temperatuurbeheersing

Transcriptie

1 Bouwfysica Luchtverversing en temperatuurbeheersing in scholen Tochtvrije natuurlijke toevoer in klaslokalen vanaf 180 cm hoogte? In woningen wordt vaak gewerkt met een vuistregel uit de NPR 1088: indien een ventilatievoorziening tenminste 180 cm boven de vloer is geplaatst dan voert deze tochtvrij toe. In scholen wordt deze regel onterecht ook toegepast. In klaslokalen is de bezettingsgraad zeven keer hoger dan in woningen. De ventilatie moet hierop worden afgestemd. Daardoor komt er veel meer bewegingsenergie in een vergelijkbaar ruimtevolume. Bovendien is de warmtelast in bezette klaslokalen beduidend hoger, waardoor het merendeel van de tijd extra buitenlucht moet worden toegevoerd om te koelen. Bij deze condities wordt met het merendeel van de huidige luchtdistributiesystemen niet tochtvrij toegevoerd. Dat blijkt uit simulaties, labexperimenten en eerste praktijkproeven. Het artikel illustreert dit. Vervolgens wordt ingegaan op nieuwe concepten voor zowel mechanische als natuurlijke toevoer waarmee dit wel mogelijk is. Piet Jacobs, Bas Knoll, Hans Phaff, Achtergrond Het binnenklimaat in scholen staat de laatste jaren terecht volop in de belangstelling. Uit onderzoek van LBP [1] blijkt dat in 80% van de scholen de luchtkwaliteit onder de maat is. Daarnaast is er in bijna de helft van de scholen sprake van oververhitting, die al tijdens het stook seizoen begint op te treden. Ook geluid, zowel van buiten als ten gevolge van mechanische ventilatiesystemen, blijkt voor overlast te zorgen. Om dit binnen 15 jaar in alle scholen te verbeteren, heeft de overheid een convenant gesloten met de schoolbesturen en de gemeenten. Om de scholen voor te lichten, brengt de GGD in de komende 5 jaar een bezoek aan alle scholen, het zogenaamde eendagsadvies. Daarnaast worden door de overheid subsidies verstrekt om de voorzieningen te verbeteren. Hiervoor dient een zogenaamd energie en binnenmilieuadvies (EBA) te worden opgesteld. Bij beide acties speelt de beoordeling van de aanwezige ventilatievoorzieningen een belangrijke rol. In veel gevallen wordt uitgegaan van de zogenaamde één-meter-tachtig-regel. Ventilatieroosters en klapramen die boven deze hoogte zijn geplaatst, worden dan als tochtvrije toevoer beoordeeld. Waarop is dit gebaseerd en is dit correct? Eisen voor tochtvrij lucht toevoeren Primair is dat te allen tijde wordt voldaan aan de wette lijke eisen in het Bouwbesluit voor tochtvrije toevoer van ventilatielucht, bepaald volgens NEN 1087 [2]. De luchtsnelheid op 1 m afstand van de gevel mag op slechts 10% van de posities meer dan 0,20 m/s bedragen, met een maximum van 0,24 m/s. De toets wordt uitgevoerd met een 20 K lagere toevoertemperatuur ten opzichte van de binnentemperatuur. Daarnaast moet de verwarming uitgeschakeld zijn, en is er dus geen opvang van koude, vallende toevoerlucht. Dit geldt bij de minimum voor geschreven ventilatie volgens het Bouwbesluit van 3,5 dm³/s per m² vloeroppervlak (circa 175 dm³/s per lokaal). Voor mechanische toevoer met een ingebouwde vorm van voorverwarming mag een toetsconditie met een temperatuurverschil afhankelijk van het warmteterugwinrendement worden aangehouden. Bij een warmteterugwinrendement van 50% mag het temperatuurverschil tussen de luchttoevoer en de ruimte worden beperkt tot 12 K. Bij een warmteterugwinrendement van 90% kan zelfs worden volstaan met toetsing bij 4 K ondertemperatuur. Nadere beschouwingen van TNO [3] voor een herziening van de Praktijkrichtlijn voor scholen (NPR 1090 [4]) hebben duidelijk gemaakt dat in een gemiddeld klas lokaal 80% van de tijd de afvoer van overtollige warmte bepalend is voor de ventilatiebehoefte. De wettelijke minimum capaciteit van circa 175 dm³/s voor realisatie van een afdoende luchtkwaliteit is dus in wezen ondergeschikt. De benodigde ventilatiecapaciteit voor temperatuurbeheersing van een representatief lokaal kan bij hogere buitentemperaturen fors oplopen. Om geluidsproblemen te vermijden wordt voorgesteld om de capaciteit te beperken tot circa 350 dm³/s. Uit [3] blijkt dat, om de voor scholen typische warmtelast af te kunnen voeren, deze luchthoeveelheid met een ondertemperatuur van 10 K tochtvrij moet kunnen worden toegevoerd. Voor veel toevoerconcepten zal dit de bepalende conditie zijn. In de praktijk wordt deze capaciteit met de bestaande concepten veelal niet tochtvrij gehaald en zal de binnentemperatuur verder dan gewenst oplopen. één-meter-tachtig-regel werkt niet in scholen In klaslokalen is de bezetting tot een factor zeven hoger dan in woningen. Dit verschil in bezetting tussen

