Met zonwering en koeling door ventileren een goed thermische binnenklimaat creëren in een Active House Om het thermische comfort van de Active House woning Home for Life te beoordelen, wordt speciaal gelet op de strategieën die worden gebruikt om een dit te creëren, waarbij een belangrijke rol is weggelegd voor zonwering en koeling door natuurlijke ventilatie. Home for Life is in 2009 opgeleverd als één van de zes gebouwen in het Model Home 2020 project van de VELUX Groep. De woning heeft een royale daglichttoetreding en is zo ontworpen dat hij energieneutraal is én een goed binnenklimaat heeft. De thermische omgeving is geëvalueerd volgens de Active House specificaties en hieruit blijkt dat het huis niveau 1 bereikt in de zomersituatie. Een te lage temperatuur kan in de winter wat te wijten is aan de voorkeur van de bewoners in de balans tussen binnentemperatuur en het energieverbruik voor verwarming. Verder is gebleken dat koelen door geopende ramen een bijzonder belangrijke rol speelt bij het handhaven van het thermische comfort. Het Model Home project Tussen 2009 en 2011 zijn vijf eengezinswoningen in vijf Europese landen gebouwd als onderdeel van het Model Home 2020 project van de VELUX Groep. Het eerste huis (Home for Life, Aarhus Denemarken), werd in het voorjaar van 2009 opgeleverd en is inmiddels bewoond geweest door twee verschillende gezinnen waarvan het laatste gezin het huis heeft gekocht. De metingen werden twee jaar lang uitgevoerd terwijl de twee gezinnen in het huis leefden. Home for Life is een 1½ verdieping tellend huis met een totaal vloeroppervlak van 190 m². De fundamentele klimatologische gegevens zijn weergegeven in figuur 1. 40
200
Temperature [°C]
150 20
10
100
0 50
Solar radiation [kWh/m²]
30
‐10
‐20
0 Nov '10
Dec '10
Jan '11
Total solar radiation
Feb '11
Mar '11
Apr '11
Maximum temperature
May '11
Jun '11
Jul '11
Minimum temperature
Aug '11
Sep '11
Oct '11
Average temperature
Figuur 1. Buitencondities gedurende de meetperiode. The pyranometer is pas geïnstalleerd in januari 2011, daarom is er geen data beschikbaar voor november en december 2010.
Naast de vijf woningen is ook één utiliteitsgebouw Green Lighthouse gebouwd. Green Lighthouse was daarmee het eerste openbare CO2 neutrale gebouw in Denemarken met tegelijkertijd voldoende daglichttoetreding, natuurlijke ventilatie en een prettig binnenklimaat. Het gebouw toont aan dat het mogelijk is dat een milieuvriendelijk gebouw voldoet aan de doelstellingen van 2020 met de beschikbare bouwmaterialen van vandaag. Alle zes de gebouwen zijn volgen de principes van Active House (www.activehousenl.info) gebouwd, wat betekent dat er een evenwichtige prioriteit moet zijn tussen het energieverbruik, het binnenklimaat en de binding van het gebouw met de externe omgeving. In de praktijk betekent dit dat de gebouwen zowel een goed binnenklimaat als een zeer laag energieverbruik moeten hebben. Daarnaast is er bijzonder veel aandacht besteed aan goede daglichtcondities en frisse lucht door natuurlijke ventilatie. De belangrijkste ruimtes hebben daglichtfactoren boven 5%.
