Architecture building and planning, Technische Universiteit Eindhoven

Transcriptie

1 Gebruikersinvloed op Intelligent Building klimaatsystemen Psychisch comfort als extra ontwerpparameter voor het ontwerpen van zelfregulerende klimaatsystemen Gielen, J.T.J., Kitslaar, K.P.H.M., Zimny, R.N.R. Mohammadi, M., Erkelens, P.A. Architecture building and planning, Technische Universiteit Eindhoven Keywords: (psychisch) comfort, gebruikersinvloed, Intelligent Building, interactie, klimaatsysteem Abstract Dit artikel beschrijft door middel van een literatuuronderzoek de invloed van psychisch comfort van de werknemers op de werking van zelfregulerende klimaatsystemen in een kantoorpand. Uit de geraadpleegde literatuur blijkt psychisch comfort een zeer belangrijke ontwerpfactor te zijn om een zelfregulerend klimaatsysteem optimaal te laten functioneren. Huidige klimaatsystemen houden onvoldoende rekening met psychisch comfort, wat grote gevolgen heeft voor de prestaties van zowel de mens als het systeem. Dit is al jaren een bekend probleem. Oplossingen voor dit probleem worden vooral gezocht in individuele aanpasbaarheid van de klimaatsystemen. In dit artikel zal worden weergegeven of dit een goede keuze is voor kantoorpanden met grote gezamenlijke werkplek. Uit de conclusie zal blijken dat het niet optimaal is om de gebruiker volledige controle over het systeem te laten hebben. Een alternatieve manier, om het thermisch comfort van de werknemer te behagen, is informatie verschaffen in plaats van persoonlijke invloed te geven. Dit zal in toekomstig onderzoek behandeld kunnen worden. Inleiding De huidige zelfregulerende klimaatsystemen zijn zo ontworpen dat de installaties op economisch gebied efficiënt ingezet worden. Vooral kantoorgebouwen hebben een relatief hoog energieverbruik. Ruim 40% van de totale energievraag van de gebouwde omgeving is toe te schrijven aan kantoorgebouwen. Door een intelligent klimaatsysteem kan het huidige energieverbruik in de kantorensector met 20% verminderd worden (Zeiler et al, 2008). De eerste Intelligent Building klimaatsystemen verzorgden een thermisch comfortabel klimaat, gebaseerd op een temperatuurrange die als algemeen behaaglijk werd verondersteld. Alle installaties in een intelligent klimaatsysteem worden geregeld door een computersysteem, welke op basis van gegevens van sensoren zal bepalen welke acties ondernomen moeten worden. Zo zal het computersysteem bepalen wanneer de installaties worden geactiveerd, afgaand op de input van de sensoren. Bij de ontwikkeling van een Intelligent Building klimaatsysteem is uit de praktijk gebleken dat alleen het verzorgen van een thermisch gezond klimaat niet voldoende is om de gebruikers comfortabel te kunnen huisvesten. Begin jaren 70 begon men onderzoek te doen naar de rol van de mens binnen het ontwerp van een automatisch klimaatsysteem. Een van de meest bekende onderzoeken is uitgevoerd door P. Fanger (Van der Linden en Kerssemakers, 1998). De zogenaamde PMV methode van P.Fanger beschrijft een statisch model, waarin de persoonlijke parameters worden geïntroduceerd voor het bepalen van een binnenklimaat. (Fanger, 1970). De huidige systemen, welke nu in de gebruiksfase zitten, zijn vooraf ingesteld op algemeen gemiddelde behaaglijkheidwaarden, Onderzoeksmethodologie voor bouwtechniek Groep 8 Pagina 1

