Jellema 6B Installaties-Werktuigbouwkunde en Gas

JELLEMA 6B INSTALLATIES – WERKTUIGBOUWKUNDIG EN GAS

06950483_voorw.indd 1

21-11-2005 11:47:51

II

omslagontwerp Marjan Gerritse, Amsterdam vormgeving binnenwerk Peter van Dongen, Amsterdam opmaak Van de Garde, Zaltbommel tekenwerk Zanzara, Odiliapeel Veltman Bouwkundig Ontwerp- en Tekenburo, Delft De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

ThiemeMeulenhoff ontwikkelt leermiddelen voor: Primair Onderwijs, Algemeen Voortgezet Onderwijs, Beroepsonderwijs en Volwasseneneducatie en Hoger Beroepsonderwijs. Voor meer informatie over ThiemeMeulenhoff en een overzicht van onze leermiddelen: www.thiememeulenhoff.nl

ISBN 90 06 95048 3 Tweede druk, tweede oplage

© ThiemeMeulenhoff, Utrecht/Zutphen, 2004 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 jo het Besluit van 20 juni 1974, Stb. 351, zoals gewijzigd bij het Besluit van 23 augustus 1985, Stb. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Reprorecht (Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich tot de uitgever te wenden.

06950483_voorw.indd 2

21-11-2005 11:47:51

III

6

Bouwtechniek Installaties B werktuigbouwkundig en gas

06950483_voorw.indd 3

21-11-2005 11:47:52

IV

De serie Jellema Hogere Bouwkunde bestaat naast het inleidende deel uit drie reeksen boeken: bouwtechniek, bouwmethoden en bouwproces. Tezamen vormt de inhoud de onontbeerlijke basiskennis voor het hoger beroepsonderwijs en wetenschappelijk onderwijs.

Auteurs deel 6B: Ir. D.J. Hengeveld en Ir. J.H. van Zanten, van Zanten raadgevende ingenieurs, ’s-Gravenhage

Ook deze vernieuwde uitgave is ontstaan vanuit de noodzakelijke interactie tussen het onderwijs enerzijds en het bedrijfsleven anderzijds. Beide sectoren leveren auteurs, maar zijn ook bereid tot het leveren van commentaar en kritiek in een voortdurende discussie tussen redactie, auteurs en het onderwijs.

A. den Hoedt Werkzaam bij Eneco, Rotterdam

Deerns raadgevende ingenieurs b.v., Rijswijk

De redactie: ir. K. Hofkes Docent Bouwkunde, Hogeschool INHOLLAND, Haarlem en Alkmaar ing. N. Zimmermann Architect, Amsterdam ir. A. van Tol Architect, Zwolle ir. M. Bonebakker Adviseur Bouwmanagement, Geesteren H.A.J. Flapper Bouwinnovator, Amsterdam ir. H. Brinksma Docent Bouwkunde, Hogeschool van Utrecht, Utrecht

06950483_voorw.indd 4

21-11-2005 11:48:02

V

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

1

2

7

Inleiding Bouwnijverheid

3

Bouwtechniek Onderbouw

Bouwtechniek Draagstructuur

8

Bouwmethoden Bouwmethodiek

Bouwmethoden Woningbouw

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

Serieoverzicht

10

Bouwproces

11

Bouwproces

12

Bouwproces

Ontwerpen

Contracteren

www.jellema-online.nl

4

Bouwtechniek Omhulling

9

Bouwmethoden Utiliteitsbouw

A prestatie-eisen / daken

www.jellema-online.nl

4

Bouwtechniek Omhulling

A techniek

12

B gevels

4

Bouwtechniek Omhulling

Uitvoeren

Bouwproces Uitvoeren B organisatie

13

Bouwproces Beheren

C gevelopeningen

5

6

Bouwtechniek Afbouw

Bouwtechniek Installaties A elektrotechnisch en sanitair

6

Bouwtechniek Installaties B werktuigbouwkundig en gas

6

Bouwtechniek Installaties C liften en roltrappen

06950483_voorw.indd 5

21-11-2005 11:48:04

VI

Woord vooraf De omhulling van een gebouw moet het interieur zo goed mogelijk beschermen tegen de wisselende klimaatinvloeden van buiten. Voorzover dit met bouwkundige voorzieningen niet mogelijk is, moeten de technische installaties voor de nodige aanvullingen zorgen. In tekorten c.q. overschotten aan warmte, koude, vocht, enzovoort, moeten worden voorzien door de klimaatregelingsinstallaties. Het gebouw en de klimaatregelingsinstallaties moeten zo goed mogelijk op elkaar worden afgestemd waarbij een zo laag mogelijk energiegebruik uitgangspunt moet zijn. In hoofdstuk 11 wordt besproken hoe het evenwicht tussen gebruikerseisen en energiegebruik kan worden gevonden. Daarna wordt het bouwfysisch gedrag van bouwwerken behandeld met de factoren die dit bouwfysisch gedrag beïnvloeden. Dit hoofdstuk geeft een overzicht van de mogelijke installatieconcepten voor voornamelijk gebouwen met een kantoorfunctie en eindigt met de bespreking van de energiebalans en de energieprestatie. Hoofdstuk 12 behandelt de klimaatregelingsinstallaties en geeft voornamelijk voor kantoorgebouwen de mogelijkheden van de toepasbare installatieconcepten.

06950483_voorw.indd 6

De behagelijkheid van de vertrekken wordt vooral bepaald door de keuze en plaatsing van de eindapparaten en de regeling middels de regelsystemen. Het hoofdstuk eindigt met de mogelijkheden te tonen van verschillende energiebesparingsinstallaties. Omdat de kantoorindelingen thans aan ingrijpende veranderingen onderhevig zijn, worden in hoofdstuk 13 enkele bijzondere concepten besproken, zowel wat betreft gebouwontwerp als installatieconcept, die onderling op elkaar zijn afgestemd. Deze hoofdstukken zijn geschreven door auteurs die werkzaam zijn bij adviesbureaus die dagelijks bij deze problematiek zijn betrokken. Hoofdstuk 14 behandelt de gasinstallaties. Het gaat hier niet alleen om de dimensionering en de aanleg van de gasleidingen, maar vooral om de plaatsingsruimten van de gasverbruikstoestellen (cv-ketels en warmwaterbereidingstoestellen). Van belang hierbij is een goede toevoer van de benodigde verbrandingslucht en een veilige onbelemmerde afvoer van verbrandingsgassen. De auteurs mei 2004

21-11-2005 11:48:05

VII

Inhoud 11 Energiehuishouding 1 Inleiding 2 11.1 Streven naar evenwicht tussen eisen en energiegebruik 2 11.2 Gebruikers- en wettelijke eisen 3 11.2.1 Gebruikerseisen 3 11.2.2 Wettelijke eisen 7 11.3 Gebouwconcepten 10 11.3.1 Bouwfysisch gedrag gebouw 10 11.4 Installatieconcepten 18 11.4.1 Functies werktuigbouwkundige installatie 18 11.4.2 Kenmerken werktuigbouwkundige installatie 18 11.4.3 Comfort 21 11.5 Evenwicht tussen behaaglijkheid en energiegebruik 22 11.5.1 Maatstaf voor behaaglijkheid 22 11.5.2 Invloedsfactoren op energiegebruik en GTO-uren 22 11.6 Energiebalans en energieprestatie 25 11.6.1 Energiebalans 25 11.6.2 Energieprestatiecoëfficiënt (EPC) 26 11.6.3 Energiebalans analoog aan NEN 2916 26 11.6.4 Componenten energiebalans 27 11.6.5 Bijdrage diverse componenten in energiebalans 31 11.6.6 Maatregelen ter verbetering 31 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 32 12 Klimaatbeheersingsinstallaties 33 Inleiding 34 12.1 Luchtbehandeling 35 12.1.1 Principe 35 12.1.2 Conditionering ventilatielucht 36 12.2 Installatieconcepten 37 12.2.1 Centrale verwarming; natuurlijke luchttoevoer/mechanische luchtafvoer 37 12.2.2 Ventilatie op basis van constant-volumesystemen; centrale verwarming; radiatoren 40 12.2.2 Ventilatie, verwarming en koeling op basis van variabel-volumesystemen 42 12.2.4 Ventilatie, verwarming en koeling op basis van ventilatorconvectorsystemen 45 12.2.5 Ventilatie, verwarming en koeling op basis van inductie-units 49 12.2.6 Verwarming en koeling door middel van klimaatplafonds 53

06950483_voorw.indd 7

12.2.7 Klimaatgevels 55 12.2.8 Keuzemotieven 57 12.3 Distributiesystemen 58 12.3.1 Situering technische ruimte 58 12.3.2 Situering kanalen en leidingen 59 12.3.3 Situering eindapparaten 62 12.3.4 Toegankelijkheid distributiesystemen 63 12.3.5 Bouwkundige voorzieningen, geluid en brandkeringen 64 12.4 Eindapparaten 64 12.4.1 Radiatoren 65 12.4.2 Convectoren 65 12.4.3 Vloerverwarming 65 12.4.4 Plafondverwarming 67 12.4.5 Luchttoevoer- en luchtafvoerroosters 67 12.5 Opwekkers 68 12.5.1 Warmteopwekking 68 12.5.2 Koudeopwekking 69 12.6 Regelsystemen 71 12.6.1 Regelinstallaties 71 12.6.2 Gebouwbeheerssysteem (GBS) 71 12.6.3 Ruimtetemperatuurregeling met centrale verwarming 73 12.6.4 Ruimtetemperatuurregeling via luchtbehandeling 74 12.7 Energiebesparingsinstallaties 74 12.7.1 Warmteterugwinningsinstallaties 74 12.7.2 Langetermijnenergieopslag in bodem (LTEO) 76 12.7.3 Warmtepomp 79 12.7.4 Warmte/krachtkoppelingsinstallaties 79 12.7.5 Zonne-energie 80 12.7.6 Actieve thermische zonne-energie 81 12.7.7 Actieve fotovoltaïsche zonne-energie 85 12.8 Decentrale installaties 87 12.8.1 Fan-coil-unit 87 12.8.2 Split-unit 88 12.8.3 Luchtverhitters 88 13 Bijzondere concepten 89 Inleiding 90 13.1 Dynamische kantoren 90 13.1.1 Van traditioneel naar dynamisch kantoorconcept 90 13.1.2 Optimaal installatieconcept 91 13.1.3 Kantoorinnovatie uit kinderschoenen? 92 13.1.4 Gewijzigde bouwfysische aspecten 93 13.2 Op weg naar energie-nul-gebouw 93

21-11-2005 11:48:06

VIII

13.2.1 Een tijd als nooit tevoren 93 13.2.2 Geschiedenis gebouw en installaties 95 13.2.3 Geïntegreerd ontwerpen in DUBO-tijdperk 95 13.2.4 ‘Anders ontwerpend denken’ 96 13.2.5 Praktijkvoorbeeld ‘anders energiezuinig ontwerpen’ 98 13.2.6 Minder energievraag door nieuwe technieken 105 13.2.7 Nieuwe technieken en ‘anders bouwen’ 107 13.2.8 Ten slotte 107 13.3 Lage installatiegraad dankzij glasoverkapte ruimten: nieuwbouw IBN-DLO 107 13.3.1 Instituut voor Bos- en Natuuronderzoek (BN-DLO) 107 13.3.2 Binnentuinen 109 13.3.3 Natuurlijke klimaatregeling 109 13.3.4 Luchtbehandeling laboratoria 110 13.3.5 Klimaatkamers 112 13.3.6 Verwarming 112 13.3.7 Koeling 112 13.3.8 Sanitair 113 13.3.9 Gebruikerservaring 113 13.3.10 Mens- en milieuvriendelijk 113

14.7.1 lndeling toestellen afhankelijk van afvoer verbrandingsgassen 140 14.7.2 Doortocht afvoerkanalen 141 14.8 Opstellingsruimten in woningen 141 14.8.1 Afmetingen opstellingsruimten 142 14.9 Luchttoevoer- en luchtafvoeropeningen 144 14.10 Afvoerleidingen 145 14.10.1 Tracé afvoerleidingen 146 14.10.2 Materiaal afvoerleidingen 149 14.11 Gesloten toestellen 149 14.11.1 Afvoerleidingen en luchttoevoerleiding voor hoogbouw 149 14.12 Plaats uitmondingen voor rookgasafvoersystemen 151 14.12.1 Uitmondingen afvoersystemen voor open toestellen 151 14.12.2 Uitmondingen afvoersystemen voor gesloten toestellen 153 14.12.3 Hinder voor omgeving 154 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 159 Register 161

14 Gasinstallaties 115 Inleiding 116 14.1 Plaatselijk gasdistributienet 117 14.2 Gasinstallatie 119 14.3 Eigenschappen aardgas 119 14.3.1 Calorische verbrandingswaarde 120 14.4 Voorschriften gasinstallaties 121 14.4.1 Bouwbesluit 121 14.4.2 NEN 1078 121 14.4.3 Normen 121 14.4.4 Installatievoorschriften 124 14.4.5 CE-markering 124 14.5 Gebouwaansluiting 125 14.5.1 Geveldoorvoeringen 125 14.5.2 Meterkast 127 14.6 Binnen- en aansluitleidingen 129 14.6.1 Materialen en verbindingen 129 14.6.2 Aansluitingen gasverbruiks-toestellen 129 14.6.3 Leidingaanleg (NPR 3378-5/6) 129 14.6.4 lnstallatietekeningen 133 14.6.5 Dimensionering binnenleidingen 137 14.6.6 Gereedmelding en beproeving 138 14.7 Gasverbruikstoestellen en afvoer verbrandingsgassen 139

06950483_voorw.indd 8

21-11-2005 11:48:06

11

Energiehuishouding ir. J.H. van Zanten, ir. D.J. Hengeveld

Al eeuwenlang heeft de mens er behoefte aan een ruimte te scheppen die is afgescheiden van het buitenklimaat, om zich te beschutten tegen regen, wind, koude en warmte. De beschutting tegen het buitenklimaat mag niet absoluut zijn, want uitzicht, daglicht en contact met buiten dragen onlosmakelijk bij aan het menselijke welbevinden. Het binnenklimaat moet geschikt zijn voor de activiteiten die de mens beoogt te verrichten. Naast beschutting en geschiktheid wordt het binnenklimaat bepaald door wensen ten aanzien van behaaglijkheid en comfort.

06950483_H11.indd 1

21-11-2005 11:46:38

2

Inleiding De mens zoekt beschutting tegen het buitenklimaat en creëert zijn eigen binnenklimaat. De buitenschil van gebouwen biedt de gewenste beschutting, maar voldoet niet automatisch aan de wens tot een geschikt binnenklimaat voor het verrichten van de beoogde activiteiten. Er moeten openingen in de buitenschil aanwezig zijn om daglicht toe te laten en contact met de omgeving mogelijk te maken. Door de ramen verdwijnt in de winter warmte en komt in de zomer vaak te veel zon naar binnen. De gebouwschil geeft wel beschutting, maar staat niet garant voor een behaaglijk binnenklimaat. Er zijn installaties nodig die kunnen verwarmen, verse lucht kunnen aanvoeren en eventueel kunnen koelen als het te warm wordt. Om aan de comfortwensen van de mens tegemoet te komen, worden er nog andere installaties in gebouwen geplaatst, zoals verlichtingsinstallaties, audiovisuele installaties, computers, wasmachines en droogtrommels. Apparatuur levert het gewenste comfort, maar gebruikt elektrische energie waarvan een deel in warmte wordt omgezet, wat het binnenklimaat beïnvloedt. Soms is die warmte gewenst, maar vooral in de zomer doet de warmteproductie van apparatuur afbreuk aan een behaaglijk binnenklimaat. Met behulp van werktuigbouwkundige installaties kan er een behaaglijk binnenklimaat gecreëerd worden, ondanks de invloed van comfortverhogende apparatuur. Installaties gebruiken energie die niet onbeperkt aanwezig is, zodat het van belang is zuinig met energie om te springen. Zuinig omgaan met energie ten behoeve van het creëren van een geschikt binnenklimaat is een maatschappelijke verantwoordelijkheid, die in Nederland in de wet (in casu het Bouwbesluit) is vastgelegd. De hoeveelheid energie die nodig is om een geschikt binnenklimaat te scheppen, hangt voor een belangrijk deel af van het ontwerp van het gebouw en de gebouwinstallatie.

06950483_H11.indd 2

11.1 Streven naar evenwicht tussen eisen en energiegebruik Het beoogde gebruik van het gebouw, het gebouw- en installatieontwerp moeten op elkaar worden afgestemd om een gebouw te krijgen met een goede warmtehuishouding, dat wil zeggen, met een: • behaaglijk binnenklimaat geschikt voor beoogde activiteiten; • laag energiegebruik. Er moet worden gestreefd naar een evenwicht tussen enerzijds het gebruik van het gebouw en anderzijds het ontwerp en de installatie om verantwoord met energie om te gaan. Het is duidelijk dat een zwembad meer energie gebruikt dan een goederendistributiecentrum: de functie van het gebouw bepaalt in belangrijke mate het energiegebruik. Een gebouw met veel glas heeft in de winter een grote warmtebehoefte en in de zomer een warmteoverschot en vergt daardoor een grotere en ingewikkeldere installatie. Bepalend voor een goed evenwicht uit oogpunt van warmtehuishouding zijn: • gebruikerseisen (gebouw moet geschikt zijn om beoogde bedrijfsproces adequaat te laten plaatsvinden); • wettelijke eisen. Afhankelijk van de eisen die voortvloeien uit het beoogde gebruik (gebouwfunctie), moeten er in het gebouw- (gebouwconcept) en installatieontwerp (installatieconcept) andere keuzen worden gemaakt: er moet een evenwicht zijn tussen de eisen en het gebouw- en installatieconcept. Figuur 11.1 illustreert dat het gebouw- en installatieontwerp samen het gewenste binnenklimaat moeten waarborgen. Als er in het gebouwontwerp onvoldoende rekening wordt gehouden met de warmtehuishouding van het gebouw, moet de balans door de installatie weer in evenwicht worden gebracht. In dat geval is niet zeker of het energiegebruik ter realisatie van het gewenste binnenklimaat maatschappelijk verantwoord is of zelfs de wettelijke eisen overschrijdt. Integratie van het gebouw- en installatieontwerp is gewenst.

21-11-2005 11:46:38

11 ENERGIEHUISHOUDING

eisen gebruiker

gebouwconcept

eisen wet

installatieconcept

Figuur 11.1 Evenwicht tussen eisen, gebouw- en installatieconcept

Zowel gebouwen als installaties kunnen worden ingedeeld in typen met een soortgelijk gedrag ten aanzien van de warmtehuishouding. De keuze voor een type gebouw en type installatie wordt bepaald door de te stellen eisen. Wettelijke eisen kunnen leiden tot andere keuzen of maatregelen dan gebruikerseisen, immers aan wettelijke eisen moet worden voldaan, terwijl aan gebruikerseisen zo goed mogelijk moet worden voldaan. In figuur 11.2 zijn de meest essentiele factoren weergegeven die bepalend zijn voor: • gebruikerseisen; • wettelijke eisen; • gebouwontwerp; • installatieontwerp. De warmtehuishouding van een gebouw wordt besproken aan de hand van de energiebalans van een gebouw. Een energiebalans kan op verschillende manieren worden uitgewerkt; in dit hoofdstuk is gekozen voor twee begrippen: • behaaglijkheid uitgedrukt in gewogen temperatuuroverschrijdingsuren (GTO); • energieprestatienormering (EPN).

functie imago budget behaaglijkheid bedrijfstijd bezettingsgraad

Bouwbesluit veiligheid gezondheid bruikbaarheid energiezuinig Arbobesluit Wet milieubeheer

3

Beide begrippen worden beknopt uitgelegd, waarna wordt ingegaan op het verband tussen enerzijds energiegebruik en anderzijds de energieprestatienormering (EPN) en de behaaglijkheid in termen van gewogen temperatuuroverschrijdingsuren (GTO). Aan de hand van voorbeelden wordt duidelijk gemaakt welke maatregelen in het ontwerp zinvol zijn om het energiegebruik en de behaaglijkheid te verbeteren. Voor organisaties met verschillende functies ontstaan zo gebouwen met significante verschillen in het gebouwconcept en in het installatieconcept. Integrale benadering is nodig om tot optimale vervulling van de eisen te komen zonder het kostenaspect uit het oog te verliezen.

11.2 Gebruikers- en wettelijke eisen 11.2.1 Gebruikerseisen Gebruikerseisen zijn privaatrechtelijk van aard. Ze worden in het Programma van Eisen tussen partijen overeengekomen en hebben tot doel dat het gebouw zijn beoogde functie vervult. Een opdrachtgever verlangt een gebouw waarin de beoogde activiteit kan plaatsvinden, variërend van een woning, kantoorgebouw, zwembad, koelcel tot een cleanroom voor productie van computeronderdelen of een eenvoudige loods voor houtopslag. In het Programma van Eisen wordt vastgelegd waar de ruimten geschikt voor moeten zijn en wat de ruimtebehoefte voor elke activiteit is. De geschiktheid voor bepaalde activiteiten wordt onder andere bepaald door het binnenklimaat wat betreft temperatuur,

eisen gebruiker

gebouwconcept

eisen wet

installatieconcept

oriëntatie glas/zonwering compactheid isolatie luchtdichtheid massa

verwarming ventilatie koeling verlichting apparatuur

Figuur 11.2 Essentiële factoren voor eisen, gebouw- en installatieconcept

06950483_H11.indd 3

21-11-2005 11:46:39

4

luchtvochtigheid en daglichttoetreding, figuur 11.3, maar ook wat betreft de aanwezigheid van voorzieningen, zoals telecommunicatie, elektraen transportvoorzieningen. In het gebouw moet het goed werken of vertoeven zijn, kortom, het moet een behaaglijk binnenklimaat hebben. Mogelijkerwijs verlangt de opdrachtgever een gebouw dat goed past bij het nagestreefde imago van de te huisvesten organisatie. Een organisatie die openheid nastreeft, heeft vaak een voorkeur voor een gebouw met veel glas in de gevel, een kapitaalkrachtige organisatie voor een massief gebouw met veel marmer.

Sterk bepalend voor de warmtehuishouding zijn de volgende gebruikerseisen: • beoogde gebruik of gebouwfunctie; • beschikbare budget; • mate van behaaglijkheid, figuur 11.3; • flexibiliteit. Uit oogpunt van exploitatiekosten is het mogelijk hogere eisen te stellen dan de wettelijke eisen. Enkele veelvoorkomende eisen (met invloed op de warmtehuishouding) zijn: • verhoogde warmte-isolatie; • verbeterde luchtdichtheid.

▶▶ Het opstellen van het Programma van Eisen wordt besproken in deel 10 Ontwerpen, hoofdstuk 3

Materieel comfort Architectonische factoren

mnImmaterieel comfort Fysisch-fysiologische factoren

Vorm

inhoud oppervlakte structuur enzovoort

Klimaat

temperatuur vochtigheid luchtsnelheid enzovoort

Esthetica

kleur textuur enzovoort

Geluid

nagalmtijd geluidsdrukniveau frequentieverdeling variatie in de tijd enzovoort

Inrichting

plaats groot meubilair klein meubilair voorzieningen enzovoort

Verlichting

lichtkleur luminatieverhouding vormkwaliteit verlichtingssterkte enzovoort

Zuiverheid lucht

CO2-concentratie geurtjes gewenste verselucht-hoeveelheid enzovoort

Psychologische factoren Mens intern: motivatie politieke achtergrond ervaring aandacht prestatie activatieniveau enzovoort Aantal

Sociologische factoren Mens extern: Activiteit in groter verband zoals: functie hiërarchie promotiekans enzovoort Medemens, zoals: nationaliteit enzovoort

Figuur 11.3 Welbevinden mens opgesplitst in factoren

06950483_H11.indd 4

21-11-2005 11:46:39

11 ENERGIEHUISHOUDING

5

ademhaling (convectie)

geleiding

kern 37 °C

watertransport

verdamping (transpiratie)

huid

straling

convectie (bloed)

omgeving

convectie vloer geleiding

Figuur 11.4 Warmteafgifte door mens

Warmteverlies door convectie (stroming) aan de omgevende lucht vindt plaats aan het buitenoppervlak van de kleding en de huid en bovendien door de ademhaling. Warmteverlies door straling vindt plaats aan het buitenoppervlak van de kleding en de huid naar de omgevende koudere wandoppervlakken, vloeroppervlakken, enzovoort. Warmteverlies door verdamping vindt plaats door transpiratie en respiratie.

Warmteverlies door straling is globaal gelijk aan dat door convectie. Het gezamenlijk aandeel hiervan is laag bij een warme omgeving en hoog bij een koude omgeving. Het aandeel van de verdamping in het totale warmteverlies is juist laag in een koude omgeving en hoog in een warme omgeving. Warmteverlies door geleiding, bijvoorbeeld via de voeten naar een koude vloer, is meestal in verhouding zeer gering, maar kan bij stilzitten bijzonder onaangenaam zijn.

Behaaglijkheid Een mens probeert zijn lichaamstemperatuur constant te houden en moet daartoe inwendig geproduceerde warmte afgeven aan zijn omgeving. De warmteafgifte van een rustend mens bedraagt ongeveer 80 W (1,5 m2 huidoppervlak × 58 W), bij kantoorwerk is de warmteafgifte opgelopen tot circa 105 W en bij sporten kan zij oplopen tot wel 800 W (bij bijvoorbeeld squash). Op vier manieren kan een mens warmte afgeven, figuur 11.4, door: • convectie; • straling; • verdamping; • geleiding.

zomer kleding met een thermische weerstand van circa 0,7 clo en in de winter van 0,9 clo. Poolkleding levert een thermische weerstand van circa 3 clo op en alleen een korte broek 0,1 clo. In zeer veel situaties is er sprake van een warmteoverschot, zodat er warmte afgegeven moet worden aan de omgeving. Alle vier de afgiftemechanismen zijn afhankelijk van het temperatuurverschil met de omgeving; afgifte door straling zelfs met de vierde macht van het temperatuurverschil. De stralingstemperatuur wijkt iets af van de luchttemperatuur, maar in de huidige context is het voldoende nauwkeurig over een verschil in luchttemperatuur te spreken. De warmteafgifte is afhankelijk van de mate waarin lucht warmte geleidt en die is slecht (lucht is een goede isolator). De warmteafgifte wordt beter als de lucht meer vocht bevat (betere geleiding) of als de lucht beweegt (betere convectie). Als de lucht te snel beweegt, wordt de afvoer te groot, wat als onaangenaam wordt ervaren: ‘Het tocht!’. Daarnaast is verdampen (transpireren) een methode om warmte af te voeren.

De hoeveelheid warmte die een mens produceert, hangt af van de hoeveelheid voedsel die verbrand wordt en van de activiteiten die worden verricht. Om de warmtebalans van het lichaam in evenwicht te houden, kleedt de mens zich dusdanig dat hij voldoende warmte over heeft om zijn lichaam op temperatuur te houden. De thermische weerstand van kleding wordt uitgedrukt in clo; kantoorpersoneel draagt in de

06950483_H11.indd 5

21-11-2005 11:46:40

6

warmteproductie mens

luchttemperatuur

kledingweerstand

behaaglijkheid

stralingstemperatuur

luchtsnelheid

relatieve vochtigheid

Figuur 11.5 Factoren die behaaglijkheid beïnvloeden

In figuur 11.5 zijn de invloedsfactoren op de behaaglijkheid van een mens weergegeven. De warmtebalans van de mens is zeer complex en verkeert in een soort labiel evenwicht met het (binnen)klimaat. Daarbij is de temperatuur een zeer belangrijke parameter. Als het evenwicht verstoord is, wordt dat als onbehaaglijk ervaren. Naast de genoemde factoren is de behaaglijkheid ook afhankelijk van het individu: de ene mens heeft het eerder koud dan de andere. Behaaglijkheid is geen fysisch begrip dat in een formule te vangen is; op zijn minst zijn er statistische beschouwingen nodig. Daarmee is tevens gezegd dat er geen sprake kan zijn van een absolute behaaglijkheid, maar dat er sprake is van een optimum. Een bepaald aantal mensen zal altijd ontevreden zijn, maar dit percentage moet op een acceptabel niveau liggen. Diverse wetenschappers hebben onderzoek gedaan naar de factoren die de behaaglijkheid beïnvloeden. De bekendste is Fanger, die erin is geslaagd behaaglijkheidsvergelijkingen op te stellen. Met behulp van deze vergelijkingen is het mogelijk een temperatuuroptimum te bepalen afhankelijk van de verrichte activiteiten en in mindere mate van de kleding, de luchtbeweging en de luchtvochtigheid: de zogenaamde Predicted Mean Vote (PMV). Men kan kiezen welk percentage ontevredenen geaccepteerd wordt (het zogenaamde Predicted Percentage Dissatisfied (PPD) en daaruit volgt dan de boven- en ondergrens van het behaaglijkheidsgebied, uitgedrukt in een temperatuur. De uren waarin de temperatuur overschreden wordt, worden overschrijdingsuren genoemd. Voor gedetailleerdere informatie zie NEN-EN-ISO 7730 en ISSO-researchrapport 5.

06950483_H11.indd 6

Door de Rijksgebouwendienst (Rgd) is de beoordelingsmethode voor thermische behaaglijkheid verder ontwikkeld tot gewogen temperatuuroverschrijdingsuren (GTO). De Rgd stelt dat het product van het percentage ontevredenen (PPD) en de tijd dat er onbehaaglijkheid optreedt constant moet zijn. Het product wordt bepaald in die gevallen waarbij de behaaglijkheidgrenzen, aangegeven door de PMV (Predicted Mean Vote) worden overschreden: –0,5 < PMV < +0,5. De methode houdt zowel rekening met de in het gebouw optredende stralingstemperaturen als met de gemiddelde temperatuur, de luchtsnelheid, de vochtigheid, het fysiek activiteitenniveau van de gebruikers en de gedragen kleding. Een nieuwe methode ter bepaling van het thermisch binnenklimaat is in ontwikkeling: de adaptieve gewogen temperatuuroverschrijding (AGTO). Deze methode gaat uit van het adaptieve gedrag van de mens en maakt gebruik van een glijdende schaal’ voor de toelaatbare binnentemperatuur. Op het moment van schrijven is nog niet bekend op welke termijn de AGTO-methode in de normen wordt opgenomen. Om de temperatuur binnen de gewenste grenzen te houden, moet er warmte worden toegevoerd en in geval van temperatuuroverschrijdingen moet er warmte worden afgevoerd. Gebouwinstallaties zorgen voor verwarming of koeling door warm (of koud) water of lucht door de eindapparaten te pompen. Verwarmen kost energie, net zoals transporteren van water en lucht. Dat koelen van water veel energie kost, mag algemeen bekend worden verondersteld. Resumerend kan worden gesteld dat het realiseren van een behaaglijk binnenklimaat energie

21-11-2005 11:46:40

11 ENERGIEHUISHOUDING

kost; de mate waarin hangt af van het type gebouw en van het type installatie. Kantoorinnovatie De invoering van informatie- en communicatietechnologie heeft het werken in kantoren drastisch veranderd. Niet alleen het soort werk is veranderd, de nieuwe technologie stelt medewerkers ook in staat het werk op verschillende plaatsen uit te voeren. Een groeiend aantal organisaties neemt geen genoegen meer met een standaard cellenkantoor, maar streeft naar huisvesting die de veranderende werkprocessen beter ondersteunt. Deze ontwikkeling wordt wel aangeduid met de term kantoorinnovatie. Veelal resulteert kantoorinnovatie in een differentiatie van soorten werkplekken. Bijvoorbeeld concentratiewerkplekken voor personen die enkele uren geconcentreerd willen werken, wisselwerkplekken voor ambulante medewerkers, vergaderruimten en zones voor informele communicatie. Organisaties willen flexibeler kunnen opereren en verlangen een grote mate van flexibiliteit van de afbouw en de gebouwinstallaties. Het streven naar een transparantere bedrijfsvoering en een meer open bedrijfscultuur vertaalt zich in het veelvuldig gebruik van glas, ook in de binnenafbouw. Het intensievere gebruik van de middenzone leidt tot gebouwen met een complexere installatie en een grotere breedte dan gebruikelijk, zie ook paragraaf 13.1.1.

