter.

Vervolgens geeft de kleding de energie af aan de ruimte middels convectie c = 2,5 en straling c = 5 (en geleiding als je bijv. in een stoel zit). De warmtegeleidingscoefficienten 2,5 en 5 voor harde oppervlakken heb ik uit de bouwpraktijk.

P = 2,5 x 1,9 x (23-21) + 5 x 1,9 x (23-21) = 29 W

Veel minder dan die 110 W die we zoeken. Mogelijk dat de temperatuur waar naartoe wordt gestraald lager is (bijv. door glas naar buiten het heelal in). En dat de waarde van 2,5 groter is omdat kleding wappert en daardoor een grotere luchtstroom laat ontstaan langs de kleding, bijv. 5 ipv 2,5. Samen met een stralingstemperatuurverschil van ca. 9 ipv 2 graden klopt het weer enigszins:

P = 5 x 1,9 x (23-21) + 5 x 1,9 x (23-13) = 114 W

Maar ja, kloppen deze aannames, dat zou ik graag willen weten.