2 gebaseerd op modellen zoals die van Fanger. Deze Intelligent Buildings verzorgen een stabiel klimaat, welke gebaseerd is op thermische en persoonlijke parameters. Het probleemveld wat in dit onderzoek wordt beschreven is het feit dat een klimaatsysteem, zoals nu toegepast, op gebouwniveau de individuele behoeftes niet kan behagen. De persoonlijke eigenschappen van de gebruikers die binnen de PMV worden meegenomen, zoals kleding, geslacht en type werk, zorgen tot op heden nog steeds niet voor 100% geaccepteerde klimaatomstandigheden. Onderzoeksaanpak Figuur 1; Onderzoeksmodel met de verschillende parameters van mens en systeem. In een beschrijvend onderzoek zullen bestaande klimaatsystemen worden behandeld met betrekking tot de interactie van de gebruiker op het systeem. Dit zal gebeuren aan de hand van een beschrijving van Intelligent Buildings en zelfregulerend klimaatsystemen. Vervolgens worden de huidige klimaatsystemen bekeken aan de hand van een viertal parameters; economie, milieu, fysiek comfort en psychisch comfort. Met deze parameters zal gekeken worden naar huidige, zelfregulerende klimaatsystemen en dan voornamelijk de tekortkomingen van deze systemen. Op basis van literatuur zal tot slot weer gegeven worden van verschillende oplossingen voor het gestelde probleem, waarbij de interactie tussen gebruiker en klimaatsysteem moet zorgen voor een comfortabel en duurzaam binnenklimaat. Het Intelligente gebouw AT&T kwam als eerste met het concept van het Intelligente gebouw. Dit werd toegepast in een kantoorgebouw in Dallas, VS in het jaar De nadruk in het beginstadium van het concept lag op het gebruik van intelligente systemen. Door de jaren heen is er eigenlijk niet heel veel veranderd, naast het feit dat de technologie vooruitgang boekt. Intelligente gebouwen gebruiken geautomatiseerde systemen om de gebouwde omgeving te verbeteren op het gebied van veiligheid, comfort en toegankelijkheid. Tevens worden de energetische kosten en daarmee het milieu, gecontroleerd. (Mohamed & Ibrahim, 2005). Klimaatsystemen zijn tegenwoordig zelfs van cruciaal belang om het gevraagde comfort van de gebruiker te kunnen realiseren en daarbij zo min mogelijk energie te verbruiken. (Zeiler et al 2008) Verderop zullen comfort en energieverbruik verder verduidelijkt worden. Onderzoeken naar eventuele verbeteringen in de werking van intelligente gebouwen richten zich vooral op de installaties. Deze puur technische definitie van een Intelligent gebouw wordt bekritiseerd door een grote groep onderzoekers. Het Intelligent Building Institute heeft daarom een eigen definitie opgesteld; Het intelligent gebouw is een gebouw wat voorziet in een productieve en kosteneffectieve omgeving door middel van het optimaliseren van de vier basis elementen; constructie, systemen, diensten en beheer en de interactie tussen deze elementen. Intelligente gebouwen helpen eigenaren, beheerders en gebruikers in het realiseren van hun doelen op het gebied van kosten, comfort, gemak, veiligheid, flexibiliteit en marktwaarde. (Mohamed & Ibrahim, 2005) Onderzoeksmethodologie voor bouwtechniek Groep 8 Pagina 2

