Ontwerp van een natuurlijk geventileerde dubbele gevel voor het Huis van de Vlaamse volksvertegenwoordigers

DAIDALOS bouwfysisch ingenieursbureau

Albrecht Rodenbachstraat 71, B-3010 Leuven – Belgium t. (0032) 16.35.32.77 f. (0032) 16.35.32.78 [email protected]

Ontwerp van een natuurlijk geventileerde dubbele gevel voor het ‘Huis van de Vlaamse volksvertegenwoordigers’ dr. ir.-arch. Filip Descamps, Daidalos bouwfysisch ingenieursbureau arch. Paul Lievevrouw, Groep Planning I

Inleiding

II Wedstrijd- en voorontwerpfase II.1 Bestaande toestand II.2 Alternatieve geveloplossingen II.3 Luchtstroming in de spouw

III Uitvoeringsontwerpfase III.1 Beschrijving van de proefkantoor III.2 Ventilatievoud van de spouw III.3 Bepaling van de thermische eigenschappen van de gevel

IV Samenvatting

Daidalos Bouwfysisch Ingenieursbureau bvba, Albrecht Rodenbachstraat 71, 3010 Leuven email [email protected], tel. 016/35.32.77, fax 016/35.32.78, HRLeuven 90249, BTW 454.276.239 pagina’s 1 tot 21

I

Inleiding Het oorspronkelijke Postcheque-gebouw, naar een modernistisch ontwerp van Victor Bourgeois, werd opgetrokken van 1937 tot 1946. Voor de renovatie van het inmiddels erg vervallen gebouw werd medio 1996 een internationale open architectuur- en ontwerpwedstrijd uitgeschreven. De opdracht was het gebouw niet alleen opnieuw in te richten, maar ook via een hedendaagse architecturale benadering internationale uitstraling te verlenen. Een internationale vakjury beoordeelde in 1997 18 inzendingen. Het project van Groep Planning (i.s.m. Bureau d'études Greisch, Ingenium en Daidalos bouwfysisch ingenieursbureau) werd gekozen omwille van • het respect voor de eigenheid van het bestaande gebouw, • de klaarheid van de ingrepen, • de transparantie van het atrium en • de duidelijkheid van de nieuwe impulsen in het gebouw. Het juryrapport prees de voorgestelde oplossingen zoals: • het afbreken van de centrale kern voor de constructie van een beglaasd atrium, met ruimte voor een wintertuin; • de ontdubbeling van de gevels in kantoorzones; • het behoud van de publiek toegankelijke lokettenzaal; • een ruime ondergrondse verbinding met het Vlaams Parlementsgebouw. Op 11 juli 2002 werd het Huis van de Vlaamse Volksvertegenwoordigers ingehuldigd. Het gebouw werd in gebruik genomen tijdens het parlementair zomerreces van 2003. Bij een gebouwontwerp starten de bouwheer en het ontwerpteam van een programma van eisen dat via een proces van voortdurend kiezen en beslissen wordt omgezet in plannen en bestekken. Bij het vastleggen van de ontwerpkeuzes volgt het ontwerpteam een strikte methodiek waarbij elke deeloplossing beoordeeld wordt op haar intrinsieke kwaliteiten, op haar economische haalbaarheid en op haar interactie met andere ontwerpaspecten. Ontwerpkeuzes gebeuren immers binnen een strikt kader van randvoorwaarden: kosten, wettelijke en functionele eisen, technische mogelijkheden en veiligheidseisen, stedenbouwkundige eisen en duurzaamheidsaspecten. Deze nopen het ontwerpteam tot het uitdokteren van creatieve oplossingen. In deze tekst gaan we dieper in op het ontwerppad dat werd gevolgd bij de keuze en de uitwerking van de natuurlijk geventileerde dubbele gevel. In de wedstrijd- en voorontwerpfase was het belangrijkste bouwfysische discussiepunt de thermische isolatiekwaliteit en de zonne- en lichttoetredingseigenschappen van diverse alternatieve oplossingen. Tijdens de uitvoeringsontwerpfase gebeurde een fijnafstelling van de gevelontwerp op basis van in-situ metingen in een proefkantoor.

Studiedag ‘Actieve gevels’, Vlaams Parlement, auditorium De Schelp, Brussel, 8 mei 2003 DAI-2

II

Wedstrijd- en voorontwerpfase

II.1

Bestaande toestand Figuur 1 toont een foto van de toestand voor renovatie. In figuur 2 zijn enkele snedes door de bestaande gevel weergegeven. Bemerk de aanwezigheid van de grote mobiele zonweringsdoeken, die in een binnenkast boven het raam zijn ingewerkt.

Figuur 1: Zuidgevel ‘Huis van de Vlaamse volksvertegenwoordigers’, situatie vóór de renovatie, met aanduiding van de positie van de proefkantoor.

