Remediëring oververhittingsrisico passiefschool op basis van dynamische simulaties

Greg De Reys
In dit naslagwerk wordt een dynamische simulatie uitgevoerd van een passiefschool voor topsporters die te kampen heeft met oververhittingsproblemen.

EEN ZOEKTOCHT NAAR PERFECTIE, VOOR DE SCHOOL VAN DE TOEKOMST.

Welk steentje kunnen de gebouwen van morgen bijdrage tot de wereld van onze kinderen? En hoe creëren we hierin de perfecte omgeving voor onze sterren uit de topsport?

De wereldwijde gemiddelde temperatuur stijgt bijna tweemaal zo snel als 50 jaar geleden. Daarom is het broeikaseffect een belangrijk gespreksonderwerp geworden in de wereldwijde politiek. Door de sterke relatie tussen milieuproblematiek en energie, heeft de mens geen andere keus dan zijn energieverbruik te verminderen. Momenteel is ongeveer 40% van het totale energieverbruik in Europa te wijten aan gebouwen. Zuinigere gebouwen zijn dus een absolute noodzaak om de CO2-uitstoot terug te dringen. Om daarbij ons huidig comfort te behouden, zal er toevlucht moeten worden genomen tot passieve gebouwen [1].

Passiefscholen

Het energiezuinig bouwen werd in gang gezet door dwingende maatregelen vastgelegd door Europa. Om te anticiperen op een toekomstige verstrenging van de maatregelen lanceerde de Vlaamse Regering in 2007 het Pilootproject 'Passiefscholen'. Een project dat, enerzijds functioneert als leerproces om het ontwerp van energiezuinige scholen te optimaliseren, en anderzijds energiezuinig bouwen moet promoten in de private sector. Gedurende dit leerproces werd al snel duidelijk dat passiefscholen vaak te warm worden tijdens de zomer. Vergelijk het met een grote thermofles. De beglazing zorgt ervoor dat er veel warmte van de zon binnentreedt, terwijl de isolatie deze niet meer terug naar buiten laat.

Thermisch comfort

De hoofdfuncties die een gebouw moet uitoefenen zijn het bieden van onderdak en het beschermen van inwoners tegen weersinvloeden zoals storm, regen en wind. Aanvullend moet het gebouw zorgen dat de inwoners kunnen genieten van een comfortabel binnenklimaat. De kwaliteit van het binnenklimaat bestaat uit vier categorieën:

  1. Thermisch comfort (temperatuur)
  2. Luchtkwaliteit
  3. Akoestisch comfort (geluid)
  4. Visueel comfort (licht)

Deze scriptie richt zich op de eerste categorie, thermisch comfort. Een categorie die steunt op de warmteregeling van ons lichaam. Het lichaam tracht te allen tijden een temperatuur van 37 °C te behouden. Thermoreceptoren meten voortdurend de temperaturen op verschillende plaatsen in ons lichaam. Aan de hand van deze gegevens sturen de hersenen lichaamsreacties aan. Indien het lichaam te veel wordt afgekoeld, verminderd de doorbloeding (bv. koude handen) en verhoogt de spieractiviteit (bv. bibberen). Warmt ons lichaam daarentegen te veel op, dan verhoogt onze doorbloeding en gaan we zweten.

Oververhitting

Oververhitting in gebouwen ligt aan de basis van tal van problemen, gaande van een te warm en slaperig gevoel tot ziekte en overlijden. Naar verwachting zal deze ongewenste toestand van het binnenklimaat meer en meer gaan optreden naarmate de opwarming van de aarde doorgaat. Logischerwijs gaat oververhitting van een gebouw hand in hand met oververhitting van zijn gebruikers.