Flexibiliteit De flexibiliteit van een gebouw wordt bepaald door de mate waarin de inbouw kan worden aangepast. Het gebouw kan dezelfde functie houden (kantoor blijft kantoorgebouw), maar ook een functiewijziging hoort tot de mogelijkheden (bijvoorbeeld kantoor wordt schoolgebouw). Een veelvoorkomend kantoorgebouw bestaat uit een draagstructuur, een buitenschil en systeemplafonds waarin een eenvoudige installatie is aangebracht. Een wijziging naar een andere indeling is eenvoudig aan te brengen zolang de functie van het gebouw en de bezettingsgraad (aantal m2 dat elke werknemer tot

06950483_H11.indd 7

7

zijn beschikking heeft) niet verandert. Als de functie wijzigt, is opnieuw afstemming van de installatie op het gebouw nodig. Een gebouw redelijk flexibel ontwerpen is moeilijk, flexibele installaties ontwerpen is nog moeilijker. Bijna alle gebouwinstallaties kennen een centrale opstelling van de machines. In de verblijfsruimten bevinden zich radiatoren, inblaasroosters, enzovoort. Onderling zijn ze door een net van leidingen of kanalen verbonden en het totaal is niet eenvoudig te veranderen. Daar komt bij dat de levensduur van een gebouwinstallatie rond de vijftien tot twintig jaar ligt, terwijl de economische levensduur van de draagstructuur van het gebouw tachtig jaar bedraagt (technische levensduur zelfs meer dan tachtig jaar). Een andere indeling vraagt meestal warmte of koude op een andere plaats. Aanpassen van de capaciteit van de machines is niet zo eenvoudig en het verleggen van leidingen is een ingrijpende klus. Uit oogpunt van kosten worden er niet snel machines met grotere capaciteit geplaatst. Het aanbrengen van extra radiatoren, inblaasroosters of andere eindapparatuur is ook kostbaar. 11.2.2 Wettelijke eisen De belangrijkste wettelijke eisen zijn te vinden in: ◆ Woningwet; ◆ Arbeidsomstandighedenwet; ◆ Arbeidsomstandighedenbesluit; ◆ Wet milieubeheer; ◆ Bouwbesluit.

◆ Woningwet Hierin is onder andere geregeld dat de overheid bouwtechnische eisen moet stellen (vastgelegd in het Bouwbesluit), maar ook eisen kan stellen voortvloeiend uit het stedenbouwkundige plan en eisen van redelijke welstand. Denk bijvoorbeeld aan de situering van het gebouw op het terrein die tot een ongunstige oriëntatie ten opzichte van de zon kan leiden. ◆ Arbeidsomstandighedenwet In de Arbeidomstandighedenwet zijn de aspecten van het door de werkgever te voeren arbeidsomstandighedenbeleid opgenomen.

21-11-2005 11:46:41

8

◆ Arbeidsomstandighedenbesluit In het Arbeidsomstandighedenbesluit zijn voorschriften gegeven ten aanzien van uitzicht, daglichttoetreding, enzovoort, voor ruimten waarin mensen verblijven.

5 Bouwbesluit In het Bouwbesluit zijn eisen beschreven ten aanzien van veiligheid, gezondheid, bruikbaarheid en energiezuinigheid. Deze eisen zijn afhankelijk van de functie van het gebouw.

◆ Wet milieubeheer De Wet milieubeheer regelt onder andere dat er geluidzones vastgelegd zijn waarbinnen de geluidproductie een vastgelegd niveau niet mag overschrijden. Binnen die zones kunnen bepaalde activiteiten niet plaatsvinden, tenzij omhullingen van gebouwen voldoende geluidwering bezitten. Een geluidwerende gevel is tevens goed luchtdicht en beperkt de mogelijkheden tot luchtuitwisseling. Daarmee is de relatie naar de warmtehuishouding gelegd.

▶▶ Het Bouwbesluit wordt behandeld in deel 7

Prestatie-eisen In het Bouwbesluit worden prestatie-eisen aangegeven. Een prestatie-eis is een eenduidig meetbare eis met daarin opgenomen de bepalingsmethode en veelal ook het motief waarom de eis wordt gesteld. Prestatie-eisen worden bij voorkeur aan het hele gebouw gesteld. Een voorbeeld: • grootte kantoor: geschikt voor 100 personen; ter huisvesting van kantoorpersoneel; • energieprestatiecoëfficiënt voor kantoorfuncties = 1,5, bepaald overeenkomstig NEN 2916 ter beperking van het energiegebruik; • aantal gewogen temperatuur overschrijdingsuren (GTO) = 150, bepaald volgens de methode van de Rijksgebouwendienst ter verkrijging van een behaaglijk binnenklimaat. Prestatie-eisen zijn vrij abstract geformuleerd, zodat er een vertaalslag nodig is van gebouwniveau naar bouwdelen. Grote voordelen van prestatie-eisen zijn: • vormen geen belemmering voor innovatieve producten; • eenduidige beoordeling of aan eis wordt voldaan, is mogelijk; • ervaring bouwers en producenten kan in ontwerpfase worden benut; • kosten gebouwen worden gereduceerd; • bouwer kiest bouwmethode en organisatievorm waarin hij zich heeft gespecialiseerd.

06950483_H11.indd 8

Bouwmethodiek, hoofdstuk 2

In het kader van de warmtehuishouding zijn de belangrijkste vier eisen: 1 Energiezuinigheid • warmteweerstand gesloten delen: Rc ≥ 2,5 m2 ∙ K/W; • energieprestatiecoëfficiënt EPC: bijvoorbeeld EPC ≤ 1,5 (kantoorfunctie, figuur 11.6); • luchtdoorlatendheid: luchtvolumestroom ≤ 0,20 m3/s per 500 m3. 2 Geluidwering gevel • kantoren: GA,k ≥ L – 40 dB(A)met minimum van 20 dB (A), waarbij L de geluidbelasting op de gevel is; • woongebouwen: GA,k ≥ L – 35 dB(A) met minimum van 20 dB(A). 3 Daglichttoetreding • kantoren: daglichtoppervlak ≥ 2,5 procent van vloeroppervlak; • woongebouwen: daglichtoppervlak ≥ 10 procent van vloeroppervlak. 4 Luchtverversing • kantoren: 1,3 · 10-3 m3/s per m2 vloeroppervlak met minimum van 13 · 10-3 m3/s; • woongebouwen: 0,9 · 10-3 m3/s per m2 vloeroppervlak met minimum van 7 · 10-3 m3/s. De EPC-eisen uit het Bouwbesluit worden regelmatig bijgesteld, zodat het zaak is een eis voortdurend op juistheid te verifiëren. De invloed van de wettelijke eisen op de energiebalans wordt besproken aan de hand van het begrip energieprestatie zoals die in NEN 5128 en NEN 2916 is vastgelegd. Enkele begrippen worden hier nader toegelicht. Warmte-isolatie In de winter bezit het binnenklimaat in vrijwel alle gebouwen (koelcellen daargelaten) een hogere luchttemperatuur dan het buitenklimaat. Er treedt een warmtestroom van binnen naar buiten op die ongewenst is, want ze beïnvloedt het bin-

21-11-2005 11:46:41

11 ENERGIEHUISHOUDING

Gebruiksfunctie

Energieprestatiecoëfficiënt EPC

Woonfunctie Bijeenkomstfunctie Celfunctie Gezondheidsfunctie • klinisch • niet-klinisch Industriefunctie Kantoorfunctie Logiesfunctie • niet gelegen in logiesgebouw • gelegen in logiesgebouw Onderwijsfunctie Sportfunctie Winkelfunctie

9

Bepalingsmethode

≤ 1,0 ≤ 2,2 ≤ 1,9

NEN 5128 NEN 2916 NEN 2916 NEN 2916

≤ 3,6 ≤ 1,5 geen eis ≤ 1,5

n.v.t. NEN 2916 NEN 2196

≤ 1,4 ≤ 1,9 ≤ 1,4 ≤ 1,8 ≤ 3,4

NEN 2916 NEN 2916 NEN 2916

Figuur 11.6 EPC-eisen voor nieuwbouw volgens Bouwbesluit 01-01-2003

nenklimaat negatief. De warmtestroom bestaat uit drie fysische componenten: ◆ straling; ◆ stroming; ◆ geleiding. ◆ Straling Elk voorwerp zendt warmtestraling uit die ophoudt bij de absolute nultemperatuur van –273 K. Ook het menselijk lichaam zendt straling uit en ontvangt straling van de omliggende voorwerpen. Hoe groter het verschil in stralingstemperatuur tussen de mens en zijn omgeving, hoe groter het warmteverlies. Als er zwaar lichamelijk werk wordt verricht, is enig warmteverlies gewenst. Willen mensen zich behaaglijk voelen, dan moet de stralingstemperatuur van de omgeving niet al te veel verschillen van de lichaamstemperatuur. Dit betekent dat in een gebouw de temperaturen van wanden en plafonds niet veel lager dan 10 tot 15 °C mogen liggen. Bij een groot glasvlak kan in de winter de glastemperatuur beneden 10 °C liggen, wat als zeer onprettig wordt ervaren: door straling gaat er te veel warmte verloren naar het koude glasvlak. ◆ Stroming Warmtetransport vindt ook plaats door stroming van de lucht, convectie genaamd, die geen verdere toelichting nodig heeft.

06950483_H11.indd 9

◆ Geleiding Warmtetransport door geleiding is ook een bekend verschijnsel en wordt bepaald door de dikte van het materiaal en de zogenaamde warmtegeleidingscoëfficiënt λ. De warmteweerstand R van een constructie wordt bepaald door drie factoren: geleiding, convectie en straling. In de dagelijkse praktijk worden straling en convectie verdisconteerd in een constante waarde (overgangs- en spouwweerstand) en is de warmtegeleiding de belangrijkste factor. De warmteweerstand van een constructie luidt in formulevorm: Rc =

d + Rspouw m2 ∙ K in λ W

De warmteweerstand van de constructie vermeerderd met de overgangsweerstanden (ri en re) levert de totale weerstand Rt op: de weerstand die de warmtestroom ondervindt om de constructie te passeren: Rt =

ri + Rc + re m2 ∙ K = 1 in W U

Meestal wordt er gewerkt met de warmtedoorgangscoëfficiënt U, die een maat is voor het warmteverlies en gelijk is aan de reciproque waarde van de warmteweerstand Rt. De warmtegeleidingscoëfficiënt van steenachtige materialen is groot (λ = 2,0 W/m · K), van hout is ze redelijk (λ = 0,15) en van isolatiematerialen is

21-11-2005 11:46:41

10

ze klein (λ = 0,030 tot 0,040 W/m · K). De vaak verlangde warmteweerstand Rc ≥ 3,0 m2 · K/W vraagt dus een minimale isolatiedikte van 120 mm en in de praktijk vaak 140 mm, omdat er in een constructie vaak delen met een ongunstiger warmtegeleidingscoefficiënt zitten, bijvoorbeeld houten stijlen. Wil men extra goed warmte isoleren, dan zijn isolatiedikten van circa 200 mm nodig, wat in Scandinavische landen zeer gebruikelijk is. Daglicht Een mens voelt zich duidelijk prettiger en maakt minder fouten bij daglicht en bij uitzicht naar buiten. Dit is de reden dat in het Arbeidsomstandighedenbesluit wordt verlangd dat er niet meer dan twee uur wordt gewerkt in een ruimte zonder daglicht. In een gebouwomhulling moeten bijna altijd lichtopeningen aanwezig zijn. Glas is een steenachtig materiaal, is in de praktijk niet veel dikker dan 6 tot 8 mm en heeft dus een grote warmtedoorgangscoefficiënt (U = 5 W/m2 · K voor enkel glas). De U-waarde is te verbeteren door dubbel glas toe te passen of speciale reflecterende coatings op de glasplaten aan te brengen, waardoor het zogenaamde HR-, HR+- of HR++-glas ontstaat, waarmee een U van 1,1 W/m2 · K te realiseren is. In de praktijk bestaat een raam ook uit kozijnstijlen met een ongunstiger warmtedoorgangscoëfficiënt, waardoor een raam voorzien van HR++glas een U van circa 1,5 W/m2 · K bezit. Het gebruikelijke dubbele glas bezit een U van 3,0 W/m2 · K, zodat inclusief kozijnaandeel U = circa 4,2 W/m2 · K geldt. Uit het oogpunt van de warmtehuishouding heeft de daglichteis in de zomer een negatief effect op het binnenklimaat. Zonlicht is een elektromagnetische straling met een korte golflengte die vrijwel ongehinderd door glas heen valt. Is de zonnestraling binnen, dan wordt ze geabsorbeerd door wanden en plafonds, die op hun beurt straling uitzenden met een grotere golflengte die niet meer ongehinderd door het glas naar buiten kan. Daarmee komt er door glasvlakken zonne-energie binnen die voor het overgrote deel omgezet wordt in warmte (zogenaamde broeikaseffect). In de zomersituatie kan op deze manier veel warmte naar binnen komen.

06950483_H11.indd 10

Luchtdichtheid In een gebouw is ventilatie nodig om ongewenste geuren en geproduceerd CO2 af te voeren. Met de ventilatielucht wordt ook warmte afgevoerd. Naast de gecontroleerde beweging van lucht die via ventilatieroosters verdwijnt, zijn er ook ongecontroleerde luchtbewegingen door naden en kieren waardoor ook warmte verdwijnt, meestal infiltratie genoemd. Ongecontroleerde luchtverliezen hebben een groter aandeel in het warmteverlies dan men op het eerste gezicht zou verwachten. Om inzicht te krijgen in het luchtverlies door infiltratie in een gebouw, worden bewust aangebrachte ventilatieopeningen afgeplakt, wordt het gebouw op overdruk gebracht en wordt vervolgens het luchtverlies gemeten. Om een indruk te krijgen waar de luchtlekken zitten, worden in het gebouw rookpatronen aangestoken. Dan blijkt dat ramen en deuren (draaiende delen in gebouw) grote lekken zijn, net als de aansluitingen van de gevel op het dak en, bij een hellend dak, de nok. Ondanks dat bij prefabricage zeer zorgvuldig en maatvast wordt gewerkt, blijken de naden tussen de elementen vaak aanleiding te zijn tot ongedacht veel luchtverlies. Het luchtverlies door de begane-grondvloer vraagt aandacht als er een kruipruimte onder ligt. In de praktijk blijken invoeren van nutsleidingen en doorvoeringen van andere leidingen grote luchtlekken te zijn. De luchtdichtheid van de begane-grondvloer is van belang uit oogpunt van energieverlies, maar ook om ongewenste geuren of ongewenste gassen (bijvoorbeeld het radioactieve gas radon uit de bodem) tegen te houden.

11.3 Gebouwconcepten 11.3.1 Bouwfysisch gedrag gebouw De belangrijkste componenten die het bouwfysisch gedrag van een gebouw beïnvloeden, zijn: • massa gebouw, van belang in verband met mogelijkheid tot warmteaccumulatie (uitgedrukt in kg per m2 vloeroppervlak); • glasoppervlakte buitenschil, oriëntatie en toepassing zonwering (uitgedrukt in percentage glas);

21-11-2005 11:46:42

11 ENERGIEHUISHOUDING

•

•

compactheid gebouw (uitgedrukt in m–1, gebouwomhullend oppervlak gedeeld door volume); • interne warmtelast (uitgedrukt in W per m2 vloeroppervlak); • ventilatie (uitgedrukt in m3/s · m2 vloeroppervlak).

Skelet • zwaar: steenachtige wanden, kolommen en vloeren; • licht: stalen kolommen en balken met bijvoorbeeld vloeren uit cellenbeton. Gevel • zwaar: binnen- en buitenblad steenachtig (bijvoorbeeld halfsteensmetselwerk); • licht: geïsoleerd (houten) frame met een gipskarton binnenbeplating en een buitenbeplating uit metaal of een kunststofplaat. Inbouwpakket • zwaar = 75 kg/m2; thermisch gesloten verlaagd plafond (bijvoorbeeld mineraalvezelsysteemplafond), zware scheidingswanden (bijvoorbeeld 100 mm dikke kalkzandsteen) en een 200 mm dikke betonvloer afgedekt met tapijt;

Massa gebouw In gebouwen waarin het binnenklimaat niet zeven dagen per week en 24 uur per etmaal constant hoeft te zijn, kan worden bespaard op het energiegebruik door buiten de bedrijfstijden temperatuurverlaging toe te passen. Figuur 11.7 geeft voor een kantoorgebouw een zeer gebruikelijk verloop van de binnentemperatuur weer. In de winterperiode stopt de verwarming rond 17.00 uur en daalt de temperatuur geleidelijk tot 18 à 16 °C. In de zomerperiode daalt de tempeafkoelen resulterende temperatuur in °C

ISSO/SBR 300: gebouwindeling naar massa uitgedrukt in kg/m2 vloeroppervlak

middel = 60 kg/m2; thermisch open verlaagd plafond (bijvoorbeeld over circa 80 procent van het oppervlak een mineraalvezelsysteemplafond), lichte scheidingswanden (bijvoorbeeld een frame bekleed met gipskartonplaat) en een 200 mm dikke betonvloer met tapijt; • licht = 50 kg/m2; constructie identiek aan ‘middel’, maar met een thermisch gesloten plafond.

1

21 20 19 18

Z

20

M L

17 16 24.00

6.00 12.00 tijd van de dag in uren

afkoelings- en opwarmbedrijf tijdens zomer afkoelen

verwarmen

22

22

21 20 19 18

Z M L

17 16 15 17.00

2

verwarmen

22

15 17.00

resulterende temperatuur in °C

De warmtehuishouding van een gebouw wordt uitgelegd aan de hand van een berekening van de energieprestatie volgens NEN 2916 en ISSO/ SBR-publicatie 300. In het begrip energieprestatie (EP) wordt geen rekening gehouden met de behaaglijkheid van een ruimte, reden om naast NEN 2916 ook ISSO/SBR 300 te behandelen. ISSO/SBR 300 is een van de weinige publicaties waarin het benodigde rekenwerk al is verricht en aan de hand van tabellen de consequentie voor het gebouw- en installatieconcept kan worden ingeschat. Bij de bespreking van de belangrijkste bouwfysische gedragingen van een gebouw worden de begrippen geconcretiseerd door aan te geven hoe dit aspect in ISSO/SBR 300 is verwerkt.

11

24.00

6.00 12.00 tijd van de dag in uren

afkoelings- en opwarmbedrijf tijdens winter

Z = zwaar gebouw M = middelzwaar gebouw L = licht gebouw Figuur 11.7 Temperatuurverloop in kantoor met nachtverlaging

06950483_H11.indd 11

21-11-2005 11:46:42

12

ratuur ook, maar naar een minder lage temperatuur van circa 19 °C. Daarbij blijkt dat de temperatuur in een gebouw met zware stenen gevels en zware betonnen vloeren minder snel daalt dan in een gebouw met lichte stalen sandwichgevels. In de zomer is dat zeer duidelijk te ervaren: de warmte die is opgeslagen in de wanden en vloeren moet worden afgevoerd en dat duurt enige dagen. Een gebouw met een grote massa blijft in de zomer lang warm en dat wordt als onbehaaglijk ervaren. In de winter wordt massa als aangenaam ervaren, omdat de temperatuur dan behoorlijk constant blijft.

‘s zomers in de nachtelijke uren de ventilatie ingeschakeld om koele buitenlucht door het gebouw te voeren en zo de geaccumuleerde warmte af te voeren. De gebouwmassa moet warmte kunnen opnemen, zodat het van belang is dat de vloer niet al te zwaar geïsoleerd is; een tapijt aan de bovenzijde en een plafond aan de onderzijde belemmeren ongestoorde warmte-uitwisseling. Glaspercentage, oriëntatie en zonwering In Nederland bevat zonlicht maximaal 1000 W/m2 energie. Als er zonlicht op glas valt, komt een aanzienlijk deel van deze energie in het gebouw terecht, het zogenaamde broeikaseffect. Van deze gratis energie kan worden geprofiteerd in de wintersituatie, maar in de zomersituatie wordt er al snel hinder van ondervonden, omdat het te warm en onbehaaglijk wordt. Voor de warmtehuishouding van een kantoorgebouw is de zomersituatie meestal maatgevend: de zonneenergie moet buiten worden gehouden. Daarvoor zijn diverse maatregelen denkbaar: ◆ oriëntatie; ◆ zonwering; ◆ zonwering door speciale glassoorten.

De massa van een gebouw is vooral geconcentreerd in de draagstructuur (kolommen, wanden en vloeren), de buitengevel en het inbouwpakket (steenachtige binnenwanden). Van deze massa kan gebruik worden gemaakt om de binnenluchttemperatuur geleidelijk te wijzigen. Overdag wordt de massa benut om de overtollige warmte in op te slaan en tijdens de nacht om deze weer af te geven. De binnentemperatuur varieert minder dan de buitentemperatuur amplitudedemping) en loopt in de tijd gezien achter op de buitentemperatuur (faseverschuiving), figuur 11.8.

◆ Oriëntatie Door op het noorden geplaatste ramen valt nooit direct zonlicht binnen en komt alleen indirect zonlicht binnen. Indirect zonlicht bevat ook warmte, maar onvoldoende om in de zomer

(°C)

Van de massa van een gebouw kan bewust gebruik worden gemaakt om de behaaglijkheid te beïnvloeden en om het energiegebruik te reduceren. Bij zogenaamde nachtventilatie wordt

faseverschuiving

amplitudedemping

6.00

12.00

18.00

24.00

6.00 (uren)

= binnentemperatuur = buitentemperatuur

Figuur 11.8 Invloed accumulatie op temperatuurverloop

06950483_H11.indd 12

21-11-2005 11:46:43

11 ENERGIEHUISHOUDING

overlast te geven. In de winter verdwijnt door op het noorden geplaatst glas veel energie, omdat glas een slechte isolator is. In de zomersituatie worden op het zuidoosten en westen georiënteerde ruimten zonder maatregelen onbehaaglijk warm. Bij pal op het zuiden gerichte ruimten is de warmtebelasting door de zon geringer dan men zou denken, omdat de zon hoog aan de hemel staat met als gevolg een geringere belasting op een verticaal vlak. ◆ Zonwering Een andere methode om zonlicht buiten te houden, is gebruikmaken van de schaduw van begroeiing of van overstekken aan het gebouw. Buitenzonwering reduceert het opwarmen van het binnenklimaat effectief, maar een nadeel is dat buitenzonwering snel wordt beschadigd door wind. Moderne elektronica is in staat de zonwering tijdig te laten optrekken, maar in het voorjaar kan er hinder ontstaan door frequente bewegingen van de buitenzonwering veroorzaakt door buien en fel zonlicht die elkaar snel afwisselen. Menselijke ogen hebben moeite zich in die situaties snel aan te passen en het binnenklimaat wordt dan ervaren als vermoeiend en onbehaaglijk. Een permanente buitenzonwering ontstaat door voor de gevel een luifel aan te brengen bestaande uit lamellen. Binnenzonwering is effectief om de helderheid van het zonlicht te reguleren, maar niet om de warmte uit het zonlicht te weren; immers de zonne-energie is al door het glas heen gevallen en veroorzaakt daar warmtestraling. In het vervolg worden maatregelen aan de binnenzijde dan ook aangeduid met de term helderheidswering. Een goede middenweg zijn maatregelen tussen de binnen- en buitenbeglazing, wat betekent dat de binnen- en buitenruit relatief ver uit elkaar geplaatst moeten worden. Dit kan gepaard gaan met een verkleining van het netto te benutten vloeroppervlak. ◆ Zonwering door speciale glassoorten Een andere mogelijkheid is het toepassen van speciale glassoorten waarbij aan de binnenzijde van de dubbele ruit een speciale laag is aangebracht die een deel van het zonlicht reflecteert. De mate waarin zonne-energie wordt doorgelaten, wordt uitgedrukt in de zontoetredingsfactor

06950483_H11.indd 13

13

(ZTA-waarde), figuur 11.9. Voor blank dubbel glas is deze factor circa 0,70, wat betekent dat 70 procent van de zonne-energie naar binnen komt. Door coatings aan te brengen kan de ZTAwaarde worden verlaagd tot 0,15 bij sterk reflecterende glassoorten. Probleem is meestal dat de coatings zowel de warmte als het licht tegenhouden. Dan moet er gebruik worden gemaakt van kunstlicht, dat weer warmte afgeeft. De meeste coatings geven een verkleuring van het daglicht; grote kleurverschillen worden als onprettig ervaren. De lichttoetreding wordt uitgedrukt in de lichttoetredingsfactor LTA. In het ontwerp is het zaak een optimum te bereiken tussen ZTA- en LTA-waarden. De laatste jaren heeft de glasindustrie grote vorderingen gemaakt en bestaan er glassoorten die een lage U-waarde combineren met een lage ZTA-waarde en een goede LTA-waarde. Raam Blank enkel glas Blank dubbel glas Warmtereflecterend niet-zonwerend dubbelglas

ZTA 0,80 0,70 0,60

Figuur 11.9 Zontoetredingsfactor ZTA volgens NEN 5128

▶▶ Mechanische zonweringen en speciale zonwerende glassoorten worden besproken in deel 4C Gevelopeningen, hoofdstuk 20

De gebouwontwerper beschikt over diverse mogelijkheden om tegemoet te komen aan de menselijke behoefte aan daglicht en om gelijktijdig een teveel aan zonnewarmte tegen te houden door: • zo klein mogelijke glasoppervlakken toe te passen (let op: voor kantoren geldt volgens het Arbeidsomstandighedenbesluit dat het gezamenlijke oppervlak van de daglichtopeningen ten minste 1/20 van het vloeroppervlak van die ruimte moet bedragen); • zeer bewust om te gaan met oriëntatie glasvlakken; • glasoppervlakken af te schermen door beschaduwing, overstekken of buitenzonwering; • specifieke glassoorten met een lage ZTAwaarde en een goede LTA-waarde toe te passen.

21-11-2005 11:46:43

14

Bouwvorm

Verliesoppervlak bij gelijkblijvend volume

1 Bol

Averlies = 0,23 V

dak gevel vloer

2.304 m2 1.306 m2 2.304 m2

_______________________

2 Eenlaags 14,4 × 40 × 3 m

A V

5.914 m2 6.912 m3

Averlies = 0,86 V dak gevel vloer 3 Gestapeld tot rechthoek 14,4 × 40 × 12 m

576 m2 1.306 m2 576 m2

_______________________

A V

2.458 m2 6.912 m3

Averlies = 0,36 V

dak gevel vloer 4 Gestapeld tot kubus 24 × 24 × 12 m

576 m2 1.152 m2 576 m2

_______________________

A V

2.304 m2 6.912 m3

Averlies = 0,33 V

dak gevel vloer

1.008 m2 1.920 m2 1.008 m2

_______________________

5 Sprongen

A V

3.936 m2 6.912 m3

Averlies = 0,57 V Figuur 11.10 Compactheid gebouw: zelfde volume en verschillend verliesoppervlak Averlies

06950483_H11.indd 14

21-11-2005 11:46:43

11 ENERGIEHUISHOUDING

ISSO/SBR 300: variabelen transparantheid buitenschil In ISSO/SBR 300 worden tabellen gegeven die geldig zijn voor: • oriëntaties; • glaspercentage; • type glas en buitenzonwering: • dubbel blank glas met ZTA = 0,70 en U = 3,4 W/m2 · K; • zonwering: buitenzonwering met ZTA = 0,20 en U = 3,3 W/m2 · K, sluit automatisch bij totale zonbelasting van ≥ 300 W/m2.

Compactheid gebouw Een gebouw met een grote inhoud en een gering buitenoppervlak heeft een relatief gering verliesoppervlak en gedraagt zich gunstig uit oogpunt van energiegebruik. In figuur 11.10 is een aantal vormen gegeven met hetzelfde volume maar met een andere aaneenschakeling en een verschil in het oppervlak van de omhulling. De verhouding ‘oppervlak gedeeld door volume’ (A/V) varieert van 0,23 (bolvorm) tot 0,86 (paviljoenbouw) en is een maat voor het energieverlies door de omhulling. Het energieverlies kan in het ontwerp worden beperkt door de verhouding A/V zo klein mogelijk te maken. In de praktijk resulteert dit in rechthoekige vormen met boven elkaar gestapelde bouwlagen. Ongunstig zijn veel sprongen in dak of gevel, figuur 11.10-5. ISSO/SBR 300: variabelen compactheid ISSO/SBR 300 houdt geen rekening met compact bouwen.

Interne warmtelast Interne warmtelast, figuur 11.11, bestaat uit warmte afgegeven door: ◆ personen; ◆ verlichting; ◆ apparatuur. ◆ Personen Bij licht zittend werk staat een mens ± 80 W warmte af aan zijn omgeving. De bijdrage van personen aan de totale warmtelast hangt af van het aantal verblijfsuren per etmaal en de bezettingsgraad (aantal mensen in gebouw).

06950483_H11.indd 15

Bron

15

Interne warmtelast in W/m2 Laag

Middel

Hoog

Personen Verlichting Apparatuur

8 10 2

10 10 15

10 10 35

Totaal

20

35

55

Verlichting (exclusief via armaturen afgezogen deel): • in werkruimten: 10 W/m2 • in gangen: 6 W/m2 Personen: • bij bezettingsgraad 1 op 8 m2: 10 W/m2 Apparatuur: • afhankelijk van type computer en beeldscherm Figuur 11.11 ISSO/SBR 300: interne warmtelast in kantoren

Het is gebruikelijk alle warmtebelastingen terug te rekenen tot waarden per m2 vloeroppervlak. In een kantoor is een bezettingsgraad van 10 m2 per persoon gebruikelijk (8 m2 per persoon komt voor).Uitgaande van deze bezettingsgraad bedraagt de bijdrage van een persoon aan de interne warmtebelasting 8 tot 10 W/m2. ◆ Verlichting In een kantoor is op het werkvlak een verlichtingssterkte van circa 400 lux nodig om goed te kunnen werken. Een verlichtingssterkte van 400 lux kan alleen in de nabijheid van ramen door daglicht worden gerealiseerd, de rest moet door kunstlicht worden toegevoegd. Zeer gangbaar is een kunstverlichting die gelijkmatig over het plafond is verdeeld in de vorm van tl-armaturen die de hele dag branden. Zij leveren een warmte van 12 tot 14 W/m2. Afzuiging via de armaturen kan de bijdrage aan de interne warmtebelasting reduceren, maar ze blijft in dezelfde grootteorde als die tengevolge van personen. Een andere methode om de interne warmtebelasting te reduceren, is de zogenaamde gezoneerde verlichting. Bij gezoneerde verlichting wordt alleen ter plaatse van de werkplekken een verlichtingssterkte van 400 lux gerealiseerd en is de verlichtingssterkte elders in het vertrek kleiner. De warmtebelasting wordt hierdoor gereduceerd tot circa 10 W/m2.

