Adaptieve Temperatuurgrenswaarden (ATG) Deel 1: Theoretische achtergronden van de nieuwe richtlijn voor de beoordeling van het thermisch binnenklimaat S.R. Kurvers,1,2, A.C. van der Linden1, A.C. Boerstra3, A.K. Raue4
Inleiding Dit is het eerste deel van een artikel over de adaptieve temperatuurgrenzen (ATG), behorende bij de voordracht van Kees van der Linden op het ISSO symposium Thermisch Binnenklimaat op 10 november in het WTC te Rotterdam. Het tweede en derde deel wordt gepubliceerd komende uitgaven van Verwarming & Ventilatie. In dit artikel willen we stil staan bij enkele theoretische achtergronden van de nieuwe richtlijn als inleiding op een volgend artikel waarin de GTO- en de ATG-methode met elkaar worden vergeleken aan de hand van simulatieberekeningen.
Adaptatie De GTO-methode is gebaseerd op het model van Fanger. Dit model is ontwikkeld in een laboratorium, waarbij onder gecontroleerde omstandigheden de thermische omgeving werd gevarieerd en de thermische waardering van de proefpersonen werd geregistreerd. De proefpersonen konden zelf geen invloed op de thermische omgeving uitoefenen. Fanger heeft ook expliciet in zijn boek “Thermal Comfort” [3] aangegeven dat zijn model is ontwikkeld voor de toepassing van “kunstmatige klimaten” in “gecontroleerde ruimten”. De wereldwijde generalisatie van het PMV-model voor niet geklimatiseerde ruimten is een oneigenlijke toepassing. Recente veldonderzoeken hebben bevestigd dat het model van Fanger ook in de praktijk zou moeten worden beperkt tot het oorspronkelijke toepassingsgebied. In natuurlijk geventileerde gebouwen blijkt psychologische adaptatie een zeer belangrijke rol te spelen. Doordat het binnenklimaat mee fluctueert met het buitenklimaat ervaren mensen meer contact met buiten en hierdoor verwachten ze en hebben ze zelfs een voorkeur voor hogere binnentemperaturen. Verder blijken mensen in de praktijk in natuurlijk geventileerde gebouwen actiever hun kleding en metabolisme aan te passen aan de weersomstandigheden. Gebruikers van airconditioned gebouwen passen zich minder aan (Figuur 1). Dat maakt hen gevoeliger voor temperatuurveranderingen, waardoor de comforttemperaturen in airconditioned gebouwen binnen een kleinere bandbreedte vallen. De gebruikers raken geadapteerd aan het mechanisch gecontroleerd binnenklimaat omdat hun verwachtingspatroon daarop is ingesteld.
1
Technische Universiteit Delft, Faculteit Bouwkunde, Afdeling Bouwtechnologie, Vakgroep Climate Design & Environment
2 3 4
Apogeum Indoor Environment Management, Gouda BBA Boerstra Binnenmilieu Advies, Rotterdam Raue IEQ, Rotterdam
1
Figuur 1: Kledingisolatie als adaptieve thermoregulatie in mechanisch gekoelde en natuurlijk geventileerde gebouwen. Elk punt is de gemiddelde kledingisolatie in een gebouw in relatie tot de operatieve binnentemperatuur [6].
Figuur 2: Luchtsnelheid als indicator van gedragsmatige adaptatie in mechanisch gekoelde en natuurlijk geventileerde gebouwen [6].
Door het openen van ramen hebben mensen in natuurlijk geventileerde gebouwen daarnaast meer mogelijkheden om de luchtsnelheid in het vertrek te vergroten (Figuur 2). Daardoor wordt bij hogere binnentemperaturen toch een behaaglijke situatie bereikt. Met Fanger’s PMV-model worden slechts in beperkte mate de effecten van de adaptieve mogelijkheden, het aanpassen van kleding en activiteitenniveau en het vergroten van luchtsnelheid meegewogen. Wel kunnen bij het maken van berekeningen handmatig andere waarden voor kledingisolatie, metabolisme en luchtsnelheid in het model ingevoerd worden. Zoals gezegd is het model mede daardoor alleen echt geschikt voor gesloten airconditioned gebouwen. Vergelijkt men de resultaten van veldonderzoek in airconditioned gebouwen met voorspellingen met het PMV-model, dan valt de sterke overeenkomst op.
2
Kledingisolatie De keuze van kleding die mensen dragen hang af van verschillende factoren. Uit een inventarisatie van factoren die bepalen welke kleding wordt gekozen worden de volgende overwegingen genoemd (in volgorde van belangrijkheid): draagcomfort, buitenklimaat, binnenklimaat, representativiteit, modebewustheid, kledingvoorschriften en activiteit na werktijd. In Figuur 3 is te zien dat de kledingisolatie afneemt met een toenemende binnentemperatuur en valt het op dat de variatie in kledingisolatie voor 25% veroorzaakt wordt door de binnentemperatuur [7].
Figuur 3: Verband tussen de kledingisolatie van binnen gedragen kleding en de gemiddelde operatieve binnentemperatuur in natuurlijk geventileerde en airconditioned gebouwen.
Wanneer de kledingisolatie wordt afgezet tegen de buitentemperatuur dan blijkt dat de buitentemperatuur voor bijna 50% verantwoordelijk is voor de verschillen in kledingvariatie. Verder vallen de enorme verschillen in kledingvariatie binnen een gebouw op (de standaarddeviaties rond de gemiddelden), maar ook de grote verschillen in kledingisolatie tussen de verschillende gebouwen bij dezelfde buitentemperaturen.
3
Figuur 4: Verband tussen de kledingisolatie van binnen gedragen kleding en de gemiddelde effectieve buitentemperatuur in natuurlijk geventileerde en airconditioned gebouwen.
Het verschil in kledingisolatie in geklimatiseerde en niet-geklimatiseerde ruimtes blijkt onder andere ook uit (Figuur 5).
Figuur 5: Verband tussen kledingisolatie en temperatuur van de verblijfsruimte in geklimatiseerde en niet-geklimatiseerde ruimten [8].
In een onderzoek naar het verband tussen kledingisolatie en de binnen- en buitentemperaturen [7] wordt de sterkte van het verband tussen de gemiddelde dagelijkse kledingisolatie en de gemiddelde binnen- en buitentemperaturen voor verschillende tijdsintervallen getoond.
4
Figuur 6: De sterkte van het verband (R2) tussen de gemiddelde dagelijkse kledingisolatie en de gemiddelde binnen- en buitentemperaturen voor verschillende tijdsintervallen.
Dit impliceert dat niet alleen het weer van vandaag, maar ook het weer van de afgelopen dagen bepalend is voor de kledingkeuze, en daardoor de comfortbeleving. Deze “running mean outdoor temperature’ (RMOT), een exponentieel gewogen, gemiddelde buitentemperatuur wordt daarom gehanteerd als inputvariabele bij de adaptieve binnentemperatuurgrenzen. Beïnvloeden van de thermische omgeving De met het buitenklimaat veranderende behaaglijkheidstemperaturen in niet-geklimatiseerde gebouwen worden naast de ruimere bandbreedte van kledingisolatie, de ervaringen en verwachtingen ook beïnvloed door de beïnvloedingsmogelijkheden. Dit werd al eerder door andere auteurs genoemd. Leaman en Bordass [9] noemen op basis van een analyse van onderzoek in tientallen kantoorgebouwen de volgende cruciale factoren die van grote invloed blijken te zijn op de thermische behaaglijkheid, de gezondheid en de productiviteit van werknemers in kantoren: Persoonlijke beïnvloeding. Dit betekent controle over verwarming, koeling, ventilatie, verlichting en geluid. Reactiesnelheid (responsiveness). Dit is de snelheid waarmee aanpassingen van temperatuur, ventilatie, geluid en verlichting in de perceptie van gebruikers tegemoet komen aan hun wensen. Groepsgrootte. Bij grotere werkgroepen wordt het voor een individu steeds moeilijker verlichting, lichtwering, zonwering, temperatuur en ventilatie op zijn of haar behoefte van dat moment af te stemmen. Gebouwdiepte. De kritische gebouwdiepte ligt op 12 tot 15 meter. Bij grotere gebouwdiepte wordt de omgeving als minder comfortabel ervaren en neemt de productiviteit af. Naarmate mensen verder van de gevel zitten hebben ze minder invloed op het binnenklimaat, omdat ze geen te openen ramen tot hun beschikking hebben. Op basis van een groot aantal onderzoeken concluderen Nicol en Humphreys [10] onder andere het volgende:
5
Het comfortgebied waarin zoveel mogelijk mensen zich behaaglijk voelen, beslaat in centraal geregelde gebouwen circa 2°C. Als mensen hun omgeving kunnen beïnvloeden, is dit gebied aanmerkelijk ruimer. Ieder gebouw moet zijn gebruikers beïnvloedingsmogelijkheden bieden. Zijn die er niet, of zijn ze ineffectief, ontoereikend of onbruikbaar, dan neemt het ervaren discomfort toe.
Het principe van het adaptieve model en de noodzaak om de omgeving te kunnen beïnvloeden wordt onder andere ook door Vroon [11] onderschreven. Hij stelt dat: Zintuigen functioneren alleen goed als ze veranderingen kunnen waarnemen.Het waarnemen van veranderingen is belangrijk voor de overleving van mens en dier. Bij een gebrek aan afwisseling wil een organisme zelf veranderingen creëren, anders gaat het stoornissen vertonen. De mens wil mede daarom voortdurend in zijn omgeving ingrijpen. Uit een onderzoek in 8 Nederlandse kantoorgebouwen [12] blijkt dat de mogelijkheden om ramen te kunnen openen afnemen naarmate de groepsgrootte toeneemt. Het percentage mensen dat het raam naar behoefte kan openen neemt af van 79% in eenpersoonskamers tot 27% in kamers met meer dan vier personen (Figuur 7). 100%
perceptie te openen raam
90%
(n=3044)
80% raam te openen naar behoefte
70% 60%
raam niet te openen naar behoefte
50%
raam niet te openen
40% 30% 20% 10% 0% 1 persoons
2 - 3 persoons
4+ persoons
groepsgrootte
Figuur 7: Perceptie van de mogelijkheid tot het openen ramen in relatie tot groepsgrootte, in 8 Nederlandse kantoorgebouwen [13] .
In een recent onderzoek in een natuurlijk gekoeld kantoorgebouw in de Verenigde Staten [13] bleek dat de neutrale temperatuur ruim 1,5°C hoger lag wanneer de aanwezigen de ramen konden bedienen. Bovendien lag de neutrale temperatuur veel dichter bij de gemiddelde temperatuur, wanneer de ramen konden worden bediend (Figuur 8). De mensen die het dichtst bij de gevel zitten hebben de beste beïnvloedingsmogelijkheden (HI), vergeleken met degenen die verder van de gevel zitten (LO). Van de gebouwgebruikers vond 80% het in de zomer acceptabel en 84% vond het in de winter acceptabel. Wanneer de niet adaptieve grenswaarden uit de ASHRAE Standard 55-2004 werden toegepast, die op het model van Fanger zijn gebaseerd, zou 72% (zomer) tot 78% (winter) het acceptabel hebben gevonden.
6
Figuur 8: Gemiddelde temperatuur vergeleken met de neutrale temperatuur voor groepen met hoge (HI) en lage (LO) mate van bedieningsmogelijkheden van te openen ramen.
ASHRAE 55-2004 Internationaal gezien wint de adaptieve methode voor niet centraal geklimatiseerde ruimtes steeds meer terrein als alternatief voor de Fanger-benadering. Zo wordt er bijvoorbeeld sinds kort in de laatste versie van de Amerikaanse ASHRAE Standard 55-2004 [14] voor natuurlijk geconditioneerde ruimtes een optionele methode gegeven, gebaseerd op de adaptieve theorie (Figuur 9).
