Betonkernkoeling met Lucht

Transcriptie

1 TECHNIK AM BAU Sonderdruck aus 6/2002 Nieuwe wegen met lucht Betonkernkoeling met Lucht Gecontroleerde ventilatielucht en koelen van gebouwmassa in één systeem In het onderstaand beschreven project werd een innovatief systeem toegepast: Betonkernkoeling met lucht. Het systeem omvat de functies van gebalanceerde ventilatielucht en koeling in een hoog efficiënte bouwmassaactivering. Er wordt uitsluitend de hygiënisch benodigde hoeveelheid ventilatielucht toegevoerd. De praktijkervaringen hebben alle verwachtingen overtroffen. Comfort, gebruikersacceptatie en energiebesparing geven de richting aan voor de toekomst. Dipl.-Ing./Clemens Kiefer Maschinenfabriek Gg. Kiefer GmbH, Luft- und Klimatechnik, D Stuttgart Het nieuwe gebouw van Kirchhoff AG in Stuttgart-Leinfelden (foto 1) waar betonkernkoeling met lucht is toegepast, werd in juli 2001 opgeleverd en in gebruik genomen. Projectbeschrijving en gebouwtechnologie Het gebouw heeft een bruto inhoud van ca m 3 incl. ca m 3 ondergrondse parkeergarage. Het netto oppervlak bedraagt ca m 2. Het volgens de laatste stand van de techniek ingerichte gebouw biedt plaats aan totaal 155 medewerkers en besprekingsruimten voor ca. 90 personen. Op de plattegrond (foto 2) zijn 2 vleugels te zien die 7 gespreid zijn ten opzichte van el-kaar. Tussen beide vleugels zijn gemeen-schappelijke en sanitaire ruimten geprojecteerd. De gevel is met natuursteen bekleed. De vensters zijn met zonwerend glas en elektrische binnenzonwering uitgevoerd. De zonwering gaat automatisch, afhankelijk van de zonintensiteit, maar ook handbediend, van onder naar boven. Deze methode garandeert een indirecte verlichting door zoninstraling via het wit gestucte plafond. De ramen kunnen worden geopend. Gezien de locatie van het gebouw, in de aanvliegroute van luchthaven Stuttgart, wordt zelden van deze mogelijkheid gebruik gemaakt. Voor de ventilatie met een aan de hygiënische eisen aangepaste minimale luchthoeveelheid werd een mechanische luchtbehandelingsinstallatie geprojecteerd. Het architectonische voorontwerp, met gladde gestucte plafonds, gaf de inspiratie de te verwachten warmtelast door middel van betonkernactivering af te voeren. Het door de firma Kiefer Luft-und Klimatechnik uit Stuttgart ontwikkelde systeem van betonkernkoeling met lucht paste uitstekend in het totaalconcept. In nauwe samenwerking met de firma Kiefer hebben het ingenieursbureau Laux, Kaiser & Partner en het architectenbureau Arat, Siegel & Partner een voor de opdrachtgever en gebruiker van het gebouw optimaal concept uitgewerkt. Foto 1: Het nieuwe gebouw van Kirchhoff AG in Leinfelden-Echterdingen