21-11-2005 11:46:44

16

Vergelijkbaar is de zogenaamde werkplekverlichting, waarbij de kunstverlichting in de hele ruimte een verlichtingsniveau van 200 lux bewerkstelligt en een werkplekverlichting het niveau plaatselijk op 400 lux brengt. Afzuiging van de door een bureaulamp geproduceerde warmte is echter moeilijk te realiseren. Er resulteert een warmtebelasting van circa 10 W/m2. Een prettige verlichting is indirecte verlichting, waarbij kunstlicht via het plafond wordt gereflecteerd. Om op de werkplek een verlichtingssterkte van 400 lux te realiseren, is vrij veel elektrisch vermogen nodig. Afzuiging is moeilijk, zodat de bijdrage aan de interne warmtelast 20-25 W/m2 bedraagt. Het aantal uren dat de verlichting een bijdrage levert aan de interne warmtelast is afhankelijk van de wijze van regeling. In een kantoor ontstaat een maximaal aantal bedrijfsuren als de verlichting centraal wordt geschakeld waarbij tijdens 52 × 5 dagen à 10 uur de verlichting brandt. Bij de toepassing van handmatige en veegschakeling wordt de warmteproductie gereduceerd. Bij een veegschakeling wordt via een puls op het elektranet aan het begin en het einde van een werkdag en eventueel ook tijdens lunchpauzes de verlichting centraal uitgeschakeld. Er bestaan ook verlichtingsystemen waarbij de aan/uitschakeling daglichtafhankelijk is of wordt gestuurd door een afwezigheidsdetectie. Ten slotte is het mogelijk de warmtebelasting te beperken door te kiezen voor bepaalde lamp-

typen. Een gloeilamp geeft aangenaam ‘warm’ licht, maar heeft een hoge warmteafgifte. Een tl-lamp geeft beduidend minder warmte af en hoogfrequent tl-lampen (HR-tl-armaturen) produceren nog minder warmte. De bijdrage van de verlichting aan de warmtebelasting is de afgelopen jaren door betere verlichtingsplannen en energiezuiniger lampen sterk gedaald. Een gebruikelijke bijdrage van de verlichting aan de interne warmtebelasting bedraagt circa 10 W/m2, waarbij werkplekverlichting wordt toegepast en afzuiging van de warmte via de armaturen. ◆ Apparatuur De warmteafgifte door verlichting is in de loop van de jaren afgenomen, maar die door kantoorapparatuur is juist toegenomen. De apparatuur bestaat vooral uit computers en kopieermachines. Een kleurenmonitor in analoge of digitale uitvoering is een grote warmtebron. Weliswaar zijn de beeldschermen ook ten aanzien van de warmteafgifte verbeterd, maar het aantal schermen per m2 vloeroppervlak is in kantoren toegenomen. De warmtebelasting door kantoorapparatuur hangt daarmee af van de bezettingsgraad en de mate van geautomatiseerd werken. Een bijdrage aan de interne warmtebelasting met waarden van 10 en 20 W/m2 is normaal. In de wintersituatie is de interne warmtebelasting een winst die de warmtebehoefte reduceert. Een andere vorm van warmtewinst is passieve zonne-energie waarvan in deze paragraaf enkele principes genoemd worden.

naverwarming tapwater

collector 35 m2

2 m3

koud water

CV

tappunten

radiatoren

opslagreservoir

Figuur 11.12 Schema zonnecollector met tapwater- en cv-verwarming

06950483_H11.indd 16

21-11-2005 11:46:44

11 ENERGIEHUISHOUDING

dagsituatie

17

nachtsituatie

Figuur 11.13 Trombe-wand: zonne-energie wordt tijdelijk opgeslagen

•

Zonne-energie De zon kan als bron van energie benut worden met behulp van: • zonnecollector, die warmte opwekt voor verwarming of tapwater, figuur 11.12; • Trombe-wand, die warmte opslaat en later afgeeft, figuur 11.13; • atrium, waarin de door de zon voorverwarmde lucht als ventilatielucht wordt benut, figuur 11.14;

zonnecel (fotovoltaïsche cel), waarin elektrische energie wordt opgewekt, figuur 11.15; • bodemopslag, waarbij energie tijdelijk wordt opgeslagen in de bodem onder het gebouw, figuur 11.16.

+

buitenlucht

warmtevragers

÷

18 °C

8 °C

– +

8 °C

18 °C

aquifer koude bron

warme bron

Figuur 11.16 Langetermijnopslag zonne-energie in bodem: zomersituatie Figuur 11.14 Ministerie van VROM: gebouw dat zonneenergie benut door toepassing van atria: ventilatielucht wordt hierin voorverwarmd zonlicht contactgrid voorzijde

–+

– +

–

g laa

+

Ng laa P-

+ –

elektriciteit

contact achterzijde

Figuur 11.15 Benutting zonne-energie met fotovoltaïsche cel die elektriciteit levert

06950483_H11.indd 17

21-11-2005 11:46:46

18

11.4 Installatieconcepten 11.4.1 Functies werktuigbouwkundige installatie

Functies Afhankelijk van de functie van het gebouw en het gebouwontwerp is de werktuigbouwkundige installatie meer of minder complex. In zijn meest uitgebreide vorm vervult de werktuigbouwkundige installatie de onderstaande functies: • verwarmen; • verse lucht toevoeren; • gebruikte lucht afvoeren; • koelen; • be- of ontvochtigen; • filteren. De apparatuur kan individueel worden opgesteld, met als voordeel dat iedereen het klimaat naar eigen behoefte kan regelen. Nadeel bij grotere gebouwen is dat de investering hoog is en dat lokale apparatuur niet zuinig met energie omgaat. Meestal worden in grotere gebouwen de installaties in een technische ruimte centraal opgesteld en worden er in de verblijfsruimten radiatoren, convectoren en/of luchtroosters aangebracht, zogenaamde eindapparatuur. Onderling worden ze verbonden door kanalen of leidingen waar lucht of water doorheen stroomt. Warmteafgifte door convectie en/of straling Een radiator is een verwarmingselement dat wordt gevoed door warm water met een temperatuur van circa 90 °C. Bij het verlaten van de radiator is het water nog circa 70 °C warm. De warmte wordt deels afgegeven door straling en deels door convectie. De convectie warmt de lucht op, zodat er een opwaartse stroom ontstaat die bijzonder geschikt is om de koudeval nabij ramen te voorkomen. De mate van warmteafgifte door straling is afhankelijk van het type radiator, namelijk plaat- (straling) of ledenradiatoren (convectie). De meest eenvoudige radiator is te beschouwen als een rechthoekige buis met een groot warmteverliezend oppervlak. Het warmteverlies of liever de warmteafgifte kan worden verhoogd door metalen ribben op

06950483_H11.indd 18

de buis aan te brengen. Dan ontstaat er een zogenaamde convector: een eindapparaat dat vrijwel alle warmte door convectie afstaat. Een convector staat sneller warmte af dan een radiator, maar veroorzaakt grotere luchtbewegingen en daarmee ook grotere temperatuurverschillen in de ruimte. De temperatuurverschillen nabij vloer en plafond mogen niet te groot zijn omdat dat als onaangenaam wordt ervaren: de temperatuurgradiënt mag in de comfortzone niet meer bedragen dan 3,5 °C, figuur 11.17-1. In het bouwkundig ontwerp moet ruimte worden gereserveerd voor de eindapparaten. De plaats van de eindapparaten is van belang voor de behaaglijkheid. In geval van matig isolerend glas zijn verwarmingselementen onder de ramen een noodzaak en worden automatisch een luchtbeweging en een temperatuurgradiënt in de verblijfsruimte geïntroduceerd, figuur 11.17-2 en 11.17-3. Als er geen koudeval kan optreden, kan er worden gekozen voor stralings- (meestal in plafond aangebracht), figuur 11.17-7, of luchtverwarming (‘all-air’-systemen), figuur 11.17-5. Lage-temperatuurverwarming De afgelopen jaren wordt ook lage-temperatuurverwarming toegepast, waarbij water van circa 50 °C door radiatoren of convectoren wordt gepompt. Lage-temperatuurverwarming leent zich goed voor toepassing in combinatie met zonne-energie, omdat zonne-energiesystemen water tot circa 50 °C kunnen opwarmen zonder bijverwarming. Bij vloerverwarming worden er buizen in de vloer aangebracht en dan is een lage temperatuur van belang, figuur 11.17-6. De vloer mag niet warmer worden dan maximaal 29 °C om onbehaaglijkheid te vermijden en omdat de temperatuuruitzetting van het vloermateriaal aanleiding tot scheuren kan geven. Een consequentie van lage-temperatuurverwarming zijn de grotere eindapparaten. 11.4.2 Kenmerken werktuigbouwkundige installatie De belangrijkste kenmerken van een installatie ten behoeve van de ontwerpfase worden toegelicht:

21-11-2005 11:46:46

16 2700

18

20

22

24

temperatuur (°C) 26 28 30 hoogte (mm)

hoogte (mm)

11 ENERGIEHUISHOUDING

1600

100

16 2700

2

18

20

22

24

temperatuur (°C) 26 28 30 hoogte (mm)

hoogte (mm)

20

22

24

temperatuur (°C) 26 28 30

1600

ideale verwarming

1600

100

16 2700

warm water met enkel paneel onder het raam 18

20

22

24

temperatuur (°C) 26 28 30

24

temperatuur (°C) 26 28 30

1600

100

16 2700

4

warm water met meervoudig paneel tegenover de gevel 18

20

22

24

temperatuur (°C) 26 28 30 hoogte (mm)

3

hoogte (mm)

18

100

1

1600

100

16 2700

gestuwde lucht vanuit de vloer 18

20

22

1600

100

5

hoogte (mm)

16 2700

19

16 2700

gestuwde lucht tegenover de gevel 5 vol/h en 1,5 m/s 18

20

22

24

6

vloerverwarming

temperatuur (°C) 26 28 30

1600

100

7

plafondverwarming

Figuur 11.17 Verticale temperatuurgradiënten bij diverse installatieconcepten

06950483_H11.indd 19

21-11-2005 11:46:47

20

• • • • •

transportmedium voor warmte en koelen; ventilatie en warmteterugwinning; be- en ontvochtiging; filteren; mate van betrouwbaar- en regelbaarheid.

Transportmedium voor warmte en koelen Warmteopwekking vindt meestal centraal plaats, zodat warmte moet worden getransporteerd door een aantal media: ◆ lucht ◆ water ◆ elektra. ◆ Lucht Lucht reageert zeer snel, maar warmtetransport vergt grote hoeveelheden lucht in verband met het geringe warmteaccumulatievermogen. De temperatuur van de aangevoerde lucht mag niet al te veel afwijken van de temperatuur in de verblijfsruimten, tenzij de lucht per ruimte weer wordt naverwarmd of nagekoeld. Lucht als transportmedium vergt kanalen met grote doorsneden, die een niet te verwaarlozen deel van het gebouwvolume innemen. Een voordeel van lucht als transportmiddel is het feit dat luchtkanalen sowieso aangebracht moeten worden voor toe- en afvoer van ventilatielucht. Ventilatielucht kan gelijktijdig worden gebruikt voor toe- of afvoer van warmte. ◆ Water Water reageert traag, maar vergt geringe hoeveelheden en kan met veel grotere temperatuurverschillen naar de verblijfsruimten worden getransporteerd. In de radiatoren of convectoren wordt warmte door straling en/of convectie afgestaan. ◆ Elektra Elektra reageert zeer snel, maar hierbij is het opwekkingsrendement uit aardgas niet optimaal. Een warm onbehaaglijk binnenklimaat is zonder meer te voorkomen door koeling toe te passen. Opwekking van koude uit primaire brandstof (aardgas of steenkool) is kostbaarder dan opwekking van warmte, reden om het gebouw zo te ontwerpen dat zo min mogelijk koeling nodig is. Hoe minder glas, des te kleiner is de noodzaak

06950483_H11.indd 20

om koeling aan te brengen. Over een heel jaar genomen is koeling slechts een beperkte tijd nodig. Daarom wordt vaak gekozen voor koeling met behulp van lucht. Het temperatuurverschil met de binnenlucht mag niet al te groot zijn, omdat anders over tocht gaat worden geklaagd. Het is mogelijk een gebouw alleen met behulp van lucht te verwarmen en zo nodig te koelen. Er is dan sprake van een zogenaamd ‘all-air’systeem. Het gebouw moet dan uitstekend geïsoleerd worden om de kanaalafmetingen binnen de perken te houden. Het gebouw moet goed luchtdicht zijn, want als er veel lucht ongecontroleerd van buiten toestroomt via naden, kieren of openstaande ramen dan raakt het luchtsysteem uit balans. Ventilatie en warmteterugwinning Ventilatie is nodig om de binnenlucht te ontdoen van verontreinigingen; ademen levert immers CO2 op en een kopieerapparaat produceert ozon. De afvoer van gebruikte lucht gebeurt door de lucht weg te zuigen en aan te vullen door natuurlijke ventilatie of door verse lucht via een kanalenstelsel toe te voeren. Bij natuurlijke ventilatie heerst er in het gebouw een onderdruk door verschil in temperatuur of winddruk en stroomt verse buitenlucht toe via de aangebrachte roosters in de schil van het gebouw. Tussen de temperatuur van de toe- en afvoerlucht bestaat een verschil. Zonder maatregelen gaat er door ventileren in de winter veel warmte verloren. Via warmtewisselaars is het mogelijk de warmte deels uit de afvoerlucht te halen en daarmee de koude buitenlucht voor te verwarmen. Voor de diverse typen warmtewisselaars zie hoofdstuk 12. Recirculatie van lucht, waarbij (deel) van de lucht via filters wordt gereinigd en opnieuw toegevoerd, wordt niet meer toegepast. Be- en ontvochtiging Via de installaties is het mogelijk in de verblijfsruimten de relatieve luchtvochtigheid te regelen. Voor een kantoorfunctie is dat niet snel nodig, maar wel voor bijvoorbeeld een drukkerij of museum. De relatieve luchtvochtigheid moet in ruimten voor verblijf van personen liggen tussen 30 en 70 procent en in speciale ruimten, zoals

21-11-2005 11:46:47

11 ENERGIEHUISHOUDING

musea en centrale computerruimten, tussen de 45 en 55 procent. In de centrale luchtbehandelingskast wordt vocht toegevoegd aan de in te blazen lucht door water te vernevelen of door de lucht door vochtige filters te leiden. Ontvochtigen kan in combinatie met koeling van de lucht: het teveel aan vocht wordt aan de lucht onttrokken door deze af te koelen en het vocht te laten condenseren. Bij de toepassing van zogenaamde warmtewielen wordt zowel warmte als vocht uit de afvoerlucht overgedragen aan de toevoerlucht. Filteren Recirculatie van lucht wordt thans niet meer toegepast omdat er hoge eisen aan filters worden gesteld om de lucht te ontdoen van bacteriologische verontreinigingen en omdat er betere alternatieven beschikbaar zijn voor warmteterugwinning. Bij mechanische ventilatie wordt filtering van de buitenlucht toegepast ter beperking van verontreinigingen in de lucht en in het kanalenstelsel. Mate van betrouwbaar- en regelbaarheid Gebouwgebruikers moeten vertrouwen hebben in de beheersbaarheid van het binnenklimaat om het energiegebruik te beperken. Bekend zijn de gebouwen die een volledige airconditioning bezitten, maar waarbij de ramen niet geopend kunnen worden en de gebruikers het binnenklimaat als onbehaaglijk ervaren.Gebruikers gaan klagen of ziekteverschijnselen vertonen (’sick-building’syndroom). Gebruikers gaan onoordeelkundig de installaties bijregelen met als gevolg een hoger energiegebruik. Verwarming door middel van lucht kan een zeer goede keuze zijn, maar dan moet het gebouw een lage warmtebehoefte hebben en zeer goed geïsoleerd worden. In een gebouw dat slechts tijdelijk verwarmd hoeft te worden (zoals een kerk) kan luchtverwarming een goede keuze zijn. Naast een goede warmte-isolatie is een geringe massa van belang om nodeloze opwarming van gebouwmassa te voorkomen. Bij gebouwen waarin dagelijks mensen verblijven, is opwarming van massa gewenst, immers de massa dempt temperatuurschommelingen waardoor er met een minder geavanceerde regelinstallatie kan worden volstaan.

06950483_H11.indd 21

21

11.4.3 Comfort Eenvoudige klimaatinstallaties zorgen voor verwarmen en afzuigen van lucht. Geavanceerde klimaatinstallaties zorgen behalve voor verwarmen en mechanisch ventileren ook voor koelen, filteren en beheersing van het vochtgehalte van de lucht. Installaties die een gebouw volledig klimatiseren, leveren doorgaans een hoger comfort op. Bij de keuze van een installatieconcept is het gewenste comfort van belang, maar ook het energiegebruik, de ruimte die de installatie inneemt en de investering. Elk installatieconcept creëert in de verblijfsruimten een verticale temperatuurgradiënt die kenmerkend is voor de gekozen installatie. Een hoge mate van comfort wordt bereikt met de hoogste temperatuur ter plaatse van de vloer en nabij het plafond enkele graden lager (warme voeten en koel hoofd), figuur 11.17-6. In de zone tussen 100 en 1100 mm boven de vloer moet de verticale temperatuurgradiënt maximaal 3,5 °C bedragen om comfortklachten te vermijden. Klimaatinstallaties die de warmte nabij de vloer toevoeren en deze goed over de hoogte verdelen, worden als behaaglijk ervaren. Een voorbeeld hiervan is vloerverwarming. Door de warmte nabij de gevel onder de ramen toe te voeren ontstaat een goede temperatuurverdeling, bijvoorbeeld met radiatoren langs de gevels, figuur 11.17-3. In kantoorgebouwen waar (verwarmde of gekoelde) lucht wordt ingeblazen vanuit de tegenover de gevel gelegen (gang)wand ontstaat een wat afwijkende temperatuurgradiënt, die bij een goed ontwerp acceptabel is, figuur 11.17-5. Zeer gebruikelijk voor kantoorgebouwen is de toevoer van lucht via in de lichtarmaturen geïntegreerde uitblaasopeningen. Deze oplossing resulteert in een goed comfort mits de inblaasroosters buiten de comfortzone een goede menging bewerkstelligen.

Warmte of koude toevoeren via straling levert doorgaans een hoge mate van comfort op, omdat de luchtstromingen klein zijn (er is alleen lucht nodig voor ventilatie). Uit comfortoverwegingen kan koeling het beste plaatsvinden vanuit het plafond. Ter vermijding van een grote temperatuurgradiënt moet bij koeling lucht met een temperatuur van minimaal 18 °C worden

21-11-2005 11:46:47

22

ingeblazen. Inblazen van lucht met temperaturen tussen de 12 en 18 °C is alleen mogelijk bij toepassing van inblaasroosters die een goede menging teweegbrengen buiten de comfortzone.

11.5 Evenwicht tussen behaaglijkheid en energiegebruik 11.5.1 Maatstaf voor behaaglijkheid Al eerder zijn de factoren besproken die bepalen of een mens het klimaat als behaaglijk ervaart, zie paragraaf 11.2.1 voor een bespreking van de behaaglijkheidsvergelijkingen. Met behulp van NEN-EN-ISO 7730 kan worden bepaald dat voor kantoorwerk en een kledingweerstand van 0,7 clo de optimale temperatuur ligt bij 25,5 °C. Er zijn individuele verschillen, waardoor er altijd een percentage ontevredenen is, het zogenaamde Predicted Percentage Dissatisfied (PPD). 10 procent ontevredenen (PPD) wordt als acceptabel beschouwd; deze waarde stemt overeen met het criterium –0,5 ≤ PMV ≤ +0,5. Acceptatie van dit percentage ontevredenen leidt tot een maximale temperatuur van 27 °C. Bij een hogere temperatuur leidt de luchtsnelheid minder snel tot klachten. Bij 27 °C is een luchtsnelheid van 0,2 m/s nog acceptabel, waardoor onder die conditie de maximaal toelaatbare temperatuur 28 °C wordt. Op grond van deze kennis heeft de Rijksgebouwendienst de temperatuuroverschrijdingsuren voor een kantoor met te openen ramen vastgesteld. Gebruikelijk is het werken met gewogen temperatuuroverschrijdingsuren (GTO-uren), waarbij een hogere temperatuur door middel van een weegBedrijfstijd Warmteproductie van de mens Kledingweerstand Luchtsnelheid Relatieve luchtvochtigheid GTO-uren

factor zwaarder meetelt. De grootte van de weegfactor kan per gehanteerde rekenmethode enigszins verschillen. De Rijksgebouwendienst stelt dat het product van het percentage ontevredenen (PPD) en de tijd gedurende welke onbehaaglijkheid optreedt constant moet zijn. In figuur 11.18 zijn de uitgangspunten weergegeven zoals die in ISSO/SBR 300 worden gehanteerd. Rgd-richtlijnen voor behaaglijk kantoor (met te openen ramen): • comfortgrens mag ten hoogste met 5 procent van de gebruikstijd op jaarbasis worden overschreden; • verdisconteerd in het aantal toelaatbare GTO-uren: voor verblijfsruimten met een kantoorfunctie is in de zomerperiode een PMV > +0,5 toegestaan tot een maximum van 150 GTO-uren.

11.5.2 Invloedsfactoren op energiegebruik en GTO-uren Om inzicht te krijgen in de manier waarop er evenwicht kan worden verkregen tussen energiegebruik en behaaglijkheid, zijn de tabellen in figuur 11.19 en 11.20 met behulp van ISSO/SBR 300 vervaardigd.

In ISSO/SBR 300 is het benodigde rekenwerk om energiegebruik en behaaglijkheid te bepalen al verricht. Het energiegebruik (uitgedrukt in m3 aardgas per m2 vloeroppervlak) wordt opgesplitst in die voor verwarming, koeling en transport per twee tegengestelde oriëntaties, bijvoorbeeld noord en zuid. in ISSO/SBR 300 wordt het aantal berekende GTO-uren gegeven voor drie

maandag tot en met vrijdag 9.00 – 17.00 uur 80 W per persoon (voor lichte, zittende arbeid) 0,7 clo (gedurende zomerperiode) 0,9 clo (gedurende winterperiode) 0,15 m/s (ter vermijding van tocht) absolute r.v. binnen en buiten gelijk en 55% in geval van airco GTO = Σ WF × h in uren, met WF (weegfactor) – als PMV > 0,5: WF = 0,22 × PMV + 1,30 × PMV2 + 0,97 × PMV3 – 0,39 × PMV4 – als PMV = 0: WF = 0

Figuur 11.18 Uitgangspunten ISSO/SBR 300 bij bepaling GTO-uren

06950483_H11.indd 22

21-11-2005 11:46:47

11 ENERGIEHUISHOUDING

Variabele

Oriëntatie

Energie in m3 aardgas per m2

Energie in m3 aardgas µµµBehaaglijkheid

Verwar- Koeling ming

Subto- Licht taal

Transport

Totaal

GTO (uren)

23

Kwalificatie

Referentie 20 W/m2; 70% glas; lichte gevel; Rc = 1,5 m2 · K/W

zo nw

12,6 13,2

0 0

0,2 0,2

13.645 12.162 25.807 14.284 14.284

> 300 > 300

onacceptabel onacceptabel

Interne warmte 50 W/m2

zo

7,1

0

0,2

7.782 12.162 19.944

> 300

onacceptabel

nw

7,5

0

0,2

8.208

8.208

> 300

onacceptabel

Glas 35%

zo nw

10,4 4,8

0 0

0,2 0,2

11.300 12.162 23.461 5.330 5.330

150 170

Zware gevel

zo nw

12,6 13,4

0 0

0,3 0,3

13.751 12.162 25.913 14.604 14.604

270 > 300

onacceptabel onacceptabel

Rc = 3,0 m2 · K/W

zo nw

12,1 12,6

0 0

0,2 0,2

13.112 12.162 24.274 13.645 13.645

> 300 > 300

onacceptabel onacceptabel

Oriëntatie

n z

13,3 12,4

0 0

0,2 0,2

14.391 12.162 26.553 13.432 13.432

270 > 300

onacceptabel onacceptabel

matig slecht

Figuur 11.19 Behaaglijkheid en energiegebruik volgens ISSO/SBR 300: cv en natuurlijke ventilatie

interne warmtelasten, namelijk laag (20 W/m2), gemiddeld (35 W/m2) en hoog (50 W/m2). In ISSO/SBR 300 moeten er keuzen worden gemaakt ten aanzien van: • type installatie, met als mogelijkheden: – natuurlijke ventilatie en radiatorenverwarming; – mechanische toe- en afvoer en radiatorenverwarming; – mechanische toe- en afvoer met beperkte koeling en radiatorenverwarming; – volledige airconditioning. • interne massa, uitgedrukt in kg/m2 (laag, middel of hoog). • oriëntatie. • Rc-waarde thermische schil. • gevelopbouw (licht of zwaar). • glaspercentage (25 tot 70 procent).

06950483_H11.indd 23

In ISSO/SBR 300 zijn geen keuzen mogelijk ten aanzien van: • type glas; • type buitenzonwering; • type helderheidswering. Variabelen referentiegebouw In figuur 11.19 en 11.20 is in elke opvolgende regel maar één variabele gewijzigd. Het referentiegebouw kenmerkt zich door: • gebouwfunctie: kantoorgebouw type cellenkantoor; • grootte: honderd kamers (2,70 × 4,1 × 5,2 m) = 2132 m2; • oriëntatie: zuidoost/noordwest; • gevelopbouw: licht; • Rc schil: 1,5 m2 · K/W; • interne massa: licht = 49 kg/m2; • interne warmtelast: laag = 20 W/m2; • glaspercentage: hoog = 70 procent.

21-11-2005 11:46:48

24

Variabele

Oriën- Energie in m3 aardgas tatie per m2 Verwar- Koeling ming

Transport

Energie in m3 aardgas Subto- Licht taal

Behaaglijkheid

Totaal mmmGTOmmt (uren)

Kwalificatie

Referentie 20 W/m2; 70% glas; lichte gevel; Rc = 1,5 m2 · K/W

zo

11,5

2,2

8,5

23.665 12.162 35.827

50

uitstekend

nw

12

2,2

8,5

24.198

24.198

70

uitstekend

Interne warmte 50 W/m2

zo nw

6,7 6,9

2,2 2,2

9,6 9,6

19.721 12.162 31.883 19.934 19.934

> 300 > 300

Glas 35%

zo nw

9,1 9,4

2,2 2,2

7,9 7,9

20.467 12.162 32.629 20.787 20.787

0 0

uitstekend uitstekend

Zware gevel

zo nw

11,7 12,2

2,2 2,2

8,6 8,6

23.985 12.162 36.147 24.518 24.518

30 70

uitstekend uitstekend

Rc = 3,0 m2 · K/W

zo nw

11 11,5

2,2 2,2

8,6 8,6

23.239 12.162 35.401 23.772 23.772

50 80

uitstekend uitstekend

Oriëntatie

n z

12 11,4

2,0 2,2

8,3 8,4

23.772 12.162 35.934 23.452 23.452

20 40

uitstekend uitstekend

onacceptabel onacceptabel

Figuur 11.20 Behaaglijkheid en energiegebruik volgens ISSO/SBR 300: cv, koeling en mechanische toe- en afvoer

Om inzicht in de gevolgen van de keuzen te krijgen, is gekozen voor een referentiegebouw dat rond 1990 aan de eisen voldeed (Rc = 1,5 m2 ∙ K/W en hoog glaspercentage). Figuur 11.19 en 11.20 verschillen alleen in het klimatiseringssysteem: • radiatorenverwarming met natuurlijke ventilatie, figuur 11.19; • mechanische toe- en afvoer en beperkte koeling met radiatorenverwarming, figuur 11.20. Uit ISSO/SBR 300 kunnen de onderstaande algemeen geldende conclusies en trends worden afgeleid, die gedeeltelijk door figuur 11.19 en 11.20 worden onderbouwd: • koeling vergt veel energie voor transport; globaal mag benodigde transportenergie aan koeling worden toegerekend; • zonder koeling is geen behaaglijkheid te bereiken, tenzij glaspercentage wordt beperkt tot

06950483_H11.indd 24

minder dan circa 35 procent; • verhoging interne warmtelast van 20 naar 50 W/m2 doet energiegebruik dalen, maar maakt behaaglijkheid onacceptabel; • toepassen zware gevel verbetert behaaglijkheid en vermindert energiegebruik in beperkte mate; • oriëntatie veel glas op noorden doet energiegebruik stijgen; • energiegebruik daalt door verhogen van zowel warmteweerstand als luchtdichtheid van buitenschil; tot zeker niveau is verbetering van luchtdichtheid zeer effectief; • verlichting is belangrijke post in energiegebruik (ruwweg 50 procent!); • bij zelfde klimatiseringssysteem en verschillende gevelvarianten kan energiegebruik tot factor 2 verschillen; • bij verschillende klimatiseringssystemen en zelfde gevelopbouw kan energiegebruik tot

21-11-2005 11:46:48

11 ENERGIEHUISHOUDING

25

11.6 Energiebalans en energieprestatie

factor 2 verschillen; • geen afstemming tussen gebouw- en installatieontwerp kan in extreme situaties factor 3 à 4 in energiegebruik schelen.

11.6.1 Energiebalans De energiebalans van een gebouw geeft de in- en uitgaande energiestromen weer; in figuur 11.21 is dit schematisch weergegeven. Er gaat geen energie verloren, dus wat erin gaat moet er ook weer uitkomen. De enige afwijking van dit principe is energie die tijdelijk wordt opgeslagen in de massa van het gebouw. In formulevorm:

In het ontwerpstadium kan ook gebruik worden gemaakt van ISSO/SBR-publicatie 800. Met behulp van nomogrammen kan handmatig de globale waarde worden bepaald van zowel de behaaglijkheid als de energieprestatie. ISSO/SBR 800 is bedoeld als instrument om snel te kunnen inschatten of er aan de eisen wordt voldaan, terwijl met behulp van ISSO/SBR 300 meer inzicht wordt verkregen.

Qin + Qopslag + Quit = 0 Door de energiebalans van een gebouw uit te schrijven, is het energiegebruik te berekenen. De

elektr a gas venti

latie

trans m

issie

pomp

en/m

mass a

-accu

trans

l nta n aa one s r pe

ie

miss

infiltr

ie

n

tie

miss

trans

otore

mula

mass a

-accu

mula

tie

atie

mass a

-accu

eid elh ve uur e ho arat p ap

trans miss ie

mula

tie

sng hti n c i l r ve oge rm ve

Figuur 11.21 Schematische weergave warmtebalans (met warmteaccumulatie)

06950483_H11.indd 25

21-11-2005 11:46:49

26

berekening is vrij ingewikkeld omdat het energiegebruik bepaald wordt door zowel de eigenschappen van het gebouw als de eigenschappen van de installaties en het gedrag van gebruikers. Het gedrag van gebruikers wordt bepaald door de mate waarin het binnenklimaat als behaaglijk wordt ervaren. De energiebalans bevat drie onderdelen: 1 Prestatie gebouw met zijn installatie. 2 Gebruik (functie) gebouw. 3 Gedrag gebruiker (gewenste behaaglijkheid).

genoemd: een begrip dat met de invoering van het Bouwbesluit is gedefinieerd. Aan de energieprestatie worden wettelijke eisen gesteld. Deze prestatie wordt uitgedrukt in de energieprestatiecoëfficiënt (EPC). Deze coëfficiënt wordt berekend door het totale karakteristieke energiegebruik van het gebouw te delen door het toelaatbare karakteristieke energiegebruik van dat gebouw, waarna het quotiënt wordt vermenigvuldigd met de eis aan de EPC. In formulevorm:

De energiebalans kan op meerdere manieren worden uitgeschreven, zodat er meerdere methoden voor de berekening van het energiegebruik bestaan. Ze volgen allemaal het principe van de energiebalans, maar verschillen vooral in de aspecten die worden benadrukt en in de kengetallen die in de berekening worden ingevoerd. Om inzicht te krijgen in de factoren die het energiegebruik bepalen, is gekozen voor het uitschrijven van de energiebalans aan de hand van NEN 2916 (utiliteitsgebouwen); voor woongebouwen geldt NEN 5128. Beide volgen hetzelfde principe, maar NEN 2916 houdt met meer aspecten rekening en geeft meer inzicht in de energiebalans. De berekeningen zijn complex, zodat er computerprogramma’s nodig zijn. De computerprogramma’s worden meegeleverd in de bijbehorende NPR 2917 en NPR 5129. In paragraaf 11.5 is inzicht verkregen in de relatie tussen energiegebruik en behaaglijkheid. In een energiebalans uitgeschreven volgens NEN 2916 is de invloed van de behaaglijkheid niet zichtbaar. Bij het opstellen van de energiebalans volgens NEN 2916 moet apart worden bepaald of de combinatie van het gebouwontwerp en het installatieontwerp de gewenste behaaglijkheid oplevert. In NEN 2916 worden kengetallen gegeven waarvan een aantal berust op beleidsmatige keuzen. NEN 2916 geeft een goed inzicht in de componenten die in de energiebalans voorkomen en karakteriseert het gebouw en haar installaties, maar geeft geen antwoord op het werkelijke energiegebruik. 11.6.2 Energieprestatiecoëfficiënt (EPC) De energetische prestatie van een gebouw inclusief zijn installaties wordt de energieprestatie

06950483_H11.indd 26

EPC =

Qpres;totaal × EPCeis Qpres;toelaatbaar

De energieprestatie is een vergelijking van het desbetreffende gebouw met een vergelijkbaar gebouw dat energiezuinig is ontworpen. Nieuw ten opzichte van voorgaande regelgeving is dat er in de energieprestatie rekening wordt gehouden met de prestaties van de installaties van het gebouw. Het type installatie is van belang vanwege verschil in gerealiseerde behaaglijkheid en verschil in rendement van opwekking uit fossiele brandstof. 11.6.3 Energiebalans analoog aan NEN 2916

Stappen en schematisering Om een gunstige energiebalans te verkrijgen, is het raadzaam na schematisering van het gebouw de ruimten met hetzelfde binnenklimaat samen te voegen (als dit in het bouwkundige ontwerp mogelijk is). Als NEN 2916 wordt gevolgd, moeten de volgende zes stappen worden uitgevoerd ter bepaling van de energieprestatie: 1 Schematiseer het gebouw in de verschillende functies die het Bouwbesluit kent, figuur 11.6. 2 Bepaal per gebied de bezettingsgraad en de bijbehorende minimaal voorgeschreven ventilatie. 3 Schematiseer in verwarmde, onverwarmde en aangrenzend onverwarmde ruimten en bepaal de ligging van de thermische schil. Alle verblijfsgebieden, toilet- en badruimten en algemene ruimten moeten binnen de schil liggen. Alleen onverwarmde ruimten waarvoor geen eis geldt, mogen erbuiten liggen. 4 Bepaal waar welk klimatiserings- en ventilatiesysteem toegepast zal worden (keuze uit acht systemen).