Figuur 9: Acceptabele operatieve temperatuurgrenzen voor natuurlijk geconditioneerde ruimtes (ASHRAE 55-2004)
Tevens worden voorwaarden genoemd om de adaptieve methode te kunnen toepassen. De belangrijkste voorwaarden zijn dat de thermische condities primair worden geregeld door de
7
gebruikers door middel van het openen en sluiten van de ramen. De ramen moeten openen naar de buitenlucht en er mag geen mechanische koeling zijn geïnstalleerd. Mechanische ventilatie zonder koeling mag wel als aanvulling op de te openen ramen aanwezig zijn. Merk ook op dat in Figuur 9 de horizontale as de gemiddelde maandelijkse luchttemperatuur weergeeft in tegenstelling tot de oorspronkelijke resultaten van [5], waar de effectieve temperatuur wordt weergegeven. Voor gebruik in de Nederlandse situatie wordt voor de buitentemperatuur ook de luchttemperatuur genomen. Het verband tussen comforttemperatuur en buitentemperatuur is hierop aangepast. Om gelijke pas te houden met internationale ontwikkelingen is onder begeleiding van ISSOkontaktgroep 58 een nieuwe richtlijn ontwikkeld gebaseerd op de adaptatietheorie: ISSO publicatie 74.
Nieuwe prestatie-indicator: ATG Evenals bij de nieuwe ASHRAE Standard 55-2004 is de nieuwe Nederlandse richtlijn gebaseerd op de internationale database. Hierin wordt onderscheid gemaakt tussen “airconditioned” gebouwen zonder gebruikersinvloed en “natuurlijk geventileerde” gebouwen met gebruikersinvloed. Omdat deze omschrijvingen niet eenduidig zijn en tot verwarring kunnen leiden is in de nieuwe richtlijn gekozen voor een korte en neutrale aanduiding: Alphaen Bètagebouwen (Figuur 10, Figuur 11). 33
Gebouw/klimaattype Alpha
maximaal toelaatbare binnentemperatuur °C
32 31
Tmax 65% acceptatie
30
Tmax 80% acceptatie
29
Tmax 90% acceptatie Tmin 90% acceptatie
28
Tmin 80% acceptatie
27
Tmin 65% acceptatie
26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 -5
-4 -3
-2
-1
0
1
2
3
winter
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
herfst / lente
zomer
warme zomerperiode
Gewogen gemiddelde buitentemperatuur (Te ,re f )
Figuur 10: Gebouw/klimaattype Alpha. Maximaal toelaatbare operatieve binnentemperatuur voor een bepaalde acceptatie, afhankelijk van de buitentemperatuur Te,ref
8
33
Gebouw/klimaattype Bèta
maximaal toelaatbare binnentemperatuur °C
32 31
Tmax 65% acceptatie
30
Tmax 80% acceptatie
29
Tmax 90% acceptatie Tmin 90% acceptatie
28
Tmin 80% acceptatie
27
Tmin 65% acceptatie
26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 -5
-4 -3
-2
-1
0
1
2
3
winter
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
herfst / lente
zomer
warme zomerperiode
Gew ogen gemiddelde buitentemperatuur (Te,re f )
Figuur 11: Gebouw/klimaattype Bèta. Maximaal toelaatbare operatieve binnentemperatuur voor een bepaalde acceptatie afhankelijk van de buitentemperatuur Te,ref
In Nederland zijn veel gebouwen een mengvorm van het Alpha- en Bètatype, meestal aangeduid als hybride gebouwen. Deze gebouwen opereren een deel van het jaar als passieve gebouwen, zonder mechanische koeling en bij bepaalde waarden van binnen- en buitentemperatuur wordt de lucht mechanisch gekoeld. De vraag die zich hier opwerpt is of hybride gebouwen als Alpha- of Bètagebouw beoordeeld moeten worden. In de internationale database waren er onvoldoende gegevens verzameld van hybridegebouwen, dus moest er hiervoor een oplossing worden gezocht. Daarvoor gebruiken we de kennis over gedragsmatige adaptatie (persoonlijke en omgevingsadaptatie) en psychologische adaptatie. Wat betreft gedragsmatige adaptatie gaat het om de mate waarin mensen kleding aanpassen aan het klimaat, ramen kunnen openen en temperaturen kunnen regelen. Zeker zo belangrijk is welk binnenklimaat mensen verwachten op basis van hun eerdere ervaringen. Dit is de belangrijkste component voor de voorkeur voor hogere binnentemperaturen. In Tabel 1 is een schema weergegeven dat is ontwikkeld op basis van de beschikbare kennis over de invloed van de verschillende vormen van thermische adaptatie. Met dit schema worden gebouwen of ruimtes op basis van een aantal kenmerken ingedeeld in klimaatklasse Alpha of Bèta om zo de juiste grenswaarden te kunnen toepassen.
