Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep Architectuur & Stedenbouw
valse plafonds bij nachtventilatie computergesteunde haalbaarheidsstudie en optimalisatie door Marc Delghust
Promotor: Prof. Dr. Ir.-Arch. Arnold Janssens
Academiejaar 2007-2008
Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen
Vakgroep Architectuur & Stedenbouw Voorzitter: Prof. Dr. Bart Verschaffel
valse plafonds bij nachtventilatie computergesteunde haalbaarheidsstudie en optimalisatie door Marc Delghust
Promotor: Prof. Dr. Ir.-Arch. Arnold Janssens
Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur-architect, optie bouwtechnieken. Academiejaar 2007-2008
VOORWOORD EN DANKWOORD De vrijheid bij de keuze van een thesisonderwerp, biedt soms de mogelijkheid om hetgeen waar jaren aan een stuk voor gestudeerd is, terug te koppelen aan andere persoonlijke interesses. Negen jaren aan een stuk is de natuur, de actieve studie en het passief genieten ervan een bron van genot en fascinatie geweest. Het aanbreken van de studies Burgerlijk-IngenieurArchitect hebben, zowel door tijdsgebrek als door de groeiende fascinatie voor dit studiedomein, mijn groene kant te lang op de achtergrond herleid. De hoop is tijdens de studies gegroeid dat beide interesses toch nog zouden samenkomen in het bijleren over ecologische architectuur. De laatste kans hiertoe was de thesis. Toen de kans zich aanbood om een onderzoeksthesis aan te vangen over het passief koelen van gebouwen door nachtventilatie, was het zover. Uiteindelijk is het concrete onderwerp langzaamaan, en vooral door de kennismaking met het onderzoek van Ir. H.M. Bruggema, verschoven tot een haalbaarheidsstudie over nachtventilatie in gebouwen met verlaagde plafonds. Zo kon ik mij op een interessante problematiek storten, bijleren over reeds bestaand onderzoek en gerealiseerde toepassingen en heimelijk hopen op, wie weet, een eigen bescheiden inbreng in het domein. Bij deze wens ik mijn promotor, Prof. Dr. Ir. Arch. A. Janssens, te bedanken voor de begeleiding en voor de aangeboden vrijheid en het vertrouwen bij het schrijven van deze thesis. Verder wens ik Mieke Machielsen te bedanken voor de steun gedurende deze periode en de hulp tijdens de laatste rechte lijn. Mijn dank gaat ook uit naar Michiel Beernaert en mijn broer Jean-Luc voor het bereidwillig nalezen. Graag zou ik nog een dankjewel willen zeggen aan opnieuw Michiel samen met Axel, Miguel, Robin, Peter en Jelle voor de woordjes van steun en de nodige ontspanning. Ten slotte kan hier geen dankwoord ontbreken voor mijn ouders, die mij, naast 22 jaren steun, ook nog eens de mogelijkheid hebben geboden deze studies af te leggen.
valse plafonds bij nachtventilatie
computergesteunde haalbaarheidsstudie en optimalisatie door Marc Delghust Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur-architect, optie bouwtechnieken. Academiejaar 2007-2008 Promotor: Prof. Dr. Ir.-Arch. Arnold Janssens Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Architectuur & Stedenbouw Voorzitter: Prof. Dr. Bart Verschaffel
De toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. Vrijdag 01 februari 2008
Samenvatting In dit werk wordt een haalbaarheidsstudie nagestreefd over het passief koelen van lokalen met verlaagde plafonds aan de hand van nachtventilatie.
In het laatste deel worden enkele punten verder besproken en praktische aspecten kort aangehaald. Ten slotte worden mogelijke aandachtspunten en wensen voorgesteld voor eventueel verder onderzoek in het domein.
Na een korte introducerende samenvatting van de basisprincipes van nachtventilatie wordt de problematiek van het valse plafond bij nachtventilatie geschetst en het onderzoek van Ir. H.M. Bruggema over open valse plafonds verder besproken. Hierbij worden reeds aanbevelingen gedaan, voornamelijk komend uit dat onderzoek, om het beste thermisch rendement te halen uit een geopend vals plafond zonder de nuttige bestaanredenen van het valse plafond uit het oog te verliezen. Ter algemene referentie betreffende binnencomfort en als inleiding op de verder in dit werk toegepaste comforteisen wordt kort de ATG-norm uiteengezet. In een tweede deel worden de werkwijze en de invoergegevens aangehaald die gebruikt werden bij de computersimulaties. Naast de concrete invoerdata en een uiteenzetting over het gebruikte programma, de beperkingen ervan en de wijze waarop hiermee is omgegaan, worden ook algemene aandachtspunten besproken die van belang zijn bij het onderzoeken van deze problematiek aan de hand van computersimulaties. Hier zijn voornamelijk de invoer van de geometrie van de opstelling, de zichtsfactoren en de begrenzing het gesimuleerde geheeld besproken. In het derde deel bevinden zich uiteindelijk de resultaten van het onderzoek. De verschillende bestudeerde opstelling worden één per één uit de doeken gehaald. De resultaten van de simulaties worden er besproken en verklaard en de voor- en nadelen van elk van de systemen worden aangekaart. Zo worden ook de nodige aandachtspunten gesteld om het beste uit het systeem te halen. Uiteindelijk worden de resultaten van de verschillende opstellingen met elkaar vergeleken. Uit de resultaten zal bevestigd blijken dat een vals plafond, indien open gemaakt, niet als een onoverkomelijke barrière moet worden beschouwd om het beste uit nachtventilatie te halen. Integendeel, een originele opstelling wordt hier voorgesteld om net dankzij een “intelligent” gebruik van het valse plafond enkele beperkende nadelen van nachtventilatie weg te werken.
Trefwoorden: nachtventilatie, open vals plafond, passieve koeltechniek, bouwfysica, dynamisch modelleren
INHOUDSTAFEL
DEEL A :
BOUWFYSISCHE ACHTERGROND EN BASISPRINCIPES
0.
INLEIDING
1
1.
NACHTVENTILATIE
4
1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4
Factoren van invloed op nachtventilatie ventilatie materie warmtewinsten neveneffecten & regeling
4 5 6 8 9
2. 2.1.
VALSE PLAFONDS EN DE BENUTTING VAN DE THERMISCHE MASSA
11
Valse plafonds – doel, factoren en problematiek
12
2.2.
Thermisch open plafonds – onderzoek door Ing. H.M. Bruggema
14
2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5
proefopstelling thermische bevindingen akoestische bevindingen computersimulatiemodel richtlijnen voor de toepassing van een thermisch open plafond
14 15 16 16 17
3.
THERMISCHE BEHAAGLIJKHEID
18
3.1.
Belang en complexiteit van thermische behaaglijkheid
18
3.2.
Van PMV tot GTO
19
3.3.
De ATG-methode
21
DEEL B :
ONDERZOEKGEGEVENS EN OPBOUW VAN DE SIMULATIES
4.
DOEL VAN HET ONDERZOEK EN BASISOPSTELLING
26
4.1.
Doel van het onderzoek - Valse plafonds en nachtventilatie
26
4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.2.5. 4.2.6. 4.2.7. 4.2.8.
Basisopstelling bron geometrie van de basisopstelling materiaaleigenschappen wand-, vloer- en plafondsamenstellingen warmtewinsten en hygiënische ventilatiedebieten nachtventilatiedebieten systeemregeling openen van ramen door de gebruikers
27 27 28 30 30 31 31 31 31
4.3.
Systemen en case-opstellingen
32
5.
SIMULATIEPROGRAMMA’S
33
5.1. Keuze van het simulatieprogramma 5.1.1. Statisch vs. dynamisch 5.1.2. 1D – 2D – 3D
33 33 34
5.2. 5.2.1. 5.2.2.
Invoer van de ruimtelijke opstelling in Capsol 37 invoer van de geometrische begrenzing van de gesimuleerde ruimte 37 geometrie van de gebruikerszone en zichtsfactoren 44
5.3. 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4.
Invoer van de variërende factoren in Capsol besturing van het nachtventilatiesysteem luchtcirculatie doorheen het plenum convectieve overgangscoëfficiënten gecombineerde iteratiecycli
50 50 50 55 59
6.
VERTALING VAN DE SIMULATIERESULTATEN
60
6.1. 6.2.
Vertaling naar comfortcriteria Grafische vertaling
60 61
DEEL C :
ONDERZOEKSRESULTATEN EN BEVINDINGEN
7.
ONDERZOCHTE SYSTEMEN EN BEVINDINGEN
63
7.1. 7.1.1. 7.1.2. 7.1.3. 7.1.4.
Type A - basisopstelling – geen verlaagd plafond kameropstelling regeling werking, efficiëntie en neveneffecten conclusie
65 65 66 66 67
7.2. 7.2.1. 7.2.2. 7.2.3. 7.2.4.
Type B - gesloten vals plafond kameropstelling regeling werking, efficiëntie en neveneffecten conclusie
70 70 71 71 73
7.3. 7.3.1. 7.3.2. 7.3.3. 7.3.4.
Type C – constant open vals plafond kameropstelling regeling werking, efficiëntie en neveneffecten conclusie
76 76 77 77 81
7.4. 7.4.1. 7.4.2. 7.4.3. 7.4.4.
Type Cv - gestuurd open plafond kameropstelling regeling werking, efficiëntie en neveneffecten conclusie
84 84 85 85 87
7.5. 7.5.1. 7.5.2. 7.5.3. 7.5.4.
Type Dv – nachtventilatie via gestuurd open plafond kameropstelling regeling werking, efficiëntie en neveneffecten conclusie
90 90 91 92 96
7.6. 7.6.1. 7.6.2. 7.6.3. 7.6.4.
Type Dve - nachtventilatie via gestuurd open plafond én doorheen de ruimte kameropstelling regeling werking, efficiëntie en neveneffecten conclusie
100 100 101 101 102
8.
VERGELIJKING VAN DE SYSTEMEN
106
8.1.
Thermische prestaties
106
8.2.
Nachtelijke binnentemperaturen
109
DEEL D :
NABESPREKING
9.
NABESPREKING EN BIJKOMENDE AANDACHTSPUNTEN
113
9.1.
Hydraulische weerstand in het vals plafond
113
9.2.
Akoestiek
114
9.3.
Keuze en plaatsing van de roosters
115
9.4.
Onderhoud
116
9.5.
Constructieve gevolgen
116
10.
MOGELIJK VERDER ONDERZOEK
117
10.1. Samenstelling van het vals plafond 10.1.1. samenstelling van het verlaagd plafondvlak 10.1.2. hydraulische weerstand in het vals plafond 10.1.3. opbouw van het vloerpakket
117 117 118 118
10.2.
119
Optimalisatie van de simulatieprocedure
10.3. Variërend gebouwgebruik 10.3.1. nachtgebruik 10.3.2. onreggelmatig of piekgebruik
119 119 119
10.4. Onteractie met andere klimatisatietechnieken 10.4.1. combinatie met losstaande klimatisatiesystemen 10.4.2. combinatie met plafondgebonden klimatisatiesystemen
120 120 121
11.
SLOTBESCHOUWING
122
12.
BIBLIOGRAFIE
124
TABEL VAN AFKORTINGEN EN SYMBOLEN (in volgorde van voorkomen) c ρ λ b a δ π t θi,max θe,max θs,plafond θi θe v ηn Δ Topen Δ Tn Q Atot g Δ T Ta H αc,horizontaal αc,verticaal
= de warmtecapaciteit [J/kg.K] = de massadichtheid [kg/m³] = de warmtegeleidingscoëfficiënt [W/m.K] = de effusiviteit of contactcoëfficiënt [W/m².K] = de thermische diffusiviteit of temperatuursvereffeningscoëfficiënt [m²] = de indringdiepte [m] = het getal Pi = 3,1415… [-] = het tijdsstip = de maximale binnentemperatuur [°C] = de maximale buitentemperatuur [°C] = de oppervlaktetemperatuur van het plafond [°C] = de binnenluchttemperatuur [°C] = de buitenluchttemperatuur [°C] = de windsnelheid [m/s] = de rendementsfactor van het betreffende plafond [ ] = de temperatuurstoename bij volledig open plafond [°C] = de temperatuurstoename bij betreffende plafond [°C] = het luchtdebiet doorheen het vals plafond [m³/h] = de totale vloer- of plafondoppervlakte [m²] = de zwaartekracht [m/s²] = het verschil in luchttemperatuur tussen gebruikerszone en plenum [K] = de luchttemperatuur [K] = de plenumhoogte [m] = de convectieve overgangscoëfficiënt bij horizontale oppervlaktes [ ] = de convectieve overgangscoëfficiënt bij verticale oppervlaktes [ ]
Ts,vloer Ts,plafond h hwand θoper θa θmrt θs,n Fp-s,n hs hc θe,ref θmin,dag θMAX,dag Δθ Iclo M R U g
= de oppervlaktetemperatuur van de vloer [K] = de oppervlaktetemperatuur van het plafond [K] = de hoogte [m] = de hoogte van de wand [m] = de operatieve temperatuur [°C] = de binnenluchttemperatuur [°C] = de gemiddelde stralingstemperatuur [°C] = de oppervlaktetemperatuur van vlak n [°C] = de zichtsfactor tussen het vlak n en de gebruiker [-] = de warmte-overdrachtscoëfficiënt voor straling van de mens [W/(m².K)] = de warmte-overdrachtscoëfficiënt voor convectie van de mens [W/(m².K)] = de buiten-referentietemperatuur [°C] = de minimale buitentemperatuur van de betreffende dag [°C] = de maximale buitentemperatuur van de betreffende dag [°C] = het temperatuurverschil [°C] = de warmteweerstand van de kleding [clo] = het metabolisme [W/m²] = de warmteweerstand [m².K/W] = de warmtedoorgangscoëfficiënt of U-waarde [W/m².K] = de zonnetoetredingsfactor [-]
0.
INLEIDING
De dag van vandaag hoort men meer en meer stemmen rijzen die de mensen oproepen om milieubewuster te leven. Dit hoort ook zo te zijn. Het draait niet enkel om de redding van de planeet, zoals sommigen dramatisch uiten. Het is ook op een al kleinere, maar daarom niet minder belangrijke schaal, dat dit belang heeft. De onmiddellijke levenskwaliteit wordt er beter van. De vervuiling van het milieu door de mens is even schadelijk voor de mens zelf als voor de natuur rondom hem. Naast eventuele medische gevolgen leidt het ook tot een verslechtering van de leefomstandigheden. Eén van de grootste boosdoeners is het grote verbruik aan energie. Waar momenteel meer en meer aandacht naar gaat is het “groen” maken van onze energieproductie. Dit is noodzakelijk, maar slechts realiseerbaar indien ook de groei van onze vraag naar energie daalt. Hiertoe heerst de nood om onze energieverbruikende apparatuur zuiniger te maken, of zelfs overbodig! Naast onze gezondheid zal ook onze portemonnee ons hiervoor dankbaar zijn. Aangezien het klimatiseren van gebouwen één van de grootste energieverbruikende activiteiten zijn, krijgen zowel de gebruikers als de ontwerpers, ingenieurs, architecten en andere technici een belangrijke rol toegespeeld. Om een globale aanpak van de problematiek te krijgen, moeten hierbij bouwfysica en uitrustingstechniek de handen in elkaar slaan. Een verantwoord bouwfysisch ontwerp en bijhorende houding van de gebruiker is de juiste aanpak om zware energieverbruikende uitrusting de deur uit te sturen. Weliswaar zal dit nooit alle vormen van uitrusting zinloos maken. Integendeel, een goede afstemming van beide onderzoeksdomeinen kan leiden tot het optimaliseren van vaak lichtere, maar daardoor des te boeiendere vernufte installaties. Nu valt de laatste jaren op dat, ook in ons klimaat, als maar meer energie verbruikt wordt, en dit niet meer enkel voor het stoken in de winter, maar ook voor het koelen in de zomer. Om dit op te lossen worden als maar meer passieve koelsystemen verder ontwikkeld en toegepast. Nachtventilatie is er één van. Hierbij wordt niet veel meer gedaan dan wat de mens al eeuwen
doet sinds hij in massieve huizen woont: gebruik maken van de koudere lucht ‘s nachts om zijn woning af te koelen. De huidige bouwgewoontes leiden vaak tot een verwaarlozing van oeroude en doodeenvoudige gewoontes die vroeger de enige middelen vormden om het binnenklimaat enigszins bij te sturen. Eén hiervan heeft zware gevolgen op het rendement van nachtventilatie, namelijk het steeds lichter maken en afschermen van de gebouwmassa.
voldoen. Er worden reeds conclusies getrokken en aanbevelingen gemaakt, maar het is duidelijk dat verder onderzoek meer dan welkom en zelfs noodzakelijk zal zijn om de ideeën te valideren, te optimaliseren en klaar te maken voor eventuele verbeterde toepassingen in de praktijk.
De meest voorkomende vorm van afscherming in kantoorgebouwen is het valse plafond. Aangezien kantoorgebouwen, door onder andere hun gebruikscyclus en hun omvang, net de gebouwen zijn waar nachtventilatie het eenvoudigst toe te passen zou moeten zijn en inderdaad het vaakst geautomatiseerd gebeurt, werpt het gebruik van valse plafonds een grote schaduw op de verspreiding van nachtventilatie. Weliswaar hebben verlaagde plafonds hun verantwoorde bestaansredenen waardoor ze niet altijd zomaar weg te denken zijn. Het letterlijk openen van het valse plafond biedt hier een goede mogelijkheid om het beste van de twee werelden zo goed mogelijk te combineren. Dit werd onder andere via experimenteel en computergesteund onderzoek bewezen door Ing. H.M. Bruggema en wordt reeds in meerdere kantoorgebouwen toegepast. De vraag rijst nu of dit systeem geen verscholen nadelen heeft of een aanpassing vergt van de regeling van de nachtventilatie. Verder kan er gezocht worden naar mogelijke verbeteringen van het systeem of kunnen er eventueel zelfs nieuwe opstellingen voorgesteld worden om tot betere resultaten te komen. Hierbij kan ook getracht worden om net gebruik te maken van het valse plafond om enkele nadelen van nachtventilatie uit de weg te ruimen. In deze thesis werd een poging gemaakt om enkele antwoorden te bieden op de punten uit de voorgaande paragraaf. Hierbij werd als het ware een haalbaarheidsstudie gemaakt waarbij ook een nieuwe opstelling werd voorgesteld en nagegaan of deze aan de verwachtingen zou kunnen
DEEL A
BOUWFYSISCHE ACHTERGROND EN BASISPRINCIPES
1.
NACHTVENTILATIE
Nachtventilatie is een passieve koeltechniek waarbij gebruik gemaakt wordt van de thermische opslagcapaciteit van in het gebouw aangewende materialen en de cyclische fluctuatie van de buitenluchttemperatuur. Tijdens de zomer wordt het gebouw ‘s nachts geventileerd, waardoor koude buitenlucht het overdag opgewarmde gebouw binnendringt. Hierdoor wordt niet enkel de warmere binnenlucht afgevoerd en door koudere buitenlucht vervangen, maar worden ook en vooral alle aan de lucht blootgestelde materialen afgekoeld. Deze bezitten veelal een veel hogere warmteopslagcapaciteit dan lucht. De warmte die ze de hele dag door hebben opgeslagen, kunnen ze nu terug aan de koudere doorstromende lucht afgeven. Op deze manier zal men de volgende dag kunnen beginnen in een afgekoelde ruimte. Naarmate de dag vordert en er meer en meer interne en externe warmtewinsten zijn, zal de ‘s nachts afgekoelde massa de geproduceerde warmte geleidelijk opnemen. Hierdoor zal de binnenluchttemperatuur trager stijgen. Niet enkel wordt zo een lagere maximale binnentemperatuur bereikt, maar deze wordt tevens in de tijd verlegd. Deze cyclus kan dagelijks herhaald worden wanneer nodig.
1.1
Factoren van invloed op nachtventilatie
De efficiëntie van nachtventilatie als koeltechniek in de zomer is sterk gerelateerd aan onderstaande factoren. Ten eerste moet het gebouw ‘s nachts voldoende kunnen worden afgekoeld. Hiertoe zijn én voldoende luchtdoorstroming van het gebouw én voldoende lage buitenluchttemperaturen nodig. Vervolgens moet het gebouw zelf voldoende opslagcapaciteit bieden om de overdag geproduceerde warmte op te slaan tot de volgende nacht.
1.1.1
ventilatie
De luchtdoorstroming van het gebouw hangt zowel af van het ontwerp van de ruimtes – obstakels, weerstand enz. – als van het gekozen ventilatieprincipe, de uitvoering en de dimensionering van het ventilatiesysteem en van het buitenklimaat. Het buitenklimaat is hier de factor waar we geen rechtstreekse controle over hebben. Daarom wordt vanuit het gegeven klimaat vertrokken bij het ontwerp van het nachtventilatiesysteem. De twee belangrijkste klimaatselementen die van invloed zijn op nachtventilatie zijn de wind en het buitentemperatuurverloop over dag en nacht, of beter gezegd het temperatuurverschil tussen dag en nacht. Deze factoren zullen een grote rol spelen bij het bepalen van zowel de nodige als de verwezenlijkbare nachtelijke luchtdebieten doorheen het gebouw. Bovendien hebben ze zowel rechtstreeks als onrechtstreeks een belangrijke invloed op het temperatuurverschil tussen de inkomende ventilatielucht en de opgewarmde massa van het gebouw. Niet enkel is de temperatuur van de binnenstromende buitenlucht een rechtstreeks in rekening te brengen klimaatgegeven, maar bovendien bepalen buitentemperaturen en zonnewinsten voor een groot deel de externe warmtewinsten die het gebouw overdag mee opwarmen. Al deze klimaatvariabelen hebben een grote invloed op de koellast én het koelvermogen en variëren van dag tot dag. Door het gebrek aan rechtstreekse controle over het klimaat zal het belangrijk zijn een systeem te ontwerpen dat zo weinig mogelijk afhangt van deze variabelen, waardoor een constanter resultaat kan worden gegarandeerd. Zo wordt het dimensioneren van het systeem ook minder afhankelijk van de beschouwde situatie en kan overdimensionering ingeperkt worden. Om een voldoende luchtdebiet te garanderen zal niet enkel de dimensionering van openingen en ventilatieschouwen van groot belang zijn, maar voornamelijk ook de keuze van het ventilatiesysteem. Hierbij zijn er drie hoofdtypes mogelijk: mechanische, natuurlijke, en hybride ventilatie. Door de hoge luchtdebieten nodig voor nachtventilatie wordt mechanische ventilatie al snel onredelijk: zowel energieverbruik als omvang, startinvestering en
bijkomende lasten zoals onderhoud van de benodigde apparaturen maken het niet enkel financieel onverantwoord, maar vormen tevens een contradictie met het streven naar een passieve koeltechniek. Hybride ventilatie als vorm van wederzijdse samenwerking tussen mechanische en natuurlijke nachtventilatie kan eventueel wel nog in beschouwing worden genomen wanneer er reeds een installatie voorhanden is voor bvb hygiënische ventilatie overdag. Deze kan eventueel in beslag genomen worden ter ondersteuning van de nachtventilatie. De echte fundamenten van het nachtventilatiesysteem steunen echter best op natuurlijke ventilatie. Hierbij kan beroep gedaan worden op wind, temperatuurverschillen en bijhorende drukverschillen. Dit leidt tot drie mogelijke hoofdprincipes voor natuurlijke nachtventilatie: eenzijdige ventilatie, dwarsventilatie en schouwventilatie. Eenzijdige en dwarsventilatie maken gebruik van de wind die aan de loefzijde van het gebouw buitenlucht inblaast en aan de lijzijde de binnenlucht wegzuigt. Het verschil tussen beide zit in het wel of niet beschikbaar zijn of benutten van een pad doorheen het gebouw dat de lucht van de loef- tot de lijzijde kan nemen. Vanzelfsprekend zullen met eenzijdige ventilatie lagere debieten realiseerbaar zijn dan met dwarsventilatie met gelijke openingen. Het nadeel dat beide systemen gemeen hebben is de sterke afhankelijkheid aan de windsnelheden, waardoor grote fluctuaties zullen worden gemeten van de ene nacht op de andere. Bovendien zal de buitenomgeving een grote invloed hebben op de winddruk die het gebouw effectief bereikt, afgezwakt door obstakels zoals gebouwen en bomen. Natuurlijke ventilatie waarbij het schouweffect als drijvende kracht gebruikt wordt is hiervan veel minder afhankelijk. Dit systeem maakt immers tevens gebruik van drukverschillen die voortvloeien uit verticale temperatuursgradiënten binnen het gebouw zelf en tussen binnen- en buitenlucht. Deze gradiënten zullen ook aanwezig zijn wanneer er nauwelijks buitenwind is, en hierdoor zal schouwventilatie veel grotere garanties bieden op het reëel voorkomen van ontwerpdebieten. Naast algemeen hogere debieten zullen met schouwventilatie dus vooral veel constantere resultaten bereikbaar zijn.
(fig. 1.1 : nachtventilatiedebieten)
(fig 1.2 : schouwventilatie)
(fig. 1.1 en 1.2 uit doctoraatswerk H. Breesch)
Bij elk van deze ventilatiesystemen zullen bijhorende architecturale ingrepen horen en zal er rekening moeten worden gehouden met zowel de buitenomgeving als de binnenomgeving. De buitenomgeving zal, zoals hierboven vermeld, van grotere invloed zijn op eenzijdige en dwarsventilatie. Intern daarentegen kunnen eenzijdige en dwarsventilatie in de vorm van vrij horizontale fluxen ontworpen worden waardoor het volstaat openingen te maken per verdieping in de gevel en, in geval van dwarsventilatie, ook in de binnenwanden. Schouwventilatie zal daarentegen beroep moeten doen op verticale luchtwegen zoals bestaande verticale circulatieschachten of
speciaal hiervoor ontworpen schouwen. Bovendien zal rekening moeten worden gehouden met verticale gradatie in luchtdebieten over de bouwlagen van het gebouw heen. Niet enkel eenzijdige en dwarsventilatie zijn hieraan onderhevig doordat de winddrukken op lager gelegen verdiepingen lager zijn door de groeiende aanwezigheid van windobstakels naarmate men lager komt: schouwventilatie kent evenzeer een dergelijke gradatie, maar wel omgekeerd in verhouding. Deze komt immers niet voor door lagere winddrukken op lagere bouwlagen, maar door de kleinere effectieve schouwhoogtes naarmate de bouwlaag hoger en dus dichter bij de bovenste schouwopening ligt. Daarom kan het aangewezen zijn bij hoge gebouwen de ventilatieopeningen verschillend te dimensioneren per bouwlaag of zelfs per richting om rekening te houden met de lokale windvoorkeursrichting. Tevens is het bij schouwventilatie vaak voordelig de schouw hoger dan de laatst gebruikte bouwlaag door te trekken. Op grote schaal zal er vanzelfsprekend voor gezorgd moeten worden dat de interne natuurlijke doorstroming van lucht zo weinig mogelijk belemmerd wordt. Gebruikte openingen, ramen, roosters mogen niet afgedekt worden en zullen hiervoor op gepaste plaatsen worden aangebracht zoals in of boven deuren, boven meubelhoogtes e.d. Tevens moet rekening gehouden worden met de effectieve opening van roosters en ramen in vergelijking met hun zichtbare geometrische oppervlaktes. Uiteindelijk moeten andere nevenfactoren in rekening genomen worden zoals bvb de akoestische weerstand van open en gesloten roosters of geluidsproductie van openingsmechanismen, dus zowel wanneer de systemen in werking treden als wanneer ze stil liggen.
1.1.2
materie
Naast het buitenklimaat en het ontwerpen van een goed ventilatiesysteem zullen de keuze van de materialen, de structuur en de binnenafwerking van het gebouw een heel grote invloed hebben op de koellast die met nachtventilatie zal kunnen worden opgenomen. Omdat het principe van nachtventilatie
steunt op het overdag opslaan van warmte in materialen en het afgeven ervan ‘s nachts, zal het van kapitaal belang zijn voldoende thermische opslagcapaciteit bruikbaar te stellen. De belangrijkste factoren hiervoor zijn de materiaalkeuze, de hoeveelheid materie en oppervlakte ervan in contact met de binnenlucht, en de eventuele afscherming. Elk materiaal is uniek. De fysische eigenschappen ervan bepalen niet enkel hoeveel warmte het materiaal kan opnemen, maar ook hoe rap het deze warmte kan opnemen en opnieuw afgeven. De hoeveelheid warmte die een materiaal kan opnemen kan afgeleid worden uit diens warmtecapaciteit ( c , [J/kg.K] ). Naast de warmtecapaciteit die, vermenigvuldigd met de massadichtheid ( ρ , [kg/m^3] ), weergeeft hoeveel warmte uiteindelijk kan worden opgeslagen in een volume-eenheid materie, is ook de warmtegeleidingscoëfficiënt ( λ , [W/m.K] ) van belang. De vraag is immers niet hoeveel warmte er in een statische toestand kan worden opgeslagen in een zekere hoeveelheid materie, maar veeleer in welke mate deze materie in staat is een tijdelijke temperatuursverandering aan diens oppervlakte te vertalen in een warmteopslag. Een goede indicatieve factor hiervoor is de “effusiviteit” of de “contactcoëfficiënt” ( b , [W/m^2.K] ) van het materiaal.
b= c
(1)
Vervolgens bepalen de geometrie van de ruimte en van de elementen samen met de fysische eigenschappen ervan hoeveel materie er effectief werkzaam is binnen de 24-uren lange nachtventilatiecyclus. Doordat hier sprake is van een cyclisch fenomeen moet de benadering niet statisch, maar dynamisch zijn. Door de beperkte periode van de cyclus (24 uren) zullen de materialen met een relatieve traagheid reageren op de temperatuurveranderingen aan hun oppervlaktes. Dit betekent dat bvb een dikke betonnen vloer de opwarming overdag en afkoeling ‘s nachts niet over zijn volledige diepte even sterk gewaar zal worden, waardoor de massa slechts tot op een beperkte indringdiepte actief werkt. De belangrijkste fysische materiaaleigenschap die de indringdiepte bepaalt is de thermische “diffusiviteit” of “temperatuursvereffeningscoëfficiënt ( a , [ m^2 ] ).
a=
c
(2)
Deze bepaalt samen met de periode van de cyclus de diepte [ δ ] waarover de warmtegolf overdag de materie binnendringt.
=
T aT = c
(3)
De indringdiepte, de warmtecapaciteit en de massadichtheid zullen bijgevolg samen een eerste inzicht bieden in de warmte-opslag die in een welbepaalde ruimte over één dag mogelijk is. Een laatste belangrijke factor is de afwerking aan de buitenoppervlakte van de materialen. De warmtewisseling tussen de bouwelementen en de lucht gebeurt convectief. De warmteuitwisseling tussen de bouwelementen en de gebruikers en andere voorwerpen of tussen bouwelementen onderling gebeurt zowel via straling als onrechtstreeks convectief via de lucht. Doordat zowel stralings- als convectieve warmte-uitwisseling een rol spelen, zal elke vorm van afscherming tussen de materiaaloppervlaktes en de lucht en/of de gebruikers de warmte-uitwisseling belemmeren. Zo zal een valse wand die bvb als technische spouw tegen een dragende massieve wand geplaatst is als isolatielaag werken. Hetzelfde geldt voor een verhoogde vloer of een verlaagd plafond. De mogelijkheid bestaat deze te ventileren waardoor enige vorm van convectieve warmtewisseling blijft bestaan, maar de radiatie zal geblokkeerd worden. Op deze problematiek, meer bepaald die van valse plafonds, wordt verder ingegaan in de volgende hoofdstukken en wordt verder in deze thesis onderzoek naar gedaan.
1.1.3
warmtewinsten
Andere factoren worden vaak vermeld als zijnde van invloed op nachtventilatie, ook al zijn het eerder factoren die van invloed zijn op de warmteproductie en dus de koellast. Deze bepalen mee de mogelijkheid die er is om met nachtventilatie de gestelde comforteisen te bereiken. Het zijn niet echt factoren die de efficiëntie van het nachtventilatiesysteem op zich bepalen, maar eerder factoren die de dimensionering van koelsystemen, zowel actieve als passieve, en de haalbaarheid van een goed binnenklimaat mede bepalen. Zo zal het vanzelfsprekend van groot belang zijn, vooral wanneer men passief koelen tot doel heeft, om de interne en externe warmtewinsten zo laag mogelijk te houden. Intern zullen een goed ontwerp van de verlichtingsinstallatie, een goede keuze van warmteproducerende uitrusting, zoals bvb TFT-computerschermen ipv kathodische schermen, e.a. een heel grote invloed hebben op de koellast. Externe warmtewinsten zal men trachten onder controle te houden door o.a. voldoende isolatie in de gevel en vooral een efficiënte en goed gestuurde zonnewering voor de ramen.
veel beperkter worden, minder architecturaal belastend, en goedkoper. Zo zal soms bvb het koelen van de hygiënische ventilatielucht volstaan om het tekort aan koelcapaciteit van het nachtventilatiesysteem op te vangen waardoor noch extra uitrusting of leidingen nodig zullen zijn, noch veel grotere luchtdebieten en bijhorende leidingen. Naast bovenvermelde factoren zal ook de keuze van de comfortcriteria en -eisen van groot belang zijn zowel voor het ontwerpen als het toetsen van het koelsysteem en het bereiken van een aangenaam binnenklimaat. Hier wordt in hoofdstuk 3 verder op ingegaan.
Bij hoge koellasten zal nachtventilatie op zich vaak niet voldoende garantie bieden voor het bereiken van de gestelde comforteisen. Andere maatregelen kunnen helpen om wel aan deze eisen te voldoen. Deze kunnen zowel passieve als actieve maatregelen zijn en kunnen zowel beroep doen op andere koeltechnieken als op het gedrag van de gebouwgebruikers. Zo kunnen als extra passieve en/of actieve koeltechnieken bijvoorbeeld grondbuizen, koeling van de ventilatielucht, warmtewisselaars enz. gebruikt worden. Verder kunnen de gebruikers ook de mogelijkheid krijgen het raam te openen wanneer ze het warm hebben of hun kledij aan te passen in functie van de heersende temperaturen. Ook al biedt nachtventilatie niet steeds voldoende garantie voor een goed binnenklimaat, het helpt al wel om het gebouw in goede mate passief te koelen en zo het eventuele extra energieverbruik aanzienlijk te doen zakken. Niet enkel zal hierdoor de kostprijs en de ecologische vervuiling beperkt worden, maar zal dit er soms ook voor zorgen dat de nodige extra ingrepen
1.1.4
neveneffecten & regeling
Nachtventilatie is een passieve koeltechniek die de mogelijkheid biedt om op vrij eenvoudig wijze aanzienlijke warmtehoeveelheden overdag op te slaan en ‘s nachts af te voeren. Door de werking van het systeem zelf is het toepassingsgebied ervan weliswaar beperkt. Er zijn meerdere belangrijke neveneffecten van nachtventilatie die ervoor zorgen dat het systeem bijna uitsluitend wordt toegepast in kantoorgebouwen die slechts overdag gebruikt worden. Deze neveneffecten staan vaak ook aan de basis van de factoren die de regeling van het systeem bepalen. Ten eerste zal ‘s nachts een groter debiet aan ingeblazen buitenlucht voor betere resultaten zorgen. Deze buitenlucht is koud en dat is dan ook de bedoeling bij nachtventilatie. Het heeft weliswaar tot gevolg dat de binnentemperatuur ‘s nachts heel laag kan zakken wanneer de nachtventilatie in werking is, tot goed onder de onderste comfortgrenzen voor binnenklimaat in de zomer. Een volgend nadeel dat hieraan gepaard gaat bij nachtelijk gebruik van gebouwen is het risico op tocht. Dit is slecht voor het thermische comfort binnen de ruimte aangezien de aangevoerde buitenlucht koud zal zijn. Bovendien moet hierbij ook gelet worden op het risico voor het opvliegen van papieren e.d. Dit risico bestaat natuurlijk ook bij kantoren die enkel overdag gebruikt worden doordat vele papieren ‘s nachts op de bureaus worden achtergelaten. Daarom moet steeds gecontroleerd worden dat de binnenstromende luchtdebieten niet te hoog zijn om de luchtsnelheid onder een vastgelegd maximum te houden. Nachtventilatie heeft nog een ander nadeel bij nachtelijk gebruik van het gebouw door de opening die het maakt in de akoestische isolatie naar buiten toe. Bijvoorbeeld callcenters die zich langs een drukke baan of in de buurt van een luchthaven bevinden en 24 uur op 24 actief zijn kunnen het externe lawaai wel missen en zullen daarom liever geen ramen naar buiten opendoen, noch overdag, noch ‘s nachts. Vervolgens heeft een goed nachtventilatiesysteem een goede, automatisch geregelde besturing nodig. Dit vergt goede meetapparaturen voor binnen- en
buitentemperaturen, zowel luchttemperaturen als oppervlaktetemperaturen, en best ook voor windsnelheden. Het vergt ook een automatisch besturingssysteem dat de data onmiddellijk verwerkt en deze minstens een dag lang in rekening houdt. Op basis hiervan moeten vervolgens ramen, luiken en/of roosters automatisch open en toe kunnen gaan. Daarnaast zijn er ook nog eens de nodige architecturale ingrepen die met luiken, roosters enz. gepaard gaan. Dit alles heeft zijn initiële prijskaartje. Wanneer een gebouw reeds voor andere klimatisatiesystemen of domotica een deel van deze uitrusting bezit, of wanneer een gebouw groot genoeg is waardoor dit bedrag vervaagt in de totale prijs of waardoor één enkel buitenmeetstationnetje voor de metingen van een groot gebouwcomplex kan instaan, dan is dit geen probleem en kan de investering vaak de moeite waard zijn. Die investering kan soms immers vrij rap terugverdiend worden gezien de koellasten die het passief kan opvangen. Gaat het daarentegen om een verbouwing met beperkt budget van een klein oud huisje dat voor de rest nauwelijks enige automatische klimaatregelende uitrusting heeft, dan zal het veelal meer verantwoordbaar zijn nachtventilatie eenvoudigweg manueel toe te passen zoals vele mensen dit doen, ‘s nachts het kipraam op een kiertje zettend en het overdag sluitend, ook al zal dit een stuk minder betrouwbaar en efficiënt zijn. Een extra reden waarom nachtventilatiesystemen zich minder voordoen in huizen dan in kantoorgebouwen ligt waarschijnlijk ook in het feit dat bedrijven onderhevig zijn aan extra reglementeringen over de werkomstandigheden van de werknemers en tevens in de bewezen verhoging van werkprestaties en -rendement bij een beter binnenklimaat. Wordt hierbij nog eens toegevoegd dat bij kleinere projecten minder vaak beroep gedaan wordt op gespecialiseerde bureaus voor het ontwerpen van de klimatisatiesystemen en de beperkte kennis en vertrouwen die er bij velen heerst jegens passieve klimatisatietechnieken, dan zijn we grotendeels rond met het opsommen van de meeste beperkingen en uitdagingen van nachtventilatie. Naast alle factoren die nachtventilatie moeilijker bruikbaar maken bij kleine projecten of gebouwen die ook ‘s nachts gebruikt worden, is er nog één
thermisch neveneffect dat het binnenklimaat tijdens de normale kantooruren negatief kan beïnvloeden. Naast het feit dat ‘s nachts de temperaturen snel kunnen dalen, kan ten gevolge hiervan ook de temperatuur ‘s ochtends bij het intreden van de gebruiksperiode van de kantoren nog steeds te laag zijn. Dit fenomeen wordt “onderkoeling” genoemd. Om dit tegen te gaan moet de regeling van de nachtventilatie goed ingesteld worden. Een eerste belangrijk punt is om de setpoint voor nachtventilatie boven het setpoint van de verwarmingsinstallatie in te stellen om te vermijden dat ‘s ochtends de verwarming in werking zou moeten treden om de ruimte terug op te warmen. Een volgend punt is om de nachtventilatie vroeg genoeg te stoppen vóór het begin van de gebruiksperiode. De binnenlucht zal op het einde van de nachtventilatieperiode immers nog steeds kouder zijn dan de gebouwmassa. De tijd tussen beide periodes zal kunnen dienen om verdere warmte-uitwisseling tussen de binnenlucht en de gebouwmassa te laten gebeuren waardoor voornamelijk de luchttemperatuur terug wat zal stijgen. Verdere afkoeling aan de oppervlakte van de gebouwmassa zal weliswaar niet altijd zichtbaar zijn. Dit komt doordat de materie die zich dieper bevindt soms nog warmer zal zijn waardoor de massa binnen de indringdiepte aan de ene kant wel zal afkoelen dankzij de binnenlucht, maar aan de andere ook wat zal opwarmen door de warmere achterliggende materie. Alleszins zal het gebouw in deze tussenperiode terug naar thermisch evenwicht streven tussen de onderdelen van en de binnenlucht in het gebouw. Wel mag hierbij niet vergeten worden dat niet de luchttemperatuur, maar de operatieve temperatuur de meest indicatieve comfortindicator is. Anders zou de heropwarming van de ruimte in die tussenperiode kunnen worden overschat door geen rekening te houden met het mogelijk verder afkoelen of alleszins niet terug mee opwarmen van de oppervlaktetemperaturen van wanden, vloer en plafond.
