Nagaan of het vooropgestelde comfortniveau gehaald kan worden met free-cooling en/of nachtventilatie

2. Nagaan of het vooropgestelde comfortniveau gehaald kan worden met free-cooling en/of nachtventilatie

Het referentiemodel geeft een zeker comfortniveau (een aantal overschrijvingsuren, een maximale temperatuur of een waarde voor de oververhittingsindicator). Vermoedelijk is dit comfortniveau onvoldoende (zie Doelstellingen) en dient er te worden ingegrepen om het vereiste comfort te krijgen. Dit kan op de volgende manieren:

• Beperken van de zonnewinsten
• Beperken van de interne winsten
• Voldoende inertie voorzien
• Passieve koeling voorzien onder de vorm van free-cooling of nachtventilatie

Dit hoofdstuk behandelt deze 4 punten. Pas als het comfort echt niet haalbaar is met deze maatregelen stappen we over op het inschakelen van andere passieve koeltechnieken (aardwarmtewisselaar of adiabatische koeling) of hernieuwbare koeling (Zie stap 3).

Een koelstrategie ontwikkelen in een vroeg stadium van het ontwerp is essentieel om het energieverbruik door koeling te beperken (zie 2a. en 2b).

2a. Beperken van de zonnewinsten

Deze optimalisatie is behandeld in dossier - Warmtelasten beperken. De parameters die de ontwerpers ter beschikking hebben om hieraan tegemoet te komen zijn:

• Oriëntatie van het gebouw en de openingen in de gevel
• Grootte en vorm van de openingen in de gevel
• Keuze van de beglazing en zonwering van de openingen in de gevel

2b. Beperken van de interne winsten

Naast de zonnewinsten heeft een gebouw ook interne winsten (personen, verlichting, toestellen). In dossier - Warmtelasten beperken is verduidelijkt hoe de diverse types interne winsten aangepakt kunnen worden.

2c. Voldoende thermische inertie voorzien

Thermische inertie betekent gebouwmassa die tevens vlot door de lucht bereikt kan worden, b.v. gepleisterde stenen muren, betonnen plafond, stenen vloeren.

Deze thermische massa is van belang om de temperatuurschommelingen in een gebouw te dempen. Hoe kleiner de temperatuurschommelingen, hoe kleiner de pieken van de binnentemperatuur tijdens de zomer. Uit de warmtebalans zal blijken:

• In welke mate het verhogen van de thermische inertie het zomercomfort verhoogt. Het zijn vooral de eerste verhogingen van de thermische inertie die een grote impact hebben. Een naakt massief plafond voorzien in een anders volledig uit lichte of afgedekte structuren opgebouwd gebouw zal veel meer impact hebben dan ook de wanden massief te voorzien in een gebouw waar reeds het plafond blootgesteld massief is.
• Hoeveel thermische inertie er nodig is om het zomercomfort te verzekeren

Alles over het creëren van een hoge thermische inertie staat beschreven in dossier - Een hoge thermische inertie verzekeren.

Specifiek voor nachtventilatie is inertie een noodzakelijke voorwaarde. 's Nachts wordt via nachtventilatie de thermische massa afgekoeld. Zodoende ontstaat er een buffer die overdag de warmte kan opnemen. De binnengekomen of opgewekte warmte wordt hierdoor ook door de massa opgenomen en niet alleen aan de lucht afgegeven, waardoor de lucht langer koel blijft. De door de thermische massa opgenomen warmte wordt dan de nacht erop terug afgevoerd. Het koelend vermogen is equivalent met de hoeveelheid beschikbare massa (thermische inertie).

Dit bufferprincipe kan ook gebruikt worden bij free-chilling (zie dossier - De beste productiewijzen voor hernieuwbare koeling kiezen) en adiabatische koeling (desnoods enkel de ventilatie). Deze technieken zijn door een deel van de nacht actief en koelen zo de massa.

Thermische massa houdt in: voldoende materialen met een hoge thermische capaciteit (beton, steen, chape, pleister, tegels, …) in de eerste 10 cm van de wanden, vloeren en plafond. Deze materialen mogen ook niet afgedekt zijn door een isolerende laag. In kantoren of handelszaken moet men dus verlaagde plafonds, verhoogde vloeren (, uitsluitend lichte scheidingswanden) en kamerbreed tapijt vermijden om voldoende inertie (blote gebouwmassa) te hebben. Een verlaagd plafond ofwel een verhoogde vloer is eventueel nog te accepteren, maar de twee combineren zou de nachtventilatie als systeem in het gedrang brengen.

Een nadeel van de afwezigheid van verlaagde plafonds (en verhoogde vloeren) is de verminderde akoestische demping. Daarom is het aangewezen hieromtrent maatregelen te nemen. Dit kan onder de vorm van akoestische panelen, meubels, enz.

In een ruimte waar enkel ‘s nachts mensen zijn, zoals een slaapkamer voor volwassenen, moet de inertie daarentegen zwak zijn om de warmte die overdag wordt opgeslagen in de materialen te beperken, en om snel de omgevingstemperatuur te doen dalen door warme lucht te vervangen via aanvoer van verse buitenlucht. In gebouwen met een zeer fluctuerende bezetting, die heel snel dienen afgekoeld te worden, is het eveneens beter niet te veel thermische massa te voorzien. De thermische massa zou dan telkens ook volledig dienen gekoeld te worden, wat extra koelvermogen vraagt.

Voorbeelden thermische massa

• Cameleon

Alle breedvloerplaten van het gebouw zijn onbekleed gehouden, alsook bepaalde binnenwanden. In de winkel wordt het akoestische comfort op volkomen natuurlijke wijze verkregen dankzij de handelswaar: de kleding. Door de beschikbare hoogten op het plafond verloopt de technische distributie probleemloos. In de kantoren zijn de binnenwanden bekleed met latten van gerecycleerd hout, die voor een zwakke terugkaatsing van het geluid zorgen. De ronde ventilatieschachten zijn zichtbaar, wat ook het geval is in de kantoren van het Beeckmangebouw in Ukkel.

Ruimte zonder verlaagd plafond

Bron: Cameleon

• Mundo-B

In dit kantoorrenovatieproject zijn de structuur en de plafonds in beton zichtbaar tussen de platen die geplaatst zijn om akoestiek te verbeteren. Op die manier kan de verse lucht 's nachts vrij circuleren tussen de akoestische platen en de vloerplaat. De oppervlakte is hier wel zeer aanzienlijk ingenomen door de akoestische panelen (> 50%). Dit zal een zeker effect hebben op de werking van de nachtventilatie. Belangrijk is dat de lucht bij de nachtelijke circulatie voldoende boven de akoestische panelen gestuwd wordt.

Voorbeeld van gedeeltelijk verlaagde plafonds

Bron: Leefmilieu Brussel

Voor meer informatie over het Mundo-B-project, zie de fiche van het VOORBEELDGEBOUWPROJECT nr. 067 (2008)

2d. Free-cooling of nachtventilatie toevoegen

Alle voorgaande stappen hebben, naast het verbeteren van het zomercomfort, tot doel het vermijden van actieve koeling. De warmtelast wordt zo laag mogelijk gehouden om passieve koeling mogelijk te maken.

In woningbouw kan met de bovenvermelde maatregelen vaak een voldoende comfort bereikt worden, waarmee de indicatoren voldoen aan de vooropgestelde eisen (zie Doelstellingen). Is dit niet het geval dan integreert men een vorm van free-cooling of nachtventilatie in het gebouw. Ook als het zomercomfort reeds gehaald wordt zonder free-cooling of nachtventilatie is het aangewezen een beperkte vorm van free-cooling of nachtventilatie te voorzien om het comfort te verhogen.

In tertiaire gebouwen zijn bovenstaande maatregelen vaak niet voldoende om een goed zomercomfort te bereiken (zie Doelstellingen). Ook hier integreert men dan een vorm van free-cooling of nachtventilatie.

Om de impact van free-cooling en nachtventilatie op de indicator voor discomfort tijdens de zomer (een aantal overschrijvingsuren, een maximale temperatuur of een waarde voor de oververhittingsindicator) te kennen voegt men een vorm van free-cooling of nachtventilatie toe aan het warmtebalansmodel (simulatiemodel). In deze fase is dit onder de vorm van volgende gegevens:

• Debiet, vaak uitgedrukt in volumes per uur (vol/h): Deze parameter beschrijft voor een bepaald lokaal hoe groot het debiet is aan buitenlucht dat het lokaal binnengezogen wordt.
• Tijdsschema: van wanneer tot wanneer de free-cooling en/of nachtventilatie actief kan zijn.
• Regeling (Temperatuurvoorwaarden):
  • Vanaf welke buiten- en/of binnentemperatuur de free-cooling en/of nachtventilatie dient te werken.
  • Tot welke binnentemperatuur de free-cooling of nachtventilatie dient te koelen.

Onderstaande tabel geeft een voorbeeld van deze parameters. Niet in elke software kan men als deze waarden ingeven. Men dient dan vereenvoudigde aannames te doen ofwel gebruikt men de defaultwaarden van de software.

Voorbeeld van regelbeschrijving free-cooling en/of nachtventilatie

Na invoer van de free-cooling of nachtventilatie in het model kent men de impact op de indicator en weet men of het zomercomfort voldoende hoog is. Aanpassingen die men kan doen om het comfort te verhogen zijn:

• Hoger debiet (6 vol/h wordt vaak als maximum gehanteerd)
• Indien er enkel nachtventilatie is, ook free-cooling toevoegen
• De inertie nog iets verhogen. Dit heeft een positieve impact op het potentieel van de nachtventilatie

Let wel: nachtventilatie heeft ook een energieverbruik: extra ventilatorverbruik, zie ontwerp. Net zoals voor andere gebouwtechnieken is het aangewezen:

• dit energieverbruik in te schatten en te beperken (zie ontwerp)
• de kosten voor free-cooling en nachtventilatie te plaatsen ten opzichte van de energiebesparing in vergelijking met eventueel andere koeltechnieken.

Onderstaand een voorbeeld van een dergelijke analyse voor een kantoorgebouw.

Voorbeeld kostenbaten analyse nachtventilatie kantoorgebouw

Voor dit kantoorgebouw zijn een reeks ontwerpscenario's uitgewerkt:

• Een referentiescenario waarbij uitgegaan is van een standaard koelgroep met de lucht als bron.
• 3 verbeterscenario's waarbij telkens nachtventilatie is toegepast.

Kostentabel verschillende energiescenario's

Bron: Cenergie

Randvoorwaarde is dat alle ontwerpscenario's zo zijn ontworpen dat ze allen voldoen aan de comfortdoelstellingen. Dit is geëvalueerd met een dynamisch warmtebalans model. Onderstaande tabel geeft de meerkosten voor verschillende bouwposten. De actieve koeling kost 110.000 euro en is dus een vermeden investering. De passieve koeling (hier free-cooling en nachtventilatie) kost 50.000 euro.

De impact op het energieverbruik is onderstaand weergegeven. Dit is berekend met hetzelfde dynamisch warmtebalansmodel. Het elektriciteitsverbruik voor koeling daalt van 21.241 kWh (elektriciteitsverbruik koelgroep) tot 2.763 kWh (elektriciteitsverbruik ventilatoren nachtventilatie).

Vergelijking elektriciteitsverbruik verschillende energiescenario's

Bron: Cenergie

In dit geval heeft de installatie van nachtventilatie zowel een kostenbesparing als een energiebesparing tot gevolg. Puur op zichzelf kost de nachtventilatie 50.000 en is het elektriciteitsverbruik 2.763 kWh, wat overeenkomst met ongeveer 1,5 kWh/m².

Er bestaan ook vereenvoudigde flow-charts om te evalueren of free-cooling en nachtventilatie voldoende zal zijn om het comfort te garanderen, onderstaand een voorbeeld. Let wel: dit betreft enkel free-cooling. In combinatie met andere passieve koeltechnieken kan men hogere koellasten wegkoelen.

Methode van predimensionering van de openingen voor free cooling

Bron : "Natural ventilation for offices", onderzoeksprogramma Natvent (Natural ventilation design project).

2e. Comfortniveau evalueren en bovenstaande stappen eventueel herhalen

Het ontwerpen van gebouwen is een iteratief proces, zo ook het optimaliseren van het ontwerp om te komen tot een comfortabel en energie-efficiënt ontwerp.

Met stelselmatig verbeteren van het ontwerp door de zonnewinsten te beperken, de interne winsten te beperken, de verlichting te optimaliseren, meer inertie toevoegen, … en free-cooling of nachtventilatie toevoegen maakt de ontwerper verschillende verbeterscenario's. De scenario's op zich en de onderlinge vergelijking geven hem of haar inzicht in de impact van de verschillende maatregelen op het comfort en het energieverbruik.

Het kan bijvoorbeeld zijn dat voor een kantoorgebouw een verlichting van 2W/m²/100 lux en ventilatievoud van 5 vol/h gedurende de nacht net niet voldoende is om een goed comfort te realiseren. De extra investering in een verlichting van 1,6W/m²/100 lux maakt zit misschien wel mogelijk. De parameters voor de verlichting aanpassen leidt tot een volgend verbeterscenario.

Let wel: Het is niet om dat het zomercomfort net gehaald is dat dit het beste scenario is. Maatregelen om de interne warmtewinsten verder te reduceren zijn altijd aangewezen omdat deze ook tot een besparing leiden op de elektriciteitsfactuur.

2f. Vastleggen van de bekomen parameters inzake beglazing, verlichting en toestellen en free-cooling en/of nachtventilatie

Uiteindelijk wordt er een bepaald verbeterscenario gekozen. De parameters van dit scenario's worden eenduidig vastgelegd. Ze vormen een belangrijk deel van het verdere ontwerpproces. Het zijn prestatie-eisen (zie onderstaand voorbeeld) waarvan niet mag afgeweken worden en die goed bewaakt moeten worden, b.v. bij een controle van de lastenboeken, tijdens de werf, etc.

Voorbeeld prestatie-eisen kantoor