Het menselijk lichaam raakt oververhit indien het zijn optimale lichaamstemperatuur van 37 °C niet meer kan handhaven. Wanneer de temperatuur van ons lichaam oploopt tot boven de 37 °C, zullen er lichamelijke reacties optreden. Door zweten, stress en dorst zal ons lichaam proberen de 37 °C te behouden. Wanneer het lichaam hier niet in slaagt, kunnen er ernstige gevolgen optreden voor onze gezondheid.

Oplossingen

In deze scriptie werd, aan de hand van een energetisch model [2], onderzocht of een nieuwe topsportschool in Wilrijk voldoet aan de eisen omtrent oververhitting. Vervolgens werden er verschillende maatregelen zoals zonweringen, andere beglazingen en nachtventilatie (openen van ramen of roosters gedurende de nacht) uitgetest om hun invloed op het binnenklimaat in kaart te brengen.

Energetisch model topsportschool

Figuur 1: Energetisch model

Zonwering

Het plaatsen van zonwering kan op verschillende manieren gebeuren. Zo kan zonwering aan de binnenzijde en de buitenzijde worden geplaatst. Verder bestaat er zowel vaste zonwering die men niet kan sluiten of openen (bv. een afdak) en dynamische zonwering die men kan openen en sluiten indien gewenst (bv. een zonnetent).

Beglazing

Elke soort beglazing wordt gekenmerkt door een zonnetoetredingsfactor. Dit getal < 1, duidt op de hoeveelheid zonnestraling die de beglazing binnenlaat in de ruimte. Hoe dichter dat het getal bij 0 ligt, hoe minder warmte er toetreedt via de beglazing.

Nachtventilatie

Naast het hinderen van zonnewinsten blijft koelen erg belangrijk om oververhitting te vermijden. Nachtventilatie blijft hiervoor de goedkoopst en meest efficiënte oplossing. Gedurende de nacht, wanneer de buitentemperatuur lager ligt dan de binnentemperatuur, wordt het gebouw gekoeld met een onverwarmde buitenlucht. Hierbij wordt niet enkel de lucht, maar eveneens de opgewarmde materialen van het gebouw (bv. beton) afgekoeld.

Spitstechnologie

Om een blik te werpen op innovatie binnen de bouwsector werden tot slot de slimme ramen van Khandelwal nog besproken. De ramen kunnen licht met een golflengte van 700 tot 1400 nm tegenhouden. Deze golflengten bevinden zich in het onzichtbare infraroodspectrum en bevatten 50% van de warmte afkomstig uit zonlicht. Vernieuwend aan de ramen is dat ze aan- en uit kunnen worden geschakeld. Hierdoor kunnen de warmtewinsten via zonnestraling tijdens de winter worden gemaximaliseerd waardoor er minder moet worden verwarmd, terwijl deze tijdens de zomer tot een minimum worden beperkt en oververhitting kan worden vermeden.

Het selectief tegenhouden van bepaalde golflengten uit licht werd mogelijk gemaakt door de verwerking van organische vloeibare kristallen, afkomstig uit smartphones, in de zonwerende laag. De kristallen worden, na het aanbrengen van een elektrische spanning, georiënteerd volgens een bepaald patroon zodat ze bepaalde golflengten van het zonlicht reflecteren. Door een mengeling aan kristallen toe te voegen is Khandelwal erin geslaagd om bijna 100% van het infraroodspectrum tegen te houden, terwijl circa 90% van het zichtbaar licht wordt doorgelaten.

Conclusie

De resultaten uit het onderzoek geven aan dat de hedendaagse eisen inzake oververhitting voor topsportscholen moeten worden bijgestuurd. Verder werd duidelijk dat de instellingen van het ventilatiesysteem moeten worden geoptimaliseerd en de installatie van dynamische buitenzonwering, los van de kostprijs, het beste resultaat boekt op het gebied van energiebesparing. Tot slot werden er als bijkomstig advies nog enkele sturingsparameters voor de dynamische zonwering meegegeven.

 

[1] Een sterk geïsoleerd gebouw dat optimaal gebruik maakt van warmtewinsten via de zon om het energieverbruik te minimaliseren en een optimaal binnenklimaat te behouden.