KANTOORGEBOUW gebruiksperiode:
8 ht19 h Nachtventilatie treedt in werking indien aan volgende voorwaarden voldaan wordt Voorbije dag
i , max23 ° C e ,max 22° C Op dat tijdstip
22 ht6 h
s , plafond 22° C ( setpoint verwarming +1°C)
i−e 2 ° C v 7 m/ s (tabel I.I : standaard nachtventilatieregeling)
Hiernaast wordt reeds ter voorbeeld een standaardinstelling weergegeven voor nachtventilatie, afkomstig uit het doctoraatsonderzoek van Dr. Ir. H. Breesch. Naar deze regeling wordt later in dit werk verwezen als “standaardregeling”. 10
2.
VALSE PLAFONDS EN DE BENUTTING VAN DE THERMISCHE MASSA
Zoals reeds vermeld bemoeilijkt het afschermen van de gebouwmassa ten opzichte van de gebruikerszone de warmtewisseling tussen beide en wordt zo de efficiëntie van het nachtventilatiesysteem verlaagd. Wellicht de meest voorkomende afschermingen binnen een kantoorgebouw zijn verlaagde plafonds, gevolgd door verhoogde vloeren. Aangezien bovendien nu veel meer dan vroeger lichte scheidingswanden en gevelconstructies gebruikt worden, leveren de vloerpaketten veelal het grootste aandeel aan thermische massa van het gebouw. Deze vloerpaketten afschermen reduceert bijgevolg drastisch de benutbare thermische opslagcapaciteit. Deze tendens om alsmaar meer technische spouwen en bijhorende afschermende afwerkingslagen aan te brengen doet bij het ontwerpen van nieuwe kantoorgebouwen vaak vragen rijzen over het nut om nog aan nachtventilatie te denken. Om deze problematiek aan te pakken moet eerst worden gezocht naar zowel de redenen die aan de basis liggen van het gebruik van valse plafonds als naar de exacte oorzaken waardoor deze problematisch zijn voor nachtventilatie. Op basis hiervan zal vervolgens kunnen worden nagedacht over mogelijke ingrepen of nieuwe systemen die hier een antwoord aan kunnen bieden.
11
2.1.
Valse plafonds – doel, factoren en problematiek
Valse plafonds komen voor om verschillende redenen. Een eerste, bijna puur esthetische en meestal vrij eenvoudig in de ontwerpfase uit de weg te ruimen, is de rol van afwerking ter nastreven van een betere esthetiek. Met de voorkeur van vele architecten voor het zichtbaar stellen van de structuur, het blootstellen van zowel nieuwe als oudere plafonds zijn reeds voldoende voorbeelden te vinden van esthetische ruimtes zonder enige afscherming van het dragend vloerpakket. Moeilijker mee om te gaan zijn de technische en praktische bestaansredenen van valse plafonds. Een eerste taak die valse plafonds op dat vlak vervullen, is het wegsteken van elektrische- en domoticaleidingen, verlichtingsarmaturen, waterleidingen, luchtkanalen. Deze worden zowel voor esthetische redenen als voor praktische (onderhoud, stofophoping...) en akoestische redenen (geluid uit luchtkanalen...) weggestoken. Esthetisch is reeds vaak aangetoond dat zelfs grote luchtkanalen een eigen positieve karaktergevende rol kunnen spelen in een ruimte. Dunnere water en electriciteitsleidingen kunnen bovendien vaak verscholen worden in kabelgoten of verschoven naar chapes die bovendien extra massa aan het gebouw toevoegen. Praktische problemen zoals onderhoud en stofophoping kunnen deels verminderd worden door een goed ontwerp van de details en het uitzuiveren van aansluitingen, maar blijven vaak om hygiënische en/of esthetische redenen een zorg. Akoestische problemen kunnen deels aangepakt worden door bvb luchtleidingen groter te ontwerpen waardoor de luchtsnelheden erin en de hiermee gepaarde geluidsproductie lager worden. Beter ontwerp van de kanalisatie, met minder bochten en betere roosters kan tevens helpen. Verder kunnen trillingen en geluidsoverdrachten ingeperkt worden door aandacht te besteden aan aansluitingen en het inbrengen van elastische dempingsmaterialen. Desalniettemin zullen niet steeds voldoende middelen toereikend zijn om al
deze problemen goed genoeg aan te pakken. Zo kunnen bijvoorbeeld soms te hoge debieten nodig zijn doorheen de luchtkanalen. Deze vervolgens nogmaals vergroten, om de luchtsnelheden erin en de geluidslast te verlagen, zou ze te imponerend maken in de ruimte. Het aanbrengen van noodzakelijke technische uitrusting vormt dus een problematiek die wel aangepakt kan worden zonder valse plafonds, maar dan moet men opnieuw met veel factoren rekening houden waardoor de taak moeilijker en soms duurder wordt. Bovendien verliest men de flexibiliteit van het valse plafond dat latere aanpassingen gemakkelijk opvangt. Flexibiliteit is immers een niet te onderschatten bonus bij kantoorruimtes die vaak van eigenaar en functie veranderen. Een ander belangrijk domein waarbij beroep gedaan wordt op verlaagde plafonds is de ruimte-akoestiek. Hierin speelt het valse plafond drie belangrijke rollen: akoestische isolatie tussen de ruimte en het technische plenum waarin leidingen e.a. zitten, akoestische isolatie tussen ruimtes boven elkaar en uiteindelijk ook akoestische absorptie van het geluid in de ruimte ter verlaging van de nagalmtijd. De problematiek van de akoestische belasting door technische uitrusting in het plenum van het vals plafond is hierboven reeds besproken. De verbetering van de akoestische isolatie tussen ruimtes onderling dankzij verlaagde plafonds zal ook moeilijk volledig vervangen kunnen worden. Wat de geluidsproblematiek tussen twee verdiepingen betreft, kunnen betere keuzes van vloerbedekkingen en dunne geluiddempende tussenlagen tussen chapes en draagstructuur wel al voor een aanzienlijke demping van het contactgeluid zorgen. Verder moet gelet worden op de overlangse akoestische isolatie, deze tussen twee aanpalende ruimtes. Hiertoe zal bij afwezigheid van een vals plafond voor een volledige geslotenheid van de scheidingswanden tot aan het horizontaal draagpakket gezorgd moeten worden. Dit zal tevens de aansluitingen ter plaatse van doorboringen voor leidingen e.a. kritischer maken. Akoestische absorptie van het geluid in de ruimte ter verlaging van de nagalmtijd kan wel gerealiseerd worden zonder gesloten valse plafonds. Hierbij is immers niet de geslotenheid van het absorberend oppervlak van 12
groot belang, maar de hoeveelheid blootgestelde absorptieoppervlakte. Baffles zijn een veel voorkomend voorbeeld van open geluidsabsorberende plafondoplossingen. Deze hebben zelfs het voordeel dat de beide zijdes ervan bereikbaar zijn voor de geluidsgolven waardoor aanzienlijk meer absorberend oppervlakte voorhanden is.
zoals de openheid en de hydraulische diameter van het vals plafond en de goede plaatsing van de openingen en eventuele obstakels die een goede doorstroming van lucht doorheen het plenum kunnen beïnvloeden. Een eerste studie rond open valse plafonds werd gedaan door Ing. H. M. Bruggema en Ir. P. H. Wapenaar. Hierover handelt volgend paragraaf.
Ter conclusie kan gesteld worden dat valse plafonds een niet te onderschatten rol kunnen spelen in gebouwen. Bepaalde taken van valse plafonds kunnen op andere manieren aangepakt worden, maar valse plafonds behouden voordelen zoals flexibiliteit, eenvoud, visuele afscherming, enz.
Een mogelijke tussenoplossing tussen een volledig gesloten vals plafond en geen verlaagd plafond is het ontwerpen van een open vals plafond. Dit is een vals plafond dat via goed geplaatste en gedimensioneerde openingen geventileerd wordt waardoor convectieve warmte-uitwisseling tussen de ruimte en het plenum opnieuw mogelijk wordt gemaakt. Sommige functies zullen bij het openmaken van een vals plafond wel aan prestatie moeten inboeten. Zo zal de akoestische isolatie zowel tussen de aangrenzende lokalen, vertikaal en horizontaal, als tussen de betreffende ruimte en het technisch plenum vanzelfsprekend aanzienlijk verslechteren. Het geluid van technische installaties in het plenum zal wel nog steeds deels gedempt worden vóór het de gebruikerszone bereikt door het blootstellen van het akoestische absorptiemateriaal binnen het plenum zelf. Andere taken van het valse plafond zullen uitstekend vervuld blijven. Akoestische absorptie, visuele afscherming, flexibiliteit, eenvoud van afwerking blijven realiseerbaar. Op thermisch vlak kan verwacht worden dat een opengemaakt vals plafond de efficiëntie van een volledig blootgesteld vloerpakket bij nachtventilatie niet zal evenaren. Eerst en vooral zal het vals plafond als scherm fungeren tegen warmte-uitwisseling via straling tussen het draagpakket en andere gebouwelementen en gebruikers. De mate waarin convectieve warmteuitwisseling gehandhaafd zal blijven zal afhangen van meerdere factoren 13
2.2.
Thermisch open plafonds – onderzoek door Ing. H.M. Bruggema
In deze paragraaf wordt verwezen naar onderzoeken van Ing. H. M. Bruggema en Ir. P. H. Wapenaar die tussen 1986 en 1990 gepubliceerd werden. Kort zal de essentie van hun proefopstellingen, waarnemingen en conclusies worden weergegeven. De onderzoekers zijn vertrokken van laboratoriumproeven om thermische en akoestische aspecten van open valse plafonds na te gaan. De bevindingen hebben ze vervolgens vertaald in een simulatiemodel dat, zonder langdurige en kostelijke proeven, gebruikt kan worden voor verder onderzoek en ontwerp. Ten slotte hebben ze aanbevelingen en richtlijnen geformuleerd voor het realiseren van open valse plafonds. 2.2.1. proefopstelling Voor het laboratoriumonderzoek werd gebruik gemaakt van een thermisch stabiele proefkamer. De meetruimte had een netto-afmeting van 5,5 op 4,4 op 3,24 meter ( l x b x h ). Het plafond werd gemonteerd op 2,7 meter hoogte boven het vloerpeil. De resterende plafondspouw bedroeg bijgevolg 0,54 meter. Drie klimaatsituaties werden gesimuleerd. De eerste was een kunstmatige 2-fasen verloop om vrij abstract onderzoek te doen naar de benutting van de thermische massa van de draagvloer bij een open vals plafond. Hiertoe volgden twee periodes elkaar op: een eerste opwarmperiode van ca. 8 uren gevolgd door een resetperiode van 40 uren. De tweede klimaatsituatie had als doel zo realistisch mogelijk een eerste standaard praktijksituatie te simuleren: een opeenvolging van zomerdagen. Hiertoe werd eerst de gehele opstelling gestabiliseerd onder de condities van een koele bewolkte zomerse dag. Vervolgens werd gedurende drie dagen een warme zomerperiode gesimuleerd. Bij de derde klimaatsituatie werd de volgende praktijksituatie onderzocht: een winterse periode met een buitentemperatuur van -10 °C. Hiermee wilde men nagaan of bij een open vals plafond rekening moet worden gehouden
met een langere opwarmtijd. De opstelling en regeling werd lichtjes anders opgesteld bij de eerste kunstmatige klimaatsituaties dan bij de twee praktijksituaties. Bij de eerste werd de warmtewinst door zonnestraling vereenvoudigd gesimuleerd door middel van een langs de gevel geplaatste regeltrafo en panelen met weerstandsdraad. Tevens werden de warmtecapaciteiten van vloer en wanden met isolatiemateriaal afgedekt, zodat de massa van de betonnen verdiepingsvloer de enige in het vertrek relevante warmtecapaciteit zou vormen. Ten slotte werden bij de eerste opstelling ook simulaties verricht met gedwongen convectie om verder de invloed van de luchtdebieten doorheen het verlaagd plafond te meten. Bij de twee praktijksituaties werden wanden en vloer niet meer afgeschermd en werd het buitenklimaat gesimuleerd door een buitenklimaatkamer tegen de gevel aan te sluiten om de volledige dag-nacht-cycli en het lokaal zo realistisch mogelijk te simuleren. Drie verschillende configuratietypes werden afwisselend opgesteld. Simulaties werden uitgevoerd met een volledig open plafond, met een volledig gesloten plafond en met een gedeeltelijk open plafond. Zo konden de resultaten relatief met elkaar in verband gelegd worden en vergeleken. Tevens werden variaties in gedeeltelijk open valse plafonds uitgetest. Zowel de grootte als de plaatsing van de openingen werden gevarieerd. Ook werden hierbij verschillende opbouwen van het verlaagd plafond geanalyseerd. Tenslotte werden ook twee types inblaasroosters gebruikt voor de hygiënische ventilatie om de eventuele interferentie na te gaan tussen de mechanische ventilatie en de natuurlijke doorstroming van lucht doorheen het verlaagd plafond. Ter simulatie van de koellasten werden zowel de zonnewinsten aan de gevelzijde als de interne warmtewinsten gesimuleerd. Verlichting werd realistisch in het plafondsysteem ingewerkt. Metingen werden verricht naar zowel het thermische als het akoestische gedrag en tevens werden de windsnelheden opgemeten en het luchtcirculatiepatroon nagegaan. 14
2.2.2. thermische bevindingen Uit de eerste reeks proefopstellingen, deze in de eerste, kunstmatige, klimaatsituatie, werd de temperatuurtoename van de ruimte onder de verschillende valse plafond-configuraties vergeleken. Hiertoe werd een ‘rendementsfactor’ ingevoerd, die werd gedefinieerd als het quotiënt van de temperatuurstoename bij een volledig open plafond en de toename bij het betreffende plafond.
n= T open / T n
(4)
met n=rendementsfactor van het betreffende plafond T open =temperatuurstoename bij volledig open plafond [° C ] T n=temperatuurstoename bij betreffende plafond [° C ] Hierbij bleek dat reeds bij een goed geplaatste effectieve opening in het vals plafond van 11% een redementsfactor van 88% behaald werd. Het verlaagd plafond meer dan 22% openen bleek geen noemenswaardige verbeteringen meer te bieden. rendementsfactor voor mineraalpla- % fonds (met convectie) extra geïsoleerd geheel gesloten 5% open 11% open 22% open 33% open 66% open geheel open
39 55 82 88 95 94 97 100
(tabel II.I :rendementsfactoren - naar Ing. H.M. Bruggema)
Dankzij de tweede reeks proefopstellingen, deze met gesimuleerd zomerklimaat, kon worden nagegaan hoe de natuurlijke luchtcirculatie in zijn
werk gaat en waarop gelet moet worden bij het installeren van mechanische hygiënische ventilatie. In dit tweede luik konden de conclusies uit de voorbije reeks geëxtrapoleerd worden naar prestatie-gegevens uitgedrukt volgens comfortcriteria. De natuurlijke luchtcirculatie die in stand komt door temperatuurverschillen over de ruimte heen, zowel in de lucht als aan de ruimte-oppervlaktes, zorgen voor een natuurlijke doorspoeling van het plenum. Net zoals op schaal van het gebouw, geeft dwarsventilatie ook op schaal van het plenum betere resultaten dan eenzijdige ventilatie. Vandaar dat aangeraden wordt het plafond in stroken te verdelen, met minstens één aan de gevel en één aan de overstaande wand. Verdere verdeling en gelijkmatige spreiding van de openingen bleek in de proefopstelling geen noemenswaardige invloed te hebben op de rendementsfactor. Door één van beide stroken zal de lucht het plenum binnenstromen, door de andere zal het uitstromen. Het luchtdebiet dat doorheen de openingen gaat zal bij goede plaatsing ervan voornamelijk afhangen van de grootte van de openingen, van de hydraulische diameter van het plenum en de ruimte, en van het temperatuursverschil tussen de lucht in de ruimte en deze in het plenum. Verder zullen andere factoren zoals extra toegebrachte ventilatie en andere voorkomende natuurlijke luchtcirculatie binnen de ruimte dit debiet beïnvloeden. Zo valt bvb op dat de circulatierichting doorheen het plenum van zin kan veranderen in de loop van de dag. Dit komt doordat wanneer het binnenoppervlak van de gevel kouder is dan de binnenlucht dit een koudevalstroming zal creëeren in de nabijheid van de gevel, terwijl wanneer deze warmer wordt dan de binnenlucht het net omgekeerd de dichtbij gelegen luchtlagen zal opwarmen en deze dus zullen stijgen. Wanneer deze ommekeer precies voorkomt zal afhangen van meerdere factoren zoals het buitenklimaat en de gevelopbouw. Zo kwam deze ommekeer in de proefopstelling met lichte gevelconstructie voor tussen 10 en 12 uur. Voor de hygiënische ventilatie werd het volgende opgemerkt. Er moet op gelet worden dat de ingevoerde mechanische ventilatie de natuurlijke hierboven beschreven luchtstroom niet mag versterken. Daarom wordt het toepassen afgeraden van roosters met eenduidige inblaasrichting (zoals 15
lijnroosters) waarbij achteraan in het vertrek een neerwaartse stroming ontstaat. De afzuigopening dient zich niet ter plaatse van een plafondopening te bevinden, maar ongeveer 0,5 meter verder in het verlaagd plafond. Het maximale luchtdebiet moet bovendien gecontroleerd worden om te vermijden dat deze de circulatie doorheen het vals plafond zou verstoren. Algemeen geven wervelroosters gecombineerd met afzuiging via de lichtarmaturen om bovenstaande redenen het beste resultaat. Bovendien wordt met afzuiging via de lichtarmaturen vermeden dat de warmte geproduceerd door de verlichting via de armaturen en het plenum volledig terug in de ruimte zou belanden. De thermische resultaten uit deze tweede reeks proefopstellingen bevestigden de bevindingen uit de eerste. Bij thermisch open plafonds bleek de ruimtetemperatuur maximaal 1,4 en 2 °C lager te liggen dan bij het gesloten plafond, afhankelijk van de plafondconstructie en het ventilatiesysteem. Het vertalen van de bruto-resultaten naar hun aantal overschrijdingsuren brengt wel duidelijker aan het licht hoe belangrijk een dergelijke aanwinst is. De derde reeks proefopstellingen, deze met gesimuleerde winterklimaat, toonde voornamelijk aan dat het open maken van een vals plafond niet tot noemenswaardige toenames in energieverbruik zou leiden in de winter. Enkel na langdurig ongebruik van een ruimte of gebouw zou het initieel heropwarmen ervan wat langer kunnen duren bij een open vals plafond. Dit zal wel reeds merkbaar zijn na bvb een weekend in kantoorgebouwen, maar zal geen grote invloed hebben op de uiteindelijke verwarmingskosten.
2.2.3. akoestische bevindingen Op akoestisch vlak bleken de metingen de hierboven opgestelde verwachtingen te bevestigen. De teruggang in geluidsabsorptie bij het openen van het plafond over 11% of 22% van het oppervlak bleek beperkt en zeker niet zorgwekkend in kamerkantoren.
De daling van de geluidsisolatie is wel noemenswaardig en sterk afhankelijk van het plafondtype. Zo zal de relatieve teruggang veel groter zijn bij het openmaken van valse plafonds met de hoogste isolatiewaarden. Dit lijkt vanzelfsprekend gezien de initiële betere resultaten die hogere isolatiewaarden bieden. Spijtig genoeg werden de bruto-resultaten van de akoestische metingen niet vermeld waardoor uit de publicaties niet kan gehaald worden hoe erg de achteruitgang is. Er zijn geen absolute waarden van de metingen in de ruimte vermeld, noch van geluidsproductie in het plenum noch van deze buiten de opstelling. Enkel werd het volgende vermeld: “In het lagere frequentiegebied (to ca. 1KHz) is de verslechtering bij 11% open beperkt tot 1 à 2 dB, bij 22% open tot 2 à 3 dB. Tussen 1 kHz en 4 kHz loopt deze waarde vrij snel op.” En verder zoals hogerop reeds vrij aangehaald : “Het slechter worden bij hogere frequenties kan in het algemeen echter met eenvoudige voorzieningen in de technische installaties worden ondervangen.” Met betrekking tot overlangse akoestische isolatie werd ook hier de aandacht gelegd op het doorzetten van scheidingswanden tot de draagvloer en het aanbrengen van barrières.
2.2.4. computersimulatiemodel Als laatste stap vóór het formuleren van aanbevelingen werd een computersimulatiemodel opgesteld om verder onderzoek te kunnen verrichten en systemen te ontwerpen zonder volledige invoer van alle varianten en stappen in veeleisende, dure en langdurige laboratoriumproeven. Het computerprogramma voor dynamische bouwfysische simulaties dat hiervoor gebruikt werd is er een dat werkt met ééndimensionale multi-zone modellen. Het steunt op iteratieve berekeningen van de interagerende bouwfysische factoren per vooropgestelde tijdstap. Het uiteindelijk bekomen model is hieronder weergegeven. De resultaten werden vergeleken met de in het laboratoriumonderzoek bekomen resultaten. De overeenkomst bleek voldoende groot. 16
2.2.5
richtlijnen voor de toepassing van een thermisch open plafond
Hieronder worden de richtlijnen uit de artikels samengevat weergegeven.
(fig. 2.1 simulatiemodel - naar Ing. H.M. Bruggema)
luchtdebiet doorheen het vals plafond (natuurlijke doorstroming)
Q= met
% open ⋅Atot⋅ 2⋅g⋅H⋅ T /T 100
(5)
Q=luchtdebiet doorheen het vals plafond [m3 /h] Atot =totale vloer−of plafondoppervlakte[m2 ] g =zwaartekracht [m/s 2 ] T =luchttemperatuursverschil gebruikerszone− plenum[ K ] T =luchttemperatuur [ K ] H = plenumhoogte[m] convectieve overgangscoëfficiënten Horizontale oppervlaktes
Verticale oppervlaktes
c , horizontaal =1,3 T 0,25
c , verticaal =6 T /T⋅h0,25
T s , vloerT a T s , plafond T a
h0,5 m
c , horizontaal =3,3 T T s , vloerT a T s , plafond T a
0,25
0,33
c , verticaal =9,7 T /T h wand ≥0,5 m
(tabel II.II : convectieve overgangscoëfficiënten -
Plafondontwerp -Een vrije plenumhoogte van minimaal 0,4 m, geen ernstige obstructie ten gevolge van luchtkanalen, verlichtingsarmaturen enz. -Ongeveer 15% van het plafond open maken, de openingen eventueel visueel afsluiten met roosters. De helft van deze openingen dient langs de gevel te worden aangebracht. De andere helft van de openingen kan ter plaatse van de gangwand of gelijkmatig verdeeld over de ruimte worden aangebracht. De spleetbreedte dient minimaal 50mm te bedragen. -Ophoping van stof op het plafond of het vrijkomen van stof uit vezels uit het plafond dient zoveel mogelijk te worden voorkomen. Luchtbehandeling -Nachtventilatie (mechanisch of natuurlijk) is noodzakelijk om de gedurende de dag opgeslagen warmte ‘s nachts af te voeren. -Het toepassen van roosters waarvan het inblaaspatroon de circulatiestroming van het plafond versterkt, dient vermeden te worden. -Het ventilatievolume dient maximaal 6-voudig te zijn. De luchtafzuigopening mag niet in een van de plafondopeningen worden aangebracht (afstand minimaal 0,5m) -De ruimte direct afzuigen via de verlichtingsarmaturen, omdat anders bij een open plafond de armatuurwarmte terug in de lucht wordt gevoerd. Akoestische aspecten -Rekening houden met eventueel noodzakelijke voorzieningen met betrekking tot de reductie van geluid uit de technische installatie. -Het doorzetten van scheidingswanden tot op de betonvloer of het aanbrengen van barrières boven de scheidingswanden.
naar Ing. H.M. Bruggema)
17
3.
THERMISCHE BEHAAGLIJKHEID
In dit hoofdstuk worden de verder in dit onderzoek gebruikte comfortcriteria uiteengezet. Ter inleiding hierop wordt bondig de evolutie doorlopen van de comfortcriteria van Fanger t.e.m. de nieuwere ATG-richtlijnen, op zoek naar verbeterde prestatie-indicatoren.
3.1.
Belang en complexiteit van thermische behaaglijkheid
De evoluties die de thermische-comfort-richtlijnen gekend hebben zijn steeds ontstaan uit een blijvende zoektocht naar zowel juistere, nauwkeurigere en volledigere comfortcriteria als naar indicatoren die niet enkel juister maar ook beter communiceerbaar en algemeen toepasbaar zijn. Hiertoe is zowel onderzoek nodig naar de werking van het menselijke lichaam en de interactie tussen mens en zijn thermische omgeving als onderzoek naar praktijksituaties en gebruik door al dan niet vakmensen. De omvang van de problematiek en de verscheidenheid aan factoren zorgen er bijgevolg voor dat het een interdisciplinair onderzoek vergt. Het bestrijkt velden die gaan van de menselijke fysiologie en psychologie tot deze van de klimatologie en de bouwfysica. Eerst en vooral werd gezocht naar de factoren die de thermische behaaglijkheid van de mens bepalen, de manieren waarop wij deze kunnen beïnvloeden en de manier waarop het klimaat ons beïnvloedt. Deze uitgebreide zoektocht wordt verantwoord door het belang van de thermische behaaglijkheid voor de mens. Niet enkel is een betere thermische omgeving belangrijk voor comfortredenen, maar tevens heeft het binnenklimaat een belangrijke invloed op zowel onze gezondheid als onze prestaties. Dit zorgt er niet enkel voor dat zowel gebouwgebruikers, gebouweigenaars, werkgevers als werknemers belanghebbende partijen zijn, maar tevens dat richtlijnen en indicatoren nodig zijn, bruikbaar van bij het ontwerp van gebouwen over hun volledige levensduur heen, voor controles, aanpassingen 18
en nog veel meer. De vele factoren die van invloed zijn op de thermische behaaglijkheid zorgen voor de complexiteit van de wetenschappelijke achtergrond. De vele belanghebbende partijen en vele nodige vertalingen van de bevindingen naar in de praktijk bruikbare richtlijnen zorgen voor een vraag naar vereenvoudiging, communiceerbaarheid en eenzijdige verwoording over de toepassingen heen. Zo zal er vanuit de werknemers en werkgevers de vraag zijn naar een aangepast goed binnenklimaat, welke door het ontwerpteam zal moeten worden vertaald in het project, vooraf getest via berekeningen en simulaties, en vervolgens uitgevoerd in het gebouw. Uiteindelijk moeten die ook kunnen getoetst worden na aflevering. Hieruit blijkt dat goede prestatie-indicatoren moeten voldoen aan volgende basiseisen: valide zijn, communiceerbaar zijn en toetsbaar zijn.
3.2.
Van PMV tot GTO
Grote vooruitgang werd geboekt door het onderzoek van Fanger. Voornamelijk uit onderzoek op de respons van testsubjecten in klimaatkamers stelde hij een vergelijking op waarmee het te verwachten gemiddelde gevoel van de gebruiker kon worden berekend. Hiertoe werd aan de testsubjecten gevraagd hun thermische sensatie van het binnenklimaat aan te duiden op de zevenpuntige ASHRAE schaal voor thermische sensatie. ASHRAE-schaal voor thermische sensatie -3 cold
-2 cool
-1 slightly cool
0 neutral
1 slightly warm
2 warm
3 hot
(tabel III.I : ASHRAE-schaal voor thermische sensatie)
Hiermee werd de PMV (Predictive Mean Vote)-formule afgeleid, die berekend wordt uit vier fysische variabelen (luchttemperatuur, luchtsnelheid, gemiddelde stralingstemperatuur, en relatieve vochtigheid) en twee persoonsgebonden variabelen (kledij-isolatie en graad van activiteit). De PMV verving het vooropstellen van een vaste grenstemperatuur voor momentane beoordelingen. Omdat dit “verwacht gemiddeld gevoel” noch handig communiceerbaar, noch goed toetsbaar was in de praktijk, werd de PMV op zijn beurt vertaald naar een “verwacht percentage aan ontevreden gebruikers”, de PPD (Predicted Percentage Dissatisfied). Met een PMV=0 kwam een PPD=10% overeen. Deze PPD kon dan op zijn beurt geïntegreerd worden over de gebruiksperiode en eisen konden worden gesteld naar het maximale aantal aan verwachte ontevreden gebruikers en de maximale duur van deze ontevredenheid. Zo werd de basiseis van 80% tevredenheid vertaald naar een minimum van 90% tevreden gebruikers over minimaal 90% van de tijd, gesplitst tussen 5% in het stookseizoen en 5% tijdens de zomer. Hieruit ontstond later het “TO-criterium”, dat van de overschrijdingsuren boven 25°C. Hierbij werd 25°C representatief geacht voor een thermische sensatie PMV=0,5, bij gemiddelde kantoorwerkzaamheden, in een “gemiddeld” gebouw en met normale dressingcode. Bij het ontwerp werd vanzelfsprekend als richtdoel een PMV=0 gesteld. 19
Deze waren de eerste belangrijkste stappen in de goede richting, maar er werd nog geen rekening gehouden met de mate waarin de limietgrenzen overschreden werden. Hieraan werd een antwoord geboden in de vorm van het “GTO-criterium”, dat van de gewogen temperatuur-overschrijdingsuren. Hierbij werden uren waarbij de overschrijding van de grenswaarde groter zijn ook zwaarder doorgerekend. Zo kon bijvoorbeeld het dempende effect van de thermische massa van het gebouw op temperatuurpieken in rekening genomen worden. Bovendien werd hier opnieuw in plaats van vaste temperatuurgrenzen een PMV-waarde van 0,5 als bovengrenswaarde en van -0,5 als ondergrenswaarde ingevoerd in plaats van een vaste temperatuur. Zo kon in de berekening opnieuw rekening worden gehouden met actieve adaptatie van de kantoorgebruikers zoals o.a. aanpassing van hun kledij, het beperken van de fysieke activiteit wanneer het te warm wordt of nog de verhoging van de windsnelheden door het openen van ramen of aanzetten van ventilatoren. In de jaren ‘90 bleek uit nieuw onderzoek dat in de praktijk geconstateerde tevredenheid niet altijd overeenkwam met de verwachting uit de berekende PMV-waarden, zelfs in standaard-situaties zoals kantoorgebouwen. Ten eerste werd opgemerkt dat het PMV-model de sensatie van warmte in warme omgevingen overschat en de sensatie van koude in koude omgevingen onderschat. Ten tweede bleek dat in variabele thermische omstandigheden mensen een ruimer temperatuurgebied accepteren. Dit kwam aan het licht doordat resultaten uit centraal geklimatiseerde gebouwen veel nauwer aanleunden bij de verwachtingen uit het PMV-model opgedaan dan de resultaten uit gebouwen waarin de gebruikers veel meer vrijheid hadden naar persoonlijk klimatisatieregeling, dressingcode of zelfs het openen van ramen. Er zit hier een zekere logica in doordat centraal geklimatiseerde gebouwen nauwer aanleunen bij de klimaatkamers die gebruikt werden om het PMVsysteem op te stellen. Verder kunnen de discrepanties ook deels verklaard worden doordat bij de ondervragingen in die laboratoriumproeven vaak de thermische sensatie van de gebruikers werd nagegaan in plaats van de thermische voldoening
of appreciatie. Ook al kunnen twee personen eenzelfde sensatie hebben op de PMV-schaal, bvb +1 (lichtjes warm), de ene zal het misschien net liever lichtjes warm hebben terwijl de andere het liever koeler heeft. Hierdoor is een eenduidige en volledig correcte vertaling van een thermische sensatieschaal naar een thermische appreciatie-schaal niet volledig mogelijk. Tenslotte moet de belangrijkste verklaring voor de discrepanties gevonden worden in de adaptatie-capaciteit van de mens en de grotere mogelijkheden die hij krijgt in niet centraal geklimatiseerde gebouwen om aan zonet vermelde persoonlijke voorkeuren tegemoet te komen. Er zijn drie vormen van adaptatie: gedragsmatige adaptatie, fysiologische adaptatie en psychologische adaptatie. Onder gedragsmatige adaptatie worden aanpassingen gerekend die personen bewust of onbewust maken om de warmtebalans van hun lichaam te herstellen. Zo zijn er persoonlijke adaptatiemogelijkheden zoals het aanpassen van de kledij of graad van activiteit in functie van het klimaat of het zoeken naar een betere locatie. Tevens bestaat soms de mogelijkheid tot technische of omgevingsadaptatie wanneer bijvoorbeeld ramen kunnen worden geopend of ventilatoren en andere klimatisatietechnieken persoonlijk geregeld kunnen worden. Uiteindelijk doen zich ook culturele en organisatorische adaptatie voor zoals de siësta in warme landen of het aanpassen van de opgelegde dressingcode of werkuren. Fysiologische adaptatie lijkt veel beperkter te zijn in omvang en amplitude. Theorieën bestaan over genetische adaptatie of acclimatisatie aan het locaal klimaat, maar onderzoeken hierover spreken zich soms tegen, voornamelijk op genetisch vlak. Psychologische adaptatie verwijst naar veranderingen in de perceptie van en de reactie op zintuiglijke informatie in functie van ervaringen en verwachtingen op verschillende plaatsen en tijdstippen. Zo zal iemand in een gebouw zonder actieve koelingsinstallatie het aanvaardbaarder vinden om het op een zeer warme zomerdag wat warmer te hebben dan in een volledig geklimatiseerd gebouw. Het binnenklimaat hangt er nauwer samen met het buitenklimaat en bijgevolg zullen dergelijke temperatuurschommelingen, binnen bepaalde grenzen, verwacht, aanvaard en logisch gevonden worden. 20
3.3.
De ATG-methode
Om met bovenvermelde nieuwe inzichten rekening te houden, bestaat er nu een nieuwe methode om de kwaliteit van het binnenklimaat in gebouwen te onderzoeken. Onderzoek door Brager en De Dear liggen aan de basis hiervan. Hierbij wordt niet verder gerekend met een vaste temperatuursgrens, maar varieert deze in functie van het fluctuerend buitenklimaat en van de klimatisatiesystemen en gebruiksomstandigheden van het gebouw. Eerst en vooral wordt een onderscheid gemaakt tussen twee types gebouwen. De gebouwen van het type ALPHA bieden voldoende mogelijkheid tot individuele regelingen van het klimatisatiesysteem en tot vrijheid van kledijkeuze om de verschillen in persoonlijke thermische voorkeur te overbruggen. Het zijn tevens de gebouwen waarvan het binnenklimaat afhankelijker is van het buitenklimaat. Gebouwen van het type BETHA zijn over het algemeen meer gesloten en centraal geklimatiseerd met beperktere mogelijkheden tot individuele adaptatie. Een duidelijke lijn tussen beide types is moeilijk te trekken en daarom werd volgend schematisch voorstel gedaan om het gebouwtype te bepalen (zie fig. 3.1). In beide gebouwen blijft persoonlijke adaptatie echter steeds in zekere mate mogelijk. Hierdoor blijven de onder- en bovengrenswaarden per klimaatklasse bij beide gebouwen variëren in functie van de buitentemperatuur. Het is voornamelijk wanneer het buitenklimaat wat warmer wordt dat de gebruikers van gebouwen van type ALPHA meer baat zullen hebben aan de extra adaptatiemogelijkheden zoals het openen van ramen, zich minder warm kleden en het aanzetten van ventilatoren waardoor de bovengrenzen steiler met de buitentemperaturen zullen meestijgen.
21
Als indicator wordt de operatieve binnentemperatuur gebruikt. Deze is het gemiddelde van de binnenluchttemperatuur en de gemiddelde stralingstemperatuur, gewogen over de respectievelijke overgangscoëfficiënten. De gemiddelde stralingstemperatuur kan het gemakkelijkst berekend worden uit de oppervlakte-temperaturen van de omliggende elementen en hun respectievelijke zichtsfactoren t.o.v. de gebruiker.
oper =
hs mrt hc a h sh c
(6)
met
mrt =s,1⋅F p-s,1 s,2⋅F p-s,2 ... s,n⋅F p −s , n
(7)
waarbij oper =de operatieve temperatuur [° C ] a=de binnenluchttemperatuur [° C ] mrt =de gemiddelde stralingstemperatuur [° C ] s,n=de oppervlaktetemperatuur van vlak n [° C ] F p-s,n =de zichtsfactor tussen het vlak n en de gebruiker [- ] h s=de warmte-overdrachtscoëfficiënt voor straling van de mens[W /m2⋅K ] h c =de warmte-overdrachtscoëfficiënt voor convectie van de mens[W / m 2⋅K ]
(fig. 3.1 ATG - bepaling gebouwtype alpha/betha) (ill. uit ISSO-publicatie 74)
Voor beide gebouwtypes werden de neutrale waarden van de operatieve binnentemperatuur per dag vastgelegd in functie van het verloop van de buitentemperaturen over de dag zelf en de dagen ervoor. Deze neutrale waarden worden ter vereenvoudiging niet berekend op basis van de “Running Mean Outdoor Temperature” ( RMOT ) maar wel op basis van een aangepaste gelineariseerde vorm ervan: de “buiten-referentie-temperatuur” ( e ,ref ). De RMOT vergt immers een lange berekening van een exponentieel gewogen gemiddelde van de buitenluchttemperaturen over een ruime periode. De buiten-referentie-temperatuur beperkt zich tot een gewogen gemiddelde van de minimale en maximale buitentemperaturen van de dag zelf en de drie voorbije dagen en blijkt voldoende nauwkeurigheid te bieden. 22
0,8 0,4 eergisteren 0,2 eer-eergisteren vandaag 0,8 0,4 eergisteren 0,2 eer-eergisteren gisteren gisteren e ,refe ,ref = =vandaag 2,42,4
(8)(8)
met
dag =
MAX,(dag) min,(dag) 2
(9)
waarbij e ,ref =buiten-referentie-temperatuur [° C ] min , dag=minimum buitentemperatuur van de betreffende dag[° C ] MAX , dag=maximum buitentemperatuur van de betreffende dag [° C ] Aan de hand van de buiten-referentie-temperatuur wordt vervolgens per dag de neutrale operatieve binnentemperatuur voor het betreffende gebouwtype berekend. Drie klimaatklasses worden afgebakend met onder- en bovengrens aan weerszijde van de neutrale temperatuur. De middelste klimaatklasse, met 80% acceptatie, moet worden beschouwd als de basisklimaatklasse. Aan deze klimaatklasse moet bij nieuwbouw voldaan worden. Deze stemt immers overeen met de initiële eis van 80% acceptatie over 100% van de tijd die ook aan de grondslag lag van de oudere modellen gebaseerd op het PMV. De hoogste klimaatklasse, met 90% acceptatie, kan ter hand genomen worden wanneer hoge eisen gesteld moeten worden. De laagste klimaatklasse, met 65% acceptatie, kan worden gebruikt in speciale gevallen waarbij de omstandigheden het bereiken van 80% acceptatie onmogelijk maakt of zou leiden tot overdreven grote of onverantwoordbare kosten of ingrepen. Dit kan het geval zijn bij bvb renovaties van beschermde gebouwen. Bij deze methode is de indicator de operatieve temperatuur. Binnenluchten stralingstemperatuur worden in rekening gebracht, windsnelheid en dampdruk bijvoorbeeld niet. Hiervoor wordt uitgegaan van de bevinding dat dampdruk slechts noemenswaardig invloed heeft op de acceptatie wanneer de operatieve temperatuur reeds buiten de vooropgestelde grenzen valt en er bijgevolg al geen goed binnenklimaat meer heerst. Windsnelheden worden
niet letterlijk in rekening gebracht maar zitten wel deels en onrechtstreeks vervat in het onderscheid tussen de gebouwtypes. Gebouwen van type ALPHA waar veelal de windsnelheid individueel verhoogd kan worden door openzetten van ramen of gebruik van ventilatoren krijgen in warme periodes hogere bovengrenzen toegekend. Verder kan het locale discomfort wel nog eens extra afzonderlijk nagegaan worden. Kledij en metabolisme worden bij deze methode verondersteld tussen bepaalde voor kantoorgebruik voorkomende grenswaarden te liggen. Bij het over- of onderschrijden van een of beide hiervan, kan een correctiefactor in rekening gebracht worden. De exacte formules voor de neutrale en grenswaarden van de operatieve temperatuur en voor de correctiefactoren worden voor beide gebouwtypes en de drie binnenklimaatklassen samengevat in de tabel op de volgende pagina (tabel III.II). Het ATG-model heeft verscheidene voordelen. Het houdt rekening met de meeste tot nu toe gekende invloedsfactoren en wint zo aan validiteit. Het is eenvoudig numeriek en in grafieken weer te geven en het concept van “operatieve temperatuur” als gewogen gemiddelde tussen lucht- en stralingstemperatuur is goed vatbaar waardoor er met het ATG-model een goed communicatiemiddel toegereikt wordt. Uiteindelijk is het ATG-model vlot en nauwkeurig bruikbaar en onderling vergelijkbaar zowel bij het ontwerpen als bij eventuele metingen na de aflevering van het gebouw. In de praktijk wordt aangeraden om naast het grafisch uitplotten van de bekomen minimale en maximale operatieve temperaturen ten opzichte van de grenswaarden niet enkel het aantal over- en onderschrijdingen van de grenswaarden te vermelden, maar ook de tijdsduur waarover die waarden over- of onderschreden worden. Eventueel kunnen hierbij ook de resultaten uitgedrukt worden volgens de oudere TO- en GTO-modellen om ze in relatie te kunnen brengen met vroegere ervaringen uit andere projecten. 23
Klasse acceptatie
A
B
gebouw/klimaattype Alpha
gebouw/klimaattype Betha
(bovengrens alleen bij e ,ref 10−12 ° C )
(en bovengrens Alpha bij e ,ref 10−12 ° C )
maximaal
oper =17,80,31⋅e , ref
oper =21,450,11⋅e ,ref
90%
bovengr.: oper 20,30,31⋅e ,ref
bovengr.:
ondergr.: oper 20,20,11⋅e ,ref
ondergr.: oper 20,20,11⋅e ,ref
bovengr.: oper 21,30,31⋅e ,ref
bovengr.: oper 23,450,11⋅e ,ref
80%
ondergr.:
oper 19,450,11⋅e , ref
bovengr.: oper 220,31⋅ e ,ref
bovengr.:
oper 23,950,11⋅e ,ref
ondergr.: oper 18,950,11⋅ e , ref
ondergr.: oper 18,950,11⋅ e , ref
ondergr.: C
65%
oper 19,450,11⋅e , ref
Bijzondere Indicatieve correctie: omstandigheden: hoog metabolisme en/of hoe kledingisolatie
oper 22,70,11⋅e ,ref
Indicatieve correctie:
=−6 I clo−0,7 − 8 M −1,4 =−6 I clo−0,7 − 8 M −1,4
toepassingsgebied: 1,4< met<4,0 en 0,7
(tabel III.II : ATG - grenswaarden van de klimaatklassen - naar ISSO-publicatie 74)
24
DEEL B
ONDERZOEKGEGEVENS EN OPBOUW VAN DE SIMULATIES
4.
