Hoe een aangenaam binnenklimaat realiseren?

Transcriptie

1 Hoe een aangenaam binnenklimaat realiseren? Studiedag VIPA Brussel 26 november 2007 Piet Standaert PHYSIBEL

2 Inleiding Het thermisch comfort wordt vooral bepaald door de resulterende temperatuur (gemiddelde van luchttemperatuur en stralingstemperatuur). Daarnaast spelen luchtsnelheid, relatieve vochtigheid, tochtverschijnselen, asymmetrische straling en verticale temperatuurverschillen een rol. De resulterende temperatuur in een lokaal volgt uit de warmtehuishouding. Zowel beïnvloedbare (1 & 2) als vaste (3 & 4) parameters bepalen die warmtehuishouding. 1) bouwkundige parameters: bijna uitsluitend bepaald bij ontwerp van het gebouw 2) installatietechnische: vooral bepaald bij ontwerp 3) menselijke factoren: lastig te beïnvloeden 4) buitenklimaat Gebouwsimulatie laat toe de warmtehuishouding en dus het thermisch comfort vrij precies te voorspellen. De beïnvloedbare parameters kunnen geoptimaliseerd worden met het oog op een optimaal thermisch comfort en een minimale energievraag voor verwarming, waarbij uiteraard rekening dient worden gehouden met de vele andere ontwerpparameters. Aan de hand van een gevalstudie (OCMW-rusthuis Warmhof te Maldegem) wordt het bovenstaande toegelicht.

3 Voorwerp van de gevalstudie rusthuis Warmhof te Maldegem bouwheer: OCMW Maldegem ontwerp en technieken: bureau AIKO hoofdaannemer: Jan De Nul planning en ontwerp: bouwperiode: operationeel: november 2007 bouwfysisch advies Physibel, 2004 energievraag verwarming thermisch comfort

4 Voorwerp van de gevalstudie

5 Voorwerp van de gevalstudie

6 Voorwerp van de bouwfysische opdracht 1. Simulatie van temperatuurverloop, temperatuuroverschrijding en energievraag voor verwarming in een kamer op het gelijkvloers, een kamer op de verdieping en de aangrenzende gangen. De temperatuuroverschrijding is het aantal uren per jaar dat de comforttemperatuur hoger is dan 25 C en 28 C. Hiervoor wordt in overleg met bouwheer en ontwerper een criterium vastgelegd. De simulaties gebeuren voor de 4 voorkomende oriëntaties en voor diverse alternatieve beïnvloedende parameters, met name beglazingstype, beglazingsoppervlaktes, zonwering, ventilatie, wandsamenstellingen en isolatiediktes, e.a. met de bedoeling aan het criterium te voldoen. Hieruit volgen aanbevelingen voor het ontwerp. 2. Idem als 1 voor de cafetaria. 3. Idem als 1 voor de inkomhal.

7 Uitgangspunten energievraag voor verwarming De thermische isolatie (in buitenmuren, vensters, daken, vloeren) beantwoordt aan de in 2004 nog in ontwerp zijnde voorschriften van het VIPA. - spouwmuur U = 0.36 W/m 2 K 8 cm minerale wol - plat dak U = 0.24 W/m 2 K 15 cm minerale wol - vloer U = 0.28 W/m 2 K 8 cm PU uitvulling - beglazing U = 1.2 W/m 2 K U-waarde = warmtetransmissiecoëfficiënt Dergelijke voorschriften zijn relatief streng (bv. tegenover die in woning- en kantoorbouw).

8 Uitgangspunten thermisch comfort In zomeromstandigheden ligt de comforttemperatuur (het gemiddelde van de luchttemperatuur en de stralingstemperatuur) tussen 23 en 26 C. Temperatuuroverschrijdingen kunnen binnen een zekere marge aanvaard worden. Het nagestreefde criterium: maximaal 100 uren > 25 C en maximaal 20 uren > 28 C.

9 Uitgangspunten thermisch comfort

10 Warmtehuishouding (winter) winter (θ i > θ e ) buitentemperatuur θe, binnentemperatuur θi warmte IN = warmte UIT transmissie warmtestroom doorheen wand, ramen, dak, vloer ventilatie warmtestroom gekoppeld aan luchtverversing verwarming via radiator, convector, vloerverwarming, vrije warmte bewoners (metabolisme), verlichting, toestellen zonwinsten voornamelijk doorheen beglazing uit warmteopslag naar warmteopslag warmteopslag in bouwconstructie en meubilair binnentemperatuur is gevolg van warmtebalans θ i in praktijk zorgt regeling verwarming voor instelbare temperatuur De energievraag voor verwarming kan verlaagd worden door de warmteverliezen te verlagen = lage U-waarden toepassen.

11 Warmtehuishouding (zomer - met koeling) zomer (θ i < θ e ) buitentemperatuur θe, binnentemperatuur θi warmte IN = warmte UIT transmissie warmtestroom doorheen wand, ramen, dak, vloer ventilatie warmtestroom gekoppeld aan luchtverversing koeling via radiator, convector, vloerverwarming, vrije warmte bewoners (metabolisme), verlichting, toestellen zonwinsten voornamelijk doorheen beglazing uit warmteopslag naar warmteopslag warmteopslag in bouwconstructie en meubilair binnentemperatuur is gevolg van warmtebalans θ i in praktijk zorgt regeling koeling voor instelbare temperatuur Maar koeling is niet aangewezen: - investeringskost - bijkomende energievraag - mits een goed ontwerp kan in ons klimaat een goed thermisch comfort worden gerealiseerd

12 Warmtehuishouding (zomer geen koeling) zomer (θ i > θ e ) warmte IN = warmte UIT transmissie ventilatie buitentemperatuur θe, binnentemperatuur θi warmtestroom doorheen wand, ramen, dak, vloer warmtestroom gekoppeld aan luchtverversing vrije warmte bewoners (metabolisme), verlichting, toestellen zonwinsten voornamelijk doorheen beglazing uit warmteopslag naar warmteopslag warmteopslag in bouwconstructie en meubilair binnentemperatuur is gevolg van warmtebalans θ i Aangezien de warmteverliezen via transmissie (en ventilatie) laag zijn (lage U-waarden!) moeten de zonwinsten onder controle worden gehouden om het niveau van de binnentemperatuur te beperken, meer dan bij niet-geïsoleerde gebouwen!

13 Gebouwsimulatie Bij een thermische gebouwsimulatie wordt de warmtehuishouding nauwkeurig geanalyseerd: - reële klimaatgegevens (temperatuur, bezonning) - fysisch correcte algoritmes voor warmteoverdracht - warmteopslag wordt in rekening gebracht rekentijdstap < 10 min (in tegenstelling met courante eenvoudigere rekenmethodes) Ter validatie van gebouwsimulatie-software zijn er normen bv. ISO/DIS Thermal performance of buildings Internal temperatures in summer of a room without mechanical cooling General criteria and validation procedures Gebouwsimulatie levert betrouwbare resultaten. Voor de studie werd het programma CAPSOL (Physibel) gebruikt.

14 Gebouwsimulatie: basiskenmerken Uurlijkse klimaatgegevens Zon-processor bepaling van de zonpositie bepaling van directe, diffuse en gereflecteerde zonstraling bepaling van beschaduwing

15 Gebouwsimulatie: basiskenmerken Simulatie van niet-stationair warmtetransport nodig om warmteopslag in rekening te brengen. dynamisch warmtetransport λ [W/mK] warmtegeleidingscoëfficiënt ρ [kg/m3] densiteit c [J/kgK] specifieke warmte T [K] temperatuur t [s] tijd x [m] afstand

16 Gebouwsimulatie: basiskenmerken Simulatie van solaire reflectie, absorptie, transmissie De op de beglazing invallende zonnestraling wordt verdeeld in resulterende delen voor reflectie, absorptie (door de glasschijven) en transmissie. Hierbij dient men rekening te houden met: - hoekafhankelijke reflectie aan de buitenzijde, - meervoudige reflecties tussen de glasoppervlakken, - de absorptie van zonnestraling in de glasschijven, - het feit dat de zonnestraling ook van binnen kan komen (via andere ramen of via reflecties). De zonnestralingsenergie die de binnenruimte bereikt bestaat uit twee componenten: - de stralingstransmissie (primaire component), - de warmte die ten gevolge van de opwarming van de glasschijven aan het binnenoppervlak door infrarode straling en convectie aan de binnenomgeving wordt afgegeven (secondaire component). Uitgedrukt in een fractie g (0 g 1) noemt men de verhouding tussen de doorgaande zonnewinst en de invallende straling de zonnetoetredingsfactor van de beglazing.

17 Gebouwsimulatie: basiskenmerken vergelijking binnenzonwering en buitenzonwering

18 Betrouwbaarheid van gebouwsimulatie? Bron: Jahresbericht 2004, Institut für Physik der Universität Basel

19 Simulaties kamers Warmhof Voor het geheel van kamer gelijkvloers - kamer verdieping - gang gelijkvloers - gang verdieping werd temperatuurverloop en energievraag voor verwarming gesimuleerd met uurlijkse waarden van temperatuur en bezonning voor Ukkel. In 18 basissimulaties werden volgende parameters gewijzigd: - Oriëntatie: Zuid-Noord / Noord-Zuid / West-Oost = oriëntatie kamers-gangen. - Glastype: zontoetredingsfactor 64 % of 42 %. - Zonder of met buitenzonwering (transmissie van 17 %, een absorptie van 20 %, en een reflectie van 63 %) De zonwering wordt neergelaten bij een invallende zonstralingsintensiteit van 150 W/m2. - Zonder of met extra ventilatie in de kamers. De basisventilatie bedraagt 80 m3/h en wordt gerealiseerd via een mechanische afzuiging in de badkamer en een natuurlijke toevoer via ventilatieroosters in de gevel. De extra ventilatie van 80 m3/h wordt toegepast indien de binnentemperatuur hoger is dan 24 C. 3 bijkomende simulaties zijn uitgevoerd met gewijzigde glasoppervlaktes.

20 Simulaties kamers Warmhof Resultaten voor twee extreme situaties worden getoond. Het betreft de zuidgeoriënteerde kamers (dus gangen op noord). In de eerste situatie wordt glas met een zontoetredingsfactor van 0.64 gebruikt, zonder zonwering en zonder extra ventilatiemogelijkheid. In de tweede situatie wordt glas met een zontoetredingsfactor van 0.42 gebruikt, met zonwering en met extra ventilatiemogelijkheid.

21 Simulatie situatie 1: temperatuur jaarverloop

22 Simulatie situatie 2: temperatuur jaarverloop

23 Simulatie situatie 1: temperatuurverloop 1-16/06

24 Simulatie situatie 2: temperatuurverloop 1-16/06

25 Simulatie situatie 1: overschrijdingsuren maand K0 >25 C K0 >28 C G0 >25 C G0 >28 C K1 >25 C K1 >28 C G1 >25 C G1 >28 C [h] [h] [h] [h] [h] [h] [h] [h]

26 Simulatie situatie 2: overschrijdingsuren maand K0 >25 C K0 >28 C G0 >25 C G0 >28 C K1 >25 C K1 >28 C G1 >25 C G1 >28 C [h] [h] [h] [h] [h] [h] [h] [h]

27 Simulatie 2: temperatuurverlopen in constructie

28 Simulatie 2: temperatuurverlopen in constructie

29 Simulatie 2: temperatuurverlopen in constructie

30 Simulatie 2: temperatuurverlopen in constructie

31 Simulatie 2: temperatuurverlopen in constructie

32 Simulatie 2: temperatuurverlopen in constructie

33 Simulatie 2: temperatuurverlopen in constructie anim

34 Simulaties 1 & 2: energievraag verwarming maand K0 G0 K1 G1 [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] maand K0 G0 K1 G1 [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] De energievraag voor verwarming is door het hoog isolatieniveau relatief klein. Het gemiddelde van alle simulaties bedraagt 2200 kwh/jaar per kamer en 1150 kwh/jaar voor het bijhorende stuk gang. Rekening houdend met een productie- en distributierendement van 80 %, en een aardgasprijs van EUR/kWh (prijs kleine verbruiker in 2004) betekent dit 134 EUR/jaar per verblijfseenheid. De aanwezigheid van een zonwering doet de energievraag 5 à 20 % stijgen (afhankelijk van oriëntatie en glastype).

35 Simulaties > aanbevelingen Uitgaande van de simulatieresultaten worden voorstellen geformuleerd ter bespreking met de ontwerper. De voorstellen beantwoorden vrij goed aan het vooropgestelde comfortcriterium (maximaal 100 uren > 25 C en maximaal 20 uren > 28 C).

36 Parameters die het binnencomfort bepalen Een doorgedreven thermische isolatie, is nodig om te warmtevraag voor verwarming in het stookseizoen te beperken, maar maakt dat men de vrije warmtewinsten onder controle dient te houden om een goed zomercomfort te garanderen. Overdreven zonwinsten kan men beperken: - door een goed ontwerp van de beglaasde oppervlakken: oppervlakte, oriëntatie, glaskeuze. - beschaduwing (structureel of, beter, beweegbaar, best buitenzonwering). - beperk warmtelasten door apparatuur en verlichting. - voorzie toegankelijke thermische massa om warmteoverschotten tijdelijk te bufferen. Toegankelijk > vermijd bv. vals plafond. - voorzie mogelijkheden voor intensieve ventilatie met koele buitenlucht s nachts.

37 Haalbaarheid van een bouwfysische studie Door wie? Gebouwsimulatie vergt een expertise in bouwfysische warmteoverdracht. Het aantal studiebureaus met de nodige expertise is beperkt, maar stijgt recent. Het zijn vooral studiebureaus technische uitrusting en bouwfysica. Wanneer? In de ontwerpfase! Vóór het maken van het bestek! Ereloon? Er bestaan momenteel geen barema s voor een bouwfysische studie. In de gevalstudie werd vooraf een offerte gemaakt op basis van de geschatte studieduur (6 mandagen). Het ereloon werd door de bouwheer betaald en niet door de ontwerper (als deel-ereloon). Noodzaak? Beter voorkomen dan genezen: oplossingen om problemen van discomfort op te lossen zijn moeilijker en dus duurder. De primaire functie van een gebouw is de beschutting tegen het buitenklimaat! Een bouwfysische studie mag niet als een overbodige luxe worden beschouwd.

38 Andere bouwfysische toepassingen Bouwfysisch correcte bouwdetails: - supplementair warmteverlies doorheen koudebruggen vermijden - vermijden van condensatie- en schimmelproblemen.

39 Andere bouwfysische toepassingen

40 Andere bouwfysische toepassingen

41 Andere bouwfysische toepassingen dynamische simulaties, relevant voor zon, warmte-opslag, zomercomfort, grondverliezen, brand,...

42 Andere bouwfysische toepassingen vermijden van inwendige condensatie (b.v. in platte daken)

43 Hartelijk dank voor uw aandacht! PHYSIBEL