[2] Een computermodel waarbij het binnenklimaat in een gebouw waaronder temperatuur, vochtigheid, CO2-gehalte, etc. wordt nagebootst gedurende een geheel jaar per tijdstap van 5 minuten.

Bibliografie

[1]           H. Riebeek and R. Simmon, "Global Warming," National Aeronautics and Space Administration (NASA), 2010. Retrieved from https://earthobservatory.nasa.gov/features/GlobalWarming/page2.php. [Accessed on 10 April 2019]

[2]           European Commission, "Energy performance of buildings," 2014. Retrieved from https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/energy-performance-of-buildings. [Accessed on 24 Octobre 2019]

[3]           W. V. Belleghem, "Passiefscholen," Vlaamse overheid, Ministerie van Onderwijs en Vorming, 2007. [Accessed on 9 April 2019]

[4]           G. P. Hannah Bohez, Annelies Geerts and Tom De Smidt, "Pilootproject Passiefscholen Bilan 2015," Agentschap voor Infrastructuur in het Onderwijs (AGION), 2015. [Accessed on 12 April 2019]

[5]           Vlaams Energieagentschap (VEA), "Revisie van de EPBD-richtlijn," 2010. [Accessed on 10 April 2019]

[6]           PIXII, "Portaal Vlaamse Passiefscholen," 2010. Retrieved from https://pixii.be/ontdek/kennis/portaal-vlaamse-passiefscholen. [Accessed on 9 April 2019]

[7]           L. Mueller and T. Berker, "Passive House at the crossroads: The past and the present of a voluntary standard that managed to bridge the energy efficiency gap," Energy policy, vol. 60, pp. 586-593, 2013. [Accessed on 8 April 2019]

[8]           Rijksdienst voor Ondernemend Nederland, "Infoblad Trias Energetica en energieneutraal bouwen," 2015. [Accessed on 12 April 2019]

[9]           K. M. S. Chvatal and H. Corvacho, "The impact of increasing the building envelope insulation upon the risk of overheating in summer and an increased energy consumption," Journal of Building Performance Simulation, vol. 2, no. 4, pp. 267-282, 2009. [Accessed on 3 March 2019]

[10]         European Solar Shading Organization (ES-SO), "Overheating risk in low energy buildings to combat," 2016. [Accessed on 12 April 2019]

[11]         H. Breesch, "Zomercomfort in scholen: achtergrond & onderzoek," KU Leuven, 2018. Retrieved from https://www.schoolbouwformule.be/workshop-zomercomfort-in-passiefscholen-een-lastig-huwelijk/. [Accessed on 20 April 2019]

[12]         B. Wauman, H. Breesch, J. Poppe, S. Van Loon, A. Versele, and D. Saelens, "Ontwikkelen van specifieke randvoorwaarden voor scholen volgens de passiefstandaard," 2010. [Accessed on 10 March 2019]

[13]         Aljevragen.nl, "Welke vormen van warmtetransport zijn er?," 2010. Retrieved from https://www.aljevragen.nl/na/warmte/THE012.html. [Accessed on 10 November 2018]

[14]         L. Allonsius, "4-Bouwfysica," University of Antwerp, 2016. [Accessed on 5 April 2019]

[15]         A. A. Gino Maes, and Giovanni Litti,, "Binnenklimaat in historische gebouwen met kantoorfunctie - focus op thermisch comfort," University of Antwerp, 2016. [Accessed on 28 April 2019]

[16]         ASHRAE, "ASHRAE Standard 55-2004, Thermal environmental conditions for human occupancy," Am. Soc. Heating, Refrig. AirConditioning Eng. Inc, 2004. [Accessed on 16 March 2019]

[17]         G. P. J. Dijkema, "Dictaat Technische Installaties," Technische Universiteit Delft, 2012. [Accessed on 24 March 2019]

[18]         Belgisch Instituut voor Normalisatie, "NBN EN ISO 7730:2006: Ergonomics of the thermal environment - Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria (ISO 7730:2005)," Brussels, Belgium, 2006. [Accessed on 8 April 2019]

[19]         Autodesk, "Assessing Thermal Comfort Results," 2019. Retrieved from http://help.autodesk.com/view/SCDSE/2019/ENU/?guid=GUID-3283C0AF-B483-4897-970B-16A663ACF14E. [Accessed on 18 April 2019]

[20]         S. Arslan, "Behaaglijkheiden gezondheid in een 0-energiewoning," Hogeschool Rotterdam, 2012. [Accessed on 18 April 2019]

[21]         S. Kurvers, A. van der Lindenn, A. Boerstra, and A. Raue, "Adaptieve Temperatuurgrenswaarden (ATG)," ISSO 74: een nieuwe richtlijn voor de beoordeling van het thermisch binnenklimaat. Deel 1: Theoretische achtergronden, 2005. [Accessed on 11 April 2019]

[22]         V. Vanwelde, "Het thermisch comfort in de zomer handhaven," Het Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf (WTCB), 2018. Retrieved from https://www.bouw-energie.be/nl/blog/post/oververhitting-in-woonruimtes-beter-voorkomen-dan-genezen. [Accessed on 10 November 2018]

[23]         METIZ, "Waarom passiefscholen soms te warm worden," 2016. [Accessed on 15 April 2019]

[24]         Belgisch Instituut voor Normalisatie, "NBN EN 15251: Binnenmilieu - gerelateerde inputparameters voor ontwerp en beoordeling van energieprestatie van gebouwen voor de kwaliteit van binnenlucht, het thermisch comfort, de verlichting en akoestiek," Brussels, Belgium, 2007. [Accessed on 20 February 2019]

[25]         S. Verbeke, "Thermal inertia in dwellings Quantifying the relative effects of building thermal mass on energy use and overheating risk in a temperate climate Thermal inertia in dwellings," University of Antwerp, 2017. [Accessed on 24 March 2019]

[26]         K. Blümel, E. Hollan, M. Kähler, R. Peter, and A. Jahn, "Entwicklung von Testreferenzjahren (TRY) für Klimaregionen der Bundesrepublik Deutschland," Bericht des Bundesministeriums für Forschung und Technologie BMFT-FB, vol. 86, p. 051, 1986. [Accessed on 27 April 2019]

[27]         M. Hutchins, "High performancedynamic shading solutions for energy efficiency and comfort in buildings," European Solar Shading Organization (ES-SO), 2015. [Accessed on 8 March 2019]

[28]         R. Visscher, "Zijn dit de slimme ramen van de toekomst?," Kennislink, 2017. Retrieved from https://www.nemokennislink.nl/publicaties/zijn-dit-de-slimme-ramen-van-de-toekomst/. [Accessed on 21 April 2019]

[29]         B. D. Backer, "De optimalisatie van de sturing van zonwerende schermen en bijkomende technieken om de oververhitting in BEN-woningen tegen te gaan," University of Antwerp, 2017. [Accessed on 15 August 2019]

[30]         J. F. Nicol, J. Hacker, B. Spires, and H. Davies, "Suggestion for new approach to overheating diagnostics," Building Research & Information, vol. 37, no. 4, pp. 348-357, 2009. [Accessed on 30 November 2018]

[31]         Y. Al Horr, M. Arif, A. Kaushik, A. Mazroei, M. Katafygiotou, and E. Elsarrag, "Occupant productivity and office indoor environment quality: A review of the literature," Building and environment, vol. 105, pp. 369-389, 2016. [Accessed on 10 May 2019]

[32]         S. Verbeke and A. Audenaert, "Thermal inertia in buildings: A review of impacts across climate and building use," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 82, pp. 2300-2318, 2018. [Accessed on 19 March 2019]