Figuur 2: Snededetails van de oorspronkelijke gevel.


II.2

Alternatieve geveloplossingen Op basis van de thermische prestatie-eisen (isolatiekwaliteit, zonne- en lichttoetreding) werden na een eerste discussie met de ontwerpers drie gevelvarianten weerhouden (opbouw van buiten naar binnen): Variant 1: buitenzonnewering - HR-glas met brede spouw in thermisch onderbroken raamkader; ondoorzichtige delen met binnenisolatie ; Variant 2: HR-glas met brede spouw in thermisch onderbroken raamkader – luchtspouw mechanisch geventileerd met buitenlucht en tussenzonnewering – enkele beglazing; koudebrugisolatie ter hoogte van de spouw ; Variant 3: enkele beglazing – luchtspouw natuurlijk geventileerd met buitenlucht en tussenzonnewering – HR-beglazing in thermisch onderbroken raamkader; koudebrugisolatie ter hoogte van de spouw; Variant 1 is een enkele gevel, variant 2 vereist afsluitbare en regelbare toevoeropeningen naar de spouw, in variant 6 volstaan vaste toe- en afvoeropeningen.

II.2.1 Thermische prestaties De thermische isolatiekwaliteit en de zonne- en lichttoetredingseigenschappen van de verschillende varianten zijn in tabel tabel 1 en tabel 2 gegeven. Variant

Raamkader Buitenbeglazing Binnenbeglazing Gevel 2 2 2 Uk (W/m K) Uge (W/m K) Ugi (W/m K) U (W/m2K) 1 2.0 1.3 0.91 2 2.0 1.3 5.7 0.80 3 5.7 5.7 1.3 1.05 Bestaand 5.7 5.7 4.58 Tabel 1. Varianten opbouw dubbele gevel. Voor de berekening van de warmtedoorgangscoëffciënt van de (vernieuwde) gevel U werd uitgegaan van een warmtedoorgangscoëfficiënt Uo = 0.45 W/m2K voor de ondoorzichtige delen. De ventilatie van de spouw is met gemiddelde ventilatievouden verdisconteerd in de berekening van de equivalente warmtedoorgangscoëfficiënt van de gevel. zonnewering in sterk geventileerde spouw (tussenzonnewering) 1 0.64 0.15 2 0.60 0.26 3 0.60 0.23 Bestaand 0.82 0.20 0.54 Tabel 2. g-waarde beglazing voor verschillende opties zonnewering (gesloten toestand van de zonnewering). Variant

geen zonnewering

Buitenzonnewering

zonnewering in spouw (tussenzonnewering) 0.45 0.42

II.2.2 Condensgevaar Bij variant 2 blijft de isolatiekwaliteit nagenoeg intact bij het openen van de binnenramen. Het openen van de binnenramen in de wintersituatie is bij deze variant dan ook toegelaten. Bij variant 3 is de spouw ongeveer op buitenluchtcondities. Oppervlaktecondensatie op de Studiedag ‘Actieve gevels’, Vlaams Parlement, auditorium De Schelp, Brussel, 8 mei 2003 DAI-4

buitengevel wordt voorkomen door de spouw (ongecontroleerd en sterk) te ventileren met buitenlucht. De warmtetoevoer door de binnengevel zorgt ervoor dat de temperatuur van de spouw iets hoger blijft dan de buitentemperatuur, waardoor de beperkte hoeveelheden vocht die vanuit de binnenruimte in de spouw terecht komen, niet condenseren maar met de opgewarmde binnenlucht afgevoerd worden naar buiten. De prijs voor het vermijden van de condensatie is een verhoogd energieverbruik. Als in de wintersituatie binnenramen geopend worden, dan kunnen grote hoeveelheden condensaat op ramen en raamprofielen van de buitengevel optreden, en daalt de thermische isolatiekwaliteit van de gevel drastisch. De binnenramen mogen in de wintersituatie dus in principe niet geopend worden. Als ze wel geopend worden, zorgen condensgoten met buitenafvoer dat er geen onaanvaardbare condensvervuiling ontstaat.

II.2.3 Zonnewinsten Bij variant 2 gebeurt het afvoeren van de zonnewinsten via natuurlijke toevoer boven het raam (ter hoogte van de bestaande zonnewering die verwijderd wordt). Mechanische afvoer gebeurt via een kanaalsysteem in een verlaagd gedeelte van de spouw. Bij variant 3 gebeurt zowel de toevoer als de afvoer natuurlijk via toe- en afvoeropeningen boven de bestaande ramen. Deze openingen worden voorzien op de plaats van de bestaande buitenzonnewering. De ventilatiestrook boven het raam wordt in twee helften opgesplitst (telkens netto gevelopening 1.80 x 0.08 m). De ene helft van de opening (standaard afvoeropening) staat in verbinding met de tussenspouw op dezelfde verdieping, de andere helft (standaard toevoeropening) staat in verbinding met de onderliggende verdieping. Omdat de zonnewinsten in de kantoorruimte sterk afhangen van de ventilatie van de spouw, moet bij bezonning een hoog ventilatievoud van de spouw gegarandeerd zijn.

II.2.4 Ontwerpkeuze Architecturaal vormde variant 3 de meest aantrekkelijke oplossing: het is een passieve oplossing, wat ze goedkoop en eenvoudig maakt, die tegelijk toelaat om de bestaande raamkaders te behouden, wat uit restauratie-technisch oogpunt gewenst was. Thermisch is het echter niet de optimale oplossing. In de voorontwerpfase viel daarom de beslissing om op de noord- en zuidgevels uit te gaan van variant 3 en op de oost- en westgeoriënteerde kopgevels van variant 2. II.3

Luchtstroming in de spouw Luchtstroming ontstaat onder invloed van luchtdrukverschillen. Als de oorzaak van de luchtstroming natuurlijk (niet-mechanisch) is, spreekt men van natuurlijke ventilatie. Drijvende krachten van natuurlijke ventilatie zijn temperatuurverschillen en winddrukverschillen. Temperatuurverschillen geven aanleiding tot luchtstroming omdat de temperatuur van een gas via de ideale gaswet gekoppeld is aan de druk in het gas. Wind geeft aanleiding tot winddrukverschillen via de wetmatigheid:

pa = 0.5c p ρ a va2 waarin va meteorologische windsnelheid (m/s) cp drukcoëfficiënt (-) pa winddruk (Pa) De winddruk op een plaats op de gevel variëert dus met de windsnelheid en de drukcoëfficiënt. De drukcoëfficiënt is afhankelijk van de plaats op de gevel, de vorm van het Studiedag ‘Actieve gevels’, Vlaams Parlement, auditorium De Schelp, Brussel, 8 mei 2003 DAI-5

gebouw en de hoek tussen de windrichting en de oriëntatie van de beschouwde gevel. Op de gevel ontstaan complexe drukcoëfficiëntpatronen, waarbij de sterkste variaties van de drukcoëfficiënt ontstaan op de randen en de hoeken van het gebouw. De modellering van de natuurlijke ventilatie van de spouw gebeurde via het rekenmodel COMIS. In figuur 3 wordt de modellering van de natuurlijke ventilatie van de spouw schematisch voorgesteld.

Figuur 3: Simulatiemodel voor de voorspelling van de luchtstromingen in de spouw onder invloed van thermische trek en wind. Zone_1 is de spouw, die met de gevel verbonden is via de ventilatieopeningen (links onder en links boven) en via de spleten ter plaatse van de opengaande delen van het raam (drie verbindingen in het midden van de figuur). Het basisventilatievoud van de spouw wordt gedefinieerd als het ventilatievoud zonder uitwendige winddrukverschillen. De luchttoevoer- en luchtafvoerkanalen werden zo ontworpen en gedimensioneerd dat het basisventilatievoud volstaat om onder normale winterse en zomerse omstandigheden een correcte ventilatie van de spouw toe te laten. Bij perfect luchtdichte ramen vonden we een ventilatievoud 9.45 bij een temperatuurverschil van 5 °C temperatuurverschil tussen spouw en buitenomgeving. Bij ramen waarvan de luchtdichtheid voldoet aan de minst strenge eisen van STS 52.0 stijgt het ventilatievoud nauwelijks merkbaar tot 9.48. Bij ramen die honderd maal luchtopener zijn, stijgt het ventilatievoud beduidend tot 12.27 (figuur 4). Voor de natuurlijke ventilatie van de spouw is de zeer goede luchtdichtheid van het raam dus niet noodzakelijk. Het gebrek aan regendichtheid kan er echter voor zorgen dat dichtingen toch noodzakelijk zijn. Voor de analyse van de invloed van de wind op het ventilatievoud van de spouw bekijken we drie maatgevende windsnelheden (zomersituatie): • de minimale karakteristieke windsnelheid vmk = 1.9 m/s (overschrijding gedurende 95 % van de tijd tijdens de maand juni); • de gemiddelde windsnelheid v = 3.6 m/s (overschrijding gedurende 50 % van de tijd tijdens de maand juni); • de maximale karakteristieke windsnelheid vmk = 5.8 m/s (overschrijding gedurende 5 % van de tijd tijdens de maand juni);


Figuur 4: Basisventilatievoud als functie van het temperatuurverschil spouw – buitenomgeving. Het blijkt dat de wind het ventilatievoud zeer sterk kan verhogen, vooral bij hoge windsnelheden in combinatie met grote verschillen in drukcoëfficiënten tussen de toe- en afvoeropening. Bij lage windsnelheden overheerst het thermische effect, bij hogere windsnelheden en hogere drukcoëfficiëntverschillen speelt de wind een overheersende rol. Over kortere tijdsperiodes met ongunstige drukcoëfficiëntverschillen kan het ventilatievoud dalen onder het basisventilatievoud.

