Frisse schoolvoorbeelden. concepten voor gezonde ventilatie in scholen

Frisse schoolvoorbeelden concepten voor gezonde ventilatie in scholen

Frisse schoolvoorbeelden Concepten voor gezonde ventilatie in scholen

Opdrachtgever: Contactpersoon: Adres: Postadres: Postcode en plaats: Telefoonnummer:

GGD, Hulpverleningsdienst Groningen Frans Duijm, arts, MMK Hanzeplein 120 Postbus 584 9700 AN Groningen 050 - 367 4000

Contactpersoon opdrachtnemer: Adres: Postcode en plaats: Telefoonnummer: E-mail:

Dr.ir. J.T. van Ginkel Oosterhoek 27 8334 RD Tuk 0521 - 518 941 [email protected]

Auteurs projectverslag:

Jan van Ginkel Paul Wensveen

Datum:

Januari 2008

1

Inhoud 1 1.1 1.2 1.3

Inleiding Achtergronden Uitgangspunten voor de ontwikkeling van ventilatieconcepten Opzet rapportage

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Theoretische achtergronden van ventilatie Inleiding Typologie van ventilatiesystemen Ventilatiebehoefte Ventilatieberekening volgens het Bouwbesluit (2003) Invloed ruimtevolume op luchtkwaliteit Energieverlies door ventilatie

3

Overzicht onderzochte ventilatiesystemen

4

Conclusies

5

Aanbevelingen

6

Samenvatting

7

Literatuur

Bijlagen 1 2 3 4 5 6 7

GGD-toetswaarden voor luchtkwaliteit en ventilatie Het CO2-gehalte als maat voor de binnenluchtkwaliteit Berekening van de ventilatiebehoefte Model voor de berekening van het verloop van de CO2-concentratie uitgaande van mengventilatie Afleiding van de metabolische CO2-productie afhankelijk van de leeftijd en het inspanningsniveau Overzicht onderzochte ventilatiesystemen Korte beschrijving onderzochte ventilatiesystemen

2

1.

Inleiding

1.1

Achtergronden

Uit diverse onderzoeken is gebleken dat de binnenluchtkwaliteit van scholen in het algemeen slecht is (Meijer, e.a., 2007). Een te geringe ventilatie is hiervan een belangrijke oorzaak. Slechte binnenluchtkwaliteit leidt mede tot ziekteverzuim (Shendell e.a., 2004) en vermindering van leerprestaties (Wargocki, 2005; Gids, e.a., 2007). In de huidige bouwpraktijk zoekt men de oplossing in (complexe) mechanische systemen. Dergelijke systemen hebben als voordeel dat tevens energiebesparing mogelijk is. Echter, mechanische luchttoevoersystemen leiden veel vaker tot gezondheidsklachten dan natuurlijke. Uit onderzoek in kantoren bleek dat bij circa 40% van de kantoren met volledig mechanische ventilatie gezondheidsklachten voorkomen terwijl dat slechts bij 5% van de kantoren met natuurlijke luchttoevoer het geval was (Bergs, 1991). Daarbij komt dat ventilatievoorzieningen worden ontworpen volgens wettelijke normen. De normhoeveelheden zijn naar het oordeel van de gezamenlijke GGD-en te laag. Met het oog hierop stelden de gezamenlijke GGD’en begin 2006 gezondheidskundige toetswaarden op voor ventilatie in scholen en kindercentra (LCM, 2006). Deze toetswaarden (bijlage 1) gaan beduidend verder dan de minimumeisen uit het Bouwbesluit (2003) voor verblijfsgebieden in nieuw te bouwen scholen. De toetswaarden worden uitgedrukt in termen van CO2-contentraties (bijlage 2). CO2 wordt tezamen met allerlei andere (geur)stoffen (bio-effluenten) door de mens geproduceerd. Deze bio-effluenten kunnen hinder- en gezondheidsklachten veroorzaken. De CO2concentratie is eenvoudig te meten en vormt vanwege de goede samenhang met de overige bio-effluenten een goede indicator van de luchtkwaliteit. Dit laatste geldt overigens alleen indien de mens de belangrijkste vervuilingsbron is. In schoollokalen is dit vaak het geval. Met bestaande ventilatievoorzieningen bleek het niet goed mogelijk om te voldoen aan de GGD-toetswaarden, zelfs niet met de extra inzet van mechanische systemen die als oplossing werden aangedragen (Meijer, 2007, Meijer, 2006). Eind 2006 nam de GGD Groningen het initiatief tot dit project waarin onderzocht wordt welke ventilatieconcepten zouden kunnen voldoen aan deze gezondheidskundige toetswaarden van de GGD'en. Hierbij hebben systemen op basis van natuurlijke ventilatie de voorkeur. Per ventilatieconcept zal een indicatie worden gegeven van de bouw- en energiekosten. Het overzicht van ventilatiesystemen in dit rapport is gebaseerd op een inventarisatie van bestaande ventilatiesystemen en -componenten. Deze inventarisatie is breed, maar niet uitputtend; zo bestaan vaak meerdere fabrikanten en/of leveranciers van vergelijkbare producten terwijl in dit rapport slechts één wordt genoemd. Daarbij zijn de centrale balansventilatie systemen, zoals thans in nieuwbouw situaties veel worden toegepast, hier buiten beschouwing gelaten omdat de focus van dit onderzoek in de eerste plaats gericht was op systemen voor natuurlijke luchttoevoer. Daar waar in dit rapport merknamen, producenten of leveranciers worden genoemd is dat niet met de bedoeling om deze aan te bevelen of te ontraden, maar als korte aanduiding van een bepaald type product. In dit rapport staat de ventilatie van scholen centraal in de beoordeling van systemen. Dit oordeel is nooit absoluut. Indien een bepaald type systeem voor scholen minder geschikt lijkt, kan het juist uitstekend voldoen in bijvoorbeeld woningen. Tenslotte wordt opgemerkt dat in dit onderzoek producten en systemen zijn beoordeeld in het licht van ventilatie- en geluidseisen die veel stringenter zijn dan wat thans gangbaar is. Meer gangbare eisen zullen in het algemeen tot een (nog) gunstiger oordeel leiden.

3

1.2

Uitgangspunten bij de beoordeling van ventilatieconcepten

Binnen dit project gelden de volgende voorwaarden als uitgangspunten voor de beoordeling van de ventilatieconcepten: 1. Kunnen voldoen aan de GGD-toetswaarden voor luchtkwaliteit; 2. Voldoen aan eisen van thermisch comfort in de winter: - Luchtsnelheden in leefzone ≤ 0,05 m/s; - Luchttemperatuur in leefzone 20 ˚C; 3. (Zoveel mogelijk) toepassing van natuurlijke luchttoevoer; 4. Voldoen aan eisen van bedienbaarheid: traploos regelbaar en bedienbaar vanuit de leefzone van de verblijfsruimte; 5. Inbraakveilig; 6. Het maximale geluidniveau door het ventilatiesysteem is 30 dB(A) bij de gewenste luchtstroom; 7. Eenvoudig te onderhouden en schoon te maken; 8. Voldoende mogelijkheden bieden voor nachtkoeling in de zomer. In dit project werden de GGD-toetswaarden als volgt geïnterpreteerd. De toename van de CO2-concentratie ten opzichte van de concentratie in de buitenlucht (∆CO2) is voor de bestaande bouw maximaal 600 ppm bij 24 leerlingen en 1 leerkracht. Voor nieuwbouw geldt een maximum CO2-concentratietoename (∆CO2) van 250 ppm bij 20 leerlingen en 1 leerkracht of en toename van 400 ppm bij 30 leerlingen en 1 leerkracht. Daarnaast gelden de volgende randvoorwaarden: 1. Het ventilatiesysteem is op de markt beschikbaar 2. Het gebruik van zonneschermen mag de ventilatie niet belemmeren. 3. Het ventilatieconcept moet tenminste verenigbaar zijn met verdergaande energiebesparing t.o.v. huidige situatie (bestaande bouw) of huidige EPC-eis (Bouwbesluit); 4. Aandacht voor goede akoestiek (met name bij nieuwbouw) 5. Systeem is gemakkelijk te begrijpen voor een leek 6. Gebruikers worden betrokken bij de implementatie van de systemen

1.3

Opzet rapport

Aangezien dit rapport bestemd is voor lezers met diverse achtergronden is bij de opzet van dit rapport besloten om zoveel mogelijk achtergrondinformatie weer te geven in bijlagen. Dit rapport besteedt eerst aandacht aan de theoretische achtergronden van ventilatie (hoofdstuk 2). Daarbij wordt ingegaan op de typologie van ventilatiesystemen, de ventilatiebehoefte zoals die berekend kan worden op basis van het metabolisme van de mens, en de berekening van het ventilatiedebiet volgens de bouwregelgeving. Ook wordt in dit hoofdstuk bekeken wat de invloed is van het volume van een ruimte op het verloop van de luchtkwaliteit (CO2-concentratie). Tenslotte wordt ingegaan op het energieverlies door ventilatie. Na de theorie volgt de praktijk. In hoofdstuk 3 worden de onderzochte ventilatiesystemen en componenten besproken. Daarbij spitst de bespreking zich toe op de vraag in welke mate bestaande systemen aan de stringente GGD-toetswaarden zouden kunnen voldoen. De conclusies staan in hoofdstuk 4.