[33]         A. Mavrogianni et al., "The impact of occupancy patterns, occupant-controlled ventilation and shading on indoor overheating risk in domestic environments," Building and Environment, vol. 78, pp. 183-198, 2014. [Accessed on 3 March 2019]

[34]         Belgisch Instituut voor Normalisatie, "NBN EN ISO 13790:2008: Energieprestatie van gebouwen - Berekening van het energiegebruik voor verwarming en koeling," Brussels, Belgium, 2008. [Accessed on 4 April 2019]

[35]         A. a. Stijn Verbeke, "5‐Energieprestatie van gebouwen," University of Antwerp, 2017. [Accessed on 26 April 2019]

[36]         NREL, "OpenStudio," National Laboratory of the U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, operated by the Alliance for Sustainable Energy, LLC, 2008. Retrieved from https://www.openstudio.net/. [Accessed on 25 April 2019]

[37]         BigLadder, "Euclid," 2017. Retrieved from https://bigladdersoftware.com/projects/euclid/. [Accessed on 10 October 2018]

[38]         G. Gorris, "Voorkomen is beter dan genezen: gebouwsturing op basis van weervoorspellingen," University of Antwerp, 2019. [Accessed on 20 July 2019]

[39]         The Dark Sky Company, "Dark Sky API," 2012. Retrieved from https://darksky.net/dev. [Accessed on 20 May 2019]

[40]         Solcast, "Global solar irradiance data and PV system power output data," 2019. Retrieved from https://solcast.com/. [Accessed on 22 May 2019]

[41]         U.S. Department of Energy Building Technologies Office, "EnergyPlus Weather File Format," EnergyPlus Documentation, 2015. Retrieved from https://bigladdersoftware.com/epx/docs/8-3/auxiliary-programs/energyplus-weather-file-epw-data-dictionary.html. [Accessed on 21 May 2019]

[42]         ASHRAE, "Fundamentals, ASHRAE Handbook," 2005. [Accessed on 17 December 2019]

[43]         Vlaams Energieagentschap, "U-waarden vanaf 2018," 2018. Retrieved from https://www.energiesparen.be/sites/default/files/atoms/files/epbuwaarden2018.pdf. [Accessed on 20 July 2019]

[44]         M. Sherman, "The Use of Blower‐Door Data 1," Indoor Air, vol. 5, no. 3, pp. 215-224, 1995. [Accessed on 10 March 2019]

[45]         Eurabo, "Waarde n50," 2015. Retrieved from https://www.eurabo.be/nl/lexicon/n50-waarde. [Accessed on 10 March 2019]

[46]         Belgisch Instituut voor Normalisatie, "NBN D50-001: Ventilatievoorzieningen in woongebouwen," Brussels, Belgium, 1991. [Accessed on 19 March 2019]

[47]         U.S. Department of Energy Building Technologies Office, "Input Ouput Reference," EnergyPlus Documentation, 2018. [Accessed on 10 Octobre 2018]

[48]         M. Royapoor and T. Roskilly, "Building model calibration using energy and environmental data," Energy and Buildings, vol. 94, pp. 109-120, 2015. [Accessed on 10 May 2019]

[49]         G. Mustafaraj, D. Marini, A. Costa, and M. Keane, "Model calibration for building energy efficiency simulation," Applied Energy, vol. 130, pp. 72-85, 2014. [Accessed on 13 May 2019]

[50]         MERMET, "M-screen," 2018. Retrieved from https://www.sunscreen-mermet.com/media/brochure-2018-2021-gb/screen-design-m-screen-8501-8503-8505-gb-v2.pdf. [Accessed on 10 August 2019]

Universiteit of Hogeschool
Toegepaste Ingenieurswetenschappen Bouwkunde
Publicatiejaar
2019
Promotor(en)
Dr. ir. Stijn Verbeke
Kernwoorden
Share this on: