2 3 2014 BOUWFYSICA WWW.NVBV.ORG INNOVATIEF VENTILATIECONCEPT VOOR FRISSE SCHOOL MFA HET NEST VENTILATIECONCEPT MET NATUURLIJKE TOEVOER VOORKOMT KLACHTEN BINNENKLIMAAT Scholen worden steeds vaker voorzien van gebalanceerde ventilatie. Toch heeft een systeem van natuurlijke toevoer en mechanische afzuiging veel voordelen voor het realiseren van een comfortabel binnenklimaat. In MFA Het Nest te Pijnacker is een slim ventilatieconcept gerealiseerd op dit principe. ir. C.L.M. (Cees) Leenaerts, W/E adviseurs ir. P. (Petra) Briggen, W/E adviseurs (nu Floriaan) INLEIDING Uit onderzoek van onder andere diverse GGD s [1] blijkt dat de kwaliteit van het binnenmilieu in een groot gedeelte van de Nederlandse schoollokalen onder de maat is. Dit probleem komt niet alleen voor in bestaande scholen, ook in nieuwbouwscholen is het binnenmilieu vaak niet in orde. In de praktijk wordt er vaak niet voldaan aan de regelgeving op het gebied van ventilatie van klaslokalen. En dat terwijl een goede binnenluchtkwaliteit van groot belang is voor leerprestaties en de gezondheid van leerlingen en docenten [2,3]. Veel voorkomende problemen met betrekking tot het binnenklimaat in nieuwbouwscholen zijn een slechte luchtkwaliteit - wat zich uit in klachten als hoofdpijn, benauwdheid en een droge keel -, te hoge temperaturen en tocht. Wat kan hieraan gedaan worden? Eén van de belangrijkste factoren is voldoende ventilatie door middel van adequate ventilatievoorzieningen. Met een concept op basis van natuurlijke toevoer en mechanische afvoer van ventilatielucht kan dit prima gerealiseerd worden. Bijvoorbeeld met het systeem zoals dat in MFA Het Nest is uitgevoerd, waar met elektronische, zelfregelende roosters, een spoiler in combinatie met een thermisch open plafond en voorverwarming van de lucht wordt voorkomen dat de luchttoevoer tocht veroorzaakt. De voordelen van dit concept zijn talrijk: oververhitting wordt beperkt; schone lucht wordt tochtvrij toegevoerd; ruimtebeslag is beperkt; lage investerings- en onderhoudskosten; lage geluidproductie; energie-efficiënt. Door gebrek aan kennis bij ontwerpteams blijkt het ontwerpen van een ventilatiesysteem met natuurlijke toevoer in scholen in de praktijk vaak lastige materie te zijn en een reden om te kiezen voor risicovollere, energie-inefficiënte installatietechnische oplossingen. W/E adviseurs is echter overtuigd van de voordelen van natuurlijke ventilatie en laat met een recent opgeleverd praktijkvoorbeeld zien dat juist met een goed ontworpen ventilatiesysteem met natuurlijke toevoer een comfortabel binnenklimaat gerealiseerd kan worden. 1 MFA Het Nest Praktijkvoorbeeld: Multifunctionele accommodatie Het Nest te Pijnacker Eind 2013 is de multifunctionele accommodatie Het Nest in Pijnacker officieel in gebruik genomen: een parkpaviljoen dat drie basisscholen huisvest, een kindercentrum met peuterspeelzalen en buitenschoolse opvang, en een sporthal. De verschillende functies zijn ondergebracht in twee gebouwen. In het ontwerptraject was duurzaamheid een belangrijk thema met een bijzonder klimaatconcept als een van de resultaten. Het passieve energieconcept van MFA Het Nest bestaat uit een gebouwschil met hoge isolatiewaarden, vloerverwarming/-koeling en een warmtepomp met warmte-/koudeopslag. Speciale aandacht is in het ontwerptraject gericht op het ontwerp van het ventilatieconcept: tochtvrije, CO 2 -gestuurde natuurlijke toe-