4

2

Theoretische achtergronden van ventilatie

2.1

Inleiding

In het rapport worden termen gebruikt die in het vakgebied van gebouwventilatie gebruikelijk zijn. In paragraaf 2.2 worden deze termen toegelicht aan de hand van de typologie van ventilatiesystemen. Bij de beoordeling van ventilatiesystemen draait het in de eerste plaats om de vraag of het systeem kan voldoen aan de ventilatiebehoefte. In 2.3 wordt die ventilatiebehoefte besproken op basis van berekeningen met een model dat beschreven is in bijlagen 3, 4 en 5. Eén van de vragen die bij aanvang van dit project naar voren kwam was: "Heeft het zin om te streven naar grotere groepsruimten zodat het langer duurt voordat toetswaarden worden overschreden?". In dit hoofdstuk zal deze vraag worden onderzocht met enkele berekeningen. Ventilatie tijdens het stookseizoen kan niet bestaan zonder dat energie verloren gaat. Bovendien, goed ventileren is goed voor de gezondheid en mag dus wat kosten. Toch willen we dit energieverlies beperken. Aan het slot van dit hoofdstuk wordt berekend hoe groot het energieverlies zou zijn met en zonder energiebesparende maatregelen.

2.2

Typologie van ventilatiesystemen

Bij ventilatie is altijd sprake van continue aanvoer van verse lucht en afvoer van vervuilde binnenlucht. In het algemeen worden twee ventilatieprincipes onderscheiden op basis van de drijvende krachten, namelijk natuurlijke en mechanische. Bij het eerste principe vindt ventilatie plaats via ramen, roosters en kanalen onder invloed van verschillen in luchtdruk veroorzaakt door wind en temperatuur (schoorsteeneffect); bij mechanische ventilatie wordt de lucht in beweging gebracht door een of meer ventilatoren. Zo ontstaan in principe vier verschillende systemen: A. natuurlijke toevoer met natuurlijke afvoer; B. mechanische toevoer met natuurlijke afvoer; C. natuurlijke toevoer met mechanische afvoer; D. mechanische aanvoer met mechanische afvoer. In Nederland komen de typen A en C het meeste voor; type D wordt in toenemende mate in nieuwbouw toegepast. Daarnaast kunnen ventilatiesystemen worden ingedeeld op grond van het stromingsprincipe, namelijk meng- en verdringingsventilatie. Bij mengventilatie wordt ervan uitgegaan dat de verse, binnenstromende lucht zich volledig mengt met de aanwezige lucht en dan als mengsel wordt afgevoerd. Er vindt dus verdunning plaats van de aanwezige verontreinigingen in de lucht. Bij verdringingsventilatie daarentegen wordt menging zoveel mogelijk voorkomen en ontstaan afzonderlijke luchtlagen (stratificatie). Hierbij bestaat de luchtlaag direct boven de vloer uit verse, relatief koele lucht. Langs warmte producerende objecten (menselijk lichaam, computers) ontstaat door thermiek een opwaartse luchtstroom vanuit de onderste laag met verse lucht. Bovenin de ruimte hoopt de vervuilde lucht op en wordt daar op natuurlijke of mechanische wijze afgezogen (figuur 1). Hierdoor zijn in de leefzone lagere concentraties van vervuilende stoffen in de lucht aanwezig dan bij de zelfde hoeveelheid mengventilatie. Anders gezegd: voor dezelfde luchtkwaliteit hoeft minder geventileerd te worden. Verdringingsventilatie is daardoor naar schatting 30% efficiënter (Skistad e.a., 2002).

5

Figuur 1

2.3

Ventilatie op basis van verdringing (illustratie uit: REHVA ……)

Ventilatiebehoefte

In deze paragraaf staat de vraag centraal: “Hoeveel moet worden geventileerd om aan de toetswaarden van de GGD te voldoen?”. Het antwoord daarop hangt onder andere af van de mate van inspanning van de aanwezige personen. Als een mens druk in de weer is, dan produceert hij veel CO2 en moet er flink worden geventileerd om de CO2-concentratie voldoende laag te houden; denk bijvoorbeeld aan een gymnastieklokaal. De CO2–productie hangt dus samen met het energieverbruik van de mens en daarnaast ook met de leeftijd. Kleine kinderen verbruiken minder energie dan volwassenen en produceren daarom ook minder CO2. Verder moet er meer worden geventileerd indien zich in een ruimte veel mensen bevinden. Ook hangt de ventilatiebehoefte af van de maximum CO2-evenwichtsconcentratie die gehaald moet worden; de evenwichtsconcentratie is de hoogste concentratie die wordt bereikt zodra de CO2-productie gelijk is aan de CO2-afvoer door ventilatie (zie bijlage 4). Als een lage CO2–evenwichtsconcentratie nagestreefd wordt, moet extra veel geventileerd worden in vergelijking met een hoge evenwichtsconcentratie. Tenslotte is het stromingsprincipe van de ventilatie van invloed: verdringingsventilatie is naar schatting circa 30% efficiënter dan mengventilatie. Ventilatiebehoefte [m3/u] per persoon bij laag inspanningsniveau (lezen, schrijven), verschillende leeftijden en CO2-evenwichtsconcentraties bij mengventilatie Ventilatiebehoefte [m3/(u pp)] Leeftijd *CO2 –limiet [ppm] 6 jaar 12 jaar ≥20 jaar 650 47 77 123 800 29 48 77 1000 19 32 51 1200 15 24 38 1400 12 19 31 * Dit is de nagestreefde uiterste CO2-concentratie in de binnenlucht, inclusief 400 ppm CO2 Tabel 1

achtergrond concentratie (in de buitenlucht)

In bijlage 3 wordt de ventilatiebehoefte voor mensen vanaf 2 jaar en bij verschillende inspanningsniveaus berekend. Hierbij is mengventilatie verondersteld. Voor de wijze van berekening wordt naar die bijlage verwezen. Hier wordt volstaan met het weergeven van de resultaten die van toepassing zijn voor een laag inspanningsniveau (tabel 1). Dit is het

6

niveau waarbij men rustig zit te lezen, schrijven en luisteren. Deze activiteiten overheersen tijdens de lesuren van de bovenbouw. Hierbij is de leeftijd van 12 jaar maatgevend. In de onderbouw vertonen leerlingen wat meer afwisseling van inspanningsniveau: spelen, luisteren etc. Hiervoor is de leeftijdscategorie van 6 jaar als maatgevend gekozen. In dit project zijn de GGD-toetswaarden als volgt geïnterpreteerd (zie paragraaf 1.2): - Voor bestaande bouw maximaal 1000 ppm (∆CO2: 600) bij 24 leerlingen en 1 leerkracht - Voor nieuwbouw maximaal 650 ppm (∆CO2: 250) bij 20 leerlingen en 1 leerkracht, of maximaal 800 ppm (∆CO2: 400) bij 30 leerlingen en 1 leerkracht Het blijkt dat voor nieuwbouw de situatie met 20 leerlingen en 650 ppm de hoogste ventilatiebehoefte geeft, namelijk 1750 tegenover 1580 m3/u bij 30 leerlingen en 800 ppm. Derhalve wordt deze laatste variant verder buiten beschouwing gelaten en verder gerekend met twee scenario’s, namelijk: - 24 leerlingen, 1000 ppm en 860 m3/u voor de bestaande bouw en - 20 leerlingen, 650 ppm en 1750 m3/u voor nieuwbouw. Bij deze berekeningen van de ventilatiebehoefte is uitgegaan van de zwaarste leeftijdcategorie (12 jaar), een laag inspanningsniveau en mengventilatie.