3 Comfort De huidige generatie klimaatsystemen zorgen voor een interactie tussen de verschillende subsystemen, zoals zonwering, temperatuurregeling en ventilatie en worden geacht zelfregulerend te zijn. Het is de bedoeling dat deze systemen intelligente beslissingen nemen of intelligent reageren op invloeden van buitenaf, zowel van de gebruiker als van veranderingen in het binnen- en buitenklimaat. (Mohamed & Ibrahim, 2005) Het systeem maakt beslissingen en berekent aan de hand van vooraf geprogrammeerde voorwaarden hoe het klimaat in een ruimte optimaal wordt gehouden. Dit gebeurt zowel op het gebied van comfort (de gebruiker) als op het gebied van energieverbruik (het financiële en milieutechnische plaatje). Het comfort is van belang in het kader van de prestaties, de efficiëntie van deze prestaties, de moraal en de voldoening van diegene die in het gebouw werken. (Morrow, 1995) & (Mohamed & Ibrahim, 2005). Comfort is echter een moeilijk te definiëren begrip. Mensen zijn comfortabel wanneer ze zich comfortabel voelen. Comfort is een bepaalde stemming, wat afhankelijk is van zowel een fysiek gevoel als emotie. (Morrow, 1995) Om het begrip comfort te verduidelijken is het daarom opgedeeld in drie onderdelen; het thermisch comfort (temperatuur, vochtigheid enz.), verlichting en akoestiek.(mohamed & Ibrahim, 2005) & (Sciuto en Galatà, 1998). Hierbij moet echter wel vermeld worden dat het thermisch comfort zeer subjectief is en kan variëren door persoonlijke wensen, acclimatisatie en het verschil tussen de temperatuur in het gebouw en de buitentemperatuur. Tevens zijn de locatie, de tijd en de kleding van invloed op het thermisch comfort. (Mohamed & Ibrahim, 2005) Het blijkt zelfs dat geslacht zorgt voor verschillen in de perceptie van comfort. Uit een onderzoek (EBOB, Energy Efficient Behaviour in Officie Buildings) in 34 kantoorgebouwen in Finland, Zweden, Frankrijk, Italië en Nederland blijkt dat vrouwelijke werknemers kritischer zijn op het gebied van de condities van de werkomgeving. Mannelijke werknemers vinden technologie belangrijker. Uit een onderzoek van Automated Logic Corporation wordt echter wel duidelijk dat thermisch comfort het meest van belang is wanneer men kijkt naar de wensen van de gebouweigenaren en de gebruikers. (Mohamed & Ibrahim, 2005) Milieu Het milieutechnische aspect gaat voornamelijk over het reduceren van het energiegebruik. (Mohamed & Ibrahim, 2005) Dit energiegebruik is met name in kantoren een belangrijk punt wat aandacht behoeft. Het blijkt dat kantoorpanden verantwoordelijk zijn voor 40% van het energiegebruik van de gebouwde omgeving. Wanneer de men de energiebehoefte van kantoren kan verminderen, zal dit tevens veel invloed hebben op de totale energiebehoefte. De huidige technologieën zijn echter niet in staat om het energieverbruik van gebouwen verder te reduceren. (Zeiler et al 2008) Een door de EU gefinancierd onderzoek bevestigd wel het belang van het optimaliseren van de systemen op het gebied van comfort en energieverbruik; EDIFICIO. Dit onderzoek wordt uitgevoerd in het kader van het zogenaamde JOULE III programma. Dit is een programma met als doel innovatieve, aanpasbare en geïntegreerde systemen te ontwikkelen om het energiemanagement te optimaliseren en hierbij het comfort in gebouwen niet uit het oog te verliezen. (Sciuto en Galatà, 1998) Uit de publicatiedatum blijkt dat het probleem, dat de systemen niet optimaal functioneren, dus al langer bekend is. Bestaande klimaatsystemen zijn ontworpen met het oog op energiereductie en comfort. Het comfort is echter door middel van onderzoeken bepaald. Het is als het ware een gemiddelde waarde welke als goed wordt geacht voor de mens. Bij dit optimale comfort berekent het klimaatsysteem de minimale hoeveelheid benodigde energie. De visie is dan dat mensen zich in het algemeen comfortabel voelen en tegelijkertijd zo min mogelijk energie wordt verbruikt en het systeem dus goed is voor het milieu. Het blijkt echter dat het allemaal niet zo simpel ligt. Onderzoeksmethodologie voor bouwtechniek Groep 8 Pagina 3

