Klimatiseringsconcepten

Transcriptie

1 Juli/Augustus 2010 Jaargang 39 Nr 7/8 JAARGANG 39 NR. 7/8 TVVL MAGAZINE JULI/AUGUSTUS 2010 Powermatching Microklimatisering De mythe thermische massa Klimatiseringsconcepten

2 Optimaal comfort en minder energiegebruik Microklimatisering De kwaliteit van het thermisch binnenmilieu neemt een centrale plaats in bij het welbevinden van gebouwgebruikers. Door individuele verschillen tussen personen is het echter niet mogelijk om met een uniform binnenklimaat alle gebouwgebruikers tevreden te stellen. Royal Haskoning en de TU/e hebben samen onderzoek gedaan naar microklimatisering, om hiermee tegemoet te komen aan de behoefte van de mens en tevens energie te besparen. Prof.ir. W. (Wim) Zeiler en dr.ir. M.A. (Rinus) van Houten, TU/e; ing. H. (Hans) Besselink, ir. G.J.A. (Geert) Filippini en ing. J. ( Jaap) Veerman, Royal Haskoning Het welbevinden met betrekking tot het binnenmilieu is een complex samenspel van verschillende factoren (o.a. privacy, akoestiek, daglicht toetreding, visueel comfort, thermisch binnenklimaat, luchtkwaliteit, materiaalgebruik, uitzicht, ergonomie en de inrichting van de ruimte). Deze factoren beïnvloeden de mate waarin de mens zich gezond, comfortabel en productief voelt. Hierbij neemt de kwaliteit van het thermisch binnenklimaat een centrale plaats in. Desondanks komen er nog steeds veel thermische comfortklachten voor in kantoorgebouwen. Bovendien gaat een groot deel van het (wereldwijde) energiegebruik naar de klimatisering (verwarmen, koelen en ventileren) van kantoorgebouwen. Vanwege de klimaatveranderingen als gevolg van CO 2 -uitstoot en de steeds duurder wordende energiebronnen is het belangrijk dat deze energie optimaal hiervoor wordt ingezet. Daarom is het belangrijk om een optimaal thermisch binnenklimaat tegen een minimaal energiegebruik te creëren. Vanwege verschillen tussen personen (geslacht, vetpercentage, kledingweerstand, etc.) is het niet mogelijk om met éénzelfde binnenklimaat alle gebouwgebruikers tevreden te stellen. Dit is echter wel de methode die op dit moment wordt toegepast in kantoren. Met behulp van lokale klimatisering kan tegemoet worden gekomen aan de behoefte van de gebouwgebruikers en tevens energie worden bespaard. Hiervoor dient er te worden afgestapt van de gemiddelde mens en dient er te worden gekeken naar de behoefte van de individuele mens. FANGER De behaaglijkheidstudies van Fanger spelen een belangrijke rol bij het bepalen van het binnenklimaat voor kantoorgebouwen en is de basis van de huidige NEN-EN-ISO Het comfortmodel van Fanger voorspelt één thermische omgeving waarbij zo weinig mogelijk mensen ontevreden zijn en houdt hierbij alleen rekening met de gemiddelde mens (bij een PMV = 0 is alsnog minimaal 5 % ontevreden, in de praktijk is dit vaak hoger). Er bestaat echter geen gemiddelde mens. Daarom is het Fanger comfortmodel niet geschikt om het individuele thermische comfort te voorspellen. Daarnaast wordt er in dit model geen rekening gehouden het thermoregulatiesysteem van de mens om het algemene en lokale comfort te bepalen. THERMOREGULATIE Om de thermische beleving van gebouwgebruikers beter te begrijpen is de werking van het thermoregulatiesysteem van belang. Thermoregulatie is het vermogen van een organisme om zijn lichaamstemperatuur te handhaven. De normale kerntemperatuur van de mens is rond de 37 C en varieert met een dagelijks patroon. De kerntemperatuur wordt door diverse fysiologische mechanismen (de autonome thermoregulatie) tussen een smalle band gehouden. Daarnaast hebben de gedragsmatige en technische aanpassingen invloed op het thermoregulatiesysteem. Autonome thermoregulatie Autonome thermoregulatie binnen een kantooromgeving bestaat ruwweg uit vier mechanismen: rillen, vasoconstrictie, vasodilatatie en zweten. Thermoreceptoren in de huid en de kern sturen, naast de input van verschillende andere processen in het lichaam (o.a. circadiaanse cycli), de verschillende thermoregulatie mechanismen aan [2]. Er wordt verder ingegaan op vasomotie. Vasodilatatie en vasoconstrictie Een van de taken van de bloedcirculatie is het ondersteunen van het thermoregulatie systeem van de mens. Om de warmteafgifte naar de omgeving te beïnvloeden beschikt het lichaam over de mogelijkheid om de bloedtoevoer naar de aderen aan te passen (vasomotie). Indien de kerntemperatuur dreigt te verhogen 4 TVVL Magazine 07/ BINNENMILIEU

3 kan het lichaam meer warmte aan zijn omgeving afstaan door de doorbloeding naar de extremiteiten (handen en voeten) te verhogen (vasodilatatie genoemd). Hiervoor worden de bloedvaten die aan de oppervlakte van de huid liggen verwijd, gaat er meer bloed stromen en neemt de huidtemperatuur toe. Hiermee kan op een adequate manier meer warmte aan het omringende weefsel worden afgegeven. Indien er sprake is van afkoeling en het lichaam de warmteafgifte naar zijn omgeving wil beperken, treedt het omgekeerde verschijnsel op. De vaten vernauwen zich, waardoor het bloed langzamer gaat stromen, de huidtemperatuur afneemt en zo het warmteverlies wordt beperkt. Dit verschijnsel heet vasoconstrictie en gaat gepaard met kouder wordende handen en voeten. Gedrachtsmatige thermoregulatie Gedragsmatige aanpassingen vinden in een kantooromgeving plaats door het aanpassen van het metabolisme (door beweging), van de kledingweerstand of bijvoorbeeld door het drinken van een iets kouds of warms. Technische aanpassingen zijn bestaan uit individuele beïnvloedingsmogelijkheden, waaronder het openen van een raam of het bijstellen van een thermostaat. De mogelijkheid tot individuele beïnvloeding heeft een grote invloed op de comfortbeleving en de productiviteit. Om te voldoen aan de thermische wensen van de gebouwgebruikers dienen zoveel mogelijk zaken individueel instelbaar te zijn. Toch lijkt het dat ontwerpers hier weinig aandacht aan schenken, in de praktijk blijken de beïnvloedingsmogelijkheden namelijk beperkt te zijn. COMFORTBELEVING Elk lichaamsdeel heeft een range aan huidtemperaturen waarbinnen deze comfortabel voelt. Door de omgevingscondities en de thermoregulatie veranderen de kerntemperatuur en de huidtemperaturen. Dit veroorzaakt verschillende comfortbelevingen in koude en warme omgevingen. In een koudere kantooromgeving is de afkoeling van het lichaam vaak klein, zodat eerst de extremiteiten (handen en voeten) koud worden als gevolg van vasoconstrictie. In een koudere omgeving zijn dus de voeten, handen (en in mindere mate de rug) de meest gevoelige lichaamsdelen. Het verwarmen van de voeten en handen in een koude omgeving is het meest effectief om thermisch comfort te bereiken (in figuur 1 is dit principe weergegeven.) In een uniforme warme omgeving is het hoofd het meest gevoelig en wordt het hoofd als warm beschreven en minder comfortabel dan de rest van het lichaam, het koelen van het -Figuur 1- Gevoelige lichaamsdelen in een koude (handen, voeten en in mindere mate de rug) en warme (hoofd) omgeving. Door deze lichaamsdelen als eerst te verwarmen of te koelen wordt er het snelst een thermisch behaaglijke staat bereikt. [3] [4] hoofd is dus het meest effectief om een thermisch comfortabele staat te bereiken [3] [4]. (PERSOONLIJKE) VENTILATIE In huidige kantoorgebouwen wordt de schone en geconditioneerde ventilatielucht vaak ver van de gebruikerszone ingebracht. Onderweg naar de gebruikerszone verontreinigt die weer en stijgt in temperatuur. In veel geventileerde ruimten is de hoeveelheid ventilatielucht in de orde grootte van 10 l/s/persoon. Van deze lucht wordt slechts 0,1 l/s/persoon, oftewel 1 % daadwerkelijk ingeademd. De rest (99 %) van deze lucht, wordt dus niet optimaal gebruikt. En deze 1 % van de ventilatielucht die wordt ingeademd, is vaak niet eens schoon. De luchtkwaliteit kan worden verbeterd door meer ventilatielucht in te brengen, dit betekend echter ook meer energiegebruik en een toenemend risico op tochtklachten. Persoonlijke ventilatie De luchtkwaliteit hoeft eigenlijk niet in de gehele ruimte dezelfde kwaliteit te hebben. Het belangrijkste is de luchtkwaliteit in de buurt van de ademzone. Een manier om de luchtkwaliteit in de ademzone te optimaliseren is door kleine hoeveelheden schone lucht rechtstreeks naar de ademzone van het individu te brengen door een Persoonlijke Ventilatie Systeem (PVS). Mogelijke voordelen van een dergelijk systeem zijn: - lokaal verbeterde luchtkwaliteit; - plaatselijk verbetert thermisch comfort; - verbeterde gezondheid; - vermindering ziekteverzuim; - verbeterde productiviteit; - vermindering energiegebruik; - individuele beïnvloeding. Er is veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van persoonlijke ventilatiesystemen [6]. Een persoonlijk ventilatiesysteem (PVS) dat op dit moment op de Nederlandse markt beschikbaar is, is het PVS dat wordt geproduceerd door Exhausto. Bij dit PVS-systeem wordt geconditioneerde lucht door een inblaasunit boven het beeldscherm ingebracht. Hierdoor komt de lucht direct in de ademzone terecht. Bij dit systeem is zowel de luchtrichting als het luchtdebiet (tussen 0-10 l/s) individueel instelbaar. DE MENS CENTRAAL Tot zover de behoefte van de gebouwgebruiker in een kantooromgeving. De vraag is nu hoe er met behulp van lokale klimatisering kan worden voldaan aan deze behoefte. Traditioneel wordt een klimaatinstallatie ontworpen tot op vertrekniveau, waarna de werkplek en persoon in dit vertrek worden geplaatst. Door nu juist de mens centraal te zetten en vanuit zijn behoefte een klimaatsysteem op werkplekniveau te ontwerpen, wordt er tot nieuwe klimaatconcepten gekomen. In dit onderzoek is er met behulp van methodisch ontwerpen, een functieschema opgesteld waarin de behoefte van de mens per lichaamsdeel op het gebied van het binnenklimaat zijn aangegeven (zie figuur 2 op de volgende pagina). Eerst zijn er individuele oplossingen gezocht voor de functies (verwarmen, koelen en ventileren) bij de verschillende lichaamsdelen. Met behulp van een morfologisch overzicht zijn er door combinatie van deze individuele oplossingen zes concepten ontworpen, die voldoen aan de behoefte van de gebouwgebruiker. Het microklimaat-concept met de meeste potentie is gekozen door middel van de Kesselring methode. MICROKLIMAAT Met een microklimaatsysteem wordt een duurzaam individueel beïnvloedbaar thermisch comfortsysteem op werkplekniveau bedoeld. Het ontworpen microklimaatsys- TVVL Magazine 07/ BINNENMILIEU 5

4 teem is weergegeven in figuur 3 en bestaat uit verticale thermisch geactiveerde stralingspanelen die zijn geïntegreerd in het bureau (A). Deze panelen kunnen in temperatuur worden geregeld en beïnvloeden zo de operatieve temperatuur op de werkplek. Ook wordt de oppervlaktetemperatuur rondom het bureau beïnvloed. De persoonlijke ventilatie wordt geleverd door het eerder genoemde PVS, dat is geïntegreerd tussen de stralingspanelen (B). Het principe van het systeem is, dat tijdens het verwarmen, de handen en voeten optimaal worden verwarmd. Daarnaast wordt ook de rest van het lichaam verwarmd. Een koude rug kan worden voorkomen door een verhoogde rugleuning van de stoel. Het persoonlijke ventilatiesysteem verzorgt een optimale luchtkwaliteit in de ademzone. Tijdens het koelen wordt een deel van de koeling geleverd door het stralingspaneel. Daarnaast wordt ook het persoonlijke ventilatiesysteem ingezet voor de koeling van het hoofd en de bovenkant van het lichaam. Op deze manier wordt er voldaan aan de theorie over de thermisch gevoelige lichaamsdelen. In figuur 4 is het systeem nogmaals weergegeven, waarbij er ook een basisventilatiesysteem is toegevoegd (C). -Figuur 2- De behoefte van de gebouwgebruiker is op het gebied van het thermisch comfort, de ventilatie en de individuele beïnvloeding, aangegeven per lichaamsdeel. MEETRESULTATEN Het stralingspaneel uit dit gekozen concept is verder vormgegeven door de bouw van een prototype Het prototype is getest door het verrichten van metingen in een onderzoeksruimte in het BPS laboratorium van de faculteit bouwkunde op de Technische Universiteit in Eindhoven (zie figuur 5). Op basis van de meetresultaten wordt geconcludeerd dat de handen en de voeten effectief worden verwarmd met het systeem, dit sluit goed aan bij de comforttheorie uit de literatuurstudie. Tijdens het koelen is de temperatuurafname bij het hoofd het laagst en bij de voeten het hoogst. Dit komt niet goed overeen met de comforttheorie over de gevoelige lichaamsdelen in een warme omgeving. Het persoonlijke ventilatiesysteem kan echter worden gebruikt om het bovenlichaam en het hoofd aanvullend te koelen, dit dient nader te worden onderzocht. -Figuur 3- Doorsnede van het microklimaatsysteem waarbij er verticaal thermisch geactiveerde stralingspanelen tussen het bureau zijn geplaatst (A) en een persoonlijk ventilatiesysteem geïntegreerd is tussen de panelen (B). Aan de linkerzijde is het systeem aan het verwarmen en verzorgt het PVS de ventilatie. Aan de rechterzijde levert het stralingspaneel een deel van de koeling en zorgt het PVS voor de ventilatie en koeling van het hoofd en bovenlichaam. BASISKLIMAAT & MICROKLIMAAT Voor het verwarmen en koelen van de stralingspanelen is op de werkplek geconditioneerd water nodig. Daarnaast is geconditioneerde ventilatielucht op de werkplek nodig ten behoeve van het persoonlijke ventilatiesysteem. Hiervoor is een mogelijk systeem op vertrekniveau ontworpen. Een basisventilatiesysteem vanuit de vloer (A) verzorgt een basisklimaat qua tempera- -Figuur 4- Weergave van het principe van een het microklimaatsysteem, waarbij de achterste aan het verwarmen is. (A= Thermisch geactiveerde stralingspanelen, B=Persoonlijk Ventilatiesysteem, C= Basisventilatie). 6 TVVL Magazine 07/ BINNENMILIEU

5 tuur en luchtkwaliteit. Door middel van het microklimaatsysteem kan de temperatuur en luchthoeveelheid op de werkplek door de gebruiker worden ingesteld. Door combinatie van de stralingspanelen, het persoonlijke ventilatiesysteem en een flexibel en demontabel vloersysteem is het systeem, zoals weergegeven in figuur 6, ontstaan. Het ventilatiesysteem (basis + persoonlijk) en het gekoeld en verwarmd water zijn geïntegreerd in een vloersysteem. Systeemprincipe De basisventilatie wordt op gebouwniveau centraal behandeld, waarna het naar de vertrekken wordt gebracht. Het basisklimaat op vertrekniveau wordt gecreëerd door een basisventilatiesysteem, gebaseerd op een opwaartse verticale doorstroming, die de luchtkwaliteit en de temperatuur van het basisklimaat binnen de gewenste range regelt. De gebruiker heeft op zijn werkplek de mogelijkheid om het ventilatiedebiet en de temperatuur aan te passen aan zijn persoonlijke wensen. Zowel de temperatuur als de luchtkwaliteit mag buiten het microklimaat (in het basisklimaat) minder zijn. De bandbreedte van het basisklimaat mag hierbij dus groter zijn ten opzichte van een conventioneel systeem. De ventilatievoud van het basisklimaat kan ook omlaag ten opzichte van een conventioneel ventilatiesysteem. ENERGIEBESPARING Om een optimaal comfort tegen een minimaal energiegebruik aan te bieden, wordt de bandbreedte van het basisklimaat vergroot ten opzicht van een conventioneel systeem. Er wordt een minimaal basisklimaat aangeboden, dit betekent dat de temperatuur van het basisklimaat in de zomersituatie hoger en in de wintersituatie lager ligt dan normaal. Door middel van het microklimaatsysteem kan de temperatuur op de werkplek door de gebruiker worden ingesteld. De temperatuurrange waarbinnen dit mogelijk is, is afhankelijk van de temperatuur van het basisklimaat en de eigenschappen van het microklimaatsysteem. De hoeveelheid energie die in het microklimaat wordt gestopt, wordt in mindering gebracht op de energie die in het basisklimaat wordt gestopt. Om de invloed van het stralingspaneel op het energiegebruik te bepalen zijn indicatieve besparingsberekeningen gemaakt (hierbij is het effect van het PVS niet meegenomen). Op basis van deze berekeningen kan worden geconcludeerd dat energiebesparing mogelijk is bij toepassing van het microklimaatsysteem doordat de toelaatbare bandbreedte van het basisklimaat groter mag worden. De besparing kan oplopen tot 14 % op de behoefte voor zowel verwarming als koeling wanneer de toelaatbare temperatuur van het basisklimaat wordt opgerekt (setpoint koelen van 24 o C naar 25 o C, en setpoint verwarmen van 21 o C naar 19 o C). Door toepassing van het PVS kan het luchtdebiet omlaag, terwijl de luchtkwaliteit op de werkplek gelijk blijft en zelfs verbeterd. Hierdoor neemt het energiegebruik voor verwarmen, koelen en ventilatorenergie af. Verwacht wordt dat door combinatie van beide systemen het energiegebruik nog verder afneemt. PREPARED FOR THE FUTURE? Geconcludeerd kan worden dat het comfortmodel van Fanger niet geschikt is voor het voorspellen van het individuele thermische comfort. De belangrijkste reden hiervoor is dat individuele verschillen (o.a. leeftijd, vetpercentage, metabolisme, kledingweerstand) voor de comfortbeleving niet worden meegenomen. Bovendien wordt geen rekening gehouden met de thermoregulatie van de mens. In een koude omgeving zijn de handen, voeten (en in mindere mate de rug) de thermisch gevoelige lichaamsdelen. In een warme omgeving is het hoofd het meest gevoelige lichaamsdeel. Het direct conditioneren van deze lichaamsdelen is de meest effectieve manier om thermisch comfort te bereiken. Met behulp van het in dit artikel weergegeven microklimaatsysteem is een verbetering van het comfort (thermisch en ventilatie) en een vermindering van het energiegebruik mogelijk gemaakt. Dit biedt grote mogelijkheden om gebouwen in de toekomst comfortabeler en duurzamer te maken. Een werkend microklimaatsysteem is te zien geweest op de stand van Inteco en Inatherm op de VSK Figuur 5- Prototype stralingspaneel in de onderzoeksruimte. REFERENTIES 1. Hensel, H.; Thermoreception and Temperature Regulation; Arens, E., Zhang, H.; The Skin s Role in Human Thermoregulation and Comfort; Center for Built environment, University of Californoa, Berkeley; SkinsRole 3. Arens, E., Zhang, H., Huizenga, C.; Partialand whole-body thermal sensation and comfort Part 1 Uniform environmental conditions; Journal of Thermal Biology 31 (2006), Zhang, H.; Human Thermal Sensation and Comfort in Transient and Non Uniform Thermal Environments; Phd Thesis; repositories.cdlib.org/cedr/cbe/ieq/ Zhang2003Thesis/ 5. Fanger; Human requirements in future airconditioned environments; International Journal of Refrigeration 24 (2001) Melikov, A., Cermak,R., Majer, M.; Personalized ventilation: evaluation of different air terminal devices; Energy and Buildings 34 (2002) -Figuur 6- Principe van het microklimaatsysteem op vertrekniveau. A= Thermisch microklimaat door stralingspanelen; B=PVS; C= Basisventilatie; D= Basisklimaat waarbij bandbreedte temperatuur groter is en ventilatievoud lager. TVVL Magazine 07/ BINNENMILIEU 7