2.4

Ventilatieberekening volgens het Bouwbesluit 2003

Evenwichtsconcentratie CO2 [ppm]

Bij de berekening van de minimum ventilatiecapaciteit volgens het Bouwbesluit (2003) is de bezettingsgraadklasse maatgevend. Voor een klas van bijvoorbeeld 20 tot 32 leerlingen en een leerkracht geldt bij een gangbaar vloeroppervlak van 50 m2 de bezettingsgraadklasse B2 voor een verblijfsgebied. Uitgaande van deze bezettingsgraad moet een ventilatievoorziening voor een onderwijsfunctie de volgende capaciteit hebben: 3.5 l/s/m2 voor een verblijfsgebied- VG (bijvoorbeeld 2 leslokalen naast elkaar) 2.8 l/s/m2 voor een verblijfsruimte- VR (bijvoorbeeld een enkel leslokaal) Het kan voorkomen dat in één van de schoollokalen de ventilatie op basis van VG- eis niet kan worden gerealiseerd. In dat geval mag de ventilatiecapaciteit lager zijn dan volgens de VG- eis (3.5 l/s/m2) maar niet lager VR- eis (2.8 l/s/m2). De VR- eis is dus een minimum waaraan een verblijfsruimte moet voldoen. Om aan de totale eis voor een verblijfsgebied te voldoen moet vervolgens in andere ruimte(n) de ontbrekende capaciteit worden gecompenseerd. Uitgaande van de VG- eis van 3,5 l/(s m2) zou in een klaslokaal van 50 m2 de ventilatiecapaciteit 630 m3/u moeten bedragen met een minimum van 504 m3/u (bij VReis van 2,8 l/(s m2). Figuur 2 laat zien welke CO2- evenwichtsconcentraties worden bereikt voor groepen met verschillende aantallen leerlingen en één leerkracht.

2000 1500 12 jaar

1000

1200 ppm 500

6 jaar

0 15

20

25

30

35

Aantal kinderen per klas

Figuur 2

De CO2-evenwichtsconcentraties die worden berekend met het model van bijlage 3, uitgaande van een ventilatiecapaciteit volgens Bouwbesluit van 630 m3/u en aangegeven aantallen kinderen met 1 leerkracht

Bij dit debiet zouden 30 kinderen van 6 jaar volgens het metabolisch model uit dit rapport een CO2–evenwichtconcentratie van 1004 ppm kunnen verwachten; bij evenveel 12-jarigen

7

bereikt de evenwichtsconcentratie uiteindelijk een waarde van 1371 ppm. Overigens zou volgens het Bouwbesluit en bezettingsgraad B2 maximaal 37 leerlingen en 1 leerkracht in dit lokaal van 50 m2 passen. In dat geval zou de CO2–concentratie bij 6 en 12 jarigen oplopen tot respectievelijk 1134 en 1586 ppm. In een schoolgebouw dat aan het Bouwbesluit voldoet en goed gebruikt wordt, kan dus de CO2-concentratie veel hoger oplopen dan de 1200 ppm die oorspronkelijk het uitgangspunt was voor de Bouwbesluiteisen. Verder staat er in het Bouwbesluit ook een strengere eis voor een verblijfsruimte (VR) met de daarbij behorende bezettingsgraad. Die bezettingsgraad is B1 voor een leslokaal van 50 m2 met meer dan 25 personen. Daarbij hoort een eis van 7,7 l/s/m2. Dit zou een goede ventilatie van 1390 m3/u opleveren, maar helaas hoeft men deze eis niet toe te passen omdat men voor een bouwvergunning alleen de bezettingsgraad voor een verblijfsgebied (VG) hoeft te hanteren. Als deze eis wel wordt toegepast, dan is de CO2evenwichtsconcentratie lager dan 800 ppm bij 26 leerlingen en 1 leerkracht, en lager dan 1000 ppm bij ruim 40 leerlingen.

2.5

Invloed van het ruimtevolume op de luchtkwaliteit

Het volume van de groepsruimte op de luchtkwaliteit heeft invloed op de snelheid waarmee de vervuiling van de binnenlucht zich opbouwt. De vraag is of een groter volume de ophoping van de vervuiling zodanig kan vertragen dat binnen de lestijd de concentratie beneden de GGD-normen blijft. Om hier een antwoord op te vinden werd het verloop van de CO2-concentratie berekend bij twee verschillende volumes en overigens gelijk blijvende omstandigheden. Bij de berekeningen werden de volgende scenario's gehanteerd: 1. Volume groepsruimte is gelijk aan 150 m3 en het ventilatiedebiet is 265 m3/u; 2. Volume groepsruimte is gelijk aan 300 m3 en het ventilatiedebiet is 265 m3/u; 3. Volume groepsruimte is gelijk aan 150 m3 en het ventilatiedebiet is 656 m3/u. Een groepsruimte met een volume van 150 m3 komt regelmatig voor op basisscholen. Ter vergelijking is een variant met het dubbele volume toegevoegd. De derde variant heeft een volume gelijk aan de eerste, maar heeft een veel hoger ventilatiedebiet. Resultaten In een groter volume loopt de CO2-concentratie langzamer op dan in een klein volume. Het effect op de tijdspanne tussen de start van de lessen en het moment van overschrijding van bepaalde CO2-concentraties (zoals de GGDtoetswaarden) is groter naarmate het CO2criterium hoger ligt (figuur 3a); bijvoorbeeld het overschrijden van een 1200 ppm grens gebeurt bij een volume van 300 m3 circa 10 minuten later dan bij 150 m3 (figuur 3b). Een 2000 ppm grens wordt bij het grotere volume 45 minuten later overschreden dan bij het kleinere volume. Aangezien de GGD-toetswaarden lager liggen dan 1200 ppm, is de conclusie dat een groter volume slechts een marginaal effect heeft op het moment van overschrijden van deze waarden. Dit laat onverlet dat mensen de ervaring kunnen hebben dat een grotere ruimte minder snel benauwd wordt. Als dat het geval is bij gelijke bezettingsgraad, kan extra infiltratie een rol spelen. Een grote ruimte heeft in het algemeen ook meer ramen. Het zijn vooral de aansluiting van ramen en deuren op de spouwmuur waar infiltratie (tocht) van lucht optreedt. Maar dan is het effect dus meer een gevolg van deze infiltratie (= extra ventilatie) dan van het grotere volume van de ruimte.

8

3000

CO2 [ppm]

2500 2000 1500 1000 500 0 1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

Tijd na start [u] Vol=180; Vent=221

Figuur 3a

Vol=180; Vent=690

Vol=360; Vent=221

De invloed van het volume van de groepsruimte en ventilatiedebiet op het verloop van de gesimuleerde CO2-concentratie gedurende de totale lesperiode

3000

CO2 [ppm]

2500 2000 Vol=180; Vent=221

1500

Vol=180; Vent=690 Vol=360; Vent=221

1000 500 0 0:00

0:30

1:00

1:30

2:00

Tijd na start [u]

Figuur 3b

De invloed van het volume van de groepsruimte en ventilatiedebiet op het verloop van de gesimuleerde CO2-concentratie; detail eerste 2 uur na start lessen.

9

2.6

Energieverlies door ventilatie

De GGD-toetswaarden leiden tot beduidend hogere ventilatiehoeveelheden dan het Bouwbesluit. Ook met vergaande energiebesparende maatregelen zal een gering energieverlies door extra ventilatie wellicht de prijs zijn voor extra gezonde leerlingen met betere leerprestaties. In tabel 2 staat het jaarlijkse gasverbruik per klaslokaal weergegeven voor beide scenario’s, bij zowel mengventilatie als verdringingsventilatie. Tevens zijn de varianten met of zonder warmte-terug-win unit (WTW) weergegeven. Bij verdringingsventilatie is uitgegaan van een 30% betere efficiëntie ten opzichte van mengventilatie. Verder golden de volgende uitgangspunten: - Gemiddelde buitentemperatuur gedurende het stookseizoen: 4,8 °C (ISSO-publicatie 16) - Gemiddelde binnentemperatuur tijdens de lesuren: 20 °C - Gemiddelde binnentemperatuur gedurende de nacht: 18 °C - Bedrijfstijd 8 u/dag - Stookseizoen 212 dagen/jaar (ISSO-publicatie 16) - Interne warmtelast: 100 W/leerlingen en één leerkracht à 200 W - Ventilatiedebiet buiten de bedrijfstijd: 100 m3/u - Rendement verwarmingsketel 72% (ISSO-publicatie 16) Tabel 2

Aantal leerlingen + 1 doc. 24 30 20

Energieverbruik bij verschillende ventilatietypen Gasverbruik [m3/(jaar lokaal)] zonder WTW Met WTW Rendement=0,7 Verdringing Debiet Mengventi- Verdringing MengCO2 – limiet [m3/u] latie ventilatie [ppm] 1000 860 525 256 157 77 800 1580 1325 829 397 249 650 1750 1500 953 450 286

De resultaten laten zien dat er een behoorlijk groot gasverbruik optreedt; met name bij mengventilatie en het scenario 20 leerlingen en 650 ppm. Bij deze ventilatiehoeveelheden zijn aanvullende maatregelen op het gebied van energiebesparing noodzakelijk. Ter vergelijking: het gemiddelde energieverbruik voor verwarming van scholen (bestaande bouw) is circa 10 m3 gas per m2 bruto vloeroppervlak (gegevens EnerDeCo). Het totale vloeroppervlak van een standaard basis school van 8 groepen bedraagt ongeveer 1300 m2; per groep is dat ongeveer 165 m2. Voor verwarming zou dan 10 x 165 = 1650 m3 gas nodig zijn. Hiervan is naar schatting 30% (495 m3 gas) bestemd voor het verwarmen van ventilatielucht. Hieruit blijkt dat het scenario 24 leerlingen en 1000 ppm nauwelijks meer energie behoeft te kosten dan thans gangbaar is. Een betere luchtkwaliteit of meer kinderen per klaslokaal vraagt uiteraard meer energie. Hierbij wordt opgemerkt dat scholen in het algemeen niet of nauwelijks ventileren buiten de bedrijfstijden. De achtergrond hiervan is meestal gelegen in inbraakpreventie. Alle ramen gaan volledig dicht na sluitingstijd. Voor zover de school is uitgerust met mechanische ventilatie is de regeling vaak zodanig afgesteld dat buiten bedrijfstijd niet wordt geventileerd vanwege energiebesparing. In tegenstelling hiermee is in bovenstaande scenario wel rekening gehouden met een basisventilatie van 100 m3/u buiten de bedrijfstijden. Dit verklaard voor een deel de verschillen tussen het werkelijke gemiddelde gasverbruik in de bestaande scholen en het berekende verbruik in het bovenstaande scenario.

1 0

3

Overzicht onderzochte ventilatiesystemen

In totaal werden twaalf verschillende ventilatiesystemen onderzocht. In bijlage 6 staat een systematische beoordeling van de onderzochte systemen; bijlage 7 geeft een nadere impressie van elk systeem. De uitgangspunten uit paragraaf 1.2 leiden tot een ventilatiebehoefte bij een mengventilatie van 860 m3/u voor bestaande bouw en 1750 m3/u voor nieuwbouw. Slechts enkele van de onderzochte systemen kunnen aan de capaciteitseis van 860 m3/u voldoen (tabel 3). Geen enkel systeem voldoet bij benadering aan de eis voor nieuwbouw van 1750 m3/u. Van alle in deze tabel genoemde systemen is alleen de Klimavent al enige tijd op de markt (eerst onder de naam Briza). De overige zijn net geïntroduceerd (R-vent), in het stadium van een werkend prototype (TNO) of bestaat uit een bouwkundige oplossing die per situatie gedimensioneerd wordt (Deerns). Daarnaast voldoen alleen de systemen/concepten van Deerns en de school in het Noorse Grong aan de in dit onderzoek geldende sterke voorkeur voor natuurlijke toevoer. Behalve deze systemen voor natuurlijke toevoer voldoet geen enkel systeem aan de geluideis van 30 dB(A); 35 dB(A) is echter wel haalbaar bij debieten tot 1000 m3/u. Tabel 3 Fabrikant/model

Ventilatieprincipe volgens NEN 1087 Type B

Capaciteit [m3/u]

Geluid dB(A)

Opmerking

500

32

2 units installeren; dan totaal geluid van 35 dB(A)

Klimavent 650 Klimavent 900 Deerns

Type D Type D Type A/C

700 900 750

35 37

TNO

Type B

(in principe max. 1500)

?

R-vent (Bergschenhoek)

Natuurlijk toevoer, dus geen extra geluid

Alleen prototype; is nog in ontwikkeling

Prijs excl BTW [€] € 3970,-/ stuk

€ 4995,-/ stuk € 5500,Afhankelijk van de bouwkundige situatie € 2.500,- tot € 5.000,Nog niet bekend

De R-vent van Bergschenhoek (figuur 4) is net op de markt. Het systeem bestaat uit een ventilator met filterunit en een zogenaamde “air sock”; dat is een slang van textiel die aan het plafond gehangen wordt. Door deze slang wordt lucht in het lokaal geblazen. De ventilator en filterunit worden in een aparte ruimte aan de muur gemonteerd om geluidhinder te beperken. De capaciteit bedraagt 500 m3/u per systeem zodat het dubbel uitgevoerd moet worden om aan de capaciteitseis voor bestaande bouw te voldoen. De resultaten van de metingen van de geluidproductie zijn inmiddels ook bekend. Een enkele unit levert inclusief geluiddemper 32 dB(A). Indien de geluidlimiet op 35 dB(A) wordt gesteld zou een tweede unit per lokaal net haalbaar zijn. Zo'n combinatie levert dan 1000 m3/u hetgeen voldoende is om in een groep van 30 leerlingen en één leerkracht de CO2concentratie beneden de 1000 ppm te houden. Dit systeem brengt alleen verse lucht in het gebouw. Voor een compleet werkend ventilatiesysteem moet daarnaast nog voor voldoende luchtafvoer worden gezorgd. Bij

10

renovatie hangt het sterk van de bouwkundige situatie af of aanvullende voorzieningen nodig zijn of dat bestaande klepramen en roosters zullen voldoen.

Figuur 4

Impressie van de R-vent van Bergschenhoek

De Klimavent 900 is een “opgevoerde” versie van de Klimavent 650 en heeft een maximum capaciteit van 900 m3/u. Voor een beschrijving zie bijlage 7. De geluidproductie is echter aan de hoge kant (37 dB(A) voor de 900 en 35 dBA voor de 650). Om 1000 m3/u te realiseren zouden twee exemplaren van het type 650 kunnen worden geïnstalleerd. Hierbij staat de geluidproductie echter in de weg. De Klimavent 650 voldoet aan het niveau van het Bouwbesluit, maar niet aan de GGD-toetswaarden. Het concept van adviesbureau Deerns is in een promotieonderzoek ontwikkeld door Peter van den Engel (1995). Hierbij gaat het om een systeem voor natuurlijke toevoer zonder tochtklachten (figuur 5). Het systeem is als volgt opgebouwd. In de gevel, net onder het plafond, zijn zelfsturende luchtinlaat roosters gemonteerd. Vanuit deze roosters stroomt de lucht langs een cv-buis, een gebogen plaat en door een nauwe sleuf in het lokaal. Door die nauwe sleuf ontstaat een kleefeffect (Coanda-fenomeen). De lucht stroomt daardoor langs het plafond (blijft enige tijd “kleven”) en mengt met de reeds aanwezige lucht voordat de leefzone wordt bereikt. De cv-buis kan de lucht voorverwarmen. Overigens is een temperatuur van de toevoerlucht van minimaal 0 graden Celsius voldoende om kou en tochtklachten te voorkomen. De drukval over de gevel blijft klein en is lager dan 3 tot 5 Pa. Het systeem heeft zich door metingen bewezen tot een capaciteit van 42 l/s per strekkende meter. Voor een gemiddeld klaslokaal met 5 strekkende meter ramen komt dit op circa 750 m3/u. De gebogen plaat kan worden open geklapt zodat het systeem kan worden gereinigd. De vormgeving van het systeem is bepalend voor de goede werking. Dit systeem voldoet aan de voorkeur voor natuurlijke toevoer. Net als bij de R-vent is voldoende afvoercapaciteit nodig.

11

Figuur 5

Schematische voorstelling van het concept van Deerns. De rode stip symboliseert een verwarmingsbuis van de cv

Het systeem van TNO bestaat uit een plenum (ruimte boven verlaagd plafond) waarin lucht vanuit een gevelopening ingeblazen wordt met een ventilator. Vervolgens stroomt de lucht door een systeemplafond met geperforeerde platen. Hierdoor stroomt de lucht gelijkmatig in de ruimte. De vuile lucht wordt aan de zijkant van het systeemplafond via een afzonderlijk kanaal weer afgezogen en stroomt vervolgens naar de uitlaat in de zelfde gevel. De gevelopeningen voor de inlaat en uitlaat moeten daarom voldoende ver uit elkaar liggen (verdunningsfactor). Het systeem lijkt als twee druppels water op een systeem dat al jaren met succes wordt toegepast in de varkenshouderij. In het werkende prototype van TNO waren nog geen geluidbeperkende maatregelen toegepast. Gezien de ervaring in de varkenshouderij is het de vraag of het geluidniveau voldoende laag gehouden kan worden. TNO is nu bezig met een praktijkproef in een school in Sliedecht. De tot nu toe beschreven systemen zijn gebaseerd op het principe van mengventilatie. Verdringingsventilatie wordt in Nederland nauwelijks toegepast; alleen in de horeca. Hier past men het toe om rooklucht uit het compartiment voor niet-rokers te weren.

Figuur 6

Dwarsdoorsnede van de school in Grong (Noorwegen)

Toepassing van verdringingsventilatie in scholen komt voor in Noorwegen. De school in Grong is hiervan een voorbeeld (figuur 6). De ventilatie in deze school is hybride; dat wil zeggen dat er op natuurlijke wijze geventileerd wordt zolang dat kan; zodra dit systeem tekort schiet treedt een ventilator inwerking. De binnenkomende lucht wordt voorverwarmd in een grondbuis en een warmtewisselaar. De laatste betrekt zijn energie uit de afgevoerde lucht in het afvoerkanaal. Na de warmtewisselaar en het luchtfilter stroomt de lucht door speciale verdringingsroosters in het klaslokaal. Vandaar gaat de vervuilde

12

lucht via een klepraam naar een gang bovenin het gebouw en vervolgens naar het afvoerkanaal. Uit de evaluatie die over deze school is gepubliceerd blijkt dat de stromingsweerstand van het filter en de warmtewisselaar groot is zodat de natuurlijke luchtstroom beperkt wordt. Uiteindelijk blijkt onder het regime van natuurlijke ventilatie circa 18 m3/u per persoon beschikbaar. Dit is bij gemiddelde bezetting. Alhoewel verdringingsventilatie (veel) effectiever is dan mengventilatie, lijkt deze hoeveelheid toch aan de krappe kant. Het is de vraag in hoeverre dit Noorse concept past binnen het budgetteringsysteem van Nederland. In ons land krijgen scholen een vast investeringsbudget per leerling. Het aanen afvoerkanaal en de grondbuis zouden om budgettaire redenen wellicht ten koste kunnen gaan van de grootte van het klaslokaal in een nieuwe te bouwen school. Dit hangt sterk af van de bouwkosten van het Noorse systeem. Daarover zijn geen cijfers voor Nederlandse omstandigheden bekend. De hierboven beschreven systemen leveren 700 tot 1000 m3/u. Volgens de ambities van dit onderzoek is dat voldoende om de bestaande bouw op een redelijk niveau te brengen. Voor nieuwbouw ligt de ambitie beduidend hoger. Hiervoor zijn thans geen systemen op de Nederlandse markt beschikbaar. Dit zal nog moeten worden ontwikkeld. Daarbij heeft een systeem op basis van verdringingsventilatie de voorkeur vanwege de grotere efficiëntie. Indien de ambities niet verder reiken dan de ventilatiecapaciteit volgens het Bouwbesluit komen ook andere systemen in aanmerking. Zo kan bij renovatie van een school de Gentle Vent en goede en relatief goedkope aanvulling vormen. Het is nadrukkelijk een aanvulling op de bestaande ventilatiecapaciteit. De capaciteit van dit systeem wordt voor een deel bepaald door de mate waarin de luchtafvoercapaciteit in voldoende mate gegarandeerd is. Aan het slot van dit hoofdstuk kan het ventilatieprobleem ook van de andere kant benaderd worden door antwoord te geven op de vraag: hoeveel leerlingen per lokaal toelaatbaar zijn gegeven de beschikbare ventilatiecapaciteit van 1000 m3/u en de vereiste maximale CO2 concentratie (tabel 4). De tabel laat zien dat bij de strengste GGD-toetswaarde van 650 ppm het maximum aantal leerlingen in groep 8 (12 jarigen) slechts 11 is. Dit past niet bij de huidige financiering. Indien de ambitie op 1000 ppm ligt is een groepsgrootte van 30 leerlingen van 12 jaar geen probleem. Tabel 4.

Maximaal aantal kinderen per klaslokaal bij gegeven ventilatiedebiet en CO2 limiet CO2 -limiet 650 ppm 3

Ventilatiedebiet m /u 750 1000

6 jaar

1000 ppm 12 jaar

13 19

6 jaar 8 11

13

12jaar 37 50

22 30

4

Conclusie

De ambities in dit onderzoek In dit onderzoek werden de volgende ambities voor ventilatie gehanteerd: - voor bestaande bouw, 24 leerlingen en maximaal 1000 ppm - voor nieuwbouw, bij 20 leerlingen en 650 ppm of 30 leerlingen en 800 ppm Verder geldt dat de geluidproductie door het ventilatiesysteem niet hoger is dan 30 dB(A). Met behulp van de in paragraaf 2.3 berekende ventilatiebehoefte per persoon komt dit neer op 860 m3/u voor bestaande bouw en 1580 m3/u (30 leerlingen en 800 ppm CO2) of1750 m3/u (20 leerlingen en 650 ppm CO2) voor nieuwbouw. Dit is beduidend meer dan de minimaal vereiste capaciteit van circa 500 tot 630 m3/u zoals volgens het Bouwbesluit zou gelden. Welk systeem voldoet? Bestaande bouw Van de bestaande hierbij onderzochte systemen die zouden kunnen voldoen aan de eisen maken de mechanische systemen toch nog wat veel lawaai. Indien genoegen wordt genomen met een hogere geluidsniveau van 35 dB(A) dan de oorspronkelijk gehanteerde grens van 30 dB(A), kan een dubbele R-vent goed aan de ventilatie-eisen voor bestaande bouw voldoen. Uitgaande van de voorkeur voor natuurlijke luchttoevoer vormt het Coanda-systeem van Peter van den Engel (Deerns) de beste benadering. Voordeel hiervan is dat het toevoersysteem zelf geen geluid produceert. De capaciteit lijkt in de praktijk vooralsnog beperkt tot circa 750 m3/u. Het systeem is nog niet in de praktijk toegepast. In dit onderzoek geldt een sterke voorkeur voor natuurlijke luchttoevoersystemen. Nieuwbouw Er is geen passend systeem gevonden voor de in dit rapport gehanteerde hoge ambitieniveau wat betreft ventilatie en geluidseisen voor nieuwbouw. Een systeem dat daar wel aan voldoet zal ontwikkeld moeten worden. Daarbij heeft een systeem op basis van verdringingsventilatie de voorkeur vanwege de grotere efficiency. Bij een verdere systeemontwikkeling zouden de volgende onderzoeksvragen moeten worden beantwoord: 1. Hoeveel ventilatiecapaciteit is bij verdringingsventilatie nodig om in een groepsruimte met 30 leerlingen en 1 leerkracht het kooldioxide gehalte lager dan 650 ppm te houden? 2. Hoe kan een dergelijk systeem worden gerealiseerd met behoud van voldoende thermisch en akoestisch comfort? Indien een luchtkwaliteit van 1000 ppm CO2 toereikend wordt geacht, zijn thans wel voldoende passende ventilatiesystemen op de markt verkrijgbaar. Daarbij wordt opgemerkt dat dit kwaliteitsniveau (1000 ppm) in het algemeen beter is dan bereikt kan worden met de nu veel toegepaste systemen, zelfs als die voldoen aan de ventilatie-eisen voor nieuwbouw volgens het geldende Bouwbesluit. De selectie van het ventilatiesysteem hangt sterk samen met het amibitieniveau voor de luchtkwaliteit. Daarbij speelt ook het aantal leerlingen per klaslokaal een belangrijke rol.

14

5

Aanbevelingen

De keuze voor een bepaald type ventilatiesysteem hangt samen met het ambitieniveau voor aantallen leerlingen per klaslokaal, luchtkwaliteit, thermisch en akoestisch comfort en energieverbruik. Daarbij kan onderscheid gemaakt worden tussen renovatie en nieuwbouw. Voor 30 leerlingen per klaslokaal en een luchtkwaliteit tot 1000 ppm CO2 zouden de in tabel 3 genoemde, of daarmee vergelijkbare, systemen kunnen voldoen. Voor verdergaande ambities is meer onderzoek en ontwikkeling nodig. Bij een dergelijke ontwikkeling gelden de volgende aandachtspunten en onderzoeksvragen: 1. Een systeem op basis van verdringingsventilatie heeft de voorkeur vanwege de grotere efficiency; 2. Hoeveel ventilatiecapaciteit is bij verdringingsventilatie nodig om in een groepsruimte met 30 leerlingen en 1 leerkracht het kooldioxide gehalte lager dan 800 of 650 ppm te houden? 3. Hoe kan een dergelijk systeem worden gerealiseerd met behoud van voldoende thermisch en akoestisch comfort?

15

6

Samenvatting

Uit diverse onderzoeken is gebleken dat de binnenluchtkwaliteit van scholen in het algemeen slecht is. Een te geringe ventilatie is hiervan een belangrijke oorzaak. Slechte binnenluchtkwaliteit leidt mede tot ziekteverzuim en vermindering van leerprestaties. Met het oog hierop stelden de gezamenlijke GGD’en begin 2006 gezondheidskundige toetswaarden op voor ventilatie in scholen en kindercentra. Deze toetswaarden gaan beduidend verder dan de minimumeisen uit het Bouwbesluit (2003). Eind 2006 nam de GGD Groningen het initiatief tot dit project waarin onderzocht wordt welke ventilatieconcepten zouden kunnen voldoen aan deze gezondheidskundige toetswaarden van de GGD'en. Hierbij hebben systemen op basis van natuurlijke ventilatie de voorkeur. In dit onderzoek zijn de GGD-toetswaarden als volgt geoperationaliseerd: - Voor bestaande bouw: een mengventilatie van 860 m3/u, bij 24 leerlingen en een maximum CO2-concentratie van 1000 ppm ; - Voor nieuwbouw met mengventilatie: o 1580 m3/u, bij 30 leerlingen en een maximum CO2-concentratie van 800 ppm; o 1750 m3/u, bij 20 leerlingen en een maximum CO2-concentratie van 650 ppm. Voor het ambitieniveau voor de bestaande bouw zijn enkele systemen die voldoen of dicht bij de prestatie-eisen in de buurt komen (zie tabel 3). Bij mechanische systemen vormt de geluidproductie een belangrijk knelpunt; bij natuurlijke systemen vormt de capaciteit een beperking. Er is geen passend systeem gevonden voor de in dit rapport gehanteerde hoge ambitieniveau wat betreft ventilatie en geluidseisen voor nieuwbouw. Een systeem dat daar wel aan voldoet zal ontwikkeld moeten worden. Voor het verder verbeteren van de ventilatie op scholen is nader onderzoek noodzakelijk naar praktische oplossingen voor verdringingsventilatie en voor andere ventilatiesystemen die leiden tot een lage CO2-concentratie. Daarbij gelden de volgende onderzoeksvragen: 1. Hoeveel ventilatiecapaciteit is bij verdringingsventilatie nodig om in een groepsruimte met 30 leerlingen en 1 leerkracht het kooldioxide gehalte lager dan 800 of 650 ppm te houden? 2. Hoe kan een dergelijk systeem of een ander systeem worden gerealiseerd met behoud van voldoende thermisch en akoestisch comfort?

16

7

Literatuur

Anoniem, 2006. Gezondheidkundige toetswaarden voor ventilatie in scholen en kindercentra, Landelijk Centrum Medische Milieukunde (LCM) Engel, P.J.W. van den, 1995. Thermisch comfort en ventilatie-efficiëntie door inducerende ventilatie via de gevel. Proefschrift TUDelft Gids, W.F. de, e.a., 2007. Effect van ventilatie op cognitieve prestaties van leerlingen een op basisschool TNO-rapport 2006-D-1078/B Bergs, J.A., 1991. Kostenaspecten van een gezonde gebouwvoorraad; DHV-rapport in opdracht van de RGB, Den Haag ISSO-publicatie 16: De jaarlijkse warmtebehoefte van woningen (1987) Meijer, A., e.a., 2007. Literatuurstudie scholen en kinderdagcentra. Binnenmilieu gezondheid en leerprestaties. OTB TUDelft Meijer, G. en F. Duijm, 2006. Lekker Fris in School. Onderzoek naar mechanische ventilatie en binnenmilieu; beoordeling van 2 systemen. GGD Groningen Shendell DG, Prill R, Fisk WJ, et al, 2004. Associations between classroom CO2concentrations and student attendance in Washington and Idaho. Indoor Air 2004;14:333-41. Skistad, H., e.a., 2002. Displacement ventilation in non-industrial premises. Rehva guidebook no 1; ISBN 82-594-2369-3 Wargocki, P., et al, 2005. The effect of classroom temperature and outdoor air supply on the performance of school work by children. Proceedings Indoor Air 2005: 369:372

17

Bijlage 1 GGD-toetswaarden voor luchtkwaliteit en ventilatie Een gangbare norm voor luchtkwaliteit wordt gevormd door de grenswaarde van 1200 ppm. Daarbij geldt dat circa 20% van de aanwezige personen hinder ondervindt van geur, muffe lucht, duf gevoel en irritatie van de slijmvliezen. Daarnaast zijn er aanwijzingen dat luchtwegklachten toenemen bij CO2-concentraties boven de 800 ppm (Smedje en Norbäck, 2000). Voorts kwam uit literatuurstudie door de GGD naar voren dat de overdracht van ziektekiemen via de lucht gereduceerd wordt bij CO2-concentraties tot beneden de 650 ppm. Een en ander resulteert in de toetswaarden voor luchtkwaliteit van de GGD zoals vermeld in tabel 1. Deze tabel is met de klasse "zeer goed" een uitbreiding van de systematiek van NEN 13779. Ter informatie wordt nog vermeld dat onbelaste buitenlucht ongeveer 0,04 vol% = 400 ppm CO2 bevat. Tabel 1: gezondheidkundige toetswaarden voor ventilatie in scholen en kindercentra Ventilatieklasse

CO2concentratie 98-percentiel

CO2-concentratie verse-luchtstroom per persoon 98-percentiel incl. achtergrond van 400 ppm

binnen-buiten ppm Ppm liter per sec. m3 per uur 0. zeer goed < 250 < 650 > 25 > 90* I. goed 250 – 400 650 – 800 15 – 25 54 – 90 II. matig 400 – 600 800 – 1000 10 – 15 36 – 54 III. onvoldoende 600 – 1000 1000 – 1400 6 – 10 22 – 36 IV. slecht > 1000 > 1400 <6 < 22 *Berekend op basis van extrapolatie uit NEN 13779. De vermelde debieten van de verseluchtstroom gelden alleen voor mengventilatie en niet voor verdringingsventilatie. Voor de gezondheid is CO2 een indicator. Het debiet is slechts een middel om het doel te bereiken. Bron: Gezondheidkundige toetswaarden voor ventilatie in scholen en kindercentra, LCM 2006 Literatuur Smedje, G. and D. Norbäck, 2000. New ventilation systems at select schools in Sweden; effects on asthma and exposure. Arch Environ Helath 2000; 55:18-25

18

Bijlage 2 Het CO2-concentratie als maat voor de binnenluchtkwaliteit De kwaliteit van het binnenmilieu in het algemeen, en van de binnenlucht in het bijzonder, hangt af van de mate van vervuiling enerzijds en de effectiviteit van de reiniging/ventilatie anderzijds. Bronnen van vervuiling zijn: • Aantallen bewoners/bezoekers • Soorten van activiteiten die bewoners of bezoekers uitvoeren • Gebruikte bouw- en afwerkingmaterialen (met name oplosmiddel houdende verf, lijm, kit) en inrichting, zoals meubels van spaanplaat e.d. Afhankelijk van de aard van de activiteiten produceren bewoners/bezoekers in meer of mindere mate geurstoffen, waterdamp en CO2 (bio-effluenten); daarnaast nemen zij allergenen (van bijvoorbeeld huisdieren) en micro-organismen mee in het gebouw. Deze stoffen moeten, tezamen met langzaam in de lucht vrijkomende oplosmiddelen uit verf, vloerbedekking e.d. door reiniging en ventilatie uit het binnenmilieu worden verwijderd. Indien mensen (bewoners/gebruikers) de belangrijkste vervuilingsbron zijn, dan is de CO2concentratie een goede indicator voor de concentratie vervuilende (geur-)stoffen in de lucht. Daarbij gaat het dus niet om de CO2 zelf, maar om de geurstoffen die mensen als hinderlijk ervaren. Net als geurstoffen is CO2 een product van de menselijke stofwisseling. De concentratie wordt uitgedrukt in parts per million (ppm); 1 ppm =0,0001 volume procent; dit komt overeen met het één miljoenste deel van het volume of gewicht. In schoolgebouwen kunnen de CO2-concentratie variëren tussen circa 400 en 5000 ppm. Een relatief luchtvochtgehalte (RV) tussen de 30 en 70% geeft de minste klachten. Klachten over droge lucht hangen vrijwel altijd samen met slechte kwaliteit van de lucht (met name een hoge concentratie stofdeeltjes in de lucht) en niet met een te lage relatieve luchtvochtigheid. Verder speelt de temperatuur in het gebouw een rol bij het optreden van gezondheid- en hinderklachten. Uit onderzoek in kantoorgebouwen is gebleken dat klachten gaan toenemen met de temperatuur indien deze stijgt boven de 23 ˚C.