4 De derde ontwerpfactor binnen een Intelligent Building klimaatsysteem. De huidige klimaatsystemen zijn zo ontworpen dat er op een duurzame, kostenefficiënte manier een gezond en thermisch comfortabel binnenklimaat gecreëerd kan worden (Mohamed & Ibrahim 2005). Van al deze systeemeisen blijkt de term comfortabel echter een lastige voorwaarde om te kunnen verwerken in een klimaatsysteem. Er zijn uitvoerige onderzoeken gedaan om te kunnen bepalen wat een comfortabel binnenklimaat is. Eén van de eerste onderzoeken naar de factoren van een comfortabel binnenklimaat zijn uitgevoerd door P.O. Fanger. Hij heeft de PMV-methode (Predicted Mean Vote) ontwikkeld om het thermisch comfort te kunnen definiëren (Fanger, 1970). Deze methode is de standaard geworden op het gebied van een comfortabel binnenklimaat. Met de PMV methode kan bepaald worden in welk thermisch gebied het merendeel van de ondervraagden zich comfortabel voelt. Binnen het onderzoek van Fanger wordt de aandacht op twee hoofdparameters gevestigd. Er wordt gekeken naar thermische parameters en naar persoonlijke Tabel 1: Spreiding in comfortscore PMV (Van der Linden et al, 2000) binnenklimaat tussen de 2 en -2 waarderen tot de groep van comfortabele werknemers mag behoren. Bij deze score ervaren de werknemers het klimaat warm of koel. Wanneer werknemers het klimaat beoordelen met een score van 0 betekend dit dat de persoon zich klimaattechnisch erg comfortabel voelt. Er moet echter kritisch gekeken worden naar de PMV-waarde. Een waarde van 0 geeft nog geen garantie voor 100% comfort onder de werknemers. Tabel 1 laat de spreiding zien die mogelijk is binnen de behaalde PMV-waardes. Een goed thermisch binnenklimaat is volgens de ISO-normen een klimaat met een PMV-waarde niet groter dan 2 of -2, met een maximale spreiding van + of 0,5 (Van der Linden et al 2000). Wanneer het klimaat binnen een kantoor wordt beoordeeld met een PMV van 2, blijkt uit tabel 1 dat 75% van de ondervraagden buiten de + of 0,5 grens vallen, waardoor deze als ontevreden moeten worden gerekend (PPD). Zelfs bij een PMV-score van 0 is nog 5% van de ondervraagden ontevreden over het binnenklimaat. parameters. De thermische parameters beschrijven het feitelijke binnenklimaat. De persoonlijke parameters omvatten persoonlijke kenmerken, zoals geslacht, leeftijd enzovoorts. Dit statische model van Fanger is gebaseerd op een groot aantal interviews, waarin werknemers het binnenklimaat hebben moeten beoordelen. De methode die is opgezet door Fanger gaat uit van een schaalverdeling van 5 tot -5, waarin 5 ontoelaatbaar heet is en -5 ontoelaatbaar koud. Er is vastgesteld dat mensen die het Hieruit blijkt dat het statistische model van Fanger niet voor een algemeen geaccepteerd klimaat kan zorgen, wanneer deze methode gebruikt wordt in een klimaatsysteem. Het begrip comfort is een zeer persoonlijk aspect. Alle persoonlijke parameters, zoals kleding, geslacht en leeftijd kunnen binnen een groep werknemers zo verschillend zijn dat een vooraf ingesteld systeem, gebaseerd op vooraf bedachte scenario s, niet perfect werkt (Van der Linden et al 2000). In een onderzoek van Brager en De Dear zijn de Onderzoeksmethodologie voor bouwtechniek Groep 8 Pagina 4

5 Figuur 2; Comforttemperatuur bij een gebouw met mechanische ventilatie (Van der Linden et al, (2000). Figuur 3; Comforttemperatuur bij een gebouw met natuurlijke ventilatie (Van der Linden et al, 2000).