2 warmte, lucht en vocht Bouwfysica Prestatie van natuurlijke toevoer in woningen (links) en in scholen (rechts). De situatie in het stookseizoen is in de bovenste twee figuren weergegeven en de koelsituatie in de onderste figuren. Het tochtgebied is gearceerd woningen en scholen is schematisch in figuur 1 aan ge geven met het aantal stoelen. In woningen is het mogelijk om de vereiste capaciteit tochtvrij toe te voeren, zelfs bij wisselende winddruk, door continue het luchtdebiet bij te regelen of door zelfregelende roosters toe te passen. In klaslokalen is de gevelbreedte en dus de mogelijkheid om toevoerroosters aan te brengen niet wezenlijk anders dan in woningen. Uit simulaties en labexperimenten blijkt overduidelijk dat bij de bezettingsgraad van scholen zonder aanvullende voorzieningen niet tochtvrij kan worden toegevoerd. Bij het debiet van 175 dm 3 /s (q v,basis ) en een temperatuurverschil van 20 K tussen binnen en buiten, zal door de koudeval bij het raam de lucht langs de gevel omlaag vallen en in de leefzone tocht bij de enkels veroorzaken. Deze wintersituatie is rechtsboven in figuur 1 aangegeven. Zoals in de vorige paragraaf gemeld, is gedurende 80% van de lestijd het ventilatiedebiet hoger dan vereist om de luchtkwaliteit op orde te houden, omdat anders oververhitting optreedt. In scholen kan deze koelsituatie al vanaf een buitentemperatuur van 5 ºC optreden. Omdat het luchtdebiet hoger is dan q v,basis, zal, ondanks het kleinere temperatuurverschil tussen binnen en buiten, het tochtgebied in de leefzone nog groter zijn dan in de wintersituatie. Deze koelsituatie is rechtsonder in figuur 1 weergegeven. Omdat in woningen pas vanaf circa 15 ºC buitentemperatuur beperkt extra lucht nodig is voor koeling zal daar geen tocht optre den (zie linksonder in figuur 1). Conclusie is dat de één-meter-tachtig-regel in scholen geen tochtvrije zone garandeert en dus niet mag worden toegepast. Ook de twee-meter-veertig-regel biedt geen soelaas. Uit simulaties blijkt dat de luchtsnelheid door het hoger toevoeren nauwelijks afneemt of zelfs toeneemt, vanwege versterkte koudeval. Met het GGD-advies om voortdurend twee tot drie ramen boven 1,8 m open te houden zullen de reeds bezochte scholen niet of slecht uit de voeten te kunnen. Het is te kort door de bocht om dit af te doen met de opmerking: Van kou word je niet ziek, van slechte ventilatie wel. [5] Conclusie is dat niet het verkeerde gebruik van de ventilatievoorzieningen, maar ontoereikende voorzieningen zorgen voor problemen. Mechanische toevoer en passief koelen? Bij een voldoende lage buitentemperatuur zou men veronderstellen dat het eenvoudig is om passief te koelen. Het lijkt een fluitje van een cent om de lucht zonder naverwarming met de buitentemperatuur in te blazen. Figuur 2 geeft kwalitatief de prestatie van een aantal veel gebruikte luchtdistributiesystemen in drie koelsituaties weer. Om het aantal figuren te beperken zijn per figuur drie inblaastemperaturen weergeven. Bij de lage inblaastemperatuur van temperatuur is 5 ºC is er minder lucht nodig dan bij de relatief hoge inblaastemperatuur van 20 ºC. Dit verschil in inblaasdebiet is in de figuur indicatief aangeven door de lengte van de pijlen. Bij voorverwarming tot 20 ºC presteren de systemen goed, maar is het koelvermogen, ondanks het hogere debiet, navenant beperkt. Bij een inblaastemperatuur van 12 ºC is het in het algemeen niet mogelijk om bij gebruik van inblaasroosters en diffuse toevoer via textielzakken de normstroom tochtvrij in te blazen. Lijnroosters zullen bij deze temperatuur, afhankelijk van de uitvoering, mogelijk nog net tochtvrij inblazen. Bij een inblaastemperatuur van 5 ºC, dus 15 K ondertemperatuur, is het met de gangbare systemen niet mogelijk om tochtvrij in te blazen.

3 Bouwfysica nooit economisch inpasbaar. Het is natuurlijk mogelijk om mechanische koeling toe te passen. Dit zal echter het elektriciteitsgebruik fors laten stijgen. Bij de steeds betere isolatie van schoolgebouwen worden de kosten voor een efficiënt uitgevoerde mechanische koeling belangrijker dan die voor verwarming, zoals weergegeven in figuur 3. Dit pleit voor passieve koeling, gecombineerd met nachtventilatie, die bij een lage druk ontwerp slechts weinig extra energiegebruik vereist. 2 Prestatie van mechanische toevoer in een koelsituatie voor drie gangbare luchtdistributiesystemen (roosters, textielzakken met inblaastuitjes en lijnroosters). Voor elk systeem is het tochtgebied bij drie combinaties van inblaastemperaturen en luchtdebieten gearceerd. Omdat het passieve koeling betreft is de inblaastemperatuur gelijk aan de buitentemperatuur (T bu ) Alternatieve koelsystemen? De mogelijkheid bestaat om de ventilatiefunctie en de koelfunctie te scheiden. Hierbij kan worden gedacht aan energiezuinige concepten zoals betonkernactivering in combinatie met grondbuffers (warmte-koudeopslag). Hierbij kunnen diverse luchttoevoerconcepten worden toegepast. Deze concepten worden beschreven in ISSO 89 [6]. In bestaande scholen is betonkernactivering vrijwel Nieuwe concepten luchtdistributiesystemen Om tochtvrij in te blazen met 10 K ondertemperatuur moet de lucht intensief worden opgemengd met de ruimtelucht. Hiervoor is een geoctrooieerd luchttoevoerconcept ontwikkeld, waarbij het gehele plafond wordt gebruikt om de frisse lucht gelijkmatig te verdelen: het zogenaamde Frisse school concept. Figuur 4 laat hiervan het principe zien. In dit concept kan het bestaande verlaagde plafond, indien aanwezig, als verdeelplenum worden gebruikt. Om luchtverlies naar andere ruimten te voorkomen moeten doorvoeren en eventuele gaten in het plafondplenum worden afgedicht. De frisse lucht wordt via kleine gaatjes in de plafondtegels met een snelheid tussen 0,5 en 2 m/s ingeblazen. Door inductie van ruimtelucht wordt het temperatuurverschil met de ruimtelucht vereffend, voordat de luchtstraal in de leefzone komt. Om dit proces goed te laten verlopen is het een vereiste dat zich tussen de luchtstralen voldoende afstand bevindt, zodat ruimtelucht naar het plafond op kan stijgen. In een laboratoriumsituatie is vastgesteld dat zelfs bij inblaaslucht met een ondertemperatuur tot 20 K en een ventilatiestroom van 11 dm 3 /s (40 m³/h) per persoon, aan de tochteisen van het Bouwbesluit wordt voldaan. Het laboratoriumonderzoek is beschreven in [7]. In figuur 4 wordt een variant getoond waarbij de afvoerlucht via een spleet aan de onderzijde van de dak constructie wordt afgevoerd. Hiermee is het tevens mogelijk om zonnewarmte die via het dak wordt afgegeven af te voeren, voordat deze in de leefzone komt en oververhitting veroorzaakt. Een andere mogelijkheid is om de afvoerlucht naar de gang af te voeren. Daarnaast is het natuurlijk mogelijk om met de afvoerlucht de toevoerlucht in een warmteterugwinner (WTW) voor te verwarmen. 3 4 Bij het verbeteren van de isolatie van scholen wordt de koelbehoefte belangrijker dan de stookbehoefte Frisse school concept: tochtgebied (gearceerd) bij drie verschillende combinaties van inblaastemperaturen en luchtdebieten

4 warmte, lucht en vocht Bouwfysica GGD-variant Frisse school concept: geperforeerde omkasting om radiator GGD-variant Frisse school concept: omkasting achter klapraam Door de GGD Groningen is een variant op het Frisse school concept met natuurlijke toevoer voorgesteld. De uitgangspunten zijn: goede luchtkwaliteit door tochtvrije toevoer; reine toevoerlucht doordat de toevoerweg bereikbaar is voor reguliere schoonmaak; beperkt ruimtebeslag; eenvoud van installatie. Beide varianten zijn in de klimaatproefkamer getest [8]. Naast de afzonderlijke concepten is ook de combinatie beproefd. De testen zijn uitgevoerd voor twee condities: 1. basisventilatie bij onverwarmde toevoer met 20 K temperatuurverschil (door het Bouwbesluit aan gestuurde tochttoets volgens NEN 1087); 2. spuiventilatie (2 basiscapaciteit) bij 10 K temperatuurverschil (NPR 1090). Het concept gaat uit van een doorvoer in de borstwering waarmee verse lucht wordt ingebracht in een omkasting om de radiator, zoals weergegeven in figuur 5. Vanuit luchttoevoergaten in de genoemde omkasting stroomt de toevoerlucht vervolgens de ruimte in. De luchtstroom komt tot stand onder invloed van de onderdruk van een mechanische afvoervoorziening in de ruimte. De omkasting is eenvoudig te openen en goed bereikbaar voor periodieke reiniging. Dit is van belang voor het handhaven van een hoge mate van reinheid van de toevoerlucht. Bij zeer lage buitentemperaturen zal de radiator de lucht voorverwarmen. Een soortgelijk concept kan worden toegepast bij klapramen, zie figuur 6. De gecombineerde toevoer via radiator en klapraamomkasting (combinatie van lage en hoge toevoer) blijkt op 1 m uit de gevel aan beide condities te kunnen voldoen. Uit figuur 7 blijkt dat conditie 2 (rechter figuur) kritischer is voor tocht dan toetsconditie 1 (linker figuur). Toepassing van alleen de hoge toevoer voldoet niet aan conditie 1 (Bouwbesluit-eis). Met alleen lage toevoer kan wel aan conditie 1 worden voldaan, maar niet aan conditie 2. De lage toevoer variant voldoet, evenals de combinatie, tevens aan klasse C van NEN-ISO-7730 [9] (maximaal 30% ontevredenen over tocht, de zogenaamde tochtindex: DR). 7 GGD-variant Frisse school concept: tochtgebied in stookseizoen (links) en bij een koelsituatie (rechts)

5 Bouwfysica Uit het onderzoek kan worden geconcludeerd dat de onderzochte, nieuwe geveltoevoervarianten potentie hebben. Om echter tot een succesvolle systeemuitvoering te komen, zijn meer aspecten van belang dan beheersing van tocht. Bij de verdere uitwerking dient ook aandacht te worden geschonken aan zaken als montage, gebruiksgemak, regeling, geluidwering en kosten. Hiervoor zijn praktijkproeven nodig. Wij houden ons aanbevolen om samen met geïnteresseerde partijen dit traject in te gaan. n Dank aan de GGD Groningen voor de gedeeltelijke financiering van dit onderzoek. 8 Vergelijking luchtsnelheid op 1 en 2 m uit de gevel op 0,1 m hoogte bij vijf verschillende toevoerconcepten ( T = 20 K, basisventilatie) 9 Vergelijking tochtindex (DR) op 1 en 2 m uit de gevel op 0,1 m hoogte bij vijf verschillende toevoerconcepten ( T = 20 K, basisventilatie) De GGD-varianten zijn op tochtrisico vergeleken met andere toevoerconcepten, zie figuur 8 en 9. De prestatie ligt tussen die van de traditionele natuurlijke toevoer (via gevelroosters) en die van de optimaal gedistribueerde toevoer via een geperforeerd plafond in. Bronnen [1] Versteeg, H., Onderzoek in basisscholen naar de kwaliteit van het binnenmilieu, Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer, 2007, Den Haag [2] NEN 1087 Ventilatie van gebouwen - Bepalingsmethoden voor nieuwbouw, NEN, Delft, 2001 [3] Jacobs P., Knoll B., Diffusive ceiling ventilation for fresh classrooms, Proceedings AIVC conferentie, Berlijn, 2009 [4] Ontwerp NPR 1090, Ventilatie van schoolgebouwen - Voorbeelden van bouwkundige oplossingen, NEN, Delft, 2009 (in herziening) [5] Lammerding, E., Scholen ventileren slecht, AD Westland, 10 september 2009 [6] ISSO 89, Binnenklimaat scholen, ISSO, Rotterdam, juli 2008 [7] Jacobs P., van Oeffelen E., Knoll B., Diffuse ceiling ventilation, a new concept for healthy and productive classrooms, Proceedings Indoor Air 2008, Copenhagen [8] Jacobs P., Knoll B., Ontwerp en beproeving van verbeterde geveltoevoer voor scholen, TNO rapport 034-DTM B, Delft, oktober 2009 [9] NEN-ISO-7730 Klimaatomstandigheden - Analytische bepaling en interpretatie van thermische behaaglijkheid door berekeningen van de PMV en PPD-waarden en lokale thermische behaaglijkheid, NEN, Delft, 2005 Adverteren in Bouwfysica? Neem contact op met de redactie voor de scherpe tarieven.