Ventilatiedebieten kunnen op meerdere manieren door luchtbewegingen gecreëerd worden: het effect van de wind (de windsnelheid), het schoorsteeneffect (het temperatuurverschil tussen de onder- en de bovenkant van een luchtkolom) en de combinatie van deze twee fenomenen.
Door het effect van de wind
Windstelsel in België
In onze streken komt de hoofdstroming uit het zuidwesten en de belangrijkste secundaire stroming uit het noordoosten. Het is dus tegenover deze twee richtingen dat de openingen bij voorkeur geplaatst worden voor de toepassing van free-cooling (vensters of roosters). Concreet: indien het gebouw is blootgesteld aan de wind, kan men dus proberen om de openingen van het gebouw te plaatsen op de tegenover elkaar liggende gevels, idealiter zuidwest en noordoost, waarbij ‘vrije' luchtdoorgang wordt voorzien tussen de lokalen. Aangezien de windsnelheden tijdens warme periodes, in tegenstelling tot de temperaturen, niet in te schatten zijn, heeft men bij dwarsventilatie minder zekerheid over een voldoende ventilatiedebiet.
Het fenomeen van het ontstaan van een ventilatiedebiet wordt in detail uitgelegd bij Effect van de wind.
Windstelsel in België
En in Brussel?
Over de snelheid van de wind in steden is tot nu toe weinig bekend en alles hangt ook sterk af van de nabije omgeving van het gebouw. Zo is het best mogelijk dat een gebouw gelegen in het centrum van Brussel geen dominante zuidwestelijke wind ervaart door alle obstakels die de stad opwerpt. Om een beter beeld te hebben van de wind op gebouwniveau zal vaak een studie nodig zijn, waarbij gebruikgemaakt wordt van een aëraulische simulatie van de stedelijke context. Om het effect van de locatie van een gebouw op de windsnelheid te bepalen, reikt de literatuur alvast meerdere eenvoudige en gedetailleerde methoden aan. Voor stedelijke sites leveren deze methoden echter altijd ruw geschatte resultaten op. Daarom gebruikt men bij voorkeur de resultaten van de berekeningen ter bepaling van de jaarlijkse gemiddelde windsnelheden die in het kader van de evaluatie van het stedelijke windpotentieel in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest verricht werden. Deze resultaten geven de windsnelheid op een hoogte van 10 m voor meerdere meetpunten in verschillende geografische zones van Brussel.
Snelheid van de wind berekend op een hoogte van 10 m in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest in 2012
Windsnelheid op een hoogte van 10 m (m/sec.)
Langs het kanaal Zone Oost Zone Noord Zone Zuid Stadscentrum Zone Zuidoost Zone Zuidwest
Bij een eerste benadering is het altijd beter om behoudsgezind te zijn en van de meest geringe windsnelheden uit te gaan. In een volgende stap zullen er dan metingen ter plaatse of aëraulische simulaties verricht moeten worden .
Effect van de wind
Als vertrekhypothese mag men uitgaan van een jaarlijkse gemiddelde windsnelheid van 1,6 m/sec., terwijl ook de impact van naburige gebouwen op de windsnelheid in aanmerking genomen moet worden. Als men dan vervolgens meer in detail wil gaan bij het ontwerp, zal men een aëraulische studie moeten verrichten voor de gebouwen die zich in een stedelijke omgeving bevinden.
Het door de wind veroorzaakte luchtdebiet wordt berekend met volgende formule:
waarbij:
Q v = K . A . V
- Qv: door de wind veroorzaakt luchtdebiet (m³/sec.)
- A: vrije openingsoppervlakte (m²)
- V: windsnelheid (m/sec.)
- K: efficiëntiecoëfficiënt (-)
De efficiëntiecoëfficient hangt af van de invalshoek van de wind en de grootte van de in- en uitstroomopeningen. Deze coëfficiënt varieert tussen 0,4 voor wind met een invalshoek van 45° en 0,8 voor wind die loodrecht op de gevel blaast.
Verder valt ook gemakkelijk te begrijpen dat de wind hogerop minder obstakels op zijn pad aantreft, wat het door de wind veroorzaakte luchtdebiet voor de bovenste verdiepingen zal vergroten.
Effect van de winddruk op de natuurlijke ventilatie
Met de volgende formule kan de windsnelheid worden aangepast in functie van de hoogte. De formule geldt voor een hoogte van 0 tot 100 m en houdt geen rekening met de obstakels op de grond. Zonder aëraulische studie of meting ter plaatse is het moeilijk om de correctheid van de windsnelheid op geringe hoogtes in een stedelijke omgeving in te schatten.
waarbij:
- v(h) : snelheid van de wind op de gewenste hoogte
- v10 : snelheid op 10 m hoogte
- h 10 : 10 m hoogte
- h : gewenste hoogte
Onderstaande figuur illustreert het exponentiële effect van de windsnelheid op de hoogte in functie van de omgeving. Het verschil in windsnelheid is daarbij erg klein vanaf 100 m.
Impact van de windsnelheid in functie van de obstakels (van links naar rechts: landelijke zone, halfstedelijke zone, stedelijke zone) en de hoogte
Door het schoorsteeneffect
Het schoorsteeneffect: het schoorsteeneffect is de opwaartse beweging van de binnenlucht in een gebouw of een koker, doordat deze lucht warmer is en dus lichter dan de buitenlucht. Die beweging zorgt voor aanzuiging van verse lucht onderaan in het gebouw of de koker en stuwt de warme lucht aan de bovenkant naar buiten. Deze luchtverplaatsing is sterker wanneer het temperatuurverschil tussen binnen en buiten groter is (en werkt dus hoofdzakelijk 's winters en/of 's nachts) en naarmate het hoogteverschil tussen de openingen voor luchttoevoer en luchtafvoer groter is (zie dimensionering). Een schoorsteeneffect is mogelijk op schaal van een enkel venster, een gevel of van een volledig gebouw. Bij een schoorsteen zal naast het temperatuurverschil ook de wind spelen als drijvende kracht (zuiging van de lucht uit het gebouw). Zie ook het dossier Een energie-efficiënt ventilatiesysteem ontwerpen.
Effect van het temperatuurverschil op de natuurlijke ventilatie
Het schoorsteeneffect wordt berekend met de volgende formule:
waarbij:
- Q stack : luchtdebiet in (m³/sec.)
- Cd: ontspanningscoëfficiënt van de luchttoevoer of -afvoer (varieert tussen 0,1 en 0,6 in functie van de producten) (-)
- A: vrije openingsoppervlakte (m²), gelijk aan de afvoeroppervlakte
- g: 9,8 (m/s²), valversnelling
- h: verticale afstand (gemeten vanaf het midden) tussen de luchtinlaat en de luchtuitlaat (m)
- Ti: de temperatuur onderaan in de luchtkolom (K)
- To: de temperatuur bovenaan in de luchtkolom (K)
Door de combinatie van beide fenomenen: effect van de wind en schoorsteeneffect
In het ontwerp zal er altijd getracht worden om deze twee fenomenen te combineren, zodat ze elkaar kunnen versterken. Het zou immers erg teleurstellend zijn, mocht er geen wind zijn op het moment dat men het eigen gebouw wil koelen!
Men zal dus proberen om de openingen in de gevel langs de kant van de dominante windrichtingen aan te brengen (zuidwesten en noordoosten). Bovendien zal de wind doorgaans (door een aanzuigeffect) extra lucht aanzuigen via de verticale buis. Als de openingen in de gevel zich niet in de richting van de wind bevinden, zal de wind eerder de neiging vertonen om lucht van het gebouw aan te zuigen vanaf de vensters en het schoorsteeneffect te belemmeren.
Er zijn verschillende voorbeelden van de implementatie van natuurlijke free-cooling te vinden in het hoofdstuk Inspiratie opdoen.