Figuur 5: Voorontwerpvoorspelling van de invloed van wind op het ventilatievoud van de spouw. Een positieve waarde van het drukcoëfficiëntenverschil komt overeen met overdruk ter hoogte van de hoogste ventilatieopening).


III

Uitvoeringsontwerpfase Tijdens de uitvoeringsontwerpfase gebeurde een fijnafstelling van de gevelontwerp op basis van in-situ metingen in een proefkantoor. De metingen hadden als doel: • de verificatie van de rekenwaarde voor het ventilatievoud n van de spouw (zomersituatie) ; • de bepaling van de totale zonnetoetredingsfactor g (zomersituatie) ; • de bepaling van de warmtedoorgangscoëfficiënt U (wintersituatie) ; • de evaluatie van een systeem voor daglichtgeregelde kunstverlichting (wintersituatie). Voor de bepaling van de energetische eigenschappen van de natuurlijk geventileerde gevel worden drie meetperiodes besproken: • eerste zomerse meetperiode met opgetrokken zonwering (13/05/1999 tot 23/05/1999); • tweede zomerse meetperiode met neergelaten zonwering (23/06/1999 tot 09/07/1999); • winterse meetperiode met opgetrokken zonwering (14/12/1999 tot 21/12/1999).

III.1

Beschrijving van de proefkantoor De gedetailleerde opbouw van de dubbele gevel is gegeven in de uitvoeringstekeningen van het project (figuren 6 en 7). Op de vierde verdieping van het zuidblok (figuur 1) werd een proefopstelling (figuren 8, 9 en 10) gebouwd die qua geometrie en isolatiekwaliteit (maar niet qua afwerking) goed beantwoordt aan deze opbouw. Op een afstand van 1.30 m van de bestaande gevel met enkele beglazing in een stalen, thermisch niet onderbroken profiel, werd een nieuwe volledig beglaasde binnengevel gebouwd met een houten raamkader en een verbeterde dubbele beglazing met een centrale warmtedoorgangscoëfficiënt U 1.3 W/(m²K). De ruimte tussen de bestaande en de nieuwe gevel (spouwhoogte 3.60 m, spouwvolume 21.4 m3) werd geventileerd via openingen boven en onderaan de spouw. De geometrie van de openingen correspondeerde met de uitvoeringstekeningen (inclusief aanwezigheid van een insectengaas). Op 0.1 m voor de binnengevel werd een optrekbare zonwering met kantelbare aluminium lamellen voorzien. Het kantoorvolume achter de gevel was opgebouwd uit een geïsoleerde (0.08 m rotswol) lichte gipskartonwand – en plafond, corresponderend met het volume en de vorm van een halve kantoormodule in het zuidblok (binnenafmetingen: lengte 5.6 m, breedte 2.6 m, hoogte 2.7 m). De vloerafwerking bestond uit een ongeïsoleerde betonnen draagvloer.


Figuur 6: Uitvoeringsontwerp van het restauratievoorstel van het ‘Huis van Vlaamse volksvertegenwoordigers’. Verticale snede door de dubbele gevel (links) en aanzicht van binnen naar buiten (rechts) (tekening Groep Planning, Brussel).

Figuur 7: Algemene situering van de meetopstelling in het gebouw (verdieping 4, gearceerde oppervlakte) (tekening Groep Planning, Brussel).


Figuur 8: Gedetailleerde situering van de meetopstelling in het gebouw (verdieping 4, gearceerde oppervlakte) (tekening Groep Planning, Brussel).

Figuur 9: Binnenzicht van de proefkantoor.

Figuur 10: Binnenzicht van een afgewerkt kantoor/vergaderzaal.


Figuur 11: Opstelling tracergasmetingen (links), klimaatstation (rechts). III.2

Ventilatievoud van de spouw We bespreken achtereenvolgens de meetresultaten, de parameters die een invloed hebben op het ventilatievoud en het gevaar op condensatie op de binnenkant van de buitengevel.

III.2.1 Meetresultaten De meetresultaten voor het ventilatievoud tijdens de drie meetperiodes worden gegeven in de figuren 12, 13 en 14. De numerieke waarden worden samengevat in tabel 3. Het gemiddelde ventilatievoud bedraagt in de eerste zomerse periode 8.6 volumewisselingen per uur. Dit komt overeen met gemiddeld 50.9 liter verse lucht per seconde. Voor de tweede zomerse periode is het gemiddelde ventilatievoud ongeveer 20 % lager: 7.0 volumewisselingen per uur of 41.6 l/s. Het winterse gemiddelde ventilatievoud ligt tussen beide waarden in: 7.67 volumewisselingen per uur. Het jaargemiddelde ventilatievoud bedraagt dus 7 tot 8 volumewisselingen per uur.


ventilatievoud n (1/h)

spouwtemperatuur (°C)

x

σ(x)

xmin

xmax

zomer op

8.6

2.3

3.3

16.9

zomer neer

7.0

2.1

2.9

22.4

winter

7.7

1.6

2.5

12.9

zomer op

18.2

2.8

13.2

26.4

zomer neer

22.4

3.5

16.2

41.6

winter

5.5

1.3

2.6

9.7

zomer op

4.4

2.0

1.3

12.7

4.1 2.1 -0.6 18.3 temperatuurverschil spouw zomer neer – buiten (°C) winter 2.4 1.0 -0.2 4.2 Tabel 3: Samenvatting meetresultaten gevel (gemiddelde meetwaarde over een meetperiode van 10 minuten) Zomerperiode Het ventilatievoud volgt het dagverloop van de buitentemperatuur en de bezonning. ‘s Nachts ligt het ventilatievoud van de spouw gevoelig lager. In de eerste zomerse meetperiode merken we een belangrijke piek op 18 mei: het ventilatievoud is dubbel zo groot als gemiddeld. Dezelfde uitschieter vinden we terug op 2 juli tijdens de tweede zomerse meetperiode. De temperatuur in de spouw is nagenoeg altijd hoger dan de buitentemperatuur. Tijdens de eerste (eerder koude) meetperiode haalt de spouwtemperatuur pieken tot 25 °C en daalt zelden onder 15 °C. De temperatuur in de kantoormodule bedraagt gemiddeld 21.4 °C en heeft een kleine spreiding. De tweede (eerder warme) meetperiode verloopt minder uniform. De spouwtemperatuur klimt regelmatig boven de 35 °C. Enkel ‘s nachts zakt de spouwtemperatuur in de eerste helft van de meetperiode onder de 20 °C. De pieken zijn veel meer uitgesproken dan tijdens de eerste meetperiode. Opnieuw is de kantoormoduletemperatuur fel gedempt. Bij de interpretatie van de temperaturen in de kantoormodule moet er rekening gehouden worden met het feit dat de kantoormodule in de opstelling niet wordt geventileerd en hoge warmtewinsten heeft door de opgestelde apparatuur (1320 Watt). Winterperiode Tijdens de winterperiode werd de kantoormodule met elektrische ventilo-convectoren verwarmd tot een temperatuur van 22.2 ± 1.1 °C (figuur 14). Tijdens deze periode fluctueert het ventilatievoud beduidend minder. Wind blijft een belangrijke motor voor de ventilatiestroom: door de goede isolatiekwaliteit van de binnengevel is het temperatuurverschil buiten-spouw klein, en is de thermische trek dus beperkt. De spouwtemperatuur blijft bijna altijd hoger dan de buitentemperatuur.


20

Ventilatievoud (1/h)

18

Eerste zomerse meetperiode (op)

16 14 12 10 8 6 4 2 0 13/5 14/5 15/5 16/5 17/5 18/5 19/5 20/5 21/5 Eerste zomerse meetperiode

2

Bezonning gevel (W/m )

750

500

250

0 13/5 14/5 15/5 16/5 17/5 18/5 19/5 20/5 21/5

45

Eerste zomerse meetperiode

Temperatuur ( C)

35 25 15

binnentemperatuur spouwtemperatuur

buitentemperatuur

5 -5 13/5 14/5 15/5 16/5 17/5 18/5 19/5 20/5 21/5

Datum Figuur 12: Meetresulaten eerste zomerse meetperiode (opgetrokken zonwering)


20


18

Tweede zomerse meetperiode (neer)

16 14 12 10 8 6 4 2 0 23/6 25/6 27/6 29/6 1/7

5/7

7/7

9/7

5/7

7/7

9/7

5/7

7/7

9/7

Tweede zomerse meetperiode

2


750

3/7

500

250

0 23/6 25/6 27/6 29/6 1/7

45

Temperatuur ( C)

35 25 15

3/7

Tweede zomerse meetperiode spouwtemperatuur

binnentemperatuur

buitentemperatuur

5 -5 23/6 25/6 27/6 29/6 1/7

3/7

Datum Figuur 13: Meetresulaten tweede zomerse meetperiode (neergelaten zonwering)


20


18

Winterse meetperiode

16 14 12 10 8 6 4 2 0 14/12

16/12 17/12 18/12

19/12 20/12


2


750

15/12

500

250

0 14/12

45

15/12

16/12 17/12 18/12

19/12 20/12


Temperatuur ( C)

35 binnentemperatuur

25 15

spouwtemperatuur

5 buitentemperatuur

-5 14/12

15/12

16/12 17/12 18/12

19/12 20/12

Datum Figuur 14: Meetresulaten winterse meetperiode.

III.2.2 Invloedsparameters De drijvende krachten achter natuurlijke ventilatie zijn luchtdrukverschillen die veroorzaakt worden door temperatuurverschillen of door de wind. Studiedag ‘Actieve gevels’, Vlaams Parlement, auditorium De Schelp, Brussel, 8 mei 2003 DAI-15

We bekijken achtereenvolgens de invloed van het verschil tussen spouw- en buitentemperatuur en de invloed van de windsnelheid en de windrichting. Dit laat ons toe een voorspelling te doen voor het minimale ventilatievoud bij windstil weer. Het verschil tussen spouw- en buitentemperatuur De drijvende kracht voor thermische trek in de spouw is het temperatuurverschil tussen de buitenlucht en de lucht in de spouw. Tijdens de eerste zomerse meetperiode bedraagt het gemiddelde temperatuurverschil 4.7 °C. Het temperatuurverschil schommelde tussen 1.3 en 12.7 °C. Het gemiddelde temperatuurverschil bij de tweede zomerse meetperiode bedroeg 4.1 °C. Het temperatuurverschil schommelde tussen –0.6 en 18.3 °C. In de wintersituatie sluit het binnenklimaat in de spouw zeer nauw aan bij het buitenklimaat. Het gemiddelde temperatuurverschil bedroeg slechts 2.4 °C. Het temperatuurverschil schommelde tussen – 0.2 en 4.2 °C (zie tabel 3 en figuren 12, 13 en 14). Voor elke periode is de overeenkomst tussen het verloop van het ventilatievoud en het temperatuurverschil goed tot zeer goed te noemen. De metingen bevestigen dat het ventilatievoud stijgt bij een stijgend temperatuurverschil . ‘s Nachts ligt het ventilatievoud lager omwille van het kleinere temperatuurverschil spouw-buiten. Het temperatuurverschil alleen volstaat echter duidelijk niet voor de voorspelling van het ventilatievoud. In sommige periodes worden hoge ventilatievouden bereikt bij beperkte temperatuurverschillen: 18 mei tijdens de eerste zomerse meetperiode, 2-3 juli tijdens de tweede zomerse meetperiode en 17 december tijdens de winterse meetperiode. In deze gevallen speelt de wind als tweede invloedsparameter een doorslaggevende rol.

20

Eerste zomerse meetperiode (op)

15

15

10

10

5

5

0

0

13/5

15/5

17/5

19/5

Temperatuurverschil (°C)


20

21/5

Datum Figuur 15: Ventilatievoud en temperatuurverschil tussen spouw- en buitentemperatuur in functie van de tijd voor de periode van 11/05 – 20/05 (zonwering op) (basisgegevens)


20

Tweede zomerse meetperiode (neer)

15

15

10

10

5

5

0



20

0

23/6

27/6

1/7

5/7

9/7

Datum Figuur 16: Ventilatievoud en temperatuurverschil tussen spouw- en buitentemperatuur in functie van de tijd voor de periode van 23/06 – 09/07 (zonwering neer) (basisgegevens)

20


15

15

10

10

5

5

0 14/12



20

0 18/12

16/12

20/12

Datum Figuur 17: Ventilatievoud en temperatuurverschil tussen spouw- en buitentemperatuur in functie van de tijd voor de periode van 23/06 – 09/07 (zonwering neer) (basisgegevens) Windsnelheid en –richting Opvallend in de meetresultaten zijn de periodes met hoge ventilatievouden in combinatie met kleine temperatuurverschillen. De hoogste ventilatievouden worden bereikt bij zeer lage temperatuurverschillen. Opvallend is dat het fenomeen zich voordoet bij dezelfde windrichting: zuidoost (120 °). Vermoedelijk veroorzaakt deze windrichting een uitspoeling van de spouw waarbij de lucht via openingen in het buitenste raamprofiel binnenkomt en via de in- en uitlaat de spouw opnieuw verlaat. Om de invloedszone van dit fenomeen te


beperken werd de spouw met glazen schotten loodrecht op de gevels in compartimenten opgesplitst. Minimaal zomers ventilatievoud bij windstil weer Uit de regressie tussen windsnelheid en ventilatievoud kan het ventilatievoud bij windstil weer afgeleid worden. Voor de eerste zomerse meetperiode met opgetrokken zonwering vinden we een minimaal ventilatievoud gelijk aan 5.6, voor de tweede zomerse meetperiode met neergelaten zonwering een minimaal ventilatievoud gelijk aan 6.6. Het neerlaten van de zonwering resulteert in een grotere temperatuurstijging in de spouw, wat het ventilatievoud bij windstil weer doet stijgen en de zonnetoetredingseigenschappen van de gevel verbetert. Gemiddeld zorgt de wind voor een verdere stijging van het ventilatievoud van de spouw.

III.2.3 Condensgevaar op de beglazing van de buitengevel We evalueren in deze paragraaf de kans op oppervlaktecondensatie op de beglazing van de buitengevel. Oppervlaktecondensatie ontstaat als de oppervlaktetemperatuur van een vlak daalt onder de dauwpuntstemperatuur van de omgevende lucht. Condensatie kan zowel op het binnenoppervlak als op het buitenoppervlak van de beglazing ontstaan. Bij de evaluatie van het condensatiegedrag gaan we ervan uit dat de opengaande delen in de binnengevel gesloten zijn en er geen damptoevoer vanuit de kantoorruimte bestaat. Indien een opengaand deel in de binnengevel geopend is, kan condensatie op de binnenkant van de beglazing in de buitengevel niet vermeden worden. Door de warmtetoevoer uit de kantoorruimte is onder normale winterse omstandigheden de spouwtemperatuur hoger dan de buitenluchttemperatuur, De glasoppervlaktetemperatuur (buitengevel) ligt tussen de spouw- en de buitenluchttemperatuur in. Onder deze omstandigheden is condensatie op de beglazing in de buitengevel dus uitgesloten. De glastemperatuur kan echter onder de buitenluchttemperatuur zakken bij nachtelijke onderkoeling. Dit is het fenomeen waarbij de beglazing via lange golfstraling warmte aan de (open en donkere) hemelkoepel afgeeft. Voor vertikale onafgeschermde wanden kan de maximale warmte-afgifte naar de hemelkoepel geraamd worden op 40 W/m2. Deze omstandigheden treden op bij open hemel. Onder deze omstandigheden is theoretisch condensvorming en zelfs rijmvorming eventueel mogelijk op de ramen van de hoogste verdiepingen. De lagere verdiepingen worden door de omgeving voldoende van de hemelkoepel afgeschermd om het fenomeen te vermijden.


10


Temperatuur ( C)

8

spouwtemperatuur

6 4

buitentemperatuur

2 0

dauwpuntstemperatuur

-2

glastemperatuur (onderkoeld)

-4 14/12

15/12

16/12 17/12 18/12

19/12 20/12

Datum Figuur 18: Spouwtemperatuur, buitentemperatuur, dauwpuntstemperatuur en onderkoelde glastemperatuur tijdens de winterse meetperiode

Relatieve vochtigheid (-)

1


relatieve vochtigheid buitenlucht

0.8 0.6

relatieve vochtigheid spouw

0.4 0.2 0 14/12

15/12

16/12 17/12 18/12

19/12 20/12

Datum Figuur 19: Relatieve vochtigheid in de spouw tijdens de winterse meetperiode Tijdens de winterse meetperiode waren de omstandigheden om condens- en rijmvorming te krijgen, niet vervuld (figuren 18 en 19). De relatieve vochtigheid in de spouw was gemiddeld 0.72. De hoogst bereikte waarde bedroeg 0.85. De vochtinhoud van spouwlucht en buitenlucht waren identiek, wat aangeeft dat er geen vochttoevoer vanuit de kantoormodule bestond. Als de opengaande delen van de binnengevel gesloten zijn, is eventuele condens- en rijmvorming op de beglazing van de buitengevel zo goed als uitgesloten. Alleen bij extreme onderkoeling kan eventueel condens- en rijmvorming ontstaan op de binnen- en buitenkant van de beglazing van de buitengevel.


III.3

Bepaling van de thermische eigenschappen van de gevel In dit hoofdstuk geven we de waarde aan van de absolute zonnetoetredingsfactor g en de warmtedoorgangscoëfficiënt U van de natuurlijk geventileerde dubbele gevel.

III.3.1 Equivalente totale zontoetredingsfactor g van een dubbele gevel De zontoetredingsfactor van de natuurlijk geventileerde dubbele gevel kan benaderd worden als:

g eq = τ e g i +

∆To − c ( n ) Ui q& sun

waarin: geq de equivalente zontoetredingscoëfficiënt (-) ; τ e de zonnetransmissie van de beglazing in de buitengevel (-) (=0.82) ; gi de zontoetredingscoëfficiënt van de beglazing in de binnengevel (-) ; n het ventilatievoud van de spouw (1/s) ; ∆To − c het temperatuurverschil spouw – buiten (K) ;

q& sun de invallende zonnestraling (W/m2) ; Ui

de warmtedoorgangscoëfficiënt van de beglazing in de binnengevel (W/m2K) (=1.3 W/m2K).

Deze benaderende formulering splitst de totale zontoetreding door de gevel op in een twee termen. De eerste term in de formule beschouwt het eerste glasblad als een filter voor een binnenbeglazing (met een eventuele buitenzonwering). De tweede term voegt de invloed van de opwarming van de spouw aan de basisterm toe. De formule toont dat de opwarming van de spouw door een goede (natuurlijke) ventilatie beperkt moet blijven en dat een lage U-waarde van de binnenbeglazing een positief effect heeft.

III.3.2 Rekenwaarde voor dubbele gevel met opgetrokken en neergelaten zonwering De grootheid

∆To − c ( n ) werd uit de meetresultaten afgeleid voor een opgetrokken q& sun

zonwering (eerste meetperiode) en een neergelaten zonwering (tweede meetperiode). Deze grootheid is licht afhankelijk van de invallende zonnestraling en de buitentemperatuur. We hanteren voor deze grootheid dan ook de (veilige) bovengrens die slechts gedurende 1 % van de meettijd werd overschreden. De rekenwaarden voor de equivalente zontoetredingsfactor zijn in tabel 4 aangegeven.

∆To − c ( n ) q& sun

geq

zonwering op 11/05 – 23/05 0.66 0.062 zonwering neer 23/06 – 09/07 0.18 0.047 Tabel 4: Rekenwaarde voor de equivalente zontoetredingsfactor

0.62 0.21

periode

gi


III.3.3 Rekenwaarde voor de warmtedoorgangscoëfficiënt U van de dubbele gevel De equivalente warmtedoorgangscoëfficiënt van de dubbele gevel wordt berekend als (wintersituatie):

U eq = U i

∆To −i − ∆To −c ∆To −i

waarin:

∆To − c

het temperatuurverschil spouw – buiten (K) (2.4 °C)

∆To−i het temperatuurverschil binnen – buiten (K) (22.2 °C – 3.1 °C) Ui

de warmtedoorgangscoëfficiënt van de beglazing in de binnengevel (W/m2K) (=1.3 W/m2K).

De equivalente warmtedoorgangscoëfficiënt U van de beglazing bedraagt dus 1.13 W/m2K.

IV

Samenvatting Omwille van architecturale, programmatorische, historische en bouwfysische redenen werd in het bouwteam besloten de zuid- en noordgeöriënteerde gevels als dubbele gevel uit te voeren. Aan de binnenzijde van de bestaande gevel is een nieuwe beglaasde gevel voorzien. In de spouw tussen beide gevels is een gestuurde lamellenzonwering voorzien. De spouw wordt natuurlijk geventileerd met buitenlucht. Het ventilatievoud in de spouw werd gemeten met behulp van tracergastechnieken. Twee situaties werden bekeken: (i) opgetrokken zonwering en (ii) neergelaten zonwering met horizontale lamelstand. Het temperatuurverschil spouw-buiten bleek de belangrijkste motor voor de natuurlijke ventilatie van de spouw. Piekwindsnelheid en statisch drukverschil tussen in- en uitlaat vertonen ook een goede correlatie met het ventilatievoud. De luchtstroming was sterk overwegend opwaarts. Gemiddeld werd een ventilatievoud van 7 tot 8 volumewisselingen per uur gemeten. Bij windstil weer kan een ventilatievoud van 5 tot 6 volumewisselingen per uur voorspeld worden. Bij een windrichting schuin op de gevel werd een zeer hoog ventilatievoud gemeten. De temperatuur- en drukverschillen bleven daarbij merkwaardig laag. Waarschijnlijk vindt er geen stroming van de in- naar de uitlaat plaats, maar komt de lucht binnen langs openingen in de bestaande raamkaders en verlaat ze de spouw door de in- en de uitlaat. Om de invloedszone van dit fenomeen te beperken werd de spouw met glazen schotten loodrecht op de gevels in compartimenten opgesplitst. Als de opengaande delen van de binnengevel gesloten zijn, is eventuele condens- en rijmvorming op de beglazing van de buitengevel zo goed als uitgesloten. Alleen bij extreme onderkoeling kan eventueel condens- en rijmvorming ontstaan op de binnen- en buitenkant van de beglazing van de buitengevel. Als rekenwaarde voor de equivalente zontoetredingscoëfficiënt werden voor een opgetrokken zonwering een waarde 0.62 gevonden, voor een neergelaten zonwering met horizontale lamelstand 0.21. Deze laatste waarde voldoet aan de veilige waarde van 0.3 die in de ontwerpfase werd gehanteerd. Als rekenwaarde voor de equivalente warmtedoorgangscoëfficiënt werd een waarde 1.13 W/m2K gemeten. Deze waarde is lager (en dus beter) dan de veilige waarde 1.30 W/m2K die in de ontwerpfase werd gehanteerd.


Ontwerp van een natuurlijk geventileerde dubbele gevel voor het Huis van de Vlaamse volksvertegenwoordigers

Recommend Documents