21-11-2005 11:46:49

11 ENERGIEHUISHOUDING

5 Bepaal de energiesectoren dusdanig, dat er per energiesector sprake is van: • hetzelfde klimatiseringssysteem; • hetzelfde ventilatiesysteem in ten minste 80 procent van de verblijfsgebieden; • dezelfde binnentemperatuur; • verschil in minimale ventilatiecapaciteit per verblijfsgebied van maximaal factor 4. 6 Bepaal vervolgens per energiesector het energiegebruik en vergelijk dit met het toelaatbare energiegebruik. Aan de energieprestatie-eis is voldaan als geldt: toetsing =

Qpres;totaal Qpres;toelaatbaar

≤1

Toelaatbaar en berekend karakteristiek energiegebruik Besproken worden het: ◆ toelaatbaar karakteristiek energiegebruik; ◆ berekend karakteristiek energiegebruik. ◆ Toelaatbaar karakteristiek energiegebruik In het Bouwbesluit wordt per gebouwfunctie een eis aan het energiegebruik gesteld. Een concreet gebouw bevat meestal meer functies. Een kantine in een kantoorgebouw heeft in termen van het Bouwbesluit een horecafunctie en een instructieruimte een onderwijsfunctie. Ze hebben elk een aparte EPC-eis. Daarnaast stelt het Bouwbesluit voor gebouwen met meer dan één functie een eis aan de verhouding tussen het karakteristieke energiegebruik en de toelaatbare karakteristieke energieprestatie. In de bepalingsmethode voor de energieprestatie wordt het gebouw als geheel beschouwd. Er moet bepaald worden welke EPC-eis aan het totale gebouw moet worden gesteld. In NEN 2916 wordt het toelaatbare energiegebruik consequent aangeduid met de term toelaatbare karakteristieke energieprestatie; immers, het is een eigenschap van het gebouw en niet het daadwerkelijke gebruik. Voor een snel begrip wordt in dit deel de term toelaatbare energiegebruik gebruikt. De toevoeging karakteristiek geeft aan dat het een waarde betreft die volgens NEN 2916 kenmerkend is voor het desbetreffende gebouw.

06950483_H11.indd 27

27

In de bepaling van het toelaatbare karakteristieke energiegebruik (Qpres;toel) komen twee weegfactoren en een constante waarde voor, waarin de onderstaande zaken worden verdisconteerd: • energiegebruik nodig voor voorgeschreven ventilatie; • gebouw met koeling vraagt meer energie; • minder compact gebouw vraagt meer energie. Daarnaast worden er in de formule correctiefactoren toegepast om de wijzigingen in de bepalingsmethode geen consequenties te laten hebben voor momenteel veel toegepaste technieken ten opzichte van de voorgaande versie van de norm. Als de ingewikkelde formule voor de EPC van het totale gebouw uitgeschreven wordt voor een gebouw met één functie en met een gebruiksoppervlak (Ag) van minimaal 1500 m2, dan ontstaat de volgende formule: EPCU-bouw =

Qpres;tot 330 × Ag

Deze formule lijkt op de formule die geldig is voor woningbouw, waarin ook het verliesoppervlak (Averlies) voorkomt: EPCwoon =

Qpres;tot 330 × Ag + 65 × Averlies

Uit deze formule blijkt dat een gebouw met een groot gebruiks- of verliesoppervlak meer energie mag gebruiken. Dit geldt ook voor utiliteitsgebouwen, maar daar is de compensatie voor verliesoppervlak samen met de compensatie voor koeling verwerkt in de bepalingsmethode van de toelaatbare energieprestatie. ◆ Berekend karakteristiek energiegebruik Het (berekende) karakteristieke energiegebruik is het energiegebruik zoals dat berekend wordt als NEN 2916 gevolgd wordt, met gebruikmaking van de in die norm gegeven kengetallen. 11.6.4 Componenten energiebalans Er is voor gekozen de energiebalans uit te schrijven conform de in NEN 2916 genoemde posten. De kengetallen die worden gegeven, stammen uit NEN 2916 of NEN 5128. De energiebalans van een gebouw bestaat uit de energieposten voor:

21-11-2005 11:46:49

28

• • • • • • • •

verwarming; ventilatoren; verlichting; pompen; koeling; bevochtiging; warmtapwater; functie wonen (indien aanwezig).

Energiegebruik voor verwarming De post verwarming wordt bepaald door zes factoren: • verlies door transmissie; • verlies door ventilatie; • winst door interne belasting; • benuttingsfactor voor warmtewinst; • systeemrendement ηsys;verw; • opwekkingsrendement ηopw;verw. 1 Verlies door transmissie De warmtedoorgangscoëfficiënt van een constructie wordt uitgedrukt in W/m2 ∙ K. Daaruit volgt dat als die coëfficiënt wordt vermenigvuldigd met het oppervlak, het temperatuurverschil en de tijdsduur dat er een temperatuurverschil aanwezig is, er een uitkomst volgt voor het energiegebruik, uitgedrukt in Joule (W ∙ s). De in rekening te brengen buitentemperaturen worden in de norm gegeven als maandgemiddelden en de binnentemperaturen worden gegeven afhankelijk van de functie van het gebouw. De tijdsduur is verwerkt in een constante. Vervolgens moet de weegfactor a voor de weging van de vloerverliezen vastgesteld worden. Deze weegfactor is alleen van toepassing op de begane-grondvloer, de hoogte ervan is afhankelijk van de periode (zomer/winter) en de gebruiksfunctie van de ruimte. 2 Verlies door ventilatie Er is energie nodig om de binnenkomende lucht op te warmen ten behoeve van ventilatie. De ventilatie bestaat uit drie componenten: • natuurlijke ventilatie: hierbij moet minimaal worden gerekend met de voorgeschreven luchtvolumestroom die wordt gerelateerd aan het gebruiksoppervlak. De norm geeft in de vorm van een constante het temperatuurverschil waarmee moet worden gerekend. • mechanische ventilatie: de luchtvolume-

06950483_H11.indd 28

stroom wordt bepaald door de maximale capaciteit van het geïnstalleerde ventilatiesysteem met als ondergrens de voorgeschreven ventilatiehoeveelheid. • infiltratielucht door buitenschil: door lekken in de buitenschil komt er verse lucht binnen. De energie die nodig is om deze infiltratielucht op te warmen, wordt in de norm voorgeschreven afhankelijk van de gebouwhoogte en de luchtdoorlatendheid van de buitenschil. Het energiegebruik voor ventilatie wordt beinvloed door de bedrijfstijd van het ventilatiesysteem (minimale tijden worden in de norm voorgeschreven), de aanwezige mogelijkheden om het debiet terug te regelen of de retourlucht te benutten voor voorverwarming. Voor woongebouwen wordt in NEN 5128 een informatieve rekenregel gegeven voor de luchtdoorlatendheid, die afhankelijk is van het bouwtype (metselwerk, gietbeton, houtskeletbouw), de aan- of afwezigheid van een kap en de zorgvuldigheid van detaillering en uitvoering. 3 Winst door interne belasting Een positief effect op de energiebalans heeft de interne warmtebelasting en zonne-energie voorzover die kan worden benut. De interne warmteproductie is afhankelijk van de activiteiten die plaatsvinden, de verlichting, het aantal aanwezige personen (bezettingsgraad) en de apparatuur. De norm geeft afhankelijk van de gebouwfunctie waarden voor de warmteproductie in W/m2. Niet alle binnenvallende zonne-energie kan worden benut voor verwarming, omdat een deel weer naar buiten verdwijnt en de behoefte aan warmte niet altijd overeenkomt met de beschikbaarheid van zonne-energie. De norm geeft per oriëntatie en tijd van het jaar waarden voor de hoeveelheid zonne-energie die op een vlak valt. Een deel daarvan komt binnen door transparante delen en wordt gereduceerd door: • schaduw op glasvlakken (bijvoorbeeld overstekken); • ZTA-waarde glas; • aanwezigheid zonwering; • reductiefactor voor invloed kozijnen (reductiefactor 0,75).

21-11-2005 11:46:50

11 ENERGIEHUISHOUDING

De reductiefactor ten aanzien van de energiewinst is het grootst voor buitenzonwering met automatische bediening en bedraagt volgens de norm in de zomer 0,35 en in de winter 0,5. Handbediende zonwering resulteert in zomer en winter in een reductiefactor van 0,5. Binnenzonwering heeft volgens de norm een reductiefactor 1 en levert geen vermindering op van de invallende zonne-energie. De mate waarin schaduw van invloed is op de energiebalans kan berekend worden met voorschriften uit NEN 5128 (beschaduwing varieert normaliter tussen de 0,90 en 0,20), waaruit ook figuur 11.9 stamt, die inzicht geeft in de mate waarin glassoorten zonne-energie kunnen weren. Zonne-energie via collectoren kan voor warmtewinst zorgen. De hoeveelheid energie wordt bepaald door de afmeting van de zonnecollector, waarbij volgens de norm 50 procent (rendement) van de opvallende energie in de energiebalans moet worden opgenomen. 4 Benuttingsfactor voor warmtewinst De benuttingsfactor geeft aan in hoeverre het gebouw in staat is de zonnewarmte en de interne warmtebelasting te benutten. De benuttingsfactor hangt af van de voor warmte toegankelijke massa van het gebouw en de verhouding tussen warmtewinst en -verlies. Omdat een deel van de warmtewinst weer verdwijnt door de omhulling is het begrijpelijk dat de benutting afhangt van de verhouding tussen warmteverlies (transmissie en ventilatie) en warmtewinst (interne warmte en invallende zonne-energie). Tevens hangt de benutting van de massa af. De effectieve thermische massa kan worden berekend, maar ook worden afgeleid uit tabellen. Een vloerconstructie met een massa groter dan 400 kg/m2 zonder een (systeem)plafond eronder heeft de grootste effectieve massa (360 kJ/m2 · K); met een gesloten (systeem)plafond eronder bedraagt deze 180 eenheden en bij een massa kleiner dan 100 kg/m2 is de factor 55 kJ/m2 · K. Deze getallen doen vermoeden dat de massa een grote invloed op de energiebalans heeft. Toch ligt de benuttingsfactor ook bij zware constructies in de buurt van 1, zodat het effect op de energiebalans beperkt is.

06950483_H11.indd 29

29

5 Systeemrendement ηsys,verw Het systeemrendement wordt bepaald door de manier waarop de warmte of koude wordt getransporteerd en door de mogelijkheid tot individuele regeling. Warmte kan volgens de norm worden getransporteerd door water of lucht, terwijl er bij koude keuze is uit geen koeling, koeling door water, koeling door lucht of koeling door een combinatie van water en lucht. Na samenvoeging resteren er acht systemen met een verschil in systeemrendement. Warmtetransport door alleen water heeft het hoogste rendement: 0,93 in geval van individuele regeling en 0,80 zonder individuele regeling. Het ongunstigste systeemrendement levert een installatie die niet individueel kan worden geregeld en waarin de warmte met behulp van lucht wordt getransporteerd en de koude met behulp van water en lucht. Systemen waarbij door mengen van warme en koude lucht de noodzakelijke inblaastemperatuur wordt verkregen, zijn zeer ongunstig vanwege de grote vernietigingsfactor (fvern = 0,4), veroorzaakt door gelijktijdig centraal verwarmen en koelen. Lokale systemen kennen het hoogste systeemrendement (ηsys = 1 voor zowel verwarmen als koelen). 6 Opwekkingsrendement ηopw,verw Het gedeelte van de energie in fossiele brandstof die door de gebouwinstallatie in bruikbare warmte, koude of elektriciteit wordt omgezet, wordt het opwekkingsrendement genoemd. Warmtepompen hebben volgens de norm een zeer gunstig opwekkingsrendement, veroorzaakt door het feit dat de bruikbare warmte of koude niet uit fossiele brandstoffen wordt opgewekt, maar afkomstig is uit retourlucht of uit de bodem. Als de warmte uit retourlucht wordt benut en de aanvoertemperatuur van het water voor de verwarming maximaal 35 °C bedraagt, dan zijn rendementen groter dan 2 mogelijk. Gasgestookte hoogrendementsketels (HR-ketel) kunnen een opwekkingsrendement van 0,90 realiseren en een rendement van 0,925 als de aanvoertemperatuur van het water beneden 55 °C ligt. Elektrische opwekking is met een rendement van 0,39 het ongunstigst.

21-11-2005 11:46:50

30

Bij traditionele toestellen met waakvlammen moet daarvoor in de energiebalans nog een extra post worden opgenomen.

Energiegebruik voor pompen Het energiegebruik voor de pompen is eenvoudig af te leiden uit de verwarmde en gekoelde gebruiksoppervlakken. Er mag een reductie energiegebruik (MJ/m2)

Energiegebruik voor ventilatoren In de post energiegebruik voor ventilatoren wordt de energie die nodig is voor het transporteren van lucht in rekening gebracht. Deze is volledig afhankelijk van het geïnstalleerde vermogen van de ventilatoren en de bedrijfstijd. Het effectieve vermogen wordt bepaald door de benodigde totale luchtvolumestroom te vermenigvuldigen met een constante afhankelijk van het toegepaste klimatiseringssysteem en het rendement van de elektromotor. Een installatie met alleen mechanische afzuiging levert de kleinste bijdrage aan de energiebalans (csys = 1,2); bij mechanische toe-en afvoer bedraagt de factor 2,0 en bij alle andere installaties 3,0. Uit de getallen blijkt duidelijk de grote invloed van de wijze van ventileren op de energiebalans. Het energiegebruik kan worden gereduceerd door een debietregeling toe te passen met een factor tussen de 1 (geen regeling) tot 0,50 voor toerenregeling.

Energiegebruik voor verlichting De energie nodig voor verlichting wordt bepaald door het geïnstalleerde vermogen, de regelingsvoorzieningen en de tijd dat de verlichting brandt. Vaak is het geïnstalleerde vermogen in het ontwerpstadium nog niet bekend, zodat er gerekend kan worden met forfaitaire waarden. De norm geeft, afhankelijk van de functie van het gebouw, de forfaitaire waarde van het specifieke elektriciteitsgebruik, variërend van 30 kWh/ m2 voor een onderwijsgebouw tot 85 kWh/m2 voor een winkelgebouw. Afhankelijk van de wijze van schakeling mag er een reductie worden toegepast. Een centrale aan/uitschakeling levert het hoogste energiegebruik op door de weegfactor f = 1,0; bij veegschakeling bedraagt f = 0,75, terwijl daglichtschakeling in combinatie met een veegpuls met f = 0,55 de gunstige energiebalans op levert. Deze post is van grote invloed op de energiebalans, figuur 11.22 geeft een beeld voor een traditioneel kantoorgebouw en een zeer energiezuinig kantoorgebouw met warmteopslag.

22,8 m

250

200

150 14,8 m 65,5 m

100

oost 50

west

1

1 2 3

2

3

verlichting

transport

verwarming

koeling

zonder terugwinning met terugwinning terugwinning + lange termijnopslag

Figuur 11.22 Energiegebruik traditioneel en zeer energiezuinig kantoorgebouw

06950483_H11.indd 30

21-11-2005 11:46:50

11 ENERGIEHUISHOUDING

worden toegepast van 0,5 bij automatische regeling van het toerental. Energiegebruik voor koeling De energiebalans wordt significant negatief beïnvloed als er koeling wordt toegepast. De hoeveelheid energie wordt primair bepaald door het opgestelde koelvermogen, het opwekkingsrendement en het systeemrendement. In het ontwerpstadium mag worden uitgegaan van de koelbehoefte van het gebouw in plaats van het opgestelde vermogen. De koelbehoefte kan worden bepaald uit een berekening van de warmtewinst (interne belasting en invallende zonne-energie) en het warmteverlies (ventilatie en transmissie). De koelbehoefte wordt op een analoge manier bepaald als de energie nodig voor verwarming, met dien verstande dat de aan te houden binnen- en buitentemperaturen afwijken. Bij koeling moet er rekening worden gehouden met: • opwekkingsrendement; • benuttingsrendement, afhankelijk van thermische massa gebouw en verhouding tussen warmtewinst en -verlies. Energiegebruik voor bevochtiging Het energiegebruik voor bevochtiging wordt vooral bepaald door de hoeveelheid van buiten toe te voeren lucht, de bedrijfstijd, het rendement en het aantal gramuren vocht dat per dm3 droge lucht moet worden toegevoegd. De norm geeft het aantal gramuren per gebouwfunctie. Energiegebruik voor warmtapwater Kenmerkend voor de bepaling van het energiegebruik voor warmtapwater is de behoefte aan warm water, waarvoor de norm afhankelijk van de gebouwfunctie waarden geeft, en het rendement van het distributiesysteem (1,0 als alle leidingen korter dan 3 m zijn). Het opwekkingsrendement kan grote verschillen vertonen: een HR-combiketel scoort gunstig met een rendement van circa 0,6, terwijl een elektrisch gestookte boiler een rendement van circa 0,3 heeft. De norm geeft ook waarden ter bepaling van de winst aan warmtapwater door zonnecollectoren.

06950483_H11.indd 31

31

11.6.5 Bijdrage diverse componenten in energiebalans Om inzicht te krijgen in de grootte van de afzonderlijke componenten van de energiebalans, is figuur 11.23 vervaardigd. Deze figuur heeft betrekking op een kantoorgebouw met een kantine en een kleine werkplaats met een totaal gebruiksoppervlak van 3000 m2, waarvan 2400 m2 gekoeld wordt (luchtkoeling met constantvolumesysteem). De gevel is zwaar uitgevoerd met bakstenen in binnen- en buitenblad en heeft een glaspercentage van ± 25 procent. In dit geval blijken de posten voor verlichting en verwarming vrijwel even groot te zijn. De post voor ventilatoren is voor bouwkundigen onverwacht groot: de ventilatoren nodig voor het verzorgen van ventilatie gebruiken een hoeveelheid energie in dezelfde grootteorde als die voor verwarming. Energie voor: Verwarming Ventilatoren Verlichting Pompen Koeling Bevochtiging Warmtapwater

Percentage 27 31 33 2 4 0 3

Figuur 11.23 Voorbeeld aandeel diverse componenten in energiegebruik voor kantoorgebouw

11.6.6 Maatregelen ter verbetering De eisen die voortvloeien uit de beoogde functie van het gebouw bepalen in belangrijke mate de energiebalans. Als er hoge eisen aan comfort en behaaglijkheid worden gesteld, leidt dit tot bepaalde typen klimatiseringssystemen. Het energiegebruik van twee verschillende klimatiseringssystemen kan voor eenzelfde gebouw een factor 2 in het energiegebruik van elkaar verschillen. Zonder hoogrendementsketel en toepassing van een energiezuinige verlichting is het bijna onmogelijk aan de energieprestatie-eis te voldoen. Toepassen van warmtepompen (onder andere warmteterugwinning) en hoge installatierendementen zijn van grote invloed op de energiebalans. De interne warmtebelasting bepaalt in hoge mate of er koeling in de zomerperiode nodig is, waarbij de verlichting een zeer belangrijke

21-11-2005 11:46:51

32

rol speelt. Moderne typen lampen en geavanceerde methoden van schakelen brengen de warmte-belasting door verlichting terug. Buitenzonwering, moderne reflecterende glassoorten, een hoge gebouwmassaen gunstige oriëntatie van grote glasvlakken reduceren de energiebehoefte van een gebouw.

NEN-EN-ISO 7730 Gematigde thermische binnenomstandigheden - Bepaling van de PMV- en de PPD-waarde en specificatie van de voorwaarden voor thermische behaaglijkheid, 1996.

Een integrale aanpak van het ontwerp van het gebouw en zijn installatie brengt de door eisen belaste energiebalans weer in evenwicht. Daarbij is het mogelijk maatregelen aan het gebouw uit te wisselen tegen maatregelen aan de installatie en omgekeerd.

Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 1 Fanger, P.O., Thermal comfort: Analysis and applications in environmental engineering, 1972. 2 Lentz, A.P., Handboek zonne-energie, Holland solar (met steun van Novem), 1993. Normen en voorschriften Berekening van het energiegebruik voor klimatisering en verlichting van kantoorgebouwen. ISSO-publicatie 21, 1994. Energie-efficiënte kantoorgebouwen, binnenklimaat en energiegebruik. ISSO/SBR-publicatie 300, 1994. Kengetallen en vuistregels; Hulpmiddel bij het ontwerp van gebouwinstallaties. ISSO-publicatie 33, 1996. Ontwerpbinnencondities en thermische behaaglijkheid in gebouwen. ISSO-researchrapport 5, 1990. Sturingsinstrument voor energie (EPC) en binnenklimaat (GTO) in kantoorgebouwen. ISSO/SBR-publicatie 800, 1997. NEN 2916 Energieprestatie van utiliteitsgebouwen Bepalingsmethode, 2001. NPR 2917 Energieprestatie van utiliteitsgebouwen - Rekenprogramma (EPU) met handboek, 2002. NEN 5128 Energieprestatie van woonfuncties en woongebouwen - Bepalingsmethode, 2003. NPR 5129 Energieprestatie van woonfuncties en woongebouwen - Rekenprogramma (EPW) met handboek, 2002.

06950483_H11.indd 32

21-11-2005 11:46:51

12

Klimaatbeheersingsinstallaties Deerns raadgevende ingenieurs b.v., van Zanten raadgevende ingenieurs

Het doel van dit hoofdstuk is inzicht geven in de techniek van klimaatbeheersingsinstallaties voorzover die van belang is voor het integrale ontwerpproces: het afwegen van alternatieven om tot een goed evenwicht in de energiehuishouding te komen. Behalve de techniek van klimaatbeheersingsinstallaties worden ook aspecten als investeringen en onderhoud besproken.

06950483_H12.indd 33

21-11-2005 11:44:49

34

Inleiding In hoofdstuk 11 is het evenwicht beschreven dat wordt nagestreefd tussen het beoogde gebruik van het gebouw, het gebouw- en installatieontwerp, om een goede energiehuishouding te krijgen. Daaronder wordt verstaan: • behaaglijk binnenklimaat dat geschikt is voor de beoogde activiteiten; • laag energiegebruik. Zoals in paragraaf 11.4.1 is besproken, hebben klimaatbeheersingsinstallaties de volgende functies: • verwarmen; • verse lucht toevoeren; • gebruikte lucht afvoeren; • koelen; • be- en/of ontvochtigen; • filteren. De apparatuur kan individueel worden opgesteld, met als voordeel dat iedereen het klimaat naar eigen behoefte kan regelen. Het nadeel van individuele opstelling is dat de investering hoog is en dat lokale apparatuur niet zuinig met energie omgaat. In grote gebouwen worden de installaties meestal centraal opgesteld in een technische ruimte en worden in de verblijfsruimten radiatoren, convectoren en/of luchtroosters aangebracht, zogenaamde eindapparatuur. Ze worden onderling verbonden door kanalen en leidingen waar lucht of water doorheen stroomt.

staan. Bij warmteterugwinning via zogenaamde warmtewielen, paragraaf 12.7.1 en figuur 12.1, kunnen zowel de warmte als het vocht uit de retourlucht worden teruggewonnen en opnieuw gebruikt. Bij centraal opgestelde installaties in technische ruimten moet warmte (eventueel koude) en schone lucht worden verkregen en in het distributiesysteem gebracht. In technische ruimten van gebouwen wordt het grootste deel van de ruimte in beslag genomen door zogenaamde luchtbehandelingkasten (LBK). Daarnaast worden er ketels aangetroffen voor de opwekking van warmte en, in geval van een volledig geconditioneerd gebouw, ook machines voor de opwekking van koude. Het (warme of koude) water wordt via pompen in de leidingen gebracht; de lucht met behulp van grote ventilatoren.

af te voeren �warme lucht� buiten

reinigingszone

1

Als transportmedium voor warmte (en koude) gaat de voorkeur uit naar water, zoals in hoofdstuk 11 is besproken. Omdat er altijd verse lucht nodig is, is het in sommige gevallen verstandig de ventilatielucht tevens te benutten voor transport van warmte. Uit energetische overwegingen verdient het aanbeveling de warmte die anders bij ventileren via de retourlucht zou verdwijnen, te benutten. Recirculatie van de retourlucht is mogelijk, maar wordt bijna niet toegepast vanwege de daarvoor benodigde dure filters om schone en geurvrije lucht te verkrijgen. De warmte uit de retourlucht kan via diverse typen warmtewisselaars worden teruggewonnen, zodat er met eenvoudige filters kan worden vol-

06950483_H12.indd 34

uitvoering af te voeren lucht af te voeren lucht

buitenlucht

toe te voeren lucht

toe te voeren lucht naar ruimten

2

luchtverwarmer ventilator

inbouw

Figuur 12.1 Warmte- en vochtterugwinning met warmtewiel

21-11-2005 11:44:50

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

De warmte kan ter plaatse worden opgewekt. Daarnaast kan er gebruik worden gemaakt van energiezuinige installatieconcepten,zoals: • warmteopslag in grond, paragraaf 12.7.2; • warmte/krachtkoppeling, paragraaf 12.7.4; • benutting zonne-energie, paragraaf 12.7.5.

stralingspanelen, roosters, inducerende roosters, enzovoort); • regelsystemen (thermostaten, kleppen, sensoren, integratie met verlichting, gebouwbeheerssystemen, enzovoort).

Klimaatbeheersingsinstallaties bestaan uit de volgende componenten: • opwekking warmte/koude (ketels, stadsverwarming, warmte/koudeopslag en koelmachines); • aanzuiging en op gewenste temperatuur brengen van schone lucht, zogenaamde luchtbehandeling en warmteterugwinning; • distributie van lucht en warmte/koude (pompen, ventilatoren, kanalen en leidingen); • eindapparaten (radiatoren, convectoren,

12.1 Luchtbehandeling

35

12.1.1 Principe Om in de nodige frisse lucht te voorzien, worden gebouwen geventileerd. Er is sprake van natuurlijke ventilatie als de buitenlucht zonder ventilator wordt toegevoerd aan de vertrekken. Er is sprake van mechanische ventilatie als een ventilator de lucht naar de vertrekken toevoert of vanuit de vertrekken afvoert, figuur 12.2. Er is sprake van balansventilatie wanneer de (ventilatie)lucht

technische ruimte

afvoerlucht buitenlucht

buitenluchtrooster

leidingen naar koelmachine leidingen naar warmtecentrale

luchtafvoerkast luchttoevoerkast distributiesysteem

schacht

plenum toevoerlucht retourlucht

Figuur 12.2 Mechanische ventilatie: luchtbehandelingskasten en distributie door gebouw

06950483_H12.indd 35

21-11-2005 11:44:50

36

mechanisch wordt toe- en afgevoerd. Een richtlijn voor de benodigde hoeveelheid verse lucht per persoon is 35 m3/h in ruimten waar niet gerookt wordt. In ruimten waar gerookt wordt moet de hoeveelheid verse lucht minimaal gelijk zijn aan 50 m3/h per persoon. Omdat de klimaatcondities, temperatuur en vochtigheid in gebouwen vaak verschillen van de buitencondities, moet de buitenlucht gedurende het jaar worden geconditioneerd, zodat de gewenste binnencondities kunnen worden bereikt.

Vaak wordt de lucht zo geconditioneerd, dat deze, naast het voorzien in de behoefte aan verse lucht, ook een bijdrage kan leveren aan de warmte- en vochthuishouding van een ruimte. Bij het ontwerp kan men overwegen een grotere hoeveelheid geconditioneerde lucht te distribueren dan de benodigde ventilatielucht. Zo kan met lucht een bijdrage worden geleverd aan de gewenste binnencondities. Er is dan minder capaciteit nodig voor de eindapparaten gevoed door verwarmd of gekoeld water. Als er lucht in plaats van water wordt gebruikt om in de energiebehoefte te voorzien, is er meer bouwkundige ruimte voor transport nodig. Water heeft een grotere warmtecapaciteit dan lucht. Om een bepaald koelings- of verwarmingsvermogen te transporteren, zijn bij lucht als transportmiddel kanalen met een grotere diameter nodig dan in het geval van water als transportmiddel, figuur 12.3.

Bij mechanische ventilatie, toevoer, figuur 12.2, wordt in kantoorgebouwen de lucht centraal geconditioneerd. Hiertoe worden zogenaamde luchtbehandelingskasten geïnstalleerd op een plek waar verse lucht kan worden aangezogen. In veel gevallen is dit een technische ruimte op het dak.

12.1.2 Conditionering ventilatielucht De lucht wordt geconditioneerd door filteren, verwarmen, koelen en bevochtigen. De gebruikelijke opbouw van een luchtbehandelingskast is weergegeven in figuur 12.4.

te

W

3k

rm wa

ø 250 mm lucht

3

kW

De componenten van een luchtbehandelingskast worden hieronder kort toegelicht: ◆ luchtfilter; ◆ voorverwarmer; ◆ ventilator; ◆ geluiddemper; ◆ koelbatterij; ◆ warmtewiel; ◆ naverwarmer; ◆ recirculatieaansluiting.

te

rm

wa

ø 20 mm water

Figuur 12.3 Distributie verwarmingsvermogen met behulp van lucht of water recirculatie

warmtewiel voorverwarmer

+

+

–

ventilator

+

geluiddemper

gebouw naverwarmer koelbatterij

geluiddemper

–

buiten ventilator

luchtfilter

Figuur 12.4 Opbouw luchtbehandelingskast

06950483_H12.indd 36

21-11-2005 11:44:51

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

◆ Luchtfilter Het luchtfilter is opgenomen om de lucht te ontdoen van vervuiling die het luchtkanalensysteem kan verstoppen en afbreuk doet aan de kwaliteit van de ventilatielucht. ◆ Voorverwarmer De voorverwarmer wordt gebruikt om de lucht te verwarmen. De voorverwarmer wordt voor de koelbatterij geplaatst om bevriezing van de koelbatterij in de winter te voorkomen. ◆ Ventilator Het benodigde vermogen van de ventilator wordt onder andere bepaald door de luchtweerstand, de componenten die in de luchtbehandelingskast worden opgenomen en het kanalensysteem. ◆ Geluiddemper De voor en na de ventilator geplaatste geluiddemper voorkomt hinderlijk geluid naar het gebouw en naar buiten.

systeem is lager dan het rendement van een warmtewiel. Ook kan er geen vocht worden teruggewonnen. ◆ Naverwarmer Omdat in de zomer de lucht soms door de koelbatterij gekoeld wordt tot een lagere temperatuur dan de temperatuur waarmee de lucht mag worden ingeblazen, is na de koelbatterij een naverwarmer opgenomen. ◆ Recirculatieaansluiting Als er meer lucht wordt getransporteerd door het luchtkanalencircuit dan nodig is om in de ventilatiebehoefte te voorzien, is recirculatie een interessante optie om energie te besparen. De te recirculeren lucht moet voldoende worden gemengd met verse buitenlucht en alleen de verse lucht moet nog op binnen klimaatcondities worden gebracht.

12.2 Installatieconcepten

◆ Koelbatterij In de koelbatterij wordt de lucht gekoeld. Het koelproces verloopt meestal zo dat de lucht tijdens het koelen tevens wordt ontvochtigd. Het kan voorkomen dat zo veel vocht aan de lucht moet worden onttrokken dat de temperatuur van de ventilatielucht te laag wordt. Dit diepe koelen is noodzakelijk om de lucht voldoende te ontvochtigen. Voor het koelproces is dan het ontvochtigen de bepalende factor. De lucht moet worden naverwarmd. Een richtlijn is dat de koude lucht met een maximaal temperatuurverschil van 8 °C kan worden ingeblazen.

Door de opwekkingsbronnen via de distributiesystemen te koppelen met de eindapparaten en de regelsystemen ontstaat de klimaatbeheersingsinstallatie. Klimaatbeheersingsinstallaties kunnen worden ingedeeld in installatieconcepten. In het vervolg is gekozen voor een indeling op basis van de wijze van verwarmen, ventileren en de mate van conditionering. Van elk installatieconcept zijn diverse varianten denkbaar.

◆ Warmtewiel Warmte en vocht kunnen uit de retourlucht worden teruggewonnen met behulp van het warmtewiel. Hiertoe moeten de luchttoevoer- en luchtafvoerkasten ‘gestapeld’ worden geïnstalleerd. Warmteterugwinning kan ook met behulp van een twin-coil-systeem, paragraaf 12.7.1. Er wordt dan in zowel de toevoer- als de afvoerkast een lucht/waterwarmtewisselaar opgenomen. Deze worden met elkaar verbonden door een watercircuit met circulatiepomp. Het rendement van de warmteterugwinning met een twin-coil-

Functies Bij dit in de woningbouw veelvoorkomende installatieconcept vindt het verwarmen van een gebouw plaats door middel van radiatoren met een lokale naregeling. Het ventileren gebeurt op basis van ‘natuurlijke’ luchttoevoer op lokaalniveau en mechanische luchtafvoer, figuur 12.5 en 12.9.

06950483_H12.indd 37

37

12.2.1 Centrale verwarming; natuurlijke luchttoevoer/mechanische luchtafvoer

21-11-2005 11:44:51

38

dakventilator met geluiddemper CV-ketels in dakopstelling afvoerlucht

gevel met te bedienen ventilatierooster

leidingen naar CV-ketel

centrale verwarming d.m.v. radiatoren

afvoer ruimtelucht via armaturen luchtafvoerkanaal

1

CV en mechanische afzuiging

CV-leidingen

CV-ketel afvoer

afzuigkanaal

toevoerlucht natuurlijk ventilatierooster

verlichtingsarmatuur

radiator

CV-leidingen

2

naar CV-ketel

schema

Figuur 12.5 Principe met centrale verwarming; natuurlijke luchttoevoer/mechanische luchtafvoer

06950483_H12.indd 38

21-11-2005 11:44:52

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

Verwarming Centrale verwarming bestaat in hoofdzaak uit de volgende componenten: • warmtebron (bijvoorbeeld ketel of stadsverwarming); • radiatoren; • distributievoorzieningen (transportleidingen en pomp(en)); • regelingen. Radiatoren verzorgen door convectie en straling de uitwisseling van warmte met de ruimte. Deze horen dicht bij de relatief koude binnenoppervlakten (gevels/ramen) te worden opgesteld. Ventilatie De luchttoevoer wordt op een ‘natuurlijke’ manier ingebracht, in het algemeen door middel van ventilatieroosters bovenin de raamgedeelten. Die ‘natuurlijke’ luchttoevoer komt tot stand door de invloed van de wind, het temperatuurverschil tussen buiten- en binnenlucht en het drukverschil veroorzaakt door het luchtafvoersysteem. Men moet letten op het warmteverlies dat wordt veroorzaakt door het toevoeren van de koude buitenlucht via ventilatieroosters. Bij geluidbelaste gevels is het een vereiste om akoestische ventilatieroosters toe te passen. ▶▶ Ventilatieroosters in raamkozijnen worden besproken in deel 4C Gevelopeningen, hoofdstuk 14.

De mechanische luchtafzuiging bestaat in hoofdzaak uit de volgende componenten: • ventilatorunit (de eenvoudigste uitvoering is een op het dak geplaatste ventilator (dakkap-ventilator), grote luchtcapaciteiten vereisen veelal de opstelling van de unit in een technische ruimte); • luchtafvoerpunten in de ruimten (bijvoorbeeld roosters of armaturen en in het geval van woonhuisventilatie afzuigpunten in keuken, toilet en badkamer); • distributievoorzieningen (kanalen); • regelingen. Regeling De regeling van de centrale verwarming bestaat uit twee stappen:

06950483_H12.indd 39

39

• centrale voorregeling cv-watertemperatuur (afhankelijk van heersende buitentemperatuur); • individuele temperatuurregeling per ruimte, door thermostatische afsluiters bij radiatoren. Klimaatbeheersing De temperatuur in de ruimten is in de winterperiode redelijk beheersbaar. Klachten kunnen ontstaan over de droge luchtsituatie en de beperkte ventilatiemogelijkheden. Door winddrukken op de gevel kunnen er fluctuerende ventilatiedebieten optreden. In de zomerperiode is het gebouwklimaat volledig afhankelijk van het heersende buitenklimaat, wat nog wordt gestimuleerd door de ‘natuurlijke’ wijze van luchttoevoer. De gebruikers ervaren de individuele bediening van de ventilatieroosters in de gevel en temperatuurregeling bij de radiatoren als positief. Energie Het energiegebruik voor het luchttransport van de mechanische afzuiging is beperkt. Het energiegebruik van de verwarming is afhankelijk van de bouwfysische kwaliteit van het gebouw (hiervoor gelden minimale wettelijke eisen) en het gedrag van de gebruikers. Bouwkundige randvoorwaarden De opstelling van de radiatoren vereist aan de gevel een strook van relatief geringe afmetingen. De verwarmingsleidingen en luchtkanalen worden gebruikelijk in een verlaagd plafond ondergebracht, waarbij de kanalen het plafondniveau bepalen. Het projecteren van de verticale leidingen en kanalen vindt veelal plaats in een schacht. Ook hier zijn de kanalen maatgevend voor de benodigde ruimte, in dit geval de schachtafmetingen. In de woningbouw worden in het algemeen geen verlaagde plafonds toegepast. Indien nodig worden voorzieningen, zoals luchtkanalen en leidingen, ingestort. In het bouwkundige ontwerp moet men rekening houden met technische ruimten ten behoeve van de opstelling van de warmtebron, zoals: • ketel, waarvoor de ruimte bij voorkeur ter plaatse van het dakniveau is te situeren en men aan de geldende voorschriften moet voldoen; • stadsverwarming, waarbij het energieleve-

21-11-2005 11:44:53

40

rende bedrijf voor de warmtewisselaar in het algemeen een ruimte op begane-grondniveau voorschrijft; • ventilatorunit, bij voorkeur opgesteld in een ruimte direct onder dakniveau, vanwege de directe luchtuitblaasmogelijkheden. De ventilatieroosters in de gevel(s) worden in het algemeen ondergebracht bij de bouwkundige werken. Onderhoud De installaties zijn eenvoudig en derhalve is het onderhoud evenredig beperkt. Zeer zeker moet men aandacht schenken aan het onderhouden van de ventilatieroosters in de gevel(s) in verband met de vervuiling ervan. Uitgangspunten Voor de keuze van dit concept worden de volgende uitgangspunten gehanteerd: • geen temperatuureisen in zomerperiode; • geen luchtvochtigheidseisen in winterperiode; • mechanische afzuiging om onbeheersbare luchtbewegingen in het gebouw te beperken en zodoende het gebouwcomfort te verhogen; • minimale ventilatie-eisen (men moet voldoen aan de eisen volgens het Bouwbesluit); • flexibiliteit van ruimten, eenvoudig aan te passen aan indelingswijzigingen; • beperkte energiekosten; • zeer beperkte onderhoudskosten; • individuele naregeling (temperatuurregeling per travee van 1,8 m is mogelijk). Toepassingsgebied cv met natuurlijke ventilatie Het concept vindt vooral toepassing bij: • laagbouw met ventilatieroosters en te openen ramen en beperkt glaspercentage (< 30 procent); • ruimten met grote inhoud; • lage personeelsbezetting. Bijvoorbeeld: woningbouw, laagbouwkantoor, winkelgebouw, onderwijsgebouw (leslokaal).

06950483_H12.indd 40

12.2.2 Ventilatie op basis van constantvolumesystemen; centrale verwarming; radiatoren

Functies Bij dit installatieconcept wordt het gebouw verwarmd door middel van radiatoren met lokale naregeling. Het ventileren gebeurt mechanisch op basis van een constant-volumesysteem, waarbij de constante hoeveelheid ventilatielucht wordt verwarmd en bevochtigd, figuur 12.6 en 12.9. Verwarming en ventilatie De verwarming is identiek aan het installatieconcept zoals besproken in paragraaf 12.2.1. In dit installatieconcept wordt de ventilatie echter verzorgd door een systeem dat een constante hoeveelheid lucht aan de ruimten toe- en afvoert: het constant-volumesysteem (Constant Air Volume (CAV)-systeem). Een dergelijk systeem heeft de volgende kenmerken: • goed geschikt als mechanisch ventilatiesysteem, ook in combinatie met andere installatieconcepten; • gebalanceerde ventilatie mogelijk: gewenste onder- en overdrukken in luchtbewegingen kunnen worden ingesteld; • energetisch minder sterk in verband met de constante hoeveelheid aan toe- en afvoerlucht; • eenvoudig: er zijn geen specifieke regelingen noodzakelijk; • onderhoudsarm; • centrale luchtbevochtiging mogelijk. De toevoerlucht van het systeem wordt centraal verwarmd en bevochtigd in een luchttoevoerunit. De verwarming van de lucht op een centraal punt heeft als gevolg dat de ventilatielucht aan alle ruimten in een gebouw met een gelijke temperatuur wordt toegevoerd. Voor de verwarming wordt gebruikgemaakt van dezelfde warmtebron als voor de radiatoren, uiteraard met een aparte regeling. Het luchttoevoersysteem bestaat in hoofdzaak uit de volgende componenten: • luchttoevoerunit (centrale buitenluchtaanzuiging, filteren, verwarmen en bevochtigen van de buitenlucht, ventilator); • luchttoevoerpunten (roosters);

21-11-2005 11:44:53

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

41

afvoerlucht buitenlucht

leidingen naar CV-ketel

luchtafvoerkast luchttoevoerkast

leidingen naar CV-ketel

constant volumebox afvoer ruimtelucht via armaturen

inducerend luchtinblaasrooster

1

toevoerlucht retourlucht

constant-volume-systeem afvoer bovendaks

luchtafvoerunit afzuigkanaal

warmtewiel

CV-leidingen

CV-ketel toevoerkanaal

buitenlucht

luchttoevoerunit

constant volumebox inducerend luchtinblaasrooster

verlichtingsarmatuur

radiator

2

schema

CV-leidingen

naar CV-ketel

Figuur 12.6 Principe met centrale verwarming en ventilatie op basis van constant-volumesysteem en warmteterugwinning door middel van warmtewiel

06950483_H12.indd 41

21-11-2005 11:44:54

42

•

luchtdistributiekanalen (luchttoevoerkanalen met voorzieningen); • regelingen. Het luchtafvoersysteem bestaat in hoofdzaak uit de volgende componenten: • luchtafvoerunit (centrale luchtuitblaas van de afvoerlucht via de ventilator); • luchtafvoerpunten (roosters en/of armaturen); • luchtdistributiekanalen (luchtafvoerkanalen met voorzieningen); • regelingen. Regeling De regeling van de centrale verwarming is identiek aan die in het installatieconcept van paragraaf 12.2.1. De regeling van de ventilatielucht, vooral de luchtinblaastemperatuur voor de ruimten, vindt plaats in de centrale luchttoevoerunit op basis van de heersende buitentemperatuur en/of gemiddelde ruimtetemperatuur. Klimaatbeheersing Het ventilatiesysteem heeft uitsluitend als doel de vereiste constante hoeveelheid aan verwarmde verse buitenlucht aan de ruimte toe- en af te voeren, met andere woorden, om te ventileren. Op basis van deze doelstelling wordt het klimaat ten aanzien van de ventilatie goed beheerst. Door de ventilatielucht in de winterperiode centraal te bevochtigen is de luchtvochtigheid in de ruimten onder controle. De vereiste ruimtetemperaturen zijn in de winterperiode redelijk beheersbaar. In de zomerperiode is het klimaat in het gebouw volledig afhankelijk van het heersende buitenklimaat, de benodigde ventilatielucht wordt immers onbehandeld (niet gekoeld) aan de ruimten toegevoerd. Energie Het energiegebruik voor het transport van de lucht (ventilatoren) is beperkt. Het energiegebruik voor de verwarming is afhankelijk van de bouwfysische kwaliteit van het gebouw en het gedrag van de gebruikers. Bouwkundige randvoorwaarden De bouwkundige voorzieningen ten behoeve van de installaties zijn in principe gelijk aan het concept van paragraaf 12.2.1. Men moet

06950483_H12.indd 42

rekening houden met een aanvulling hierop ten aanzien van: • luchttoevoerkanalen (vooral belangrijk voor schachtafmetingen); • luchttoevoerunit (belangrijk voor aantal m2 technische ruimte), gewicht, trillings- en geluidsoverlast; • aanzuiging buitenlucht via roosters in gevel technische ruimte. Onderhoud De installaties zijn eenvoudig en derhalve is het onderhoud evenredig beperkt. Het is belangrijk de luchtverwarmer, bevochtiger en filters in de centrale luchttoevoerunit goed te onderhouden. De onderhoudsgevoelige apparaten bevinden zich in de technische ruimte. Uitgangspunten Voor de keuze van dit concept worden de volgende uitgangspunten gehanteerd: • geen temperatuureisen voor zomerperiode; • luchtvochtigheideisen voor winterperiode; • ventilatie-eisen; • flexibiliteit ruimten (eenvoudig aan te passen aan indelingswijzigingen); • beheersing energiekosten; • beperkte onderhoudskosten; • individuele naregeling (temperatuurregeling per travee van 1,8 m mogelijk). Toepassingsgebied constantvolumesysteem Het concept vindt vooral toepassing bij: • laagbouw met te openen ramen en beperkt glaspercentage (< 30 procent); • ruimten met grote inhoud en gelijke warmtebelasting; • lage tot matige personeelsbezetting. Bijvoorbeeld: laagbouwkantoor, winkelgebouw, onderwijsgebouw, sportgebouw.

12.2.2 Ventilatie, verwarming en koeling op basis van variabel-volumesystemen

Functies Dit installatieconcept is gebaseerd op een volledig klimaatbeheersingssysteem door middel van

21-11-2005 11:44:54

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

‘lucht’ met als principe het variabel-volumesysteem. De lucht wordt gebruikt als ‘drager’ voor de koeling in de zomer en voor verwarming en bevochtiging in de winter, figuur 12.7 en 12.9. Verwarming en ventilatie Het variabel-volumesysteem regelt de ruimtetemperatuur in de zomer door de luchtinblaashoeveelheid van een ruimte te variëren door middel van een geregelde klep, de variabelvolumebox. Door het regelen van de luchthoeveelheid per ruimte of zone kunnen variaties in de warmtebelasting worden gecompenseerd, waarbij de individueel ingestelde ruimtetemperatuur blijft gewaarborgd. Het variabel-volumesysteem kenmerkt zich door: • toepasbaarheid bij wisselende warmtebelasting; • gebalanceerd systeem; • eenvoudig kanalensysteem; • goede regelbaarheid; • hoeveelheidsregeling afvoerlucht moet evenredig zijn aan de toevoerlucht; • onderhoudsarm systeem. De verwarming van het gebouw vindt in twee stappen plaats: • voorverwarming wordt centraal gerealiseerd in luchttoevoerunit, bijvoorbeeld tot 16 °C; • luchtnaverwarmer per ruimte of zone voor individuele verwarming, geschikt voor vereiste maximale luchtinblaastemperatuur. Afhankelijk van de warmtebehoefte in de wintersituatie verandert door verstelling van de ruimtethermostaat de luchtinblaastemperatuur volgens een ingestelde ‘stooklijn’. Het luchttoevoersysteem bestaat in hoofdzaak uit de volgende componenten: • luchttoevoerunit (centrale buitenluchtaanzuiging, menging afvoer- en buitenlucht, verwarmen en bevochtigen menglucht, ventilator); • variabel-volumeboxen; • luchttoevoerpunten (roosters); • luchtdistributiekanalen (luchttoevoerkanalen direct verbonden met voorzieningenunit enerzijds en roosters anderzijds, met tussenplaatsing

06950483_H12.indd 43

43

van variabel-volumeboxen en naverwarmers ter plaatse van de ruimten); • regelingen. Het luchtafvoersysteem bestaat in hoofdzaak uit de volgende componenten: • luchtafvoerunit (bij recirculatie verdeling afvoerlucht naar toevoerunit en afvoerlucht naar ‘buiten’, ventilator); • luchtafvoerpunten (roosters en/of armaturen); • luchtafvoerkanalen met voorzieningen; • regelingen. Regeling De regeling van het binnenklimaat vindt plaats per ruimte en/of zone zowel in de winter- als in de zomersituatie. Aan de eis van individuele ruimteregeling wordt hiermee voldaan. Individuele ruimteregeling per travee van 1,8 m is goed mogelijk, hoewel men hierbij in ogenschouw moet nemen dat de kosteninvestering fors is. Klimaatbeheersing Met dit klimaatconcept wordt een behaaglijk binnenklimaat gerealiseerd. De maximale luchthoeveelheid is gebaseerd op de koelbehoefte van het gebouw en de minimale luchthoeveelheid wordt bepaald door de vereiste hoeveelheid ventilatielucht (‘verse’ buitenlucht). Het systeem biedt hiermee zeer goede ventilatiemogelijkheden. Door de lucht in de winterperiode centraal te bevochtigen, kan ook dit belangrijke behaaglijkheidsaspect worden beïnvloed. Men moet letten op de selectie van de luchttoevoerroosters, vanwege het feit dat bij reducering van de luchttoevoerhoeveelheid wijzigingen in het inblaaspatroon optreden. Een minder goede selectie van de toevoerroosters kan aanleiding geven tot tochtklachten. Energie Over het algemeen is het variabel-volumesysteem energiezuinig, omdat de luchthoeveelheden worden aangepast aan de optredende belastingen. Ook is dit systeem goed geschikt voor recirculatie van de afvoerlucht, uitsluitend de luchthoeveelheid voor de ventilatielucht moet worden ververst. Andere vormen van warmteterugwinning zijn ook goed mogelijk. De isolatie

21-11-2005 11:44:54

44

afvoerlucht buitenlucht leidingen naar CV-ketel leidingen naar koelmachine

luchtafvoerkast luchttoevoerkast naar CV-ketel

afvoer ruimtelucht via armaturen inducerend luchtinblaasrooster

variabel-volumesysteem aanvoerlucht naverwarmer variabel-volumesysteem afvoerlucht

1

toevoerlucht retourlucht

variabel-volumesysteem afvoer bovendaks

luchtafvoerunit afzuigkanaal CV-ketel

CV-leidingen

warmtewiel koelmachine toevoerkanaal

buitenlucht

luchttoevoerunit naar CV-ketel

luchtinblaasrooster VAV-box

2

naverwarmer

VAV-box verlichtingsarmatuur

schema

Figuur 12.7 Principe ventilatie, verwarming en koeling op basis van variabel-volumesysteem

06950483_H12.indd 44

21-11-2005 11:44:55

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

van de luchttoevoerkanalen is van groot belang om energieverlies te voorkomen en de temperatuur van de aangevoerde lucht per vertrek gelijk te houden. Bouwkundige randvoorwaarden In het algemeen kan worden gesteld dat ten behoeve van het variabel-volumesysteem in ruime mate behoefte is aan bouwkundige voorzieningen, zoals: • voldoende ruimte in verlaagd plafond (ten behoeve van luchtkanalen, luchtnaverwarmers en variabel-volumeboxen); • schachten voor luchtkanalen en leidingen; • technische ruimte(n) voor opstelling koudeen warmtebron (koelmachineconfiguratie en verwarmingsketel); • technische ruimte voor opstelling luchttoevoer- en luchtafvoerkast(en). Onderhoud Het onderhoud aan de installatie is voornamelijk geconcentreerd in de technische ruimten. Inspectie aan de variabel-volumeboxen en luchtnaverwarmers is noodzakelijk. Zorg voor een zodanige lay-out van de installatie, dat voornoemde apparaten vanuit de gangzone te inspecteren zijn. Uitgangspunten Voor de keuze van dit concept worden de volgende uitgangspunten gehanteerd: • temperatuureisen voor winter- en zomerperiode; • luchtvochtigheideisen voor winter- en zomerperiode; • ventilatie-eisen; • variaties warmtebelasting in ruimten; • individuele regelbaarheid ruimtetemperatuur ’s zomers en ’s winters; • vaste indeling ruimten; • beheersing energiekosten; • redelijke onderhoudskosten. Toepassingsgebied variabelvolumesysteem Het concept vindt vooral toepassing bij: • goed geïsoleerde gebouwen met beperkt glaspercentage (< 30 procent);

06950483_H12.indd 45

45

•

hoge interne belasting en wisselende personeelsbezetting. Bijvoorbeeld: hoogbouwkantoor, gezondheidszorg (beddenkamer, onderzoekkamer), horecagebouw (restaurant).

12.2.4 Ventilatie, verwarming en koeling op basis van ventilatorconvectorsystemen

Functies Dit installatieconcept is gebaseerd op een volledig klimaatbeheersingssysteem door middel van lucht. Verwarming, ventilatie en bevochtiging in de winterperiode en koeling en ventilatie in de zomerperiode vinden plaats door middel van ventilatorconvectoren, figuur 12.8 en 12.9. Verwarming en ventilatie Ventilatorconvectoren zijn units voorzien van een ventilator, een verwarmings- en koelelement en een aansluiting voor de ventilatielucht. De units worden in dit concept veelal in het verlaagde plafond van een vertrek geplaatst. Plaatsing aan de gevel is ook mogelijk. De ventilator zorgt als volgt voor de distributie van de lucht: • ruimtelucht wordt aangezogen via plenum of retourroosters; • ventilatielucht wordt aangezogen vanuit ventilatiesysteem; • in de winter wordt ruimtelucht verwarmd door verwarmingselement, dat is aangesloten op verwarmingswaternet; • in de zomer wordt ruimtelucht gekoeld door koelelement, dat is aangesloten op gekoeldwaternet; • ‘behandelde’ lucht wordt aan ruimte toegevoerd via toevoerroosters. Ventilatorconvectoren kenmerken zich door: • per ruimte ‘op maat gesneden’ klimaatbeheersing (de capaciteit van de units worden op ruimtebehoefte geselecteerd); • uitgebalanceerd systeem; • eenvoudig kanalensysteem, van beperkte afmeting (uitsluitend kanalen ten behoeve van ventilatielucht, de lucht wordt immers gerecirculeerd);

21-11-2005 11:44:55

46

afvoerlucht buitenlucht

leidingen naar koelmachine leidingen naar CV-ketel luchtafvoerkast luchttoevoerkast naar CV-ketel

koeling en verwarming d.m.v. ventilatorconvector

leidingen verwarmd water leidingen gekoeld water

1

toevoerlucht retourlucht

ventilatorconvectorsyteem afvoer bovendaks

luchtafvoerunit afzuigkanaal CV-ketel

CV-leidingen

warmtewiel

gekoeldwaterleidingen

koelmachine toevoerkanaal

buitenlucht

– +

luchttoevoerunit

c

luchtinblaasrooster

2

c

ventilatorconvector

CV-leidingen condensleiding

gekoeldwaterleidingen

verlichtingsarmatuur

schema

Figuur 12.8 Principe ventilatie, verwarming en koeling op basis van ventilatorconvectorsysteem

06950483_H12.indd 46

21-11-2005 11:44:56

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

• indeling per stramien van 3,6 m is eenvoudig te realiseren, derhalve ook de regelbaarheid; • verwarmingsnet en gekoeld waternet tot aan de ventilatorconvectoren; • als er te openen ramen worden toegepast, is condensafvoer noodzakelijk als gevolg van droging van de aangezogen ruimtelucht bij het koelproces in de zomerperiode; • regelmatig onderhoud, zeker aan het filter van de unit; • geluidproductie ventilatoren. Als er aan ruimten specifieke geluideisen worden gesteld, zijn extra akoestische voorzieningen aan de unit noodzakelijk. Naast het beheersen van het klimaat op het gebied van verwarming en koeling is ook ventilatie (met verse buitenlucht) noodzakelijk. De ventilatie wordt verzorgd door centraal opgestelde luchtbehandelingskasten, een toe- en afvoerkast, waarin de verse buitenlucht wordt ‘ingenomen’ en vervolgens wordt voorbehandeld via verwarming en koeling, een en ander afhankelijk van het buitenklimaat, tot een basistemperatuur van circa 18 °C. Het voorbehandelen van de buitenlucht heeft als belangrijke voordelen: • gekoeldwater- en verwarmingswaternetten ten behoeve van de ventilatorconvectoren zijn geringer van afmetingen; • basisluchtconditie kan gebruikt worden voor ruimten waaraan minder klimaateisen worden gesteld; • verwarmings- en koelelementen van de ventilatorunits worden geringer van capaciteit en dus ook van afmetingen.

respectievelijk door het koelelement stroomt. De luchthoeveelheid is daarbij constant. Klimaatbeheersing Met de ventilatorconvectoren is een goed binnenklimaat te bereiken. Het systeem is wat betreft geluidproductie (ventilatoren) nogal kritisch. Ruimtelijke indeling per 1,8 m van de ventilatorconvectoren is zeer goed mogelijk. Uiteraard vallen de daaraan verbonden kosten (investering en onderhoud) belangrijk hoger uit dan bij de gebruikelijke indeling per 3,6 m. Het systeem biedt de vereiste ventilatiehoeveelheden. De lucht wordt centraal bevochtigd, waardoor de relatieve luchtvochtigheid in de winterperiode, ten minste 35 procent, is gegarandeerd. Energie In het algemeen heeft het systeem met de ventilatorconvectoren een gemiddeld energiegebruik. De ventilatielucht die door het gebouw wordt getransporteerd, heeft een temperatuur van circa 18 °C. Daarbij treden geen grote verliezen op. Energievernietiging kan optreden in het geval dat opgewarmde buitenlucht, via de centrale ventilatievoorziening, in de ventilatorconvector komt die op een koelproces staat geregeld.

In de wintersituatie wordt de ventilatielucht ook bevochtigd. De distributie van de ventilatielucht vindt plaats met een kanalensysteem voor de toevoer van de ventilatielucht naar de voornoemde ventilatieaansluiting op de ventilatorconvector en een kanalensysteem voor de afvoer van de gebruikte ventilatielucht.

Bouwkundige randvoorwaarden In principe ligt het ‘zwaartepunt’ van de ruimtelijke behoefte van de klimaatinstallatie op lokaalniveau, namelijk in het verlaagd plafond van de vertrekken. Hierin bevinden zich de ventilatorconvectoren, met de aansluitingen op het verwarmingswaternet en het gekoeldwaternet, de ventilatieaansluitingen en een wandcontactdoos voor de voeding van de ventilator en het condensafvoernet tijdens koelen in de zomer. Technische ruimten zijn noodzakelijk voor de opstelling van de koude- en warmtebron alsmede voor de opstelling van de centrale luchtunits.

Regeling De regeling van het binnenklimaat gaat in dit geval per gevelzone en binnenzone van 3,6 m. De luchtinblaastemperatuur wordt geregeld door variatie van de hoeveelheid verwarmd water en gekoeld water die door het verwarmingselement

Onderhoud Ventilatorconvectoren, vooral de luchtfilters, vereisen regelmatig onderhoud. Dit zijn werkzaamheden in de gebruiksruimten. Uiteraard is er ook onderhoud noodzakelijk aan de centrale luchtunits.

06950483_H12.indd 47

47

21-11-2005 11:44:56

48

Installatieconcept

Basisfuncties

Regeling

Ruimtebeslag

–

–

Constant volumesysteem en centrale verwarming

+

+

+

+

+

–

+

+

+

Variabel volumesysteem

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Ventilatorconvectorsystemen

+

+

+

+

+

+

+

+

Inductiesystemen

+

+

+

+

+

+

+

+

Klimaatplafond

+

+

+

+

+

+

+

+

Klimaatgevel

+

+

+

Technische ruimte (m2 in % bvo)

–

Plafondhoogte (mm)

+

Gevelstrookbreedte (mm)

Koelen

nat.

Lokaalniveau

Bevochtigen

+

Gebouwniveau

Filteren

Natuurlijke/mechanische ventilatie en centrale verwarming

Lokaalniveau

Luchtafvoer

Gebouwniveau

Luchttoevoer

Lokaalniveau

Verwarmen

Gebouwniveau

Verwarming Ventilatie Koeling

100

200- 1,0 300

100

300- 2,5 400 400- 4,5 500 450- 3,5 550

+

+

0

+

+

+

0

+

+

+ 500 0 500

400- 3,5 500 350- 3,5 400 350- 3,5 400

Figuur 12.9 Functies en ruimtebeslag installatieconcepten

Uitgangspunten Voor de keuze van dit concept worden de volgende uitgangspunten gehanteerd: • temperatuureisen voor winter- en zomerperiode; • luchtvochtigheideisen voor winter- en zomerperiode; • ventilatie-eisen; • flexibele indeling ruimten per 3,6 m; • beheersing energiekosten; • bij goed planmatig onderhoud, vooral aan convectorunit, zijn kosten beheersbaar.

Toepassingsgebied ventilatorconvector systeem Het concept vindt vooral toepassing bij: • goed geïsoleerd gebouw met hoogwaardig isolerend glas; • gebouw waarin veel gekoeld moet worden; • ruimten waarin enige geluidproductie acceptabel is; • ruimten met sterk wisselende warmtebelasting; • ruimten waarin interne recirculatie acceptabel is, zie paragraaf 12.2.5. Bijvoorbeeld: onderwijsgebouw (laboratorium), logiesgebouw (hotelkamer).