In de meeste gebouwen is natuurlijke ventilatie het uitgangspunt, aangevuld door mechanische ventilatie met warmteterugwinning. In een aantal gebouwen is daarom gekozen voor een hybride ventilatiesysteem, waarbij ‘s zomers gebruik wordt gemaakt van natuurlijke ventilatie, in de winter van mechanische ventilatie met warmteterugwinning en waarbij de hybride ventilatie wordt gebruikt in het voor- en najaar. De verandering van mechanische naar natuurlijke ventilatie wordt geregeld op basis van de buitentemperatuur. Het omslagpunt is 12,5°C met een 0,5°C hysteresis. Onder het omslagpunt staat de ventilatie in de mechanische stand, boven het omslagpunt in de natuurlijke stand. In zowel de natuurlijke als mechanische stand is het ventilatie debiet vraagafhankelijk. De hoeveelheid CO2 wordt gebruikt als indicator voor de kwaliteit van de binnenlucht, waarbij 850 ppm CO2 wordt gebruikt als omslagpunt. Daarnaast wordt ook de relatieve vochtigheid (RV) gebruikt als indicator. Als deze RV hoger is dan 60%, wordt de ventilatie stapsgewijze verhoogd naar de maximale ventilatie, die wordt gebruikt als de RV 80% of hoger is. Alle ramen die op het Zuiden gericht zijn hebben externe automatische zonwering gekregen en overstekken zijn waar nodig toegepast. Thermische comfort scores zoals gedefinieerd in de Active House specificaties, sectie 1.2 voor natuurlijk geventileerde gebouwen De limiet voor de maximale binnentemperatuur geldt in perioden met een externe Trm van 12°C of meer. Trm is de gemiddelde buitentemperatuur zoals gedefinieerd in 'hoofdstuk 3.11 Externe temperatuur, lopend gemiddelde van EN 15251:2007'. De limieten gelden voor woonkamers, keukens, studeerkamers, slaapkamers etc. in woningen zonder mechanische airconditioning en met voldoende mogelijkheden voor natuurlijke (kruis of stack) ventilatie. De belangrijkste maximale binnentemperaturen zijn: 1. Ti,o < 0.33 x Trm + 20.8°C, voor Trm van 12°C of meer 2. Ti,o < 0.33 x Trm + 21.8°C, voor Trm van 12°C of meer 3. Ti,o < 0.33 x Trm + 22.8°C, voor Trm van 12°C of meer 4. Ti,o < 0.33 x Trm + 23.8°C, voor Trm van 12°C of meer ”Te hoog” gebruikt in deze paper is van toepassing op Ti,o > 0.33 x Trm + 23.8°C, voor Trm van 12°C of meer De belangrijkste minimumtemperaturen zijn: 1. Ti,o > 21°C, voor Trm of 12°C of minder 2. Ti,o > 20°C, voor Trm of 12°C of minder 3. Ti,o > 19°C, voor Trm of 12°C of minder 4. Ti,o > 18°C, voor Trm of 12°C of minder ”Te laag” gebruikt in deze paper is van toepassing op Ti,o < 18°C, voor Trm van 12°C of meer Meer informatie kan worden gevonden in de specificatie op www.activehousenl.info.
Figuur 2. Home for Life, Zuid en Oost gevels
Figuur 3. Home for Life, concept voor daglicht, ventilatie en energie
Resultaten Figuur 4 toont aan dat vijf kamers in Home for Life Active House niveau 2 bereiken, terwijl zes kamers niveau 4 bereiken. Uit het figuur blijkt ook dat de meerderheid van de uren met niveau 2, 3 en 4 worden veroorzaakt door lage temperaturen, zoals onderkoeling door oververhitting. Wanneer onderkoeling wordt genegeerd dan bereiken alle kamers met uitzondering van de slaapkamer en bijkeuken niveau 1. Bathroom 1
2
Bathroom 2
2
Bedroom
2
Entrance
4
Guest room
4
Kitchen
2
Livingroom A
4
Livingroom B
4
Office
4
Scullery
2
Upstairs hall
4 0%
10%
20%
Too low
30% 4 low
3 low
40% 2 low
50% 1
60% 2 high
70% 3 high
80% 4 high
90% Too high
100%
Figuur 4. Thermisch comfort voor alle kamers geëvalueerd volgens Active House specificaties paragraaf 1.2. De niveaus worden onderscheiden tussen hoge en lage temperaturen. Het getal aan de rechterzijde van het diagram geeft het niveau voor elke kamer aan (1 tot 4). Om een score van bijv. "2" te bereiken moet het niveau ten minste 95% van de tijd op dat niveau of beter zitten, zoals omschreven in EN 15251.
In dit artikel willen we focussen op de prestaties van koeling door ventileren en mogelijke oververhitting. De verdere analyses zullen zich als voorbeeld alleen richten op de prestaties van de gecombineerde keuken/eetkamer met een groot raam op het zuiden, zie figuur 2. De verdeling van de thermische comfort categorieën tussen de maanden is te zien in figuur 5. Zoals verwacht uit figuur 4, is onderkoeling een probleem in de vier wintermaanden van november tot februari. Van april tot oktober wordt niveau 1 bereikt. January
2
February
2
March
2
April
1
May
1
June 1 July 1
August
1
September October
1
November
2 2
December 0%
10%
20%
Too low
30% 4 low
3 low
40% 2 low
50% 1
60% 2 high
70% 3 high
80% 4 high
90%
100%
Too high
Figuur 5. Thermische comfort categorieën voor elke maand van het jaar voor de keuken/eetkamer. Het nummer aan de rechterzijde van het diagram geeft de score voor elke maand aan (1 tot 4). Om een score van bijv. "2" te bereiken moet het niveau ten minste 95% van de tijd op dat niveau of beter zitten, zoals omschreven in EN 15251.
Figuur 6 toont de binnentemperatuur op ieder uur van het jaar uitgezet tegen het voortschrijdend gemiddelde van de buitentemperatuur, zoals gedefinieerd in EN 15251. Je ziet dat temperaturen onder niveau 1 (21°C) zowel in de winter als in de overgangsperioden optreden, maar dat slechts een paar uur onder niveau 2 van 20°C komt. Vermoed wordt dat de perioden met temperaturen onder 21°C worden veroorzaakt door handmatig of automatisch luchten of gewoon door gebruikersvoorkeuren. De bewoners hebben in hun dagboeken geen ongemak gemeld als gevolg van onderkoeling. In de winter en de overgangsperioden worden ook perioden met temperaturen boven de 26°C gemeten, wat resulteert in grote temperatuurschommelingen in een korte periode. Dit is vermoedelijk het gevolg van opwarming door de zon. De automatische bediening van raamopeningen en zonwering is ingesteld om oververhitting te voorkomen, maar vooral in de winter zal het systeem een hoge opbrengst van zonnewarmte accepteren om de vraag naar verwarming te verminderen. Tijdens de zomer geeft het systeem de prioriteit aan het behoud van thermisch comfort. Figuur 6 toont in de zomer dan ook zeer beperkte oververhitting, met slechts een paar perioden met temperaturen boven niveau 1. Relatief lage temperaturen worden waargenomen tijdens de zomer, met perioden waarbij de temperatuur daalt tot onder 21°C. Dit wordt vermoedelijk veroorzaakt door nachtkoeling waarbij de temperatuur ’s nachts daalt om de volgende dag oververhitting te verminderen, wat in sommige situaties leidt tot ochtendtemperaturen tussen 20°C en 21°C.
34
4
3
2
1
Winter
Spring
Summer
Autumn
Measured air temperature [°C]
32 30 28 26 24 22 20 18 16 ‐10
‐5
0
5
10
15
20
25
Running mean temperature [°C]
Figuur 6. Binnentemperaturen in de keuken uitgezet tegen de voortschrijdende gemiddelde temperatuur voor ieder uur van het jaar inclusief de Active House limieten. De stippen zijn gekleurd per seizoen.
De variaties in de tijd van de dag en tijd van het jaar wordt verder onderzocht in figuur 7. Het valt op dat de perioden met temperaturen onder niveau 1 ’s winters enkele dagen kunnen duren, maar dat in veel perioden de temperatuur niveau 1 bereikt tussen 12:00 en 20:00 uur mogelijk als gevolg van zonnewarmte. ´s Zomers worden slechts enkele perioden met temperaturen boven niveau 1 waargenomen.
Figuur 7. Het comfortniveau gedurende ieder uur van het jaar (keuken/eetkamer).
Om de rol van de raamopeningen in het behoud van comfort te onderzoeken, wordt figuur 8 gebruikt. Omwille van de analyse (niveau 2 was het ontwerpdoel), is een vrij strikte definitie van comfort opgelegd, waarbij alleen niveau 1 wordt beschouwd als comfortabel. Het figuur toont ook aan of ramen tijdens het uur actief waren. Figuur 8 toont aan dat de ramen tijdens de winterperiode niet open waren bij temperaturen onder niveau 1 (oranje), wat aangeeft dat deze temperaturen niet werden veroorzaakt door luchten. Het verwarmingssysteem wordt ‘s winters op een dusdanige wijze geregeld dat het temperatuuraanbod voor het vloerverwarmingsysteem is ingesteld op de bediening door de warmtepomp. Hoe lager de aanvoertemperatuur, hoe beter de systeemefficiëntie. De bewoners hebben gemeld dat zij de aanvoertemperatuur zo instelden dat de kamertemperatuur 20 - 21°C zou bereiken, om zo kosten voor verwarming te besparen. De perioden met wintertemperaturen onder niveau 1 kunnen dus worden toegeschreven aan de voorkeuren van de gebruikers. Tijdens de zomer zijn een paar perioden met rode kleur te zien in de late namiddag, wat aangeeft dat zich toen oververhitting voordeed en dat de ramen werden geopend, maar dat dit niet voldoende was om niveau 1 te handhaven.