6 Interactie met het Intelligent Building klimaat- systeem Een Intelligent Building zal de invloed van de gebruiker zo moeten verwerken dat het comfort verhoogd wordt. Morrow (1995) koppelt dit comfort aan de productiviteit van kantoorpersoneel. Door een hoger niveau van comfort zal de productiviteit verbeteren, wat ten goede komt aan de economie. Belangrijk hierbij is dat de invloed van de gebruiker direct aan deze gebruiker getoond wordt. Het klimaatsysteem biedt de gebruiker dan de mogelijkheid om veranderingen aan te brengen binnen bepaalde grenzen. Deze grenzen zijn ingegeven in het systeem, waardoor de gebruikersinstellingen geen extreme waarden aan kunnen nemen. Directe feedback en individuele controlemogelijkheden zorgen voor een snellere acceptatie van de instellingen van het systeem. Deze conclusie wordt ook getrokken door Zeiler et al. (2008). Hier wordt de feedback van het systeem gekoppeld aan het energieverbruik. De gebruiker wordt geconfronteerd met de gevolgen van zijn of haar wijzigingen. Zo ontstaat er een keuze tussen de nieuwe instelling die de gebruiker wil door voeren en een energiezuinig alternatief, wat aangegeven wordt door het display van het klimaatsysteem. Tijdens een experiment voor het EBOB-project (Energy efficiënt Behaviour in Office Buildings), bleek dat het kantoorpersoneel dat kon kiezen voor het energiezuinige alternatief, dit ook massaal deed. Dit ondanks dat het niet de gewenste instelling was. Een andere temperatuur werd geaccepteerd omdat het individu hier zelf voor gekozen had. De noodzaak van interactie wordt ook onderschreven in het onderzoek van Isalgue et al. (2006). Echter, wordt in dit onderzoek de invloed van de gebruiker niet één op één doorgevoerd. Er wordt een schijninvloed gecreëerd om de gebruiker tevreden te stellen. Vaak zijn de aanpassingen die een gebruiker doet, niet wenselijk voor een duurzame werking van het systeem. Het gevaar schuilt dat hij op het verkeerde moment reageert op een oncomfortabel klimaat en vervolgens een te grote wijziging wil instellen. Een Intelligent Building moet dan ook weerstand kunnen bieden aan de instellingen van een gebruiker om incorrecte beslissingen te vermijden (Isalgue 2006). Alle drie de onderzoeken onderkennen dat individuele invloed op het systeem het persoonlijk comfort verhoogt en het energieverbruik verlaagt. De interactie met het systeem moet dan wel eenvoudig zijn zonder een ingewikkelde instructie of verwarrende instellingsmogelijkheden (Morrow, 1995, p.4). Conclusie De integratie van verschillende systemen tot één klimaatsysteem is het begin geweest van een Intelligent Building klimaatsysteem. Huidige klimaatsystemen bepalen automatisch de optimale instellingen tussen een gezond binnenklimaat en het energieverbruik, waardoor een duurzamer klimaatsysteem is ontstaan dan een gebouw zonder een IB klimaatsysteem. Het probleem dat bij de huidige systemen speelt, is dat de ontwerpers tot op heden de derde factor, het psychologisch comfort van de werknemer, niet voldoende hebben geïntegreerd in het ontwerp van de systemen. Omdat het ontwerp niet geheel overeen komt met de verwachtingen van de gebruiker, zal deze het systeem willen aanpassen. Deze actie van de gebruiker moet niet tot gevolg hebben dat de economische en milieutechnische prestaties dalen. Er zijn bepaalde ontwikkelingen gaande op het gebied van interactie tussen de gebruiker en het klimaatsysteem. De twee behandelde oplossingen gaan over bewustwording enerzijds en de schijn van controle anderzijds. Binnen een kantoorpand is vaak veel personeel aanwezig. De functie van het gebouw zorgt voor een afbakening binnen de persoonlijke parameters. Zo zullen medewerkers ongeveer dezelfde werkkleding hebben. Desondanks zijn er zoveel individuen met ieder hun eigen persoonlijke voorkeuren, dat individuele controle vanuit economisch oogpunt niet gewenst is. Wanneer ieder zijn eigen instelling wil hanteren, is de kans groot dat het systeem piekbelastingen te verwerken krijgt. De duurzaamheid van het systeem gaat hiermee volledig verloren. Vanuit energetisch oogpunt moet het systeem niet verstoord worden. Vanuit psychisch oogpunt van de gebruiker is aanpasbaarheid Onderzoeksmethodologie voor bouwtechniek Groep 8 Pagina 6

7 echter wel van belang. Het ontwerp van Isalgue et al., waarbij de gebruiker in de veronderstelling wordt gebracht dat hij invloed kan uitoefen, terwijl het systeem uiteindelijk beslist, heeft de voorkeur in een kantoorpand. Discussie Om een duurzaam klimaatsysteem te laten slagen, is het nodig dat de gebruiker het systeem accepteert. Tot op heden wordt aangenomen dat acceptatie van het klimaatsysteem alleen mogelijk is wanneer de werknemer het gevoel heeft invloed te hebben op zijn werkplek. Wij vragen ons af of een interactief klimaatsysteem in een kantoorgebouw met open werkplekken wel nut heeft. We zijn het eens met de gedachte van Isalgue et al., dat het systeem het klimaat regelt, maar het psychische comfort behagen door schijninvloed is volgens ons niet de juiste manier. Het onderzoek van Zeiler et al. gaat uit van bewustwording van de eigen invloed door middel van informatieverstrekking. Het onderzoek van Himanen en Järvi (2007) toont aan dat het comfort van werknemers op open werkplekken lager is ondanks individuele invloed. Het is dus duidelijk dat je nooit elk individu tevreden kunt stellen. Als ontwerper zul je dit moeten accepteren. Wij stellen dan ook dat voor kantoorgebouwen met open werkplekken, waar veel individuen werkzaam zijn, geen systeem moet worden toegepast met persoonlijke instellingsmogelijkheden. Binnen deze open werkplekken leidt een interactief systeem niet tot een duurzamer en economischer klimaatsysteem en comfortabelere gebruikers. Voor deze open werkplekken zou het beter zijn een zelfregulerend systeem toe te passen dat een acceptabel binnenklimaat oplevert met een optimaal energiegebruik. Door middel van informatie over de werking van het systeem zal gestreefd moeten worden naar acceptatie van het systeem door de gebruiker. Hoe deze informatie het best overgebracht kan worden zal verder onderzoek vereisen. Dit onderzoek moet leiden tot oplossingen voor informatievoorzieningen die leiden tot een verhoogd psychisch comfort en tevreden kantoorpersoneel. Onderzoeksmethodologie voor bouwtechniek Groep 8 Pagina 7

8 Literatuurlijst de Dear, R.J., Brager, G.S. (1998). Towards an adaptive model of thermal comfort and preference. ASHRAE Transactions pag University of California, Berkeley Daum, D., Haldi, F., Morel, N. (2010) A personalized measure of thermal comfort for building controls. Building and environment 46 (2011) pag.3-11 Fanger, P.O. (1970) Thermal comfort. Copenhagen Himanen, M., Järvi, T. (2007) Office workers feedback on the control of office indoor environment.vvt en Helsinki University of Technology, Finland Isalgue, A., Palme, M., Coch, H., Serra, R. (2006). The importance of users actions for the sensation of comfort in buildings. AiEM School of Architecture, Barcelona Mohamed, S.M., Ibrahim, H.G.A. (2005) Human Factors affecting Tenants of Intelligent Building. Helwan University, Cairo Morrow, M. (1995). Personal environments and productivity in the intelligent building. Intelligent Building Institute Intellibuild, Atlanta Georgia. Sciuto, S. en Galatà, A. (1998) Efficient design incorporating fundamental improvements for control and integrated optimization.conphoebus, Florence. van der Linden, K., Kerssemakers, M., Boerstra, A., Raue, A. (2000) Thermisch binnenklimaat als gebouwprestatie. Technische Universiteit Delft & Boerstra binnenmilieu advies, Delft Zeiler, W., Boxem, G., van Houten, M.A., Wortel, W., van der Velden, J.A.J., Kamphuis, R., Hommelberg, M. (2008). Individual user behaviour leading factor agent comfort technology. PLEA2008 conference, Dublin Onderzoeksmethodologie voor bouwtechniek Groep 8 Pagina 8