DOEL VAN HET ONDERZOEK EN BASISOPSTELLING
In dit hoofdstuk wordt eerst het doel van dit onderzoek voorgesteld. Vervolgens worden de data besproken uit welke de basisopstelling voor de simulaties zijn opgesteld. Uiteindelijk worden kort de verschillende systemen en opstellingen aangehaald die onderzocht werden en waarvan de simulatieresultaten en besprekingen ervan verder in DEEL C terug te vinden zijn.
4.1.
Doel van het onderzoek - Valse plafonds en nachtventilatie
Bij nachtventilatie wordt gebruik gemaakt van de thermische massa van het gebouw om temperatuurpieken overdag te dempen en te verleggen in de tijd. (zie hoofdstuk 1) Hiertoe moet zoveel mogelijk thermische massa zo rechtstreeks mogelijk aan de lucht kunnen worden blootgesteld. Vele types binnenafwerkingen schermen de massa van het gebouw af en beperken zo de warmte-uitwisseling via zowel convectie als straling. De meest voorkomende en voor nachtventilatie ergste vorm van binnenafwerking zijn akoestische valse plafond met isolerende materialen. Ir. Bruggema toonde in zijn onderzoeken aan dat het openstellen van valse plafonds het mogelijk maakt hoge rendementsfactoren te bekomen voor de benutting van de thermische massa van het plafond. (zie hoofdstuk 2) Met dit onderzoek is het de bedoeling na te gaan hoe open valse plafonds verder kunnen worden geoptimaliseerd. Hierbij wordt nagegaan in welke mate het systeem verbeterd kan worden, welke andere systemen kunnen worden bedacht, hoe de regeling van elk systeem geperfectioneerd kan worden, op welke factoren gelet moet worden en wat de eventuele positieve en/of negatieve neveneffecten kunnen zijn. Ten slotte zullen voorstellen gemaakt worden voor verder mogelijke ontwikkelingen en toepassingen die verder onderzocht zouden kunnen worden. Er wordt dus niet op zich als doel gesteld na te gaan welke de reële 26
resultaten zouden zijn moesten de gesimuleerde lokalen bestaan. Dit zou ook niet volledig verantwoord zijn, aangezien elke reële situatie verschillend is en gezien het onderzoeksdoel van dit werk. Doordat hier als voornamelijk doel werd gesteld de voor- en nadelen, de mogelijkheden, de werking, de aandachtspunten en de invloed hebbende factoren van de verschillende systemen te onderzoeken, is het bij dit onderzoek bovendien noodzakelijk geweest enkele factoren die zich in werkelijkheid voordoen niet op te nemen in de simulaties. Verscheidene factoren beïnvloeden elkaar vaak en beïnvloeden tevens afzonderlijk eenzelfde meetwaarde. Precies daarom moeten soms één of meerdere van die factoren niet in rekening gebracht worden of als constante waarde worden ingevoerd, om te weten welke veranderingen in resultaten precies veroorzaakt worden door die factor die men wil onderzoeken. Dit onderzoek heeft helemaal niet de pretentie een afgerond geheel te vormen. Het stelt zich eerder voor als aanzet tot het verder verkennen van de mogelijkheden die valse plafonds bieden in geval van nachtventilatie. Zo zal misschien door verder onderzoek en optimalisatie van de hier voorgestelde systemen niet enkel bewezen worden dat het in de praktijk mogelijk is om mét verlaagde plafonds even goede resultaten te bieden als zonder vals plafonds, maar misschien zelfs betere. Verder in dit onderzoek zal ook aangehaald worden hoe verlaagde plafonds het toepassingsgebied van nachtventilatie verder kunnen uitbreiden dan de beperkte dagkantoren.
4.2.
Basisopstelling
4.2.1. bron Als vertrekpunt voor de opstelling van de simulaties werden de data genomen uit het doctoraatsonderzoek van Dr. Ir. H. Breesch. Deze leverden zowel de nodige basis voor het bepalen van invoergegevens om een standaardopstelling voor de simulaties op te stellen, als ook verdere informatie en inzichten over nachtventilatie. Zo werd de basisopstelling uit dat onderzoek deels aangepast ten behoeve van de onderzochte variaties in dit werk en kan hier verder naar de bevindingen uit het onderzoek van Dr. Ir. H. Breesch verwezen worden voor aspecten van nachtventilatie die hier niet verder opnieuw zijn onderzocht. De keuze om voor de invoerdata eerder te steunen op de waarden uit het doctoraatsonderzoek van Dr. Ir. H. Breesch en niet op bijvoorbeeld deze uit het onderzoek van Ir. Bruggema, een ander onderzoek of ander zelf gekozen waarden, wordt verantwoord door de beschikbaarheid aan basisgegevens. Ten eerste konden uit het doctoraatswerk meer gegevens gehaald worden over het breedste gamma aan factoren als luchtdebieten, systeemregeling enz. Aangezien bovendien vele factoren onderling afhankelijk zijn, zoals o.a. de afmetingen van openingen, de luchtdebieten erdoor, de geometrie van de ruimtes en de samenstelling ervan, worden invoergegevens uit verschillende onderzoeken best niet zomaar zorgeloos samengenomen. Uiteindelijk levert dit doctoraatsonderzoek ook vele inzichten over factoren en variabelen die hier niet verder uitgediept worden. Invloeden zoals variaties in de afmetingen van ventilatieopeningen of statistisch onderzoek naar het belang van de gebruikte waarde van factoren in functie van hun respectievelijke standaardafwijkingen ten opzichte van de gemeten waarden, worden in dit onderzoek bijvoorbeeld niet bestudeerd, maar dit is in voornoemd doctoraatswerk wel heel aandachtig gebeurd. De conclusies uit dat werk zullen, althans voor de basisopstelling uit dit onderzoek, des te beter toepasbaar zijn naarmate de opstelling van de simulaties elkaar des te meer benaderen. Doordat wel meerdere factoren niet identiek zijn en ook het gebruikte simulatiepakket niet hetzelfde is, zullen de concrete resultaatwaardes uit 27
beide onderzoeken natuurlijk niet volledig gelijk zijn en niet rechtstreeks naast elkaar mogen worden gelegd ter vergelijking. Bepaalde factoren die hieronder worden beschreven zullen minder realistisch in rekening gebracht worden dan in het doctoraatonderzoek. Dit komt o.a. door de beperkingen van het voorhanden simulatiepakket (zie hoofdstuk 5). De schaduw die dit werpt op de conclusies uit dit onderzoek is echter beperkt aangezien er als doel werd gesteld algemene bevindingen op te maken uit onderlinge vergelijkingen tussen de simulaties binnen ditzelfde onderzoek, die wel allemaal op dezelfde hieronder vermelde keuzes steunen.
4.2.2. geometrie van de basisopstelling De eerste belangrijke, bewust noodzakelijk aanpassing die aan de basisopstelling uit het doctoraat werd doorgevoerd slaat op de hoogte van de ruimte. Als basisuitgangspunt voor de ruimte om in dit onderzoek de verschillende opstellingen onderling te kunnen vergelijken worden de structurele afmetingen van het gebouw constant genomen. Dit betekent in de hoogte dat niet de afstand tussen zichtbaar vloeroppervlak en zichtbaar plafondoppervlak constant worden genomen, maar tussen de assen van twee opeenvolgende structurele vloerpaketten. Dit is van belang bij het vergelijken van de basisopstelling, zonder verlaagd plafond, en de andere opstellingen mét verlaagd plafond. Verder is gecontroleerd dat de types toegepaste roosters nog tussen het raam en het verlaagd plafond konden worden aangebracht. Hieruit is de structurele hoogte tussen de assen van twee opeenvolgende vloerpaketten, vastgelegd op 3,4 meter. Dit is weliswaar geen groot verschil ten opzichte van de waarde uit het doctoraatswerk. De keuze om de structurele afmetingen constant te houden zullen sommigen misschien tot discussie vatbaar beschouwen. Het standpunt hier is dat dit de beste manier is om het steeds over eenzelfde te ontwerpen of te verbouwen gebouw te hebben waarbij niet enkel de zichtbare afmetingen van belang zijn, maar vooral deze waarin rekening gehouden is met eventueel noodzakelijke extra hoogte voor leidingen, zij het zichtbaar of verscholen in een vals
plafond. Bovendien werd er zo ook voor gezorgd dat de totale beschikbare thermische massa overal constant zou zijn. Verder werden horizontale afmetingen, en afmetingen van venster, raamkader, deur en roosters rechtstreeks uit het doctoraat gehaald. De afmetingen van de basisopstelling van dit onderzoek zijn hieronder weergegeven in plan en doorsnede voor de opstelling zonder vals plafond (type A) en de opstelling met open vals plafond (type C) (zie fig. 4.1 a,b,c). Alle andere opstellingen zijn variaties op deze configuraties. De enige aspecten die veranderen zijn de openingen in het vals plafond en in de gevel. Zo hebben drie verder besproken opstellingen roosters ter plaatse van de plafondopeningen. Deze roosters zijn dan ook niet 35cm maar 50cm genomen om enigszins rekening te houden met het verschil tussen de zichtbare afmetingen en de hydraulische diameter van ventilatieroosters. Bij twee van de bestudeerde configuraties bevinden de gevelroosters zich niet net boven het raam, maar in het vals plafond. Verder (in DEEL C) worden deze configuraties uitgebreid besproken. De geometrische en bouwfysische aspecten blijven verder weliswaar onaangeroerd (afmeting van de ruimte, samenstelling van de bouwelementen, materialen, afmetingen van de roosters enz.)
28
(b)
-
grondplan
-
doorsnede
type A:
basisopstelling zonder verlaagd plafond
-
doorsnede
type C: opstelling met open vals plafond
(c)
(a)
(fig. 4.1)
29
4.2.3. materiaaleigenschappen
4.2.4. wand-, vloer- en plafondsamenstellingen
Ook de samenstelling van de scheidingselementen en de materiaaleigenschappen komen overeen met deze uit het vermeld onderzoek. De gemiddelde waarden van de bouwfysische materiaaleigenschappen werden er gehaald uit de Belgische norm NBN B62-002/A1.
Ook de samenstelling van de verschillende scheidingselementen zijn deze uit het doctoraatonderzoek en zijn hieronder schematisch samengevat.
materiaal
scheidingselement
laag
materiaal
dikte [cm]
Gevel
λ
ρ
c
buitenspouwblad
gevelmetselwerk
9
[ W/m.K ]
[ kg/m^3 ]
[ J/kg.K ]
spouw
(lucht)
2
gevelmetselwerk
0,09
2000
1000
isolatie
minerale wol
8
dragend metselwerk
0,54
1500
1000
binnenspouwblad
dragend metselwerk
14
gewapend beton
1,70
2400
1000
licht beton
0,24
850
1000
afwerking
gipskarton
1
welfsels
1,09
1800
1000
isolatie
minerale wol
5
isolatie (minerale wol)
0,04
50
1000
afwerking
gipskarton
1
gipskarton
0,25
900
1050
hout
0,24
850
1880
chappe
licht beton
5
R [m².K/W]
U [W/m².K]
g
druklaag
gewapend beton
3
luchtspouw
0,16
-
-
welfsels
welfsels
13
aluminium raamkader
-
3,8
-
venster
-
1,69
0,6
plafondplenum
(lucht)
50
venster + zonnescherm
-
-
0,2
isolatie
minerale wol
1
afwerking
gipskarton
5
(tabel IV.I : materiaaleigenschappen - naar doctoraatsonderzoek Dr. Ir. H. Breesch)
Binnenwand
Vloerpakket
Verlaagd plafond
(tabel IV.II : opbouw scheidingselementen - naar doctoraatsonderzoek Dr. Ir. H. Breesch)
30
4.2.5. warmtewinsten en hygiënische ventilatiedebieten
4.2.6. nachtventilatiedebieten
In het doctoraatswerk is ook onderzoek gedaan naar de invloed van warmtewinsten en hygiënische ventilatiedebieten op het binnenklimaat bij nachtventilatie. Daartoe zijn verscheidene waardes gebruikt voor deze twee factoren. In dit onderzoek was het niet de bedoeling de invloed van deze twee factoren te onderzoeken, maar wel de verschillende systemen te ontwikkelen en te vergelijken voor eenzelfde opstelling en dus onder dezelfde waarden van de hier besproken factoren. Daarom is in deze eerste fase over het hele onderzoek heen voor telkens dezelfde vaste waardes gekozen voor de warmtewinsten en de hygiënische ventilatiedebieten. Voor de warmtewinsten werd uitgegaan van de bezetting van het kantoor door één persoon en werden de waarden voor de verschillende warmteproducties en gelijktijdigheidsfactoren genomen uit hetzelfde doctoraatsonderzoek dat hiervoor voornamelijk steunde op de waardes en scenario’s aanbevolen door ASHRAE en Wilkins en Hosni.
Voor alle simulaties uit dit onderzoek werd schouwventilatie gekozen als stuwend systeem voor nachtventilatie. Voornaamste redenen hiertoe zijn de betere resultaten die met dit systeem in het algemeen te bereiken zijn en de beperkingen opgelegd door het simulatiepakket. Aangezien niet kon gewerkt worden met volledig juiste, in de tijd variërende luchtdebieten (in functie van factoren als wind, temperatuurverschillen, windobstakels enz.) en dat ventilatie via schouweffect constantere waarden biedt, deed dit zich als de beste keuze voor. (zie hoofdstuk 1) De vaste gekozen waarde bedraagt 475 m³/h, hetgeen nagenoeg overeenkomt met een ventilatievoud van 10 ach.
interne warmtewinsten personen PC+scherm verlichting laser printer TOTAAL [W/m²]
W/pers
80
gelijktijdigheidsfactor
0,75
W/pc
135
gelijktijdigheidsfactor
0,75
W/m²
10
gelijktijdigheidsfactor
0,75
W/printer
130
gelijktijdigheidsfactor
0,4
1pers.
21,7
4.2.7. systeemregeling De systeemregeling voor nachtventilatie die als vertrekpunt is gekozen bij de simulaties staat schematisch weergegeven aan het einde van hoofdstuk 1 (zie tabel I.I). Naarmate de simulaties nieuwe inzichten leverden zijn de regelingen voor elk afzonderlijk systeem aangepast. In DEEL C worden telkens bij elke bestudeerde opstelling de bijhorende variaties van het regelsysteem vermeld. Verder is ook rekening gehouden met een extern zonnescherm voor het venster dat sluit wanneer de zonnestraling er meer dan 150 W/m^2 oplevert.
(tabel IV.III : interne warmtewinsten - naar doctoraatsonderzoek Dr. Ir. H. Breesch)
De waardes voor de hygiënische ventilatiedebieten werden zoals in het onderzoek vastgelegd steunend op de Europese ventilatie standaard EN13779 (CEN, 2004b). Er werd uitgegaan van een bezetting door één persoon en de ventilatieklasse IDA1, hetgeen overeenkomt met een debiet van 72m³/h.
4.2.8. openen van ramen door de gebruikers en andere interagerende klimatisatiesystemen In de simulaties werd, tenzij anders vermeld, de eventuele mogelijkheid voor gebruikers om ramen open te zetten niet in rekening gebracht. Reden hiervoor is dat anders de exacte relaties tussen de simulatieresultaten aan 31
de ene kant en de specifieke factoren en systeeminstellingen aan de andere kant veel onduidelijker zouden worden terwijl dat net een belangrijk onderdeel vormt van dit werk. Het openen van ramen kan immers, naast het nachtventilatiesysteem, als een apart, met het binnenklimaat interagerend klimatisatiesysteem beschouwd worden. Het al dan niet in werking treden van beide systemen hangt immers af van de bekomen temperaturen die zelf op hun beurt beïnvloed worden door deze beide klimatisatiesystemen, of ze nu manueel door de gebruiker of automatisch gestuurd zijn. Zo zullen beide systemen hun rol spelen bij het verlagen van de binnentemperatuur en zelf pas in werking treden vanaf een bepaalde binnentemperatuur. Indien zowel het openen van ramen als nachtventilatie in elk van de onderzochte systemen worden ingevoerd, dan zal bijgevolg bij het onderling vergelijken van de resultaten de vraag rijzen in welke mate elk van beide systemen afzonderlijk voor de afkoeling verantwoordelijk is. Het is ook niet zo dat, indien in elke simulatie het opengaan van ramen in rekening gebracht wordt, de resultaten wel terug evenveel vertellen over de efficiëntie van de verschillende systemen. Aangezien bovendien niet wordt uitgesloten dat deze nachtventilatiesystemen toegepast kunnen worden in gebouwen waarbij de ramen niet door de gebruikers opengezet kunnen worden, is er bovendien ook geen reden meer om dit wél in deze simulaties in te werken. Om dezelfde reden werd in de simulaties geen enkele andere vorm van klimatisatie ingerekend. De resultaten van elk van de onderzochte nachtventilatiesystemen zijn dus te beschouwen als indicatief voor hun respectievelijke mogelijkheden die ze elk bieden. Ze geven dus aan welke prestaties en voor- en nadelen verwacht kunnen worden en dus in welke mate ze zullen bijdragen tot het verbeteren van het binnenklimaat. Vervolgens zal ook duidelijk blijken hoe belangrijk of omvangrijk eventuele supplementaire passieve of actieve koeling zal zijn.
4.3.
Systemen en case-opstellingen
In dit onderzoek worden in totaal 6 opstellingen onderzocht. De verschillen komen voor door variaties in de opbouw van het verlaagd plafond en in de wijze waarop de ruimte ‘s nachts wordt afgekoeld. Zo kunnen bij aanwezigheid van een verlaagd plafond al dan niet openingen gemaakt worden om luchtcirculatie toe te laten. Deze luchtcirculatie kan bijkomend gestuurd worden indien de openingen van roosters voorzien worden. Uiteindelijk kan ook gekozen worden om niet in de ruimte zelf, maar in het vals plafond de buitenlucht ‘s nachts binnen te laten. De verschillende opstellingen steunen allemaal op de in dit hoofdstuk voorgestelde uitgangspunten en invoergegevens. Elke opstelling of ‘type’ heeft ter vereenvoudiging van de verwijzing in grafieken een eigen verkorte letter-benaming gekregen en deze worden hieronder even kort opgesomd. De preciese case-opstellingen worden in volgend deel (DEEL C) onder hoofdstuk 7 uit te doeken gedaan.
type A: lokaal zonder vals plafond type B: lokaal met gesloten vals plafond type C: lokaal met (constant) open vals plafond type Cv: lokaal met ‘gestuurd’ vals plafond (met roosters in de plafondopeningen) type Dv: lokaal met ‘gestuurd’ vals plafond waarbij de nachtventilatie rechtstreeks doorheen het vals plafond gebeurt type Dve: identiek aan Dv, maar met extra nachtventilatie doorheen de gebruikerszone
32
5.
SIMULATIEPROGRAMMA’S
Als software-pakket werd het gamma van fabrikant Physibel ter beschikking gesteld. In dit hoofdstuk wordt de keuze van het gebruikte pakket binnen het aangeboden gamma verantwoord door het afwegen van de belangrijkste onderlinge verschillen tussen de programma’s. Vervolgens worden de overblijvende beperkingen van het gekozen pakket besproken en ten slotte wordt de werkwijze uiteengezet die op punt gesteld werd om deze beperkingen zo goed mogelijk op te vangen.
5.1.
Keuze van het simulatieprogramma
5.1.1. Statisch vs. dynamisch Een eerste keuze moet gemaakt worden tussen de categorie van de statische en de categorie van de dynamische simulatieprogramma’s. Gezien het onderwerp van deze thesis kon er hier geen twijfel heersen. Nachtventilatie steunt op het fenomeen van warmte-opslag en -afgifte door de massa van het gebouw, gebruik makend van de cyclische afwisseling van warme zomerdagen met bovendien interne warmtewinsten en koelere nachten zonder interne warmtewinsten. De warmtewinsten, interne en externe, het tijdelijk openen van ramen en luiken in functie van de temperaturen van het tijdstip zelf en deze van de voorbije dag, de thermische staat van de gebouwmassa, dit zijn allemaal onderling complex interagerende en sterk fluctuerende factoren. Relevant onderzoek in het kader van nachtventilatie kan dus vanzelfsprekend niet zonder een programma dat dynamisch de fluctuerende toestand van zowel buiten als binnen het gebouw kan simuleren.
33
5.1.2. 1D - 2D - 3D De volgende keuze die moet gemaakt worden, zit hem niet meer in de capaciteit van het programma om de tijd wel of niet in rekening te brengen, maar in de opbouw van zijn ruimtelijke of geometrische input. Er bestaan op dit vlak drie types programma’s: deze die de ruimte 1-dimensionaal simuleren, deze die 2-dimensionale aspecten in rekening kunnen brengen en de laatste die de ruimte volledig 3-dimensionaal simuleren (zie fig. 5.1 a,b,c). 1D-dynamische-simulatieprogramma’s zijn niet in staat bouwknopen te simuleren. Ruimtes worden er niet als afgebakende ruimtelijke volumes beschouw, maar als “zones”. Veralgemenend kan gesteld worden dat een gebouw of gebouwdeel wordt onderverdeeld in zones waarin een vrij homogene situatie wordt verwacht, zoals bijvoorbeeld één afgesloten kamer. Aan elke hiervan worden de geometrische en fysische randcondities toegekend en opgesomd zonder veel verder in te gaan op geometrische complexiteit van aansluitingen of exacte positie van elementen binnen de ruimte. De ruimte wordt er niet drie- of tweedimensionaal ingevoerd, maar de onderlinge relatieve positie van de elementen wordt wel deels in rekening gebracht via het invoeren van zichtsfactoren. Het voornaamste voordeel van deze vereenvoudigende procedure is de simpele wiskundige vertaling ervan en bijgevolg de enorme versnelling van de berekening die het met zich meebrengt. 2D- en 3D-dynamische-simulatieprogramma’s daarentegen zijn ontworpen om de geometrie van de ruimtes en bouwopstellingen realistischer in rekening te kunnen brengen bij simulaties. Deze zijn dus geschikt om bijvoorbeeld bouwknopen en andere architectuurdetails bouwfysisch te analyseren. Deze programma’s steunen op het principe van de eindige elementen. De hele geometrie wordt bij tweedimensionale en driedimensionale modellen respectievelijk in eindige vlakken en eindige volumes verdeeld waarover telkens de nodige fysische evenwichtsvergelijkingen worden uitgevoerd. Naarmate de details kleiner of complexer worden, moeten deze oppervlaktes en volumes kleiner worden gekozen en wordt de simulatie dus veel
intensiever op rekenvlak. Het grote voordeel van dergelijke programma’s is dus hun geometrisch realisme, maar deze zorgt voor een grotere complexiteit waardoor bij het simuleren van lange periodes of van grotere gebouwdelen of volledige gebouwen het rekenen al snel te zwaar wordt, waardoor het programma niet efficiënt zal renderen. Ze zullen dus voornamelijk gebruikt worden voor onderzoek waarbij de geometrie belangrijk is, zoals voor temperatuurzones in de grond, koudebruggen en comfortzones binnen een sterk heterogene ruimte. Voor dit onderzoek is het aan de ene kant niet rechtstreeks noodzakelijk om zeer grote bouwdelen, laat staan een volledig gebouw in te voeren in de simulaties. Het is daarentegen wel nodig de simulaties over een lange periode te laten doorrekenen. Dit komt niet zozeer doordat de cyclus van nachtventilatie een volledige dag duurt, maar voornamelijk door de nog grotere traagheid van de thermische massa van het gebouw en doordat de nachtventilatie gestuurd wordt in functie van de binnen- en buitentemperaturen van de voorbije dag. Bijgevolg hebben de fluctuerende interne en externe warmtelasten over meer dan één dag invloed op het binnenklimaat. Hierdoor zijn vele combinaties mogelijk van verschillende opeenvolgende buiten- en binnenklimaten door het dagelijks veranderende verloop van buitenluchttemperatuur, zonnestraling enz. Om alle aspecten van nachtventilatie in beschouwing te nemen zoals ook onderkoeling ‘s ochtends en hoge temperatuurpieken bij plotse warme dagen waarbij de voorafgaande nacht de nachtventilatie niet in werking is getreden, is het dus verstandiger de simulaties te verrichten onder klimaaten gebruiksomstandigheden die de realiteit relatief goed benaderen. Zo zullen de simulatieresultaten ook beter vertaald kunnen worden naar de belangrijkste thermische behaaglijkheidsmodellen zoals overschrijdingsuren en het ATG-model en zullen de prestaties over een hele zomerperiode beter aanschouwbaar zijn. Verder is op geometrisch vlak bij dit onderzoek het belang van de bouwaansluitingen relatief modest. Het doel is hier niet na te gaan hoe 34
aansluitingen ontworpen moeten worden. Lokale condensatie bijvoorbeeld kan vrij gemakkelijk vermeden worden. Van belang op geometrisch vlak zijn veeleer de samenstellingen van de wanden, de opbouw, de materialen, de blootstelling ervan aan de lucht en aan de stralingsuitwisseling. Deze gegevens kunnen ook in een ééndimensionaal programma in rekening worden genomen. Samengevat is het van groter belang, zoals hierboven aangewezen, de simulatieperiode groot genoeg te houden dan de randafwijkingen bij aansluitingen volledig juist in rekening te brengen. Bovendien was het ook nodig om binnen de beschikbare tijd voor dit onderzoek een groot aantal simulaties te kunnen verrichten waarvan slechts een miniem deel in dit werk zijn weergegeven. Deze waren nodig om stapsgewijs de verschillende factoren te kunnen analyseren om de rol ervan en de precieze relaties ertussen te achterhalen en zo de systemen en de regelingen te kunnen optimaliseren. Eén enkele simulatie over een beperkt aantal dagen in het voorhanden driedimensionaal simulatieprogramma zou reeds meerdere dagen rekenwerk gevergd hebben hetgeen volledig onverantwoordbaar zou zijn geweest gezien de luttele voordelen die het zou gehad hebben. Het driedimensionale dynamische simulatieprogramma dat bij dit onderzoek voorhanden was heet Voltra. Het éédimensionale dynamische multi-zone simulatieprogramma heet Capsol. Om hierboven vermelde redenen werd geopteerd om het onderzoek met Capsol uit te voeren en werd Voltra uiteindelijk na initiële pogingen aan de kant geschoven. De simulaties met Voltra werden ten eerste onredelijk zwaar waardoor de beschikbare apparatuur niet in staat was om deze simulaties uit te voeren zonder de computers over hun stabiliteitsgrens te trekken. Uiteindelijk kwam bovendien als tweede en voornaamste reden om Capsol te gebruiken dat Capsol ook meer mogelijkheden biedt om de regeling van het nachtventilatiesysteem, het zonnescherm en de roosters in het vals plafond realistischer te simuleren. De laatste factor die de knoop heeft doorgehakt was het gebrek aan realisme in de beschikbare versie van Voltra bij het simuleren van de zonnewinsten via vensters. 35
1-dimensionaal
(a)
(b)
(c)
3-dimensionaal
2-dimensionaal
(fig. 5.1 simulatieprogramma’s - 1D-2D-3D)
36
5.2.
Invoer van de ruimtelijke opstelling in Capsol
Het doel van dit thesisonderdeel is niet verder uit te leggen hoe Capsol precies in elkaar zit. Hiervoor bestaan de nodige handleiding en het zogenaamde “Pilot-Book”. Soms is het echter nodig geweest creatief om te gaan met het programma om de omvang van de simulatie en berekeningen beperkt te houden of om bepaalde reële beperkingen van het programma zelf op te vangen. Om de omvang van de simulatie en berekeningen te beperken is vooral ingespeeld op de manier waarop de ruimte en meer bepaald de begrenzingen ervan in Capsol zijn ingevoerd. Verder zijn er drie beperkingen van het programma die creatief moesten worden aangepakt. De eerste beperking van het pakket schuilt in de wijze waarop luchtdebieten worden ingevoerd. De tweede moeilijkheid ligt in de beperkte invoermogelijkheden voor de regeling van klimatisatiesystemen (Controls). De laatste, moeilijkst op te oplossen beperking ligt hem in het feit dat luchtdebieten en convectieve overgangscoëfficiënten niet per tijdstap herberekend kunnen worden door het programma zelf via terugkoppeling naar andere berekende variabelen zoals bijvoorbeeld luchttemperaturen en oppervlaktetemperaturen. Nog andere omwegen moesten worden toegepast om de simulatie op de gewenste manier te laten verlopen, maar deze zijn omwegen die door de meeste gebruikers van Capsol wel vaker worden toegepast en gekend zijn en ook veelal ofwel terug te vinden zijn in het “Pilot-Book” voor Capsol, ofwel op sommige vlakken overeenkomen met de hieronder beschreven werkwijzen. 5.2.1. invoer van de ruimtelijke begrenzing van de simulatie Het is onverantwoordbaar werk- en rekenintensief om een volledig gebouw in heel zijn complexiteit in te voeren in een simulatieprogramma wanneer slechts beoogd wordt de resultaten in één kleine ruimte ervan te voorspellen. Het weglaten van een deel van het gebouw zal altijd wel de nauwkeurigheid van het bekomen resultaat beperken. Om de nauwkeurigheid toch zo hoog mogelijk te houden moet onder andere gelet worden op keuze van de wel of
niet ingevoerde gebouwdelen en de wijze waarop de begrenzing van de wel ingevoerde gebouwdelen in het programma wordt vertaald. Aangezien het in dit onderzoek niet de bedoeling was een reëel bestaand of ontworpen gebouw te simuleren, maar wel de situatie te onderzoeken in een standaard kantoorconfiguratie, is de vrijheid op dat vlak wel groter. Zo kan er worden van uitgegaan dat het geanalyseerde kantoorlokaal zich temidden een opeenstapeling van verdiepingen bevindt met steeds identieke kantoorlokalen rondom. Dit betekent dat zowel boven- en ondergrenzen als zijgrenzen van het kantoorlokaal uitgeven op een ander identiek lokaal. Dit is dan wel de gevel en binnenwand naar de gang buiten beschouwing gelaten. Zoals in vorig hoofdstuk reeds is aangehaald steunt een groot deel van de invoerdata voor de simulaties op het Doctoraat van Dr. Ir. Hilde Breesch. In de wijze waarop de ruimtelijke begrenzing van het gesimuleerde kantoor in Capsol wordt ingevoerd zit een belangrijk verschil. In het doctoraat werden de interne scheidingselementen van het gebouw slechts over hun halve dikte ingevoerd en werd ter plaatse van die snedes een adiabatische begrenzing beschouwd. Hiermee werd beoogd om als het ware een bouwfysische “spiegel” te maken in het midden van elk van deze scheidingselementen om zo een oneindig lange seriële opeenvolging van identieke lokalen te simuleren. Deze procedure is volledig correct in geval dat het scheidingselement symmetrisch is over dat snijvlak én dat de oppervlaktes aan beide buitenzijdes van het reëel element aan identiek dezelfde omstandigheden zijn blootgesteld, luchttemperatuur, straling, luchtcirculatie, overgangscoëfficiënten enz. (zie fig. 5.2) Deze veronderstellingen kloppen voor de verticale scheidingswanden tussen twee kantoren. In dit geval zijn het lichte gipskarton-wanden met isolatie aan de binnenkant. Aangezien aan beide zijdes ervan identieke lokalen mogen worden verondersteld en dat deze wanden symmetrisch zijn, mag een adiabatische begrenzing worden ingevoerd exact in het midden van die wanden. De veronderstellingen kloppen daarentegen niet volledig voor de horizontale scheidingselementen. Niet alleen is het vloerpakket niet symmetrisch opgebouwd, bovendien heersen aan beide zijden ervan ook nog andere 37
randcondities. Het vloerpakket is immers niet symmetrisch opgebouwd uit welfsels, een druklaag en een chappe, elk met eigen materiaaleigenschappen en afmetingen. De onderkant van de welfsels kent niet enkel andere randcondities dan de bovenkant van de chappe door luchtstratificatie en verschillende overgangscoëfficiënten. In het geval een vals plafond aanwezig is bevinden beide zijdes zich bovendien daadwerkelijk in een andere zone, met andere luchtsnelheden, luchttemperaturen en stralingsuitwisseling. Om hiermee rekening te houden zijn in dit onderzoek de begrenzingen van het kantoor in Capsol anders ingevoerd. In de verticale scheidingswanden werd wel dezelfde adiabatische begrenzing toegepast. De horizontale scheidingswanden daarentegen werden over hun volledige doorsnede ingevoerd. Om vervolgens de oneindige verticale herhaling van identieke ruimtes te simuleren werd het bovenoppervlak van het vloerpakket, m.a.w. de bovenzijde van de chappe, als vloeroppervlak ingevoerd en het onderoppervlak van hetzelfde vloerpakket, m.a.w. de onderzijde van de welfsels, als plafondoppervlak binnen het plafondplenum. Zo werd als het ware een ondeindige cyclische herhaling van éénzelfde kantooropstelling ingevoerd (zie fig. 5.3 a). Aangezien Capsol niet toelaat twee zijdes van eenzelfde wand aan éénzelfde zone toe te kennen, werden in het geval van kantoren zonder verlaagd plafond steeds twee volledig identieke kantoren ingevoerd waarbij het eerste vloerpakket, tussen beide ruimtes, volledig normaal werd ingevoerd, terwijl het tweede pakket zowel de vloer van het onderste kantoorlokaal als het plafond van het bovenste kantoorlokaal simuleerde (zie fig. 5.3 b). Op deze manier werd een oneindige cyclische herhaling van twee identieke kantoorlokalen ingevoerd, wat dus eveneens volledig overeenstemt met een oneindige opeenstapeling van identieke kantoorverdiepingen. Ter indicatie van het belang van deze procedures werden de resultaten vergeleken van simulaties die maar één verschil hadden: bij de eerste reeks simulaties werden de verticale scheidingselementen gesimuleerd zoals in het doctoraatsonderzoek, bij de tweede reeks werden de vloerpaketten zoals in de zonet uiteengezette procedure ingevoerd. Opmerkelijk is dat de verschillen tussen de resultaten uit beide series uiteenlopende verhoudingen vertonen naargelang de kantooropstelling. 38
adiabatisch model type A (zonder vals plafond)
(fig. 5.2 a)
adiabatisch model type C (open vals plafond)
(fig. 5.2 b)
39
cyclisch model type A (zonder vals plafond)
(fig. 5.3 a)
cyclisch model type C (open vals plafond)
(fig. 5.3 b)
40
vergelijking van de resultaten van beide methodes
lokaal met gesloten verlaagd plafond
TO
lokaal zonder verlaagd plafond
type B_begrenzing van het simulatiemodel 1000
TO
900
type A_begrenzing van het simulatiemodel 500
125
A_cyclisch
800
125
B_cyclisch B_adiabatisch
814
782,8
100
w arme dagen koude dagen
A_adiabatisch
300
75
200
50
100
25
dagen
koude dagen
356,7
TO [u]
361,7
600
75 524
500
506,2
400
350,8
dagen
700 100
w arme dagen
TO [u]
400
50 341,8
300 200
25
100 77,8 15,8 0 ATG90
15,7
76,3
ATG90 18,5
�,7
�,�
ATG80
ATG-klasse
24,3 0
2,8
5,7
ATG80
ATG-klasse
18,7 0
ATG65
30,7
(fig. 5.4)
De resultaten uit beide reeksen zijn bijna identiek voor kantoren zonder verlaagd plafond. De vloersamenstelling, boven de adiabatisch gesimuleerde grens, is vrij identiek aan de plafondsamenstelling, onder deze adiabatische grens. Zowel de totale dikte aan beide zijdes van de grens als de bouwfysische eigenschappen van de verschillende lagen liggen niet te ver uiteen. Bovendien zitten bij deze opstelling beide zijdes van het vloerpakket wél in éénzelfde zone. Hierdoor is het vloerpakket in het echt niet enkel aan beide zijdes aan bijna identieke omstandigheden blootgesteld, maar is de samenstelling van het pakket ook nog benaderend symmetrisch over het vlak tussen de welfsels en de druklaag. Hierdoor wordt voldoende aan beide vooropgestelde eisen voldaan om de techniek van het ‘adiabatische spiegelvlak’ toe te passen.
0,3 ATG65
1,5
0
(fig. 5.5)
Bij situaties met een verlaagd plafond wordt daarentegen niet aan de eerste eis voldaan doordat het verlaagd plafond ervoor zorgt dat de ene zijde in de plenumzone en de andere in de gebruikerszone zit. Bij het simuleren van kantoren met een gesloten vals plafond geeft de methode van het ‘adiabatische spiegelvlak’ betere resultaten dan zich in werkelijkheid zullen voordoen. Dit kan op de volgende manier verklaard worden. Bij een gesloten vals plafond moet de opslag van warmte overdag en de afgifte ervan ‘s nachts voornamelijk via het vloeroppervlak gebeuren. Door de isolerende rol van het verlaagd plafond schommelen de temperaturen in de plenumzone nauwelijks. Wanneer een ‘adiabatisch spiegelvlak’ wordt ingevoerd tussen beide zijdes, zal de vloerzijde geen warmteuitwisseling kennen met de plafondzijde van het vloerpaket. De vloer zal bijgevolg haar rol van thermische buffer beter kunnen vervullen.’s Nachts zal de vloer immers verder afkoelen dan in werkelijkheid omdat geen rekening gehouden wordt met de opwarming via geleiding vanaf de warmere onderzijde aan de kant van het gesloten plenum. Hierdoor zullen de bovengrenzen voor binnentemperaturen minder overschreden worden. Weliswaar heeft dit tevens als gevolg dat de ondergrenzen ‘s ochtends iets vaker zullen worden overschreden. 41
lokaal met open vals plafond
TO type C_begrenzing van het simulatiemodel 500
125
C_cyclisch C_adiabatisch
100
w arme dagen
380,2
koude dagen
300
75
200
50
97
100 ,�
ATG90
110,2 25
�1,� 26,3 ,7
0
dagen
376,8
TO [u]
400
6,3
ATG80
ATG-klasse
ATG65
28 0,3
0
(fig. 5.6)
koudere vloerzijde en de warmere plafondzijde. Wanneer een ‘adiabatische spiegelvlak’ wordt ingevoerd, wordt deze uitwisseling via geleiding niet in rekening gebracht waardoor de vloer ‘s ochtends kouder blijft en er meer onderkoeling wordt voorspeld dan er zich in werkelijkheid zou voordoen. Dat in werkelijkheid de vloer via deze geleiding terug wat opwarmt zorgt niet voor hogere maximumtemperaturen doordat het aan de andere zijde voor een afkoelen van het plafond zorgt. Bovendien wordt met een ‘adiabatische spiegelvlak’ geen rekening gehouden met het sneller afkoelen ‘s nachts van het warmere plafond via warmtegeleiding naar het sneller afkoelend vloeroppervlak. Hierdoor zullen naast onderkoeling ook de maximumtemperaturen overschat worden. De conclusie is dus dat simuleren van een open vals plafond met de invoer van een ‘adiabatische spiegelvlak’ op alle aspecten slechtere resultaten zal geven dan in werkelijkheid, maar dat de absolute verschillen wel niet even groot zullen zijn als bij een gesloten vals plafond.