Figuur 8 toont verder dat ’s zomers de ramen tussen 9:00 en 22:00 uur bijna permanent open stonden en dat niveau 1 tijdens deze uren werd gehandhaafd (groen). Het figuur toont tevens vele perioden met openstaande ramen tussen 22:00 en 09:00 uur (groen) aan, waarvan kan worden verondersteld dat deze veroorzaakt wordt door het automatisch openen van ramen voor nachtkoeling. Ook in de overgangsperioden (van maart tot mei en september tot oktober) worden ramen vaak gebruikt, waarbij openingen tussen 12:00 en 18:00 uur het meest voorkomen (groen).
Figuur 8 toont comfort of ongemak (ongemak is hier temperaturen in niveau 2, 3 of 4) en of ramen open of gesloten waren (actief of niet actief) in de gecombineerde keuken/eetkamer.
Het optreden van de ramen ten opzichte van de buitentemperatuur is verder onderzocht in Figuur 9. Hier is te zien dat ramen over het algemeen gesloten zijn (rode stippen) bij een gemiddelde temperatuur onder 10°C. Wanneer de gemiddelde temperatuur boven de 12°C uitkomt, worden ramen geopend wanneer de binnentemperatuur boven de 22 - 23°C uitkomt, wat in overeenstemming is met de bedieningsstrategie. 34 4
32
3
2
1
Window closed
Window open
Measured air temperature [°C]
30 28 26 24 22 20 18 16 ‐10
‐5
0
5 10 Running mean temperature [°C]
15
20
25
Figuur 9. Binnentemperatuur vs. gemiddelde buitentemperatuur. De kleur geeft aan of ramen open (groen) of gesloten (rood) waren gedurende ieder uur (keuken/eetkamer)
Conclusies Wanneer Home for Life geëvalueerd wordt volgens de Active House specificaties, die dezelfde methodologie en criteria gebruiken als de EN 15251 met betrekking tot thermisch comfort, geldt dat de helft van de kamers onder niveau 2 zit en de andere helft onder niveau 4. De uren die niet onder niveau 1 vallen zijn voornamelijk uren met te lage temperaturen, terwijl oververhitting zeldzaam is. Als deze te lage temperaturen buiten beschouwing worden gelaten, bereiken de belangrijkste kamers van het huis niveau 1. Bij lage energiewoningen moet het voorkomen van oververhitting gelijk worden in het gebouwontwerp, want om oververhitting tegen te gaan moeten substantiële maatregelen worden genomen indien dit na oplevering van een gebouw nog moet
worden geregeld. Home for Life voldoet aan niveau 1 met betrekking tot oververhitting, wat zeer bevredigend is gezien de royale daglichtcondities. De perioden van te lage temperaturen kunnen worden veroorzaakt door onvoldoende verwarmingscapaciteit, het luchten door ramen te openen, slechte luchtdichtheid van het gebouw of bewonersvoorkeuren. Bij Home for Life bleek er geen relatie te zitten tussen raamopeningen en te lage temperaturen. De luchtdichtheid is geverifieerd middels een BlowerDoor test. Van het verwarmingssysteem is bekend dat het voldoende capaciteit heeft, maar de aanvoertemperatuur werd actief verminderd door de bewoners om zo de kosten voor verwarming uit te sparen. Een te lage temperatuur in Home for Life wordt dus verklaard door bewonersvoorkeuren. In de keuken/eetkamer werd een relatie tussen raamopeningen en de combinatie van hoge binnen- en buitentemperatuur gevonden. Verder is een duidelijke correlatie tussen raamopeningen en aanvaardbaar thermisch comfort gevonden. Dit geeft aan dat de ramen hebben bijgedragen aan het bereiken en behouden van goede thermische condities. Er is geen duidelijk verband ontdekt tussen het gebruik van externe zonwering en temperatuur. Gebruikers kunnen de automatische besturing van zonwering vaak hebben gedeactiveerd, wat het ontbrekende verband tussen het gebruik van zonwering en de combinatie van hoge binnen- en buitentemperatuur kan verklaren. Concluderend, realiseert Home for Life in de praktijk een goede thermische prestatie, die moet worden gezien in samenhang met de hoge daglichtniveaus van het gebouw. De goede prestatie wordt bereikt door automatische besturing van de ramen en zonwering, waarbij vooral de Het koelen door te ventileren en het openen van ramen belangrijk was.