BINNENMILIEU EN GEZONDHEID BOUWFYSICA 3 2014 3 2 3 Leslokaal in Het Nest met open roosterstroken in het plafond Spoiler en ribbenbuis suskasten en mechanische, CO 2 -gestuurde afzuiging. De suskasten zijn in de gevel boven het verlaagde plafond aangebracht. De toevoerlucht wordt via een spoiler over het verlaagd plafond geleid en komt aan de gangzijde het klaslokaal in, via een in het verlaagde plafond. Om de toevoerlucht tijdens het stookseizoen voor te verwarmen is nabij de spoiler een ribbenbuis opgenomen. Aan de gevelzijde is een tweede in het plafond geprojecteerd. Door de venturi-werking van de spoiler wordt lucht uit het klaslokaal via de bij de gevel aangezogen (zie figuur 4). De binnenlucht mengt zich met de verse buitenlucht, waardoor deze verder wordt opgewarmd. De luchtstroom wordt ook verwarmd doordat deze langs de erboven liggende betonvloer wordt gevoerd. 4 Ventilatieprincipe van Het Nest voer en mechanische afzuiging van ventilatielucht, met Frisse scholen klasse B [4] als uitgangspunt. Voorkomen van tocht Om in klaslokalen aan de ventilatie-eisen volgens klasse B uit het PvE Frisse scholen (de eisen aan de ventilatiecapaciteit zijn inmiddels overgenomen in het Bouwbesluit 2012) te kunnen voldoen, zijn in vergelijking met andere gebruiksfuncties aanzienlijke luchthoeveelheden nodig. Met het inblazen van deze grote hoeveelheden lucht wordt een tochtrisico geïntroduceerd. Wanneer in het ontwerp onvoldoende aandacht wordt besteed aan het voorkomen van comfortklachten door te hoge luchtsnelheden, bestaat er een kans dat gebouwgebruikers tocht ervaren. Om die reden worden de ventilatievoorzieningen vaak uitgeschakeld of dichtgezet, met een slechte luchtkwaliteit tot gevolg. NATUURLIJKE TOEVOER VIA PLENUM EN OPEN STROKEN IN HET VERLAAGD PLAFOND MFA Het Nest is voorzien van natuurlijke toevoer van ventilatielucht via elektronisch gestuurde, zelfregelende De toevoerroosters worden zowel op CO 2 -concentratie als op luchttemperatuur gestuurd. Vooral in de eerste jaren van gebruik zullen leslokalen nog niet maximaal bezet zijn of zelfs niet gebruikt worden. Door de roosters op basis van CO 2 -concentratie, automatisch (meer) dicht te zetten bij een lagere bezetting wordt energie bespaard. De combinatie van deze CO 2 -regeling en de toevoer via het plenum zorgt er ten slotte voor dat de benodigde verwarmingscapaciteit beperkt blijft. Regeling van het systeem Meerdere lokalen zijn aangesloten op één drukgestuurde afzuigventilator. In elk lokaal wordt de capaciteit van de afzuiging geregeld met een CO 2 -gestuurde VAV-klep. Het signaal van de CO 2 -sturing van de klep wordt gebruikt voor de regeling van de roosters in de gevel. De toevoercapaciteit van de roosters wordt zo afgestemd op de afzuigcapaciteit. De toevoercapaciteit van de roosters wordt bepaald door de opening van het rooster en de luchtsnelheid door deze opening. De toevoerroosters zijn voorzien van een sensor die de luchtsnelheid in het rooster meet. De meetwaarde van de sensor wordt naar het GBS gestuurd. In het GBS wordt op basis van deze meetwaarde en de stand van de VAV-klep bepaald hoever de gevelroosters van het betreffende lokaal opengezet moeten worden. De luchtsnelheid in het rooster wordt niet alleen door de onderdruk ten gevolge van de afzuiging bepaald, maar ook door de winddruk op de gevel. Bij meer winddruk zal de snelheid door het rooster hoger zijn en zal het GBS het rooster verder dicht sturen. Het rooster heeft een diode-
4 3 2014 BOUWFYSICA WWW.NVBV.ORG gevelzijde gevelzijde 5a Luchtsnelheid in de doorsnede van een klaslokaal (a) voor (afstand spoiler tot betonvloer is 15 mm) - en (b) na optimalisatie van de hoogte van de spoiler (afstand spoiler tot betonvloer is 40 mm). Bron: Actifl ow 5b werking die voorkomt dat terugstroming van ruimtelucht naar buiten plaats vindt. De ribbenbuis die direct achter het rooster is geplaatst, komt in werking bij een buitentemperatuur lager dan 5 C. De capaciteit van de ribbenbuis (bij 40 C watertemperatuur) is voldoende om de ventilatielucht maximaal 10 C in temperatuur te verhogen. Ontwerp spoilerstand en venturi-effect Om tocht te voorkomen zijn de hoogte en stand van de spoiler en de capaciteit van de voorverwarming in het ontwerpstadium middels een CFD-studie onderzocht en geoptimaliseerd. Hiervoor is een rekenmodel gemaakt van een representatief leslokaal. De berekeningen zijn uitgevoerd voor een koude winterdag, met een buitentemperatuur van -5 C. De ribbenbuis achter het rooster heeft een vermogen van 2200 W, de vloer is voorzien van vloerverwarming met een vermogen van 50 W/m². In het lokaal bevinden zich 30 leerlingen. Tabel 1: Luchtdebiet door de roosterstroken in het plafond bij verschillende spoilerhoogtes afstand spoiler - constructievloer (mm) debiet (dm³/s) rooster gevelzijde rooster gangzijde 100 136 97 15-514 770 40-98 326 Aanvankelijk was de kortste afstand van de spoiler tot de betonvloer 100 mm. Bij deze afstand is het venturi-effect te klein en komt de lucht vooral bij het eerste plafondrooster, aan de gevelzijde, het lokaal binnen. Vervolgens is de spoilerhoogte aangepast naar een kortste afstand van 15 mm tot de bovenliggende vloer. In figuur 5 zijn enkele resultaten van de CFD berekeningen opgenomen. In deze figuur (variant a) is te zien dat bij deze stand van de spoiler de lucht met grote snelheid uit de open plafondstrook aan de gangzijde komt en daar tocht veroorzaakt. Door het venturi-effect van de spoiler wordt er teveel binnenlucht meegezogen, die samen met de verse buitenlucht aan de gangzijde het lokaal in komt, zie tabel 1. Ondanks de aangezogen binnenlucht blijkt de temperatuur van de lucht die via de roosterstrook aan de gangzijde binnenkomt bij deze variant te laag. Op basis van deze resultaten is de afstand van het uiteinde van de spoiler tot de constructievloer vergroot tot 40 mm. Hierdoor wordt het venturi-effect minder groot en worden te hoge luchtsnelheden voorkomen, zie figuur 5, variant b. De temperatuur van de binnenkomende lucht is vlak onder de roosterstrook al 20 C. BEPERKEN VAN OVERVERHITTING Een ander aspect van het binnenklimaat en veelgehoorde klacht is een te hoge temperatuur in de klaslokalen. Opvallend is dat temperatuuroverschrijdingen vaak niet alleen optreden in de zomerperiode, maar ook in het voor- en najaar. Dat komt door de grote interne warmtelast ten gevolge van de hoge bezettingsgraad, naast factoren als zontoetreding door grote glasvlakken en soms een niet adequate regeling van de verwarming. Ruimtekoeling door natuurlijke toevoer In MFA Het Nest draagt de natuurlijke toevoer van buitenlucht bij aan het voorkomen van hoge binnentemperaturen. De buitenluchttemperatuur is het grootste gedeelte van het jaar lager dan de temperatuur in een klaslokaal. Omdat voor een frisse school een hoge ventilatiecapaciteit nodig is, levert natuurlijke ventilatie daarom een behoorlijke bijdrage aan de ruimtekoeling. In de zomer worden de gebouwen met een zomernachtregeling voorgekoeld met frisse nachtelijke buitenlucht. De ventilatiecapaciteit wordt buiten het stookseizoen behalve op CO 2 ook op temperatuur geregeld. Wanneer de binnenlucht te warm dreigt te worden, en het buiten kouder is dan binnen, wordt de capaciteit van de ventilatie opgevoerd om, onafhankelijk van de CO 2 concentratie, vrije koeling door buitenlucht te realiseren. Gebruik thermische massa Ook het thermisch open plafond levert een bijdrage aan de beperking van oververhitting in de klaslokalen. Op warme dagen stroomt binnenlucht via de open stroken in het verlaagd plafond door het plenum en staat daar warmte af aan de koelere betonvloer. De luchtstroom door het plenum komt tot stand door de temperatuurverschillen tussen ruimte en plenum en door de inducerende
BINNENMILIEU EN GEZONDHEID BOUWFYSICA 3 2014 5 6 Gemeten luchtsnelheden in een representatief lokaal (gevelroosters 100% open, afzuigcapaciteit 225 dm³/s, windkracht 6 Bf) werking van de via de spoiler binnenkomende buitenlucht. Door middel van nachtventilatie wordt de opgewarmde betonvloer weer afgekoeld, waarna deze de volgende dag weer beschikbaar is voor opname van warmte uit de binnenlucht. Verder is in Het Nest vloerkoeling toegepast, gevoed vanuit het WKO-systeem voor de warmtepomp die in het project is toegepast, zijn overstekken (in de vorm van galerijen) toegepast voor zonwering en zijn ruime spuivoorzieningen toegepast in de vorm van schuifpuien. De combinatie van de hiervoor beschreven maatregelen zorgt voor een behaaglijk klimaat in de klaslokalen in de zomersituatie. Met temperatuuroverschrijdingsberekeningen is aangetoond dat aan de Frisse scholen eis klasse B qua binnentemperatuur wordt voldaan. Deze eis houdt in dat het bij buitentemperaturen onder 20 C in de leslokalen maximaal 23 C mag worden en bij hogere buitentemperaturen maximaal 3 C boven de buitentemperatuur. ERVARINGEN MFA Het Nest is in oktober 2013 opgeleverd. Voorafgaand aan de oplevering zijn, zodra de buitenschil van het gebouw luchtdicht was, metingen verricht aan het ventilatiesysteem. In een representatief lokaal zijn luchtsnelheden gemeten, bij het ventilatiedebiet voor volle bezetting. Op het moment van de meting werden de roosters nog niet geregeld. Voor de meting zijn ze handmatig geheel open gezet. Tijdens de meting was het buiten 6 C en was er een windkracht 6 Bf. Omdat het gebouw nog niet verwarmd werd was de binnentemperatuur nauwelijks hoger dan de buitentemperatuur. Op een raster van 1,8 x 1,5 m is de luchtsnelheid op 0,1, 1,0 en 1,5 m hoogte boven de vloer gemeten in alle richtingen. In figuur 6 worden de meetresultaten gegeven. In deze figuur zijn de hoogst gemeten waarden opgenomen. Uit de meting blijkt dat in 9 van de 56 meetpunten een luchtsnelheid hoger dan 0,16 m/s (de maximaal toelaatbare waarde voor de wintersituatie) werd gemeten. De hoogst gemeten waarde was 0,25 m/s. Op grond van deze resultaten mag verwacht worden dat aan de eisen voldaan zal worden zodra de roosters op winddruk geregeld worden. Indicatieve metingen in de gebruikssituatie bevestigen dit, maar een goede toetsing heeft nog niet plaats kunnen vinden. Tijdens deze meting ruim voor de oplevering werden nog enkele onvolkomenheden geconstateerd. Zo was de afstand van de spoiler tot de vloer nog niet ingesteld op 40 mm. Ook bleek er tussen de onderzijde van de spoiler en het verlaagde plafond een spleet aanwezig te zijn. Beide onvolkomenheden konden met behulp van stelschroeven gemakkelijk worden aangepast. Na oplevering bleek in eerste instantie de luchtdichtheid van de vele deuren in het project onvoldoende, waardoor tocht optrad in verscheidene lokalen en waardoor de ventilatietoevoer via de roosters niet optimaal werkte. Nadat alle deuren waren bijgesteld bleek uit een luchtdichtheidsmeting in een representatief lokaal met veel buitendeuren dat nu wel ruim wordt voldaan aan de gestelde eis. De q v,10 per m² bedraagt circa 0,2 dm³/s ten opzichte van de maximaal toelaatbare waarde 0,625 dm³/s. Bij een aantal bouwbezoeken bleken de roosters steeds dicht te staan, terwijl het GBS aangaf dat ze open gestuurd waren. De roosters blijken standaard voorzien te zijn van een begrenzing die het rooster automatisch dichtzet bij luchtsnelheid van meer dan 5 m/s door het rooster. Voor dit project wordt deze begrenzing er op dit moment af gehaald. Door de overige tochtbeperkende maatregelen is deze begrenzing overbodig en zelfs ongewenst omdat de roosters met deze begrenzing al bij windkracht 4 Bf dicht gaan en zo de toevoer verse lucht beperken. In het volgende stookseizoen hopen we de installatie definitief te kunnen evalueren. n
6 3 2014 BOUWFYSICA WWW.NVBV.ORG ANDERE VOORBEELDEN NATUURLIJKE TOEVOER VIA GEPERFOREERDE PLENUMBAK 7 8 Ventilatieprincipe Brede school Waterhoef Plenumbak Brede school Waterhoef In het project Brede school Waterhoef te Oisterwijk van DAT architecten is, vanwege de beperkte beschikbare raambreedte, boven de ramen een dubbele rij (mechanisch) zelfregelende suskasten aanbracht om voldoende toevoer te realiseren. Over de volledige breedte van de lokalen is voor de suskasten een geperforeerde plenumbak aangebracht. Door de verspreiding van de ventilatielucht over deze plenumbak wordt de snelheid waarmee de lucht het klaslokaal binnenkomt beperkt. Ook bij dit project is nabij de toevoerroosters - in de plenumbak - een verwarmingselement opgenomen om de lucht voor te verwarmen en het risico op tocht te minimaliseren. De roosters worden gedurende het stookseizoen na schooltijd met een elektronisch geregelde klep dicht gestuurd om het warmteverlies te beperken. Door de afwezigheid van luchttoevoerkanalen en de toepassing van de geperforeerde plenumbak konden verlaagde plafonds achterwege blijven en kon zonder meerkosten een verdiepingshoogte van 3,2 m worden gerealiseerd. De akoestiek van de ruimten is geregeld met akoestisch pleisterwerk. NATUURLIJKE TOEVOER VIA PLENUM EN GEPERFOREERD PLAFOND 9 Ventilatieprincipe MuzeRijk MFA MuzeRijk te Uden (DAT architecten) is, net als Het Nest, voorzien van natuurlijke toevoer van ventilatielucht via elektronische gestuurde, zelfregelende roosters, mechanische CO 2 -gestuurde afzuiging en een plenum boven het verlaagde plafond waardoor de toevoerlucht voert. In dit plan bestaat het verlaagde plafond uit geperforeerde plafondpanelen. Doordat de perforaties klein en verspreid zijn over het gehele plafond, komt de lucht met een zodanig lage snelheid in het leslokaal dat geen tocht veroorzaakt wordt. 10 Ventilatietoevoer via geperforeerd plafond Bijzonder aan dit concept is dat geen extra verwarmingscapaciteit ter plaatse van de toevoerroosters nodig is om tocht te voorkomen. De verwarmingscapaciteit van de vloerverwarming is voldoende om de totale warmteverliezen van een klaslokaal te dekken. Het ventilatiesysteem dat in de leslokalen wordt toegepast maakt maximaal gebruik van de thermische massa van de vloeren, waardoor de lucht in het plenum wordt voorverwarmd. Daarnaast wordt de benodigde verwarmingscapaciteit beperkt door de CO 2 -geregelde toe- en afvoer: er wordt alleen maximaal geventileerd bij volledige bezetting, momenten waarop de kinderen gezamenlijk een behoorlijke warmtebron vormen. BRONNEN [1] Meijer F. en Duijm G., CO 2 -gehalten in scholen in relatie tot ventilatiecapaciteit, ventilatiebehoefte en ventilatienorm, tsg, nummer 4 2009 [2] Gids W.F. de, Het effect van ventilatie op prestaties van leerlingen, TVVL Magazine, nummer 5 2007 [3] Jacobs P., Dijken F. van, Boerstra A., Prestatie-eisen ventilatie in klaslokalen, vv+, juli/augustus 2007 [4] Programma van Eisen Frisse Scholen versie september 2010, Agentschap NL (inmiddels vervangen door: versie april 2012, Agentschap NL)