19

Bijlage 3

Berekening van de ventilatiebehoefte De volgende berekeningen gaan uit van volledige menging van de binnenlucht. Als regel is echter de CO2-concentratie in afgevoerde lucht minder dan de helft van de concentratie in ingeademde lucht. De efficiency is dus < 50%. Wanneer mensen een lege ruimte betreden zal de CO2-concentratie geleidelijk stijgen tot en het evenwichtniveau waarbij de CO2-productie door de aanwezige mensen gelijk wordt aan de afvoer van CO2 door ventilatie. Vergelijking 2 in bijlage 4 beschrijft dit proces. Uit vergelijking 3 (bijlage 4) volgt de relatie tussen de CO2-concentratie (CE) waarbij evenwicht is bereikt, de CO2-productie (q) en het ventilatiedebiet (φ): (1)

CE = q/φ

Het ventilatiedebiet dat nodig is om de concentratie beneden de limiet (CL) te houden volgt dan uit: (2)

φ = q/CL

In tabel 1 staan de CO2 -productiecijfers zoals die zijn berekend in bijlage 5. De tabellen 2 t/m/ 6 geven de met vergelijking (2) berekende ventilatiebehoefte per persoon voor diverse leeftijden en inspanningsniveaus en voor CO2-limieten van respectievelijk 650, 800, 1000, 1200 en 1400 ppm zoals die zijn genoemd in de uitgangspunten in paragraaf 1.2. Uit de tabellen blijkt duidelijk dat de ventilatiebehoefte afneemt indien de CO2 -limiet hoger is. De ventilatiebehoefte neemt toe bij toenemende inspanning en leeftijd. Opvallend in deze tabellen is de uitkomst voor de "standaard man". Dit is een man van 35 jaar, 1,70 m lang, die 70 kg weegt. Uit de groeicurve van jongens van 1- 21 jaar (TNO/LUMC, 1997) blijkt dat jongens van 20 jaar gemiddeld groter en zwaarder zijn. Daardoor is de ventilatiebehoefte van een 20 jarige groter dan die van de "standaard" man. De voorspellende waarde van het hier beschreven model werd getoetst aan de hand van CO2 -metingen in de Gravenburgschool in Groningen. Hiertoe werden door de GGDGroningen bepaalde P98-waarden van CO2-metingen in de school uitgezet tegen de berekende waarden op basis van het model (figuur 1). Bij de berekeningen van de CE waarden werd uitgegaan van het in deze school gehanteerde ventilatiedebiet van 600 m3/u per lokaal, vergelijking (1) en tabel 1 (laag inspanningsniveau). Indien het model perfect zou kloppen, zouden deze beide waarden gelijk moeten zijn; d.w.z. op een lijn liggen die door het nulpunt gaat. Alhoewel slechts een beperkt aantal metingen beschikbaar zijn om berekeningen mee te vergelijken, lijkt het model redelijk te kloppen. In deze berekeningen is uitgegaan van een "laag inspanningsniveau" hetgeen overeenkomt met activiteiten als rustig lezen en schrijven (bijlage 5). Vervolgens werd de ventilatiebehoefte berekend voor kinderen van 6 en 12 jaar bij diverse CO2 -evenwichtsconcentraties. In deze berekening werd uitgegaan van 30 leerlingen en 1 leerkracht per klaslokaal en een laag inspanningsniveau (figuur 2). Het verband tussen de concentratie en het debiet is omgekeerd evenredig. Vanwege deze wiskundige wetmatigheid is dit verband een curve en geen rechte lijn. Dat betekent dat voor een verdere verlaging van de CO2 -concentratie (verbetering van de luchtkwaliteit) bij lage CO2 limieten de toename van de ventilatie veel groter moet zijn dan voor een vergelijkbare kwaliteitsverbetering bij hoge CO2-limieten. Tabel 7 tenslotte, geeft de debieten voor een standaard klaslokaal van 30 leerlingen van 12 jaar en 1 leerkracht.

20

Tabel 1

CO2-productie per leeftijd en inspanningsniveau (zie bijlage 4) Diepe rust

rust

Inspanningsniveau laag

Leeftijd [jaren] 7,7 10-7 1,2 10-6 1,4 10-6 1,7 10-6 2,0 10-6 2,4 10-6 2,9 10-6 3,3 10-6 3,7 10-6 3,8 10-6

2 4 6 8 10 12 14 16 18 *35

middel

[m3 CO2/s] 1,8 10-6 2,6 10-6 3,2 10-6 4,0 10-6 4,6 10-6 5,4 10-6 6,5 10-6 7,6 10-6 8,5 10-6 8,5 10-6

1,1 10-6 1,7 10-6 2,1 10-6 2,6 10-6 3,0 10-6 3,5 10-6 4,2 10-6 4,9 10-6 5,5 10-6 5,5 10-6

2,9 10-6 4,4 10-6 5,3 10-6 6,5 10-6 7,6 10-6 8,9 10-6 1,1 10-5 1,3 10-5 1,4 10-5 1,4 10-5

hoog

4,0 10-6 6,1 10-6 7,5 10-6 9,1 10-6 1,1 10-5 1,2 10-5 1,5 10-5 1,7 10-5 2,0 10-5 2,0 10-5

* “Standaard” man

Tabel 2

Ventilatiebehoefte per leeftijd en inspanningsniveau bij 650 ppm (incl. 400 ppm in de buitenlucht) Diepe rust

rust

Leeftijd [jaren] 2 4 6 8 10 12 14 16 20 *35

11 17 21 25 29 34 41 48 59 54

Inspanningsniveau Laag Ventilatiedebiet [m3/u] 16 25 25 38 30 47 37 57 43 67 50 77 61 94 71 109 87 133 80 123

* “Standaard” man

21

middel

hoog

42 63 77 94 110 128 155 180 220 203

58 88 107 131 153 178 216 251 306 283

Tabel 3

Ventilatiebehoefte per leeftijd en inspanningsniveau bij 800 ppm (incl. 400 ppm in de buitenlucht) Diepe rust

rust

Leeftijd [jaren] 2 4 6 8 10 12 14 16 18 *35

Inspanningsniveau Laag

middel

Ventilatiedebiet [m3/u] 10 16 15 24 19 29 23 36 27 42 31 48 38 59 44 68 50 77 50 77

7 10 13 16 18 21 26 30 34 34

hoog

26 39 48 59 69 80 97 113 126 127

36 55 67 82 96 111 135 157 176 177

* “Standaard” man

Tabel 4

Ventilatiebehoefte per leeftijd en inspanningsniveau bij 1000 ppm (incl. 400 ppm in de buitenlucht) Diepe rust

rust

Leeftijd [jaren] 2 4 6 8 10 12 14 16 18 *35

5 7 9 10 12 14 17 20 22 23

Inspanningsniveau Laag Ventilatiedebiet [m3/u] 7 11 10 16 13 19 15 24 18 28 21 32 25 39 30 45 33 51 33 51

* “Standaard” man

22

middel

hoog

17 26 32 39 46 53 65 75 84 84

24 37 45 55 64 74 90 105 117 118

Tabel 5

Ventilatiebehoefte per leeftijd en inspanningsniveau bij 1200 ppm (incl. 400 ppm in de buitenlucht) Diepe rust

rust

Leeftijd [jaren]

Inspanningsniveau Laag

middel

hoog

Ventilatiedebiet [m3/u]

3 5 6 8 9 11 13 15 17 17

2 4 6 8 10 12 14 16 18 *35

5 8 9 12 14 16 19 22 25 25

8 12 15 18 21 24 29 34 38 38

13 20 24 29 34 40 48 56 63 63

18 27 34 41 48 56 68 78 88 88

* “Standaard” man

Tabel 6

Ventilatiebehoefte per leeftijd en inspanningsniveau bij 1400 ppm (incl. 400 ppm in de buitenlucht) Diepe rust

rust

Leeftijd [jaren]

Inspanningsniveau Laag

middel

hoog

Ventilatiedebiet [m3/u]