2 klimaa tl al afoer afzuig 3960 m3/h, FSK 503/400 west tl al toevoer 3960 m3/h, FSK 503/400 west toevoer wc 1000 m 3 /h, Ø 255, FSK 252/252 afoer afzuig 1100 m 3 /h, Ø 280, FSK 252/252 toevoer 5100 m 3 /h, FSK 503/400 oost afoer afzuig 5100 m 3 /h, FSK 503/400 oost al tl toevoer 4550 m 3/h E+3 afvoer afzuig 2640 m 3 /h FSK 503/318 west tl/al jeder 630 m 3 /h 13 x spleetuitlaat jeder 50 m 3 /h afvoer afzuig 4550 m 3 /h E+3 toevoer 2640 m3/h FSK 503/318 west toevoer (tl) afoer afzuig (al) Afbeelding 2 Plattegrond van het gebouw van Kirchhoff AG gegevens over het gebouw Ruimte inhoud z.parking (bruto) m 3 Nuttig oppervlak (bruto ) m 2 Geconditioneerd oppervlak (m.b.t. het systeem betonkernkoeling met lucht ) Asafstand 7.55 m Aantal modulen per as 6 stuks Moduulbreedte 1.25 m Moduuldiepte 5.24 m Moduuloppervlak 6.55 m 2 Aantal modulen 239 stuks Totaal oppervlak 1565 m 2 Totale luchthoeveelheid Kantoren zone west m 3 /h Kantoren zone west m 3 /h Kantoren zone oost 5760 m 3 /h ========== m 3 /h Specifieke luchthoeveelheid 10 m 3 /hm 2 De nachtkoeling werd, voorzover nodig, d.m.v. een poolomschakelbare motor met gereduceerde volumestroom bedreven. Ook overdag kan, na de beginfase, op een gereduceerde luchthoeveelheid worden omgeschakeld. Dit draagt bij tot een extra energiebesparing. Systeembeschrijving De betonkernkoeling met lucht maakt gebruik van de hoge opslagcapaciteit van de betonvloer. De toevoerlucht stroomt door koelbuizen, uitgevoert in thermisch goed geleidend aluminium, die in de betonvloer zijn gestort. Om de warmteoverdracht te vergroten werd het binnenoppervlak verdrievoudigd. Door de hoge energie-uitwisseling tussen de lucht en de betonvloer doet de vloer dienst als decentrale naverwarmer van de toevoerlucht en gelijktijdig wordt de vloer gekoeld. Deze naverwarmer functioneert zonder primaire energietoevoeging en alleen door de warmtelast uit de ruimten. De hygiënisch benodigde ventilatieluchthoeveelheid stroomt met C door de ribbenbuizen en stroomt aansluitend via geschikte luchtverdeelarmaturen de ruimte binnen. Er wordt een warmteoverdracht van ca. 90% bereikt. Dit betekent dat de toevoerlucht na het doorstromen door een getemperde betonvloer van 22 C en een actieve ribbenbuislengte van 7-10 m met een temperatuur van ca. 21 C de buis verlaat. Als gevolg van de lage begintemperatuur van de toevoerlucht, vóór intrede in de ribbenbuis, zijn enorme energiebesparingen gedurende de levensduur van het gebouw te verwachten. Ca h/j (VDI 4710) is buitenlucht van 12 C beschikbaar.

3 Architectenbureau: a s p Arat Siegel & Pa., D Stuttgart Ingenieursbureau TGA: Laux, Kaiser & Partner, D Stuttgart Bouwonderneming: HochTief AG Vestiging Württemberg, D Stuttgart Betonkernkoeling met Lucht: Gg. Kiefer GmbH, Luft- und Klimatechnik, D Stuttgart bouwteam Alleen al in de wintertijd zijn dit besparingen, m.b.t. de opwarming van de ventilatielucht en rekening houdend met de bedrijfstijd, van ca. 19 kwh/m 2 j. De regeneratieve warmteterugwinning warmt de buitenlucht al op tot ca. 10 C. De ventilatormotor verwarmt, afhankelijk van de opvoerhoogte, de lucht nog op met 1 tot 2 C. Daarna kan de lucht zonder verdere thermische nabehandeling via de luchtkanalen de koelbuizen binnenstromen. Over de zomersituatie bestaan uiteenlopende meningen m.b.t. de hoogte van afkoeling/ontvochtiging van de buitenlucht. Uit [1] en [2] wordt duidelijk dat de ontvochtiging van de ventilatielucht een wezenlijke bijdrage levert aan het comfort in gebouwen en de arbeidsprestatie van de gebruiker positief beïnvloed. Dat betekent dat ook in de zomermaanden tot een waarde van 12 C wordt afgekoeld en gelijktijdig wordt ontvochtigd, om een aangenaam en productief ruimtecomfort te bereiken. Het energiegebruik voor koeling/ontvochtiging bedraagt dan voor een luchtdebiet van 7,5-10m 3 /hm 2 ca. 20 tot 25 kwh/m 2 j. Bij systemen die de betonvloer met water koelen moet het energieverbruik dat nodig is om de betonvloer te koelen nog worden meegerekend. Deze bedragen, bij warmtelasten van W/m 2.. en een bedrytstyd van 2000 h/j, ca. 80 tot 100 kwh/ m 2 j. Dit betekent dat het systeem betonkernkoeling met lucht de benodigde koelcapaciteit tot op 20% reduceert en dat bij gelijk of beter comfortresultaat. Het hogere comfort resulteert in ongeveer 1 2 K lagere ruimtetemperaturen, doordat tijdens het gebruik van de ruimten het plafond actief wordt gekoeld. west oost al 4550 m 3 /h ti 4550 m 3 /h 3e verd. west 2 west 1 directie west 2 al 1320 m 3 /h al 1980 m 3 /h al 630 m 3 /h tl 1320 m 3 /h tl1980 m 3 /h al 1920 m 3 /h tl 630 m 3 /h tl 1920 m 3 /h 2e verd. gecombineerd bereik al 1320 m 3 /h al 1980 m 3 /h al 630 m 3 /h tl 1320 m 3 /h tl 1980 m 3 /h al 1920 m 3 /h tl 630 m 3 /h tl 1920 m 3 /h 1e verd. gecombineerd bereik al 1320 m 3 /h al 1980 m 3 /h al 630 m 3 /h tl 1320 m 3 /h tl 1980 m 3 /h al 1920 m 3 /h tl 630 m 3 /h tl 1920 m 3 /h beg.gr. gecombineerd bereik kelder installatie SD SD afzuiglucht (al) buitenlucht (tl) al m 3 /h tl m 3 /h m 3 /h west 2 west 1 oost verd m 3 /h west 2 west 1 oost NE verd..3 toevoerlucht (tl) afvoerlucht (al) Afbeelding 3: De centrale luchtbehandeling is met een regeneratieve warmteterugwinning uitgerust

4 klimaa Installatietechniek De centrale luchtbehandelingsinstallatie is met een regeneratieve warmteterugwinning (WTW) uitgerust. Door de WTW wordt de buitenlucht, zoals reeds vermeld, op een temperatuur gebracht waarmee ze de koelbuizen kan doorstromen. De ingebouwde koeler en verwarmer moeten bij extreme weerssituaties of bij uitval van de WTW in staat zijn de toevoerluchttemperatuur te waarborgen. Verdere decentrale nakoelers en/of naverwarmers verzorgen eventueel andere gebouwzones met de benodigde toevoerluchttemperaturen. De 3e verdieping werd op basis van een gepland houten dak met een koelplafond en eveneens met verdringingslucht als ventilatielucht uitgevoerd. Daarvoor werd de toevoerlucht voor de 3e verdieping, na uittrede uit de luchtbehandelingskast, plaatselijk naverwarmd. De toevoerlucht stroomt vervolgens via de luchtkanalen en de benodigde brandkleppen naar de betreffende verdiepingen. Als gevolg van het drukverlies van de koelbuizen en door een goede dimensionering van de luchtkanalen wordt de luchthoeveelheidsinstelling zonder volumeregelaars bewerkstelligd. Het drukverlies van de koelbuizen werkt als compenserende eindweerstand. De verbinding tussen de luchtkanalen en de koelbuizen geschiedde d.m.v. flexibele geïsoleerde verbindingsslangen. Aan de binnenzijde van het vertrek werd een koof aangebracht om de verdringingsluchtarmaturen aan te brengen. De koof werd afgedekt door een lamellenrooster. Hierdoor wordt de ventilatielucht in de ruimte gebracht. Door het temperatuurverschil stroomt de lucht naar beneden over de vloer naar de warmtebronnen en stijgt vervolgens weer op, waarna deze wordt afgevoerd via een spleet in de koof en een geluiddicht overstroomelement naar de afvoerkanalen in de gangzone (foto 4). afvoerlucht Foto 5: Breedplaatvloeren met reeds gemonteerde koelbuizen verdringingsluchtarmatuur Het begrip nachtafkoeling werd daarom gekozen omdat met deze afkoelfase, tijdverschoven, de warmte die overdag in de betonvloer is opgeslagen, wordt afgevoerd. Het inschakelmoment wordt bij dit project via info over ruimtetemperatuur, afzuigtemperatuur etc. vastgesteld. De inschakeltijd wordt bepaald naar de gemuteerde restwarmte van de ruimten en gebouwspecifieke paramaters. afvoerlucht toevoerlucht overspraakdenfer verdringingsluchtarmatur Afbeelding 4:Toe- en afvoerluchtsysteem, doorsnede bij de scheidingswand van ruimte en gangzone Regeling De installatie wordt na werktijd uitgeschakeld. Een nalooptijd heeft energetisch gezien geen zin. In warme perioden van het jaar kan de buitenluchttemperatuur in de avonduren nog aanzienlijk zijn. De natuurlijke nachtafkoeling van de buitenlucht wordt benut om in de ochtenduren met koelere lucht en daarmee met minder energie de betonvloer te koelen.

5 klimaa zone oost zone west 1 zone west 2 buitentemperatuur Afbeelding 6: Meetwaarden van een zomerweek in augustus 2001 met hoge buitenluchttemperaturen temperatuur [ºC] uur uur uur uur uur uur uur uur uur uur uur uur uur uur uur ma ma di di woe woe do do vry vry za za zo zo ma tijd [h] Bouwtechnische beschrijving Het gebouw werd, met uitzondering van de vloeren in de kantoren, in ter plaatse gestorte beton uitgevoerd. In de kantoren zijn breedplaatvloeren met een dikte van 6 cm toegepast. Op foto 5 is een breedplaatvloer te zien waarop de koelbuizen reeds zijn gemonteerd. Deze worden met behulp van een kraan op z n plaats gebracht. Één op de vier verbindingen werd nog op de bouw gemaakt, aangezien de toevoerbuis door de bewapening moest worden gevoerd. Afstandhouders uit kunststof garanderen de modulaire afstand binnen de neutrale zone van de breedplaatvloeren. De bovenste bewapening, die op de foto nog niet is aangebracht, wordt met de in lengterichting van de breedplaatvloeren aangebrachte afstandhouders verbonden. Deze verbinding verhindert het wegdrijven van de koelbuizen. De breedplaatvloeren zijn in de betonfabriek voorzien van sparingen om de koelbuizen te kunnen plaatsen. De bochten worden met behulp van gepositioneerde afdichtingen in de ruimte- en gangzone aan de bekisting waterdicht gefixeerd. Na het aanbrengen van de bovenste bewapening wordt de beton gestort en de koelbuizen worden permanent in de betonvloer ingegoten. Na het weghalen van de bekisting blijven de gepositioneerde afdichtingen in de buizen zitten. Dit om inwendige vervuiling tegen te gaan. Deze worden pas verwijderd zodra de aluminium buizen met de flexibele slangen worden verbonden. Systeemprestatie Het systeem betonkernkoeling met lucht heeft direct na inbedrijfname een zware test moeten ondergaan. In de week van augustus 2001 werden buitentemperaturen gemeten van boven de 37 C. De kantoren waren inmiddels volledig in gebruik genomen. Met andere woorden: de interne en externe lasten hadden de hoogst denkbare waarden bereikt. De waarden van de geïntegreerde sensoren, voor de verschillende gebouwzones en de buitentemperatuur, werden opgeslagen en uitgeprint. In afbeelding 6 zijn de gemeten waarden van deze hittegolfweek afgebeeld. Het resultaat was, zoals eenvoudig waar te nemen, uitstekend. De ruimtetemperaturen liepen op tot maximaal 24,5 C. De gebruikersacceptatie was als zeer goed te kwalificeren. Door het grote gekoelde vloeroppervlak zonder extreme temperatuurverschillen en de turbulentarme verse luchtverdeling werd geen enkel gevoel van onbehagen of ontevredenheid vastgesteld. Nieuwe bouwprojecten Een volgend project dat binnenkort wordt opgeleverd, is een gebouw in Frankfurt. Hier is ook het grootste project tot nu toe met ca m 2 in de afbouwfase. In de omgeving Hamburg zijn nog 2 projecten met ieder ca m 2 in de afbouwfase. Conclusie Met de praktijkervaring van het project Kirchhoff AG is duidelijk geworden dat het systeem betonkernkoeling met lucht zowel met betrekking tot de integratie van het systeem in het bouwconcept, alsook met betrekking tot het comfort alle verwachtingen ruimschoots heeft vervuld en zelfs heeft overtroffen. Voor een innovatief, duurzaam en energetisch geoptimaliseerd project moet betonkernkoeling met lucht vanaf het voorontwerp bij de systeemkeuze betrokken worden. De opdrachtgever, belegger en gebruiker hebben door toepassing van betonkernkoeling met lucht één gemeenschappelijk belang, n.l. duurzaamheid van het systeem, lage investeringskosten, geringe onderhoudskosten, laag energieverbruik, hoog comfort en een hoge gebruikers-acceptatie. Literatur [1] Raumluftqualität im 21. Jahrhundert: Bemühungen um Vollkommenheit, Prof. Ole Fanger, Eröffnungsvortrag zum Kongress Indoor Air 99 in Edinburgh [2] Entfeuchtung wichtiger als Kühlung, Prof. Fritz Steimle, Ki Kälte-Klima-Heizung 7-8/1989 [3] Betonkernkühlung mit Zuluft, Dipl.-Ing. Dietrich Schröder, HLH 03/2002

6 Experts in klimaatinstallaties: Productontwikkeling en laboratorium Productadvisering en projectbegeleiding Tochtvrije luchtverdeelarmaturen Licht-/luchtarmaturen Plafondkoelpanelen Verdringingsluchtsystemen Inductiesystemen Betonkernactivering Klimaatregelingen Geinteresseerd? Neem dan contact met ons op! NL /02 Qualitätsmanagementsystem ISO 9001 Gemäß DIN EN Maschinenfabrik Gg. Kiefer GmbH Heilbronner Straße Stuttgart (Feuerbach) Tel.: + 49 (0) Fax: + 49 (0) info@kieferklima.de Nieuwe wegen met lucht