Tabel 1: Schema voor het bepalen van gebouw/klimaattype Alpha of Bèta
Vraag 1
Heeft het gebouw / de werkruimte een geheel gesloten gevel?
► Ja
Gebouw/klimaattype Bèta
► Nee
Ga verder met vraag 2
9
Vraag 2
Vraag 3
Vraag 4
Vraag 5
Is er per 2 personen minimaal 1 te openen raam beschikbaar? Per travee dient het te openen oppervlak minimaal 0,5 m2 te zijn en het raam moet zijn voorzien van een windvaste raamuitzetter met een regelbare kierstand. Heeft het gebouw / de werkruimte actieve koeling?
Kan per maximaal 2 personen de temperatuur in de winter (verwarming) én in de zomer (koeling) individueel worden beïnvloed? De temperatuurinstelling moet een regelbereik hebben van ± 3°C rond de instelwaarde en de ingestelde waarde moet na maximaal 30 minuten bereikt zijn. Zijn er mogelijkheden om de kleding af te stemmen op het weer en op het binnenklimaat? (geen “dress code”)
► Ja
Ga verder met vraag 5
► Nee
Ga verder met vraag 3
► Nee
Ga verder met vraag 5
► Ja
Ga verder met vraag 4
► Ja
Ga verder met vraag 5
► Nee
Gebouw/klimaattype Bèta
► Ja
Gebouw/klimaattype Alpha
► Nee
Gebouw/klimaattype Bèta
Hoe nu verder? Hoe zullen nu de GTO- en ATG-methode zich tot elkaar verhouden? Het is goed om zich te realiseren dat de TO- en de GTO-methode empirische methodes zijn, gebaseerd op ervaringen in de praktijk. Daarbij was de GTO-methode gedeeltelijk gebaseerd op het model van Fanger. Dit model is ontwikkeld in een klimaatkamer met 128 Deense studenten, die dezelfde kleding droegen, die kort in de ruimte verbleven, geen ramen konden openen en geen kleding konden uit- of aantrekken. Luchtvochtigheid, luchtsnelheid, geluid, verlichting en luchtkwaliteit werden constant gehouden. Het mag op zijn minst opmerkelijk worden genoemd dat de PMV-vergelijking al 30 jaar wordt gebruikt in alle soorten gebouwen over de gehele wereld. De database waarop de nieuwe Adaptieve Temperatuur Grenswaarden zijn gebaseerd bestaat uit 21.000 datasets (metingen en oordelen van de mensen op hetzelfde moment) die zijn verzameld in 161 gebouwen. De mensen in deze gebouwen verbleven hier lange tijd, konden (in de Apha-gebouwen) de ramen openen, ze konden veelal hun kleding variëren en luchtvochtigheid, luchtsnelheid, geluid, verlichting en luchtkwaliteit varieerden voortdurend. Dit alles betekent dat de ATG een betere representatie is van de perceptie van thermische omgevingen in de werkelijkheid dan het analytische PMV-model. Dit is geen kritiek op het werk van Fanger, dat in die tijd grensverleggend onderzoek was en erg veel inzicht heeft gegeven in de relatie tussen de mens en de thermische omgeving. Met de nieuwe methode zal nu ervaring moeten worden opgedaan. De uitkomsten zullen in bepaalde gevallen afwijken van beoordelingen die met de GTO-methode zijn uitgevoerd. Architecten, adviseurs, installateurs en andere professionals zullen aan de methode moeten wennen en het “in de vingers” moeten krijgen.