Bij een open vals plafond komen de resultaten van beide procedures opnieuw veel beter overeen. Dit was ook te verwachten doordat bij open valse plafonds de eigenschappen van beide zones, plafondplenum en gebruikerszone, veel nauwer bij elkaar aanleunen dankzij de natuurlijke luchtdoorstroming vanuit de kamer doorheen het valse plafond. Wel opmerkelijk is het feit dat het invoeren van een ‘adiabatisch spiegelvlak’ hier voor méér overschrijdingsuren zorgt, zowel van de bovengrenzen als van de ondergrenzen van de comfortzones! Verklaring hiervoor ligt opnieuw in de verwaarloosde warmteuitwisseling via geleiding binnen het vloerpaket. Bij open verlaagde plafonds is bij gelijke oppervlaktetemperatuur van het plafond, de oppervlaktetemperatuur van de vloer aan het einde van de nachtventilatieperiode lager dan bij gesloten verlaagde plafonds (zie DEEL C) . Dit zorgt voor een verergering van het onderkoelingsfenomeen ‘s ochtends. Dit probleem wordt weliswaar deels getemperd tijdens de periode tussen het einde van de nachtventilatie en het begin van de gebruiksperiode. Aan de basis hiervan ligt zowel de uitwisseling van warmte tussen de koude lucht en de nog steeds iets warmere vloeren plafondoppervlakken, als de warmteuitwisseling via geleiding tussen de 42
enorm onderschat in het geval dat de simulatie gebeurt met de invoer van een ‘adiabatische spiegelvlak’ in het vloerpakket.
nachtventilatie via het vals plafond
TO type Dv_begrenzing van het simulatiemodel 573
500
125
D_cyclisch D_adiabatisch
400
100
w arme dagen
TO [u]
300
75 229,7
200
dagen
koude dagen
351,3
50
92,3
100 25,8 0 ATG90
76,5
25
29,8 1
4
1,3
ATG80
ATG-klasse
,2 ATG65
In dit onderzoek is het dus van uiterst belang de verticale scheidingselementen zoals hierboven werd voorgesteld in te voeren, zonder gebruik te maken van een ‘adiabatisch spiegelvlak’. Resultaten uit andere onderzoeken waarbij dit niet gedaan werd zijn wel betrouwbaar indien ze opstellingen zonder verlaagde plafonds beslaan. Wanneer ze wel opstellingen bestuderen met verlaagde plafonds moeten de zonet beschreven bevindingen in het achterhoofd worden gehouden. De gevolgen op de resultaten zullen sterk uiteenlopen, zowel in omvang als in teken, naargelang de opstelling van de ruimte.
0
(fig. 5.7)
Bij een gestuurd open verlaagd plafond waarbij nachtventilatie rechtstreeks en uitsluitend doorheen het plenum gebeurt, zijn de verschillen in resultaten véél groter dan bij beide voorgaande gevallen én is de verhouding tussen bekomen resultaten uit beide procedures omgekeerd dan bij een gesloten vals plafond! Met de methode van het ‘adiabatisch spiegelvlak’ worden de prestaties van het systeem onderschat. De verklaring hiervoor is vrij eenvoudig. In werkelijkheid wordt de vloer, weliswaar gefaseerd, mee afgekoeld via warmtegeleiding naar het plafondoppervlak dat ‘s nachts door de instromende buitenlucht wordt afgekoeld. Wanneer een ‘adiabatische spiegelvlak’ wordt ingevoerd tussen de vloer- en de plafondzijde, zal de thermische massa aan de vloerzijde van het spiegelvlak ‘s nachts niet mee afgekoeld worden. Hierdoor wordt niet enkel minder thermische massa benut, maar is tevens het oppervlak waarover warmte-uitwisseling kan gebeuren tussen de lucht en de thermische massa maar half zo groot meer. De benutte thermische massa is overdag immers niet meer via geleiding vanaf het vloeroppervlak bereikbaar. Om deze beide redenen zijn de resultaten bij deze opstelling sterk verschillend en worden de prestaties van nachtventilatie 43
5.2.2. geometrie van de gebruikerszone en zichtsfactoren De indicator die in de ATG-norm gebruikt wordt is de operatieve temperatuur. (zie hoofdstuk 3) Deze operatieve temperatuur is een gewogen gemiddelde van de luchttemperatuur en de gemiddelde stralingstemperatuur. Capsol kan zowel de luchttemperatuur als de operatieve temperatuur rechtstreeks berekenen en uitvoeren. De nodige zichtsfactoren om de stralingsuitwisseling in rekening te brengen kunnen hetzij door Capsol zelf berekend worden, hetzij door de gebruiker manueel ingevoerd worden na losstaande berekeningen. Capsol berekent de zichtsfactoren tussen gebouwoppervlaktes en personen door de scheidingsvlakken van de betreffende zone als concaaf op een bol te beschouwen en van daaruit de zichtsfactoren naar het centrum van die bol te berekenen (zie fig. 5.8 b). Hierbij worden dus niet enkel alle vlakken even ver van het centrum van de ruimte of eerder van het meetpunt beschouwd, maar wordt bovendien geen rekening gehouden met de onregelmatige vorm van het menselijk lichaam en de houding en positie van de gebruiker in de kamer. Vandaar ook de benaming binnen Capsol “Point viewfactors”, “punts”-zichtsfactoren. In werkelijkheid zullen andere zichtsfactoren gelden tussen het lichaam van de gebruiker en de afzonderlijke vlakken die hem omgeven. De vraag is hierbij hoe groot het verschil en dus de fout is die de vereenvoudiging door Capsol met zich meebrengt. Om dit na te gaan werden voor twee representatieve ruimtelijke kameropstellingen de zichtsfactoren berekend voor zowel een staande als voor een zittende persoon. De zichtsfactoren werden hiertoe in een rekenprogramma (Calc, onderdeel van OpenOffice) berekend volgens de procedure vastgelegd in ISSO-Researchrapport 5. Hierin worden nodige tabellen en formules gegeven voor de berekeningen. Deze zijn oorspronkelijk afkomstig uit Fanger’s boek Thermal Comfort. De twee gekozen kameropstellingen waren deze zonder vals plafond en deze met constant open vals plafond. Zo werden én de veronderstelde optimale ruimte voor nachtventilatie getest, en één ruimte die representatief zou zijn voor de verschillende onderzochte opstellingen met verluchte valse plafonds. De geometrische verschillen onderling tussen de opstellingen met open vals
plafond zijn immers uiterst beperkt. De wijze waarop de oppervlaktes van de ruimte werden onderverdeeld staat op de volgende pagina uitgetekend (zie fig. 5.9). Daaropvolgend staan in tabelvorm de zelf berekende zichtsfactoren samengevat samen met de door Capsol geschatte waarden (zie tabel V.I).
(fig. 5.8 a)
(fig. 5.8 b)
44
type A: geen vals plafond zichtsfactoren naar een staande persoon
zittende persoon
(fig. 5.9 a)
type C: open vals plafond zichtsfactoren naar een staande persoon
zittende persoon
(fig. 5.9 b)
45
PUNTZICHTSFACTOREN ISSO-berekening ZITTEND A B C Cv Dv
STAAND
A C
Capsol-waardes A B C Cv Dv
venster
raamkader
gevelrooster
gevel
deur
gangrooster
gangwand
zijwand 1
zijwand 2
plafond
plafondroosters
vloer
2,4 2,4 2,4 2,4 2,4
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
0,5 0,5 0,5 0,5 -
5,7 4,7 5,3 4,7 5,2
2,4 2,4 2,4 2,4 2,4
0,5 0,5 0,5 0,5 -
6,6 5,6 6,2 5,6 6,1
18,8 17,2 17,2 17,2 17,2
18,8 17,2 17,2 17,2 17,2
9,6 14,0 12,8 12,4 12,4
1,6 1,6
34,0 34,0 34,0 34,0 34,0
3,8 3,8
1,0 1,0
0,7 0,7
6,0 5,6
3,6 3,6
0,7 0,7
7,2 6,8
21,1 19,4
21,1 19,4
10,0 14,0
-
24,4 24,4
2,8 3,2 3,3 3,2 3,2
0,9 1 1 1 1
0,9 1 1 1 -
8,8 6,5 6,7 6,5 7,5
2,5 2,8 2,9 2,8 2,8
0,9 1 1 1 -
9,2 7,9 8,1 7,9 8,9
18,8 17,1 17,7 17,1 17,1
18,4 17,1 17,7 17,1 17,1
18,7 21,2 18,6 16,6 16,6
4,5 4,5
18,7 21,2 21,9 21,2 21,2
(tabel V.I : zichtsfactoren)
46
vergelijking van de resultaten van beide methodes Het grootste verschil is te vinden bij de zichtsfactoren naar het plafond en bij deze naar de vloer. Dit was ook wat verwacht werd. Vloer en plafond kennen immers (bijna) identieke afmetingen, maar bevinden zich, vooral voor de zittende gebruikspositie, op sterk verschillende afstand tot het zwaartepunt van de gebruiker. Het zwaartepunt van de zittende gebruiker wordt immers op 60cm van de vloer beschouwd. Dit komt ongeveer overeen met 2,5 en 2 meter afstand onder het plafond voor respectievelijk de opstelling zonder en deze met verlaagd plafond. Voornamelijk hierdoor wordt de zichtsfactor en bijgevolg de stralingsuitwisseling tussen gebruiker en plafond door Capsol overschat. De reden waarom de zichtsfactoren t.o.v. het plafond ook voor een staande persoon even sterk of zelfs sterker worden overschat zit hem in de lange, smalle en verticale vorm die een staande persoon aanneemt. Dit leidt er immers toe dat de projectie ervan op het plafond relatief klein wordt. De vloer daarentegen wordt door Capsol voor beide lichaamshoudingen onderschat. Voor staande personen is de onderschatting klein, voor zittende personen wordt deze tot 30% onderschat. Dit wordt opnieuw verklaard doordat capsol het punt waarnaar de zichtsfactoren berekend worden centraal neemt in de ruimte i.p.v. op 60 en 100cm hoogte en door de grotere projectie op de vloer van een zittende persoon dan deze van een staande persoon. Verder zijn er ook aanzienlijke verschillen tussen de berekende zichtsfactoren voor de wanden en deze vooropgesteld door capsol. Deze worden door Capsol voornamelijk overschat t.o.v. de reële waarden voor zittende personen. Het verschil wordt onder andere verklaard door de lage en schuine vorm die een zittende persoon aanneemt, in tegenstelling tot een rechtstaande persoon. Verder valt ook op dat de verhouding tussen de berekende zichtsfactoren naar de wanden en deze die capsol voorstelt niet constant is. Het verschil in verhouding naargelang de wand die beschouwd wordt, komt door de vorm van de ruimte en beschouwde positie van de gebruiker. Bij de berekening werd immers uitgegaan van een persoon die in het centrum van de ruimte staat. Door de rechthoekige en niet vierkante vorm van de kamer betekent dit dat de persoon dichter bij de zijwanden staat dan bij de gevel of bij de wand naar gang. Capsol veronderstelt daarentegen dat alle wanden even ver staan. Het
verschil in verhouding tussen de Capsol-waardes en de berekende waardes binnen eenzelfde vlak komt doordat Capsol ook geen rekening houdt met de positie, in de hoogte en in de breedte, van de verschillende onderdelen van eenzelfde wand. Dit valt op wanneer naar de waarden voor het venster en voor de gevel gekeken wordt. Het venster zit immers veel centraler, op hoogte van het zwaartepunt van de gebruiker waardoor het aan belang toeneemt. De geometrie van de ruimte bepaalt mee de zichtsfactoren, maar andere factoren bepalen de invloed hiervan op de stralingstemperatuur. De invloed van afwijkende zichtsfactoren hangt immers voornamelijk af van het verschil in oppervlaktetemperatuur tussen de verschillende oppervlaktes. Zowel het bestudeerde koelsysteem als de samenstelling van de wanden, de vloer en het plafond zullen hier bepalende factoren zijn. Vooral de vloer en het plafond spelen hier een grote rol. In de gesimuleerde kameropstellingen zijn dit immers de vlakken waarachter de grootste thermische massa schuilt. Hierdoor is er een groter verschil tussen de oppervlaktetemperaturen van de horizontale vlakken en de luchttemperatuur. Zij kennen namelijk een vertraagde respons op temperatuurschommelingen. Bijgevolg zorgen zij ervoor dat de stralingstemperatuur zo sterk kan verschillen van de luchttemperatuur, en beïnvloeden dus meer de operatieve temperatuur dan de wanden dit doen. In de onderzochte kameropstellingen verschilt op geometrisch en ruimtelijk vlak niet veel, tenzij de opbouw van het plafond, van volledig gesloten verlaagd plafond, via het open valse plafond tot volledig zichtbaar horizontaal draagpakket als plafond. Hier komt nog eens bij dat ook de onderzochte systemen voor belangrijke verschillen zorgen in de wijze waarop en de mate waarin het plafond en de vloer ‘s nachts worden afgekoeld. Wordt hier uiteindelijk nog in het achterhoofd gehouden dat de verschillen tussen de berekende zichtsfactoren en deze uit Capsol net het grootste zijn voor de vloer en het plafond, dan is het snel duidelijk dat de keuze van de gebruikte zichtsfactoren wel van invloed kunnen zijn. Inderdaad blijkt uit de testsimulaties dat de keuze van de zichtsfactoren een invloed heeft. Deze is weliswaar beperkt in omvang, maar de gevolgen zijn anders naarmate het bestudeerde systeem. 47
lokaal zonder verlaagd plafond
lokaal met open vals plafond
TO
TO
type A_zichtsfactoren
type C_zichtsfactoren
500
500
A_zittend
C_zittend
A_staand
400
C_staand
400
A_capsol
371,8
376,8
387
C_capsol
388,7
355,7
TO [u]
TO [u]
361,7
300
300
200
200
100
77,8
84,2
0,3
0,8
97
100
74,3
,5 15,8 0 ATG90
16,3
16,5
18,5 ATG80
ATG-klasse
20,3
18
0,7
(fig. 5.10)
Voor de opstelling zonder vals plafond geven de zichtsfactoren uit Capsol de laagste operatieve temperaturen of m.a.w. de beste resultaten. Vooral de zichtsfactoren voor staande personen resulteerden in warmere temperaturen. Dit komt doordat de som van de zichtsfactoren naar de massieve elementen met grote thermische massa die dus overdag kouder zijn (gevel, vloer en plafond) ongeveer 6% lager ligt bij staande personen dan hetgeen Capsol inschat.
ATG90
108,3
,8
,8
6,3 26,3 ,7
0 ATG65
6,3
107,5
ATG80
ATG-klasse
ATG65
31,5
32
(fig. 5.11)
Voor de opstelling met open vals plafond zijn de verhoudingen anders en liggen de overschrijdingsuren, berekend voor staande personen, veel dichter bij deze berekend met de zichtsfactoren uit Capsol. Hierbij is immers een deel van de thermische massa afgeschermd door het geïsoleerd verlaagd plafond. Overdag zal het zichtbare plafondoppervlak dus niet even koud zijn als het oppervlak van het zware draagpakket erboven en zal het plafond dus een veel kleinere rol spelen in de afkoeling van de ruimte via straling. Wordt er verder gekeken naar de zichtsfactoren naar de vloer en naar de gevel, dan blijken de verschillen tussen de berekende waarden en deze uit Capsol kleiner en compenseren ze elkaar bovendien door hun tegengesteld teken. Worden de resultaten vergeleken die bekomen worden met de zichtsfactoren uit Capsol en de zichtsfactoren voor zittende personen, dan zit het wat anders. Capsol onderschat immers aanzienlijk de zichtsfactoren naar de vloer t.o.v. deze die voor zittende personen in werkelijkheid gelden. Aangezien bij deze opstelling het grootste aandeel aan thermische massa dat rechtstreeks via straling bereikbaar is de vloer is, resulteren de zichtsfactoren uit Capsol in een meer pessimistische beoordeling van de opstelling met open vals plafond. 48
Om zoveel mogelijk de geometrie van de ruimte en bovenvermelde variaties tussen systemen onderling in rekening te brengen in de simulaties, wordt uiteindelijk geopteerd om te werken met zelf berekende waarden voor de zichtsfactoren. Aangezien het in dit onderzoek om een kantooropstelling gaat, wordt gerekend met deze voor zittende personen. De gebruiker wordt verondersteld in het midden van de kamer te zitten. Ook al zal dit zelden voorkomen, de exacte positie en oriëntatie van de gebruiker kan evenmin geraden worden en zal van gebruiker tot gebruiker variëren naargelang de wijze waarop hij de kamer inricht. Dit zal wel een invloed hebben op de zichtsfactoren, maar het aantal mogelijke combinaties tussen verschillende posities en oriëntaties is enorm groot, theoretisch zelfs oneindig groot. Maar aangezien het hier niet de bedoeling is een ontwerp te maken voor één concreet reëel uit te voeren en te gebruiken lokaal, is dit van onderschikt belang. Het doel is immers verschillende nachtventilatiesystemen te vergelijken en hiervoor biedt het werken met de berekende zichtsfactoren voor een zittende gebruiker in het midden van de ruimte voldoende nauwkeurigheid. De belangrijkste asymmetrische aspecten en hun gevolgen, zoals verschil tussen vloer en plafondtemperatuur zijn zo namelijk wel reeds in rekening gebracht. Bovendien kan verondersteld worden dat zelfs indien positie en oriëntatie van de gebruiker precies gekend zijn, de reële zichtsfactoren héél moeilijk in te schatten zijn. In werkelijkheid zullen in het kantoor immers een niet te onderschatten aantal obstakels zijn die de gebruiker op niet homogene manier zullen afschermen van de gebouwoppervlaktes. Zo zullen bijvoorbeeld zitvlak en rugleuning van de stoel een scherm vormen tussen gebruiker en vloer, zullen kasten delen van de wanden verbergen en zullen werkbladen van bureaus de schoot van de gebruiker afdekken en stralingsuitwisseling met het plafondoppervlak beperken. Uiteindelijk zal ook elk van deze objecten die een obstakel vormen tussen gebruiker en gebouwoppervlaktes zijn eigen oppervlaktetemperatuur hebben en bijgevolg een eigen hoeveelheid stralingsuitwisseling kennen met de gebruiker en met het gebouw.
oriëntatie en gebouwoppervlaktes de beste keuze is. Het zal de mogelijkheid bieden de stralingsasymmetrie tussen de organische vorm van de gebruiker en de asymmetrische vorm en temperatuurverdeling van de materie in de ruimte in rekening te brengen in de gemiddelde stralingstemperatuur. Deze stralingstemperatuur speelt immers een aanzienlijke rol binnen de operatieve temperatuur. Dit blijkt onder andere door vergelijking tussen de resultaten van lucht- en operatieve temperatuur bij een kantoor zonder verlaagd plafond en één met een open verlaagd plafond. Bij het kantoor zonder verlaagd plafond blijft de operatieve temperatuur tijdens de gebruiksuren aanzienlijk lager dan de luchttemperatuur (zie fig. 7.4 p.68). Bij het kantoor met open verlaagd plafond liggen luchttemperatuur en operatieve temperatuur dichter bij elkaar doordat het geïsoleerd verlaagde plafond het kouder bovenliggende plafond afschermt van de gebruiker (zie fig 7.14 p.82). Zo zal foutief de efficiëntiefactor van nachtventilatie in een lokaal met een open vals plafond overschat worden ten opzichte van nachtventilatie in een lokaal zonder verlaagd plafond indien gerekend wordt met de luchttemperatuur in plaats van met de operatieve temperatuur.
Kortom kan ervan uitgegaan worden dat gebruik maken van de berekende zichtsfactoren voor een centraal in ruimte zittende gebruiker met willekeurige 49
5.3.
Invoer van de variërende factoren in Capsol
5.3.1. besturing van het nachtventilatiesysteem Nachtventilatie mag niet het hele jaar door actief zijn, voornamelijk om te vermijden dat het gebouw afgekoeld wordt wanneer dat niet nodig is. Hierbij volstaat het niet de nachtventilatie enkel in te zetten tijdens de zomermaanden. Ook tijdens warmere maanden kunnen zich koelere dagen voordoen. Ook al is het dan niet altijd te koud overdag, riskeert men ‘s nachts het gebouw onnodig en te sterk af te koelen waardoor het kantoor voornamelijk tijdens de eerste uren van de gebruiksperiode nog te koud is en dan pas traag begint op te warmen. De setpoint waarnaar het gebouw ‘s nachts gekoeld worden niet te laag kiezen, helpt deze vormen van onderkoeling deels te voorkomen, maar volstaat niet steeds. Het is ook nooit aangeraden blindelings te geloven dat de gebruiker of de beheerder van het gebouw de nachtventilatie aan en uit zal zetten wanneer dat moet. Daarom wordt in het besturingssysteem ingevoerd dat nachtventilatie enkel mag optreden wanneer de voorbije dag de buiten- en/of de binnentemperaturen vooropgestelde waarden hebben overschreden. Zo kan de nacht als het ware als “reset”-periode beschouwd worden na warme dagen. In Capsol kan de regeling van het gesimuleerde klimatisatiesystemen niet rechtstreeks teruggekoppeld worden aan de voor de voorbije dag berekende maximale temperaturen. In capsol kunnen immers enkel onmiddellijk reagerende klimatisatiesystemen ingesteld worden of klimatisatiesystemen die op op voorhand bepaalde tijdstippen werken. Zo kan bijvoorbeeld een klimatisatiesysteem ingevoerd worden met een vaste setpointtemperatuur en tussen vooraf bepaalde uren. Enkel nà afloop van de simulatie kan de persoon die met Capsol werkt wel eenvoudig uit de resultaten nagaan op welke dagen de vooropgestelde maximumwaardes voor binnen- en/ of buitentemperatuur werden overschreden. Op basis hiervan kan een temperatuursfunctiebestand (extensie ‘.FTE’) opgesteld worden waarin de correcte setpointtemperatuur voor nachtventilatie enkel voorkomt tijdens de nachtventilatie-uren op dagen die aan de vernoemde voorwaarden voldoen.
Wanneer deze functie als setpoint wordt ingevoerd in een volgende simulatie zal men vanzelfsprekend verschillende resultaten verkrijgen. Herhaalt men nu deze stappen opnieuw, dan worden meestal reeds na een twee- of drietal simulaties constante en dus correcte resultaten bekomen. Dit is de eerste factor waarvoor bij eenzelfde case geïtereerd wordt over volledige simulaties heen.
5.3.2. luchtcirculatie doorheen het plenum In Capsol wordt luchtcirculatie hetzij ingevoerd in het “Ventilation Window” onder de vorm van vooraf in tabel vastgelegde debietverlopen, hetzij als interagerend klimatisatiesysteem beschouwd en bijgevolg in het “Control Window” ingevoerd. In het ‘Ventilation Window’ kunnen enkel debieten ingevoerd worden die vertrekken uit én eindigen in een buitenzone. Verder wordt procentueel uitgedrukt hoe de lucht vervolgens van de ene ruimte naar de verschillende andere ruimtes doorstroomt. Hierdoor kan de natuurlijke doorspoeling van het open vals plafond niet via het ‘ Ventilation Window’ in het programma worden ingevoerd. De redenen hiertoe zijn tweevoudig. Ten eerste gaat het hier om een interne luchtcirculatie waardoor die noch in een buitenzone vertrekt noch erin eindigt. Ten tweede is het luchtdebiet doorheen de plenumzone vaak groter dan het hygiënische ventilatiedebiet en fluctueren beiden anders in de tijd. Hierdoor kan de ene stroom niet in een vast percentage van de andere worden uitgedrukt in het ‘Ventilation Window’. Oplossing hiervoor is deze natuurlijke luchtcirculatie in Capsol in te voeren alsof het een koelsysteem betrof dat lucht als warmtevervoerend medium gebruikt. Dit is uiteindelijk ook de reden waarom het vals plafond opengemaakt wordt en klopt dus conceptueel. Deze werkwijze kan zowel toegepast worden bij een constant open vals plafond als bij een met roosters gestuurd open vals plafond. Enig verschil tussen beide is dat bij een constant open vals plafond het ‘klimatisatiesysteem’ het doel wordt opgelegd om de ruimte continu tot een onbereikbaar lage setpointtemperatuur af te koelen. Wanneer daarentegen 50
roosters aanwezig zijn die zich tijdens vooropgestelde periodes moeten kunnen openen, dan moet de setpointtemperatuur in Capsol ingevoerd worden in de vorm van een stapfunctie. Tijdens de periodes waarbij de roosters open moeten kunnen, is de werkelijke gepaste setpointtemperatuur ingevoerd. Voor periodes waar de roosters toe moeten blijven wordt een onbereikbaar hoge setpointtemperatuur vastgelegd waardoor het ‘klimatiesatiesysteem’ niet in werking treedt en er dus geen luchtstroom doorheen het valse plafond gesimuleerd wordt (gesloten roosters). Deze techniek is weliswaar omslachtig, maar het is de enige om in Capsol de luchtstroom tussen plenum en gebruikerszone in te geven, zowel voor een constant open vals plafond als voor een vast plafond met regelbare roosters. Deze procedure levert weliswaar een bijkomend probleem op. Terwijl in het Ventilation-Window de luchtdebieten onder de vorm van functies of tabellen kunnen worden ingevoerd, kunnen in het ‘Control Window’ enkel vaste luchtdebieten worden ingegeven. Ten eerste heerst hierbij het probleem dat deze debieten niet op voorhand gekend zijn. In tegendeel, het zijn natuurlijke ventilatiestromen tussen twee zones met verschillende luchttemperatuur. Zowel het verschil tussen de luchttemperatuur in beide zones als het luchtdebiet dat van de ene naar de andere stroomt, zijn afhankelijk van elkaar én van andere factoren zoals warmtewinsten waardoor ze niet los op voorhand bepaald kunnen worden. Een hiermee samenhangende problematiek is dat deze luchtdebieten ook nog eens doorheen de tijd variëren. Zelfs indien deze wel op voorhand gekend zouden zijn, zouden ze nog steeds niet als één vaste waarde kunnen worden ingevoerd. De oplossing voor de eerste problematiek is om zelf die luchtdebieten te berekenen na afloop van een eerste simulatie, en deze terug in Capsol in te voeren voor een volgende simulatie waaruit opnieuw de luchtdebieten herberekend zullen worden. Deze cyclus zou herhaald moeten worden tot de variatie tussen de berekende waardes uit twee opeenvolgende simulaties of iteraties klein genoeg wordt om geen invloed meer te hebben op de uiteindelijke resultaten. De momentane luchtdebieten werden berekend aan de hand van de formule die hiervoor vooropgesteld werd in het onderzoek van Ing. H.M. Bruggema (5). De enige in de tijd variërende factoren hierin zijn de luchttemperaturen in het plafondplenum en in de ruimte onder het
verlaagd plafond, of beter gezegd het verschil tussen beide. De waarden van deze beide temperatuurverlopen kunnen wel per tijdsstap door Capsol berekend worden. Hiermee kan de gebruiker zelf de luchtdebieten berekenen en terug invoeren in Capsol. Deze procedure herhaaldelijk cyclisch uitvoeren of m.a.w. itereren biedt dus een oplossing voor de eerste probleemstelling. De ideale oplossing om aan het tweede probleem, dat van de fluctuatie in de tijd, te remediëren, zou zijn om het hele tijdsverloop waarover de simulatie wordt verricht te verdelen in oneindig kleine opeenvolgende tijdsspannes waarbij telkens het juiste bijhorende debiet wordt ingevoerd. Hierbij horen dus letterlijk oneindig vele rijen in het ‘Control Window’ en dit is bijgevolg onbegonnen werk. Bovendien kunnen in Capsol zelf maximaal 100 temperatuursfuncties ingevoerd worden en zijn er reeds enkele nodig om de temperatuur in de buitenzone e.d. te definiëren. Aangezien de simulaties uitgevoerd worden over een hele zomerperiode zou het zelfs niet volstaan om per dag de luchtdebieten te laten variëren! Het verder uitgewerkt principe steunt daarentegen wel nog op het idee om de tijdspanne waarover de simulatie wordt uitgevoerd onder te verdelen in karakteristieke intervallen of periodes met vrij constante luchtdebieten en waaraan een vast gemiddeld debiet wordt toegekend. Het verschil is dat er niet meer gewerkt wordt met vaste, elkaar opeenvolgende tijdsintervallen. De nauwkeurigheid van deze procedure zal afhangen van de keuze van deze periodes en de mate waarin het luchtdebiet erin varieert. Eerst werd in Capsol een aanvaardbare volledig constante waarde voor het luchtdebiet ingevoerd. Op basis van de resultaten uit deze eerste simulaties werd vooreerst ruwweg nagegaan hoe de luchtdebieten doorheen de tijd fluctueren om zo te bepalen hoe de tijdspanne van de simulatie best onderverdeeld zou worden. Bij constant open valse plafonds, met constante nachtventilatieregeling en verder geen grote fluctuaties in warmtewinsten, bleek de fluctuatie van de debieten een vast patroon te volgen over de 24 uren durende dag-nacht-cyclus (zie fig. 5.12). Daarom werd in een tweede stap een onderscheid gemaakt tussen de verschillende fasen van deze dag-nacht-cyclus. Zo werden in Calc telkens de gemiddelde waarden berekend van de debieten tijdens de afzonderlijke fases: ‘s nachts tijdens de nachtventilatieperiode, overdag tijdens de gebruiksperiode waarbij 51
luchtdebiet doorheen vals plafond 15 MEI - 30 SEPT. 35
gemiddelde = 401,15 NACHT = 339,68
30
NV ON = 433,33 NV OFF = 246,71
25 20
[%]
het vals plafond opengedaan wordt om de binnenruimte te koelen en in de afzonderlijke fases ertussen, deze van de “voorverwarming” van de ruimte na de nachtventilatie en van deze van rust net na het einde van de gebruiksperiode. In capsol werd voor elk van deze fasen een aparte regel toegekend in het ‘Control Window’ met bijhorende vaste uren. Als debiet werden de gemiddelde waarden ingevoerd, berekend uit de resultaten van de vorige simulatie. Bij valse plafonds die met roosters open en toegaan werden bij het berekenen van de gemiddelde waarden natuurlijk enkel de tijdstippen in rekeningen gebracht waarop het verlaagd plafond effectief open was. Deze cyclus werd herhaald tot convergentie van de resultaten werd vastgesteld.
15 10 5
luchtdebiet doorheen vals plafond 15 MEI - 30 SEPT. 25
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500
gemiddelde = 401,15 ochtend = 170,64 GEBRUIK = 522,30 avond = 218,21 NACHT = 339,68
20
3
(fig. 5.13)
Q m , vpl [ m /h]
15
[%]
luchtdebiet doorheen vals plafond 15 MEI - 30 SEPT. 16
gemiddelde = 401,15 GEBRUIK = 522,30
14
NV ON = 537,43 NV OFF = 427,47
10
5
12
(fig. 5.12)
Uiteindelijk bleken de luchtdebieten soms sterker te verschillen tussen opeenvolgende dagen naargelang de regeling van het nachtventilatiesysteem. Dagen na nachten waarop de nachtventilatie niet in werking was getreden of na warme nachten kenden bijvoorbeeld lagere luchtdebieten doorheen het verlaagde plafond doordat het plafond niet genoeg werd afgekoeld en het temperatuurverschil tussen plenum en de ruimte eronder kleiner was (zie de volgende twee verdelingsgrafieken). Daarom werd nog eens onderscheid gemaakt tussen dagen met en zonder nachtventilatie.
8 6 4 2 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 3
Q m , vpl [ m /h]
[%]
10 0
3
Q m , vpl [ m /h]
(fig. 5.14)
52
Uiteindelijk bleken enkele systemen variaties te kennen die van nog andere factoren afhankelijk zijn en dus onregelmatiger waren. Daarom werd een laatste nieuw en veel nauwkeuriger systeem bedacht. Deze werd uiteindelijk in alle simulaties van dit onderzoek toegepast. Er wordt nu niet meer gezocht naar vaste cycli of patronen in de fluctuatie van de debieten over de tijd heen. In plaats daarvan wordt na een eerste simulatie het luchtdebiet per tijdsstap berekend. Vervolgens wordt het hele bereik tussen de minimale en de maximale berekende luchtdebieten onderverdeeld in intervallen. Voor elk van deze intervallen wordt een aparte tabel opgesteld die aanduidt wanneer het luchtdebiet zich wel of niet in dat interval bevindt. Deze tabellen worden vervolgens in Capsol ingevoerd en gebruikt als variabele setpoint waaraan telkens het gemiddelde debiet gekoppeld wordt van het betreffende interval. Elk van deze tabellen fungeert dus als het ware als aan/uit-switch voor een vast debiet en sluiten naadloos op elkaar aan waardoor het in werkelijkheid vloeiend verloop van de luchtdebieten wordt herleid tot een stapfunctie die de gemiddelde waarde per tijdsstap geeft. Verder hangt de nauwkeurigheid van de procedure af van de breedte van de luchtdebietintervallen. Intervallen van 50 m³/h blijken voldoende nauwkeurig. Dit stemt dus overeen met een maximaal verschil tussen berekende en effectief ingevoerde waarde van niet meer dan 25 m³/h, de helft van de intervalwijdte. Voor de doorsnee simulaties reiken de luchtdebieten niet hoger dan 1200 m³/h en zijn dus per iteratie een 24-tal tabellen opgesteld van rond de 20.000 waardes, één waarde per iteratiestap. Deze waarden waren of 1000°C als onbereikbaar hoge temperatuur tijdens uren waarop het valse plafond toe moet blijven, of -10°C wanneer het open moet blijven, of de effectieve setpointtemperatuur wanneer naar een concrete waarde gekoeld moet worden bij een gestuurd openbaar plafond. Voor systemen waarbij de setpoint niet constant is moet per setpoint voor elk van deze intervallen een tabel opgesteld worden!
Testsimulaties met intervallen kleiner dan 50m³/h blijken geen verschillen te geven qua resultaten. Dit komt onder andere doordat de luchtdebieten doorheen het plenum slechts één factor vormen in de simulaties. Verder komt dit ook doordat zowel de luchtdebieten zelf als de invloed ervan op de simulaties stijgt bij stijgend verschil tussen de luchttemperatuur in het plenum en deze in de ruimte eronder. Hierdoor zal naarmate de invloed belangrijker wordt, het interval proportioneel kleiner worden t.o.v. het heersende debiet.
(a)
(b) (fig. 5.15)
53
luchtdebieten doorheen het vals plafond
Te Ti lucht Tvpl lucht
35
geen nachtventilatie 1800
Ts draagplafond ATG_65aMAX ATG_80aMAX ATG_90aMAX ATG_90min ATG_80min ATG_65min Ve-H [m³/h]
30
25
1700 1600 1500
Ve-vpl [m³/h]
1400
VH-vpl [m³/h] VH-vpl v [m³/h]
1300 1200 1100
20
1000
800
15
700 600 10
500 400 300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
[W/m².K]
900
Q [m³/h]
T [°C]
nachtventilatie
Ti operatief Ts vloer
(fig. 5.16)
54
5.3.3. convectieve overgangscoëfficiënten Bij het invoeren van de convectieve overgangscoëfficiënten heerst een gelijkaardig probleem als bij het invoeren van de nachtventilatieregeling en van de luchtdebieten doorheen de plenumzone. Ook hier doet zich de beperking voor dat het programma Capsol de nodige waarden niet per tijdsstap kan berekenen uit andere factoren die het wél zelf dynamisch kan berekenen. Hier doet zich opnieuw de problematiek voor dat deze dus zelf te berekenen waarden continu variëren doorheen de tijd. Capsol biedt enkel de mogelijkheid vaste waarden in te voeren voor de overgangscoëfficiënten, in het “Wall-Window”. Normaliter zou Capsol deze waarden zelf, per tijdsstap, moeten herberekenen. In vele gevallen zorgt het invoeren van vaste convectieve overgangscoëfficiënten niet voor grote problemen of afwijkingen. Verschillende formules opgesteld vanuit empirisch onderzoek kunnen gebruikt worden om de convectieve overgangscoëfficiënten te berekenen. Deze overgangscoëfficiënten zijn immers voornamelijk afhankelijk van het luchtcirculatiepatroon, de luchtdebieten langsheen de betreffende oppervlaktes, de oppervlaktetemperatuur van het betreffende element en de luchttemperatuur in de nabijheid ervan. Algemeen worden de formules gekozen door de te simuleren opstelling te vergelijken met deze waaruit de formules zijn afgeleid. Er wordt vanuit gegaan dat de formules, gehaald uit de meest gelijkaardige opstelling, de resultaten zullen geven die het meest bij de werkelijkheid aanleunen. Bij vergelijking van de opstellingen moet voornamelijk gelet worden op de schaal van de ruimte, het ventilatiesysteem, het klimatisatiesysteem en het gesimuleerde seizoen. Andere factoren zoals o.a. de oppervlakteafwerkingen spelen uiteraard ook een rol. In de formules wordt de convectieve overgangscoëfficiënt meestal rechtstreeks berekend op basis van het verschil tussen de oppervlaktetemperatuur van het betreffende element en de luchttemperatuur. Naargelang de opstelling (en bijgevolg ook de formule) moet de luchttemperatuur gemeten worden in onmiddellijke nabijheid van het oppervlak, in het midden van de ruimte, of in de pulsielucht.
In vele van de bestudeerde gevallen blijft de verhouding tussen lucht- en oppervlaktetemperaturen vrij constant. Bijvoorbeeld in een leefruimte in de winter over een korte periode zoals een dag of twee, kunnen de binnenen buitenluchttemperaturen soms slechts variëren tussen respectievelijk 15°C en -5°C graden ‘s nachts en 20°C en 0°C overdag. Hieruit kan reeds worden afgeleid dat het verschil tussen de binnenluchttemperatuur en de temperatuur aan het binnenoppervlak van gevels, wanden of vloerpaketten, vrij constant zal blijven. Bij nachtventilatie in de zomer is dit helemaal niet het geval! Zo zal bijvoorbeeld het plafondoppervlak overdag kouder zijn dan de binnenlucht terwijl ‘s nachts zich net het omgekeerde voordoet. De momenten waarbij het temperatuursverschil het grootste is zullen zich weliswaar voordoen wanneer bijvoorbeeld op het einde van de dag plots koude buitenlucht de nog warme kamer binnenstroomt, het plafond tegemoet. De oppervlaktetemperatuur zal daarentegen vrij snel dichter in de buurt van de luchttemperatuur zakken en zo deze grotere temperatuurkloof wat dichten door de relatief lage geleiding van het vloerpakket en de aanzienlijke luchtdebieten. Een groter probleem dan de variërende absolute waarde van dat temperatuursverschil is de verandering van het teken ervan. Bij horizontale oppervlaktes horen verschillende formules voor de convectieve overgangscoëfficiënt naargelang het oppervlak warmer of kouder is dan de lucht. Zo zal bijvoorbeeld bij een plafondoppervlak dat warmer is dan de binnenlucht, de convectieve warmteuitwisseling kleiner zijn dan indien deze oppervlakte eenzelfde aantal graden kouder is dan de binnenlucht. Dit komt door het verschil in luchtstratificatie en luchtcirculatie die bij elk van deze verhoudingen hoort. Hierbij horen dus respectievelijk een lagere en een hogere convectieve overgangscoëfficiënt. Bij vloeren zal dit net omgekeerd zijn. Hierdoor zullen de overgangscoëfficiënten van vloer en plafondoppervlaktes sterker variëren. Voor vloer en plafond zullen zich als het ware niet één maar twee Gauss-achtige verdelingen van de convectieve overgangscoëfficiënten voordoen: één voor de dagwaarden en één voor de nachtelijke waarden.
55
Aangezien Capsol noch zelf deze convectieve overgangscoëfficiënten kan berekenen, noch toelaat een variërende waarde of functie in te geven, moest gezocht worden naar een aanvaardbare vaste waarde om in het programma in te voeren. Een aanvaardbare waarde zou zich tussen de effectieve maximum- en minimumwaarden moeten bevinden en zo dicht mogelijk moeten aanleunen bij de verschillende pieken van de verdelingscurven. Daarom werd gekozen voor de gemiddelde waarde, berekend over de volledige simulatieperiode en geïntegreerd over de tijd. Hiertoe werd dezelfde methode toegepast als hierboven beschreven voor het invoeren van de dagen waarop de nachtventilatie in werking moet treden: itereren over verschillende simulaties heen. De gebruikte formules voor de berekening van de natuurlijke ventilatiedebieten doorheen het plafondplenum en de overgangscoëfficiënten zijn deze die door Ir. Bruggema werden voorgesteld. (zie tabel II.II) Na een eerste simulatie, uitgevoerd met vrij geschatte waarden voor de convectieve overgangscoëfficiënten, werden deze waarden in Calc nagerekend per tijdsstap aan de hand van de uit Capsol uitgevoerde resultaten voor de oppervlakte- en luchttemperaturen. Vervolgens werden de gemiddelden van al deze berekende waarden genomen en deze werden op hun beurt terug in Capsol ingevoerd als overgangscoëfficiënt. Deze stappen werden meermaals herhaald tot het verschil tussen de opeenvolgend berekende overgangscoëfficiënten verwaarloosbaar klein was (overal minder dan 1 à 2%). Onderscheid werd gemaakt tussen de overgangscoëfficiënten van de verschillende oppervlaktes in de ruimte. Er werden ter vereenvoudiging wel groeperingen gemaakt waarbij bewust geselecteerde gebouwelementen binnen eenzelfde zone samengenomen werden. Het raamkader kreeg dezelfde waarde toegekend als dat van het venster. Tevens werden voor de verschillende binnenwanden en de deur dezelfde overgangscoëfficiënt gebruikt. De roosters kregen de overgangscoëfficiënt van het dragend element waarin ze zitten. Zo werden de effectieve convectieve overgangscoëfficiënten wel nog afzonderlijk berekend aan de binnenoppervlaktes van het venster, de gevel, de vloer, één binnenwand en de onderzijde van het verlaagde plafond in de ruimte. In het valse plafond werden de overgangscoëfficiënten ook nog eens afzonderlijk berekend voor de gevel, één binnenwand, de bovenzijde
van het verlaagde plafond en de onderzijde van het vloerpakket. Hieronder worden ter illustratie het verloop van de overgangscoëfficiënten van de vloer, het draagplafond en de gevel weergegeven samen met de temperatuurverlopen van de lucht en van de oppervlaktes van de betreffende vlakken (fig. 5.17). Hieruit blijkt duidelijk hoe de overgangscoëfficiënten veel sterker fluctueren tijdens dagen met nachtventilatie door de grotere verschillen die ontstaan tussen oppervlaktetemperaturen en luchttemperaturen. Verder worden ook de verdelingen gegeven van de berekende overgangscoëfficiënten voor een lokaal met open vals plafond (fig. 5.18). Ter verduidelijking werd voor elke wand nog eens een onderscheid gemaakt tussen de verdeling van de overgangscoëfficiënten wanneer het oppervlak kouder is dan de aanpalende luchtlagen en wanneer ze net warmer zijn. Op deze manier komt duidelijker te voorschijn vanwaar de verschillende piekwaarden binnen de verdeling voorkomen. Doordat niet tijdens alle nachten de nachtventilatie in werking treedt, kent de rode curve (deze die de verdeling weergeeft wanneer het materiaaloppervlak warmer is dan de lucht), twee piekwaarden. Verder valt ook opdat de vloer haar grootste overgangscoëfficiënten kent wanneer ze aan haar oppervlak warmer is dan de binnenlucht (rode curve staat meer naar rechts). Bij het plafond is dat net omgekeerd.
56
convectieve overgangscoëfficiënten-verloop
Te Ti lucht Ti operatief
nachtventilatie
Tvpl lucht Ts draagplafond Ts vloer
35
geen nachtventilatie 1500
Ts vpl k ATG_65aMAX ATG_80aMAX ATG_90aMAX ATG_90min ATG_80min ATG_65min Ve-H [m³/h] VH-vpl [m³/h]
30
25
1300 1200 1100
hc_draagplafond hc_vloer hc_gevel
1000 900
20 800
15 600 500 10
400 300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
[W/m².K]
700
Q [m³/h]
T [°C]
1400
(fig. 5.17)
57
binnenwand
vloer
gevel plenum
convectieve overgangscoëfficiënt
convectieve overgangscoëfficiënt
convectieve overgangscoëfficiënt
20 18 16
gemiddelde = 1,31 W/ m².K Ts < Ta
30
gemiddelde = 2,14 W/ m².K Ts < Ta
12
gemiddelde = 1,58 W/ m².K Ts < Ta
Ts > Ta
25
Ts > Ta
10
Ts > Ta
14
20
8
10
[%]
[%]
[%]
12 15
6
8 6 4
10
4
5
2
2 convectieve overgangscoëfficiënt c [W / m ⋅K ]
14
Ts > Ta
Ts > Ta
6,9
6,6
6
6,3
5,7
5,1
Ts > Ta
16
10
4,8
4,5
4,2
3,9
3,6
3
3,3
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
1,2
0,9
gemiddelde = 1,95 W/ m².K Ts < Ta
18
14
14
12
12
6
10
[%]
8
[%]
8
10 8
6
6
4 4
4
2
2
6,6
6,9
6,3
6
5,7
5,4
5,1
4,8
gemiddelde = 2,44 W/ m².K Ts < Ta
12
Ts > Ta
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
1,2
0,3
6,9
6,6
6,3
6
5,7
5,4
5,1
4,8
draagplafond
2 convectieve overgangscoëfficiënt c [W / m ⋅K ]
14
gemiddelde = 1,36 W/ m².K Ts < Ta
14
Ts > Ta
10
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3
2,7
2,4
2,1
1,8
binnenwand plenum 2 convectieve overgangscoëfficiënt c [W / m ⋅K ]
6,9
16
gemiddelde = 2,39 W/ m².K Ts < Ta
1,5
1,2
0,9
0,6
0 0,3
6,9
6,6
6
6,3
5,7
5,4
5,1
4,8
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3
2,7
2,4
2,1
1,8
venster 2 convectieve overgangscoëfficiënt c [W / m ⋅K ]
6,6
12
1,5
1,2
0,9
0,6
0 0,3
0
0,9
2
0,6
[%]
vals plafond plenum
2 convectieve overgangscoëfficiënt c [W / m ⋅K ]
20
gemiddelde = 2,30 W/ m².K Ts < Ta
16
0,6
0,3
6,9
6,6
6
6,3
5,7
5,4
0 5,1
4,8
4,5
4,2
3,9
3
3,6
3,3
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
1,2
0,9
verlaagd plafond
2 convectieve overgangscoëfficiënt c [W / m ⋅K ]
18
gemiddelde = 2,42 W/ m².K Ts < Ta
12
0,6
0,3
6,9
6
6,6
6,3
5,7
5,4
5,1
4,8
4,5
4,2
0 3,9
3,6
3
3,3
gevel
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
1,2
0,9
0,6
0,3
0
5,4
2
Ts > Ta
12 10 8
[%]
[%]
6
8
8
6 6 4 4
2
c [W / m ⋅K ]
2
c [W / m ⋅K ]
6,3
6
5,7
5,4
5,1
4,8
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
1,2
0,9
0,6
6,9
6,6
6,3
6
5,7
5,4
5,1
4,8
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
1,2
0 0,9
0 0,6
2
0,3
6,9
6,6
6
6,3
5,7
5,4
5,1
4,8
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3
2,7
2,4
2,1
1,8
1,5
1,2
0,9
0,6
0
2
0,3
4 2
0,3
[%]
10
2
c [W / m ⋅K ]
(fig. 5.18)
58
5.3.4. Gecombineerde iteratiecycli De iteraties over de drie bovenvermelde factoren gebeurden simultaan. Binnen éénzelfde cyclus aan simulaties werden per iteratie én de dagen waarin de nachtventilatie in werking moet treden én de convectieve overgangscoëfficiënten én de luchtdebieten doorheen het plafondplenum berekend die in de volgende iteratie zouden worden ingevoerd. Deze cycli werden gestopt wanneer het verschil tussen de laatste twee opeenvolgende iteraties klein genoeg was. Dit kon beoordeeld worden zowel op basis van de drie berekende factoren onderling als op basis van de resultaten van de simulaties eenmaal vertaald in de vorm van prestatieindicatoren. Zo kon meestal na een reeks van een vijftal iteraties voor de overgangscoëfficiënten een maximaal verschil van 1 à 2 % bekomen tussen opeenvolgende waardes. Tegelijk bedroeg het verschil in de twee laatste opeenvolgende overschrijdingsuren volgens de ATG-grenzen bij geen enkele klimaatklasse meer dan 2 uren, en dit over een hele zomer, m.a.w. meer dan drie maanden tijd berekend! De nachten tijdens welke de nachtventilatie in werking trad, veranderden meestal niet meer na slechts twee iteraties. Uiteraard moest hiertoe bij de eerste iteratie wel gestart worden van niet al te slecht ingeschatte waarden voor elk van de factoren. Om tot deze waardes te komen zijn wel veel meer opeenvolgende iteratiecycli nodig geweest, vertrekkend van een eerste startsimulatie met convectieve overgangscoëfficiënten allen gelijk aan 3 W/m^2.K, een luchtdebiet dat berekend werd op basis van een luchttemperatuursverschil van 1°C, en het in werking treden van de nachtventilatie enkel steunend op de maximale buitenluchttemperatuur van de voorbije dag.
59
6.
VERTALING VAN DE SIMULATIERESULTATEN
6.1.
Vertaling naar comfortcriteria
Na het conceptueel, theoretisch en praktisch opstellen van de simulaties in Capsol en Calc, kunnen de nodige iteratiecycli worden uitgevoerd tot het uiteindelijk vast resultaat bekomen wordt. Vervolgens moeten de criteria vastgelegd worden om de resultaten onderling te vergelijken. Zoals in hoofdstuk 3 reeds werd aangehaald, kan het ATG-model vooropgesteld worden als meest actuele wijze waarop het beoogd en het behaald comfort vastgelegd en vergeleken kunnen worden. Bijgevolg wordt geopteerd om uit Capsol het verloop van de bekomen operatieve binnentemperatuur op te vragen en de resultaten hiervan uit de drukken in functie van de buitenreferentietemperatuur van de bijhorende dagen. De gebruiksperiode wordt vastgelegd tussen 8 uur ‘s ochtends en 19 uur ‘s avonds. Het binnenklimaat buiten deze periode wordt dus niet in rekening genomen bij de beoordeling. Het behaalde binnenklimaat wordt niet eenduidig uitgedrukt door te zeggen welke binnenklimaatklasse behaald wordt. Doordat elke andere vorm van koelsysteem (zoals het openen van ramen enz.) in deze simulaties zijn uitgesloten, heeft dit geen zin. Veelal is zelfs de 65%-klasse niet haalbaar en liggen de resultaten van verschillende systemen te dicht bij elkaar waardoor er een verfijnder onderscheid moet worden mogelijk gemaakt. Hiertoe worden de resultaten vertaald in aantal overschrijdingsuren boven en onder respectievelijk de boven- en ondergrenzen van elk van de drie binnenklimaatklassen over een hele zomer, van 15 mei tot 30 september. Op deze manier worden zowel warmere als frissere zomerperiodes in rekening gebracht. Zo is ook duidelijk in welke mate te warme periodes voorkomen en in welke mate zich onderkoeling kan voordoen. Soms geven de over- of onderschrijdingsuren een vertekend beeld van de situatie. Zo zal soms blijken dat de onderkoeling ‘s ochtends zich slechts enkele uren voordoet binnen de gesimuleerde zomerperiode. Dit is mogelijk doordat slechts enkele dagen onderkoeling voorkomt ‘s ochtends, maar kan ook overeenkomen met een recurrent onderkoelingsverschijnsel dat 60
zich heel regelmatig voordoet maar wel heel kort duurt doordat de ruimte ‘s ochtends rapper opwarmt. Dergelijke verschillen komen voor naargelang de opbouw van de ruimte, met of zonder al dan niet open verlaagd plafond, naargelang het nachtventilatiesysteem dat wordt toegepast en naargelang de regeling die wordt ingesteld, setpointtemperatuur en uren, overdag en ‘s nachts. Eisen kunnen gesteld worden vertrekkend vanuit het standpunt dat het aantal overschrijdingsuren niet te groot mag zijn omdat dat uiteindelijk bepaalt hoelang een bepaalde comfortzone niet behaald wordt. Eisen kunnen anderzijds ook vastgelegd worden wat het aantal dagen buiten een geplande comfortzone betreft, vertrekkend bijvoorbeeld dat het niet 2 op 3 dagen te koud mag zijn ‘s ochtends bij het binnentreden van het kantoor, hoe rap deze ook opwarmt. Daarom worden voor elke boven- en ondergrens respectievelijk én de over- en onderschrijdingsuren weergegeven én het aantal dagen of m.a.w. keren dat deze grenzen over- of onderschreden worden. Daarom worden ook soms de resultaten van twee of meer regelingen voorgesteld. Zo wordt inzicht gegeven in de manier waarop de ene en/of de andere problematiek kan worden aangepakt. De eisen en bijhorende criteria zullen in de praktijk soms uiteenlopen naargelang het gebouw en het gebruik ervan waardoor hier niet steeds één regeling als ideale optie kan worden voorgesteld. Naast de over- en onderschrijdingsuren van de ATG-grenswaarden die in de tijd variëren in functie van de buiten-referentie-temperatuur, worden ook de over- en onderschrijdingsuren boven en onder vaste temperatuurwaarden gehanteerd. Dit zal immers soms handiger zijn om vat te krijgen of zich een beeld te vormen van de situatie.
6.2.
Grafische vertaling
De zonet vermelde waarden van de over- en onderschrijding worden in balkgrafieken afgebeeld. Naast het aantal uren waarbij de operatieve temperatuur zich buiten de ATG-grenzen begeeft, wordt ook het aantal dagen weergegeven waarop de afzonderlijke grenzen worden overschreden. Dit is voornamelijk belangrijk om de mate in te schatten waarin onderkoeling zich voordoet. Onderkoeling duurt in het geheel over een volledige zomer bijna steeds minder lang dan oververhitting, maar onderkoeling komt wel vaker voor dan oververhitting! Onderkoeling blijft gewoonweg meestal niet lang duren ‘s ochtends. Door de overschrijgingen zowel in uren als in dagen uit te drukken, wordt een beter en vollediger beeld geschept van het binnenklimaat. Daarnaast worden ook grafieken opgesteld waarop de dagminima en maxima worden uitgeplot in functie van de buiten-referentie-temperatuur, samen met de vloeiende grenslijnen van de ATG-klassen. Dit helpt een beeld te scheppen van wanneer bepaalde klassen wel of niet gehaald worden. Zo kan bijvoorbeeld beter nagegaan worden of onderkoeling zich voordoet bij koude dagen na zinloze nachtventilatie, of op warme dagen door te sterke afkoeling ‘s nachts. Uiteindelijk worden soms ook nog grafieken weergegeven waarop de temperatuur- en luchtdebietenverlopen door de tijd heen worden weergegeven. Dit biedt inzicht in de factoren die aan de basis liggen van de behaalde resultaten. Het laat immers zien in welke mate de luchttemperatuur en operatieve temperatuur verschillen en welke gebouwoppervlaktes hiervoor zorgen door kouder of warmer te zijn. Het laat verder bijvoorbeeld ook zien wanneer of hoelang de nachtventilatie in werking treedt enz.
61
DEEL C
ONDERZOEKSRESULTATEN EN BEVINDINGEN
7.
SIMULATIERESULTATEN
Hieronder volgt de bespreking van de onderzochte combinaties tussen nachtventilatieregelingen en kantooropstellingen. Uiteindelijk werden ze herleid tot zes verschillende zeer specifieke opstellingen die na elkaar besproken worden. Eerst wordt de kantooropstelling en de eigenheid van het systeem kort samengevat en schematisch weergegeven. Elke opstelling of ‘type’ heeft ter vereenvoudiging van de verwijzing in grafieken een eigen benaming gekregen en deze worden hier even kort opgesomd: type A: lokaal zonder vals plafond type B: lokaal met gesloten vals plafond type C: lokaal met (constant) open vals plafond type Cv: lokaal met ‘gestuurd’ vals plafond (met roosters in de plafondopeningen) type Dv: lokaal met ‘gestuurd’ vals plafond waarbij de nachtventilatie rechtstreeks doorheen het vals plafond gebeurt type Dve: identiek aan Dv, maar met extra nachtventilatie doorheen de gebruikerszone In de bespreking zelf worden reeds enkele grafieken ingewerkt waarin varianten van het besproken systeem met elkaar worden vergeleken. Hierbij is in de legende een verkorte notatie noodzakelijk geweest. Naast de zonet opgesomde afkortingen voor het verwijzen naar het bestudeerde systeem worden ook de gevarieerde factoren vermeld (nachtventilatieperiodes, richtwaardes voor oppervlaktetemperaturen bij nachtventilatie) of eventueel met één welgekozen woord verwezen naar verdere bespreking in de tekst. De belangrijkste overzichtsgrafieken bevinden zich telkens samen op het einde van van de bespreking van de respectievelijke systemen. Deze zijn de grafieken die de resultaten weergeven van de optimale regeling van dat systeem. 63
Wanneer enigszins twijfel kan heersen over welke exacte regeling van eenzelfde systeem de beste is, wordt dit aangehaald in de bespreking. Voor de overzichtsgrafieken aan het einde van elke systeemanalyse werd weliswaar telkens maar voor één regeling gekozen. De verschillen onderling tussen twee potentieel verkiesbare regelingen zijn immers vaak klein waardoor de overzichtsgrafieken representatief zijn voor het hele systeem. Bovendien zijn aan de hand van de bespreking en de vergelijkende grafieken die hierbij geleverd zijn de eventuele verschillen reeds uit de doeken gehaald en enigszins gequantificeerd.
eventuele top-cooling...), maar niet om de onderkoeling te bestrijden. Hierbij wordt vanuitgegaan dat het gebruik van verwarming om onderkoeling te bestrijden ook zal leiden tot meer overschrijdingsuren van de bovengrenzen. Systemen met meer onderkoeling kunnen bijgevolg in de praktijk leiden tot tegenmaatregelen die de koelprestaties terug verlagen.
Dergelijke twijfels doen zich zelden voor en vloeien rechtstreeks voort uit de mogelijke uiteenlopende eisen en criteria die in de praktijk gekozen kunnen worden. (zie hoofdstukken 3 en 6) De voornaamste uitgangspunten die bij dit onderzoek aan de basis van de gestelde keuzes staan zijn de volgende: - Voorrang wordt geboden aan het verlagen van de tijd waarover de ATGgrenzen van de 65%-klasse worden over- of onderschreden. Vervolgens gaat de meeste aandacht naar de 80%-aanvaardingsklasse als streefdoel. De 90%-klasse wordt hier beschouwd als van secundair belang en is bovendien sowieso niet haalbaar enkel met nachtventilatie binnen de bestudeerde kantooropstelling. - Zowel het aantal overschrijdingsuren als het aantal dagen waarop de respectievelijke grenzen worden overschreden worden in rekening genomen. Het aantal dagen krijgt voornamelijk aandacht wanneer het onderkoeling betreft. Dit wordt zowel uit bewuste keuze gemaakt voor het gestelde binnencomfort als om rekening te houden met het gebrek aan relaxatie van het simulatieprogramma. Dit laatste heeft immers vooral invloed op de behaalde onderschrijdingsuren gezien de korte duur van deze koude periodes ‘s ochtends en de plotse toename van de interne warmtelasten tijdens het begin van de gebruiksperiode. - Onderkoeling wordt hier in het algemeen minder getolereerd dan oververhitting. In werkelijkheid zullen naast het nachtventilatiesysteem immers vaak ook andere bijkomende klimatisatiemogelijkheden voorhanden zijn om oververhitting te helpen bestrijden (het openen van ramen, 64
7.1.
Type A - basisopstelling – geen verlaagd plafond
7.1.1. kameropstelling De opstelling die algemeen als ideaal aanvaard wordt voor nachtventilatie, is deze met de meeste benutbare thermische massa. Vloeren, plafonds, binnenwanden en gevels kunnen hiertoe worden aangewend. Weliswaar komt het nog maar zelden voor dat al deze elementen in zware massieve materialen worden opgetrokken en niet worden afgeschermd. Vloerpaketten blijven weliswaar meestal massief en ook gevels worden nog vaak in metselwerk opgetrokken. Binnenwanden worden vaker licht opgetrokken in gipskarton met lichte isolatie ertussen. Deze configuratie wordt hier dan ook gekozen als “standaard”- of “referentie”-opstelling. Volgende gesimuleerde opstellingen en systemen bezitten dezelfde ruwbouw, met dan wel telkens een ander of anders benut vals plafond.
type A nachtventilatieperiode
(fig. 7.1 a)
type A gebruiksperiode
(fig. 7.1 b)
65
7.1.2. regeling Als vertrekpunt voor de regeling werd het voorstel genomen uit het doctoraatswerk van Dr. Ir. H. Breesch. Hierbij treedt de nachtventilatie in werking tussen 22 uur ‘s avonds en 6 uur ‘s ochtends. Als setpointtemperatuur wordt een plafondoppervlaktetemperatuur van 22°C gesteld. Nachtventilatie treedt enkel in werking indien de voorbije dag buiten 22°C of binnen 23°C gehaald werd. Van zodra het temperatuursverschil tussen binnenlucht en buitenlucht kleiner wordt dan 2°C, sluiten de ventilatieroosters zich tijdelijk. Uit de simulaties blijkt dat deze regeling inderdaad heel goede resultaten geeft. Het sluitingsuur van de roosters kan eventueel nog een beetje verlaat worden tot 7 uur ‘s ochtends zonder teveel onderkoeling te veroorzaken. De nachtventilatie langer laten doorgaan of het plafond tot een lagere temperatuur koelen zorgt voor teveel onderkoeling. Dit wordt hieronder verder uitgewerkt.
onderkoeling voordoet. Het valt immers op dat de dagminima zich vrij mooi uitgelijnd bevinden op de ondergrens van de 90%-aanvaardingsklasse en reeds op enkele koudere dagen een klein beetje onderkoeling voorkomt (zie fig. 7.5 a). Deze zijn weliswaar voornamelijk koude dagen waarbij de voorbije nacht de nachtventilatie niet in werking is getreden en de koude minima gewoon aan het koude buitenklimaat ‘s nachts én overdag te wijten zijn. Enkel het sluitingsuur voor de roosters ‘s ochtends kan eventueel tot een uurtje verlaat worden. Dit leidt er wel toe dat de ondergrens van de 90%-klasse vaker wordt onderschreden, maar wel voor telkens slechts een heel korte tijdsspanne. Veel voordeel biedt het bovendien niet wat de overschrijdingsuren betreft. Dit komt zowel doordat de massa van vloer en plafond op koude nachten meestal reeds tegen 6 uur zal afgekoeld zijn. Op warme nachten biedt het eveneens weinig voordeel omdat dan ook de buitentemperaturen na 6 uur reeds terug sterk aan het stijgen zijn waardoor het gebouw trager zal afkoelen.
TO
A_nv tot 7h
400
377,7
100
w arme dagen koude dagen
361,7
300
75
200
50
100
12
De setpointtemperatuur zou kunnen worden verlaagd en de nachtventilatieperiode uitgebreid, maar uit simulaties blijkt dat de marge hiertoe miniem is omdat zich ‘s ochtends anders rap meer en vaker
125
A_nv tot 6h
0 ATG90
15,8
84,8
77,8
0,3
0,7
25
20,8 ATG80
ATG-klasse
dagen
Uit de grafieken komt duidelijk te voorschijn dat én de vloer én het plafond ‘s nachts sterk worden afgekoeld en overdag trager opwarmen dan de binnenlucht. Bijgevolg stijgt de operatieve temperatuur overdag ook, maar trager dan de binnenluchttemperatuur en sneller dan de oppervlaktetemperatuur van vloer en plafond. Hieruit blijkt duidelijk hoe belangrijk de stralingsuitwisseling is met de blootgestelde massa aan de vloer- én plafondzijde. Aangezien de dikte van het vloerpakket groter is dan de haalbare indringingsdiepte binnen een dag-nacht-cyclus, zorgt de dubbelzijdige blootstelling ervan niet enkel voor een efficiëntere convectieve én stralingsgewijze warmteuitwisseling, maar ook voor het beschikbaar stellen van een grotere massa en dus een groter mogelijke warmteopslag.
500
TO [u]
7.1.3. werking, efficiëntie en neveneffecten
type A_einduur van de nachtventilatieperiode
18,5 0
ATG65 (fig. 7.2)
66
Naarmate men de nachtventilatie nog later ‘s ochtends laat doorgaan, stijgt het aantal dagen met onderkoeling alsmaar sneller. Dit komt niet, zoals bij een lagere setpointtemperatuur, door de lagere temperatuur van vloer en plafond en de bijhorende lagere stralingstemperatuur. Wanneer het sluitingsuur van de ventilatieroosters verlaat wordt, is het de binnenlucht zelf die vaak nog te koud is, ook tijdens warmere periodes. Dit valt heel duidelijk op in onderstaande grafiek (fig. 7.3). Deze geeft de dagminitma en -maxima weer wanneer de nachtventilatie tot 8 uur doorgaat. ATG
To max To min
15 MEI - 30 SEPT.
MAX 65
35
MAX 80 MAX 90 Ti neutraal Min 90 Min 80 Min 65
To [°C]
30
25
7.1.4. conclusie Algemeen kan worden bevestigd dat een kantooropstelling met zoveel mogelijk aan de binnenlucht blootgestelde thermische massa ideaal is om veel warmte overdag te kunnen opslaan en ‘s nachts af te geven. Voordelen zijn zowel de grotere hoeveelheid benutbare massa doordat het vloerpakket aan beide zijdes tot over de indringdiepte meewerkt, als de volledig onbelemmerde warmte-uitwisseling via convectie én straling. Enig thermisch nadeel is dat ‘s ochtends de afgekoelde massa reeds en steeds blootgesteld is waardoor het de ruimte reeds afkoelt wanneer dit op zich nog niet nodig is. Dit beperkt enerzijds de mogelijkheid de massa tot lagere temperaturen af te koelen of de nachtventilatie later ‘s ochtends te beëindigen. Bovendien zorgt het er ook voor dat reeds een deel van de thermische capaciteit van het gebouw benut zal zijn tegen dat de echte pieken zich later op de dag voordoen.
20
15 5
10
15
20
25
Tref [°C] (fig. 7.3 : nachtventilatie tot 8h)
Nachtventilatie rond 6 tot maximum 7 uur ‘s ochtends stoppen heeft als voordeel dat tijdens de overblijvende tijd voordat de gebruikers binnenkomen er nog tijd is voor de koude lucht die reeds binnengestroomd is om het gebouw verder af te koelen en zelf zo warmer te worden. Ook het minimaal gestelde temperatuurverschil tussen binnen- en buitenlucht waarbij nachtventilatie doorgaat, blijkt geen probleem te leveren. Wanneer nachtventilatie in werking treedt, net na een warme dag, is het gebouw aanzienlijk opgewarmd. Bovendien is de contactoppervlakte tussen de binnenlucht en de gebouwmassa aanzienlijk. Het duurt bijgevolg niet al te lang tegen dat de instromende lucht een beetje opgewarmd geraakt door het gebouw zodat de roosters niet om de haverklap open en terug toegaan. 67
Type A
(geen vals plafond) nachtventilatie tussen 22 en 7h ; richtwaarde Ts,plafond=22°C
luchtdebieten doorheen het vals plafond
Te Ti lucht Tvpl lucht
nachtventilatie
Ti operatief Ts vloer Ts draagplafond
1800
ATG_65aMAX
1700
ATG_80aMAX ATG_90aMAX
1500
ATG_65min Ve-H [m³/h] Ve-vpl [m³/h] VH-vpl [m³/h]
25
1400 1300
VH-vpl v [m³/h]
1200 1100 20
1000 900 800
15
700 600 10
500 400
Q [m³/h]
300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
temperatuur [°C] [W/m².K] T [°C]
1600
ATG_90min ATG_80min
30
luchtdebiet [m³/h]
35
geen nachtventilatie
(fig. 7.4)
68
Type A
ATG
To max To min
15 MEI - 30 SEPT.
MAX 65 MAX 80
500
MAX 90 Ti neutraal
(a)
Min 90
125
overschrijdingsdagen onderschrijdingsdagen
(b)
400
Min 80 Min 65
100 361,67
TO [u]
30
overschrijdingsuren onderschrijdingsuren
25
300
75
200
50
dagen
35
To [°C]
TO 15 MEI - 30 SEPT.
20 100
25
77,83 15,83
15 5
10
15
20
25
ATG 90
Tref [°C] TO
ATG 65
TO 15 MEI - 30 SEPT. 1200
Cumulatieve onderschrijdingsuren
(c)
(d)
Cumulatieve overschrijdingsuren
1100
125
1000 900
100
TO [u]
TO [u]
0
ATG 80
ATG-klasse
15 MEI - 30 SEPT. 150
18,5
0,67
0
75 58,33 50
901
800 700 600 530,67 500 400 300
25
240,67
200 100
4,33 0
73,83 23,83
12,17
28
29
0 18
19
20
To [°C]
21
22
24
25
26
27
To [°C]
3 30 (fig. 7.5)
69
7.2.
Type B - gesloten vals plafond
7.2.1. kameropstelling Ten opzichte van de eerste opstelling wordt hier, wat het plafond betreft, het volledig tegenovergestelde uiterste voorgesteld: dezelfde ruimte, maar met volledig gesloten akoestisch geïsoleerd verlaagd plafond. Deze schermt het bovenliggende draagplafond af van de ruimte, de andere wanden en de gebruiker zelf. Het vormt niet enkel een scherm tegen convectieve maar ook tegen stralingsgewijze warmteuitwisseling. Ook al blijft de totale massa van het gebouw even groot, de hoeveelheid benutbare thermische massa zakt heel sterk doordat het dikke vloerpakket slechts aan één zijde in rechtstreeks contact staat met de gebruikerszone en enkel vanaf die zijde over de volledige indringingsdiepte benut wordt.
type B nachtventilatieperiode
(fig 7.6 a)
type B gebruiksperiode
(fig 7.6 b)
70
7.2.2. regeling Bij deze opstelling kan als setpointtemperatuur niet meer gezocht worden naar een passend plafondoppervlaktetemperatuur. De logische vervanger hiervoor is de vloeroppervlaktetemperatuur. Voor de rest mag dezelfde regeling als hierboven worden toegepast.
7.2.3. werking, efficiëntie en neveneffecten overschrijdingsuren Het is overduidelijk dat de nachtventilatie hier veel minder oplevert. De overschrijdingsuren rijken immens hoge toppen. Nachtventilatie zal hier dus niet volstaan om in de zomer een goed binnenklimaat te kunnen garanderen. Dit is alom bekend, voorspeld en getoetst in de werkelijkheid bij bestaande gebouwen. Interessanter voor het verder onderzoek naar open verlaagde plafonds is te zoeken naar neveneffecten, bijkomende gevolgen en andere kleine verschillen t.o.v. van de opstelling zonder verlaagd plafond om zo beter te kunnen anticiperen wat er zal gebeuren bij open verlaagd plafonds en om de patronen tussen oorzaak en gevolg van elkaar te kunnen onderscheiden.
opening en sluiting van de ventilatieroosters Een tweede punt dat opvalt, is dat de ventilatieluiken ‘s nachts vaker openen toegaan (zie fig. 7.8). Dit komt doordat de binnenlucht veel rapper afkoelt, of beter gezegd dat de binnenlucht eenmaal gemengd met de koude binnenstromende buitenlucht veel trager opgewarmd wordt door het gebouw. Dit is het logische gevolg van het beperkte contactoppervlakte tussen de binnenlucht en de beperkte blootgestelde warmere gebouwmassa. Toch blijkt de vloer voldoende afgekoeld te raken na een warme dag en de setpointtemperatuur even gemakkelijk te bereiken als het plafond bij de vorige opstelling. Dit kan op het eerste zicht raar lijken, gezien de roosters
vaker sluiten en hier bovendien tegen het einde van de dag de vloer hogere temperaturen haalt door de sterkere opwarming waardoor de temperatuurval die het ‘s nachts kent net groter is dan bij het plafond in de vorige opstelling. Een belangrijke verklaring hiervoor moet niet verder gezocht worden dan in de wet van behoud van energie. De luiken sluiten hier wel vaker, waardoor over nachtventilatieperiode in totaal minder kubieke meter koude lucht binnenstroomt en warme lucht wordt afgevoerd, maar de massa die wordt afgekoeld is ook kleiner, gezien het plafond bijna niet meer in beschouwing moet worden genomen. Wanneer in plaats van de temperatuurvallen te vergelijken wordt gedacht aan de opgeslagen warmte en de formule voor warmtecapaciteit, komt alles op zijn plaats. Dat de plafondzijde van het vloerpakket effectief nauwelijks afkoelt ‘s nachts blijkt te kloppen wanneer gekeken wordt hoe vlak de temperatuurcurves van de plenumlucht en de onderzijde van het draagpakket zijn. Er is nog een tweede verklaring waarom die constante onderbreking van de nachtventilatie de afkoeling van de vloer niet sterk belemmert. Het is niet zo dat de uitstromende lucht bij nachtventilatie reeds opgewarmd is tot dezelfde temperatuur als de massa van het gebouw, daar krijgt het de tijd niet voor door de hoge luchtdebieten. Dit betekent dat wanneer de ventilatieroosters sluiten, het gebouw wel nog verder zijn warmte afgeeft aan de nog koudere binnenlucht en de afkoeling dus niet onderbroken wordt, gezien de roosters opnieuw opengaan zodra de binnenlucht terug voldoende warmer is dan de buitenlucht. Toch worden deze hogere luchtdebieten best aangehouden omdat hoe groter het temperatuursverschil is tussen de binnenlucht en de warmere massa, hoe sneller de warmteoverdracht zal plaatsvinden. Dit is onder andere deels vertaald in de convectieve overgangscoëfficiënten die meestijgen met dat temperatuursverschil. Bij frisse nachten na niet te warme dagen zal dit van minder belang zijn omdat het gebouw rap genoeg zal afkoelen, maar wanneer de buitentemperaturen oplopen wordt dit wel belangrijker om binnen de nachtventilatieperiode de setpointtemperatuur te kunnen bereiken.
71
TO type B_einduur van de nachtventilatieperiode 1000 900
125
B_nv tot 6h B_nv tot 7h
870,5 814
800
100
w arme dagen koude dagen
700 600
75
567,5 524
500 385,8
400
350,8
dagen
Een derde opvallend punt is dat bij deze opstelling, met gesloten verlaagd plafond, de minima-temperaturen ‘s ochtends lager liggen dan bij een opstelling zonder verlaagd plafond terwijl er niet zodanig veel meer uren zijn met onderkoeling. De minimale temperaturen liggen iets lager ‘s ochtends, maar dit duurt niet lang. De verklaring voor de lagere temperatuur ligt opnieuw bij de kleinere blootgestelde en benutbare warmere gebouwmassa. Stel dat de nachtventilatie zowel bij een ruimte zonder als één met verlaagd plafond op hetzelfde uur stopt, dan zal de binnenluchttemperatuur in beide ruimtes nagenoeg identiek zijn. Daarentegen heeft de ruimte zonder verlaagd plafond dubbel zoveel oppervlakte aan thermische massa dat niet kouder is dan de setpointtemperatuur en in contact is met de koudere binnenlucht, waardoor deze rapper zal opwarmen. Het is wel zo dat de gebruikerszone van de ruimte met verlaagd plafond kleiner is en dus minder massa koude lucht bevat, maar de verhouding tussen de thermische massa van de koude binnenlucht en de bijna gehalveerde benutbare thermisch massa in die zone blijft wel aanzienlijk groter. De verklaring voor de snellere heropwarming van de ruimte bij het begin van de gebruiksperiode moet gezocht worden in het stralingsaandeel binnen de operatieve temperatuur. Het is niet zozeer de lucht die sneller opwarmt. Het is het zichtbaar oppervlak van het geïsoleerd, licht opgebouwd verlaagd plafond dat rapper opwarmt dan de oppervlakte van de koudere en zwaardere massa van het zichtbaar plafond in de eerste opstelling zonder verlaagd plafond.
500 uren bedraagt. Het ventilatiedebiet overdag zelfs slechts heel tijdelijk verhogen door bijvoorbeeld het raam te openen zal al veel nuttiger zijn, geen onderkoeling veroorzaken, en de luttele winsten die een uitbreiding van de nachtventilatieperiode met zich meebrengt totaal wegvegen.
TO [u]
onderkoeling
50
300 200
25
100 0
13,5 ATG90
24,3
2
2,8
ATG80
ATG-klasse
0,2
0,3
0
ATG65 (fig 7.7 )
verband tussen binnen- en buitentemperaturen De setpointtemperatuur verlagen of het einde van de nachtventilatieperiode verlaten is dus niet aan te raden. De setpointtemperatuur verlagen zou de stralingstemperatuur ‘s ochtends verlagen terwijl deze op dat ogenblik juist niet te koud mag zijn om de operatieve temperatuur op een aangenaam peil te houden. De nachtventilatie langer laten doorgaan ‘s ochtends zal minder tijd geven aan de lucht om zich convectief aan de vloer op te warmen. De verlaging van de overschrijdingsuren hierdoor is marginaal in verhouding tot de totale hoeveelheid ervan die voor de 80% klasse nog steeds meer dan
Tenslotte valt op dat, t.o.v. de opstelling zonder verlaagd plafond, de maximumtemperaturen binnen de ruimte niet enkel een verticale verschuiving kennen op de grafiek, maar dat deze maxima ook steiler stijgen in functie van de referentietemperatuur. De binnentemperaturen stijgen m.a.w. evenrediger mee met het buitenklimaat. Dit kan verklaard worden doordat op dagen met hogere warmtewinsten, de vloer rapper zal opwarmen tot temperaturen die aanleunen bij de binnenluchttemperatuur. Bij de opstelling zonder verlaagd 72
plafond is de benutbare massa immers veel groter waardoor het opnemen van eenzelfde warmteproductie zal resulteren in een kleinere stijging van de temperatuur van deze massa en bijgevolg van de stralingstemperatuur. De thermische capaciteit van de vloer raakt bij de opstelling met gesloten vals plafond als het ware rapper opgebruikt of “gesatureerd” waardoor er bijna geen warmte meer kan worden opgenomen en de binnenluchttemperaturen bijgevolg des te sneller stijgen. Deze overgang gebeurt niet plots. Naarmate de massa warmer wordt en de temperatuur ervan de binnenluchttemperatuur nadert zal de convectieve warmteoverdracht tussen beide ook trager verlopen. Bovendien zal ook de stralingstemperatuur hoger zijn en dus de warmere luchttemperaturen minder kunnen compenseren binnen de operatieve temperatuur. 7.2.4. conclusie Algemeen kan worden geconcludeerd dat terwijl valse plafonds voornamelijk functioneel wel voordelig kunnen zijn voor leidingen en akoestische isolatie en absorptie, ze wel enorm nefast zijn voor het haalbaar rendement bij nachtventilatie. Andere nevenefecten zoals lagere minimale temperaturen zijn niet zo belangrijk door de snellere opwarming van de stralingstemperatuur ‘s ochtends en het verwaarloosbare ervan in vergelijking met het enorme aantal overschrijdingsuren.
73
Type B
gesloten vals plafond nachtventilatie tussen 22h en 7h ; richtwaarde Ts,vloer=22°C
luchtdebieten doorheen het vals plafond
Te Ti lucht Tvpl lucht
nachtventilatie
Ti operatief
1800
ATG_65aMAX
1700
ATG_80aMAX ATG_90aMAX
25
1500 1400 1300
VH-vpl v [m³/h]
1200 1100 20
1000 900 800
15
700 600 10
500 400
Q [m³/h]
300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
temperatuur [°C] [W/m².K] T [°C]
1600
ATG_90min ATG_80min ATG_65min Ve-H [m³/h] Ve-vpl [m³/h] VH-vpl [m³/h]
30
luchtdebiet [m³/h]
35
geen nachtventilatie
Ts vloer Ts draagplafond
(fig. 7.8)
74
Type B
ATG
To max To min
15 MEI - 30 SEPT.
MAX 65 MAX 80
500
MAX 90 Ti neutraal
(a)
Min 90
overschrijdingsuren onderschrijdingsuren
125
overschrijdingsdagen onderschrijdingsdagen
(b)
400
Min 80 Min 65
100 350,83
TO [u]
30
814
25
300
75
200
50
100
25
dagen
35
To [°C]
TO 15 MEI - 30 SEPT. 524
20
24,33 15
2,83
0 5
10
15
20
25
ATG 90
Tref [°C] TO
TO 15 MEI - 30 SEPT. 1200
Cumulatieve onderschrijdingsuren
(c)
Cumulatieve overschrijdingsuren
1119,83
(d)
1100
125
1000 891
900 100
TO [u]
TO [u]
0
ATG 65
ATG-klasse
15 MEI - 30 SEPT. 150
0,33
ATG 80
75
800 700
631,83
600 500
48
50
398,67
400 300
220
200
25
0,17
0 18
19
20
To [°C]
94,33
100
7,67
38,33
0 21
22
24
25
26
27
To [°C]
28
29
30 (fig. 7.9)
75
7.3.
Type C – constant open vals plafond
7.3.1. kameropstelling De derde odnerzochte opstelling is de eerste van de reeks met verluchte valse plafonds, het uiteindelijke doel van dit onderzoek. De eerste opstelling uit deze reeks die nu bestudeerd wordt, is eenvoudigweg dezelfde kamer als voordien, maar met openingen in het verlaagd plafond. Het doel hiervan was om een aansluitings- en vergelijkingspunt te hebben met het onderzoek van Ing. H.M. Bruggema en om in het algemeen de beperkingen na te gaan van een opstelling waarbij de warmte-uitwisseling tussen het verscholen plafond en de ruimte bijna enkel mogelijk is via convectie. Ing. H.M. Bruggema heeft reeds aangetoond dat het openmaken van het verlaagd plafond over meer dan 11% van diens oppervlakte reeds een rendementsfactor van boven de 85% kon leveren t.o.v. een opstelling zonder enig verlaagd plafond. Het nodige model om daar verder computergesteund onderzoek naar te doen en een reeks belangrijke richtlijnen werden er tevens voorgesteld.
type C nachtventilatieperiode
(fig 7.10 a)
Wat hier de bedoeling is, is om te zoeken of dit verlaagde plafond verder geoptimaliseerd kan worden door er als het ware een dynamisch gestuurde variante op te maken. Hiertoe is deze eerste stap, het analyseren van een eenvoudig permanent open verlaagd plafond, heel belangrijk. Het levert immers de eerste inzichten op eigenschappen en beperkingen die het systeem eigen zijn. Vanuit de inzichten geleverd door het onderzoek van ir. Bruggema werd geopteerd voor een verlaagd plafond dat over 15% van de oppervlakte open is. Dit komt overeen met het openen van dat verlaagd plafond over twee stroken van 35cm breedte, één aan de gevelzijde, en één achteraan aan de gangzijde.
type C gebruiksperiode
(fig 7.10 b)
76
7.3.2. regeling Over de noodzaak tot eventuele aanpassingen van de regeling van het nachtventilatiesysteem staat nauwelijks iets vermeld in het onderzoek van ir. Bruggema. Hetgeen hier dus verder wordt nagegaan, is of de standaardregeling die hierboven reeds beschreven is en ideaal blijkt voor de twee voorbije opstellingen ook hier, bij een open vals plafond, zomaar mag worden gebruikt. Zoniet, levert het net de mogelijkheid de regeling verder te pushen en de prestaties wat te verbeteren? Of levert deze opstelling vooral negatieve neveneffecten die juist een veiligere regeling van de nachtventilatie noodzakelijk maken? Als vertrekinstelling werd de standaardinstelling gebruikt die hierboven reeds beschreven werd.
7.3.3. werking, efficiëntie en neveneffecten overschrijdingsuren Het eerste dat in de resultaten opvalt is de bevestiging van Bruggema’s belangrijkste bevinding: het openmaken van het verlaagd plafond over 15% van het oppervlak levert een heel hoge rendementsfactor. Het is zelfs opmerkelijk dat de resultaten zo dicht bij elkaar aanleunen ondanks de verschillen in opstelling, gebruikt simulatiepakket e.a. De rendementsfactor die hier bekomen wordt komt op 95 à 96% terwijl effectief een waarde tussen de 90 en de 95% kon worden verwacht. Het betekent dus alleszins dat de ingreep om het vals plafond te openen enorm efficiënt is. Het zijn vooral snelle toenames van warmtewinsten die moeilijker worden opgevangen in een opstelling met een open vals plafond. In kamers zonder verlaagd plafond worden dergelijke pieken beter opgevangen doordat het groter aandeel aan blootgestelde koelere thermische massa niet even snel mee opwarmt als de lucht en bijgevolg de lagere stralingstemperatuur voor extra demping zorgt binnen de operatieve temperatuur. Bij verlaagde plafonds, zowel open als gesloten, volgt het zichtbare plafondoppervlak veel sneller
de schommelingen van de luchttemperatuur of van stralingsproductie uit warmere voorwerpen en mensen. Hierdoor schommelen de lucht- én de gemiddelde stralingstemperatuur, de twee componenten van de operatieve temperatuur, gelijktijdiger en zal de gemiddelde stralingstemperatuur de luchttemperatuur minder kunnen compenseren bij plotse opwarming.
verband tussen binnen- en buitentemperaturen Naast de overduidelijke verlaging van het aantal overschrijdingsuren tegenover de situatie met gesloten vals plafond, valt ook op dat de stijging van de dagmaxima in functie van de buiten-referentietemperatuur niet meer zoals bij een gesloten vals plafond steiler verloopt, maar enkel verticaal verschoven is ten opzichte van de basisopstelling zonder vals plafond. Dit komt doordat hier wél evenveel thermische massa benutbaar is waardoor deze als het ware niet vroeger “gesatureerd” raakt bij nog lagere warmtewinsten. In tegendeel blijft het gebouw de geproduceerde warmte bufferen. De reden waarom de waarden wel nog verticaal verschoven zijn, ligt hem in de afremming van de warmteoverdracht die het verlaagd plafond verwezenlijkt door stralingsuitwisseling te belemmeren. Hierdoor is als het ware maar één “weg” voor de warmte om het plafond binnen te raken, de convectieve weg, en gebeurt de overdracht trager waardoor de binnentemperaturen sneller stijgen, ook al is de massa in het plafond nog helemaal niet ver opgewarmd.
onderkoeling Het volgende dat wordt opgemerkt uit de resultaten, eenmaal vertaald naar het ATG-model, is dat er zich veel vaker onderkoeling voordoet. De toename van de onderkoeling wordt geschat tussen de drie tot tien keer zoveel als bij de opstelling zonder verlaagd plafond naargelang de binnenklimaatklasse waarnaar gekeken wordt en naargelang de keuze om de onderschrijdingsuren te tellen of eerder het aantal dagen met te koude ochtendtemperaturen. Ook wanneer gekeken wordt naar de dagminima valt op dat het een homogeen 77
voorkomend fenomeen is dat zich zowel voordoet tijdens warmere als tijdens frissere zomerperiodes. Ten opzichte van de standaardopstelling liggen dus niet enkel alle dagmaxima hoger, maar tevens alle dagminima lager. De voornaamste reden hiertoe ligt in de weg die de koudere lucht moet afleggen om het plafondplenum binnen te treden. De roosters die voor nachtventilatie zorgen bevinden zich niet in het plenum maar in de gebruikerszone, onder het verlaagd plafond. Dit betekent dat de binnenstromende lucht ‘s nachts een eerste warmere zone door moet vóór die verder het plenum in kan. Hierdoor heeft de lucht reeds convectief warmte overgenomen van de gebouwmassa, voornamelijk van de zware vloer. Bovendien heeft de lucht die het plenum binnentreedt geen rechtstreeks pad gevolgd naar het plenum. De lucht die door de opening in het valse plafond stroomt is immers een menging van vers binnengestroomde lucht en reeds wat langer aanwezige en dus opgewarmde lucht. Doordat de onderkant van het vloerpakket, in het plenum, in contact komt met warmere lucht dan de vloerzijde in de gebruikerszone, koelt de plafondzijde ook trager af dan de vloerzijde. Dit betekent dat wanneer voor nachtventilatie een setpointtemperatuur van 22°C wordt toegekend aan de plafondzijde, de vloerzijde reeds aanzienlijk kouder zal zijn tegen dat dit bereikt wordt. Bijgevolg resulteert dit ‘s ochtends in een lagere stralingstemperatuur vanuit het vloeroppervlak. De tweede oorzaak van de onderkoeling is gelijkaardig aan deze die voor onderkoeling zorgt bij het gesloten verlaagd plafond: het verlaagde plafond remt de terugkeer naar een thermisch evenwicht en het opwarmen van de binnenlucht af tijdens de tussenfase tussen het einde van de nachtventilatie en het begin van de gebruiksperiode. Deze keer zorgt het verlaagd plafond dankzij zijn openingen niet meer voor een grote vertraging van de convectieve warmte-uitwisseling tussen de binnenlucht en het plafond. Maar aangezien nu, zoals zonet verklaard, de vloer bovendien te koud is, zou stralingsgewijze warmte-uitwisseling tussen vloer en plafond nuttig zijn. Nu is dat belemmerd door het verlaagde plafond dat tussen beide zit waardoor de twee uren tussen de nachtventilatieperiode en de gebruiksperiode niet volstaan om terug tot een thermisch evenwicht te komen tussen vloer-, plafond- en binnenluchttemperatuur. Deze temperatuurverlopen ‘s nachts en in de tussenfase zijn heel duidelijk
leesbaar op de grafiek met de temperatuursverlopen (zie fig. 7.14 p.82). ‘s Nachts daalt de temperatuur van het vloeroppervlak veel sneller dan deze van het plafondoppervlak. In de tussenfase stijgt de temperatuur van de vloer vrij snel terug terwijl de temperatuur van het plafond op sommige dagen zelfs bijna constant blijft doordat aan deze aan de ene zijde verder wordt afgekoeld door de koudere lucht afkomstig uit de gebruikerszone en aan de andere zijde terug wordt opgewarmd door de warmere dieper liggende lagen beton.
opening en sluiting van de ventilatieroosters Ook al blijven de ventilatieroosters veel langer open dan bij de opstelling met gesloten vals plafond, toch sluiten de roosters zich ook hier vaker dan bij de opstelling zonder enig verlaagd plafond. Dit komt opnieuw doordat hier de binnenluchttemperatuur sneller zakt onder invloed van de binnenstromende lucht doordat het warme plafond in een afzonderlijke zone gelegen is, het plenum. Om dezelfde reden waarom het plafond trager afkoelt, warmt de binnenlucht in de ruimte eronder dus trager op. Dat de roosters iets vaker sluiten heeft slechts een berperkte invloed op de afkoeling van het gebouw, voornamelijk omdat de sluitingstijden heel kort zijn en er dus op dit vlak bitter weinig verschil is met de situatie zonder verlaagd plafond. Er bestaat wel een eenvoudige methode om dit fenomeen in te perken zonder beroep te doen op nauwkeurigere metingen van binnen- en buitentemperaturen en zonder de minimale openingstijd van de roosters te verlengen: het minimaal temperatuurverschil niet instellen tussen buitenlucht en binnenlucht in de kamer, maar tussen buitenlucht en plenumlucht! Zolang de nachtventilatie in werking blijft, blijft de luchttemperatuur in de gebruikerszone immers liggen tussen de luchttemperatuur in het plenum en de buitenluchttemperatuur. Deze aanpassing zal dus niet leiden tot het openen van de roosters wanneer het buiten warmer is dan binnen. Andere oplossingen zijn het verlagen van het minimale temperatuursverschil tussen binnen- en buitenlucht en het verlengen van de minimale openingstijd. De drie oplossingen leveren dezelfde verbetering van de situatie op. Combinatie van deze oplossingen zorgt niet voor nog verdere afkoeling van 78
de massa. Uiteraard leidt de betere afkoeling van het gebouw ook tot een lichte stijging van de onderkoeling.
TO type C_roostersluiting 500
C_vertrekregeling
125
C_ctrlzone=plenum
400 393
C_nv minstens 30min
378 377 377 377
100
C_combinatie vd 3
75
w arme dagen koude dagen
200
dagen
TO [u]
C_Tverschil=1°C
300
50
108 98
100 41
45 44
99 99 97
44 45
0 ATG90
25 34,3 28 27,5 26 26,3
3,7 4,7 4,7 4,8 4,7 ATG80
ATG-klasse
De setpointtemperatuur voor het plafondoppervlak verhogen of dezelfde setpointtemperatuur hanteren, maar dan voor de vloer, geeft wel de mogelijkheid de onderkoeling drastisch te verlagen, maar verhoogt vooral het aantal overschrijdingsuren. Een lagere setpointtemperatuur aan de vloer toekennen leverde dan opnieuw onderkoeling. Via deze methode bleek uiteindelijk geen betere middenweg te vinden dan de standaardinstelling zelf.
0 ATG65 (fig 7.11)
optimalisatie van de regeling Nu is de wijze waarop de verschillende delen van de ruimtes worden afgekoeld complexer en is de marge om de regeling te optimaliseren ook nog eens uiterst klein doordat hier zowel meer overschrijdingsuren als onderschrijdingsuren zijn dan wanneer geen vals plafond aanwezig is. Het wordt bijgevolg moeilijker zowel de dagminima als de dagmaxima zoveel mogelijk binnen de comfortgrenzen te houden. Verschillende nachtventilatieperiodes en verschillende setpointtemperaturen werden getest. Tevens werd getracht de onderkoeling te voorkomen door een minimale oppervlaktetemperatuur toe te kennen aan de vloer.
Een andere optie is om de nachtventilatie vroeger te stoppen. Zo is er meer tijd, na de nachtventilatie, om terug tot thermisch evenwicht te komen tussen de temperaturen van de vloer, het plafond en de binnenlucht. De nachtventilatie tot één uur vroeger stoppen, om 5 uur ‘s ochtends, levert reeds een verschil. De onderkoeling wordt in de 80%-klasse gehalveerd, maar de overschrijdingsuren stijgen wel met ongeveer 10% (zie fig. 7.12). De nachtventilatie nog vroeger stoppen dan om vijf uur ‘s ochtends leidt tot een plotse grote stijging van het aantal overschrijdingsuren. Het gebouw wordt immers niet enkel onvoldoende afgekoeld omdat de nachtventilatieperiode in plaats van de oorspronkelijk acht uren dan slechts nog zes uren bedraagt, maar omdat tijdens die overblijvende zes uren de buitentemperaturen hun minima nog niet bereikt hebben. De koudste uren tijdens warmere zomerperiodes komen net ‘s nachts tussen vier en zes uur ‘s ochtends voor. In de grafiek staan ook de resultaten die verkregen worden wanneer de nachtventilatie tot 7 uur ‘s ochtends wordt uitgebreid. Het valt op dat, in tegenstelling tot lokalen zonder vals plafond, dit nauwelijks voor lagere overschrijdingsuren zorgt maar dat de onderkoeling wel heel sterk toeneemt. Het beste compromis tussen onderkoeling en overschrijdingsuren blijkt nu het stoppen van de nachtventilatie tussen 5 en 6 uur, in tegenstelling tot 6 of 7 uur ‘s ochtends bij kantoren zonder verlaagd plafond.
79
TO type C_einduur van de nachtventilatieperiode 500
C_tot 7h: Tplaf ond=22°C
440
C_tot 6h: Tplaf ond=22°C
397
400 367
125
C_tot 5h: Tplaf ond=22°C
377
100
w arme dagen koude dagen
300
75
200
dagen
TO [u]
C_tot 4h: Tplaf ond=22°C
nachtventilatieperiode te stoppen tussen 5 en 6 uur te liggen. Bij het vergelijken van de resultaten uit bovenstaande en onderstaande grafieken, valt wel op dat er nauwelijks een verschil merkbaar is met de situatie waarbij na 6 uur geen tweede nachtventilatiefase komt. Dit komt opnieuw omdat de periode van 6 tot 7 uur meestal niet zal volstaan voor de vloer om haar temperatuur terug op te trekken in de richting van de temperatuur van het plafond, over de 22°C heen, waardoor de ventilatieroosters niet meer zullen opengaan en er zich in werkelijkheid dus geen tweede nachtventilatiefase voordoet.
TO type C_opsplitsing van de nachtventilatieperiode
50 500
C_tot 7h: Tplaf ond=22°C
125
143
38
ATG90
25
32 7,2
0
107
4,7
2,8
2,0
ATG80
ATG-klasse
25,7 26,3 1,5
39
400
47,8 0
C_vanaf 6h: Tvloer=22°C
406
100
383 367 373
C_vanaf 5h: Tvloer=22°C C_vanaf 4h: Tvloer=22°C
300
ATG65 (fig. 7.12)
Om verder het beste van twee werelden te combineren kan men vervolgens nagaan of een fasering van de nachtventilatie tot een beter compromis kan leiden. Hierbij kan tijdens een eerste periode getracht worden het gebouw zo snel en sterk mogelijk af te koelen en in een tweede periode het gebouw enkel nog te koelen indien aan de criteria wordt voldaan om onderkoeling te vermijden. Zo kan voor de eerste fase de richtwaarde van 22°C nog steeds aan het plafond toegekend worden, terwijl in de tweede fase de vloer als meetvlak gebruikt wordt. Het blijkt weinig zinvol de overgang tussen de twee fases op vier uur ‘s ochtends of vroeger te zetten. Dit leidt immers voornamelijk tot een aanzienlijke stijging van de overschrijdingsuren. Wat hier gebeurt, is dat de koudste uren van de nacht reeds voorbij zullen zijn tegen dat de vloer na de eerste nachtventilatiefase opnieuw tot 22°C is opgewarmd. Hierdoor zullen de gevelroosters te laat opnieuw open gaan en zal het gebouw niet meer afgekoeld raken. Opnieuw bleek de ideale tijdsspanne om de eerste
75
w arme dagen koude dagen
200
dagen
49,7 45
97
TO [u]
95
100
50
95
100 49,7 44
40
ATG90
106
123 25
35 7,2
0
96
4,7
2,7
2,0
ATG80
ATG-klasse
35,7 43,8 25,7 26,8 1,5
0
ATG65 (fig 7.13)
Om het beste evenwicht te behalen tussen overschrijding van de bovengrenzen van de klimaatklassen en onderkoeling, blijkt de standaardregeling uiteindelijk ook hier een goede keuze: nachtventileren tussen 22 uur ‘s avonds en 6 uur ‘s ochtends tot de onderzijde van het vloerpakket zakt tot 22°C. Het verschil met de vorige twee opstellingen (deze zonder enig vals plafond en deze met gesloten vals plafond), is dat nu afgeraden wordt de nachtventilatie 80
langer te laten doorgaan. Dit leidt immers tot een aanzienlijke stijging van het aantal dagen met onderkoeling.Nu zal het in tegendeel net beter zijn om de nachtventilatie eventueel vroeger te stoppen, tussen 5 en 6 uur ‘s ochtends. De enige verdere mogelijke uitbreiding is bijkomend nachtventileren tot 7h ‘s ochtends indien de vloer nog of opnieuw warmer is dan 22°C. De extra onderkoeling die dit met zich meebrengt is zoals gezegd immers zeer beperkt doordat deze extra nachtventilatie bijna enkel in werking zal treden tijdens heel warme nachten en op voorwaarde dat het binnen niet te koud meer is. Tijdens frissere nachten daarentegen zal de vloer meestal reeds kouder zijn dan 22°C door de bovenvermelde versnelde afkoeling ervan en zullen de roosters dus gesloten zijn en de temperaturen binnen het gebouw tussen 6 en 8 uur terug naar een evenwicht streven. Maar uiteindelijk is de verlaging van het aantal overschrijdingsuren die dankzij deze extra koelfase over de hele zomer heen verkregen wordt zodanig klein, dat men niet kan stellen dat het in de praktijk effectief voelbaar of zelfs meetbaar zal zijn.
7.3.4. conclusie De resultaten uit de hier gemaakte simulaties komen vrij goed overeen met wat uit de experimentele en computergesimuleerde studies van Ing. H.M. Bruggema kon worden verwacht. Het openmaken van een deel van een verlaagd plafond kan leiden tot heel grote rendementsfactoren. Belangrijk nevenverschijnsel van het open vals plafond bij nachtventilatie is de verhoogde onderkoeling ‘s ochtends door de niet gelijkmatige afkoeling van het vloerpakket aan de vloer- en aan de plafondzijde. Hierdoor is de marge waarbinnen men de regeling kan laten variëren kleiner en zou het zelfs een verantwoorde keuze kunnen zijn om de nachtventilatie tot één uur vroeger te stoppen. Niettegenstaande deze kanttekening biedt het openstellen van verlaagde plafonds een zeer interessant compromis tussen de thermische voordelen die uit de massa kunnen worden gehaald in de zomer en de akoestische absorptie en functionele, praktische, en andere voordelen van een verlaagd plafond. 81
Type C
open vals plafond nachtventilatie tussen 22h en 6h ; richtwaarde Ts,plafond=22°C controlezone voor nachtventilatie: plenum
luchtdebieten doorheen het vals plafond
Te Ti lucht Tvpl lucht
nachtventilatie
Ti operatief
1800
ATG_65aMAX
1700
ATG_80aMAX ATG_90aMAX
25
1500 1400 1300
VH-vpl v [m³/h]
1200 1100 20
1000 900 800
15
700 600 10
500 400
Q [m³/h]
300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
temperatuur [°C] [W/m².K] T [°C]
1600
ATG_90min ATG_80min ATG_65min Ve-H [m³/h] Ve-vpl [m³/h] VH-vpl [m³/h]
30
luchtdebiet [m³/h]
35
geen nachtventilatie
Ts vloer Ts draagplafond
(fig. 7.14)
82
15 MEI - 30 SEPT.
500
MAX 80 MAX 90 Ti neutraal
400
TO [u]
25
100
376,83
300
75
200
50
20
97
100
25
44,5 15
26,33 4,67
0 5
10
15
20
25
ATG 90
Tref [°C] TO
ATG 65
TO 15 MEI - 30 SEPT. 1200
Cumulatieve onderschrijdingsuren
(c)
(d)
Cumulatieve overschrijdingsuren
1100
125
1000
100 79,67 75
TO [u]
900
TO [u]
0
ATG 80
ATG-klasse
15 MEI - 30 SEPT. 150
125
onderschrijdingsdagen
(b)
Min 80 Min 65
30
overschrijdingsuren onderschrijdingsuren overschrijdingsdagen
(a)
Min 90
To [°C]
TO 15 MEI - 30 SEPT.
dagen
35
Type C
ATG
To max To min MAX 65
844,17
800 700 600 525,83 500
50
400 300
25
256,33
200 82,83
100
6,67 0
25
16,17
28
29
0 18
19
20
To [°C]
21
22
24
25
26
27
To [°C]
5 30 (fig. 7.15)
83
7.4.
Type Cv - gestuurd open plafond
7.4.1. kameropstelling
De opstelling die nu uit de doeken wordt gehaald, heeft als enig verschil met de vorige opstelling dat nu in de openingen van het verlaagd plafond regelbare roosters zijn aangebracht. Het doel hiervan is het zo lang mogelijk koel houden van de massa van het plafond tot wanneer er effectief koeling nodig is. Er wordt gehoopt op deze manier het vals plafond voornamelijk ‘s ochtends gesloten te kunnen houden om de verscholen massa nog koud te hebben tegen dat het kwik hogere pieken bereikt en zo een hogere efficiëntie te bereiken.
type Cv nachtventilatieperiode
(fig 7.16 a)
type Cv gebruiksperiode_open roosters
(fig 7.16 b)
type Cv gebruiksperiode_gesloten roosters
(fig 7.16 c)
84
Te Ti lucht Tvpl lucht
overschrijdingsuren
T [°C]
30
25
geen nachtven
VH-vpl v [m³/h]
20
15
10
5
uur
85
0
18
6
0
0
12
(fig. 7.17)
18
12
6
0
0 0
[W/m².K]
Het eerste dat opvalt bij de eerste simulatieresultaten (‘standaardregeling’) is het groter aantal overschrijdingsuren ten opzichte van de opstelling met constant open vals plafond. De verklaring hiertoe moet gezocht worden in de sluiting van de plafondroosters (zie fig. 7.17 en 7.18). Bij de eerste, “standaard”-regeling, wordt opgelegd dat het luchttemperatuursverschil tussen het plenum en de ruimte minstens 1°C moet bedragen voordat de plafondroosters open mogen. Dit wordt gedaan om te vermijden dat tijdens de gebruiksperiodes warmere lucht uit het plenum zou komen, of dat ‘s nachts net warmere lucht uit de gebruikerszone het plafond zou opwarmen. Beide situaties zijn mogelijk. De eerste kan zich voordoen ‘s ochtends, aangezien de ruimte sneller afkoelt dan het plenum waardoor bij het intreden van de gebruiksperiode het openen van het vals plafond de ruimte niet zal afkoelen. De tweede situatie doet zich voor aan het einde van de gebruiksperiode. Op dat ogenblik kan de vloer soms warmer zijn dan het plafond. In dat geval is het best om het verlaagd plafond gesloten te houden en zo te vermijden dat de warmte uit de gebruikerszone wordt afgegeven aan het plafond. Zo zal bij
nachtventilatie
Ti operatief Ts vloer Ts draagplafond ATG_65aMAX ATG_80aMAX ATG_90aMAX ATG_90min ATG_80min ATG_65min Ve-H [m³/h] Ve-vpl [m³/h] VH-vpl [m³/h]
35
18
7.4.3. werking, efficiëntie en neveneffecten
12
Als vertrekpunt voor de regeling van de opstelling wordt uiteraard vertrokken van de bevindingen die zonet zijn opgemaakt bij het bestuderen van het constant open vals plafond. Bijgevolg worden hier enkel regelingen vermeld waarbij de nachtventilatie tot 6 uur ‘s ochtends mogelijk blijft en als doel heeft het plafondoppervlak af te koelen tot 22°C. In elk van de onderstaande simulaties werd ook de snellere sluiting van de ventilatieroosters vermeden door, in plaats van de gebruikerszone, het plenum als controle-zone te gebruiken bij het meten van het temperatuursverschil met de buitenlucht. Verder gaan de plafondroosters open wanneer de binnenluchttemperatuur 23°C overschrijdt.
het inluiden van de nachtventilatie het plafond nog kouder zijn dan de vloer en doet zich een gunstiger vertrekspunt voor, zowel om het plafond tegen de volgende ochtend koud te krijgen als om de snellere afkoeling van de vloer te compenseren en zo de onderkoeling te verlagen. Doordat het luchtdebiet dat het plenum doorspoelt aanzienlijk is en het plenum zelf klein is, zakt het verschil tussen de binnenlucht- en de plenumluchttemperatuur vrij snel onder 1°C waardoor de roosters sluiten. Het luchtdebiet doorheen het verlaagde plafond bereikt waarden tot over de 700 m³/h. Gezien het kleine volume lucht binnen het vals plafond is dit, uitgedrukt in ventilatievouden voor het plenum, maar liefst ongeveer 100ach ! Hoge debieten doen zich voor zowel ‘s nachts als overdag. Bijgevolg zal het plafond ‘s nachts onvoldoende afgekoeld raken en overdag onvoldoende tijd krijgen om de warmte uit de ruimte eronder op te vangen. Het te vaak en te snel sluiten van de roosters valt duidelijk op in onderstaande grafiek. Het verschijnsel doet zich zowel overdag als ‘s nachts voor. luchtdebieten doorheen het vals plafond
6
7.4.2. regeling
Er zijn hierdoor twee veranderingen die aan de systeemregeling moeten worden doorgevoerd. De eerste is de plafondroosters zo instellen dat het pas sluit bij een lager temperatuursverschil tussen de binnenlucht en de plenumlucht. Het tweede dat moet gebeuren is de minimale openingstijd van de plafondroosters verlengen (en de minimale sluitingstijd niet mee verhogen). De optimale resultaten werden in de simulaties bekomen van zodra het minimale temperatuursverschil verlaagd werd naar 0,3°C en de roosters steeds minstens een kwartier open bleven (en elke sluiting minimaal 5 minuten duurt). 0,3°C is een heel kleine waarde, maar deze is niet onredelijk. Ten eerste is het instellen van een minimaal temperatuursverschil tussen plenumlucht en binnenlucht slechts voor twee periodes van de dag zinvol en kan dus eventueel enkel voor die periode deze controle-waarde opgelegd worden. Zoals zonet vermeld loopt men enkel het risico dat het temperatuursverschil ongunstig is tijdens de eerste ochtenduren en de fase tussen het einde van de gebruiksperiode en het begin van de nachtventilatieperiode. Ten tweede is een minimaal verschil van 0,3°C niet zo onredelijk indien men vertrekt van apparatuur met een hogere meetnauwkeurigheid. Bij meetapparatuur met een nauwkeurigheid van om en bij de 0,1°C zou theoretisch reeds 0,2°C voldoende zijn, aangezien dit het dubbele van de meetnauwkeurigheid is en hier een temperatuursverschil bepaald moet worden. Het zal weliswaar niet altijd vanzelfsprekend zijn een dergelijk hoge nauwkeurigheid in de praktijk te bekomen. Sowieso blijkt het uit de simulaties dat een keuze van 0,2°C geen meetbare verbetering geeft. Het optimum wordt bereikt bij 0,3°C en bij 0,5°C is de grootste vooruitgang reeds geboekt. De tweede aanpassing aan de regeling om voldoende warmte-uitwisseling te bekomen is dus het verlengen van de minimale openingstijd tot een kwartier. Dit leidt geenzins tot groter risico op te sterke afkoeling van de ruimte of onderkoeling. Het betreft hier immers geen actief koelsysteem met lage inblaastemperaturen. De lucht die hier uit het plenum de kamer binnenstroomt is immers maar beperkt afgekoeld door het kouder plafond. Het plafond wordt ‘s nachts immers niet verder dan tot 22°C afgekoeld en de lucht stroomt er overdag tegen gemiddeld 550m³/h door, waardoor deze zelfs nog niet volledig is afgekoeld tegen dat de andere kant van het
plenum bereikt wordt. Het temperatuursverschil in het plenum tussen in- en uitstromende lucht zal bovendien ook des te lager zijn naarmate het plafond langer openblijft aangezien ook de warmte niet bliksemsnel diep in het vloerpakket verdwijnt. Een minimale openingstijd van 15 minuten en een minimaal temperatuursverschil van om en bij de 0,3°C zijn dus niet onredelijk, maar juist nuttig om het grootste rendement uit het systeem te halen. De daling van de overschrijdingsuren die hieruit voortvloeit is duidelijk leesbaar op de grafiek. Het aantal overschrijdingsuren ligt nu iets lager dan bij de opstelling zonder plafondroosters.
onderkoeling Naast de stijging van het aantal overschrijdingsuren, blijkt ook vaker onderkoeling voor te komen dan in de opstelling zonder plafondroosters. Dit heeft twee oorzaken. Ten eerste zorgt de herhaalde sluiting van de plafondroosters tijdens de nachtventilatie ervoor dat de vloer nog sneller en sterker afkoelt in verhouding met het plafond. Hierdoor zal de vloer ‘s ochtends dus nog kouder zijn dan in de vorige opstelling en neemt de onderkoeling toe. Dit probleem is reeds opgelost door de verbetering van de regeling die hierboven is voorgesteld (een minimale openingstijd van 15 minuten en een minimaal temperatuursverschil van om en bij de 0,3°C). Op de grafiek wordt hierbij inderdaad reeds een aanzienlijke daling van de onderkoeling opgemerkt. De tweede oorzaak moet gezocht worden binnen de periode tussen het einde van de nachtventilatie en het begin van de gebruiksperiode. Bij de bespreking van de opstelling met constant open vals plafond is reeds vermeld dat die tussenfase belangrijk is om terug tot een thermisch evenwicht te komen tussen de gebruikerszone met de koudere vloer en het plenum met het warmere plafond. Aangezien hier werd ingesteld dat de plafondroosters enkel open zouden gaan tijdens de gebruiksperiode om de ruimte af te koelen en tijdens de nachtventilatie om het plafond af te koelen, wordt nu deze belangrijke fase overgeslagen en stijgt de onderkoeling. De roosters 86
moeten dus ingesteld worden om ook tijdens deze periode open te gaan van zodra de ruimte onder het verlaagd plafond kouder is dan het plenum. Deze aanpassing zorgt dus voor een bijkomende en aanzienlijke daling van het aantal dagen met onderkoeling. Nu blijkt onderkoeling zich niet meer vaker voor te doen dan bij afwezigheid van plafondroosters.
TO type Cv_roostersluiting & ochtendevenwicht 500
125
Cv_standaardregeling Cv_roostersluiting
425,5 400
100
Cv_ochtendevenw icht
365,3 367,3
TO [u]
koude dagen
300
75
200
50
dagen
w arme dagen
132,3 90
100 61
43,2
25 49,5
3�,5 15,�
0 ATG90
90
6,2
4,7
ATG80
ATG-klasse
4,� ATG65
25 0,�
24,7 0
(fig 7.18)
7.4.4. conclusie Vergelijking met type C (zonder plafondroosters) Uiteindelijk blijkt dat nauwelijks voordeel gehaald kan worden uit het plaatsen van regelbare ventilatieroosters in de plafondopeningen. De onderkoeling wordt er niet minder door en de vermindering van de oververhitting van de ruimte is vrij beperkt. Dit komt voornamelijk door het onderkoelingsfenomeen dat zich hier voordoet doordat het plafond trager afkoelt dan de vloer. Hierdoor moeten de plafondroosters zodanig vaak open blijven dat er geen groot verschil meer is met de vorige opstelling. De verlaging van het aantal overschrijdingsuren die wel meetbaar is, komt door de sluiting van het plafond overdag wanneer geen koeling nodig is alsook door het gesloten blijven van het vals plafond na de gebruiksperiode waardoor wordt vermeden dat de nachtventilatie begint met een plafond dat warmer is dan de vloer. Het voordeel blijft weliswaar heel beperkt. Uit deze eerste studie blijkt dus dat het de extra investeringen voor de plafondroosters en de luchtthermometers in de valse plafonds waarschijnlijk niet waard zal zijn. Om wel voordeel te kunnen halen uit het plaatsen van roosters in de plafondopeningen moet dus eerst en vooral het onderkoelingsfenomeen aangepakt worden dat veroorzaakt wordt door de onrechtstreekse afkoeling van het plafond en de hierbij horende lagere vloertemperaturen. Een oplossing hiervoor wordt in de volgende paragraaf voorgesteld aan de hand van een nieuwe opstelling waarbij de luchtstroom van de nachtventilatie een andere weg volgt.
87
Type Cv
gestuurd (open) vals plafond nachtventilatie van 22h tot 6h ; richtwaarde Ts,plafond=22°C plafondroosters extra open van 6 tot 8h
luchtdebieten doorheen het vals plafond
Te Ti lucht Tvpl lucht
nachtventilatie
Ti operatief
1800
ATG_65aMAX
1700
ATG_80aMAX ATG_90aMAX
25
1500 1400 1300
VH-vpl v [m³/h]
1200 1100 20
1000 900 800
15
700 600 10
500 400
Q [m³/h]
300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
temperatuur [°C] [W/m².K] T [°C]
1600
ATG_90min ATG_80min ATG_65min Ve-H [m³/h] Ve-vpl [m³/h] VH-vpl [m³/h]
30
luchtdebiet [m³/h]
35
geen nachtventilatie
Ts vloer Ts draagplafond
(fig. 7.19)
88
Type Cv
ATG
To max To min
15 MEI - 30 SEPT.
MAX 65 MAX 80
500
MAX 90 Ti neutraal
(a)
Min 90
125
overschrijdingsdagen onderschrijdingsdagen
(b)
400
Min 80 Min 65
100 367,33
TO [u]
30
overschrijdingsuren onderschrijdingsuren
25
300
75
200
50
dagen
35
To [°C]
TO 15 MEI - 30 SEPT.
20 90
100
25
38,5 15
24,67 4,67
0 5
10
15
20
25
ATG 90
Tref [°C] TO
TO 15 MEI - 30 SEPT. 1200
Cumulatieve onderschrijdingsuren
(c)
(d)
Cumulatieve overschrijdingsuren
1100
125
1000
100
75 65,33
TO [u]
900
TO [u]
ATG 65
ATG-klasse
15 MEI - 30 SEPT. 150
0
ATG 80
854,83
800 700 600 511,83
500 50
400 300
25
252,33
200
0 18
19
20
To [°C]
81,17
100
7 0,17
24,17
16,5
28
29
0 21
22
24
25
26
27
To [°C]
5 30 (fig. 7.20)
89
7.5.
Type Dv - nachtventilatie via gestuurd open plafond
7.5.1. kameropstelling Het systeem dat hier wordt voorgesteld heeft als belangrijkste verschil met de vorige systemen dat hier niet de ruimte, maar het plenum van het valse plafond ‘s nachts geventileerd wordt. De roosters die voor de nachtventilatie zorgen, bevinden zich boven het verlaagde plafond. Voor de rest is de opstelling identiek aan de vorige. Het betreft dus een ruimte met verlaagd plafond met twee stroken roosters die geopend kunnen worden. ‘s Nachts wordt het verlaagde plafond afgesloten en wordt de buitenlucht rechtstreeks doorheen het plenum gestuurd. Overdag blijven de roosters in de gevel toe en openen de roosters in het verlaagde plafond zich wanneer de temperatuur in de ruimte eronder te hoog opklimt. Gevolg hiervan is wel dat, net zoals bij het systeem met gesloten verlaagd plafond, het vloerpakket enkel langs één zijde wordt afgekoeld. Overdag kan de warmte daarentegen wél opnieuw langs beide zijdes door het vloerpakket worden opgenomen.
type Dv nachtventilatieperiode
(fig 7.21 a)
type Dv gebruiksperiode_open roosters
(fig 7.21 b)
type Dv gebruiksperiode_gesloten roosters
(fig 7.21 c)
90
doel van het systeem Dit nieuw systeem werd hier ontwikkeld om een antwoord te bieden op meerdere problemen van nachtventilatie. Het eerste wat hiermee beoogd wordt, is te vermijden dat ‘s nachts koude buitenlucht tegen aanzienlijke debieten de gebruikerszone moet worden doorgestuurd. Hierdoor wordt het gevaar voor te hoge luchtsnelheden binnen en het opwaaien van papieren e.d. vermeden. Dit betekent ten eerste dat, indien realiseerbaar, hogere debieten mogen worden binnengelaten om het plafond te koelen. Ten tweede zal de nachtventilatie ook mogen blijven doorgaan wanneer buiten grotere windsnelheden gemeten worden. Ten derde wordt het ook mogelijk gesteld om de nachtventilatie te laten doorgaan terwijl de ruimte nog gebruikt moet worden. Zo zou de nachtventilatieperiode zelfs kunnen worden uitgebreid tot overlapping voorkomt met de gebruiksperiode, of omgekeerd. Ook al wordt nachtventilatie pas na de meest gangbare kantooruren zinvol omdat de buitentemperatuur laag genoeg moet zijn, soms kunnen mensen ook op andere tijdstippen in de ruimte aanwezig moeten zijn. Dit kan gebeuren door overuren, nachtshiften, of zelfs om onderhoudsredenen, om o.a. de kuisploegen vrije ruimte te geven buiten de kantooruren. Verder opent dit nieuwe toepassingsgebieden voor nachtventilatie, buiten de gesloten kring van de dagkantoren.
krijgt ook als doel koude massa klaar te zetten tegen de volgende effectieve warme zomerdag. Om onderkoeling op koude dagen te voorkomen wordt nachtventilatie enkel ingezet indien het de voorbije dag warm was. Gevolg daarvan is dat de massa van het gebouw soms terug opwarmt tijdens koelere periodes omdat geen nachtventilatie aanwezig is en dat plotse warme dagen zullen beginnen zonder dat de massa van het gebouw is afgekoeld. Nu zal bij dit nieuwe systeem de massa in het plafond langer koel blijven, over dagen zonder nachtventilatie heen. Naargelang de temperaturen van de voorbije dagen en de periode van inactiviteit van de nachtventilatie zal dan nog meer of minder koelvermogen aanwezig zijn tegen die eerste plotse warme dag. Ten tweede biedt de mogelijkheid om het verlaagd plafond overdag te sluiten ook een voordeel om onderkoeling ‘s ochtends in te perken doordat de gebruikerszone afgeschermd is van het koude plafond. Het is nu niet meer zoals bij het vorig systeem de vloer, maar het plafond dat aan het einde van de nachtventilatie het koudst zal staan. Zo zal verder ook blijken dat hierdoor ook de temperatuur waarnaar het plafond ‘s nachts wordt afgekoeld lager kan worden gekozen. Dit zal uiteraard het koelvermogen van het plafond nogmaals verhogen. Er wordt hier dus een systeem bestudeerd dat ook een antwoord kan bieden aan het boven opgemerkte probleem van de toename van de onderkoeling bij open valse plafonds. 7.5.2. regeling
Naast de voordelen die dit systeem ‘s nachts biedt, levert het ook overdag voordelen op. Van het vloerpakket wordt hier als het ware een koelbatterij gemaakt die aan en uit gaat wanneer nodig. De voordelen van een nachtventilatiesysteem waarbij overdag de afgekoelde massa kan worden afgeschermd zijn tweezijdig. Ten eerste wordt het mogelijk het plafond langer koel te houden om zo een hoger koelvermogen in voorraad te houden tegen het ogenblik dat koeling effectief nodig is. Dit geldt niet enkel binnen de cyclus van één dag, maar ook over de dagen heen. Nachtventilatie doet zo meer dan enkel de warmte van de voorbije dag naar buiten afvoeren om de volgende, al dan niet warme dag, terug op een aangenamere temperatuur te kunnen inluiden. Nachtventilatie
Om na te gaan of de zonet gestelde hoge verwachtingen haalbaar zijn, is een reeks simulaties uitgevoerd met steeds andere systeemregelingen, op zoek naar de mogelijkheden alsook naar de limieten van het systeem. Zoals verwacht kan worden uit hetgeen hierboven staat, is er bij dit systeem wél meer marge om de regeling ‘s nachts te veranderen. Het blijkt onder andere dat het plafond inderdaad tot één graad lager, tot 21°C, mag worden afgekoeld. Er zullen nog andere aanpassingen nodig zijn om bijvoorbeeld te vermijden dat de roosters ‘s nachts te vaak terug sluiten en zo het afkoelen van het vloerpakket onderbreken. In volgend paragraaf staan de belangrijkste bevindingen van dit onderzoek: 91
waarop gelet moet worden bij dit systeem, tot hoever het systeem kan worden uitgebuit zonder negatieve randverschijnselen te vertonen enz.
7.5.3. werking, efficiëntie en neveneffecten stabiliteit van de nachtventilatie De resultaten uit de eerste simulaties, waarbij de standaardinstellingen zonder enige aanpassing gebruikt worden, geven veel meer overschrijdingsuren dan eerst gehoopt werd (zie fig. 7.22). Het is wel onmiddellijk duidelijk wat aan de oorzaak hiervan ligt: de ventilatie van het plenum wordt zowel ‘s nachts als overdag te vaak tijdelijk gestopt. De sluiting van de gevelroosters ‘s nachts heeft als gevolg dat het plafond onvoldoende gekoeld raakt. Het sluiten van de plafondroosters overdag verlaagt hierbij nog eens de convectieve overdracht van warmte van de gebruikerszone naar het plafond. In beide gevallen moet de oorzaak gezocht worden in het kleine volume van het plenum in verhouding tot de luchtdebieten die erdoor stromen, net zoals bij de vorige opstelling. Het gemiddelde luchtdebiet dat overdag doorheen het verlaagde plafond stroomt is bij deze opstelling zelfs hoger dan in de vorige. Zoals verder zal blijken, kan het plafond bij deze opstelling ‘s nachts tot lagere temperaturen worden afgekoeld terwijl de ruimte zelf warmer blijft. Dit leidt bijgevolg tot grotere temperatuursverschillen tussen de de gebruikerszone en het plenum en bijgevolg ook tot sterkere natuurlijke luchtstromen. Er worden waarden tot boven de 700 m³/h behaald en gemiddeld heerst er een debiet van ongeveer 550 m³/h. Gezien het kleine volume van het plenum is dit, uitgedrukt in ventilatievouden, respectievelijk ongeveer 100 en 73 ach ! Bijgevolg zal de luchttemperatuur in het plenum overdag heel snel stijgen tot deze in de gebruikerszone en zullen de plafondroosters zich sluiten. Hier moeten dus aan de regeling dezelfde twee aanpassingen verricht worden als bij de vorige opstelling:de plafondroosters pas laten sluiten bij een lager temperatuursverschil tussen de buitenlucht en de plenumlucht en de minimale
openingstijd van de plafondroosters verlengen. De optimale resultaten werden ook hier bekomen van zodra het minimale temperatuursverschil verlaagd werd naar 0,3°C en de roosters steeds minstens een kwartier open bleven. Hier is het risico bovendien nog kleiner dat het plafond zich foutief zou openen.Tijdens de gebruiksperiode, van 8 uur ‘s ochtends tot 19 uur ‘s avonds, blijft de plenumlucht immers steeds kouder. Zelfs op een dag die niet door nachtventilatie werd voorafgegaan is het tegen de ochtend meestal reeds terug warmer in de gebruikerszone dan boven het vals plafond. Enige uitzondering hierop zijn de eerste minuten van de gebruiksperiode tijdens heel koude dagen. Aangezien het dan in de gebruikerszone net fris is, gaat het verlaagde plafond sowieso niet open. Het is dan in de gebruikerszone minder dan 23°C, de setpoint voor het verlaagde plafond om open te gaan. Een minimale openingstijd van 15 minuten en een minimaal temperatuursverschil van om en bij de 0,3°C zijn hier dus nog beter verantwoordbaar, en zorgen voor een aanzienlijke verhoging van het systeemrendement (zie fig. 7.22). De herhaalde snelle sluiting van de gevelroosters ‘s nachts doet zich om dezelfde redenen voor als de sluiting van de plafondroosters. Doordat het plenum maar een kleine zone is, komt een nachtventilatiedebiet van 475m³/h hier voor het valse plafond overeen met een ventilatievoud iets groter dan 60! Bijgevolg zal de temperatuur in het plenum heel snel dalen tot de buitenluchttemperatuur en zal het gevelrooster zich sluiten. Het minimale temperatuursverschil binnen-buiten kan verlaagd worden van 2 naar 1°C. Verder gaan dan dat zal moeilijk realiseerbaar zijn. De meetinstrumenten op zich zouden daar wel nauwkeurig genoeg voor zijn, maar de metingen van de thermometers buiten kunnen beïnvloed worden door de plaatsing ervan. Zo zullen mogelijk kleine temperatuurverschillen gemeten worden buiten aan de verschillende gevels van het gebouw en op hoogte van de verschillende verdiepingen. Naargelang de omvang van het gebouw, de homogeniteit van de buitenomgeving en de plaatsing van de thermometers zal het verschil al dan niet groot zijn tussen de gemeten buitenluchttemperatuur en de temperatuur van de binnenstromende lucht. 92
Eventueel kan ook nog meer dan één thermometer gebruikt worden. Alleszins hangen deze factoren teveel af van de reële situatie om hier een vaste waarde voor te stellen. Hier werd algemeen 1°C beschouwd als realiseerbare som van de haalbare nauwkeurigheid van binnen- en buitenluchttemperatuur. De minimale openingstijd van het gevelrooster blijkt uit de simulaties tot minstens 45 minuten te moeten worden opgetrokken. Gezien bij dit systeem niet de gebruikerszone maar enkel het vals plafond geventileerd wordt, levert dit geen grote risico’s met betrekking tot mogelijke plotse stijging van de windsnelheden buiten. Deze verlenging van de minimale openingstijd tot drie kwartier samen met de verlaging van het minimale temperatuursverschil tot 1°C zorgen ‘s nachts voor een veel betere afkoeling van het plafond. Dit valt af te leiden zowel uit de grafieken van de temperatuursverlopen als de enorme vermindering van het aantal overschrijdingsuren (zie fig 7.22).
TO 500
754,7
679
type Dv_roostersluiting
569
125
Dv_standaardregeling Dv_sluiting plafondroosters overdag
399,3
400
100
318,7 300
w arme dagen koude dagen
75
190,7
50
217,8 200
dagen
TO [u]
Dv_sluiting gevelroosters 's nachts
125,5 100
0
76
6,5 ATG90
6,8
9,3
0,5
0,5
1
ATG80
ATG-klasse
25
0 ATG65 (fig 7.22)
einduur van de periode voor nachtventilatie Hierboven werd aangehaald dat bij dit systeem de nachtventilatie misschien langer zou mogen duren en dat er zo meer kans zou zijn om het gebouw tot de gewenste temperatuur te koelen. Dit is uiteindelijk niet zomaar waar. Bij de vorige systemen werd de gebruikerszone geventileerd en kwam onderkoeling ‘s ochtends voor door de te lage binnenluchttemperatuur. Deze kon niet voldoende gecompenseerd worden door de warmere stralingstemperatuur gezien het gebouw aan het binnenoppervlak tot 22°C was afgekoeld. Bij het systeem met open verlaagd plafond was de onderkoeling zelfs nog groter doordat de vloer sterker werd afgekoeld dan het plafond. In dit geval echter wordt de gebruikerszone ‘s nachts niet geventileerd en zakken de temperaturen er niet sterk genoeg om de gemeten onderkoeling te verklaren. De onderkoeling bij dit systeem doet zich immers voor op warme dagen met koude nachten. Gezien de kamer ‘s nachts niet afgekoeld is kan de temperatuur er ‘s ochtends reeds vroeg boven de 23°C opklimmen. Bijgevolg opent het verlaagde plafond zich, terwijl de plenumlucht nog heel koud is. Het binnenstromen van deze koude lucht zorgt voor een extra aandeel aan onderkoeling, tijdens warmere periodes. Dat de plenumlucht bovendien net tijdens die periodes met warmere dagen toch zo koud ligt kan eenvoudig verklaard worden. Gezien de hoge temperaturen die overdag bereikt worden, is het plafond ‘s nachts tegen het begin van de nachtventilatie ook warmer. Doordat bovendien de buitenlucht aan het begin van de nacht ook nog eens warmer is dan tijdens koude periodes, zal meer tijd nodig zijn om het plafond af te koelen tot de gewenste temperatuur. Bijgevolg zullen de roosters zich pas sluiten wanneer de nachtventilatieperiode gedaan is. De lucht die op die laatste uren binnenstroomt is wel reeds aanzienlijk kouder en zal de tijd niet krijgen om op thermisch evenwicht te komen met het plafond tegen dat de roosters naar de ruimte opengaan. Dit verklaart waarom net op dagen met hogere warmtewinsten maar wel met koelere nachten, tijdelijk onderkoeling kan ontstaan. Deze onderkoeling duurt wel niet lang gezien de wanden en de vloer wel warmte afgeven via straling en convectie en het niet het plafond is dat voor onderkoeling zorgt, maar het beperkte volume aan koude lucht in het plenum. 93
Een mogelijke oplossing hiervoor zou zijn om de nachtventilatie vroeger te stoppen. Dit zou meer tijd vrij maken voor de lucht in het plenum om zich aan het warmere plafondoppervlak op te warmen. Toch is dit een slecht idee aangezien dit de tijd verkort waarover het plafond beschikt om af te koelen en het hier net gaat om dagen met hogere warmtewinsten. De minieme verlaging van de onderkoelingsuren is niet verantwoordbaar ten opzichte van de aanzienlijke verhoging van de overschrijdingsuren die er samen mee gepaard gaan. Een betere oplossing is om het verlaagd plafond ‘s ochtends pas later te doen opengaan. Eén mogelijkheid hiervoor is letterlijk instellen dat de plafondroosters nog niet om 8 uur, maar bijvoorbeeld slechts tegen 9 uur open mogen. Een veel betere oplossing is ervoor zorgen dat het ‘s ochtends in de gebruikerszone kouder is dan 23°C waardoor de roosters automatisch niet open zullen gaan. Naast allerhande andere vormen van koeling is het logischer om dit te verwezenlijken door eenvoudigweg de ruimte ‘s nachts of ‘s ochtends te ventileren met koudere buitenlucht voordat de gebruikers binnenkomen. Dit komt dus overeen met een ontdubbeling van de nachtventilatie, zowel doorheen het valse plafond als doorheen de ruimte. Deze opstelling wordt in hoofdstuk 7.6. (pp.100 e.v.) besproken. Er moet wel gezegd worden dat deze vorm van onderkoeling zich in werkelijkheid minder vaak zal voordoen. In deze simulaties werd, zoals eerder verwoord en verantwoord, enkel nachtventilatie in rekening gebracht als koelingsmechanisme. In werkelijkheid zullen net op die warmere dagen waarop zich deze vorm van onderkoeling voordoet, extra koeling ingezet worden. Hier wordt niet noodzakelijk een of andere vorm van mechanische koeling verondersteld, maar bijvoorbeeld reeds eenvoudige ingrepen zoals het openen van ramen. Dit zal dus leiden tot lagere temperaturen overdag waardoor het de volgende ochtend ook frisser zal zijn in de ruimte en het valse plafond niet onmiddellijk open zal gaan. M.a.w zal de setpointtemperatuur voor het openen van de plafondroosters (hier 23°C) pas later op de dag bereikt worden. Tegen dat ogenblik zal de plenumlucht reeds iets warmer zijn en geen onderkoeling meer veroorzaken bij het binnenstromen van de gebruikerszone.
Setpointtemperatuur voor nachtventilatie Eén van de andere mogelijke voordelen die hierboven werden opgesomd, was het verlagen van de temperatuur waarnaar het plafond ‘s nachts zou worden afgekoeld. De veronderstelling dat dit niet zoals bij de andere opstellingen zou leiden tot sterke onderkoeling is nu bevestigd door de simulaties. In plaats van het plafond slechts tot 22°C af te koelen, moet hier de nachtventilatie pas gestopt worden wanneer de oppervlaktetemperatuur van het vloerpakket aan de plafondzijde 21°C bedraagt. Deze extra graad zorgt voor een grote daling van de overschrijdingsuren zonder veel meer onderkoeling met zich mee te brengen (zie fig. 7.23). Dit komt natuurlijk doordat enkel het plenum tot 21 graden wordt gekoeld en de roosters ook maar open gaan wanneer het in de ruimte eronder reeds warmer is. Verder dan dat mag niet gegaan worden. Het plafond koelen tot bijvoorbeeld 20°C leidt wel tot onderkoeling via geleiding doorheen het verlaagde plafond, ook al is deze geïsoleerd. Bovendien zakt het aantal overschrijdingsuren hierbij nauwelijks. Dit komt doordat de periodes die het meest baat zouden hebben aan deze extra afkoeling, net de zeer warme periodes zijn, met eveneens warmere of althans lauwere nachten. Bijgevolg koelt het plafond ‘s nachts niet snel genoeg af om op het einde van de nachtventilatieperiode de 20°C te bereiken. Het blijkt dus niet enkel zinloos maar bovendien zelfs nefast om de setpoint voor nachtventilatie hier lager dan 22°C te kiezen.
94
TO type Dv_plafondtemperatuur bij nachtventilatie
500
569
125
Dv_Tricht=22°C Dv_Tricht=21°C
100
Dv_Tricht=20°C w arme dagen koude dagen
335,7
TO [u]
351,3 300
75
217,8
dagen
400
het plafond 22°C bereikt. Dit zorgt effectief voor minder onderkoeling en is zichtbaar in de vlakkere lijn die de dagminima vormen op de grafiek. Maar het zorgt voornamelijk voor het terug stijgen van de overschrijdingsuren (zie fig. 7.25). Zoals hierboven besproken haalt het plafond op het einde van de nachtventilatie tijdens zeer warme periodes geen 21°C. Bijgevolg wordt hier in werkelijkheid teruggekeerd naar de standaardregeling en verliest men het voordeel van dit systeem om het plafond tijdens minder warme periodes wel tot 21°C te kunnen koelen en deze vervolgens ook langer koud te houden tot de volgende warme dag.
200
50
92
9,3 0 ATG90
25,8 1
4
13,8
ATG80
ATG-klasse
25
76 29,8
37,5
0,2
3,7
To [°C]
92,3 59,3
15 MEI - 30 SEPT.
MAX 90 Ti neutraal Min 90 Min 80 Min 65
30
100
ATG
To max To min MAX 65 MAX 80
35
25
20
0
ATG65 (fig. 7.23)
15 5
10
15
20
25
Tref [°C]
(a) (constante richtwaarde= 21°C)
ATG
To max To min MAX 65 MAX 80
35
15 MEI - 30 SEPT.
MAX 90 Ti neutraal Min 90 Min 80 Min 65
30
To [°C]
Een ander punt valt op in de grafieken met de uitgeplotte dagminima en -maxima. Bij dit systeem stijgen de dagminima sterker mee met de buitenreferentietemperatuur, ze stippelen een steilere curve op de grafiek dan bijvoorbeeld bij de opstelling zonder verlaagd plafond. Hierdoor is de marge dus kleiner om de nachtventilatie nog verder op te drijven gezien de lijn van de dagminima veel eerder de ondergrenzen zal kruisen, tijdens frissere periodes. Dit stemt overeen met wat hierboven werd uiteengezet. Om ervoor te zorgen dat de minima op koudere dagen ‘s ochtends hoger zouden liggen, zou een differentiatie kunnen worden doorgevoerd tussen de nachtventilatie bij warme dagen en nachtventilatie bij zeer warme dagen. De beste regeling die hiervoor gevonden werd is, om het plafond enkel naar 21°C te koelen indien de maximale buiten- en binnentemperaturen van de voorbije dag hoger liggen dan respectievelijk 24 en 25°C. Wanneer ze respectievelijk tussen 22 en 24 en tussen 23 en 25°C liggen, wordt de nachtventilatie stopgezet wanneer
25
20
15 5
10
15
20
25
Tref [°C]
(b) (gedifferentieerde richtwaarde-21/22°C) (fig. 7.24)
95
mechanische ventilatie eventueel ook beter bijgestuurd worden aan de hand van warmtewisselaars.
TO type Dv_differentiatie van de nachtventilatie 500
Dv_differentiatie 21/22°C
400
100
w arme dagen koude dagen
351,3 300
75
200
50
dagen
424,8
TO [u]
125
Dv_21°C
121,7 92,3
100 25,8 0 ATG90
12
4
25
1
ATG80
ATG-klasse
29,8 ,2
38,7
7.5.4. conclusie
Dit nieuwe systeem waarbij niet de gebruikerszone, maar enkel het valse plafond ‘s nachts geventileerd wordt, blijkt aan de verwachtingen te beantwoorden. Doordat het plafond tot lagere temperaturen kan worden afgekoeld en de plafondroosters gesloten worden wanneer de ruimte geen koeling nodig heeft, worden hier effectief heel goede resultaten bereikt. Onderkoeling doet zich toch nog voor, maar in heel beperkte mate, vooral indien rekening wordt gehouden met het feit dat het plafond hier tot 21°C wordt afgekoeld in plaats van tot 22°C.
0
ATG65 (fig. 7.25)
Nu met dit systeem goede prestaties effectief haalbaar blijken, kan worden gekeken naar de temperaturen die ‘s nachts in de ruimte heersen. Zoals verwacht doet het systeem de operatieve temperatuur ‘s nachts niet diep zakken. Op koudere nachten temidden koelere periodes zakken de temperaturen weliswaar wél onder de ondergrenzen van de ATG-klassen. Dit is een volledig normaal gevolg van het warmteverlies via geleiding doorheen de gevel en het raam. Zou de ruimte nu ‘s nachts wel bezet worden, dan zouden de interne warmtewinsten dit voor een goed deel compenseren, maar wel terug leiden tot hogere ochtendtemperaturen en dus ook later tot hogere temperatuurpieken overdag. Het zal er bijgevolg op neerkomen om wanneer de ruimte ‘s nachts gebruikt wordt de hygiënische ventilatie goed te dimensioneren, deze eventueel opdrijven om de ruimte op een aangename temperatuur te houden, maar niet te overdrijven hierin om onderkoeling te vermijden. Dit is op zich geen moeilijke taak en kan bij
Het aantal overschrijdingsuren blijft hoger dan bij het eerste systeem met open vals plafond en de opstelling zonder verlaagd plafond. Dit was wel te verwachten gezien bij die twee systemen het vloerpakket ‘s nachts langs beide zijdes wordt afgekoeld en dat overdag naar minstens één van die twee afgekoelde zijdes naast convectief ook via straling de operatieve temperatuur naar beneden wordt gehaald. Aangezien hier overdag het vloerpakket wél langs beide zijdes warmte kan opnemen, zijn de resultaten daarentegen veel beter dan bij de opstelling met gesloten verlaagd plafond. Het verschil is zelfs enorm groot en moet dus wel ook andere oorzaken hebben. Een eerste oorzaak is dat de koude zijde kan worden afgeschermd van de ruimte om deze zo gedurende langere periodes koud te houden tot wanneer opnieuw koeling nodig is. Een tweede oorzaak is uiteraard dat bij het nieuwe systeem het plafond ook nog eens naar 21°C in plaats van 22°C wordt afgekoeld, waardoor een grotere koellast kan worden opgenomen. Deze lagere temperatuur aan de plafondzijde zorgt er ook voor dat het temperatuursverval groter is over het vloerpakket heen 96
en de vloerzijde bijgevolg ook rapper via geleiding naar beneden afkoelt. Ten slotte koelt het plafond in dit nieuwe systeem ook rapper af dan de vloer in het andere systeem. Dit komt doordat hetzelfde luchtdebiet bij het nieuwe systeem overeenkomt met een veel groter ventilatievoud waardoor de warmte ook rapper wordt afgevoerd. In werkelijkheid zal dit verschil waarschijnlijk nog iets groter zijn omdat hier de lucht, net als in een zuiger, rechtstreeks en goed verdeeld doorheen het plenum geperst wordt. Wanneer door de kamer geventileerd wordt zal de luchtstroom niet even goed verdeeld zijn over de doorsnede van de ruimte, zullen zich op bepaalde plaatsen tragere snelheden voordoen waar warmere lucht zich tijdelijk zal blijven ophopen en vervolgens terug zal mengen met de rest en naar buiten stromen. Capsol houdt hier geen rekening mee. In Capsol wordt de lucht in de ruimte als perfect gemengd beschouwd, zonder enige vorm van stratificatie. Het verschil dat hierdoor zal ontstaan tussen de werkelijkheid en wat Capsol voorspelt zal waarschijnlijk wel niet zo groot zijn gezien de toch aanzienlijke luchtdebieten die doorheen de ruimte stromen.
daardoor, ook de luchtdebieten doorheen het vals plafond na het openen van de roosters vrij constant blijven en bijgevolg dus de ruimte blijven afkoelen.
Er zou nog een praktisch voordeel kunnen gehaald worden uit dit nieuw systeem: de gebruiker een over-ride-mogelijkheid geven. Aangezien hier een nachtventilatiesysteem ontwikkeld is dat niet enkel ‘s nachts maar ook overdag bijgestuurd kan worden, is het mogelijk de gebruiker het laatste woord te geven om het binnenklimaat een beetje beter naar zijn eigen voorkeur bij te regelen. Hiervoor volstaat een doodeenvoudige knop die de plafondroosters op commando opent of sluit. Zo kan de gebruiker de roosters eventueel vroeger openen of terug sluiten naargelang hij het rapper warm heeft of het net liever iets warmer heeft. Aangezien het hier wel nog steeds een traag passief systeem betreft, moet niet verwacht worden dezelfde persoonlijke adaptatie te bereiken die bijvoorbeeld met een kleine persoonlijke ventiloconvector kan worden aangeboden. Desalniettemin valt op dat bij warme maar niet hete dagen waarop de roosters slechts af en toe kort open komen te staan, elke heropening een merkbaar verschil maakt op het temperatuurverloop binnen de ruimte en dit verschil niet rap terug wegvalt. Dit komt onder andere door de lage temperatuur die het plafond heeft aangezien tijdens die periodes de 21°C ‘s nachts goed haalbaar zijn. Het blijkt ook dat, onder andere net 97
Type Dv
nachtventilatie via het vals plafond nachtventilatie van 22h tot 7h ; richtwaarde Ts,plafond=21°C
luchtdebieten doorheen het vals plafond
Te Ti lucht Tvpl lucht
nachtventilatie
Ti operatief Ts vloer Ts draagplafond
1800
ATG_65aMAX
1700
ATG_80aMAX ATG_90aMAX
1500
ATG_65min Ve-H [m³/h] Ve-vpl [m³/h] VH-vpl [m³/h]
25
1400 1300
VH-vpl v [m³/h]
1200 1100 20
1000 900 800
15
700 600 10
500 400
Q [m³/h]
300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
temperatuur [°C] [W/m².K] T [°C]
1600
ATG_90min ATG_80min
30
luchtdebiet [m³/h]
35
geen nachtventilatie
(fig. 7.26)
98
Type Dv
ATG
To max To min
15 MEI - 30 SEPT.
MAX 65 MAX 80
500
MAX 90 Ti neutraal
(a)
Min 90
125
overschrijdingsdagen onderschrijdingsdagen
(b)
400
Min 80 Min 65
100 351,33
TO [u]
30
overschrijdingsuren onderschrijdingsuren
25
300
75
200
50
dagen
35
To [°C]
TO 15 MEI - 30 SEPT.
20 92,33
100
25 29,83
25,83 15
4
0 5
10
15
20
25
ATG 90
Tref [°C]
0
ATG 65
ATG-klasse
TO
TO
15 MEI - 30 SEPT. 150
0,17
ATG 80
15 MEI - 30 SEPT. 1200
Cumulatieve onderschrijdingsuren
(c)
(d)
Cumulatieve overschrijdingsuren
1100
125
1000 900
TO [u]
TO [u]
826 100
75 62,67 50
800 700 600 510,17
500 400 300
25
258,5
200 10,5
0 18
19
20
To [°C]
84,83
100
0,17
35,83
18,33
28
29
0 21
22
24
25
26
27
To [°C]
5,33 30 (fig. 7.27)
99
7.6.
Type Dve - nachtventilatie via gestuurd open plafond én doorheen de ruimte
7.6.1. kameropstelling Het systeem dat hier getest wordt is eigenlijk doodgewoon het net besproken systeem, maar nu verder ondersteund door ook de gebruikerszone ‘s nachts via ventilatie af te koelen. Hiermee wordt beoogd met lagere ochtendtemperaturen de warme dagen aan te vangen en om het vloerpakket beter af te koelen doordat het nu aan beide zijden in contact komt met buitenlucht. Het debiet waarmee de gebruikerszone geventileerd wordt, is hier veel lager gekozen dan het nachtventilatiedebiet dat tot nu toe gehanteerd werd. Er kan immers niet zomaar verondersteld worden dat door nu twee roosters in de gevel te steken, één in het valse plafond en één in de ruimte eronder, het totale debiet nu ook dubbel zo groot zal zijn. Er zijn meer bepalende elementen dan de roosterafmetingen. Tot nu toe is namelijk met een debiet gewerkt dat met schouwventilatie wel vaak haalbaar is.
type Dve nachtventilatieperiode
(fig 7.28 a)
type Dve gebruiksperiode_open roosters
(fig 7.28 b)
type Dve gebruiksperiode_gesloten roosters
(fig 7.28 c)
100
Bij dit mechanisme moet de lucht dat doorheen de kantoren stroomt via de gangen en verticale circulatieschachten en andere schouwen geëvacueerd worden. De hydraulische doorsneden hiervan en de hoogte van de schouw zullen bepalend zijn voor de totale debieten die voor het hele gebouw haalbaar zijn. Vaak zijn die afmetingen één van de belangrijkste beperkende factoren. In plaats van de twee luchtstromen ergens samen te laten komen, werd beschouwd dat hen allebei een eigen losstaand systeem zou worden toegekend. Zo houdt niets tegen dat aan de ene kant het valse plafond nog steeds op dezelfde manier geventileerd wordt met als drijvende kracht een trekkend schouweffect en dat daarnaast de gebruikerszone bijvoorbeeld eenzijdig of zelfs mechanisch geventileerd wordt. Op deze manier blijft nog steeds hetzelfde debiet doorheen het plenum stromen ongeacht wat er in de ruimte eronder gebeurt. De debieten die via eenzijdige ventilatie haalbaar zijn en deze die op mechanische wijze realiseerbaar zijn zonder tot enorme intstallaties te leiden zijn natuurlijk aanzienlijk kleiner. Hier werd uitgegaan van een debiet van 72m³/h. De reden hiervoor is heel simpel: het is via beide methodes haalbaar en redelijk. Dit blijkt voor eenzijdige ventilatie onder andere uit het doctoraatsonderzoek van Ir. H. Breesch. Waarom nu exact 72m³/h en niet bijvoorbeeld 75m³/h is eenvoudigweg omdat er tot nu is uitgegaan van een hygiënisch ventilatiedebiet van net 72m³/h. Zo wordt nu gekeken of een dergelijk gedimensioneerde installatie voldoende zou zijn om de kantoren de nodige extra nachtventilatie te bieden. Indien wel, dan zal dit betekenen dat er een volledig systeem bestaat dat zowel volledig passief kan werken steunend op natuurlijk eenzijdige en schouwventilatie als deels mechanisch door een eenvoudig ventilatiesysteem te gebruiken ter vervollediging van de natuurlijke nachtventilatie uit het zonet bestudeerde systeem.
geventileerd wordt en de tweede opstelling met gesloten verlaagd plafond, wordt hier ook als regeling gekozen voor een letterlijke combinatie van de optimale regeling van beide systemen. Uit vergelijking met verdere simulaties waarbij getracht werd de regeling nog verder te optimaliseren in functie van eventuele nieuwe verschijnselen bleek dit uiteindelijk ook het optimale systeem. Het plenum wordt dus geventileerd tegen een debiet van 475m³/h tot wanneer de oppervlaktetemperatuur van het plafond er 21°C bedraagt. De minimale openingstijd van de roosters bedraagt 45 minuten, het minimale temperatuursverschil tussen buitenlucht en plenumlucht wordt op 1°C vastgelegd. De gebruikerszone wordt aan 72m³/h geventileerd totdat de temperatuur van het vloeroppervlak 22°C bedraagt. De ventilatie treedt voor de rest enkel in werking indien de buitenlucht minstens 2°C kouder is dan de binnenlucht, en blijft vervolgens minstens een kwartier aan een stuk doorgaan.
7.5.3. werking, efficiëntie en neveneffecten stabiliteit van de nachtventilatie Voor de nachtventilatie doorheen het plenum werd geen verschil opgemerkt met de vorige opstelling wat het openen en sluiten van de roosters betreft. De nachtventilatie doorheen de gebruikerszone blijft daarentegen iets constanter aanstaan dan bij de overige opstellingen waarbij de gebruikerszone rechtstreeks geventileerd wordt. Dit is volledig vanzelfsprekend en voordelig, aangezien hier slechts 72m³ buitenlucht per uur binnenstroomt en de binnentemperaturen trager zakken.
7.5.2. regeling Gezien de opstelling die hier bestudeerd wordt niets meer is dan een combinatie van het laatst besproken systeem waarbij door het valse plafond 101
onderkoeling
nachtelijke temperaturen
Ten opzichte van de opstelling waarbij ‘s nachts enkel het valse plafond geventileerd wordt, neemt de onderkoeling toe, maar slechts in beperkte mate indien met de 80%-ATG-klasse gerekend wordt. Het aantal te koude uren volgens het criterium van de 65%-klasse blijft zelfs volledig identiek. De ondergrens van de 90%-klasse wordt nu door de nachtelijke afkoeling van de kamer natuurlijk wel vaker onderschreden (zie fig. 7.30 b). Dit vormt weliswaar geen probleem gezien het hier toch wel om een redelijk strenge binnenklimaatklasse gaat en de uren nog steeds vrij beperkt blijven, ook al wordt die grens wel twee op de drie dagen onderschreden.
Uiteraard zakken de temperaturen in de gebruikerszone ‘s nachts opnieuw lager dan in het vorig systeem. Dit was dan ook de bedoeling. Maar ze zakken niet enorm dankzij het lage debiet waarvoor gekozen is. Zou de ruimte nu ‘s nachts nog eens gebruikt worden, dan zou dit nog eens de dag- en nachttemperaturen dichter bij elkaar brengen. Dit zal soms wel tot hogere ochtendtemperaturen leiden en er zal moeten worden gelet dat de inblaaslucht niet te koud is. Hiervoor kan het luchtdebiet eventueel tijdelijk verlaagd worden of kan bij mechanische ventilatie indien nodig een deel van de toevoerlucht langs een warmtewisselaar geleid worden om het hele systeem nog steeds zo passief mogelijk te houden.
overschrijdingsuren 7.5.4. conclusie De mate waarin de overschrijdingsuren zakken is daarentegen wel spectaculairder. Het aantal uren over de bovengrens van de 90%-klasse zakt met 21%, in de 80%-klasse bedraagt de verbetering zelfs reeds meer dan 35% en de in de 65%-klasse worden de overschrijdingsuren kortweg gehalveerd. Hiermee worden voor het eerst minder overschrijdingsuren gemeten dan in de opstelling zonder verlaagd plafond! In de 90%-klasse is de verbetering enorm. Het verschil in de belangrijkere 80%-klasse is daarentegen niet groot en zelfs onbenullig in de 65%-klasse. Dat de hoogste temperatuurspieken proportioneel het minst naar beneden zakken komt eenvoudigweg door de beperkte totale thermische massa van het gebouw dat op een bepaald punt ‘opgebruikt’ raakt en door het ontbreken van stralingsgewijze overdracht van warmte naar het massief plafond waardoor de snelheid beperkt wordt waarmee temperatuurstijgingen kunnen worden opgevangen. Dit maakt de behaalde resultaten weliswaar niet minder belangrijk. Het gaat hier immers nog steeds om systeem met een verlaagd plafond!
Er werd hier een iets meer uitgewerkt systeem voorgesteld dat weliswaar complexer is dan de vorige, maar het beste van alle werelden verenigt en bovendien nog eens de beste thermische resultaten levert. Uit deze eerste haalbaarheidsstudie blijkt het nieuwe systeem dus aan de verwachtingen te kunnen beantwoorden. De voordelen liggen niet zozeer in de iets betere thermische prestaties, maar in de haalbaarheid hiervan in combinatie met een verlaagd plafond en de akoestische en praktische voordelen die deze met zich meebrengen. Om goede thermische resultaten te bereiken zal weliswaar een meer uitgebreide installatie nodig zijn dan bij nachtventilatie in een ruimte zonder vals plafond. Ten eerste zullen in elk lokaal zowel in het plenum als in de gebruikerszone temperaturen permanent moeten kunnen worden opgemeten. Bovendien zal het belangrijker worden om genoeg aandacht te besteden aan de opstelling van de buitenthermometers gezien het temperatuursverschil met de plenumlucht zeker tot op één graad bepaald moet worden. Ten tweede zullen ook in het verlaagd plafond automatisch gestuurde roosters nodig zijn. 102
Tenslotte zullen ook nog voor de nachtventilatie zelf hetzij meer automatisch gestuurde roosters of luiken nodig zijn – twee in het valse plafond én één in de ruimte – hetzij beroep moeten worden gedaan op mechanische ventilatie. De nodige debieten om de ruimte verder af te koelen kunnen weliswaar beperkt gehouden blijven waardoor in het eerste geval de roosters niet enorm groot hoeven te zijn en in het tweede geval de verluchtingsinstallatie niet groter moet worden gedimensioneerd. Indien voor natuurlijke, eenzijdige ventilatie gekozen wordt, kunnen in plaats van bijkomende roosters eventueel ook de bestaande ramen gebruikt worden mits invoeren van een automatisch sturingsmechanisme. Indien in bepaalde ruimtes overdag mechanische extractie wordt toegepast kunnen soms reeds roosters aanwezig zijn welke mits eventuele aanpassing ook voor de eenzijdige nachtventilatie gebruikt kunnen worden. Indien voor mechanische ventilatie wordt geopteerd zal naargelang het ontwerp van het gebouw en verdere dimensionering van de luchtgroep wel steeds een gepast evenwicht gezocht moeten worden tussen de verbruikskosten om die ‘s nachts te laten werken en de thermische voordelen die eruit gehaald worden.
103
Type Dve
nachtventilatie via het vals plafond en de gebruikerszone nachtventilatie van 22h tot 7h richtwaardes: Ts,plafond=21°C ; Ts,vloer=22°C
luchtdebieten doorheen het vals plafond
Te Ti lucht Tvpl lucht
nachtventilatie
Ti operatief
1800
ATG_65aMAX
1700
ATG_80aMAX ATG_90aMAX
25
1500 1400 1300
VH-vpl v [m³/h]
1200 1100 20
1000 900 800
15
700 600 10
500
Q [m³/h]
400 300
5
200 100
uur
0
18
12
6
0
18
12
6
0
0
18
12
6
0
18
12
0 6
0 0
temperatuur [°C] [W/m².K] T [°C]
1600
ATG_90min ATG_80min ATG_65min Ve-H [m³/h] Ve-vpl [m³/h] VH-vpl [m³/h]
30
temperatuur [°C]
35
geen nachtventilatie
Ts vloer Ts draagplafond
(fig. 7.29)
104
15 MEI - 30 SEPT.
500
MAX 80 MAX 90 Ti neutraal
125
onderschrijdingsdagen
(b)
400
Min 80 Min 65
TO [u]
30
overschrijdingsuren onderschrijdingsuren overschrijdingsdagen
(a)
Min 90
To [°C]
TO 15 MEI - 30 SEPT.
25
300
100
75
275,67
200
dagen
35
Type Dve
ATG
To max To min MAX 65
50
20 100
25 36,17
15
54,5
5
10
15
20
25
ATG 90
Tref [°C]
ATG 80
0,17
0
ATG 65
ATG-klasse
TO
TO
15 MEI - 30 SEPT. 150
16,17
4,33
0
15 MEI - 30 SEPT. 1200
Cumulatieve onderschrijdingsuren
(c)
(d)
Cumulatieve overschrijdingsuren
1100
125
1000
72
75
TO [u]
TO [u]
900 100
800
752,17
700 600 500 421,83
50
400 300
25
184,67
200 10,5
100
0,17
0 18
19
20
To [°C]
60,33
21,83
9,67
2,5
28
29
30 (fig. 7.30)
0 21
22
24
25
26
27
To [°C]
105
8.
VERGELIJKING VAN DE SYSTEMEN
De belangrijkste aspecten van de verschillende systemen zijn hierboven reeds beschreven. Eventuele randverschijnselen en aandachtspunten zijn vastgesteld. Hieronder worden kort en vooral grafisch de resultaten van de verschillende opstellingen naast elkaar gezet ter bevordering van de onderlinge vergelijking. 8.1.
Thermische dagprestaties
Een gesloten verlaagd plafond biedt het slechtste rendement bij nachtventilatie door het gebrek aan benutbare thermische massa. Het vloerpakket wordt ‘s nachts slechts langs één zijde afgekoeld en kan overdag ook slechts langs de vloerzijde efficiënt warmte opnemen. Alle systemen met open verlaagde plafonds leveren véél betere resultaten en naderen tot de resultaten van de opstelling zonder verlaagd plafond. Deze behoudt als grootste voordeel overdag ook stralingsgewijze warmteopname door het massieve plafond ongehinderd mogelijk te maken. Naast het opnemen van warmte van bijvoorbeeld elektrische apparatuur uit de ruimte, zorgt dit vooral voor een aanzienlijke verlaging van de gemiddelde stralingstemperatuur en bijgevolg een daling van de operatieve temperatuur en een beter binnenklimaat. Door de beperkte stralingsgewijze warmte-overdracht van en naar het plafond verergert het binnenklimaat in een kamer met verlaagd plafond des te sneller naarmate de interne en externe warmtewinsten groter worden. Dit valt ten eerste op doordat proportioneel voornamelijk de overschrijdingsuren van de 65%-klasse uit de ATG-norm toenemen. Het valt visueler nog meer op wanneer gekeken wordt naar de grafieken waarop de dagminima en maxima worden uitgeplot. De lijn die deze vormen zijn steiler bij kantoren met een verlaagd plafond. Dat het verschil voornamelijk op de warmste dagen merkbaar is, komt onder andere doordat de warmte-overdracht van de ruimte naar het plafond nu slechts via convectie gebeurt. Een andere, misschien zelfs belangrijkere reden, is dat bij sterke stijging van de binnentemperatuur, 106
het verschil des te groter wordt tussen de gemiddelde stralingstemperatuur en luchttemperatuur waardoor stralingsgewijze warmteoverdracht rechtstreeks tussen de gebruikers en de koudere bouwelementen des te invloedrijker en belangrijker wordt om een aanvaardbaar binnenklimaat te behouden. Een klassiek open verlaagd plafond heeft als bijkomend nadeel dat het de ruimte in twee zones scheidt waardoor de afkoeling van het plafond door nachtventilatie onrechtstreeks moet gebeuren door lucht dat reeds doorheen de gebruikerszone is gestroomd. Dit leidt tot een verhoging van het risico op onderkoeling en maakt de marge voor het bijsturen en optimaliseren van het systeem heel klein. De nachtventilatie rechtstreeks via het vals plafond laten gebeuren biedt een oplossing op de problematiek van de gedifferentieerde afkoeling tussen vloer- en plafondzijde. Het maakt het ook mogelijk om de plafondzijde tot een lagere temperatuur af te koelen. Het koelvermogen blijft weliswaar iets lager dan bij een kantoor zonder verlaagd plafond en is bijna identiek aan het koelvermogen bij een constant open vals plafond. Dit komt doordat het vloerpakket ‘s nachts slechts eenzijdig wordt afgekoeld. Doordat de vloerzijde wel via geleiding vanuit de onderzijde mee wordt afgekoeld en dat overdag langs beide zijdes warmte kan worden afgegeven aan het vloerpakket, blijven de resultaten wel heel goed en immens beter dan bij een gesloten vals plafond. Het tekort aan afkoeling van de gebruikerszone kan eenvoudig worden opgevangen door de nachtventilatie te ontdubbelen. Hierbij volstaan voor de gebruikerszone veel lagere nachtventilatiedebieten. Het bekomen binnenklimaat wordt hierdoor zelfs beter dan bij kantoren zonder enig verlaagd plafond.
107
500
TO [u]
types A, B, C, Cv, Dv, Dve
814
400
524
377
362
A: geen vals plafond B: gesloten vals plafond C: open vals plafond Cv: gestuurd vals plafond Dv:
367
351
350,8
276
100
nv via vals plafond Dve: ontdubbelde nv warme dagen koude dagen
300
125
200
DAGEN
vergelijking van de systemen
75
50
97
100
78 45 15,8
24
39
Cv
25
54,5 26
2,8
4,7
4,7
4,0
A B ATG80
C
Cv
Dv Dve
0,7 C
92
36
0 A B ATG90
90
Dv Dve
ATG-klasse
4,3
18,5
26,3 24,7 29,8 16,2 0,3 0,2 0,2
A B ATG65
C
Cv
0
Dv Dve (fig. 8.1)
108
8.2.
Nachtelijke binnentemperaturen
De temperaturen die ‘s nachts heersen in de gebruikerszone zijn tot nu toe niet afzonderlijk geanalyseerd. De bestudeerde opstelling is immers deze van een dagkantoor. Er werd wel reeds aangehaald hoe de zeer lage binnentemperaturen ‘s nachts vermeden kunnen worden door ‘s nachts, in plaats van de ruimte, het vals plafond zelf rechtstreeks te ventileren. Hieronder worden kort enkele grafieken weergegeven die het verschil aantonen tussen de opstelling zonder vals plafond (type A), deze met een constant open vals plafond (type C), en deze waarbij zowel het plenum als de gebruikerszone rechtstreeks wordt afgekoeld (type Dve). Eerst wordt de verdeling van de operatieve temperatuur voor elk van deze drie systemen weergegeven. Op dezelfde grafiek is het onderscheid duidelijk gemaakt tussen de waarden overdag en deze ‘s nachts. Hetzelfde is gedaan voor de binnenluchttemperaturen (zie fig. 7.32). Uiteindelijk is ook het verloop van de operatieve temperatuur over de hele zomerperiode in grafieken weergegeven (zie fig. 7.33). Ook al vertelt de operatieve temperatuur meer bij het beoordelen van het binnenklimaat, is hier ook de binnenluchttemperatuur belangrijk omdat het een idee geeft van de temperatuur van de doorstromende lucht. Deze koude luchtstroom zal immers als tocht ervaren worden en het binnenklimaat ‘s nachts behoorlijk minder comfortabel maken. Uit de grafieken met het verloop van de operatieve temperaturen tijdens de hele zomer valt nog duidelijker op dat bij de nieuwe opstelling de minima de hele zomer lang veel hoger liggen. Het valt op dat de operatieve temperaturen niet zoveel hoger liggen bij de laatste opstelling. De minimale binnenluchttemperaturen daarentegen zijn wel aanzienlijk verhoogd. Dit beantwoordt aan de verwachtingen en bevestigt het potentieel dat dit systeem heeft om nachtventilatie mogelijk te maken in lokalen die ook ‘s nachts gebruikt worden.
109
verdeling van de operatieve temperatuur en van de binnentemperatuur ‘s nachts
tussen 15 mei en 30 september
type A
type C
type Dve
lokaal zonder vals plafond
lokaal met open vals plafond
lokaal met gestuurd vals plafond en nachtventilatie via plenum én gebruikerszone
operatieve temperatuur
operatieve temperatuur
15 MEI - 30 SEPT.
12 10
10
8
8
6
15 MEI - 30 SEPT.
4
2
2
0
0
gemiddelde = 22,99°C DAG=24,15°C NACHT = 21,58°C
20
15
6
4
25
gemiddelde = 22,60°C DAG=24,37°C NACHT = 20,23°C
12
[%]
[%]
14
gemiddelde = 22,89°C DAG=24,46°C NACHT = 20,83°C
[%]
14
operatieve temperatuur
15 MEI - 30 SEPT.
10
To [°C]
To [°C]
binnenluchttemperatuur
15 MEI - 30 SEPT.
binnenluchttemperatuur
15 MEI - 30 SEPT. 16
gemiddelde = 22,84°C DAG=25,11°C NACHT = 19,91°C
12
10 10,75 11,5 12,25 13 13,75 14,5 15,25 16 16,75 17,5 18,25 19 19,75 20,5 21,25 22 22,75 23,5 24,25 25 25,75 26,5 27,25 28 28,75 29,5
To [°C]
binnenluchttemperatuur 14
0 10 10,75 11,5 12,25 13 13,75 14,5 15,25 16 16,75 17,5 18,25 19 19,75 20,5 21,25 22 22,75 23,5 24,25 25 25,75 26,5 27,25 28 28,75 29,5
10 10,75 11,5 12,25 13 13,75 14,5 15,25 16 16,75 17,5 18,25 19 19,75 20,5 21,25 22 22,75 23,5 24,25 25 25,75 26,5 27,25 28 28,75 29,5
5
15 MEI - 30 SEPT. 25
gemiddelde = 22,57°C DAG=24,85°C NACHT = 19,56°C
14
20
12
10
10
15
6
[%]
[%]
8 8
10
6 4
4 5
0
0
To [°C]
0
To [°C]
10 10,75 11,5 12,25 13 13,75 14,5 15,25 16 16,75 17,5 18,25 19 19,75 20,5 21,25 22 22,75 23,5 24,25 25 25,75 26,5 27,25 28 28,75 29,5
2
10 10,75 11,5 12,25 13 13,75 14,5 15,25 16 16,75 17,5 18,25 19 19,75 20,5 21,25 22 22,75 23,5 24,25 25 25,75 26,5 27,25 28 28,75 29,5
2
10 10,75 11,5 12,25 13 13,75 14,5 15,25 16 16,75 17,5 18,25 19 19,75 20,5 21,25 22 22,75 23,5 24,25 25 25,75 26,5 27,25 28 28,75 29,5
[%]
gemiddelde = 23,16°C DAG=24,69°C NACHT = 21,36°C
To [°C]
(fig. 8.2)
110
ATG_65aMAX ATG_80aMAX ATG_90aMAX ATG_90min ATG_80min ATG_65min
35
15 mei - 30 september 1800 1700 1600
OPERATIEVE BINNENTEMPERATUUR (15mei - 30september)
30
1500 1400 1300
25
T [°C]
1200
type A lokaal zonder vals plafond
35 15 30
1000
15 mei - 30 september
temperaturen- en luchtdebietenverloop
To Ve-H ATG_65aMAX
10
1100
temperaturen- en luchtdebietenverloop
To Ve-H ATG_65aMAX ATG_80aMAX ATG_90aMAX ATG_90min ATG_80min ATG_65min
20
15 mei - 30 september
ATG_80aMAX ATG_90aMAX ATG_90min
35
ATG_80min
25
ATG_65min
31/07
07/08
14/08
21/08
28/08
04/09
11/09
18/09
25/09
31/07 31/07
07/08 07/08
14/08 14/08
21/08 21/08
28/08 28/08
04/09 04/09
11/09 11/09
18/09 18/09
25/09 25/09
24/07
17/07
10/07
03/07
26/06
19/06
15 mei - 30 september 12/06
20 15
temperaturen- en luchtdebietenverloop 05/06
0 35
29/05
25
To Ve-H ATG_65aMAX ATG_80aMAX ATG_90aMAX ATG_90min ATG_80min ATG_65min
22/05
lokaal met open vals plafond
20 15/05
type C
T [°C] T [°C]
5 30
dag
30 15 10 type Dve
10
25
24/07 24/07
17/07 17/07
10/07 10/07
03/07 03/07
26/06 26/06
19/06 19/06
12/06 12/06
05/06 05/06
29/05 29/05
15
22/05 22/05
(fig. 8.3)
0 0
15/05 15/05
T [°C]
-lokaal met gestuurd vals 5 plafond 5 -nachtventilatie via plenum én 20 gebruikerszone
dag
dag 10
111
900 1800 800 1700 700 1600 600 1500 500 1400 1800 400 1700 1300 300 1600 1200 1500 200 1100 1400 100 1000 1300 0 1200 900 1800 1100 800 1700 1000 700 900 1600 600 800 1500 700 500 1400 600 400 500 1300 300 400 1200 300 200 1100 200 100 1000 100 0 0 900 800 700 600 500 400
DEEL D
NABESPREKING
9.
NABESPREKING EN KANTTEKENINGEN
Nu de resultaten van de haalbaarheidsstudie op thermisch vlak besproken zijn en bewezen is dat valse plafonds nachtventilatie niet zinloos hoeft te maken en zelfs eigen voordelen kunnen hebben, is het tijd om terug te blikken naar de praktische kant van zaken. In het inleidend deel van deze thesis zijn reeds een aantal aandachtspunten opgesomd. Eerst werd vermeld welke de belangrijkste redenen zijn voor het gebruik van verlaagde plafonds. Vervolgens werden de gevolgen gesteld die het openen van het valse plafond met zich meebrengt en werd besproken op welke manier hiermee kan worden omgegaan. Uiteindelijk werden ook de aanbevelingen van Ing. H.M. Bruggema opgesomd om ook op thermisch vlak het meeste te halen uit een open vals plafond. De meeste aanbevelingen hebben betrekking tot het garanderen van een voldoende groot luchtdebiet doorheen het plenum. Hieronder worden enkele verdere bedenkingen gemaakt.
9.1.
Hydraulische weerstand in het vals plafond
Ir. H.M. Bruggema haalde reeds aan dat de luchtstroom doorheen het verlaagd plafond niet teveel mag worden belemmerd en dat de hoogte van het plenum ook voldoende moet zijn. Hij stelde voor dit laatste een minimale hoogte van 40 cm voor om de hydraulische diameter van het valse plafond groot genoeg te houden. Nu zullen valse plafonds met een dergelijke hoogte voornamelijk gebruikt worden wanneer bijvoorbeeld aanzienlijk grote luchtleidingen erin moeten. Wanneer het verlaagde plafond enkel dient voor afwerking of voor het plaatsen van ingewerkte verlichtingsarmaturen of voor het wegsteken van dunnere leidingen voor water, electriciteit, domotica e.a., zal de hoogte vaak kleiner zijn. Ook indien het verlaagde plafond verder nog voor akoestische absorptie of isolatie moet dienen, zal niet steeds zoveel hoogte nodig zijn. Het zal bijgevolg niet steeds verantwoordbaar zijn het vals plafond 40cm hoog te maken, vooral gezien het voor eenzelfde binnenafmeting van de ruimte voor een grotere structurele of totale bouwhoogte zorgt. Dit leidt niet 113
enkel tot een verhoogde kostprijs, maar kan voornamelijk stuiten tegen stedenbouwkundige beperkingen op de toegelaten bouwhoogtes. De meeste investeerders van kantoorgebouwen zullen niet snel een verdieping uit het ontwerp willen wegschrappen. Wanneer daarentegen wel reeds om technische redenen een vals plafond van minstens 40cm hoogte nodig is, dan is dat dus vaak omdat daar luchtleidingen van aanzienlijke omvang in moeten. Deze kunnen dan ook opnieuw een obstakel vormen voor de goede doorspoeling van het plafond. Niet enkel de haalbare debieten zijn van belang, maar ook de homogeniteit van de luchtstroom doorheen het plafond en het overblijvende contactoppervlak tussen de onderkant van het vloerpakket en de doorstromende lucht zullen mee de efficiëntie van het systeem bepalen. Het is dus niet omdat de experimenten en simulaties uit het onderzoek van Ing. H.M. Bruggema en de simulaties uit deze thesis aantonen dat het openen van een vals plafond het binnenklimaat in de zomer enorm kan verbeteren, dat het in werkelijkheid ook realiseerbaar zal zijn. Het zal telkens opnieuw afhangen van het ontwerp van het gebouw en van de nodige installatie. Bijgevolg zal meer aandacht moeten worden besteed aan het ontwerp van het luchtleidingencircuit, de omvang en de plaatsing ervan ten opzichte van de natuurlijke luchtstroom doorheen het valse plafond.
9.2.
Akoestiek
Belangrijke bevindingen en aanbevelingen omtrent de akoestische gevolgen van het openen van valse plafonds werden in het begin van deze thesis reeds aangehaald. Nu zou hier nog één punt aan moeten worden toegevoegd. Aangezien nu een systeem is voorgesteld waarbij de nachtventilatie niet doorheen de ruimte zelf, maar doorheen een afgesloten plafond verloopt, zal de akoestische belasting van de binnenruimte door extern lawaai ‘s nachts anders zijn. Men kan verwachten dat het extern lawaai deels gedempt zal zijn voor het de gebruikerszone binnenkomt, althans in het geval dat het om een akoestisch geïsoleerd verlaagd plafond gaat. Voor dagkantoren maakt dit bitter weinig uit. Maar aangezien dit ventilatiesysteem juist de deur openstelt om nachtventilatie ook in te zetten in gebouwen die ‘s nachts bezet zijn, zoals bijvoorbeeld callcenters die 24uur per dag actief zijn, kan dit van groot belang zijn. Hoe zwaar de geluidshinder is, zal afhangen van de akoestische eigenschappen van de gevelroosters en van het verlaagd plafond, maar tevens ook van de omgeving rond het gebouw.
114
9.3.
Keuze en plaatsing van de roosters
Zoals net vermeld zullen, in geval van nachtelijk gebruikte lokalen, ook eisen moeten worden gesteld aan de akoestische eigenschappen van de roosters in open stand. Verder heeft het nieuwe systeem ook esthetische gevolgen voor de binnenruimte. Het mogelijk wegvallen van de omvangrijke nachtventilatieroosters uit de gebruikerszone, zal meerdere architecten en bouwheren blij maken. Aan de esthetiek van de binnenkant van de gevelroosters zal geen belang meer moeten worden gehecht. Aan de buitenkant blijven ze weliswaar zichtbaar. Daarentegen verschijnen nu twee stroken met roosters in het verlaagd plafond. Twee openingen in het verlaagd plafond zijn uiteraard noodzakelijk om het rendement van de nachtventilatie hoog genoeg te houden. Roosters hebben daarentegen het nadeel plaats in te nemen. Om dezelfde hydraulische diameter te verkrijgen als een opening zonder rooster, zullen de roosters groter moeten zijn. De verhouding tussen de effectieve doorstroomoppervlakte en de zichtbare oppervlakte zal variëren van model tot model, maar is soms niet te onderschatten, vooral naarmate bijvoorbeeld meer akoestische en thermische eisen aan de roosters worden opgelegd. Aan de andere kant kunnen roosters ook soms om esthetische redenen gewenst zijn. Een eenvoudig gat maken in het verlaagde plafond zal niet altijd mooi ogen. Voor de opstelling waarbij het verlaagde plafond open is maar de nachtventilatie wel nog doorheen de ruimte gebeurt, bestaat de mogelijkheid om én roosters te gebruiken én de zichtbare opening terug te dringen naar het nodige effectieve doorstroomoppervlakte. Hiertoe volstaat het om de rooster niet in de horizontale opening in het verlaagde plafond te steken, maar er vertikaal boven. De voorwaarde hiertoe is weliswaar dat de hoogte van het vals plafond groot genoeg is om de breedte van de rooster op te vangen. Voor de rest is het enige gevolg hiervan dat over de breedte van de geopende stroken, de massa van het plafond nu niet meer afgesloten is. Naast het versmallen van de strook kan deze nu ook voor andere functies architecturaal benut worden. Het kan bijvoorbeeld als verscholen verlichtingsstrook dienen of als ruimte voor de verborgen plaatsing van interne vensterverduistering. Er zal wel moeten gelet worden dat wat in die strook wordt aangebracht geen te
grote weerstand biedt voor de luchtcirculatie, anders moet de strook terug iets breder.
(fig. 9.1 : verticale plafondroosters bij type Cv)
Bij het systeem waarbij de nachtventilatie doorheen het plenum gebeurt, kan de plafondrooster uiteraard niet zomaar verticaal geplaatst worden aangezien zo het verlaagde plafond van de gevel ontkoppeld raakt. Om toch een dergelijk principe te kunnen toepassen zal wat meer creativiteit nodig zijn. Een mogelijke denkpiste zou zijn om de plafondroosters zo te ontwerpen dat ze in open stand een brug vormen naar de gevel en de binnenwanden. De realisatie hiervan zal weliswaar moeilijker zijn aangezien extra zal moeten gelet worden op de perfecte aansluiting tussen de horizontaal liggende roosters en de verticale wanden, ook aan de zijkanten, om luchtlekkage te vermijden.
(fig. 9.2 : verticale plafondroosters bij type Dv)
115
9.4.
Onderhoud
Er is reeds aangehaald dat men bij het openen van valse plafonds zal moeten letten dat er geen stofdeeltjes of losse vezels uit het plafond in de ruimte worden binnengelaten. Hiertoe zal bij het ontwerp aandacht moeten worden besteed aan de materiaalkeuzes en zal er tijdens de realisatie op gelet moeten worden dat de werken extra proper worden uitgevoerd. Verder zullen nu ook de roosters onderhoud vergen, zowel technisch als hygiënisch. Op zich vormt dit geen enkel probleem, behalve wanneer de gevelroosters zich in het valse plafond bevinden. In dat geval zal moeten gelet worden dat deze eventueel via de horizontale openingen in het verlaagde plafond toegankelijk, vervangbaar en vooral controleerbaar blijven. Hiertoe zal men de horizontale plafondroosters tijdelijk moeten losmaken. Dit zal weliswaar niet vaak nodig zijn, maar toch wordt daar beter vanaf het begin bij de detaillering op gelet, opdat het tijdelijk weghalen van de plafondroosters de afwerking van het vals plafond bij de aansluiting niet kapot zou maken.
9.5.
Constructieve gevolgen
Het aanbrengen van gevelroosters boven het verlaagde plafond kan voor conflicten zorgen met de structurele opbouw van het gebouw. Vaak bevinden zich net onder het vloerpakket, ingewerkt in de gevel, dragende balken. Deze balken kunnen naargelang hun hoogte en de hoogte van het valse plafond in de weg staan voor het plaatsen van de gevelroosters. Zoals bij elk architecturaal probleem kan een goed integraal ontwerp de verschillende tegenstrijdende facetten van een gebouw met elkaar verzoenen. Een mogelijke oplossing kan gezocht worden in de afmetingen van de roosters. Deze kunnen eventueel smaller en langer gemaakt worden tot wanneer ze zich over de breedte van het lokaal uitstrekken. Een voorwaarde hiervoor is natuurlijk wel dat ze niet in conflict komen met de verticale dragende elementen. Dit zal zich minder voordoen bij skeletbouw dan bij bredere verticale draagmuren uit metselwerk. Een tweede eenvoudige oplossing is het werken met omgekeerde balken. Zo is het probleem volledig uit de weg geruimd, zolang er geen ramen tot aan de vloer moeten reiken.
(fig. 9.3 : gevelroosters vs draagbalken in het plenum)
116
10. MOGELIJK VERDER ONDERZOEK Het onderzoek dat hier is verricht, reikt niet verder dan een eerste haalbaarheidsstudie van de mogelijkheden van valse plafonds bij nachtventilatie. Vooral de thermische mogelijkheden zijn hier onderzocht. Andere aandachtspunten zoals binnenakoestiek en praktische aspecten zijn tevens aangehaald. Nu blijkt dat niet steeds al te zware compromissen noodzakelijk zijn tussen de thermische en alle andere akoestische of praktische factoren, kan zich de vraag gesteld worden wat nu verder onderzocht zou kunnen worden. Vooral het laatste ontwikkelde systeem biedt mogelijkheden tot geoptimaliseerd gebruik van verlaagde plafonds bij nachtventilatie. Hieronder worden een aantal punten voorgesteld die bij verder onderzoek de aandacht zouden kunnen krijgen.
10.1.
Samenstelling van het vals plafond
Er zijn hier reeds enkele concrete richtlijnen aangehaald omtrent de concrete realisatie van een open vals plafond. De belangrijkste zijn opgesteld door Ing. H.M. Bruggema. Enkele kleine opmerkingen zijn in dit werk reeds toegevoegd. Enkele aspecten zouden verdere analyse kunnen gebruiken.
10.1.1. samenstelling van het verlaagd plafondvlak In de praktijk bestaan vele soorten verlaagde plafonds, van de geprefabriceerde kassetsystemen tot de op maat gemaakte gladde hardboard-plafonds of ook nog de spanplafonds. Binnen eenzelfde constructiesysteem bestaan ook nog variaties in materiaalkeuzes en opbouw. Zo bestaan zowel varianten van prefab-plafonds uit mineraaltegels als uit geperforeerde metaalplaten en worden plafonds vaak op maat gemaakt uit gipskarton of zelfs soms uit speciale houtderivaten. Vaak zal ook getracht worden de akoestische en/of thermische eigenschappen verder te verbeteren door het aanbrengen van bijkomend isolatiemateriaal. De uiteindelijke keuze van de samenstelling zal 117
zowel van financiële, praktische, esthetische, thermische als van akoestische factoren afhangen. Elke mogelijke variante zal door haar eigen thermische eigenschappen de haalbare prestaties bij nachtventilatie beïnvloeden. Aan de ene kant zullen dunne systemen zonder isolatie de warmte-overdracht tussen de gebruikerszone en het plafond vergemakkelijken door betere geleiding, maar daardoor zal ook het verschil in luchttemperatuur tussen het valse plafond en de ruimte eronder kleiner worden. Hierdoor zal de natuurlijke luchtstroom doorheen het plafond kleiner worden en het aandeel aan convectieve warmteoverdracht afnemen. Bij het laatst besproken systeem waarbij het valse plafond zelf ‘s nachts geventileerd wordt, zal net wél een zeker minimum aan isolatie van het verlaagde plafond wenselijk zijn. Dit is niet enkel nodig om het plafond langer koel te kunnen houden en het benutten ervan beter te kunnen richten in de tijd. Het is ook noodzakelijk om de onderkoeling in te perken gezien de lagere temperaturen waarnaar het plafond ‘s nachts wordt afgekoeld. Binnen de samenstelling van het verlaagd plafondvlak zullen ook de gepaste roosters moeten worden gekozen. Er zijn reeds vele roosters op de markt, maar meestal zijn deze ontwikkeld om hetzij in de gevels benut te worden, hetzij aan de uiteindes van luchtleidingen. Roosters voor lichte scheidingselementen binnen het gebouw komen vooral voor in deuren, soms in muren, hebben vaak beperkte afmetingen en worden zelden automatisch gestuurd. Nu is het wel zo dat de roosters die in het verlaagde plafond horen, aan minder strenge criteria moeten voldoen dan de overige roosters in de gevel of de scheimuren. Toch zal de combinatie iets anders liggen en zullen, net zoals voor de samenstelling van het verlaagd plafond zelf, vele factoren een rol spelen en andere klemtonen gelegd worden naargelang de situatie.
10.1.2. hydraulische weerstand in het vals plafond
het inbrengen van grote luchtleidingen. Dit is een belangrijk aspect dat bijkomend onderzoek zou kunnen gebruiken aangezien het bepalend zal zijn voor de bruikbaarheid van het systeem in reële gebouwen. Laboratoriumproeven of metingen in bestaande gebouwen en CFD-simulaties zullen hier de belangrijkste werkbronnen zijn.
10.1.3. opbouw van het vloerpakket Ook de opbouw van het vloerpakket heeft invloed op het rendement bij nachtventilatie. Soms is er sprake van een mogelijk hoger rendement bij gebruik van ribvloeren. Het is niet de totale thermische massa dat hier getracht wordt te verhogen, maar het contactoppervlak ervan met de binnenlucht. Het is immers bij nachtventilatie niet de totale massa maar de hoeveelheid benutbare massa die van belang is, bepaald door het product van de contactoppervlaktes met de respectievelijke indringingsdieptes en natuurlijk de thermische eigenschappen van het materiaal zelf. Nu zijn bij ribvloeren de geometrische diktes niet overal twee keer de indringingsdiepte en kan dus niet zomaar met de volledige zichtbare oppervlakte gerekend worden. Bij het laatste systeem met plafondroosters kan de situatie hierbij misschien veranderen. Aangezien de roosters niet constant open staan, wordt de tijdspanne waarover het plafond wordt blootgesteld aan de warmere binnenlucht korter. Bijgevolg zal het zich vaker voordoen dat de massa van het plafond niet over dezelfde diepte wordt opgewarmd. Van groter belang bij dit systeem is daarentegen de snelheid waarmee het systeem reageert eenmaal de roosters geopend worden. Een ribvloer zou hierbij het voordeel kunnen hebben van een groter contactoppervlak met de lucht waardoor de warmteoverdracht sneller kan verlopen zonder dat de kleine dikte van de ribben een beperking vormen. Ook dit is een aspect dat eventueel bestudeerd kan worden.
In het vorige hoofdstuk werd nogmaals de aandacht gevestigd op de verhoging van de hydraulische weerstand bij het verlagen van het valse plafond of bij 118
10.2.
optimalisatie van de simulatieprocedure
Tijdens dit onderzoek hebben de beperkingen van het simulatiepakket dat voorhanden was voor aanzienlijk veel bijkomend denkwerk en rekenwerk gezorgd. De meeste beperkingen zijn binnen het bereik van de hier verwezenlijkte simulaties opgelost. Enkel aan het verplichte gebruik van vaste waardes voor de convectieve overgangscoëfficiënten kon hier niet worden ontkomen. Ook al wijzigt dit de bekomen conclusies niet, het zal bij verder onderzoek als maar noodzakelijker zijn om de simulaties zo realistisch mogelijk te maken en dus ook de overgangscoëfficiënten per tijdsstap te kunnen invoeren of laten berekenen. Nu een eerste haalbaarheidsstudie verwezenlijkt is, zal het onderzoek zich immers moeten richten op verdere detaillering en eventuele afwijkingen naargelang de reële situatie waarin de systemen kunnen worden toegepast. Hiertoe zal het alsmaar belangrijker worden dat bij de simulaties alle reëel bestaande factoren zo goed mogelijk mee in rekening worden gebracht. Eventueel zal het hierbij ook interessant worden een thermisch simulatieprogramma te combineren met één die de luchtstromen en paden verder analyseert. Zo zouden combinaties van Trnsys met Comis of zelfs, zoals in vorig paragraaf reeds aangehaald, het inzetten van CFDprogramma’s kunnen helpen de inzichten bij te schaven.
10.3.
variërend gebouwgebruik
In dit onderzoek werden de simulaties verricht voor een kantoorlokaal dat enkel overdag tussen 8 uur ‘s ochtends en 19 uur ‘s avonds gebruikt wordt. Automatisch gestuurde nachtventilatie wordt immers vooral gebruikt in dagkantoren omwille van onder andere de eenvoudigere inwerking hiervan in klassieke kantoorgebouwen, het proportioneel lager worden van de investering binnen het totale prijskaartje en de lage binnentemperaturen die zich ‘s nachts voordoen. 10.3.1. nachtgebruik Het probleem van de te lage temperaturen ‘s nachts wordt heel sterk ingeperkt wanneer de nachtventilatie via het tijdelijk gesloten vals plafond gebeurt. Bijgevolg wordt hiermee de deur opengezet om nachtventilatie ook toe te passen in bijvoorbeeld callcenters of andere gebouwen die dag en nacht gebruikt worden. De vraag naar de akoestische gevolgen van deze vorm van nachtventilatie zal zich hierbij ook voordoen. Aan de ene kant is er hier het voordeel dat de gevelroosters zich ‘s nachts in het plenum openen. Het externe geluid zal dus, voornamelijk in geval van een akoestisch geïsoleerd plafond, deels gedempt worden voor het de gebruikerszone bereikt. Wel kan het hoge luchtdebiet dat het plenum doorstroomt, naargelang ook de opbouw van het valse plafond en de eventuele obstakels erin, enigszins hoorbaar zijn. Uiteindelijk zal op beide akoestische vlakken de keuze en de dimensionering van de roosters voor nachtventilatie een rol spelen. Gezien de mogelijkheden van het nieuwe nachtventilatiesysteem zou onderzoek hiernaar heel interessant zijn voor het eventueel uitbreiden van nachtventilatie tot veel meer gebouwen dan nu.
11.3.2. onregelmatig of piekgebruik Het sluiten van het verlaagde plafond biedt naast het beperken van onderkoeling ook de mogelijkheid meer koelvermogen te behouden tot zich 119
periodes voordoen waar koeling effectief nodig is. Men zou nu kunnen nagaan of dit voordelen biedt bij ruimtes die niet langdurig of op regelmatige wijze gebruikt worden. Vergaderzalen zijn daar een voorbeeld van. Ze worden soms maar voor enkele uren gebruikt, kennen tijdelijke hogere warmtewinsten door de drukkere bezetting, en kunnen evengoed enkel ‘s ochtends als enkel ‘s avonds gebruikt worden. Het koeler houden van de massa in het plafond tot wanneer de warmtelasten erin stijgen, zal ook leiden tot een snellere reactie op en sterkere opvang van tijdelijke temperatuurpieken. De reactiesnelheid van het koelsysteem blijft weliswaar sterk beperkt door de snelheid waarmee de warmte convectief door het plafond kan worden opgenomen. Zoals hierboven aangehaald, kan een opstelling met meer contactoppervlakte zoals een ribvloer hierbij de zaak voor een deel verbeteren. Ook dergelijke onregelmatige bezetting van de ruimte met hogere interne warmtewinsten kan een aanleiding zijn tot bijkomende simulaties.
10.4.
interactie met andere klimatisatietechnieken
10.4.1. combinatie met losstaande klimatisatiesystemen In vorige hoofdstukken is reeds meermaals aangehaald in welke zin het bestaan van een ander koelsysteem naast deze hier bestudeerd, de resultaten kan beïnvloeden. Zo werd al in het begin uiteengezet waarom hier bijvoorbeeld geen verdere koeling via het openen van ramen in beschouwing is genomen. Wanneer voldoende mechanische koeling aanwezig zou zijn, zouden weliswaar alle resultaten beter zijn, maar zouden ook vooral bij de minst efficiënte nachtventilatiesystemen de overschrijdingsuren het meest naar beneden worden gehaald. Hierdoor zouden echter ook de onderlinge verschillen tussen de verschillende opstellingen kleiner worden. Hiernaast kan bij aanwezigheid van extra koelsystemen eventueel ook verder geprofiteerd worden van één van de bovenvermelde opstellingen om het bijkomende systeem minder te belasten. De systemen zullen elkaar immers beïnvloeden. Zo kan bijvoorbeeld bestudeerd worden hoe twee passieve koeltechnieken het best samen geïmplementeerd worden. Bij combinatie van koeling via grondbuizen en koeling van het laatst besproken nachtventilatiesysteem, kan men zich immers de vraag stellen welke van beide systemen moet dienen ter ondersteuning van de andere om ook de hoogste temperatuurpieken te kunnen opvangen en zuinig te blijven. Aan de ene kant is bij koeling via grondbuizen wel een beetje energie nodig voor de werking van de ventilatoren, maar die is sowieso noodzakelijk bij mechanische ventilatie, grondbuizen of niet. Aan de andere kant zullen koelbuizen, naargelang ook de diepte van de buizen in de grond, hun rendement doorheen de dag wel beter behouden dan de geleidelijk opwarmende gebouwmassa. Uiteindelijk zal misschien net blijken dat beide systemen best continu simultaan werken omdat ze door hun gecombineerde prestaties tegen het einde van de dag nog steeds efficiënt zijn. Mogelijk zal om dezelfde reden ook de setpointtemperatuur waarbij de plafondroosters zich overdag openen, moeten worden verlaagd of verhoogd. 120
10.4.2. combinatie met plafondgebonden koelsystemen De wederzijdse invloed zal nog groter zijn tussen de hier voorgestelde plafondopstellingen bij nachtventilatie en sommige koelsystemen die in valse plafonds worden ingebracht. Zo kan onder andere gedacht worden aan koelplafonds. Deze zou men eventueel kunnen inzetten van zodra de koeling via het ‘s nachts afgekoelde open plafond onvoldoende is, waardoor beide systemen elkaar zouden versterken en de koeling vanuit het plafond dan zowel zou gebeuren via straling als via het binnenstromen van koude lucht uit het plafond. Weliswaar zal de mogelijkheid hiervan ook afhangen van de samenstelling van het verlaagde plafond, de eventuele inbreng van isolatiemateriaal enz. De laatste jaren doet zich ook meer en meer onderzoek voor naar een nieuwer en technologisch complexer systeem van passieve koeling via warmteaccumulatie, namelijk het gebruik van PCM’s, “Phase Changing Materials”. Deze hebben het voordeel een heel grote warmtecapaciteit te bereiken via latente warmte-opslag wanneer de fase-overgang van het materiaal binnen het juiste temperatuurinterval gebeurt. Het laatste nachtventilatiesysteem dat hier werd bestudeerd, waarbij het valse plafond ‘s nachts afzonderlijk geventileerd wordt, voldoet aan de nodige criteria om hiermee gecombineerd te worden. De temperatuur waarnaar ‘s nachts wordt gekoeld, kan afzonderlijk gekozen worden en het plafond kan ook overdag geopend worden bij een vrij te kiezen temperatuur.
bestaande studies In de bibliografie staan onder “verdere literatuur” enkele artikels vermeld waarbij verslag is uitgebracht van onderzoek naar combinatie van nachtventilatie en koelbuizen of het gebruik van PCM’s bij passieve koeling.
121
11. SLOTBESCHOUWING Nachtventilatie kan een heel efficiënte methode zijn om een gebouw in de zomer passief te koelen. Belangrijkste voorwaarden hiertoe zijn: - voldoende thermische massa - het benutbaar maken van de massa door warmte-overdracht via straling en/of convectie mogelijk te maken, zowel ‘s nachts als overdag - voldoende koude buitenlucht doorheen het gebouw doorsturen ‘s nachts - een goede regeling die ook rekening houdt met onderkoelingsfenomenen
Nachtventilatie heeft daarentegen ook nadelen. De voornaamste zijn: het risico op onderkoeling, mogelijk hogere luchtsnelheden in de gebruikerszone, het moeten opstellen van een vrije doorgang voor de natuurlijke nachtventilatie, de lage binnenluchttemperaturen ‘s nacht, de eisen waaraan het gebouw moet voldoen om de thermische massa beschikbaar te stellen. Dit laatste nadeel komt vaak voor bij kantoren waar verlaagde plafonds belangrijke taken toegekend krijgen. Aangezien bovendien net kantoorgebouwen het grootste potentieel hebben bij nachtventilatie onder andere door hun omvang en hun gebruikscyclus, is hier reeds over nagedacht en bestaan reeds voorbeelden van open valse plafonds die voldoende convectieve warmte-overdracht naar het plaond mogelijk maken. Veel theoretische of experimentele studie hierover bestaat nog niet. Ing. H.M. Bruggema heeft wel een heel belangrijke inbreng gedaan op dit vlak door experimenteel in klimaatkamers de opstelling te analyseren en parallel hiermee een model te testen om hier verder computergesteunde simulaties over te kunnen verrichten. Niet enkel thermische, maar ook akoestische en praktische aspecten zijn door hem benaderd. Verder blijken bestaande realisaties het nut van open valse plafonds te bevestigen. Uit de simulaties uit dit onderzoek is bijkomend opgemerkt dat bij open valse plafonds wel meer aandacht moet worden gespendeerd aan onderkoeling. Dit bleek uiteindelijk de voornaamste beperking van het systeem waardoor 122
verdere optimalisatie ervan nauwelijks mogelijk scheen. Weliswaar blijft het openmaken van het verlaagd plafond de efficiëntie bij nachtventilatie terug tot een heel hoog niveau brengen zonder alle voordelen van het vals plafond te moeten opgeven.
thermische voordelen overdag niet altijd groot zijn, de thermische voordelen die hiermee ‘s nachts verkrijgbaar zijn, laten wel nieuwe mogelijkheden toe.
Hetgeen als meest beloftevolle uit dit onderzoek komt, is de nieuwe opstelling waarbij de nachtventilatie rechtstreeks via een openbaar vals plafond gebeurt. De belangrijkste voordelen van het systeem zijn meervoudig. - betere besteding van het koelvermogen overdag - mogelijke ontdubbeling van de nachtventilatie over het plenum én de ruimte eronder (bijhorende verhoging van het koelvermogen, tot waarden die zelfs net beter zijn dan in lokalen zonder vals plafond) - verdwijnen van de hoge luchtdebieten ‘s nachts doorheen de gebruikerszone (opvliegen van papieren, maximale externe windsnelheden waarbij nachtventilatie mag worden toegelaten) - verhoging van de binnentemperaturen ‘s nachts - bruikbaarheid van de lokalen tijdens de nachtventilatieperiode - enige mogelijkheid tot persoonlijke ogenblikkelijke regeling overdag - demping van de binnenkomende externe geluidslast tijdens de nachtventilatieperiode
Verder onderzoek over dit systeem blijft weliswaar nog nodig. Het zijn voornamelijk de hydraulische beperkingen en de akoestische eigenschappen van het systeem die verdere studie behoeven om een volledig beeld te kunnen scheppen van het potentieel van het systeem in de praktijk. Verder thermisch onderzoek zal vooral dienen om meer in detail na te gaan hoe de opbouw van het verlaagd plafond en de regeling van het systeem geoptimaliseerd kunnen worden. Het staat ondertussen reeds vast dat valse plafonds en nachtventilatie niet per se tegenstrijdig zijn, maar dat er zelfs de mogelijkheid bestaat om verder dan compromissen tussen beide, ook optimalisatie van de nachtventilatiesysteem te verwezenlijken door ze met elkaar te combineren. Ook al zullen de 123
12. BIBLIOGRAFIE BOUWFYSICA ALGEMEEN 1. Sacré, S., Janssens, A. & De Paepe, M. Comparison of CFD-calculated CHTC’s and empirical CHTC correlations found in literature at internal building surfaces. Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen, 15p, (niet gepubliceerd). 2. Sacré, S., Janssens, A. & De Paepe, M. Literature review of most used empirical convective heat transfer coefficients correlations in building design. Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen, 30p, (niet gepubliceerd). 3. Wallentén, P. (2001). Convective heat transfer coefficients in a full-scale room with and without furniture. Building and environment, 36, 743-751.
COMFORTCRITERIA 4. Arets, M.J.P. (2004). Thermische behaaglijkheid: eisen voor de binnentemperatuur in gebouwen: een nieuwe richtlijn voor thermische behaaglijkheid in (kantoor)gebouwen. Rotterdam, Stichting ISSO, 70p. 5. Charles, K.E. (2003). Fanger’s thermal comfort and draught models. Institute for research in construction, national research council of Canada, Ottawa, K1A 0R6, Canada , 29p. 6. Fanger, P.O. (1970). Thermal comfort: analysis and applications in environmental engineering. New York, McGraw-Hill, 244p. 7. Henze, G.P., Pfafferott, J., Herkel, S. & Felsmann, C. (2007). Impact of adaptive comfort criteria and heat waves on optimal building thermal mass control. Energy and buildings, 39, 221-235. 124
NACHTVENTILATIE & BENUTTING VAN DE THERMISCHE MASSA 8. Olesen, B.W. & Parsons, K.C. (2002). Introduction to thermal comfort standards and to the proposed new version of EN ISO 7730. Energy and buildings, 34, 537-548. 9. Olesen, B.W. (2004). International standards for the indoor environment. Indoor air, 14(7), 18-26. 10. Ontwerp binnencondities en behaaglijkheid in gebouwen: researchrapport 5. (1990). Stichting ISSO, Rotterdam, Nederland, 56p. 11. Seppänen, O.A. & Fisk, W.J. (2004). Summary of human responses to ventilation. Indoor air, 14(7), 102-118. 12. Thermal Comfort. (2002). Denmark, Ballerup, Innova AirTech Instruments A/S, 32p.
13. Artmann, N., Manz, H. & Heiselberg, P. (2007). Climatic potential for passive cooling of buildings by night-time ventilation in Europe. Applied energy, 84, 187-201. 14. Breesch, H. & Janssens, A. (2005). Building Simulation to predict the performances of natural night ventilation: uncertainty and sensitivity analysis. In: Beausoleil-Morrisson, I. & Bernier, M. (ed.) Proceedings of the ninth international IBPSA conference building simulation 2005. Montreal, IBPSA, 115-122. 15. Breesch, H. (2006). Natural night ventilation in office buildings: performance evaluation based on simulation, uncertainty and sensitivity analysis. Doctoraatsthesis, Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen, 189p. 16. Bruggema, H.M. & Wapenaar, P.H. (1987). Onderzoek aan thermisch open plafonds. Klimaatbeheersing, 16(12), 415-421. 17. Bruggema, H.M. (1990). Benutten van de gebouwmassa door toepassing van thermisch open plafonds. Klimaatbeheersing, 19(12), 351-354. 18. Geros, V., Santamouris, M., Karatasou, S., Tsangrassoulis, A. & Papanikolaou, N. (2005). On the cooling potential of night ventilation techniques in the urban environment. Energy and buildings, 37, 243-257. 19. Gratia, E., Bruyère, I. & De Herde, A. (2004). How to use natural ventilation to cool narrow office buildings. Building and environment, 39, 1157-1170. 20. Kolokotroni, M., Webb, B.C. & Hayes, S.D. (1998). Summer cooling with night ventilation for office buildings in moderate climates. Energy and buildings, 27, 231-237. 125
21. Kolokotroni, M. & Aronis, A. (1999). Cooling-energy reduction in airconditioned offices by using night ventilation. Applied energy, 63, 241-253. 22. Kolokotroni, M., Giannitsaris, I. & Watkins, R. (2006). The effect of the London urban heat island on building summer cooling demand and night ventilation strategies. Solar energy, 80, 383-392. 23. Li-Xia, W., Jia-Ning, Z. & Zhao-Jun, W. (2006). Night ventilation and active cooling coupled operation for large supermarkets in cold climates. Energy and buildings, 38, 1409-1416. 24. Macias, M., Mateo, A., Schuler, M. & Mitre, E.M. (2006). Application of night cooling concept to social housing design in dry hot climate. Energy and buildings, 38, 1104-1110. 25. Pfafferott, J., Herkel, S. & Jäschke, M. (2003). Design of passive cooling by night ventilation: evaluation of a parametric model and building simulation with measurements. Energy and buildings, 35, 1129-1143.
COMPUTERPROGRAMMA’S & HANDLEIDINGEN 28. Building physics software demonstration program + pilot book, demo disc v1.1 (cd-rom). (1999). Maldegem, Physibel. 29. Capsol: Computer Program to calculate multizonal transient heat transfer, version 4.0. (2002). Maldegem, Physibel, 75p. 30. Physibel Software. Maldegem, Physibel, 53p. 31. Trisco & Kobru86: computer program to calculate 3D & 2D steady state heat transfer in rectangular objects, version 11.0w. (2005). Maldegem, Physibel, 95p. 32. Voltra & Sectra: computer program to calculate 3D & 2D transient heat transfer in objects described in a rectangular grid using the energy balance technique, version 4.0w. (2003). Maldegem, Physibel, 39p.
26. Pfafferott, J., Herkel, S. & Wapler, J. (2005). Thermal building behaviour in summer: long-term data evaluation using simplified models. Energy and buildings, 37, 844-852.
27. van Paassen, A.H.C., Liem, S.H. & Gröninger, B.P. (1998). Control of night cooling with natural ventilation: sensitivity analysis of control strategies and vent openings. Delft University of Technology, http://projects.bre.co.uk/ natvent/, 10p.
126
VERDERE LITERATUUR 1. Aboulnaga, M.M. & Adrabboh, S.N. (2000). Improving night ventilation into low-rise buildings in hot-arid climates exploring a combined wall±roof solar chimney. Renewable energy, 19, 47-54. 2. Arkar, C., Vidrih, B. & Medved, S. (2007). Efficiency of free cooling using latent heat storage integrated into the ventilation system of a low energy building. International journal of refrigeration, 30, 134-143. 3. Becker, R. & Paciuk, M. (2002). Inter-related effects of cooling strategies and building features on energy performance of office buildings. Energy and buildings, 34, 25-31.
9. Turnpenny, J.R., Etheridge, D.W. & Reay, D.A. (2001). Novel ventilation system for reducing air conditioning in buildings; Part 2: testing of prototype. Applied thermal engineering, 21, 1203-1217. 10. Yanbing, K., Yi, J. & Yinping, Z. (2003). Modeling and experimental study on an innovative passive cooling system—NVP system. Energy and buildings. 35, 417-425. 11. Zhang, Y., Zhou, G., Lin, K., Zhang, Q. & Di, H. (2007). Application of latent heat thermal energy storage in buildings: State-of-the-art and outlook. Building and environment, 42, 2197-2209.
4. Corgnati, S.P. & Kindinis, A. (2007). Thermal mass activation by hollow core slab coupled with night ventilation to reduce summer cooling loads. Building and environment, 42, 3285-3297. 5. Dai, Y.J., Sylamath… &, Sumathy, YJ. ‘Wang, T.G. (2003). Enhancement of natural ventilation in a solar house with a solar chimney and a solid adsorption cooling cavity. Solar energy, 74, 65-75. 6. Finn, D.P., Connolly, D. & Kenny, P. (2007). Sensitivity analysis of a maritime located night ventilated library building. Solar energy, 81, 697-710. 7. Santamouris, M., Mihalakakou, G. & Asimakopoulos, D.N. (1997). On the coupling of thermostatically controlled buildings with ground and night ventilation passive dissipation techniques. Solar Energy, 60 (3-4), 191-197. 8. Turnpenny, J.R., Etheridge, D.W. & Reay, D.A. (2000). Novel ventilation cooling system for reducing air conditioning in buildings. Part I: testing and theoretical modelling. Applied thermal engineering. 20, 1019- 1037.
127