06950483_H12.indd 48

21-11-2005 11:44:57

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

12.2.5 Ventilatie, verwarming en koeling op basis van inductie-units

Functies Dit installatieconcept is gebaseerd op een volledig klimaatbeheersingssysteem door middel van lucht. Inductie-units verzorgen de totale klimaatbeheersing in de zomer- en winterperiode, figuur 12.9 en 12.10. Verwarming en ventilatie Inductie-units zijn in feite omkastingen die aan de gevel van ruimten worden opgesteld (plafondopstellingen zijn ook mogelijk). De units zijn intern voorzien van een verwarmingselement en een koelelement, die zijn aangesloten op een verwarmingswaternet respectievelijk op een gekoeldwaternet. Het is gebruikelijk dat de genoemde leidingsystemen in de omkastingen zijn opgenomen, horizontaal langs de gevel. Extern zijn de units voorzien van luchtuitblaasspleten aan de bovenzijde van de omkasting en roosters aan de onderzijde van het front ten behoeve van het aanzuigen van de ruimtelucht. De ventilatielucht wordt aan de onderzijde toegevoerd via een vloersparing. Karakteristiek voor het inductiesysteem is dat iedere ruimte een constante hoeveelheid ventilatielucht, onder hogere druk dan in de hiervoor besproken systemen, krijgt toegevoerd, de zogenaamde primaire lucht. In de inductie-unit wordt de hoge druk door middel van straalpijpjes omgezet in een hoge luchtsnelheid. Hierdoor wordt een hoeveelheid ruimtelucht, de zogenaamde secundaire lucht, geïnduceerd (‘meegesleept’). De geïnduceerde lucht wordt vervolgens door het verwarmings- of koelelement gevoerd en naar gelang de ruimtebehoefte verwarmd of gekoeld. De gemengde lucht, primaire en geïnduceerde, wordt door middel van luchtuitblaasspleten aan de ruimte toegevoerd, waardoor een individuele aanpassing aan het ruimteklimaat wordt verkregen. Inductie-units hebben de volgende kenmerken: • per ruimte ‘op maat gesneden’ klimaatbeheersing (capaciteit inductie-units wordt op ruimtebehoefte geselecteerd); • uitgebalanceerd systeem; • constante luchthoeveelheid;

06950483_H12.indd 49

49

•

eenvoudig kanalensysteem, dus geringe ruimtebehoefte (uitsluitend kanalen ten behoeve van ventilatielucht); • indeling per 3,6 m is eenvoudig te realiseren, dus ook de regelbaarheid; • verwarmingsnet en gekoeldwaternet tot aan inductie-units; • ‘opvangen’ koudeval van raam en/of gevel; • onderhoudsgevoelig; • kritisch met betrekking tot geluid; • kritisch met betrekking tot circulatievoud in verband met tochtklachten; • ruimtebehoefte van circa 500 mm aan gevel; • geen apparatuur in plafond. Er zijn diverse uitvoeringen van inductiesystemen mogelijk. Het hiervoor omschreven inductiesysteem is een vierpijpssysteem, figuur 12.10-3, met als belangrijke voordelen: • redelijke eenvoud centrale regelingen; • gunstiger energiegebruik. Een nadeel is de investering in de uitgebreide verwarmings- en gekoeldwaternetten. De ventilatie is in principe gelijk aan de omschrijving in paragraaf 12.2.4. Regeling De regeling van het klimaat vindt plaats per zone van 3,6 m door het verwarmingselement- of koelelement te regelen. De primaire lucht wordt op een temperatuur gehouden die afhankelijk is van de buitentemperatuur. Deze regeling kan lucht- of waterzijdig zijn. Bij een luchtzijdige regeling regelt een thermostaat in de secundaire lucht een klep die de lucht over het verwarmingselement of koelelement leidt. Bij een waterzijdige regeling regelt een thermostaat de kleppen in het verwarmings- en gekoeldwaternet. Klimaatbeheersing Met het inductiesysteem is een goed binnenklimaat te bereiken. Het kritische in het ontwerp van een inductiesysteem is het circulatievoud in de ruimten. Zowel een te hoog als een te laag circulatievoud kan leiden tot tochtklachten. Het geluidsniveau in de ruimten is sterk afhankelijk van de toe te passen straalpijpjes in de inductieunits. De straalpijpjes bepalen de hoeveelheid

21-11-2005 11:44:57

50

afvoerlucht buitenlucht

leidingen naar koelmachine leidingen naar CV-ketel luchtafvoerkast luchttoevoerkast naar CV-ketel

koeling en verwarming d.m.v. inductieunit

afvoer ruimtelucht via armaturen

leidingen verwarmd water

toevoer lucht

leidingen gekoeld water

1

toevoerlucht retourlucht

inductiesysteem afvoer bovendaks

luchtafvoerunit afzuigkanaal CV-ketel

CV-leidingen

warmtewiel

gekoeldwaterleidingen

koelmachine toevoerkanaal

buitenlucht

luchttoevoerunit

verlichtingsarmatuur toevoer lucht + – F

2

schema

lucht gekoeld waterleidingen CV-leidingen

Figuur 12.10 Principe ventilatie, verwarming en koeling op basis van inductie-units

06950483_H12.indd 50

21-11-2005 11:44:58

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

51

primaire lucht

koud of warm

warm water gekoeld water koud of warm

warme retourlucht

3

voorbeeld van een inductie-unit in het plafond

Figuur 12.10 Principe ventilatie, verwarming en koeling op basis van inductie-units (vervolg)

secundaire lucht die wordt ‘meegezogen’. Hoewel het zeer goed mogelijk is een inductiesysteem te realiseren zonder geluidproblemen, zijn er in een aantal projecten klachten over het geluid gesignaleerd. Die klachten zijn veelal het gevolg van een bezuiniging op de investeringskosten en/of vervuiling van de straalpijpjes. Energie Energetisch moet men nadrukkelijk kijken naar de uitvoering van de warmwater- en gekoeldwatersystemen en naar de regelingen van de systemen, natuurlijk zonder de investeringskosten uit het oog te verliezen. Bij een luchtzijdige regeling treedt er energievernietiging op door warmte- of koudeafgifte van de elementen in de inductie-unit die luchtzijdig is afgesloten. Bouwkundige randvoorwaarden De plaatsing van inductie-units aan de gevel vraagt een aantal bouwkundige aanpassingen: • vloersparingen ter plaatse van elke inductieunit ten behoeve van toevoer ventilatielucht; • vloersparingen ten behoeve van warmwateren gekoeldwaterleidingen, op centraal punt, naar gevelomkasting; • brede strook vloeroppervlak aan gevel(s) ten behoeve van opstelling inductie-units. Naast de genoemde aspecten moet men rekening houden met voldoende ruimte in het verlaagd plafond ten behoeve van de ventilatiekanalen en leidingensystemen. Technische ruimten

06950483_H12.indd 51

zijn nodig voor de opstelling van de koude- en warmtebron alsmede voor de opstelling van de centrale luchtunits. Onderhoud Het is gebruikelijk de inductie-units te voorzien van filters om vervuiling van de elementen te voorkomen. De filters moeten regelmatig worden onderhouden of vervangen. Als er geen filters worden toegepast, moet de inductie-unit regelmatig worden ‘schoongeblazen’. Genoemde activiteiten vinden plaats in de gebruiksruimten. Uitgangspunten Voor de keuze van dit concept worden de volgende uitgangspunten gehanteerd: • temperatuureisen voor winter- en zomerperiode; • luchtvochtigheideisen voor winter- en zomerperiode; • ventilatie-eisen; • flexibele indeling ruimte per 3,6 m; • beheersing energiekosten; • redelijke onderhoudskosten. Toepassingsgebied inductie-unit Het concept vindt vooral toepassing bij: • goed geïsoleerd gebouw met hoogwaardig isolerend glas; • gebouw waarin beperkt gekoeld moet worden;

21-11-2005 11:44:59

52

afvoerlucht buitenlucht leidingen naar CV-ketel leidingen naar koelmachine

luchtafvoerkast luchttoevoerkast naar CV-ketel

afvoer ruimtelucht via armaturen

inducerend luchtinblaasrooster klimaatplafond

1

toevoerlucht retourlucht

klimaatplafond afvoer bovendaks

luchtafvoerunit afzuigkanaal CV-ketel

CV-leidingen

warmtewiel

gekoeldwaterleidingen

koelmachine toevoerkanaal

buitenlucht

luchttoevoerunit naar CV-ketel naar koelmachine inducerend luchtinblaasrooster

2

klimaatplafond

regelkleppen verlichtingsarmatuur

schema

Figuur 12.11 Principe verwarming en koeling door middel van klimaatplafond

06950483_H12.indd 52

21-11-2005 11:45:02

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

• •

ruimten met beperkte diepte; ruimten waarin enige geluidproductie acceptabel is; • ruimten met sterk wisselende warmtebelasting per ruimte; • ruimten waarin interne recirculatie acceptabel is.

worden. In deze situatie is het ook eenvoudiger, qua geluid, om leidingen- en kanalentracés te projecteren boven de ruimten. Integratie van installatiecomponenten zoals verlichting, roosters en speakers is zeer goed mogelijk. Het klimaatplafond doet tevens dienst als ‘bouwkundig’ plafond, wat een budgettaire besparing kan opleveren.

12.2.6 Verwarming en koeling door middel van klimaatplafonds

Aan een aantal punten moet extra aandacht worden besteed: • bij aanwezigheid van te openen ramen moet er, ter voorkoming van condensatie op het klimaatplafond in de zomerperiode, een beveiliging worden opgenomen; • thermisch goede gevel is zeer belangrijk. De koudeval aan de gevel kan niet door het klimaatplafond worden gecompenseerd; • temperatuurtrajecten verwarmings- en gekoeld water spelen een beslissende rol in de keuze van de warmte- en koudebron.

Functies Verwarming en koeling vinden plaats door middel van uitwisseling van warmte en koude via een speciaal plafond, het klimaatplafond, figuur 12.9 en 12.11. De ventilatie vindt plaats door middel van een constant-volumesysteem. De ventilatielucht is verwarmd, gekoeld en bevochtigd, een en ander afhankelijk van het heersende buitenklimaat. Verwarming Het klimaatplafond zorgt voor straling en convectieve uitwisseling van warmte en koude aan de ruimtelucht. Dit is vooral belangrijk voor de behaaglijkheid van het klimaat. Het voordeel ten opzichte van uitsluitend convectieve systemen is dat er minder lucht in beweging moet worden gebracht. Luchtstromingen zijn gerelateerd aan luchtsnelheid en daarmede aan behaaglijkheid. De benodigde hoeveelheid koeling is maatgevend voor de oppervlakte van het klimaatplafond. Het klimaatplafond bestaat uit geperforeerde metalen panelen, aan de bovenzijde voorzien van pijpjes (zogenaamde registers), waardoor de warmte- en koudedistributie van water plaatsvinden. De panelen zijn in beperkte afmetingen verkrijgbaar in verband met doorbuiging onder het eigen gewicht. Een gebruikelijke afmeting is 1800 × 300 mm. Vaak is het mogelijk perforatiegraad en -grootte te kiezen. Het klimaatplafond kan door de geperforeerde uitvoering en isolatie zorgdragen voor een goede geluidsabsorptie. Een extra dimensie aan de akoestische waarde (overspraakisolatie) van een ruimte kan worden verkregen door een horizontale akoestische barrière (gipsplaten) op de panelen te situeren, waardoor geluidsschotten (ter plaatse van scheidingswanden) overbodig

06950483_H12.indd 53

53

Samenvattend zijn de eigenschappen van een klimaatplafond: • koeling en verwarming door middel van één installatie; • energie-uitwisseling door middel van convectie en straling; • in de winter stralingscompensatie van koude oppervlakken; • hoge koelcapaciteit; • geringe luchtverplaatsing; • verwarming (grotendeels) onafhankelijk van ventilatie; • energetisch gunstig; • eenvoudig onderhoud; • kwalitatief goed plafond. Ventilatie Het klimaatplafond zorgt uitsluitend voor verwarming en koeling van een ruimte, derhalve is de toevoer en afvoer van ventilatielucht separaat van het klimaatplafond noodzakelijk. De ventilatielucht kan in de zomer en winter met een constante temperatuur (bijvoorbeeld 18 °C) in alle ruimten worden ingeblazen. Het ventilatiesysteem is veelal uitgevoerd als een constantvolumesysteem.

21-11-2005 11:45:03

54

Regeling De regeling van het binnenklimaat gaat per zone van 3,6 m. De klimaatbehoefte van een ruimte wordt geregeld door de hoeveelheid gekoeld water of verwarmingswater naar de klimaatregisters te regelen. De regelingen zijn eenvoudig.

Het is mogelijk onder het klimaatplafond een systeemplafond aan te brengen, maar dan zijn alleen grofmazige lamellenplafonds acceptabel. In dat geval moet er rekening worden gehouden met een verminderde warmteoverdracht (warmte of koude).

Klimaatbeheersing Een goed en individueel regelbaar binnenklimaat wordt bereikt door de toepassing van een klimaatplafond, zowel in de zomer als in de winter. Het koelen en verwarmen van een ruimte vindt plaats door middel van één component, waarbij de stralingscompensatie (winterperiode) blijft gewaarborgd. De temperatuurtrajecten van het verwarmingswater en het gekoelde water dat door de registers van het klimaatplafond stroomt, kunnen laag worden gehouden, wat belangrijk is voor het energiegebruik. Het kost immers meer energie om water hoog te verwarmen of diep te koelen. De ventilatie, met in de winterperiode bevochtigde lucht, draagt bij aan de behaaglijkheid in de ruimte. De opwarming van het gebouw na een weekend en/of nacht vraagt een redelijke periode. Door het ventilatiesysteem naar recirculerend te schakelen, kan de opwarmperiode worden beperkt. Doordat er geen ventilatie meer plaatsvindt, is recirculatie alleen beperkt (en buiten kantoortijd) toepasbaar.

Onderhoud Het onderhoud van de installaties is eenvoudig. Preventief onderhoud is zeer belangrijk, omdat er zich een uitgebreid waternetwerk boven de verblijfsruimten bevindt. De uitvoering als een geperforeerd plafond vraagt regelmatig schoonmaken in verband met de optredende vervuiling van de perforaties. Het klimaatplafond behoeft geen zogenaamde revisieopeningen, omdat de panelen scharnierbaar kunnen worden uitgevoerd.

Bouwkundige randvoorwaarden Zeer belangrijk is een thermisch goede gevel, gezien het feit dat de koudeval aan de gevel niet door het klimaatplafond kan worden gecompenseerd. Een voorbeeld van een thermisch goede gevel wordt bij de klimaatgevel besproken. De constructiehoogte van een klimaatplafond is gelijk aan die van een systeemplafond en bedraagt circa 50 mm, een en ander afhankelijk van het akoestische pakket. De verwarmings- en gekoeldwaterleidingen voor de aansluitingen op de registers van het klimaatplafond worden in het plenum ondergebracht en vereisen weinig ruimte. De distributiekanalen van het ventilatiesysteem vereisen eveneens ruimte boven het klimaatplafond. De warmtebron (ketel), koudebron (koelmachine) en de luchtbehandelingskasten moeten worden opgesteld in technische ruimten, bij voorkeur op dakniveau.

06950483_H12.indd 54

Uitgangspunten Voor de keuze van het installatieconcept worden de volgende uitgangspunten gehanteerd, figuur 12.12: • temperatuureisen voor winter- en zomerperiode; • luchtvochtigheidseisen voor winter- en zomerperiode; • ventilatie-eisen; • individuele regelbaarheid ruimtetemperatuur ‘s zomers en ‘s winters; • flexibele indeling ruimten per 3,6 m; • kritische gebruikers, vooral op het gebied van behaaglijkheid van het klimaat; • energiezuinig systeem; • onderhoudsarm systeem; • volledige benutting vloeroppervlak. Toepassingsgebied klimaatplafond Het concept vindt vooral toepassing bij: • gebouw met uitstekend geïsoleerde gevel en glasvlakken; • gebouw met grote koellast; • gebouw met grote diepte. Bijvoorbeeld: hoogbouw kantoorgebouw, gezondheidsgebouw (beddenkamer, onderzoekkamer), logiesgebouw (hotelkamer).

21-11-2005 11:45:03

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

Gebruik

Kantoorruimte Vergaderruimte Computerruimte Patiëntenkamer Onderzoeksruimte Operatiekamer Verkoopruimte Magazijn Restaurant/kantine Lesruimte Zwembad Kleed/doucheruimte Hotelkamer Bejaardenflat Pension

55

mmmmmmmmmmmmmmmmInstallatieconcept Natuurlijke/ mechanische ventilatie en centrale verwarming

Constant volumesysteem en centrale verwarming

Variabel volumesysteem

+

+

+ +

Ventilator- Inductie- Klimaat- Klimaatconvector- systemen plafond gevel systemen

+

+

+

+

+ +

+ +

+ + + + + + + + + + +

+ +

+ + + + +

+

+

+

+

+

+

Figuur 12.12 Gangbaar installatieconcept versus beoogd gebruik

12.2.7 Klimaatgevels Bij een klimaatgevel worden het gebouw- en installatieconcept optimaal op elkaar aangepast. Gebruikelijk is om de verwarming en de koeling te realiseren met een klimaatplafond. Het bouwkundige concept kent een uitstekend geïsoleerde gevel om energieverlies in de winter te beperken en een geventileerde spouw met zonwering om tijdens de zomer opwarming te reduceren, figuur 12.9 en figuur 12.13.

De toepassing van bijvoorbeeld een klimaatplafond vereist een thermisch uitstekende gevel, gezien het feit dat de koudeval aan de gevel niet door het klimaatplafond kan worden opgevangen. Er zijn meerdere installatieconcepten die de ondersteuning van een thermisch goede gevel vereisen, in feite alle concepten waarbij geen verwarming aan de gevel aanwezig is. Een goede thermische schil draagt in positieve mate bij aan het comfort, het energiegebruik en de installatieinvesteringen. Een klimaatgevel wordt in twee uitvoeringen toegepast: • gevel met aan buitenzijde dubbel glas en aan binnenzijde enkel glas met daartussen een ge-

06950483_H12.indd 55

ventileerde spouw en zonwering; • gevel met aan buitenzijde dubbel glas en aan binnenzijde een beweegbaar screendoek met daartussen een geventileerde spouw en zonwering. De koudeval van het raam in de winter en de binnentredende zonnewarmte in de zomer worden door de binnenschil opgevangen en via ventilatie afgevoerd, figuur 12.14. Voor de zomersituatie wordt er zonwering toegevoegd om de warmte aan zonnestraling te weren. Bij een klimaatgevel mogen er geen te openen ramen aanwezig zijn, omdat deze de energiehuishouding ter plaatse van de gevel verstoren. Te openen ramen kunnen wel worden gerealiseerd bij zogenaamde tweede- of derdehuidgevels, figuur 12.14-5. Derdehuidgevels zijn in principe ook klimaatgevels, maar nu bestaat de binnenschil uit dubbel glas en een screen aan de binnenzijde. Aan de buitenzijde wordt enkel glas aangebracht met een grote spouw (circa 0,50 m) waarin een zonwering is aangebracht. De spouw wordt op een natuurlijke manier geventileerd. In figuur 12.14 is een aantal

21-11-2005 11:45:04

56

afvoerlucht buitenlucht leidingen naar CV-ketel leidingen naar koelmachine

luchtafvoerkast luchttoevoerkast naar CV-ketel

ventilatie

afvoer ruimtelucht via armaturen

inducerend luchtinblaasrooster klimaatplafond

1

toevoerlucht retourlucht

klimaatgevel afvoer bovendaks

luchtafvoerunit afzuigkanaal CV-ketel

CV-leidingen

warmtewiel

gekoeldwaterleidingen

koelmachine toevoerkanaal

buitenlucht

luchttoevoerunit naar CV-ketel naar koelmachine

afzuiging via armaturen inducerend luchtinblaasrooster

dubbel glas enkel glas

klimaatplafond

regelkleppen verlichtingsarmatuur

ventilatie (afvoerlucht)

2

schema

Figuur 12.13 Principe klimaatgevel

06950483_H12.indd 56

21-11-2005 11:45:05

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

dubbel glas

1

normale gevel

2

buiten dubbel glas

buiten dubbel glas

buiten enkel glas

binnen enkel glas

binnen beweegbaar screendoek

binnen dubbel glas

3

klimaatgevel

klimaatgevel door screendoek

Normale gevel U-waarde gevel W/m2 · K Lichttoetreding Zontoetreding Maximaal glaspercentage Geluidsisolatie Index benodigd koelvermogen Index benodigd verwarmingsvermogen Energieterugwinning met behulp van gevel Energie- en milieu-invloed in Nederland

Klimaatgevel

4

tweede huid

Idem met screendoek

57

buiten enkelglas

binnen dubbelglas beweegbaar screendoek

5

derde huid

Tweede huid Derde huid

1,1 60% 40% 50% – 100% 100%

0,85 68% 15% 75% ++ 80% 90%

0,85 68% 15% 75% +– 80% 90%

1,3 88% 20% 75% +– 90% 110%

1,3 88% 15% 75% + 80% 85%

–

+

+

–

–

–

+

+

+–

++

Figuur 12.14 Specifieke fysieke eigenschappen tweede- en derdehuidgevel

gevelsituaties aangegeven met specifieke fysieke eigenschappen. Toepassingsgebied klimaatgevel Het concept vindt vooral toepassing bij: • gebouw met uitstekende geïsoleerde gevel en glasvlakken; • gebouw met beperkte koellast; • gebouw met beperkte diepte. Bijvoorbeeld: hoogbouw kantoorgebouw.

12.2.8 Keuzemotieven Bij de keuze van het installatieconcept moet allereerst worden gelet op het voldoen aan het

06950483_H12.indd 57

Programma van Eisen. Soms beperkt het Programma van Eisen zich tot de te realiseren temperaturen in de wintersituatie. In ruimten waarin mensen verblijven moet het klimaat behaaglijk zijn. Bij de keuze van het installatieconcept moet ook worden gelet op de mate van comfort die wordt gerealiseerd. Als comforteisen ontbreken, moet men nagaan of de opdrachtgever akkoord is met een beperkte mate van comfort. Elk installatieconcept levert een andere mate van comfort en heeft een ander kostenplaatje (investering en preventief onderhoud), figuur 12.15. Installatieconcepten die in koeling voorzien en lokaal regelbaar zijn, bieden het hoogste com-

21-11-2005 11:45:07

58

Gebruik

mmmmmmmmmmmmmmmInstallatieconcept Natuurlijke/ mechanische ventilatie en centrale verwarming

Verticale temperatuurgradiënt Horizontale temperatuurgradiënt Optimaal klimaat winter Optimaal klimaat zomer Kritisch m.b.t. tochtklachten Kans op geluidshinder Stralingscompensatie koudeval aan raam Leefgebied tot aan gevel Constante ruimtetemperatuur mogelijk

Variabel Ventila- InductieConstant volumevolume- torconsystemen systeem en systeem vectorcentrale versystemen warming

Klimaatplafond

Klimaatgevel

goed

goed

redelijk

goed

goed

goed

goed

matig

redelijk

goed

goed

redelijk

goed

goed

redelijk neen neen

goed neen neen

goed goed ja

goed goed neen

goed goed neen

goed goed neen

uitstekend uitstekend neen

neen ja

neen ja

neen neen

ja neen

ja ja

neen neen

neen n.v.t.

ja neen

ja neen

neen ja

neen ja

ja ja

neen ja

ja ja

Figuur 12.15 Comfort versus installatieconcept

fort. Klimaatplafonds en klimaatgevels bieden een hoog comfort en zijn bijzonder energiezuinig. Voor werkruimten is het belangrijk dat de temperatuurgradiënt beperkt wordt (verticaal ≤ 3,0 K/m1). De keuze van het installatieconcept bepaalt in principe de temperatuurgradiënt. De temperatuurgradiënt wordt eveneens beïnvloed door de plaats van radiatoren en de plaats en het inducerend vermogen van luchtinblaasroosters, figuur 12.16. Naast de ruimte die moet worden gereserveerd boven het plafond en nabij de gevel, figuur 12.9, is er ook ruimte nodig om de centrale technische installaties onder te brengen. Elk klimaatconcept vraagt om andere afmetingen van de technische ruimte waarin de warmteopwekking, koeling en centrale luchtbehandeling wordt geplaatst. In figuur 12.17 wordt globaal aangeven op welk energiegebruik gerekend moet worden per m3 gebouwinhoud, afhankelijk van het gewenste klimaat. Figuur 12.18 geeft een eerste indruk van de afmetingen van de technische ruimte door gebruik te maken van de aangegeven kengetallen voor

06950483_H12.indd 58

verwarming, koeling en luchtbehandeling. Naast voldoen aan de eisen en comfort zijn de investerings- en onderhoudskosten een belangrijk keuzecriterium, figuur 12.19.

12.3 Distributiesystemen 12.3.1 Situering technische ruimte De verwarmingsketel wordt bij voorkeur opgesteld in een aparte ruimte, onder andere vanwege specifieke eisen aan gasdichtheid van de ruimte en explosiegevaar. Een ruimte direct onder het dak of in een dakopbouw heeft het voordeel dat de lengte van het rookafvoerkanaal (schoorsteen) zeer beperkt is. De opstelling van luchtbehandelingskasten direct onder het dak of op het dak bespaart op de lengte van het luchtafvoerkanaal. Een hoge plaatsing van de luchttoevoeropening heeft het voordeel dat relatief schone lucht wordt ingenomen. Men moet voorkomen dat er kortsluiting optreedt doordat de luchtaanzuigunit afgewerkte ventilatielucht aanzuigt omdat de aan- en afvoerunit te dicht bij elkaar zijn geplaatst. Een manier om kortsluiting te voorkomen is de aan-

21-11-2005 11:45:07

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

20 °C

1

20 °C

22 °C

16 °C

2

radiatorverwarming onder het raam

20 °C

3

21 °C

23 °C

vloerverwarming

20 °C

luchtverwarming

18 °C

4

18 °C

59

20 °C

22 °C

plafondverwarming

Figuur 12.16 Temperatuurgradiënt afhankelijk van gebouw en installatie

zuigopening in de gevel te plaatsen en de luchtafvoeropening in het dak. 12.3.2 Situering kanalen en leidingen Bij een gebouw met meerdere verdiepingen moeten de warmte en de lucht ook verticaal worden getransporteerd. Vooral luchtkanalen vragen de nodige ruimte. Vrijwel zonder uitzondering wordt de lucht via schachten naar de verdiepingen getransporteerd en van daaruit verdeeld. Een goede keus is het plaatsen van een schacht in de omgeving van het trappenhuis. Enerzijds omdat daar de vloeren toch al onderbroken moeten worden, anderzijds omdat eventuele geluidproductie in de schachten minder snel tot hinder in de aangrenzende ruimten leidt. De schacht moet dusdanig worden gesitueerd, dat er voldoende wandlengte is om leidingen af te takken zonder een trappenhuis of liftschacht te moeten passeren, figuur 12.20.

06950483_H12.indd 59

Het is mogelijk in de schacht alleen kanalen voor de toevoerlucht aan te brengen en de schacht zelf als afvoerkanaal te benutten. De bouwkundige schacht moet dan goed luchtdicht zijn, wat in verband met de vele leidingaftakkingen en inspectieluiken veel aandacht tijdens de bouw en de gebruiksperiode vraagt. Voor de distributie van warm en gekoeld water kan van dezelfde schacht gebruik worden gemaakt en is weinig extra ruimte nodig. Bij cv-verwarming zijn de leidingen dusdanig klein dat bij gebouwen met een beperkte hoogte de leidingen niet in schachten hoeven te worden ondergebracht, zodat op leidinglengte kan worden bespaard. Nadeel van deze optie is, dat de leidingen een essentiële bijdrage leveren aan de warmteafgifte in verblijfsruimten. In zomersituaties kan deze oplossing het comfort nadelig beinvloeden: de leidingen geven warmte af en aan de zonzijde van het gebouw is dat ongewenst.

21-11-2005 11:45:08

60

Klimaatregeling

hKlimaateisen winter

Bevochtiging

zomer

Energiegebruik Gas (m3)

Verwarming en natuurlijke ventilatie

22 °C

geen

neen

Geklimatiseerd gebouw met beperkte koeling

22 °C

bij buitentemperatuur ≤ 28 °C: maximaal 25,5 °C; bij buitentemperatuur > 28 °C mag de ruimtetemperatuur naar rato meelopen

Volledig geklimatiseerd gebouw

22 °C

25,5 °C maximaal 5% van de kantoortijd; 28 °C maximaal 1% van de kantoortijd

Elektriciteit (kWh/m2)

6

13,5

ja

8,5

26

ja

10,5

34

De waarden betreffen energiegebruik voor conventionele installaties in een gemiddeld kantoorgebouw en zijn projectafhankelijk Figuur 12.17 Richtgetallen energiegebruik

2,8 2,8 2,8 3,0 3,2 3,2

220 550 880 1100 1650 2200

30 55 70 80 100 130

– 55 60 65 80 100

– 40 50 55 70 85

m3/h

2,8 3,0 3,2 3,6 3,8 4,0

9.000 20.000 35.000 45.000 65.000 90.000

oppervlakte m2

15 30 50 70 100 130

10 20 30 40 55 80

Hoogte

3,0 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8

m

Luchtafvoerunit

20 30 35 40 50 60

oppervlakte m2

Luchttoevoerunit

kW

Vermogen

m

Luchtbehandelingsunits (kengetal vermogen ventilatievoud 2 l uur)

Hoogte

m

Absorptiekoelmachine

Vermogen

m2

Centrifugaalkoelmachine

Hoogte in dakopbouw (m)

1 2 2 2 2 2

Hoogte in onderbouw (m)

120 300 480 600 900 1200

Oppervlakte (m2)

Aantal ketels

Vermogen (kW) kW

Zuigerkoelmachine

Koelmachines (kengetal vermogen = 60 W/m2)

Verwarmingsketels (kengetal vermogen = 60 W/m2)

m

2,8 3,0 3,0 3,5 4,0 4,0

De aangegeven waarden zijn richtwaarden, geen absolute waarden De aangegeven waarden betreffen installaties in een gemiddeld kantoorgebouw Figuur 12.18 Globale afmetingen technische ruimten

06950483_H12.indd 60

21-11-2005 11:45:08

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

Investeringskosten (

Klimaatbeheersingssysteem 50

100

150

200

61

per m2 bvo)

250

300

350

400

Natuurlijke / mechanische ventilatie en centrale verwarming Constant-volumesysteem en centrale verwarming Variabel-volumesysteem Ventilatorconvectorsysteemen Inductie-systemen Klimaatplafond Klimaatgevel

Kosten preventief onderhoud (

Klimaatbeheersingssysteem

per m2 bvo)

0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 Natuurlijke / mechanische ventilatie en centrale verwarming Constant-volumesysteem en centrale verwarming Variabel-volumesysteem Ventilatorconvectorsysteemen Inductie-systemen Klimaatplafond Klimaatgevel

Figuur 12.19 Investerings- en onderhoudskosten klimaatbeheersingssytemen

1

klein ontwikkeld vrij oppervlak

ongunstige schachtplaatsing t.b.v. leidingen

De verdeling van de lucht over een verdieping vraagt de nodige ruimte voor luchtkanalen. De doorsnede van de luchtkanalen is afhankelijk van de maximaal toegestane luchtsnelheid. Er wordt een maximale luchtsnelheid gehanteerd om geluidsoverlast te voorkomen. Ontwerpluchtsnelheden en karakteristieke afmetingen voor transport zijn in figuur 12.21 weergegeven. Maximale ontwerpluchtsnelheid

2

groot ontwikkeld vrij oppervlak

Schachten Gangen Vertrekken

8 m/s 5 m/s 3 m/s

Karakteristiek benodigde ruimte

projectspecifiek 0,40 m 0,30 m

goede schachtplaatsing t.b.v. leidingen

Figuur 12.20 Situering leidingschachten

Figuur 12.21 Karakteristieke luchtsnelheden en afmetingen kanalen

06950483_H12.indd 61

21-11-2005 11:45:09

Vanwege de benodigde afmetingen van de luchtkanalen is het een gebruikelijke oplossing de kanalen boven het plafond te situeren. Om het verlies aan nuttige inhoud te beperken, wordt er vaak voor gekozen de primaire kanalen in de gangzone te leggen (verdiepingshoogte circa 2,40 m) en van daaruit via secundaire leidingen de lucht boven het plafond (verdiepingshoogte circa 2,70 m) te transporteren naar de eindapparaten (inblaasroosters, naverwarmers, VAV-boxen, enzovoort). In de ruimte boven het plafond moet plaats worden gereserveerd voor hemelwaterafvoer, sanitaire leidingen, kabelbanen voor elektra en kruisingen van leidingen. In de ontwerpfase is voldoende aandacht voor deze coördinatie essentieel. 12.3.3 Situering eindapparaten Lucht kan uit een ruimte worden afgezogen via afvoerroosters in het plafond of in de gangwand, die aangesloten zijn op het afvoerkanaal. Een steeds gebruikelijker manier om lucht af te zuigen is via de verlichtingsarmaturen. Tl-armaturen lenen zich daar binnen bepaalde grenzen uitstekend voor. De beperking van de warmteafgifte van de verlichting (in de zomerperiode een zeer gewenste situatie) en het vervallen van afvoerroosters zijn de belangrijkste motieven voor deze keuze. Het is mogelijk de lichtarmaturen niet te voorzien van een aansluiting voor de luchtafvoer. In dit geval wordt de lucht via de ruimte tussen bouwkundig en systeemplafond afgezogen door het creëren van onderdruk (plenumafzuiging).

In verblijfsruimten moet uit oogpunt van comfort een goede verdeling van de lucht plaatsvinden. In verblijfsruimten zou de temperatuurgradiënt van 0 K ideaal zijn of eventueel op 1 tot 2 K negatief mogen zijn (warme voeten en koud hoofd). In horizontale zin moet de temperatuurgradiënt circa 0 K bedragen, maar de eindapparaten (radiatoren en toe- en afvoerroosters) veroorzaken een luchtbeweging en een temperatuurgradiënt. Elk klimaatbeheerssysteem kent zijn eigen temperatuurgradiënt, figuur 12.22 en 12.23. Bij natuurlijke ventilatie geniet het toevoeren van verse lucht via een laag geplaatst (gevel)rooster en via een hoog geplaatst afvoerrooster in de

06950483_H12.indd 62

hoogte (mm)

62

16 2700

18

20

22

24

temperatuur (°C) 28 26 30

1600

100

luchtverwarming tegenover de gevel Figuur 12.22 Verticale temperatuurgradiënt

tegenoverliggende (gang)wand de voorkeur. Om koudeval te voorkomen is het gewenst om radiatoren onder de ramen te plaatsen, zodat direct achter de gevel een stijgende luchtstroom ontstaat. In combinatie met de genoemde plaatsing van de toe- en afvoerroosters levert deze situering een acceptabele luchtstroming op die zelden als tocht wordt ervaren. Bij windaanval veroorzaakt de ventilatieopening vaak tochtklachten en ook in de zomerperiode is het comfort zeer beperkt. De mogelijkheid om ramen te openen is beslist noodzakelijk om in de zomer het klimaat draaglijk te houden. Bij luchtbewegingen is het zogenaamde Coandaeffect van belang. Als er lucht langs een oppervlak wordt geblazen, blijft de lucht als het ware aan het vlak kleven en wordt de luchtstraal ver de ruimte ingeblazen: de luchtstraal heeft een grote ‘worp’. Het Coanda-verschijnsel berust op de Wet van Bernoulli, die onder andere zegt dat bij afname van de luchtsnelheid de statische druk toeneemt. In de stroming is de statische druk lager dan in de (stilstaande) lucht in de ruimte. De luchtstraal wordt hierdoor ‘gedragen’. Warme lucht stijgt op, met als gevolg dat in hoge ruimten zogenaamde stratificatie kan optreden: de warme lucht bovenin mengt zich niet spontaan met de lagere luchtlagen. Door een juiste positionering van toevoer- en afvoerroosters kan dit effect worden voorkomen. De luchtafzuiging kan per object plaatsvinden maar ook via hoog of laag geplaatste roosters. Laag geplaatste afzuigroosters hebben als voordeel dat de lucht goed gemengd wordt. Nadeel

21-11-2005 11:45:10

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

B

63

A

vertrekhoogte

temperatuur

doorsnede A-A A

1b

koelen

stratificatie B

1a 1

temperatuur

doorsnede A-A

1c

plattegrond

verwarmen

inblazen vanaf de binnenwand

temperatuur

doorsnede C-C C

C

2b

koelen

stratificatie

2a 2

stratificatie

temperatuur

doorsnede C-C plattegrond

2c

stratificatie

verwarmen

inblazen vanaf het plafond

Figuur 12.23 Luchtverdeling in ruimte met temperatuurgradiënt

is dat vloerroosters als obstakel kunnen fungeren en er stofophoping kan optreden. Verblijfsruimten moeten van daglicht worden voorzien volgens het Arbeidsomstandighedenbesluit, waardoor verblijfsruimten altijd aan gevels worden gesitueerd. Op deze manier ontstaat er een gebouw met in het midden een verkeersruimte en aan de gevel de verblijfsruimten. Het bijbehorende distributiesysteem van de klimaatinstallatie bestaat dan veelal uit twee ontsluitingszones nabij de gevels waarin zich de eindapparatuur en de verlichting bevindt en een

06950483_H12.indd 63

ontsluitingssysteem dat boven de verkeersruimte is gelegen. Bij gebouwen waarin (ook) activiteiten worden verricht die geen daglicht vragen, genieten drie of meer ontsluitingszones de voorkeur, waarbij moet worden bedacht dat gevelzones een andere warmtebelasting kennen dan de middenzone(s). 12.3.4 Toegankelijkheid distributiesystemen Bepaalde onderdelen van de installatie (kleppen, kranen, naverwarmers, enzovoort) moeten inspecteerbaar en te onderhouden zijn. Dit

21-11-2005 11:45:11

64

houdt in dat een leidingenschacht en de ruimte boven het plafond (plenum) toegankelijk moeten zijn voor onderhoud. Bij plaatsing van de kanalen boven de systeemplafonds is een goede toegankelijkheid gewaarborgd, immers alle systeemplafonds zijn goed uitneembaar. In situaties waar de kanalen in schachten of in kokers worden aangebracht, moeten op essentiële plaatsen inspectie- of revisieluiken worden aangebracht, zodat vooral kranen en kleppen goed bereikbaar zijn. 12.3.5 Bouwkundige voorzieningen, geluid en brandkeringen De akoestische eisen in een gebouw zijn belangrijk en meestal gelden er ook normen voor de geluidproductie naar de omgeving van het gebouw. Omdat ventilatoren van luchtbehandelingskasten behoorlijke geluidproducenten zijn, moeten er akoestische maatregelen worden getroffen. Akoestische voorzieningen kunnen bestaan uit het plaatsen van geluiddempers aan de pers- en zuigzijde van de ventilatoren. De geluiddempers kunnen geplaatst worden in de units of in de kanalen. Bij de opstelling van de luchtbehandelingskast zijn vaak ook voorzieningen nodig om overlast als gevolg van contactgeluid te beperken. Als er plenumafzuiging wordt toegepast in plaats van directe afzuiging van de armaturen via een afvoerbuis, dan moet er aandacht geschonken worden aan de geluidsoverdracht via de ruimte boven het plafond. In veel gevallen zijn dan akoestische schotten boven het plafond ter plaatse van de stramienmaten voor de wanden of akoestische kappen over de armaturen nodig. Als om redenen van flexibiliteit het aanbrengen van geluidsschotten ongewenst is, kan een beter geluidsisolerend plafond worden gekozen door een zwaardere plafondplaat toe te passen of door het aanbrengen van een isolatiedeken op de plafondplaten en de lichtarmaturen te omkasten en te voorzien van een directe luchtafvoerslang.

Als er in de nachtelijke periode condensatie op de luchtkanalen kan optreden, moeten deze worden geïsoleerd. Isolatie bestaande uit minerale wol voorzien van aluminiumfolie aan de bui-

06950483_H12.indd 64

tenzijde voldoet uitstekend. Bij installatieconcepten waarbij lucht een belangrijke bijdrage levert aan de ruimtetemperatuur is isolatie nodig om het ongewenst opwarmen van gekoelde toevoerlucht (of afkoelen van verwarmde toevoerlucht) tijdens het transport te beperken. In vrijwel elk gebouw komen zogenaamde brandcompartimenten voor, die de uitbreiding van brand moeten voorkomen. Meestal is elke verdieping een afzonderlijk brandcompartiment, evenals het trappenhuis. De uitbreiding van de brand via vooral de kanalen van het klimaatbeheersingssysteem moet worden voorkomen. In de luchtkanalen worden daartoe brandkleppen aangebracht, die door het bezwijken van een smeltpatroon in geval van brand dichtvallen. Deze brandkleppen moeten handmatig weer kunnen worden geopend en dus bereikbaar zijn. Essentieel is de plaats van de brandkleppen, die moet immers stroken met de bouwkundige brandcompartimentering. Leidingdoorvoeren door wanden of vloeren met een brandwerendheidseis moeten brandwerend worden afgedicht. Daarvoor bestaan brandwerende schuimen en in het geval van hoge eisen speciale brandkeringen, meestal opgebouwd uit minerale wol en opschuimende massa’s. In het bestek moet worden geregeld of het afdichten van de doorvoeren tot de bouwkundige of installatiewerkzaamheden behoort.

12.4 Eindapparaten Eindapparaten geven hun energie (warmte of koude) af aan de ruimte. Zij dienen primair voor de regeling van de temperatuur in de ruimte en dragen zorg voor een tochtvrije luchtbeweging. De warmte- en koudeoverdracht vindt plaats door straling en convectie. Daarbij is het type eindapparaat bepalend voor de verhouding tussen straling en convectie. Eindapparaten waarbij de warmteafgifte vooral door convectie plaatsvindt, veroorzaken in de ruimte een luchtbeweging. Warme lucht stijgt op, zodat de lucht van onder naar boven door het eindapparaat stroomt. In de ruimte ontstaat een temperatuurverschil (temperatuurgradiënt) in zowel verticale als horizontale zin.

21-11-2005 11:45:11

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

Een temperatuurgradiënt > 3,0 K/m1 moet vermeden worden, omdat deze als oncomfortabel wordt ervaren. Evenzo moeten de luchtbewegingen een snelheid < 0,20 m/s bezitten ter vermijding van tochtklachten. Eindapparaten met een hoge convectieve afgifte bepalen in belangrijke mate de temperatuurgradiënt. Hun plaats moet zorgvuldig worden gekozen. 12.4.1 Radiatoren Vooral enkelplaats radiatoren zonder convectielamellen zijn eenvoudig schoon te houden omdat ze vervaardigd zijn uit vlak plaatstaal, figuur 12.24. De warmteafgifte door straling is circa 50 procent; hetzelfde percentage geldt voor convectie. De verhouding varieert afhankelijk van de lengte/hoogteverhouding: een lage en lange radiator heeft een kleinere convectieve afgifte dan een hoge en is afhankelijk van de oppervlaktetemperatuur. Voordelen van radiatoren zijn: • kleine inbouwdiepte; • grote verwarmende oppervlakte; • snelle reactie op wijziging watertemperatuur.

65

12.4.2 Convectoren Convectoren, figuur 12.25, worden opgebouwd uit dunne buizen met daaromheen op korte afstand geplaatste lamellen. Convectoren geven hun warmte voor ten minste 90 procent af als convectie. Door het ontbreken van een stralingsaandeel moet de ontwerpluchttemperatuur, uit comfortoverwegingen, 1 tot 2 graden worden verhoogd. De snelheid waarmee de lucht langs een convector stroomt, kan worden vergroot door de convector in een schacht te plaatsen (schoorsteeneffect). Convectoren zijn moeilijk te regelen, omdat bij het dichtdraaien van de kraan (minder warm water) ook de luchtsnelheid afneemt en er instabiliteit kan ontstaan. Bij puien worden convectoren vaak in putten geplaatst. Op deze manier wordt de doorgang niet belemmerd door een eindapparaat en ontstaat er een sterke opstijgende warme luchtstroom ter compensatie van de koudeval. Het nadeel van convectoren is de grote kwetsbaarheid van de lamellen en het moeilijke schoonmaken. Het grote voordeel is de korte opwarmtijd.

De convector kan worden uitgerust met een ventilator waardoor de warmteafgifte groter wordt. Meestal wordt de aangezogen lucht ook gefilterd. Nadeel is de geluidproductie van de ventilator. 12.4.3 Vloerverwarming Bij vloerverwarming, figuur 12.26, wordt de warmte afgegeven door elementen in de (dek)vloer. De verwarming kan plaatsvinden door middel van warm water met een maximale temperatuur van 55 °C of door middel van elektriciteit met lage spanning. Figuur 12.24 Radiator verzamelaar verwarmingspijpen

verwarmde lucht aanvoer 90 °C

verdeler retour 70 °C

koude lucht inbouwlengte

Figuur 12.25 Principe convector

06950483_H12.indd 65

21-11-2005 11:45:12

66

tegels waterdichte coating

vloerbedekking

vloerverwarming

detail met tegels verwarmingselement 24 V

lijm

ondervloer (beton)

Figuur 12.26 Elektrische vloerverwarming

Bij toepassing van warm water wordt vloerverwarming meestal aangebracht in combinatie met een zwevende dekvloer, figuur 12.27. De zwevende dekvloer zorgt primair voor voldoende warmte-isolatie naar beneden. De uitzetting van vloerverwarmingsbuis dekvloer isolatielaag constructievloer > = 80

kit elast. vulling i.v.m. uitzetting

buizen in de (cement-)dekvloer op isolatielaag

> = 50

1

2

buizen op de isolatielaag onder de dekvloer

Figuur 12.27 Vloerverwarming met water als transportmedium

06950483_H12.indd 66

de dekvloer kan onafhankelijk van de constructieve vloer plaatsvinden. Kunststofbuizen worden op de constructievloer of in de isolatielaag aangebracht of worden ingestort in de dekvloer. Om ervoor te zorgen dat de mortel niet van de dekvloer tussen de isolatie loopt, wordt een folie over de isolatie aangebracht. Zo wordt het ontstaan van contactbruggen vermeden. De dekvloer bestaat uit een zandcement- of anhydrietvloeivloer van ten minste 40 tot 50 mm dik. De buizen moeten in vakken van circa 30 m2 en een maximale lengte van 6 m worden gelegd om scheurvorming te voorkomen (bij een anhydrietdekvloer in vakken van maximaal 60 m2). In elk veld wordt één leiding met de nodige lussen gelegd, die wordt aangesloten op een verdeler. Elk veld (elke groep) kan apart worden afgesloten. De vloerbedekking mag geen grote warmteweerstand bezitten, vandaar dat een steenachtige vloerbedekking de voorkeur geniet. De vloertemperatuur mag maximaal 29 °C bedragen, omdat hogere temperaturen als onaangenaam worden ervaren. Een vloerverwarming staat warmte deels af via straling. De behaaglijkheid wordt sterk beïnvloed door de

21-11-2005 11:45:14

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

stralingstemperatuur van omliggende vlakken. Hierdoor kan de ontwerpbinnentemperatuur 2 K lager worden gekozen. Een bijkomend voordeel hierbij is de verlaging van het ‘ventilatieverlies’, de warmte-inhoud van de afgezogen ventilatielucht. Voordeel van een vloerverwarming is de hoge mate van comfort die wordt verkregen en het onzichtbaar zijn van de installatie. Nadeel is de reactietraagheid van het systeem en de relatief hoge investering. 12.4.4 Plafondverwarming Bij plafondverwarming worden de eindapparaten in het plafond aangebracht. Zij kunnen bestaan uit pijpenbundels, losse panelen die met warm en/of gekoeld water worden gevoed en uit infraroodstralers, figuur 12.28.

67

Bij plafondverwarming treedt er alleen warmteafgifte op door straling, zodat er in de ruimte vrijwel geen temperatuurgradiënt optreedt. Infraroodstralers stralen direct mensen, vloeren en meubels aan. Door selectief gebieden aan te stralen is het mogelijk om bijvoorbeeld in hoge ruimten (werkhallen) op de werkplekken een zekere behaaglijkheid te realiseren bij een luchttemperatuur van 12 tot 15 °C. 12.4.5 Luchttoevoer- en luchtafvoerroosters Luchttoevoerroosters zijn van grote invloed op de luchtbewegingen in een ruimte. De verdeling wordt beïnvloed door de plaats van de roosters, de inblaassnelheid, de luchttemperatuur, het kleefeffect en de mate van turbulentie. Als de inblaaslucht kouder is dan de ruimtelucht, buigt

infrarood-stralingselement

±140

gas verhit steen; steen wordt roodgloeiend en zendt infrarode straling uit

±210

2

±60

±10000

> = 3000

> = 4000

infrarood stralingselement

> = 2000

1

±70

fabriekshal met infraroodstralers

principe éénzijdige aansluiting

3

metalen stralingsplafond met pijpenbundels

Figuur 12.28 Stralingsplafond

06950483_H12.indd 67

21-11-2005 11:45:15

68

de luchtstraal naar onderen af. Wandroosters blazen horizontaal uit en een hoge plaatsing geniet de voorkeur vanwege het kleefeffect. De straal blijft lang aan het plafond kleven en de inblaaslucht kan zich mengen voordat ze in de leefzone arriveert. Door schoepen in de roosters aan te brengen, wordt de luchtstroom minder turbulent gemaakt en wordt de worp groter, maar de menging geringer. Er zijn twee typen plafondroosters: ronde of vierkante anemostaat- en lijnroosters, figuur 12.29. De eigenschappen en vooral het inducerend vermogen (meeslepen ruimtelucht) worden sterk door de schoepvorm bepaald. Bij lage ruimten genieten sterk inducerende roosters met een hoge turbulentie de voorkeur. Lijnroosters kunnen meestal worden ingebouwd in combinatie met tl-verlichtingsarmaturen. Lucht kan ook via geperforeerde roosters worden ingeblazen als het plenum als een overdrukdoos wordt benut. Geperforeerde platen hebben een sterk inducerend vermogen, zodat grote luchthoeveelheden kunnen worden ingeblazen zonder tocht in het leefgebied. Het plenum moet in kleinere ruimten worden opgedeeld zodat elke sectie apart regelbaar is.

1

plafond(lijn)rooster

12.5 Opwekkers 12.5.1 Warmteopwekking Voor warmteopwekking wordt er gebruikgemaakt van fossiele brandstoffen of de benodigde warmte wordt betrokken van de stadsverwarming, waaraan met zogenaamde tegenstroomapparaten de warmte wordt onttrokken. Centraleverwarmingsketels worden gestookt op gas of olie en kunnen onderscheiden worden in atmosferische ketels met een open branderruimte en in ketels met een gesloten verbrandingsruimte. Open of atmosferische ketels zijn eenvoudig van uitvoering, relatief goedkoop, zeer bedrijfszeker, vragen weinig onderhoud en leveren vrijwel geen geluidproductie. Een nadeel is dat ze alleen op gas kunnen worden gestookt, waardoor ze uit veiligheidsoverwegingen niet onder het maaiveld mogen worden geplaatst. Bovendien is het rendement vrij laag door de verliezen via het rookgaskanaal. Gesloten toestellen kennen een gesloten verbrandingsruimte en zijn voorzien van een ventilator. Ze hebben als voordeel dat ze een hoog rendement leveren en dat de warmteproductie modulerend (afhankelijk van de vraag) kan plaatsvinden. Ze zijn relatief klein van afmeting en goedkoop, vooral bij hoge capaciteiten (meer dan 500 kW). Een nadeel is de hoge geluidproductie en het intensieve onderhoud. Hoogrendementketels, figuur 12.30, zijn open of gesloten toestellen die zijn voorzien van een warmtewisselaar die de warmte uit de rookgassen overdraagt aan het water. De warmtewisselaar zorgt ervoor dat de rookgastemperatuur van ruwweg 230 °C daalt tot circa 60 °C. De afge1 plafond(lijn)rooster

2

plafondrooster (anemostaat)

Figuur 12.29 Plafondroosters

06950483_H12.indd 68

21-11-2005 11:45:15

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

koelde rookgassen worden met behulp van een ventilator afgevoerd. Tijdens het afkoelingsproces condenseert waterdamp, die moet worden afgevoerd. wateraanvoeraansluiting eerste warmtewisselaar afvoeraansluiting verbrandingsgassen

tweede warmtewisselaar isolatie brander luchtinlaatopening waterretouraansluiting pomp condensverzamelbak condensafvoer

ventilator

Figuur 12.30 Principe hoogrendementketel

Voor grote installaties gaat de voorkeur uit naar het installeren van twee ketels die elk ten minste 50 procent van de benodigde capaciteit bezitten omwille van bedrijfszekerheid en om onderhoud tijdens kantooruren te kunnen plegen. Meestal wordt gekozen voor twee ketels met een capathermisch expansieventiel

te koelen lucht t.b.v. gebouwinstallatie

citeit van elk 75 procent, zodat ook extreme situaties opgevangen kunnen worden en er reservecapaciteit is met het oog op eventuele uitbreiding. 12.5.2 Koudeopwekking Koude wordt opgewekt in koelmachines, die uitgevoerd kunnen zijn als: ◆ compressiekoelmachines; ◆ absorptiekoelmachines.

◆ Compressiekoelmachines Een compressiekoelmachine, figuur 12.31, bestaat uit de volgende componenten: • compressor, die warme koelvloeistof van een lage druk aanzuigt en comprimeert, waarbij de temperatuur van het koelmiddel stijgt; • condensor, waarin het hete koelmiddel wordt afgekoeld door lucht (luchtgekoelde condensor, figuur 12.31-1) of water (watergekoelde condensor, figuur 12.31-2). In de condensor wordt

heetgasleiding luchtgekoelde condensor

verdamper

69

buitenlucht

zuigleiding compressor

vloeistofvat

vloeistofleiding

1

luchtgekoelde condensor thermisch expansieventiel

verdamper

te koelen lucht t.b.v. gebouwinstallatie

heetgasleiding

zuigleiding

watergekoelde condensor compressor

vloeistofleiding

2

wateraanvoerleiding

watergekoelde condensor

Figuur 12.31 Compressiekoelmachine

06950483_H12.indd 69

21-11-2005 11:45:17

70

het koelmiddel omgezet van een gas in een vloeistof; • expansieventiel, waarin vloeibare onder hoge druk verkerende koelmiddel wordt gereduceerd tot lagere druk; • verdamper, waarin koelmiddel verdampt door veel lagere druk. De benodigde warmte om te verdampen wordt aan de onmiddellijke omgeving onttrokken. Als de te conditioneren lucht door de verdamper wordt gestuurd, is er sprake van een direct expansiekoelsysteem. Het systeem waarbij het water door de verdamper wordt gestuurd wordt een indirect expansiekoelsysteem genoemd. Het gekoelde water wordt opgevangen in een verzamelaar en via een pomp in het gekoeldwatercircuit gepompt. De warmte die vrijkomt door de compressiemotor kan direct aan de buitenlucht worden afgegeven door met behulp van een ventilator buitenlucht door de condensor te sturen. De koelmachine wordt meestal direct in de buitenlucht geplaatst ter vermijding van lange en grote afvoerkanalen. De geluidproductie ligt hoog (tot

110 dB(A)). De compressiewarmte kan ook via een apart gekoeld watercircuit aan de omgeving worden afgestaan. Dit type condensor vraagt om een koeltoren, figuur 12.32, of om bron- of oppervlaktewater dat als koeling wordt benut. Met centrifugaalcompressiekoelmachines kan de capaciteit traploos worden geregeld van circa 400 kW tot 40.000 kW (bij grote machines). Zuigerkoelmachines zijn inzetbaar bij kleinere vermogens (< 1.000 kW) en is beter inzetbaar in deellast. Het geluidsniveau van de twee typen koelmachines is vergelijkbaar. ◆ Absorptiekoelmachines Absorptiekoelmachines werken volgens een geheel ander principe. Zij zijn interessant als er in de zomerperiode voldoende water met een temperatuur van ten minste circa 100 °C ter beschikking staat, bijvoorbeeld restwarmte uit een industrieel proces. Het voordeel van absorptiekoelmachines is dat ze een veel lagere geluidproductie leveren. Bij toepassing van koeling moet er behalve met energiezuinigheid en kosten rekening worden

kunststofkoker om condens tegen gevel te beperken

koeltoren

ventilator sproeikoppen

koeltoren

6m

rooster rondom

lamellen warmer water

koelwaterschema condensorpomp

condensorpompen

1

doorsnede koeltoren

waterreservoir

suppletiewater

waterbassin condensor

kouder water spuiafsluiter

alternatief waterreservoir

koelmachine compressor

koelmiddelproces gekoeld water

koudwaterschema

aanvoer

expansieventiel naar riool verdamper

warm water

retour

luchtbehandelingsapparaten

2

principeschema koeltoren

Figuur 12.32 Principe koeltoren

06950483_H12.indd 70

21-11-2005 11:45:19

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

gehouden met de milieubelasting van koeling. Koelmiddelen bevorderen de aantasting van de ozonlaag en dragen bij aan het broeikaseffect. In 1994 is door internationale wetgeving het gebruik van de koelmiddelen R11, R12, R14 en R502 verboden. Deze koelmiddelen van het type CFK zijn en worden vervangen door de typen HCFK’s en HFK’s.

12.6 Regelsystemen 12.6.1 Regelinstallaties De regelinstallatie heeft als functie de beschikbare capaciteit van de klimaatinstallaties automatisch aan te passen aan de veranderende binnen- en buitencondities. Doel is het gewenste binnenklimaat zo economisch mogelijk te handhaven. Er kan worden gekozen uit conventionele regelapparatuur, waarbij gebruik wordt gemaakt van analoge technieken, of uit systemen die werken volgens digitale technieken. Bij analoge systemen worden de regelfuncties tot stand gebracht door individuele verbindingen tussen de installaties. Bij digitale systemen worden de regelfuncties door programmatuur bepaald, waarbij de in- en uitgangen door bedrading met het systeem zijn verbonden. De digitale techniek maakt het mogelijk om vanuit een centraal punt de technische installaties te beheren en te controleren. Met digitale regelsystemen kunnen complexere en veelal energiezuiniger regelstrategieën worden geïmplementeerd. Bovendien zijn digitale regelsystemen flexibeler dan analoge regelsystemen. Elk regelsysteem is opgebouwd uit een corrigerend element (afsluiters, kleppen, enzovoort), een meetorgaan (bijvoorbeeld temperatuuropnemer) en een automatische regelaar (produceert een uitgangssignaal afhankelijk van het verschil tussen gemeten en gewenste waarde). Digitale regelsystemen omvatten ook apparatuur (hardware) en programmatuur (software).

De keuze uit de beschikbare regelsystemen wordt primair bepaald door: • aantal gevraagde regelfuncties; • noodzaak voor centraal beheer; • beschikbare hulpenergie.

06950483_H12.indd 71

71

Bij kleine en eenvoudige klimaatinstallaties (alleen cv en mechanische ventilatie) is toepassing van analoge elektronische regelsystemen de meest logische keuze. Alle voor een bepaald proces nodige functies zijn aangebracht in één apparaat. Tussen individuele apparaten worden verbindingen aangebracht. Het aanbrengen van beheers- en energiebesparingfuncties is kostbaar en kan voordeliger in digitale technieken worden uitgevoerd. Met digitale regeltechnieken kunnen functies worden uitgevoerd die met analoge systemen niet mogelijk zijn, zoals zelflerende regel- en stuurfuncties, controle/diagnostische functies en logische schakelfuncties. Regelinstallaties worden ondergebracht in schakel- en regelkasten, die voorzien moeten zijn van elektrische voeding. Storingen in de installatie moeten zo snel mogelijk aan de gebruiker worden gemeld. Dit gebeurt door de regelkasten te voorzien van een optisch en akoestisch signaleringssysteem. Storingen worden naar een centraal punt gemeld, eventueel met een afzonderlijke melding van kritische storingen. Bij analoge regelsystemen kunnen deze meldingen op een centraal lampentableau worden gemeld en/of als verzameling via een telefoonverbinding. Voor digitale regelsystemen kan daarnaast ook aan een (centraal)computersysteem worden gemeld via een netwerkverbinding of via een telefoonverbinding. 12.6.2 Gebouwbeheerssysteem (GBS) In moderne gebouwen is het aantal installaties toegenomen en worden hogere eisen gesteld aan de flexibiliteit bij wijzigingen in de kantoorindeling. Met een gebouwbeheerssysteem (GBS) is het mogelijk de gegevens over de werking van gebouwinstallaties te meten, te registreren en te bewaken. Bovendien kan er ingegrepen worden in de besturing en regeling van de installaties. Een GBS heeft onder andere de volgende functies: • schakelen; • meten; • tellen; • registreren;

21-11-2005 11:45:19

72

• • •

visualiseren; melden; verstellen.

Op een GBS kunnen onder andere de volgende installaties worden aangesloten: • verwarmingsinstallaties; • gekoeldwaterinstallaties; • ventilatie-installaties; • luchtbehandelinginstallaties; • verlichtingsinstallaties; • brandmeldinstallatie; • liftinstallatie; • toegangscontrolesysteem; • verbruik gas, water en elektra; • detectieapparatuur voor wateroverlast.

centrale bedieningspost

De werking van deze installaties kan op elkaar worden afgestemd. Een GBS-systeem heeft tot doel de gebouwinstallaties eenvoudig te beheren en de exploitatiekosten te drukken. Daarnaast kunnen met een GBS de installaties centraal worden bediend met behulp van een computer. Via een telefoonverbinding kan dit ook op afstand gebeuren (beheer op afstand). In figuur 12.33 is de typische opbouw van de hardware van een modern GBS gegeven. De centrale installaties en processen worden door een procesregelaar (digitaal) geregeld en bestuurd. Met één digitale procesregelaar worden meestal meerdere processen geregeld en bestuurd. De lokale installaties, zoals een individuele temperatuurregeling per kantoorvertrek, worden geregeld en bestuurd door kleinere digitale naregelaars.

secundaire bedieningspost modem voor beheer op afstand

procesregelaar zonwering procesregelaar liften

lokale naregelaar verwarming procesregelaar verwarming procesregelaar luchtbehandeling

lokale naregelaar luchtbehandeling

procesregelaar koeling procesregelaar verlichting

lokale naregelaar verlichting

laptop

Figuur 12.33 Opbouw gebouwbeheersysteem (GBS)

06950483_H12.indd 72

21-11-2005 11:45:20

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

ventilator

verwarming warmtewiel

filter

koeling

PdA

73

temperatuursensor

H TT

21,3 *C

– M

18,7 *C TT

PdA

0,0% TC

H

+

TA

+

L

TT

–

0,0% LBK

13,8%

20,3 *C

Insteling klok Hoofdmenu

Figuur 12.34 Regelkring (luchtbehandeling) weergegeven door GBS met te regelen parameters

Op de digitale regelaars zijn de opnemers (temperatuur, druk, enzovoort) en de regelkleppen van de processen aangesloten via kabels. De digitale proces- en naregelaars worden via een busnetwerk met elkaar en met de GBS-pc’s verbonden. Via dit busnetwerk kunnen de digitale regelaars onderling informatie uitwisselen. Op de GBS-pc’s kan informatie uit de digitale regelaars worden gepresenteerd in dynamische procesplaatjes, in grafieken en tekstueel. Bovendien kunnen alarm-, storings- en bedrijfsmeldingen worden gepresenteerd. Daarnaast is het mogelijk om via de GBS-pc’s opdrachten zoals wijzigingen in setpoints, tijdprogramma’s en schakelen van installaties naar de digitale regelaars te sturen. De software van GBS-pc’s is gebaseerd op MSWindows 95 of hoger, en bestaat uit programma’s voor de regeling en programma’s voor het weergeven, vergaren, verwerken en opslaan van procesgegevens. Figuur 12.34 geeft een voorbeeld weer van een dynamisch procesplaatje, zoals die met behulp van software op de GBS-pc

06950483_H12.indd 73

kan worden opgeroepen en waarin parameters kunnen worden gewijzigd. Met een GBS kunnen de onderstaande besparingen worden gerealiseerd (richtgetallen voor gemiddeld kantoor): • beheerskosten: 5 procent; • onderhoudskosten: 15 procent; • energiegebruik: 3-15 procent. 12.6.3 Ruimtetemperatuurregeling met centrale verwarming De regeling van de luchttemperatuur in de verblijfsruimten kan plaatsvinden door variatie van de watertemperatuur, door variatie van de waterhoeveelheid of door een combinatie van beide. Bij kleine installaties wordt de regeling gerealiseerd met behulp van een ruimtetemperatuurvoeler: de kamerthermostaat. Daarnaast kan er een weersafhankelijke regeling worden toegepast. Op basis van een gemeten buitentemperatuur wordt de watertemperatuur geregeld die de cv-installatie produceert: de zogenaamde stooklijn. Een alternatief is een verlaging van de

21-11-2005 11:45:21

74

watertemperatuur door bij te mengen met koud water. De mengverhouding kan worden gestuurd op basis van de buitentemperatuur. Bij warmteopwekking voor grote gebouwen leveren de ketels vaak ook warmtapwater. In dat geval kan een regeling op basis van de (ketel) warmwatertemperatuur niet worden toegepast. Gebruikelijk is een regeling van de temperatuur van het circulerende water door mengen van retourwater met ketelwater. De watertemperatuur wordt gestuurd op basis van de buitentemperatuur, de binnentemperatuur en/of de temperatuur van de retourlucht. De temperatuur van de retourlucht is immers een referentie voor de binnentemperatuur. De bezonning van een gebouw leidt tot verschillen in de buiten- en binnentemperatuur, afhankelijk van de oriëntatie. Het is aan te bevelen bij de voeding van de radiatoren rekening te houden met deze verschillen door toepassen van aparte strengen met hun eigen watertemperatuur. De naregeling van de eindapparaten gebeurt door de waterhoeveelheid met behulp van smoorkleppen te wijzigen of door het toerental van de circulatiepomp te veranderen. Deze twee regelmethoden zijn niet geschikt voor individuele regeling. Individuele naregeling per verblijfsruimte kan plaatsvinden met behulp van thermostaatkranen. Bij toepassing van thermostaatkranen op de verwarmingselementen wordt ook de waterhoeveelheid gestuurd. Met thermostaatkranen is een variatie van plus of min 2 tot 3 °C in de ruimtetemperatuur mogelijk. 12.6.4 Ruimtetemperatuurregeling via luchtbehandeling De regeling van de ruimtetemperatuur kan ook plaatsvinden via de luchtbehandeling. Voorwaarde is dat dan de luchtbehandeling een significante bijdrage in de temperatuurbeheersing heeft. Bij regeling via de luchtbehandeling kan gekozen worden voor een variatie in de luchttemperatuur of voor variatie in de hoeveelheid lucht. In woningbouw met luchtverwarming wordt de luchttemperatuur geregeld op basis van de temperatuur van de ruimte waarin de

06950483_H12.indd 74

thermostaat is aangebracht. De uitblaasroosters zijn voorzien van kleppen, zodat het mogelijk is handmatig bepaalde roosters af te sluiten. Afsluiten kan niet onbeperkt gebeuren, omdat er kans is op geluidproblemen bij de wel geopende roosters. In grote utiliteitsprojecten is een regeling per ruimte gewenst, in verband met verschil in zoninstraling, wisselende interne warmtelast, enzovoort. Het is mogelijk de aangevoerde lucht na te verwarmen met behulp van het warmwaternet en dit individueel te regelen. Dit wordt waterzijdige regeling genoemd. Bij luchtzijdige regeling wordt per vertrek warme of koude lucht ingeblazen om de gewenste temperatuur te bereiken. De regelmogelijkheden zijn dan wat beperkt, omdat inblaaslucht minimaal een temperatuur van circa 16 °C moet bezitten ter vermijding van tochtklachten.

12.7 Energiebesparingsinstallaties 12.7.1 Warmteterugwinningsinstallaties Warmteterugwinningsinstallaties benutten de warmte uit de retourlucht van mechanische ventilatiesystemen voor de voorverwarming van de inblaaslucht. Bij de huidige prijzen van fossiele brandstoffen wegen de kosten voor extra energiegebruik van pompen en ventilatoren op tegen de besparing op brandstof. Het aantal bedrijfsuren dat warmteterugwinning mogelijk is (minimaal verschil van 2 °C tussen inblaas- en retourlucht), is bepalend voor de economie van warmteterugwinning (WTW). In gebouwen met een continu proces (bijvoorbeeld een ziekenhuis) is WTW een economische noodzaak.

Warmtewiel Een warmtewiel, figuur 12.35, bestaat uit een ronddraaiende rotor opgebouwd uit axiaal lopende kanaaltjes. Het wiel is ondergebracht in een plaatstalen kast met vier aansluitingen voor de aan- en afvoer van lucht aan de intree- en uittreezijde. De warme retourlucht stroomt via de onderste helft van het wiel en staat warmte af aan de massa van de rotor. De opgewarmde massa draait naar de bovenste helft en daar wordt de warmte afgestaan aan de intreelucht.

21-11-2005 11:45:21

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

75

Platen- en buizenwarmtewisselaar Bij platen- en buizenwarmtewisselaars, figuur 12.36, worden de warme afvoerlucht en de koude toevoerlucht langs elkaar gevoerd. De luchtstromen zijn gescheiden door warmtegeleidende wanden (metaal, glas, enzovoort). Via de scheidingswanden wordt de warmte overgedragen aan de koude toevoerlucht. Overdragen van vocht is bij dit type warmtewisselaar niet mogelijk. Figuur 12.35 Warmte- en vochtterugwinning met warmtewiel

Door op de rotor hygroscopische materialen aan te brengen, kan er ook vochtoverdracht plaatsvinden. De rotor onttrekt vocht aan de warme lucht en staat dit weer af aan de droge koude lucht. Toepassen van een warmtewiel heeft consequenties voor het bouwkundig ontwerp. De diameter van het warmtewiel bedraagt al snel 3 m (1,5 tot 5 m). Bovendien moeten aan- en afvoerkanalen ter plaatse van de installatie samenkomen. Een groot voordeel van een warmtewiel is het hoge rendement van warmteterug- (circa 70 procent) en vochtterugwinning (circa 70 procent). Door het hoge rendement voor vochtterugwinning kan een aparte bevochtiginginstallatie in de luchtbehandelinginstallatie meestal achterwege blijven. Een nadeel is de geluidproductie door de grote ventilator en de kans op overdracht van bacteriën.

1

platenwisselaar

2

Vanwege het ontbreken van draaiende delen is het een eenvoudig systeem dat weinig onderhoud vraagt. Het rendement ligt relatief laag (meestal 40 procent, maximaal 60 procent). Vanwege de forse afmetingen moet voor dit systeem de nodige ruimte worden gereserveerd. Heat-pipe-principe Een heat-pipe, figuur 12.37, is een gesloten verdampings/condensatiesysteem. Een heat-pipe bestaat uit een gesloten buis met een koelmiddel aan de verdamperzijde. Door langs de verdamperzijde van de heat-pipe warme lucht te voeren verdampt het koelmiddel. Als gevolg van een dampdrukverschil verplaatst de damp zich naar de koele zijde van de heat-pipe. Door het onttrekken van warmte condenseert het koelmiddel en daalt weer naar de verdamperzijde. Het systeem vraagt geen hulpenergie, immers zo lang er warmte wordt toegevoerd, duurt het proces van verdampen en condenseren voort. Voordelen van een heat-pipe-systeem zijn: • lage onderhoudskosten; • relatief geringe afmetingen; • geen bacterie- of geuroverdracht.

buizenwisselaar

Figuur 12.36 Warmteterugwinning met platen- en buizenwarmtewisselaar

06950483_H12.indd 75

21-11-2005 11:45:22

76

–10 °C

14,5 °C

Een nadeel is het lage rendement (40 tot 60 procent). In de zomerperiode is het systeem niet toepasbaar vanwege te geringe temperatuurverschillen van toe- en afvoerlucht.

0,5 °C

25 °C

Figuur 12.37 Warmteterugwinning met heat-pipe

Twin-coil-systeem Een twin-coil-systeem bestaat uit twee gescheiden opgestelde lamellenblokken, verbonden door een leidingsysteem, figuur 12.38. Met behulp van een pomp wordt een warmteoverdrachtsmedium rondgepompt. Om bevriezingsgevaar te voorkomen, wordt er een water/glycoloplossing toegepast. De buitenlucht wordt door de in het aanvoerkanaal aangebracht lamellen gevoerd en opgewarmd. De afgekoelde water/glycoloplossing wordt verpompt naar het lamellenblok in het retourluchtkanaal en daar weer opgewarmd. Voordelen van een twin-coil-systeem zijn: • weinig ruimte nodig; • aan- en afvoerkanalen hoeven niet bij elkaar geplaatst te worden; • toepasbaar voor inbouw in bestaande installaties; • relatief geringe investering; • geen bacterie- of geuroverdracht.

buitenlucht

pomp afvoerlucht

toevoerlucht warmteterugwinleiding

uit gebouw

Figuur 12.38 Warmteterugwinning met twin-coil-systeem

06950483_H12.indd 76

12.7.2 Langetermijnenergieopslag in bodem (LTEO) Energieopslag in de bodem is een milieuvriendelijk en energiebesparend alternatief voor een conventionele koelinstallatie. In de winter is warmte schaars en is er koude in overvloed beschikbaar. In de zomer is koude schaars en is er veel warmte beschikbaar. Energieopslag is een methode om het niet synchroon lopen van vraag en aanbod op te heffen. De hoeveelheden warmte en koude zijn meestal te groot om bovengronds op te slaan, bijvoorbeeld in grote watertanks. Opslag van koud en warm water in diepe watervoerende zandlagen (aquifers, figuur 12.39) blijkt in de praktijk wel geschikt om warmte of koude voor lange tijd op te slaan en op een later tijdstip te benutten. Deze aquifers zijn verzadigd met nagenoeg stilstaand grondwater en hebben voldoende isolatie om thermische energie op te slaan. Omdat de koude die in de winter wordt opgeslagen in de zomer weer wordt gebruikt, blijft de energiebalans van het grondwater, gemeten over een aantal jaren, in evenwicht.

Wanneer er in de zomer behoefte aan koeling ontstaat, wordt uit de koude grond grondwater met een temperatuur van 7 tot 10 °C opgepompt. Via een warmtewisselaar koelt dit grondwater het koelwatercircuit dat door het gebouw stroomt. Dit watercircuit koelt vervolgens de ventilatielucht. Het opgepompte grondwater heeft na afgifte van koude een temperatuur van zo’n 14 tot 20 °C en wordt op enige afstand van de koude bron geïnjecteerd in een tweede bron, de warme bron. Dit warme water wordt in de winter opgepompt en kan voor de voorverwarming van de ventilatielucht worden gebruikt of als warmtebron voor bijvoorbeeld vloerverwarming (via warmtepomp). Het water koelt dan door de warmteafgifte af en wordt met een temperatuur van 7 tot 10 °C weer geïnjecteerd in de koude bron. De geschetste cyclus (benutting winterkoude voor koeling in zomer en benutting warmte voor verwarming in winter) kan door opslag in principe oneindig worden

21-11-2005 11:45:24

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

koudevragers

buitenlucht 18 °C

8 °C

– warmtepomp warmtewisselaar

+

8 °C ondergronds deel

18 °C

afsluitende laag aquifer afsluitende laag koude bron

1

warme bron

zomerbedrijf warmtevragers

buitenlucht 18 °C

40 °C

70 °C ketel 50 °C – warmtepomp

warmtewisselaar

+

8 °C ondergronds deel

18 °C

77

Systemen De aanleg van een systeem voor energieopslag in de bodem is maatwerk. De koelbehoefte en de gewenste temperatuur van het koude water spelen daarbij een belangrijke rol. Meestal bevat een koudeopslaginstallatie één koude en één warme bron. Dit wordt een doublet genoemd. Voor grotere projecten kunnen meerdere doubletten nodig zijn. Daarnaast bestaan ook systemen met een enkele bron (monobron), bedoeld voor relatief kleine projecten, met een koelcapaciteit kleiner dan circa 600 kW. Bij een monobron wordt het koude en warme water op verschillende diepten opgeslagen, waardoor maar één bron nodig is. Een voorwaarde daarvoor is dat de dikte van de aquifer groot genoeg is. Om thermische kortsluiting te voorkomen, moet de afstand tussen de bronnen groot genoeg zijn (circa 100 m). Verder is het van belang het systeem goed te dimensioneren en de druk van de pompen goed te kiezen. Er is een proefboring nodig om te onderzoeken of een aquifer niet te veel gassen bevat en om uit te sluiten dat het grondwater vervuild is. Energieoplag in de bodem kan bijvoorbeeld worden gecombineerd met conventionele koelmachines, koelbatterijen in de luchtbehandelingskasten, of met een warmtepomp of warmtekrachtinstallatie. Welke combinatie van energieopslag en klimaatbeheersingsinstallatie wordt gekozen, is sterk projectafhankelijk.

afsluitende laag aquifer afsluitende laag koude bron

2

warme bron

winterbedrijf

Figuur 12.39 Principeschema langetermijnenergieopslag in bodem

herhaald. Gemiddeld gemeten over meerdere jaren wordt er in de bodem evenveel warmte als koude opgeslagen, zodat het grondwater netto niet warmer of kouder wordt. Voor elke put moet de hoeveelheid geïnjecteerd water op de lange termijn gelijk zijn aan de hoeveelheid onttrokken grondwater.

06950483_H12.indd 77

Keuzeoverwegingen Energieopslag in de bodem is in heel Nederland mogelijk, behalve in Zuid-Limburg en een deel van de Achterhoek, waar de ondergrond niet geschikt is om grondwater op te slaan. Een nadeel van energieopslag in de bodem is dat de regeltechniek meer aandacht vraagt dan bij een conventionele koelinstallatie. Dit komt door de druk in het ondergrondse systeem en doordat de richting waarin het koelwater stroomt moet kunnen worden omgedraaid. Een ander nadeel is dat de temperatuur van het opgeslagen koude water iets hoger is dan bij conventionele koelmachines. Dit kan inpassing in bestaande systemen bemoeilijken. Verder is een vergunning van de provincie noodzakelijk. De aanvraag hiervoor moet vergezeld gaan van een technisch rapport. Deze procedure duurt

21-11-2005 11:45:24

78

drie tot zes maanden. De provincie eist ook periodieke debiet- en temperatuurmetingen om inzicht te behouden in het evenwicht in de bodem. Bij de keuze voor een energieopslagsysteem speelt het terugdringen van het energiegebruik en de daarmee samenhangende exploitatiekosten een belangrijke rol. Het systeem heeft zowel voor gebruikers als het milieu voordelen. Voordeenergiebronnen

len voor de gebruiker zijn: • exploitatiekosten gemiddeld 25 procent lager dan bij conventionele installaties; • lange levensduur en betrouwbaar door gering aantal bewegende onderdelen; • minder beslag op technische ruimten dan conventionele koelinstallaties; • elektriciteitsgebruik laag, waardoor er bij stroomuitval gebruikgemaakt kan worden van noodstroomvoorziening;

warmtepomp

afgegeven warmte

B

condensor

lucht

verdamper

A

1

CV-installatie

2

warmtekracht-koppeling

buffer zonne-energie

–

+

grondwater

3

luchtverwarmingsinstallatie

Figuur 12.40 Principe warmtepomp voor het omzetten van laagwaardige in hoogwaardige energie

06950483_H12.indd 78

21-11-2005 11:45:25

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

•

periodieke STEK-keuringen, met als hoofddoel het controleren of er geen schadelijk koudemiddel weglekt, kunnen achterwege blijven. Een algemene vuistregel is dat energieopslag in de bodem economisch rendabel is als de koudevraag ten minste 300 kW bedraagt en meer dan 500 vollasturen per jaar koeling nodig is. 12.7.3 Warmtepomp Warmtepompen worden toegepast om relatief laagwaardige warmte (bijvoorbeeld restwarmte) om te zetten naar een hoogwaardiger energieniveau. Een koelkast kan worden gezien als een omgekeerde warmtepomp door de warmte die de condensor produceert te benutten voor verwarming. Een warmtepomp is een koelmachine die omgekeerd wordt gebruikt. Door een motor wordt een compressor aangedreven, die een medium doet rondstromen door een verdamper en condensor. Tijdens de drukverhoging stijgt de temperatuur van het medium en door deze warmte te benutten wordt laagwaardige energie omgezet in hoogwaardige energie. Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de warmtefactor of Coefficient of Performance (COP). De warmtefactor relateert de warmteproductie aan het elektriciteitsgebruik, is fabrikaatafhankelijk en hangt sterk af van de temperatuurverschillen aan de warme en aan de koude. De COP van een elektrische warmtepomp in combinatie met langetermijnenergieopslag als bron bedraagt circa 5.

79

Als laagwaardige energiebronnen komen in aanmerking: buitenlucht, figuur 12.40-1, zonneenergie, figuur 12.40-2, grondwater, figuur 12.40-3, afvalwarmte uit ventilatielucht of afvalwater. In zonne-energiesystemen vormen warmtepompen een belangrijk onderdeel, dat de temperatuur van het collectorwater verhoogt tot een niveau geschikt voor verwarming en geschikt als warm tapwater. 12.7.4 Warmte/krachtkoppelingsinstallaties Bij warmte/krachtkoppelingsinstallaties wordt de totale energie-inhoud van fossiele brandstof als nuttige energie aangewend. Het betreft dan een gecombineerde productie van elektriciteit waarbij de afvalwarmte wordt benut. Plaatsen als Utrecht, Rotterdam en Den Haag kennen een stadsverwarming die de restwarmte van elektriciteitscentrales benut. Inmiddels bestaan er ook kleine warmte/krachtcentrales geschikt voor toepassing in één gebouw en zelfs in één woning.

Een warmte/krachtkoppelingsinstallatie bestaat uit een generator waarin elektriciteit wordt opgewekt, die wordt aangedreven door een op fossiele brandstof aangedreven motor. De installatie wordt gecompleteerd met apparatuur om de restwarmte te benutten (een warmtepomp) en vrij complexe regelapparatuur, figuur 12.41.

schoorsteenverliezen 12,5% beschikbare warmte 37%

restwarmte 26,5%

mantelkoeling 10,5%

elektriciteit 37%

motor

generator

restwarmte ketel

primaire brandstoftoevoer 100%

stralingsverliezen 7,5% koeling verbrandingsl. 1% koeling smeerolie 3%

generatorverliezen 2%

Figuur 12.41 Principe warmte/krachtcentrale

06950483_H12.indd 79

21-11-2005 11:45:26

80

12.7.5 Zonne-energie Zonne-energie kan actief en passief worden benut. In recente ontwerpen wordt zonneenergie steeds vaker benut als een combinatie van actieve en passieve systemen. Met passieve zonne-energietoepassingen wordt zonne-energie benut met behulp van bouwkundige maatregelen; bij actieve zonne-energietoepassingen (thermisch of fotovoltaïsch) worden werktuigbouwkundige installaties ingezet. Het voordeel van actieve zonne-energietoepassing is dat het systeem altijd energie bespaart. Bij passieve zonne-energietoepassing kan er veel energie bespaard worden, maar is het rendement sterk afhankelijk van het gedrag van de bewoners.

Passieve zonne-energie Passieve zonne-energietoepassingen worden onderscheiden in: ◆ directe invang; ◆ Trombe-wand; ◆ serre of atrium (meestal benoemd als glasoverkapte buitenruimten). ◆ Directe invang Bij directe invang wordt het gebouw vooral aan de zuidzijde voorzien van glas. Zoals eerder besproken is, wordt invallend zonlicht door de wanden en vloeren geabsorbeerd en vrijwel niet door het glas naar buiten gereflecteerd. In de wintersituatie kan een aanzienlijke besparing op de verwarming worden bereikt. In de zomersituatie leidt deze oplossing snel tot het zogenaamde broeikaseffect. Dit ongewenste effect wordt ondervangen door zonwering of extra ventilatie (of eventueel koeling) aan te bren-

1

dagsituatie

2

gen. De zonwering kan bestaan uit een werktuigbouwkundige installatie met beweegbare screens inclusief regeling of uit zonwerend glas. Er bestaan glassoorten die in voldoende mate de zonne-energie buiten houden. De oplossing met zonwerende glassoorten geniet uit oogpunt van exploitatiekosten de voorkeur. ◆ Trombe-wand De Trombe-wand is een wand (grote massa) met aan de buitenzijde een glaswand, figuur 12.42. In de dagsituatie wordt de wand opgewarmd en in de nachtsituatie wordt de warmte afgegeven aan de ruimtelucht. Bij moderne gebouw- en installatieconcepten wordt het Trombe-principe toegepast door de warmte op te slaan in de gebouwmassa, vooral in de vloeren. In de winter wordt in de dagsituatie de warme binnenlucht (opgewarmd door directe invang, interne warmtelast en verwarming) langs het plafond gevoerd en wordt het plafond opgewarmd. In de nachtsituatie wordt de koude binnenlucht langs het plafond gevoerd en wordt de lucht opgewarmd. In de zomer werkt de ventilatie net zo, met dien verstande dat er in de nacht wordt geventileerd met koude buitenlucht en het plafond wordt gekoeld, figuur 12.43. Door het Trombe-principe hoeft de klimaatbeheersingsinstallatie in de winter minder warmte op te wekken. In de zomersituatie beperkt de nachtventilatie de koudevraag; soms kan een koelmachine achterwege blijven. De klimaatbeheersingsinstallatie ziet er normaal uit, zij het dat de capaciteit afgestemd moet zijn op het gewenste binnenklimaat en er meer regeltechniek nodig is.

nachtsituatie

Figuur 12.42 Benutting zonne-energie met Trombe-wand

06950483_H12.indd 80

21-11-2005 11:45:27

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

81

plenum geleiding straling

straling

geen zonwering en geen instraling

straling

convectie

1

zomer dagsituatie

2

zomer nachtsituatie

Figuur 12.43 Energiebesparing door toepassing van nachtventilatie en benutting massa gebouw

◆ Serre of atrium Een serre of atrium is een onverwarmde met glas afgedekte ruimte. In de wintersituatie is een besparing op het energiegebruik mogelijk door de lucht uit serre/atrium te benutten als voorverwarmde ventilatielucht. Daarnaast heeft de serre/het atrium het voordeel dat het warmteverlies door de gevel zowel via transmissie als via infiltratie beperkt wordt. Een nadeel is dat als een serre verkeerd wordt gebruikt (bij de woning trekken als woonruimte), de besparing omslaat in extra energiegebruik. In de zomersituatie moeten er maatregelen worden getroffen om het broeikaseffect tegen te gaan. Die maatregelen berusten op het aanbrengen en benutten van een zonwering en/of op ventileren (natuurlijk of mechanisch). Om de zomersituatie te beheersen, is er meestal een klimaatbeheersingsinstallatie nodig. 12.7.6 Actieve thermische zonne-energie Als zonne-energie met behulp van een zonnecollector wordt omgezet in warmte, is er sprake van een actieve toepassing van thermische zonneenergie. De warmte wordt via een transportmedium afgegeven aan een opslagvat, omdat de warmtevraag vaak niet samenvalt met het aanbod aan zonne-energie. Het samenstel van collector, opslagvat en regelapparatuur wordt zonneboiler genoemd. Een zonneboiler moet worden gezien als een voorverwarmer: er is een naverwarmer of een warmtepomp nodig ter verkrijging van een hogere temperatuur.

06950483_H12.indd 81

Een zonnecollector bestaat uit een absorber waarlangs een transportvloeistof loopt (water of olie). Om de absorptie van de zonne-energie te vergroten, heeft de zonneboiler bij voorkeur een donkere kleur en wordt de buitenzijde van de absorber voorzien van een spectraalselectieve laag. Aan de buitenzijde is de collector afgedekt met een glasplaat op een luchtspouw, om het warmteverlies naar buiten te beperken. Om warmteverlies naar binnen tegen te gaan, worden onderkant en zijkanten van isolatiemateriaal voorzien. Het rendement van de omzetting van zonne-energie in thermische energie is reactief laag, in de grootteorde van 15 tot 40 procent. Dat is een reden om diverse typen collectoren en systemen te ontwikkelen om het rendement te verbeteren. Er zijn vier typen collectoren, figuur 12.44: 1 concentrerende collector, figuur 12.44-1: maakt gebruik van spiegels. Door de parabolische vorm wordt de zonne-energie geconcentreerd op een kleine absorber. Met dit systeem wordt de transportvloeistof tot hoge temperaturen verhit; 2 vloeistofcollector, figuur 12.44-2: bestaat uit een vlakke plaat met een leidingnet waar olie of een water gedragen vloeistof doorheen stroomt. De vlakke absorber wordt direct door de zonnestralen verwarmd. In tegenstelling tot de concentrerende collector benut de vlakke collector ook de diffuse zonnestraling. Om bevriezing te voorkomen wordt er bijvoorbeeld een mengsel van water en glycol toegepast; 3 luchtcollector, figuur 12.44-3: vlakke plaat

21-11-2005 11:45:28

82

diffuse straling diffuse straling directe straling luchtspouw directe straling isolatie

absorber met vloeistofkanalen transparante afdekking

spiegelende laag metalen buis met absorptielaag

1

een parabolische collector benut directe straling

2

een vlakke vloeistof-collector benut directe en diffuse straling. bescherming tegen bevriezing is noodzakelijk

vloeistofleiding transparante afdekking absorber met luchtkanalen luchtspouw

aluminium blokje voor warmteoverdracht

isolatie frame

3

a

een vlakke luchtcollector benut directe en diffuse straling. bezit een grote duurzaamheid

b glasomhulling voor vacuüm

absorptieplaat (zwart)

4

een vacuüm buiscollector draagt warmte over via condensatie. levert een hoog rendement

Figuur 12.44 Vier typen zonnecollectoren

met kanalensysteem waardoor lucht wordt geleid. Het is een duurzaam type collector omdat er geen bevriezing of corrosie kan optreden. Nadeel is dat lucht een slecht transportmedium is, waardoor er forse kanalen nodig zijn; 4 warmtepijpcollector, figuur 12.44-4: bestaat uit vlakke plaat met daarin met vloeistof gevulde buisjes. Het warmtetransport in de collector gebeurt door verdamping van de vloeistof naar een warmtewisselaar boven in de collector. In de warmtewisselaar wordt de warmte onttrokken, zodat de vloeistof condenseert en weer naar het

06950483_H12.indd 82

verdamperdeel terugstroomt. Door het verdampingsdeel aan te brengen in een vacuüm gezogen glazen buis wordt het rendement verhoogd. Er worden drie typen voorraadvaten toegepast om de warmtevraag in overeenstemming te brengen met het aanbod aan zonne-energie, figuur 12.45: 1 opslagvat zonder warmtewisselaar, figuur 12.45-1. Het opslagvat kent directe verbindingen met zowel de collector als een waterleidingnet. Het is een zeer eenvoudig systeem dat kan wor-

21-11-2005 11:45:29

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES CV

CV

collector

1

opslagvat zonder warmtewisselaar, de collectorvloeistof stroomt ook door de naverwarmer

3 opslagvat met dubbelwandige warmtewisselaar, figuur 12.45-3. Als de collectorvloeistof giftig is en het opslagvat tapwater bevat, is er een dubbelwandige warmtewisselaar vereist. Zonder naverwarming varieert de temperatuur in het voorraadvat tussen de 20 en 70 °C. Daarom wordt het voorverwarmde water naverwarmd in een warmteopwekker of op een hoger energieniveau gebracht via een warmtepomp. Als de collectortemperatuur groter wordt dan de temperatuur in het voorraadvat (vaak 6 °C), start automatisch de circulatiepomp en wordt water uit warmtewisselaar door de collector gepompt, figuur 12.46. Het water wordt in de collector opgewarmd en stroomt boven in de warmtewisselaar (buitenmantel) van het opslagvat, waardoor de inhoud van het opslagvat wordt opgewarmd. Als er warm water wordt getapt, wordt er eenzelfde hoeveelheid koud water aan het opslagvat toegevoerd. collector temperatuurvoeler

collector

2

83

opslagvat met enkelwandige warmtewisselaar, het water uit de collector en het verwarmde water blijven gescheiden

warm water tappunten opslagvat naverwarming warmtewisselaar koud water regelbox

pomp

temperatuurvoeler + thermostaat

Figuur 12.46 Regeling zonnecollector met opslagvat collector

3

opslagvat met dubbelwandige warmtewisselaar bij toepassingen voor tapwater

Figuur 12.45 Drie typen opslagvaten

den toegepast als voorverwarming voor bijvoorbeeld zwembadwater. Door de collector stroomt water, zodat bevriezingsgevaar bestaat; 2 opslagvat met warmtewisselaar, figuur 12.45-2. In dit geval stroomt de transportvloeistof door een spiraalleiding, waar de warmte door geleiding en convectie afgegeven wordt aan het water in het vat. De collectorvloeistof is door een enkele wand gescheiden van het water in het vat;

06950483_H12.indd 83

Het water in het collectorverwarmingscircuit bevat een vorstbeschermingsmiddel. Een van de grootste toepassingen van thermische zonneenergie is de voorverwarming van het tapwater. Hierbij is de terugverdientijd gunstig omdat de tapwaterbehoefte vrij constant is en het benodigde collectoroppervlak daarop kan worden afgestemd. Tevens is naverwarming goed te integreren in de gebouwinstallatie en geldt er tot op heden een subsidieregeling. De vlakke plaatcollector met een watergedragen transportvloeistof inclusief een opslagvat met warmtewisselaar (zonneboiler) blijkt meestal de meest rendabele te zijn. Er zijn vier typen zon-

21-11-2005 11:45:30

84

collector

neboilers op de markt voor voorverwarming van tapwater in woningen: ◆ standaardzonneboiler; ◆ compacte zonneboiler; ◆ cv-zonneboiler; ◆ zonneboiler-combi. ◆ Standaardzonneboiler De standaardzonneboiler bestaat uit een collector met een oppervlak van circa 3 m2 en een los opslagvat van circa 120 l, figuur 12.47. Deze zonneboiler moet aangesloten worden op een standaard-cv-ketel met tapspiraal. collector warm water CV-ketel

voorraadvat

koud water

warm water

CV-ketel vat koud water

Figuur 12.49 Cv-zonneboiler levert tapwater dat met behulp van cv-ketel wordt naverwarmd en grote debieten kan leveren

◆ Zonneboiler-combi De zonneboiler-combi is een grote cv-boiler waarin voorraadvat en cv-brander zijn geïntegreerd. Het water in het opslagvat wordt zowel gebruikt om tapwater voor te verwarmen als voor de centrale verwarming in twee gescheiden circuits, figuur 12.50. Het voorraadvat voor toepassing in een gemiddelde woning is vrij fors, grootteorde rond 500 l of ∅ 0,65 × 1,50 m. collector

Figuur 12.47 Standaardzonneboiler voor tapwater naver-

warm water

warmd via cv-ketel

◆ Compacte zonneboiler De compacte zonneboiler verwarmt het leidingwater direct in een goed geïsoleerde collector en heeft een los voorraadvat van circa 70 l, figuur 12.48. De compacte zonneboiler wordt aangesloten op een combiketel.

radiatoren koud water

Figuur 12.50 Zonneboiler-combi levert voorverwarmd water voor zowel tapwater als verwarming en bezit groot voorraadvat

collector met opslag warm water CV-ketel koud water

Figuur 12.48 Compacte zonneboiler verwarmt in collector tapwater dat in combiketel wordt naverwarmd

◆ CV-zonneboiler De cv-zonneboiler is een standaardzonneboiler met een extra warmtewisselaar in het voorraadvat, figuur 12.49. Het vat heeft een inhoud van circa 200 l en de extra warmtewisselaar is aangesloten op de cv-ketel. Omdat tapwater direct uit het grote voorraadvat afkomstig is, kent de cv-zonneboiler zelden een temperatuurval bij gelijktijdig tappen.

06950483_H12.indd 84

vat

De jaarlijkse opbrengst van een zonneboiler is afhankelijk van de oriëntatie en de hellingshoek. De warmteopbrengst voor een gemiddeld jaar bij een warmwaterbehoefte van 100 l per dag van gemiddeld 60 °C bedraagt 455 kWh/m2 collectoroppervlak, of een rendement van circa 455/1100 = 42 procent. Thermische zonne-energie kan ook op andere manieren worden benut, onder andere voor ruimteverwarming en verwarming van zwembadwater, die een langere terugverdientijd kennen dan de tapwatertoepassing. Bij toepassing voor ruimteverwarming kan het rendement verhoogd worden door een lage temperatuurverwarming toe te passen. Vloerverwarming is dan een goede optie om een rendabele toepassing te verkrijgen. Vaak is naverwarming nodig.

21-11-2005 11:45:33

12 KLIMAATBEHEERSINGSINSTALLATIES

Zonneboilers worden vooral in woningen regelmatig geïnstalleerd. Hierbij moet men bedenken dat de collectoren van invloed zijn op de architectonische verschijning. De collector kan tegen de gevel, op het dak of in het dak worden aangebracht. Los op het dak aangebrachte collectoren rusten meestal op frames. Het geheel oogt minder fraai, maar kan door borstweringen aan het oog worden onttrokken. Inbouw in het dakvlak moet met de nodige kennis van zaken gebeuren, omdat de zonnecollector thermische bewegingen kent die na verloop van tijd vaak aanleiding geven tot lekkage. De praktijk leert dat dakdekkers beter werk afleveren dan installateurs. In het gebouw (woning) moet de nodige ruimte worden gereserveerd, hoewel deze in het geval van integratie met de bestaande installatie beperkt van omvang is. Bij combi-zonneboilers moet men rekenen op extra ruimte voor het opslagvat. Een nadeel van de compacte zonneboilers is de grotere dikte, waar tegenover staat dat in het gebouw er weinig tot geen extra ruimte nodig is.

warmtevraag (%)

Niet bij alle bouwopgaven is toepassing van zonne-energie a-priori rendabel. Integratie van het bouwkundige en het werktuigbouwkundige concept biedt soms ongekende mogelijkheden om tot rendabele oplossingen te komen. Denk bijvoorbeeld aan het toepassen van grote glasoverkapte ruimten om ventilatielucht voor te verwarmen of aan zonnecollectoren als vervangers van de dakhuid. 100 90 80 70 60 50 40 30

95%: