Thermische Betonkern Activering Handboek TBA

Transcriptie

1 Uw comfort, onze missie! WTH Vloerverwarming is de toonaangevende leverancier van vloer- en wandsystemen voor verwarmen en koelen. Al meer dan 30 jaar ontwikkelt, produceert en verkoopt WTH met succes kwalitatief hoogwaardige systemen die een bijdrage leveren aan een laag energieverbruik en een optimaal comfort. Zowel in bedrijfsgebouwen als in de woningbouw. Thermische Betonkern Activering Handboek TBA Alles in één hand Doe uw voordeel met dé marktleider in vloerverwarming en -koeling. Met WTH heeft u immers het hele proces in één hand. Ontwerp, calculaties, engineering, projectmanagement en montage; WTH beheerst het gehele traject. Maar WTH biedt u nog meer! Uw vragen zijn voor ons de ultieme uitdaging. En voor extra ondersteuning of servicecontracten kunt u altijd terecht bij onze serviceafdeling. Kenniscentrum voor verwarmen en koelen Kennis is voor WTH een onmisbaar middel om u beter van dienst te zijn. Onze ingenieurs werken dan ook dagelijks aan de nieuwste ontwikkelingen. Al onze medewerkers delen hun uitgebreide kennis en ervaring graag met u. Bijvoorbeeld op onze informatiedagen waar adviseurs, architecten en installateurs kennis kunnen maken met onze innovaties en praktijkervaringen. Vanaf de start van het project tot aan het gebruik van het systeem; uw comfort, onze missie! Uw comfort, onze missie! WTH Vloerverwarming B.V. Mijlweg 75 Postbus AL Dordrecht Telefoon : (078) Telefax : (078) Mail : info@wth.nl Web : WTH vloerverwarmingssysteem heeft KOMO/KIWA keur onder nr. K11399/01 en nr. K11400/01 ZD 725

2 Uiteraard streven wij perfectie na, maar natuurlijk kan het voorkomen dat er toch nog onvolkomenheden in dit handboek staan. Wij kunnen niet aansprakelijk gesteld worden voor eventuele fouten in de tekst en illustraties. Wij staan open voor kritiek, tips en adviezen, dus mocht u iets tegengekomen zijn wat u met ons wilt delen, dan houden wij ons graag aanbevolen. Voor de recentste uitgaven van de onderwerpen uit dit handboek verwijzen wij u naar onze website, Daar treft u tevens onze documentatie digitaal aan.

3 Inhoudsopgave Inhoudsopgave 1 2 Van vloerverwarming tot Thermische Betonkern Activering Algemeen blz. 7 Vloer- en wandverwarming blz. 7 Koelen en verwarmen van het gebouw blz. 8 Koelen blz. 8 Comfort blz. 8 Thermische Betonkern Activering (TBA) Principe van TBA blz. 9 Toepassingsgebied blz. 10 Voor- en nadelen t.o.v. traditionele klimaatsystemen in gebouwen blz. 10 Ideaal systeem blz. 11 Thermofysiologisch model van Fanger blz. 20 Bepaling van het percentage ontevredenen blz. 20 Temperatuuroverschrijdingsberekening blz. 21 Invloed vertrekmassa blz. 22 Bepaling weegfactor/weegurencriterium blz. 22 Criteria blz. 23 Tocht veroorzaakt door te hoge luchtsnelheden/luchtturbulenties blz. 24 Te grote verticale temperatuurgradiënt blz. 24 Contacttemperatuur van de vloer te hoog of te laag blz. 24 Te grote stralingsassymmetrie blz. 24 Temperatuurfluctuaties blz. 25 Relatieve vochtigheid blz. 25 Samenvatting blz. 25 De leefzone blz. 26 Minimale ventilatie blz. 26 Gewogen temperatuur overschrijding (GTO) blz Werking van TBA Mediumtemperaturen bij verwarmen en koelen blz. 12 Zelfregelend effect blz. 12 Koeling via het plafond blz. 13 Verwarming blz. 14 Koeling blz. 14 Accumulatie of warmteopslagcapaciteit blz. 15 Capaciteit blz. 16 Regeling van TBA Algemeen blz. 16 Verschillende regelingen in relatie tot comfort blz. 17 Dauwpunt blz. 18 Combinatie van installaties & Energie Combinatie van installaties en voorbeeldschema blz. 29 Energie blz. 29 Ontwerp Binnentemperatuur blz. 30 Operatieve temperatuur blz. 31 Resulterende temperatuur blz. 32 Dauwpunt blz. 33 Voorbeeld capaciteitsberekening blz. 33 Bouwkundige aspecten en montagehandleiding Behaaglijkheid van het systeem Thermische behaaglijkheidstheorie blz. 19 Inleiding blz. 19 Beoordeling van het thermisch binnenklimaat blz. 19 Thermische parameters blz. 19 Gevelconstructie blz. 35 Vloeren voor Termische Betonkern Activering blz. 35 Bouwprocessen blz. 36 Vloerafwerking blz. 36 Montage in het werk blz. 37 Prefab elementen blz

4 Inhoudsopgave Van vloerverwarming tot Thermische Betonkern Activering 1 9 Flex-Fix machine blz. 37 Afmontage blz. 37 Tekening blz. 38 Kosten TBA, Bronvermelding & Referentielijst Algemeen De architect en de opdrachtgever van een gebouw streven naar een ontwerp dat zo weinig mogelijk verstoord wordt door zichtbare installaties. Wel wordt de eis gesteld, dat er een aangenaam en gezond binnenklimaat in het gebouw heerst. Als deze wensen en eisen gecombineerd kunnen worden met een laag energieverbruik, hebben we een belangrijk doel bereikt. Kosten blz. 39 Bronvermelding blz. 40 Referentielijst blz. 41 Grafieken Grafiek 1 Alpha waarden vloeropp. in relatie tot temperatuurverschil blz. 13 Grafiek 2 Relatie tussen buitenluchttemperatuur en aanvoertemperatuur blz. 17 Grafiek 3 Thermofysisch model Fanger blz. 21 Grafiek 4 Nieuwe effectieve temperatuur (ASHRAE) Fanger blz. 21 Grafiek 5 Relatie PMV - weegfactor WF blz. 23 Grafiek 6 Comfortcriteria blz. 25 Grafiek 7 Voorbeeld van een meting blz. 28 Grafiek 8 Capaciteitsgrafiek thermische betonactivering blz. 34 Vloer- en wandverwarming Vloer- en wandverwarming voldoen aan de hierboven genoemde eisen. Het principe van vloer- en wandverwarming is niet nieuw; het werd al door de Romeinen toegepast. Moderne vloer- en wandverwarming bestaat uit een kunststof buizenstelsel in de toplaag van vloer en wand en wordt over het algemeen als hoofdverwarming toegepast. De laatste decennia is het systeem populair geworden doordat het haalbaar en betaalbaar werd. De haalbaarheid zit erin dat gebouwen steeds beter geïsoleerd worden en de capaciteit van de wand- of vloerverwarming hierdoor voldoet voor volledige verwarming. En dankzij de toepassing van kunststof in plaats van metalen buizen is het systeem betaalbaar geworden. Tabellen Tabel 1 Warmteovergangscoëfficiënten en maximale vermogens voor vloer-, wand- en plafond-verwarmings-/koelsystemen. (Olesen, 1995 en 1997) blz. 14 Tabel 2 Warmteopslagcapaciteit/warmtegeleidend vermogen beton blz. 16 Tabel 3 Voorspelbaar percentage ontevredenen afhankelijk van binnenklimaat blz. 20 Tabel 4 Relatie PMV - weegfactoren blz. 22 Tabel 5 2 Ontwerp richtwaarden luchttemperatuur in de winter blz. 31 Tabel 6 Kosten voor installatie per bruto m kantooroppervlak blz. 39 Afbeeldingen Afb. 1 Doorsnede kantoor met Thermische Betonkern Activering blz. 27 Afb. 2 Schematische proefopstelling TNO bouw blz. 28 Afb. 3 Proefopstelling TNO bouw blz. 28 Afb. 4 WTH doorvoering TBA blz. 38 Afb. 5 Transportrek WTH TBA blz

5 1 2 Van vloerverwarming tot Thermische Betonkern Activering (TBA) Thermische Betonkern Activering Koelen en verwarmen van het gebouw WTH Vloerverwarming B.V. houdt zich al jaren bezig met het beïnvloeden van de temperatuur van vloeren, wanden en plafonds. Dit gebeurt door middel van het koelen of verwarmen van de gebouwmassa in plaats van de binnenlucht, zoals bij airconditioning gebruikelijk is. Het principe staat garant voor een comfortabel en weldadig binnenklimaat, een laag energieverbruik en een installatiearm gebouw. Kortom, de wens van iedere opdracht gever en architect. Koelen Doordat gebouwen steeds beter geïsoleerd worden, is er een toenemende vraag naar koeling. Sinds een jaar of tien is het koelen met een vloer- en wandverwarmingssysteem ook actueel. Door koud water door het systeem te voeren wordt de temperatuur van vloeren en wanden verlaagd. Comfort Het verwarmen of koelen van de lucht, met als gevolg een achteruitgang van de luchtkwaliteit, geeft een minder goed binnenklimaat dan het beïnvloeden van de temperatuur van de bouwkundige constructie. Comfortabele verwarming of koeling wordt bereikt door de stralingstemperatuur in het gebouw te verhogen of te verlagen. Doordat het verschil tussen de temperatuur van de lucht en die van de bouwkundige constructie gering is, vindt er nauwelijks luchtcirculatie plaats en is er dus nauwelijks tocht of stofverspreiding. Dit zijn factoren die niet alleen het comfort bevorderen, maar ook de gezondheid. Zie ook de behaaglijkheidstheorie in hoofdstuk 7: Ontwerp. Principe van TBA Het kenmerk van Thermische Betonkern Activering (TBA) is dat de leidingen in de kern van de vloer, het plafond of de wand zijn aangebracht en niet in de dekvloer of direct onder het wandoppervlak. Thermische Betonkern Activering houdt in: het beïnvloeden van de temperatuur van de bouwmassa. Het doel hiervan is met een minimaal energieverbruik een aangenaam binnenklimaat te creëren. Dit systeem bestaat in hoofdzaak uit kunststof buizen die zijn opgenomen in de betonkern, de verdelers en de regelapparatuur. TBA heeft de volgende belangrijke aspecten: De buizen bevinden zich in de betonkern van vloeren en plafonds en soms De installatie reageert trager dan traditionele systemen ook van wanden. Voor de reactiesnelheid en het in Het principe is gebaseerd op accumulatie van warmte of kou. afzonderlijke vertrekken regelen van de temperatuur kan een beperkt Er wordt verwarmd met een relatief zeer lage watertemperatuur en gekoeld met een relatief zeer hoge watertemperatuur. Dit biedt bij uitstek de mogelijkheid om gebruik te maken van alternatieve energie, waardoor het aanvullend klimaatsysteem toegepast worden, bijvoorbeeld een luchtbehandelingsinstallatie. Ook kan er voor een gedeeltelijke vloerverwarming of -koeling als uitbreiding op het systeem worden gekozen. systeem zeer energiezuinig is. Het systeem zorgt voor een prima Het is een low-tech installatie in een binnenklimaat. installatiearm gebouw; er wordt veel bereikt met eenvoudige middelen. Het is tegen een geringe investering te realiseren De combinatie met natuurlijke ventilatie geeft weinig energieverlies, door- Het sluit aan bij alle toekomstige energieontwikkelingen. dat het overdrachtsprincipe voor - namelijk op warmtestraling berust. Het is voornamelijk bedoeld voor utiliteitsprojecten. De temperaturen in afzonderlijke ruimten zijn met dit systeem niet Het is nagenoeg onderhoudsvrij en neemt geen ruimte in. apart te regelen. Er wordt gebruik gemaakt van het zelfregelend effect van het systeem. Het systeem moet in een vroeg stadium in de bouwconstructie worden opgenomen. 8 9

6 2 2 Thermische Betonkern Activering (TBA) Thermische Betonkern Activering (TBA) Toepassingsgebied Het TBA-systeem is voornamelijk geschikt voor utiliteitsbouw met normale verwarming- en koellast. Een gebouw waarin TBA wordt toegepast moet aan de volgende voorwaarden voldoen: Vloeren en dak van (massief) beton Hoge Rc-waarde van de gevel Gelimiteerde interne belasting Geen verlaagd plafond in verblijfsruimten Akoestische voorzieningen noodzakelijk Overige installatie in het zicht Geen grote belastingsschommelingen TBA kan alleen worden toegepast in nieuwbouw. Voor- en nadelen ten opzichte van traditionele klimaatsystemen in gebouwen Voordelen: De mogelijkheid om duurzame energiebronnen te gebruiken, zoals aardwarmtewisselaars en zonne-energie, wordt met dit systeem vergroot. Het gebruikt namelijk relatief hoge watertemperaturen voor koeling en lage voor verwarming en dat heeft een positieve invloed op het rendement van verwarmingsketels, warmtepompen en koelmachines. Deze temperatuurtrajecten zijn mogelijk doordat het oppervlak van het koelende of verwarmende lichaam groter is dan bij traditionele systemen. Het luchtbehandelingssysteem kan kleiner gedimensioneerd worden, omdat het alleen nog de benodigde ventilatielucht hoeft te verplaatsen. Hierdoor heeft men ten opzichte van een all-airsysteem minder last van tocht, geluid en stofverplaatsing. Verder kan de bouwhoogte gereduceerd worden doordat er geen verlaagde plafonds (met installaties erboven) nodig zijn. Tevens kenmerkt TBA zich door het zelfregelend effect. Zie hoofdstuk 3: Werking van TBA. De investeringskosten in het systeem zijn lager dan bij traditionele klimaatinstallaties. Het onderhoud en de hiermee samenhangende kosten zullen bij dit systeem ook beperkter zijn. Nadelen: Het koelend vermogen van dit systeem is begrensd en kan uitsluitend voelbare warmte uit de ruimte koelen. De latente warmte moet dan afgevoerd worden met een ventilatiesysteem. Er dienen aanvullende akoestische voorzieningen in de ruimte te worden genomen in verband met het ontbreken van een verlaagd plafond. Onafhankelijke temperatuurregeling in verschillende vertrekken is niet mogelijk. De voor- en nadelen van dit systeem ten opzichte van traditionele systemen voor verwarmen en koelen van gebouwen waardering Item TBA Traditioneel Comfort/behaaglijkheid ++ +/- Flexibiliteit + - Koelcapaciteit + ++ Verwarmingscapaciteit + ++ Energiebehoefte Rendement Installatiekosten + - Bouwkundige kosten +/- +/- Benodigde bouwhoogte + - Gebouwakoestiek - + Koeling latente warmte Koeling voelbare warmte + + Achtergrondgeluid installatie Geschikt voor duurzame energiebronnen Duurzaamheid + - Esthetica + - Onderhoudskosten Bedieningscomfort - + Regelbaarheid (aanpassen aan schommelingen) - + Individueel regelbaar - + Beoordeling Verklaring ++ zeer goed + goed +/- redelijk - matig - - slecht Ideaal systeem Er is dus sprake van duurzaam verwarmen en koelen in combinatie met een gezond binnenklimaat. Kortom, het is een ideaal klimaatsysteem voor nu en in de toekomst

7 3 3 Werking van TBA Werking van TBA Meestal worden TBA-systemen in vloeren en plafonds verwerkt. De vloeren en daken moeten dan wel van beton zijn gemaakt. Het plafond is bruikbaar als verwarmings- of koelvlak als het niet verlaagd is of als het deels open, deels verlaagd is. Omdat moderne gebouwen uitstekend geïsoleerd zijn, is maar een beperkte verwarmings- of koelcapaciteit nodig. Ten gevolge hiervan en dankzij het grote verwarmende of koelende oppervlak van plafond en vloer, is een gering temperatuurverschil tussen de lucht in de ruimte en het oppervlak van vloer en plafond voldoende om aan de warmte- of koudebehoefte te voldoen. Mediumtemperaturen bij verwarmen en koelen Zoals reeds vermeld werkt de installatie binnen een smal temperatuurgebied voor wat betreft de mediumtemperaturen bij verwarming- en koelbedrijf. Dit is zeer gunstig voor de toe passing van warmtepompen. De juiste temperaturen moeten per project worden berekend. Op pagina 17 is een voorbeeld gegeven van de relatie tussen buitenluchttemperatuur en aanvoertemperatuur. In het tussenseizoen, wanneer er niet verwarmd of gekoeld wordt, kan het van belang zijn het water in de installatie te laten circuleren. Hierdoor ontstaat een temperatuurvereffening tussen de zon- en schaduwgevel. Zelfregelend effect Het thermisch actieve beton kent net als andere vlaksystemen een zogenaamd zelf regulerend effect. Dit betekent dat bij het veranderen van de zogenaamde overtemperatuur (= verschil tussen de ruimtetemperatuur en de gemiddelde temperatuur van de vloer en/of het plafond) door verandering van de interne en/of externe belastingen (bijvoorbeeld zonnestraling) de warmteafgifte of -opname sterk zal af- of toenemen. Het systeem zal door de wijziging van deze overtemperatuur het vermogen hieraan aanpassen. Als de belasting door interne en/of externe invloeden toeneemt, wordt de overtemperatuur kleiner. Hierdoor daalt het verwarmingsvermogen en zal het koel vermogen toenemen. Als de warmtevraag groter wordt, zal de overtemperatuur evenredig toenemen en daarbij stijgt het afgegeven verwarmingsvermogen en daalt het koelvermogen. Berekeningsvoorbeeld zelfregelend effect (zie ook grafiek 1 op pag. 13) Koeling via het plafond Standaard: Na wijziging van de interne last: Ruimtetemperatuur: 21 C Ruimtetemperatuur: 25 C T gem. vlaksysteem: 19 C T gem. vlaksysteem: 19 C Overtemperatuur: 2 K Overtemperatuur: 6 K Alpha lucht-beton: 9,56 W/(m 2 *K) Alpha lucht-beton: 10,67 W/(m 2 *K) P koel = 2 K * 9,56 W/(m 2 *K) = 19,12 W/m 2 P koel = 6 K * 10,67 W/(m 2 *K) = 64,02 W/m 2 Men kan uit de bovenstaande berekening concluderen dat wanneer de warmtelast toeneemt, het koelvermogen aanzienlijk groter wordt. Grafiek 1 Alpha waarden vloeropp. in relatie tot temperatuurverschil Alpha beton - T lucht binnen W/(m 2 *K) 12,00 11,80 11,60 11,40 11,20 11,00 10,80 10,60 10,40 10,20 10,00 9,80 9,60 9,40 9,20 9,00 8,80 8,60 8,40 8,20 8,00 7,80 7,60 7,40 7,20 7,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 α = 8,92* (Topp - T lucht binnen) 0,1 W/(m 2 *K) 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 T binnen - T oppervlakte beton (K) De totale warmteovergangscoëfficiënt (α b ) is de som van de convectieve en de stralingsovergangscoëfficiënt (α b = α c + α s ) en bedraagt in het ontwerp 11 W/(m 2 *K) voor vloerverwarming, 8 W/(m 2 *K) voor wandverwarming en 6 W/(m 2 *K) voor plafondverwarming (zie ook tabel 1 op pag. 14)

8 3 3 Werking van TBA Werking van TBA Tabel 1 Warmteovergangscoëfficiënten en maximale vermogens voor vloer-, wand- en plafondverwarmings-/-koelsystemen (Olesen, 1995 en 1997) Vlak Warmteovergangs- Maximaal Maximaal Oppervlakte coëfficiënt Temperatuurverschil Vermogen Temperatuur W/(m 2 *K) K W/m 2 C Verw. Koelen Verw. Koelen Verw. Koelen Max. verw. Min. Koelen Vloer Randzone Leefzone Wand ca Plafond (TBA) ca In alle gevallen bedraagt het stralingsaandeel (α s ) circa 5,5 W/(m 2 *K); het resterende gedeelte is convectie. Samen met de eisen voor de maximale oppervlaktetemperatuur (zie hoofdstuk 5: Behaaglijkheid van het systeem Thermische behaaglijkheidstheorie ) is het mogelijk om hiermee het maximale vermogen te berekenen bij een bepaalde ruimtetemperatuur. Verwarming Bij een ruimtetemperatuur van 20 C zal het maximale vermogen van een vloer verwarming 100 W/m 2 (vloertemperatuur 29 C) bedragen. Het vermogen van een randzone, indien dit noodzakelijk of wenselijk is, is dan maximaal 165 W/m 2. Het vermogen van een plafondverwarming is vanwege de toelaatbare stralings asymmetrie gelimiteerd tot 40 à 50 W/m 2. De benodigde temperaturen van het verwarmingswater zijn hierbij afhankelijk van de constructie van vloer, wand of plafond. Bij wand- en plafondverwarming zitten de buizen dichter aan het oppervlak dan bij vloerverwarming, zodat de warmteweerstand tussen verwarmingswater en oppervlakte bij wand- en plafondverwarming kleiner is. Er wordt daarentegen minder warmte via de vloer afgegeven als er in verdiepingsvloeren TBA wordt toegepast, dankzij geluidisolatie, vloerbedekking en eventuele holle ruimten, zoals bij kanaalplaatvloeren. Koeling Bij het koelen is met name de verdeling van de warmtebelasting in het aandeel convectie en straling maatgevend. Het stralingsaandeel zorgt voor het koelen van de omsluitende oppervlakken, zonder direct de ruimtetemperatuur te verlagen. Hoe groter het stralingsaandeel van een bron is, des te geringer is het convectieaandeel en daarmee het noodzakelijke temperatuurverschil tussen lucht en oppervlakte. In de praktijk kunnen de warmteovergangscoëfficiënten volgens tabel 1 als gemiddelde waarde worden gebruikt. Bovendien dient men er rekening mee te houden dat bij oppervlaktekoeling uitgegaan kan worden van de effectieve temperatuur om de mate van comfort te beoordelen (zie hoofdstuk 7: Ontwerp Operatieve en resulterende temperatuur ). Daardoor kan de luchttemperatuur die verantwoordelijk is voor het convectiedeel van het koelvermogen circa 1,0 tot 1,5 K boven de toelaatbare maximale effectieve ruimtetemperatuur worden gehouden. Hierdoor is bij plafondkoeling al snel een koelvermogen tot 100 W/m 2 mogelijk. Voor vloerkoeling ligt de maximale waarde onder normale omstandigheden aanzienlijk lager: zonder direct invallend zonlicht bedraagt het circa 40 tot 45 W/m 2. Maar in ruimten met grote ramen (zoals atriums, entreehallen en autoshowrooms) is er vaak direct zonlicht op de vloer en kan het koelvermogen eveneens waarden van 100 W/m 2 of meer bereiken. Accumulatie of warmteopslagcapaciteit Door gebruik te maken van de grote massa en soortelijke warmte van betonconstructies kan de warmte gedurende lange tijd worden afgegeven of opgenomen; de temperatuur van de constructie zal hierbij maar langzaam veranderen. Als er s nachts wordt gekoeld, waarbij de in- en externe belastingsfactoren zoals personen, verlichting, machines, elektrische apparatuur en zon ontbreken of sterk gereduceerd zijn, kan de bouwmassa enkele graden afgekoeld worden. Hierdoor wordt voor de dagsituatie een groter accumulerend vermogen bereikt. Het zal daarom langer duren voordat deze massa weer is opgewarmd en de temperatuur in de ruimte zal minder vaak worden overschreden. Voorbeeld: Een 28 cm dikke betonplaat met een massa van 2400 kg/m 3 en een soortelijke warmte van 0,880 kj/(kg*k) Het accumulatievermogen bedraagt: 0,880 kj/(kg*k) * 2400 kg/m 3 * 0,28 m/3600 s. Uit deze berekening volgt een warmteopslagvermogen van 164 W/(m 2 *K), hetgeen dus inhoudt: 164 W/m 2 bij een temperatuurwijziging van 1 K. Wanneer de koelbehoefte van het kantoor 30 W/m 2 bedraagt, kan hiermee dan 164/30 = 5,48 uur koelvermogen geleverd worden per graad temperatuurverandering van de constructie. Als de massa tijdens de nacht bijvoorbeeld 2 K gekoeld wordt, beschikt men dus over 2 * 5,48 = 10,95 uur opslagcapaciteit in de betonconstructie. (Zie voor berekeningsresultaten tabel 2 op pag. 16). Uitgangpunten: Materiaal: beton, 28 cm Soortelijke massa: ca kg/m 3 Soortelijke warmte: 0,88 kj/(kg*k) Afgifte: 164 W/m

9 3 Werking van TBA Regeling van TBA 4 Tabel 2 Warmteopslagcapaciteit/warmtegeleidend vermogen beton Koellast 1K 2K 3K Koellast 1K 2K 3K W/m 2 uur uur uur W/m 2 uur uur uur 5 32,85 65,71 98, ,99 5,97 8, ,43 32,85 49, ,74 5,48 8, ,95 21,90 32, ,53 5,05 7, ,21 16,43 24, ,35 4,69 7, ,57 13,14 19, ,19 4,38 6, ,48 10,95 16, ,05 4,11 6, ,69 9,39 14, ,93 3,87 5, ,11 8,21 12, ,83 3,65 5, ,65 7,30 10, ,73 3,46 5, ,29 6,57 9, ,64 3,29 4,93 Capaciteit De koel- en verwarmingscapaciteiten van vloer en plafond zijn verschillend. Zie hoofdstuk 7: Ontwerp. De regeling reageert op buiten- en binnentemperatuur en kan bijvoorbeeld gevelgewijs zijn ingedeeld. Door het trage karakter van TBA heeft het geen zin om de temperatuur per ruimte te regelen. Mede daarom wordt TBA soms aangevuld met een ander systeem, bijvoorbeeld een luchtbehandelingsinstallatie. Het wijzigen van de temperatuur tijdens de nacht is niet wenselijk, omdat het TBA-systeem een accumulerende functie heeft. Tijdens de nacht wordt er gebufferd om belastingsvariaties overdag op te kunnen vangen. De installaties moeten vanuit een regeling aangestuurd worden. Hiermee wordt een goede samenwerking met andere installatiecomponenten en een minimum aan energieverbruik gewaarborgd. Aan de regeling worden hoge eisen gesteld. De regelaar moet bij voorkeur een voorspellend regelkarakter hebben (fuzzy logic). Verschillende regelingen in relatie tot comfort Afhankelijk van het gebruik van het gebouw en de daaruit voortvloeiende interne warmtelast worden twee verschillende regelstrategieën onderkend. Voor een gebouw met een hoge interne warmtelast en een transparante constructie wordt gekozen voor een continu regelproces, waarbij de installatie in bedrijf blijft. Het verloop van de gemiddelde buitentemperatuur en de operatieve temperatuur (zie hoofdstuk 7: Ontwerp Operatieve temperatuur ) zijn parameters die bepalen hoe en wanneer het systeem wordt geregeld. Deze operatieve temperatuur wordt meestal gebruikt bij comfort condities en is samengesteld uit een aantal parameters gemeten aan een referentiepunt. Bij overwegend zittende werkzaamheden ligt dit referentiepunt op 0,6 meter hoogte en bij staande werkzaamheden op 1,1 meter. 4 Regeling van TBA Algemeen Als we geen watertemperatuurregeling zouden toepassen en de watertemperatuur vast zouden instellen op 22 C, zou de vloer- of plafondtemperatuur tussen de watertemperatuur en de ruimtetemperatuur in liggen. Dus zal in de winter de vloer of het plafond de ruimte gaan verwarmen en in de zomer gaan koelen. Dit geeft nogmaals aan hoe het zelfregelend effect werkt. Door het continu doorstromen van het water in het systeem is het mogelijk dat bij deze omstandigheden het systeem in de ene ruimte koelt (bijvoorbeeld de zonzijde) en de warmte naar een andere ruimte (aan de schaduwzijde) overbrengt. Dit noemt men temperatuurvereffening. Grafiek 2 Relatie tussen buitenluchttemperatuur en de aanvoertemperatuur (willekeurig voorbeeld) Aanvoertemperatuur ( C) Vanzelfsprekend maken we wel gebruik van een watertemperatuurregeling. Hiermee kunnen we namelijk het effect van het systeem versterken Buitenluchttemperatuur ( C)

10 4 5 Regeling van TBA Behaaglijkheid van het systeem Zoals reeds vermeld heeft het systeem een grote mate van zelfregelbaarheid. Bij de tweede optie wordt de retourwatertemperatuur bewaakt. Door hiervoor een grens waarde te kiezen kan in de tussenseizoenen water worden rondgepompt (alleen circu latiepomp bijschakelen), waardoor de reeds genoemde temperatuurvereffening in het hele gebouw plaatsvindt. Daarnaast wordt de koeling (in de nachtelijke uren) bijge schakeld. Bij voorkeur is dit vrije koeling, bijvoorbeeld met een bron of bodemwarmtewisselaar, maar het kan ook een compressiekoelmachine zijn. Bij gebouwen met een normale warmtelast en een normale tot zware bouwwijze is dit een zeer economisch model. Een mogelijke relatie tussen de wateraanvoertemperatuur en de buitenluchttemperatuur is weergegeven in grafiek 2. Vertaald naar het regelsysteem kan deze karakteristiek sterk worden vereenvoudigd, in verband met de eigenschappen van het actieve betonsysteem. Dauwpunt De regeling moet voorzien zijn van een dauwpuntbewaking. De watertemperatuur moet zodanig gekozen worden dat er geen condens optreedt op of in de bouwkundige constructie. Wanneer de minimale watertemperatuur begrensd wordt op een voldoende hoge waarde, is er geen bewaking nodig. Zie hoofdstuk 7: Ontwerp Dauwpunt. Thermische behaaglijkheidstheorie Inleiding De gemiddelde temperatuur van het menselijk lichaam is 37 C. Om deze temperatuur in stand te houden moet er warmte kunnen worden afgevoerd. Dit gebeurt gelijktijdig door verdamping, straling en convectie. De onderlinge verhouding wordt bepaald door de grootheden: Luchttemperatuur (T l ) Luchtsnelheid (v) Luchtvochtigheid (Q) Temperatuur van de omringende wanden (T w ). In onbehaaglijk koude omstandigheden wordt bij mensen de bloedtoevoer naar de huid beperkt. Daarna beginnen ze te rillen en te klappertanden om de lichaamstemperatuur op peil te houden. Dit is net zo n ongewenste situatie als transpireren van de warmte. Het is dus van belang dat de drie bovengenoemde soorten warmteafgifte van het menselijk lichaam (verdamping, straling en convectie) in normale mate en in redelijke verhouding tot elkaar kunnen plaatsvinden. Beoordeling van het thermisch binnenklimaat Om het thermisch binnenklimaat te kunnen beoordelen moeten we vaststellen wat hieronder wordt verstaan. Een combinatie van een aantal parameters vormt een klimaat waarin de mens vertoeft, woont of werkt. Deze thermische parameters worden bepaald door het buitenklimaat, het soort gebouw en de klimaatinstallatie. Thermische parameters zijn: A) parameters die de persoon betreffen: de warmteweerstand van de kleding (Clo-waarde); de warmteontwikkeling van de persoon (metabolisme met -waarde), B) parameters die de omgeving betreffen: de binnentemperatuur, van belang bij de warmteafgifte door convectie en het voelbare warmteverlies bij ademhaling; de gemiddelde stralingstemperatuur, van belang bij warmteafgifte door straling; de luchtsnelheid, bepalend voor de verdampingsverliezen aan het huid- en kledingoppervlak en de warmteoverdracht door convectie; de relatieve vochtigheid, waarvan de verdampingsverliezen aan het huid- en kledingoppervlak en het latente warmteverlies bij ademhaling afhankelijk zijn

11 0 0,1 0,2 m 2 K/W 0, ,0 optimale operatieve temperatuur Behaaglijkheid van het systeem Behaaglijkheid van het systeem 2,0 De invloed op de gemiddelde stralingstemperatuur Trg wordt bepaald door twee factoren, te weten: temperatuur van de omringende vlakken; grootte van deze vlakken in relatie tot de positie van de aanwezige persoon ten opzichte van deze vlakken. De invloed van een koud vlak op de gemiddelde stralingstemperatuur neemt toe, naarmate de afstand tussen de persoon en het vlak kleiner wordt en de oppervlakte van het vlak groter. Deze invloed en de grootte van het vlak worden in de berekeningen verdisconteerd door middel van zogenaamde vormfactoren. Bij deze factoren wordt de warmteoverdracht door straling tussen de aanwezige personen en hun omgeving, als de direct uitgezonden straling beschouwd. Via de wanden gereflecteerde straling wordt hierbij verwaarloosd. De gemiddelde stralingstemperatuur is gering, omdat de absorptiecoëfficiënten nagenoeg 1,0 zijn. Daarom zal de invloed van reflectie eveneens gering zijn. Thermofysiologisch model van Fanger Om de ervaring van het thermisch binnenklimaat te kunnen beoordelen, zijn een aantal zogenaamde thermofysiologische modellen ontwikkeld. Het bekendste model is ontwikkeld door prof. P.O. Fanger. Hij introduceerde de PMV-waarde (Predicted Mean Vote), waarmee de ervaring van het thermisch binnenklimaat kan worden uitgedrukt. De ISO (International Organisation for Standardization) heeft Fangers model geaccepteerd als standaard om het thermisch binnenklimaat te beoordelen (zie NEN-ISO 7730). Een PMV-waarde van 0 betekent dat het binnenklimaat optimaal is; een negatieve waarde duidt op een te koud klimaat en bij een positieve waarde is het te warm. Bepaling van het percentage ontevredenen De PMV-waarde voorspelt de gemiddelde waardering van het binnenklimaat door een aantal personen die aan dezelfde binnencondities zijn blootgesteld, die hetzelfde metabolisme hebben en voor wie dezelfde warmteweerstand (Clo-waarde) geldt. Fanger heeft een relatie vastgesteld tussen de PMV-waarde en het te voorspellen percentage ontevreden personen, de PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Dit getal geeft de waarde aan van het aantal personen dat ontevreden zal zijn over het thermisch binnenklimaat. Tabel 3 Voorspelbaar percentage ontevreden afhankelijk van binnenklimaat PMV ,5 0-0, gevoel heet warm licht warm licht koel koel koud PPD 90% 75% 25% 10% neutraal 10% 25% 75% 90% Grafiek 3 Termofysisch model Fanger Activiteit M in meter 3,0 2,0 1,0 0 0,1 0,2 m 2 K/W 0,3 28 C ±1K 26 C 24 C 22 C 20 C ±1,5K 10 C 12 C 14 C 16 C 18 C optimale operatieve temperatuur ±4K 0 0,5 1,0 1,5 clo 2,0 Isolatiewaarde van kleding Optimale operatieve temperatuur voor PMV = 0 C 40-60% relatieve afhankelijk 30 vochtigheid van activiteit en kleding (naar ISO 7730). 0,10-0,15 m/s Relatieve luchtvochtigheid 50%. De getrokken curven 28 PMV = 0 dat wil zeggen 5% ontevreden. Het gearceerde 60 gedeelte 26 geeft PMV = ±0,5, dat wil zeggen 10% 80 ontevreden. Nieuwe effektieve temperatuur (ASHRAE) ±2K Als de PMV tussen 55-0, en +0,5 ligt, is er sprake van een wenselijk binnenklimaat Hierbij is het percentage personen dat ontevreden is over het binnenklimaat maximaal 10%. Er zijn echter nog een aantal 60 randvoorwaarden van toepassing. 20 Winter aanbeveling 1,2 1,0 1,4 Clo ASHRAE standaard Zomer aanbeveling Verder bereik 1,0 Clo 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 90 ±3,5K ±2,5K Temperatuuroverschrijdingsberekening C 32 De PMV wordt berekend met enkele aannamen ten aanzien van de comfortbepalende Ruimtetemperatuur ( C) parameters, te weten: de luchttemperatuur is gelijk aan de gemiddeld gewogen stralingstemperatuur* de luchtsnelheid bedraagt gemiddeld 0,15 m/s de relatieve vochtigheid bedraagt 50% de kledingweerstand is 0,7 Clo in de zomer en 0,9 Clo in de winter het rendement van uitwendige arbeid is 0% ±3K % acteptatie * bij TBA ligt de stralingstemperatuur gemiddeld 0,5 K lager dan de luchttemperatuur Op grond van bovengenoemde uitgangspunten hoort bij een PMV van 0,5 een luchttemperatuur van circa 25,5 C, die in de RGD-norm (Rijksgebouwendienst) is afgerond op 25 C. De PMV-berekening moet voor het referentiejaar worden uitgevoerd voor de normale kantoortijden tussen en uur. Hierbij wordt rekening gehouden met een uur lunchpauze ( uur). (Zie verder ISSO-publicatie 32: Uitgangspunten temperatuursimulatieberekeningen ). W/m Activiteit M in meter Nieuwe effektieve temperatuur (ASHRAE) 1,0 32 C C ±1K 26 C 24 C 22 C 40-60% relatieve vochtigheid 0,10-0,15 m/s Winter aanbeveling 1,2 1,0 1,4 Clo 20 C ASHRAE standaard ±1,5K 10 C 12 C 14 C 16 C 18 C Grafiek 0 4 0,5 1,0 1,5 clo 2,0 Nieuwe effectieve temperatuur Isolatiewaarde (ASHRAE) van kleding Fanger Zomer aanbeveling Verder bereik C 32 ±2K 1,0 Clo 0,8 0,6 0,4 0,2 0, ±4K ±3,5K ±3K ±2,5K % acteptatie Ruimtetemperatuur ( C) W/m 2 Nieuwe effectieve temperatuur (ASHRAE), tevredenheidspercentage naar Fanger afhankelijk van de kleding (en aanbeveling van de Amerikaanse energie department (FEA) voor zomer en winter)

12 5 5 Behaaglijkheid van het systeem Behaaglijkheid van het systeem Invloed vertrekmassa De verdeling van de PMV is tijdens de uren dat de waarde van -0,5 of +0,5 wordt overschreden sterk afhankelijk van de warmteaccumulerende massa van het gebouw en het soort klimaatinstallatie. Als er geen of onvoldoende koeling is, wordt bij een lichte bouwconstructie de PMV van +0,5 of -0,5 veel verder overschreden dan bij een zware bouwconstructie. Daardoor zal het binnenklimaat in het eerste geval slechter beoordeeld worden dan in het laatste geval. Bij een zwaar gebouw zal door de grote massa de stralingstemperatuur achterblijven bij de luchttemperatuur, bij een licht gebouw is dit omgekeerd. Daarom zal in het eerste geval bij een te hoge luchttemperatuur de PMV-waarde toch voldoen en in het tweede geval zal dit tegengesteld zijn. Hierom is een weegfactor ingevoerd, waarmee het aantal uren dat een bepaalde PMV optreedt wordt vermenigvuldigd. De weegfactor moet dus gezien worden als een correctiefactor ten gevolge van de gebouweigenschappen. Bepaling weegfactor/weegurencriterium Het uitgangspunt is niet dat de luchttemperatuur als maatstaf geldt, maar het aantal overschrijdingsuren dat op basis van het aantal ontevredenen (PPD) wordt gewogen als PPD * tijd = constant. Met andere woorden: een heel uur 10% ontevredenen krijgt een gelijke waardering als een half uur 20% ontevredenen. Bij een PMV tussen -0,5 en +0,5 is de weegfactor ca. 1,0. Een heel uur met een PMV van bijvoorbeeld 0,6, 0,7 of 0,8 telt respectievelijk circa 1,23, 1,5 en 1,81 keer zo zwaar mee (zie ook tabel 4). Voor elk uur wordt op deze wijze een weegfactor berekend. De weegfactor (wf) wordt berekend volgens onderstaande formule: wf = 0,47 + 0,22 * PMV + 1,3 * PMV 2 + 0,97 * PMV 3-0,39 * PMV 4 Criteria De Rijksgebouwendienst hanteert als eis voor de overschrijding of onderschrijding van de PMV-grenzen +0,5 en -0,5 de volgende waarden: Uitgaande van een normale kantoorsituatie waar het binnenklimaat gedurende 2000 uur per jaar (50 weken van 40 uur) gehandhaafd dient te worden, is het aantal weeguren per jaar 150 uren voor overschrijding van een PMV van +0,5 (voor de zomer) en 150 uren onderschrijding van een PMV van -0,5 (voor de winter). Deze weging en berekening gelden uiteraard alleen tijdens de kantooruren. In de arbeidsomstandighedenwetgeving staan in de beleidsregel 6.1 en informatieblad AI-7 de te hanteren grenswaarden vermeld. Grafiek 5 Relatie PMV - weegfactor WF PMV-waarde(-) 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 Tabel 4 Relatie PMV - weegfactoren PMV WF PMV WF PMV WF PMV WF PMV WF 0,00 0,30 0,60 1,2290 0,90 2,1723 1,20 3,4735 0,02 0,32 0,62 1,2797 0,92 2,2487 1,22 3,5707 0,04 0,34 0,64 1,3321 0,94 2,3267 1,24 3,6691 0,06 0,36 0,66 1,3863 0,96 2,4062 1,26 3,7685 0,08 0,38 0,68 1,4423 0,98 2,4874 1,28 3,8689 0,10 0,40 0,70 1,5001 1,00 2,5700 1,30 3,9702 0,12 0,42 0,72 1,5596 1,02 2,6541 1,32 4,0725 0,14 0,44 0,74 1,6208 1,04 2,7398 1,34 4,1756 0,16 0,46 0,76 1,6838 1,06 2,8268 1,36 4,2795 0,18 0,48 0,78 1,7485 1,08 2,9152 1,38 4,3841 0,20 0,50 1,0019 0,80 1,8149 1,10 3,0051 1,40 4,4895 0,22 0,52 1,0438 0,82 1,8830 1,12 3,0962 1,42 4,5954 0,24 0,54 1,0875 0,84 1,9528 1,14 3,1887 1,44 4,7020 0,26 0,56 1,1329 0,86 2,0243 1,16 3,2824 1,46 4,8090 0,28 0,58 1,1800 0,88 2,0975 1,18 3,3773 1,48 4, ,50 2,00 1,50 1,00 0,50 Gebied waarbij -0,5 <PMV <+0,5 fi Geen weeguren 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 Weegfactor (-) Oorzaken die leiden tot een onbehaaglijk binnenklimaat onafhankelijk van de PMV-waarde Onbehaaglijkheid kan verschillende oorzaken hebben die buiten de beoordelingscriteria van de PMV-waarde vallen, te weten: te hoge luchtsnelheid te grote stralingsasymmetrie snelheidsfluctuties (turbulentie) temperatuurfluctuaties te grote verticale temperatuurgradiënt relatieve vochtigheid te hoge of te lage contacttemperatuur van de vloer

13 5 5 Behaaglijkheid van het systeem Behaaglijkheid van het systeem Tocht veroorzaakt door te hoge luchtsnelheden/luchtturbulenties De mens is zeer gevoelig voor tocht, met name bij de enkels en de nek. Dit wordt naarmate de persoon ouder wordt steeds meer als hinderlijk ervaren. Als globale richtlijn kan worden gesteld dat de luchtsnelheid in de leefzone kleiner moet zijn dan 0,15 m/s. Om het percentage ontevredenen ten gevolge van tocht te voorspellen, heeft prof. Fanger de volgende formule opgesteld, waarbij de aanbeveling geldt van een maximumpercentage van 20% ontevredenen. PD=(34 - a)*(v ar -0,05) 0,62 *(0,37*V ar *T+3,14) T= /V ar *100 waarin: PD = percentage ontevreden door tocht (%) a = luchttemperatuur ( C) V ar = luchtsnelheid, gemiddeld (m/s) T = relatieve turbelentie-intensiteit (-) (fi kantoren: 40-60%) = standaarddeviatie van de fluctuaties in de luchtsnelheid (m/s) Te grote verticale temperatuurgradiënt Het maximale verschil tussen de temperatuur bij de enkels (circa 0,1 m boven de vloer) en die bij het hoofd (in zittende positie circa 1,1 m boven de vloer) dient kleiner dan 3 K te zijn. Hierbij is het aantal ontevredenen maximaal 10%. Bij deze grenswaarde is uitgegaan van een PMV van 0. Praktischer is het als men uitgaat van een PMV tussen -0,8 en +0,8. Het maximale verschil tussen de temperatuur bij het hoofd en die bij de enkels bedraagt dan 1,5 K. Contacttemperatuur van de vloer te hoog of te laag Voor de vloertemperatuur kan men in normale situaties uitgaan van 19 C tot 26 C. Op plaatsen waar men weinig of niet verblijft (bijvoorbeeld randzones langs buitenwanden) of waar men met blote voeten loopt - zoals in zwembaden en badkamers is - een maximale vloertemperatuur van 29 C toegestaan. Temperaturen onder 19 C dienen te worden vermeden in verband met koude voeten en mogelijke condensvorming. De keuze van het materiaal waaruit de afwerking van de vloer bestaat, is hierbij ook van belang. Te grote stralingsasymmetrie Stralingsasymmetrie ontstaat ten gevolge van de verschillende oppervlaktetemperaturen van de omgevende wanden, ramen, vloer en plafond. Door bijvoorbeeld een verwarmd plafond en een groot glasoppervlak in de buitengevel kan er een groot temperatuurverschil optreden dat aanleiding kan geven tot klachten. Om dit te voorkomen dient men rekening te houden met de maximaal toelaatbare temperatuurverschillen van de afzonderlijke vlakken. Dit is voor een kantoor < 5 K verticaal en < 10 K horizontaal. Temperatuurfluctuaties De toelaatbare luchttemperatuurfluctuatie die Fanger heeft bepaald geldt indien: (dt) 2 * f < 4,6 waarin dt = verschil tussen minimum- en maximumtemperatuur (K) f = aantal temperatuurwisselingen per uur Bij een temperatuurverschil van 2 K is circa één temperatuurwisseling per uur toegestaan. Bij de genoemde eis dient bij de gemiddelde luchttemperatuur sprake te zijn van thermische behaaglijkheid met betrekking tot het gehele lichaam. Relatieve vochtigheid Om redenen van thermische behaaglijkheid hoeft aan de relatieve vochtigheid nauwelijks een eis te worden gesteld. Als bovengrens wordt veelal 70% en als ondergrens 30% aangehouden. Samenvatting Bij het gebruik van de vergelijkingen van prof. Fanger wordt een binnenklimaat als behaaglijk gedefinieerd indien geldt: -0,5< PMV< +0,5 (= max. 10% ontevredenen)*. * kantoor volgens comfortklasse B (standaard) NPR-CR Grafiek 6 Comfortcriteria Stralingstemparatuur Ruimteluchttemparatuur In de hiernaast afgebeelde grafi ek is de verhouding tussen de belangrijkste parameters voor het comfort weergegeven

14 5 5 Behaaglijkheid van het systeem Behaaglijkheid van het systeem Voor gemiddelde kantooromstandigheden (metabolisme 1,0-1,3 met) leidt een en ander samengevat tot de onderstaande aanbevelingen (behaaglijkheidsparameters): Luchttemperatuur winter: C (fi 22 C ± 2 K) Luchttemperatuur zomer: 21,5-25,5 C (fi 23,5 C ± 2 K) Relatieve vochtigheid: 30-70% (fi 50% ± 20%) Gemiddelde luchtsnelheid: ca. 0,1-0,15 m/s (relatieve turbulentie-intensiteit 40%-60%) Verticale temperatuurgradiënt: <3 K (tussen enkel en hoofd) Oppervlaktetemperatuur vloer: C Stralingsasymmetrie: < 5 K verticaal, < 10 K horizontaal (*) Temperatuurfluctuaties: (dt) 2 * f <4,6 * Conform NEN-EN-ISO7730 geldt ten behoeve van de stralingsasymmetrie voor vlakken: Stralingsasymmetrie warme wand: < 23 K Stralingsasymmetrie koude wand: < 10 K Stralingsasymmetrie warm plafond: < 5 K Stralingsasymmetrie koud plafond: < 14 K Ten behoeve van de koude vloer zijn nog geen studies verricht. Aangenomen mag worden dat: Stralingsasymmetrie koude vloer: < 5-10 K De leefzone Het gebied in de ruimte waar de mensen verblijven, wordt de verblijf- of leefzone genoemd. Deze zone moet aan een aantal comforteisen voldoen. Het gebied beslaat normaal niet het gehele oppervlak en de gehele hoogte van de ruimte. Volgens de norm DIN 1946 gaat het om het gedeelte dat valt binnen de ruimte gerekend vanaf 1 m vanaf de buitengevel en 0,5 m vanaf de binnenwanden bij een hoogte van 1,8 m. Bij de gevels, wanden en het plafond is het klimaat meestal ongunstiger door het inblazen van lucht, koudeval, lagere of hogere stralingstemperatuur en dergelijke. Wanneer de ruimte wordt geventileerd met buitenlucht zal er na enige tijd een evenwichtssituatie ontstaan, waarbij de productie van CO 2 gelijk is aan de met ventilatielucht afgevoerde hoeveelheid CO 2. De tijd die nodig is om de genoemde evenwichtstoestand te bereiken, is afhankelijk van: de luchtkubus (netto-inhoud van de ruimte in m 3 gedeeld door het aantal personen) de CO 2 -productie de hoeveelheid ventilatielucht Gewogen temperatuuroverschrijding (GTO) In het kader van een afstudeerproject is een computerprogramma gemaakt dat de gewogen temperatuuroverschrijdingsuren van een gebouw dat is uitgevoerd met TBA reeds in de ontwerpfase kan voorspellen. In opdracht van WTH zijn bij TNO in Delft metingen gedaan aan een in het laboratorium gebouwde ruimte met TBA. Aan de hand van deze metingen is het programma gevalideerd. Met behulp van dit programma kan WTH Vloerverwarming B.V. voor ieder gebouw een berekening maken, zodat het bouwkundig ontwerp hierop nog kan worden afgestemd. Hieronder zijn enkele afbeeldingen uit de omschrijving van het project weergegeven. Afbeelding 1 Doorsnede kantoor met Thermische Betonkern Activering Minimale ventilatie Om te overleven is zuurstof nodig. Het is dan ook van wezenlijk belang dat er verse lucht in de verblijfruimte wordt binnengebracht, ook al is dit niet nodig voor de koeling of verwarming ervan. Bij voorkeur moet dit gebeuren door mechanische luchtafzuiging en toevoer, zodat er een balans ontstaat. Uit het oogpunt van energiebesparing is het toepassen van warmteterugwinning uit de ventilatielucht aan te bevelen. Verlichting Personen Apparatuur Men kan de lucht dan ook voorbehandelen: filteren, koelen, be- en ontvochtigen of verwarmen. De luchttoevoer door roosters boven de ramen is minder aan te bevelen in verband met tochtklachten, waarbij het binnenklimaat tevens wordt beïnvloed door ongecontroleerde factoren. De grootte van de hoeveelheid ventilatielucht wordt bepaald door het aanwezige aantal personen

15 5 6 Behaaglijkheid van het systeem Combinatie van installaties & Energie Temperatuur C Grafiek 7 Voorbeeld van een meting 25,00 24,00 23, Belasing W/m 2 Combinatie van installaties en voorbeeldschema Een combinatie met een ander snel reagerend verwarmings- en koelsysteem kan noodzakelijk zijn als er meer capaciteit nodig is, als er snelle temperatuurvariaties verwacht worden of als natuurlijke ventilatie niet toereikend is. Omdat TBA uitsluitend voelbare warmte weg koelt, kan het soms noodzakelijk zijn om de lucht te ontvochtigen. Meestal wordt dan gekozen voor een luchtbehandelingsinstallatie, omdat deze vaak toch noodzakelijk is in verband met de benodigde luchtverversing. 22,00 21,00 20, Deze installatie kan dan veel kleiner uitgevoerd worden wat betreft omvang en capaciteit, doordat ze alleen de toplast hoeft te dekken. Tevens is het comfort groter dan wanneer uitsluitend luchtbehandeling wordt toegepast. Maar ook het energieverbruik is bij deze combinatie lager. T zwarte bol T lucht gemeten T lucht berekend Belasting 19,00 18,00 0 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 Afbeelding 2 Schematische proefopstelling TNO bouw Afbeelding 3 Proefopstelling TNO bouw Uurperiode Energie Het grote warmte-uitwisselende oppervlak van vloer en plafond maakt het mogelijk met een relatief zeer lage watertemperatuur te verwarmen en met een hoge watertemperatuur te koelen, respectievelijk bijvoorbeeld 30 C en 16 C. Dit maakt het systeem uitermate geschikt voor combinatie met een warmtepompinstallatie en koude- en warmteopslag in de bodem. Warmte wordt in de winter door de warmtepomp met een zeer hoog rendement aan de bodem onttrokken en hiermee wordt het gebouw verwarmd. Doordat de bodem afgekoeld is, kan in de zomer de warmte uit het gebouw in de grond gepompt worden en kan zonder energieverbruik gekoeld worden dit is de zogenaamde vrije koeling. Hiermee wordt tevens het temperatuurevenwicht in de bodem hersteld

16 7 7 Ontwerp Ontwerp Binnentemperatuur In de meeste normbladen ligt de bovengrens voor de gevoelstemperatuur in de zomer op 26 C voor ruimten waarin hoofdzakelijk personen aanwezig zijn die zittend hun werkzaamheden uitvoeren. Zittende personen (1,2 meter) met zomerkleding (0,7 clo). Bij een te lage dan wel een te hoge vloer-, plafond- en/of wandtemperatuur kan er sprake zijn van onbehaaglijkheid. Voor vloeren wordt in de normbladen een tempe ratuur gehanteerd van circa C, waarbij de personen zich zittend of staand in de ruimte bevinden en waarbij de personen normaal schoeisel dragen. Tevens dient rekening te worden gehouden met de verzadigingslijn (bij ca. 16 C in de ruimte bestaat de mogelijkheid van condensatievorming op koude vlakken). Genoemde waarden begrenzen daarom het koel- en verwarmingsvermogen van het gekozen systeem. Voor de aanbevelingen voor binnentemperaturen wordt zoals omschreven in hoofdstuk 5: Behaaglijkheid van het systeem Thermische behaaglijkheid. uitgegaan van een PMV tussen - 0,5 en + 0,5. In de tabel Berekende luchttemperaturen voor veel voorkomende gemiddelde situaties wordt uitgegaan van een gelijke lucht- en stralingstemperatuur, waarbij de waarden niet afhankelijk zijn van de oppervlakte-temperatuur en het verwarmings- of koelsysteem. Er is echter meestal sprake van een verschil tussen de lucht- en stralingstemperatuur. Dit komt voor tijdens lage buitentemperaturen in de winter en bij hoge temperaturen in de zomer. In tabel 5 worden ontwerp richtwaarden voor luchttemperaturen in de wintersituatie gegeven. (Uitgangspunten: 0,9 Clo; Metabolisme (*) = 1,0 met; R.V. = 50%; V lucht= 0,1 m/s; PMV ca. -0,5). Tabel 5 Ontwerp richtwaarden luchttemperatuur in de winter Vertrek Soort verwarming 50% glas 30% glas dubbel dubbel Tussenvertrek Luchtverwarming 21,5 21,0 Verdieping Convectoren 21,5 21,0 Radiatoren 20,5 20,0 Vloerverwarming 18,5 18,5 Tussenvertrek Luchtverwarming 22,0 21,5 Dakverdieping Convectoren 22,0 21,5 Radiatoren 21,5 21,0 Vloerverwarming 18,5 18,5 Hoekvertrek Luchtverwarming 22,5 22,0 Verdieping Convectoren 22,5 22,0 Radiatoren 21,5 21,0 Vloerverwarming 18,5 18,5 Hoekvertrek Luchtverwarming 23,0 22,5 Dakverdieping Convectoren 23,0 22,5 Radiatoren 22,0 21,5 Vloerverwarming 18,5 18,5 * De warmteweerstand van de kleding wordt uitgedrukt in de eenheid Clo (1 Clo = 0,155 (m 2 *K)/W). Deze waarde is ingevoerd om te bezien of de gedragen kleding een hoge, normale of lage warmteweerstand heeft. Een en ander is gerelateerd aan het Deense zakenkostuum, bestaande uit een combinatie van katoenen ondergoed, overhemd, driedelig kostuum, wollen sokken en schoenen, die gezamenlijk een waarde vertegenwoordigen van 1 Clo. Het metabolisme wordt uitgedrukt in met (1 met = 58,2 W/m 2 ), geldend voor één persoon, zittend in rust. Het lichaamsoppervlak (Adu) van een gemiddelde man bedraagt circa 1,81 m 2, dat van een gemiddelde vrouw circa 1,63 m 2. Voor de zomersituatie geldt dat de berekende luchttemperatuur bij een PMV tussen - 0,5 en + 0,5 zich binnen de grens van 21,5 C en 25,5 C dient te vallen. (Uitgangspunten: 0,7 Clo; R.V. = 50%; V ar = 0,1 m/s; a = r) Operatieve temperatuur In diverse publicaties en vakliteratuur worden richtlijnen voor het binnenklimaat gegeven die gebaseerd zijn op de zogenaamde operatieve temperatuur. Deze wordt gedefinieerd als de uniforme temperatuur van de omgeving, waarin de aanwezige personen dezelfde hoeveelheid warmte uitwisselen door convectie en straling als in de werkelijke omgeving

17 7 7 Ontwerp Ontwerp De operatieve temperatuur wordt berekend met: h s * r + h c * = a h s +h c o waarin: o = operatieve temperatuur ( C) r = gemiddelde stralingstemperatuur ( C) a = luchttemperatuur ( C) H s = warmte-overdrachtscoëfficiënt voor straling van de mens (W/(m 2 *K)) h c = warmte-overdrachtscoëfficiënt voor convectie van de mens (W/(m 2 *K)) Indien de gemiddelde stralingstemperatuur niet bekend is, kan uitgegaan worden van de volgende onderstaande temperatuurverschillen: l - r Zomersituatie (koeling): + 1K Wintersituatie: Radiatoren - 1K Convectoren - 1,5K Luchtverwarming - 2K Vloerverwarming + 2K Of ( met een groter nauwkeurigheid): o=a* a + (1-A)* r waarin: o = operatieve temperatuur ( C) r = gemiddelde stralingstemperatuur ( C) a = luchttemperatuur ( C) A = factor, functie v/d relatieve lucht snelheid Var t.o.v. het lichaam (-) Var (m/s) A(-) <0,2 0,5 0,2-0,6 0,6 0,6-1,0 0,7 Resulterende temperatuur Een ander begrip dat bij de aanbevolen binnentemperatuur vaak gebruikt wordt, is de resulterende temperatuur. De resulterende temperatuur, een afgeleide van de operatieve temperatuur, wordt gedefinieerd als het gemiddelde van de lucht- en de stralings temperatuur. Formule: res = 0,5 * ( l + r), waarin: l = luchttemperatuur en r = gemiddelde stralingstemperatuur. Bij lage luchtsnelheden (tot 0,2 m/s) en een temperatuurverschil tussen de lucht- en stralingstemperatuur van minder dan 4 K is de fout die men maakt te verwaarlozen. Bij een luchtsnelheid van minder dan 0,3 m/s is de operatieve temperatuur gelijk aan de resulterende temperatuur. Een en ander is gerelateerd aan de thermische gewaar wording van de mens, die als individu reageert op een combinatie van lucht- en stralings temperatuur. Daarbij komt dat de meeste thermostaten niet op één temperatuur reageren, maar op de genoemde combinatie van temperaturen. Algemeen kan worden aangenomen dat bij vertrekken die grenzen aan de buitenlucht, de gemiddelde stralingstemperatuur in de winter 1 K lager is dan de ruimtetemperatuur In de zomer, wanneer er lucht als koelmedium gebruikt wordt, is de stralingstemperatuur 1 K hoger. Wanneer TBA wordt toegepast, is het verschil tussen ruimtetemperatuur en stralingstemperatuur echter slechts 0,5 K. Bij ruimten die niet aan de buitenlucht grenzen, kan men ervan uitgaan dat de gemiddelde stralingstemperatuur gelijk is aan de ruimtetemperatuur. l en r zijn respectievelijk luchttemperatuur ( C) en de gemiddelde stralingstemperatuur ( C) Dauwpunt Volgens DIN-norm 1942 wordt voor de hogere buitentemperaturen 11,5 gram waterdamp per kilogram lucht als bovenwaarde gesteld in lucht met een relatieve vochtigheid van 65%. Dit komt overeen met een dauwpunt van 16,5 C en een relatieve vochtigheid van 55% bij een temperatuur van 26 C. De oppervlaktetemperatuur van het bouwdeel moet daarom hoger zijn dan 16,5 C. Omdat bij lage oppervlaktetemperaturen van zowel het plafond als de vloer ook klachten over de behaaglijkheid optreden, is voor actieve betonsystemen een oppervlaktetemperatuur van 22 C of hoger in de zomer een ontwerpeis. Er zullen dus geen problemen kunnen optreden met betrekking tot vochtvorming op actieve betondelen. Een groot voordeel van deze hogere temperaturen van de bouwdelen is dat men de ramen kan openen zonder gevolgen voor condensatie. Dit heeft echter wel gevolgen voor de koelcapaciteit. Een bijkomend voordeel van de actieve betonsystemen met een dunne hygroscopische afdekking (bijvoorbeeld stucwerk) ten opzichte van klimaatplafonds is dat ze een kleine hoeveelheid vocht kunnen opnemen. Hiermee wordt de kans op druppelvorming nog verder verkleind. Zijn de leidingen opgenomen in een niet-dampdicht bouwdeel, dan kan er condens op de leidingen ontstaan en naar de oppervlakte komen. Het is daarom raadzaam om in zo n geval een dauwpuntregeling toe te passen. Tevens moeten de watervoerende leidingen en units die aan de lucht blootgesteld zijn dampdicht worden geïsoleerd. Voorbeeld capaciteitsberekening Uitgaande van een warmteoverdrachtscoëfficiënt van 11 W/(m 2 *K) voor de vloer en 7 W/(m 2 *K) voor het plafond, is de warmteoverdracht van de vloer 1 * 11 = 11 W/m 2 en van het plafond 1 * 7 = 7 W/m 2. Het verschil tussen de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de vloer en die van het plafond wordt veroorzaakt doordat warme lucht van de vloer opstijgt en onder het plafond blijft hangen. Bij het koelen is dit omgekeerd. De stralingsoverdracht blijft gelijk, maar de convectieoverdracht is variabel

18 7 8 Ontwerp Bouwkundige aspecten en montagehandleiding Door de kleine benodigde capaciteit per vierkante meter kan met een lage watertemperatuur verwarmd worden en met een hoge watertemperatuur gekoeld worden. Naast het benodigde vermogen worden de watertemperaturen bepaald door de onderlinge leidingafstand, de ruimtetemperatuur en de vloerafwerking. Grafiek 8 Capaciteitsgrafiek thermische betonactivering (lijnen geven het voorbeeld aan) Voorbeeld: Gevelconstructie Aan de gevel worden eisen gesteld ten aanzien van de isolatiewaarde (Rc-waarden) en de zon- en lichttoetredingsfactoren (ZTA- en LTA-waarde) van het glas. Deze waarden bepalen in grote mate de externe belastingsfactoren op de ruimte. Aangezien er een beperkt koelvermogen geleverd kan worden met TBA, worden hieraan strenge eisen gesteld. Vloeren voor Thermische Betonkern Activering In Nederland worden de volgende vloeren in de utiliteitbouw toegepast: 1 buisafstand h.o.h. 150 mm plafondkoeling, vloerverwarming 2 buisafstand h.o.h. 200 mm plafondkoeling, vloerverwarming 3 buisafstand h.o.h. 150 mm vloerkoeling, vloerverwarming 4 buisafstand h.o.h. 300 mm plafondkoeling, vloerverwarming 5 buisafstand h.o.h. 200 mm vloerkoeling, vloerverwarming 6 buisafstand h.o.h. 300 mm vloerkoeling, vloerverwarming Koelen: opname (W/m 2 ) Verwarmen: afgifte (W/m 2 ) , , Breedplaatvloer Deze vloer wordt veelvuldig op verdiepingen toegepast, ook in combinatie met in het werk gestorte stroken ter plaatse van kolommen. De breedplaatvloer kan ook worden uitgevoerd als bollenvloer. Kanaalplaatvloer Deze vloer wordt ook veel toegepast. Met name in prefab gebouwen, bijvoorbeeld als er sprake is van dragende beton- of staalconstructies. PS-cassettevloer en rib-cassettevloer Deze worden alleen op de begane grond toegepast. Verschiltemperatuur (K) WTH Vloerverwarming heeft tevens een programma om te berekenen hoe groot de invloed van de leidingen in de vloer- en plafondconstructie is op de verwarmings- en koelcapaciteit (voorbeeld zie grafiek 8). Leidingen alleen opgenomen in de vloerconstructie; Onderlinge leidingafstand van hart-op-hart 200 mm; Benodigd verwarmingsvermogen van 40 W/m 2 ; Koelvermogen van 15 W/m 2 ; Ruimtetemperatuur van 20 C bij verwarmen; Ruimtetemperatuur van 24 C bij koelen; Stenen vloerafwerking; A anvoertemperaturen respectievelijk ca. 20 C + 13,5 C = 33,5 C en 24 C - 7,2 C = 16,8 C

19 8 8 Bouwkundige aspecten en montagehandleiding Bouwkundige aspecten en montagehandleiding De breedplaatvloer is het geschiktst voor TBA. Deze vloer dient op alle verdiepingen te worden toegepast. Het dak van het gebouw moet ook zo worden uitgevoerd. De uitvoering van de beganegrondvloer kan bijvoorbeeld het rib- of polystyreen systeem zijn. De breedplaat moet in de fabriek worden voorzien van speciale WTH-doorvoerdozen (zie afb. 4), aangebracht volgens de WTH-tekening. Al deze vloeren zijn geschikt voor Thermische Betonkern Activering. De vloeren met de grootste massa hebben ook de grootste warmteopslagcapaciteit. Voor de goede werking van het systeem is het toepassen van een gesloten verlaagd plafond uitgesloten. Als het om open verlaagde plafonds gaat of als er geen verlaagde plafonds zijn, zijn er meestal geluiddempende aanpassingen nodig. De installatie is onzichtbaar weggewerkt. Doordat uitgebreide installaties achterwege blijven, wordt veel bouwvolume uitgespaard. Bouwprocessen Globaal beschouwen we twee processen: A) Kunststof buizen worden op de bouwplaats in beton gestort; B) Kunststof buizen worden in de fabriek in betonnen elementen verwerkt en in het werk aan elkaar gekoppeld. Bij het in beton storten van de buizen op de bouwplaats dient vaak een breedplaatvloer als uitgangspunt. De buizen worden op de basisplaat aan het wapeningsnet bevestigd en daarna wordt de vloer gestort. Deze werkwijze kan overigens worden toegepast bij alle bouwdelen die op de bouwplaats worden gestort. Vaak zijn er extra wapeningsnetten en afstandshouders of supports nodig om de bouwstaalnetten met leidingen goed te kunnen positioneren. In toenemende mate wordt er met prefab betonelementen gewerkt. In dit geval zijn de buizencircuits per element meestal van beperkte lengte en worden ze ter plaatse aan elkaar gekoppeld. De koppelingen kunnen al dan niet bereikbaar weggewerkt worden in vloer of wand. Het aanbrengen van de leidingen in de neutrale zone heeft over het algemeen geen invloed op de sterkte van de constructie. In het ontwerpstadium van een gebouw dient reeds rekening te worden gehouden met het toepassen van dit systeem. Vloerafwerking De vloer kan afgewerkt worden met tapijt, parket, linoleum, tegels, etc. Aan tapijt en parket worden voorwaarden gesteld ten aanzien van de isolatiewaarde. De afwerking van de vloer heeft invloed op het functioneren van het systeem (raadpleeg hiervoor onze brochure Vloer- en wandopbouw ). Montage in het werk De wapening van de breedplaat moet zodanig zijn dat zo veel mogelijk in het hart van de dikte van de vloer een bindnet van 150 x 5 mm op de tralieliggers van de vloer kan worden gebonden. Op het net moeten de kunststof leidingen worden aangebracht volgens de tekening van WTH; ze worden bevestigd met behulp van binddraad. De bevestigingsafstand bedraagt 500 mm en er zijn drie bevestigingen per bocht. De leidinguiteinden moeten door de doorvoerdozen worden gestoken, zodat ze aan het plafond van de onderliggende verdieping uitkomen. De overlengte van de einden is door WTH op de tekening aangegeven. De installatie moet voor het storten met lucht worden afgeperst en doorgeperst (met een minimale persdruk van 300 kpa) of gecontroleerd worden volgens de eisen van de opdrachtgever. De opdrachtgever of zijn gemachtigde moet het persattest aftekenen. Tijdens het storten moet de druk worden gehandhaafd. Mocht er tijdens het storten een lek geconstateerd worden, dan moet in het natte beton een stuk isolatie materiaal aangebracht worden op de plaats waar de luchtbellen ontsnappen, zodat er later gemakkelijk een reparatiekoppeling geplaatst kan worden en de vloer kan worden afgewerkt. Prefab elementen Bij dit systeem worden de door WTH geprefabriceerde elementen, bestaande uit bindnetten met daarop de gemonteerde buis, compleet in een transportrek aangevoerd (zie afb. 5). Het rek wordt door de bouwkraan op de betreffende bouwlaag geplaatst. Verder verloopt de montage als boven. De netten hebben maximale afmetingen van 2000 x 5000 mm. Flex-Fix machine WTH kan ook zogenaamde Flex-Fix matten leveren. Dit zijn leidingpatronen die machinaal in de vorm van een mat zijn geprefabriceerd. De matten worden door middel van een flexibel bindmateriaal samengevlochten. Hierdoor zijn ze eenvoudig te transporteren. Overige voordelen zijn: Snelle montage in het werk De matten kunnen in 20% van de reguliere montagetijd worden aangebracht, hetgeen inspeelt op de vraag naar bouwtijdverkorting

20 8 9 Bouwkundige aspecten en montagehandleiding Kosten TBA, Bronvermelding & Referentielijst Afbeelding 4 WTH-doorvoering TBA Afvalbeperking Door de buis in grote lengte op haspels af te nemen en in de matten precies het gewenste aantal meters buis te verwerken kan zo tot beperking van restlengtes gekomen worden ten opzichte van de huidige vaste rollengtes. Verwerking in prefab betonconstructies Om vanuit prefab betonconstructies wandverwarming te kunnen leveren wordt het mogelijk om de gewenste matten bij de betonverwerkende industrie af te leveren, waarna deze zelf op het gewenste tijdstip de mat in het stortwerk op kan nemen. Dit product kan alleen geleverd worden bij seriematige productie van gelijkvormige matten. Afmontage Op de plaats van de aansluiting van de kunststof leidingen is meestal een verlaagd plafond gepland. De leidinguiteinden worden op een (ring)leiding of unit aangesloten. Zie verder de montagehandleiding van WTH Vloerverwarming. Tekening Afwijkingen van de tekeningen met de projectleider van WTH overleggen en op de tekening aangeven. Kosten De besparing op de installatiekosten wordt voornamelijk veroorzaakt doordat er een kleiner luchtbehandelingssysteem nodig is dan bij volledige luchtkoeling en -verwarming. De besparing op energie bestaat uit twee aspecten: Besparing van verwarmingsenergie. Door een betere warmteverdeling en een hogere stralingstemperatuur kan met een lagere luchttemperatuur worden volstaan; dit geeft een lager transmissieverlies. Door de lage watertemperatuur wordt een hoog opwekkingsrendement bereikt. Besparing van koelenergie. Er kan vrij worden gekoeld vanuit een koudebron of er kan actieve nachtkoeling worden toegepast tegen een laag elektriciteitstarief. De bouwkundige meerkosten vallen weg tegenover de minder benodigde bouwhoogte als de verlaagde plafonds vervallen. De installatiekosten liggen voor een gemiddeld kantoor circa 30% lager dan bij een installatie die bestaat uit luchtkoeling en -verwarming door middel van radiatoren langs de gevels. De onderstaande tabel geeft een zeer globale indicatie van de installatiekosten per bruto m 2 kantooroppervlak (richtprijzen maart 2005). Afbeelding 5 Transportrek WTH TBA Tabel 6 Kosten voor installatie per bruto m 2 kantooroppervlak Traditioneel Prijs per m 2 x 1000 TBA Prijs per m 2 x 1000 Luchtkoeling en radiatoren Koudeopwekking 1 20,50 Warmtepomp warmte en koude opw. 1 24,50 Warmteopwekking 1 10 Hoofdverdeling warmte en koude 1 4 Hoofdverdeling koude 1 3 TBA leidingen en toebehoren 1 48 Hoofdverdeling warmte 1 1,5 Luchtbehandelingskast 1 13,50 Luchtbehandelingskast 1 20 Luchtkanalensysteem roosters e.d. 1 16,50 Leidingnet en radiatoren 1 38 Meet- en regeltechniek 1 11 Kanalensysteem roosters e.d. 1 59,50 Opslagsysteem bijv. bron 1 3 Meet en regeltechniek 1 17,50 Totaal Totaal 3 120,