3 4 5 6 7 9 10 12 13 14

2 4 6 8 10 12 14 16 18 *35

4 6 8 9 11 13 15 18 20 20

6 10 12 14 17 19 23 27 31 31

10 16 19 24 27 32 39 45 51 51

14 22 27 33 38 45 54 63 70 71

* “Standaard” man

Tabel 7

Benodigde ventilatiedebieten voor een standaard klas met 30 leerlingen en 1 leerkracht

Luchtkwaliteit ppm CO2

Debiet/leerling 12j [m3/u] 650 800 1000 1200 1400

77 48 32 24 19

23

Debiet/leerkracht [m3/u] 123 77 51 38 31

Totaal debiet [m3/u] 2433 1517 1011 758 601

Gemeten 98-percentiel CO2 [ppm]

1500 1000 500 0 0

500

1000

1500

Berekende CO2 evenwichtsconcentratie [ppm]

Vergelijking tussen gemeten P98-waarden van de CO2-concentratie in lokalen van de Gravenburgschool (te Groningen) en berekende CO2 evenwichtconcentraties volgens het hier beschreven model

ventilatiebehoefte vlg model [m3/(u pp)]

Figuur 1

140 120 100 80 60 40 20 0

6j 12 j 35 j 35 j 12 j 400

600

800

1000

1200

1400

1600

6j

CO2 - limiet [ppm]

Figuur 2

Verband tussen de gewenste CO2 -limiet en de benodigde ventilatiedebieten per persoon en per leeftijdscategorie

24

Bijlage 4

Model voor de berekening van het verloop van de CO2-concentratie uitgaande van mengventilatie Voor het opstellen van een rekenmodel ter bepaling van de CO2-concentratie in de binnenlucht wordt uitgegaan van de massabalans. Aanwezigen produceren CO2; door ventilatie wordt CO2 afgevoerd. De volgende differentiaalvergelijk weerspiegelt deze processen. V*(dC/dt) = q - a*V*C

(1)

waarin V is het volume van het vertrek [m3], C de concentratie [kg m-3], t de tijd [s], q de productiesnelheid van kooldioxide [kg s-1], en a het ventilatievoud [s-1]. De kooldioxideconcentratie Ct op tijdstip t volgt uit de oplossing van vergelijking (1) onder de beginvoorwaarde C = 0 op t = 0: Ct = q/(a*V) * (1 - e-at)

(2)

De uiteindelijke evenwichtsconcentratie CE die bereikt wordt tijdens langdurig verblijf in het betreffende vertrek wordt gegeven door: CE = q/(a*V)

(3)

Deze evenwichtsconcentratie is afhankelijk van de bronsterkte en het ventilatiedebiet, maar onafhankelijk van het volume van de ruimte. Als alle personen het lokaal verlaten, is de bronterm q gelijk aan nul. De oplossing van vergelijking (1) luidt dan: Ct = C1 * e-at

(4)

waarin C1 is de beginconcentratie op het tijdstip dat het vertrek wordt verlaten. Uit vergelijking (4) kan het tevens een formule voor de berekening van het ventilatievoud: a = - ln(Ct /C1)/ (t - t1)

(5)

Aangezien de concentratie kooldioxide in de buitenlucht hoger is dan nul, vullen we voor Ct en C1 de verschillen met de buitenluchtconcentratie in; d.w.z. respectievelijk Ct - Cbuiten en C1 - Cbuiten., zodat: a = - ln((Ct - Cbuiten)/(C1 - Cbuiten)) / (t - t1)

(6)

25

Bijlage 5

Afleiding van de metabolische CO2-productie afhankelijk van de leeftijd en het inspanningsniveau Voor het berekenen van het verloop van de CO2-concentratie in een klaslokaal moet de CO2-productie bekend zijn. De CO2-productie door mensen is sterk afhankelijk van de leeftijd en het inspanningsniveau. Het laagste niveau treedt op bij diepe rust; het hoogste wanneer een uiterste krachtinspanning wordt gepleegd. Voor het bepalen van de CO2productie wordt daarom gezocht naar de relatie met het energieverbruik. Een belangrijke processtap in de humane energiehuishouding is de aerobe omzetting van glucose (vergelijking (1). Bij deze reactie wordt zuurstof verbruikt en komt naast CO2 een forse hoeveelheid energie vrij: 474 kJ/mol CO2. Met dit verhoudingsgetal kan de CO2productie berekend worden indien het energieverbruik bekend is. NEN-EN-ISO 8996 (1996) geeft het energieverbruik per m2 lichaamsoppervlak bij verschillende inspanningsniveaus (tabel 1). Dit normblad vermeldt tevens formule van Du Bois (vergelijking 2) waarmee het lichaamsoppervlak kan worden berekend op basis van het lichaamsgewicht en de -lengte. Deze laatste gegevens werden ontleend aan het groeionderzoek van LUMC/TNO uit 1997 (tabel 2). Combinatie van deze gegevens met het energieverbruik uit tabel 1 leidt tot het energieverbruik per leeftijdcategorie (tabel 3). Uit het energieverbruik (E), het molaire volume (22,4 l/mol) en het genoemde verhoudingsgetal van 474 kJ/mol CO2 wordt tenslotte volgens vergelijking (3) de CO2productie per leeftijd en per inspanningsniveau berekend (tabel 4). C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O

- 2843 kJ mol-1 glucose,

(1)

ADU = 0,202 + gewicht0,425 + lengte0,725

[m2]

(2)

qCO2 = E*22,4/(474*1000*1000)

[m3/s]

(3)

Tabel 1 Energieverbruik [W/m2] bij verschillende inspanningsniveaus Energieverbruik [W/m2] Omschrijving inspanningsniveau

Diepe rust rust 44 65

laag 100 Gemakkelijk zitten Lezen, schrijven, Slenteren

26

middel hoog 165 230 Lichte arbeid met Intensieve arbeid met armen en benen, arm en romp: spitten, wandelen zwaar materiaal dragen

Tabel 2 Gewicht en lengte per leeftijdcategorie

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

5,5 10 13 17,5 22 28 38 49 62 74

0,85 1,06 1,2 1,33 1,44 1,54 1,68 1,78 1,82 1,84

Lichaams- oppervlak ADU [m2] 0,37 0,56 0,69 0,84 0,98 1,14 1,38 1,60 1,80 1,96

*35

70

1,7

1,81

Leeftijd [jaren]

**Gewicht [kg]

**Lengte [m]

* “Standaard” man ** Gegevens ontleend aan groeitabel jongens 1-21 jaar

Tabel 3 Energieverbruik per leeftijd en inspanningsniveau Diepe rust Leeftijd [jaren]

44 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

16 25 30 37 43 50 61 71 79 86

*35

79

Energieverbruik [W] bij verschillende activiteiten Rust Laag middel 65 100 165 Energieverbruik [W] bij verschillende activiteiten 24 37 61 36 56 93 45 69 113 54 84 138 64 98 162 74 114 188 90 138 228 104 160 265 117 180 297 127 196 323 117

* “Standaard” man

27

181

298

hoog 230 85 129 158 193 225 262 318 369 414 450 415

Tabel 4 CO2-productie per leeftijd en inspanningsniveau Diepe rust

Inspanningsniveau laag

rust

Leeftijd [jaren] 2 4 6 8 10 12 14 16 18 *35

-7

7,7 10 1,2 10-6 1,4 10-6 1,7 10-6 2,0 10-6 2,4 10-6 2,9 10-6 3,3 10-6 3,7 10-6 3,8 10-6

[m3 CO2 /s] 1,8 10-6 2,6 10-6 3,2 10-6 4,0 10-6 4,6 10-6 5,4 10-6 6,5 10-6 7,6 10-6 8,5 10-6 8,5 10-6

-6

1,1 10 1,7 10-6 2,1 10-6 2,6 10-6 3,0 10-6 3,5 10-6 4,2 10-6 4,9 10-6 5,5 10-6 5,5 10-6

middel

2,9 10-6 4,4 10-6 5,3 10-6 6,5 10-6 7,6 10-6 8,9 10-6 1,1 10-5 1,3 10-5 1,4 10-5 1,4 10-5

hoog

4,0 10-6 6,1 10-6 7,5 10-6 9,1 10-6 1,1 10-5 1,2 10-5 1,5 10-5 1,7 10-5 2,0 10-5 2,0 10-5

* “Standaard” man

Literatuur Anoniem, 1996. Ergonomie. Bepaling van de metabolische warmteproductie. NEN-EN-ISO 8996, Nederlands Normalisatie Instituut. Anoniem, 1997. Groei-onderzoek TNO/LUMC

28