10
Een adequate toepassing van de ATG-methode zou moeten beginnen bij het allereerste ontwerp. Door al in een vroeg stadium keuzes te maken die het passieve gedrag van gebouwen bevorderen kan het binnenklimaat worden ontworpen met behulp van de adaptieve grenswaarden. Te denken valt hierbij aan het beperken van zontoetreding door raamoppervlakte en –plaatsing te optimaliseren, het toepassen van buitenzonwering, het vergroten van thermisch accumulerend vermogen van de constructie, het toepassen van goed regelbare te openen ramen, etcetera. Omdat de ATG-methode nu (terecht) minder strenge eisen stelt in vergelijking met de GTO-methode is het toepassingsgebied voor niet centraal geklimatiseerde gebouwen vergroot. Gebouwen die op andere ontwerpoverwegingen zijn gebaseerd, zoals diepe gebouwen, gebouwen met veel glas en een lichte constructie en gesloten gevel zullen beoordeeld moeten worden met de Bètagrenswaarden. Verkennende berekeningen laten bij een gemiddeld klimaatjaar zien dat deze gebouwen strenger worden beoordeeld met de ATGmethode dan met de GTO-methode. Bij een warm jaar zoals 1995 of 2003 zijn de verschillen naar verwachting kleiner omdat de ATG-methode met name bij hogere buitentemperaturen hogere binnentemperaturen toestaan. Daarnaast zal ook de regeling bij Bètagebouwen gewijzigd moeten worden. De binnentemperaturen zullen binnen de gegeven bandbreedte geleidelijk op moeten lopen, gestuurd door de buitentemperatuur. Dit vergt het ontwikkelen van een stooklijnoptimalisatie of adaptief regelalgoritme. Al met al zal er met de nieuwe methode de nodige ervaringen moeten worden opgedaan en is nader onderzoek nodig om de betekenis van afwijkingen tussen de oude en nieuwe methode doorgronden. In een vervolg op dit artikel zullen berekeningsresultaten uitgebreid worden besproken.
Literatuur 1. “Individuele beinvloeding: lager energiegebruik, gezonder, comfortabeler en productiever binnenmilieu”, van der Linden, A.C., Boerstra, A.C. , Kurvers, S.R., Verwarming en Ventilatie, juni 2002. 2. “Nieuwe eisen voor de binnentemperatuur in gebouwen”, Weele, A.M. van, Verwarming en Ventilatie, juli/augustus 2004. 3. “Thermische Behaaglijkheid; eisen voor de binnentemperatuur in gebouwen”, publicatie 74, ISSO, Rotterdam, maart 2004 4. “Thermal Comfort Analyses and Applications in Environmental Engineering”, Fanger, P.O., 1970, McGraw-Hill, London, New York, ISBN 0-07-019915-9. 5. “Developing an Adaptive Model of Thermal Comfort and Preference”, R. de Dear, G. Brager en D. Cooper, Final report, ASHRAE RP/884, 1997. 6. “The adaptive model of thermal comfort and energy conservation in the built environment”, de Dear, R., Schiller Brager, G., Int J Biometeorol (2001) 45:100–108. 7. “Weather, clothing and thermal adaptation to indoor climate”, Morgan, C., de Dear, R., Climate Research, Vol. 24:267-284, 2003. 8. “Behavioural adaptation in semi-outdoor environment” Nakano, J., Tanabe, S., Proceedings of Healthy Buildings 2003, vol. 2, pp.815-821. 9. “Productivity in Buildings: the ‘killer’ variables”, A. Leaman, B. Bordass, in Creating The Productive Workplace – Edited by Derek Clements-Croome, ISBN 0-419-23690-2, 2000. 10. “Adaptive thermal comfort and sustainable thermal standards for buildings”, J.F. Nicol, A. Humphreys, Conference Moving Thermal Comfort Standards into the 21st Century, 5th – 8th april 2001, Windsor, UK. 11. “Psychologische aspecten van ziekmakende gebouwen”, P.A. Vroon, ISOR, Utrecht, 1990, ISBN 90-5187-031-0. 12. “Individuele beïnvloeding: lager energiegebruik, gezonder, comfortabeler en productiever binnenmilieu”, S.R. Kurvers, A.C. van der Linden, A.C. Boerstra, TVVL Magazine, jaargang 31, themanummer maart 2002, pp 60-65. 11
13. “Operable Windows, Personal Control and Occupant Comfort”, Brager, G., Paliaga, G., de Dear. R., Ashrae Transaction 110, july, 2004. 14. ASHRAE-Standard 55-2004, “Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy” ISSN 1041-22336.
12
