Passieve ventilatie

(1)

Afstudeerrapport

Passieve ventilatie

Okanagan College Centre-Canada Bron: www.okanagan.bc

Nasja Geertjens 0818106

Onderzoek naar een passieve manier om natuurlijk te kunnen ventileren door gebruik te maken van zon en wind. Het principe moet praktisch toepasbaar zijn op bestaande middelhoogbouw kantoren in Nederland. Het onderzoek richt zich op verschillende principes zoals een windtoren, zonneschoorsteen, windvanger en

(2)

Titelpagina

Auteur: Nasja Geertjens Studentnummer: 0818106

Bedrijf: DGMR raadgevende ingenieurs Afdeling Duurzame Leefomgeving Casuariestraat 5 2511 VB, Den Haag Bedrijfbegeleider: G. Verbaan Senior Unitmanager Mentor: M. Nijland-Huinen Projectleider

School: Hogeschool Rotterdam Instituut gebouwde omgeving Bouwkunde

Afstudeerbegeleider: P.H.A.W. van Riel-Jacobs Docente bouwfysica 2e lezer: J.S. Bosch

Docent bouwfysica

(3)

3 Afstudeerrapport Passieve ventilatie Nasja Geertjens

Inhoud

1. Samenvatting ... 5 2. Voorwoord ... 8 3. Inleiding ... 9 3.1. Aanleiding en probleemstelling ... 9 3.2. Doelstelling ... 10 3.3. Onderzoeksvraag ... 10 3.4. Deelvragen ... 10 4. Onderzoeksmethode ... 11 4.1. Analyse ... 11 4.1.1. Functioneren principe ... 11 4.1.2. Ruimtegebruik ... 11 4.2. Kwantitatieve beoordeling ... 12 4.2.1. Simulaties functioneren ... 12 4.2.2. Toepasbaarheid ... 13 4.3. Casus ... 13 5. Analyse ... 14 5.1. Principes ... 14 5.2. Keuze ... 20 5.2.1. Functioneren principe ... 20 5.2.2. Ruimtegebruik ... 22 5.2.3. Overzicht keuze ... 23 5.2.4. Conclusie analyse ... 24 5.3. Optimaliseren ... 25

5.3.1. Werking zonder wind ... 25

5.3.2. Werking zonder zon ... 26

5.3.3. Werking zonder wind en zon ... 26

5.3.4. Koudeval ... 26

5.3.5. Warmteterugwinning conflict met Bouwbesluit ... 26

6. Kwantitatieve beoordeling ... 28 6.1. Simulaties functioneren ... 29 6.1.1. Validatie ... 29 6.1.2. Modellen ... 32 6.1.3. Resultaten ... 35 6.2. Toepasbaarheid... 39 6.2.1. Dimensies ... 39 6.2.2. Flexibiliteit ... 40 6.3. Keuze ... 42 6.3.1. Totaal ... 42

6.3.2. Conclusie kwantitatieve beoordeling... 43

7. Casus ... 44

7.1. Invoer ... 45

(4)

4 Afstudeerrapport Passieve ventilatie Nasja Geertjens 7.3. Ruimtegebruik ... 49 7.4. Regelbaarheid ... 51 7.5. Conclusie casus ... 52 8. Conclusie ... 53 8.1. Aanbevelingen ... 54 9. Literatuurlijst ... 55 Bijlage 1: Referenties Bijlage 2: Principebladen

Bijlage 3: Validatie Design Builder ventilatievoud Bijlage 4: Handberekening ventilatievoud Bijlage 5: Input Design Builder

Bijlage 6: Berekening ventilatievoud

Bijlage 7: Output Design Builder luchtverversing Bijlage 8: Output Design Builder luchtsnelheid Bijlage 9: Input Design Builder casus

Bijlage 10: Berekening ventilatievoud casus

Bijlage 11: Output Design Builder luchtverversing casus Bijlage 12: Output Design Builder regelbaarheid casus

(5)

1. Samenvatting

Bij gebouwen is het gebruik van elektriciteit en gas voor installaties de grootste bron van CO₂ uitstoot.[1,2] Een manier om deze CO₂ uitstoot van het gebouw te reduceren is om installatiearm te bouwen. Installatiearm bouwen betekent het gebruik van installaties minimaliseren in een gebouw. Bij de keuze voor een installatiearm systeem is het een vereiste dat er een acceptabel binnenklimaat wordt behaald. Een installatiearm systeem kan energiebesparing opleveren, een beter

binnenklimaat creëren en besparing op het onderhoud opleveren.[3]

Om installatiearm te kunnen bouwen moet er gedacht worden aan passieve maatregelen. Dit zijn maatregelen die gebruik maken van natuurlijke bronnen door een bouwkundige toepassing zoals het opslaan van zonnewarmte in gebouwmassa.[4]

Ventileren in gebouwen is belangrijk voor een gezond binnenklimaat. Er zijn verschillende manieren om dit op een passieve manier te bereiken.

De principes in dit onderzoek zijn gericht op de toepassing op kantoren. In het Bouwbesluit staat dat altijd aan de luchtverversing voldaan moet worden, zie tabel 1. Als er geen mensen aanwezig zijn in het gebouw dan is er geen luchtverversing nodig. In kantoren is er in vergelijking met woningen ‘s nachts dus geen ventilatie nodig, omdat er ’s nachts in kantoren geen mensen aanwezig zijn. Wel is er bij nieuwbouw in de eerste jaren ’s nachts ventilatie wenselijk om bouwvocht en emissies uit de inrichting en bouwmaterialen te kunnen ventileren. Ook kan er in zomernachten behoefte zijn aan basisventilatie om het gebouw af te laten koelen. ’s Nachts is er minder zon en wind waardoor er meer kans is dat natuurlijke ventilatie minder goed werkt. Bij kantoren is de kans op een werkend passief ventilatie principe dus groter.

Door de verminderde vraag naar nieuwe kantoren wordt er steeds minder gebouwd en komen er steeds meer kantoren leeg te staan. [17] Als er een nieuw kantoor nodig is kan er gekozen worden voor het renoveren van een leegstaand kantoor. Hierdoor zijn er geen nieuwe panden nodig en hoeven oude panden niet gesloopt te worden.

Dit onderzoek richt zich op een passieve manier om natuurlijk te kunnen ventileren door gebruik te maken van zon en wind. Het doel is om een passief ventilatie concept te ontwikkelen om mee te kunnen ventileren zonder het gebruik van installaties. Het concept moet praktisch toepasbaar zijn op bestaande middelhoogbouw kantoren in Nederland. De onderzoeksvraag bij dit onderzoek luidt; Hoe kan passieve ventilatie, door gebruik te maken van zon en/of wind, praktisch toegepast worden bij middelhoogbouw kantoren in Nederland en werken in de zomer en winter? In dit onderzoek zijn eerst de potentiële principes benoemd, geanalyseerd en kwalitatief beoordeeld. Hierna zijn de nadelen en gebreken bij de drie meest kansrijke principes passief opgelost. Deze drie meest kansrijke principes zijn gesimuleerd en beoordeeld op toepasbaarheid. Tot slot is het meest praktisch toepasbare concept toegepast op de casus.

Eerst is er gekeken naar bestaande passieve ventilatie principes in verschillende gebouwen en concepten. Uit de literatuur zijn tien verschillende passieve ventilatie principes voortgekomen, zie bijlage 2. Er is hierbij gekeken naar hoe de principes werken en functioneren in de verschillende gebouwen en concepten om te kunnen beoordelen of de principes kunnen functioneren in Nederland. De principes zijn beoordeeld op vier keuzeaspecten met als belangrijkste aspecten het functioneren en het ruimtegebruik:

Functioneren

Het principe moet uiteindelijk kunnen voldoen aan de eisen die worden gesteld in het Bouwbesluit aan ventilatie. Dit vereist dat het principe moet werken onder alle weersomstandigheden.

(6)

6 Afstudeerrapport Passieve ventilatie Nasja Geertjens Ruimtegebruik

Het principe heeft geen grotere toevoermogelijkheden en afvoerkanalen dan een type C ventilatiesysteem toegepast in kantoorgebouwen, natuurlijke toevoer en mechanische afvoer. De twee minder belangrijke aspecten zijn warmteterugwinning en weersafhankelijk. Het aspect warmteterugwinning is meegenomen, omdat dit kan zorgen voor besparing op energie bij het gebruik van installaties voor de verwarming van het gebouw.

Ten slotte is het aspect weersafhankelijk meegenomen dat aangeeft of het principe afhankelijk is van de zon of de wind of werkt met de zon en de wind.

Aan de hand van deze vier keuzeaspecten zijn drie passieve ventilatie principes gekozen die de meeste potentie hebben in Nederland. Dit betreft de principes windtoren, zonneschoorsteen met 2e huid en zonneschoorsteen met windvanger. Dit komt bij de zonneschoorsteen met windvanger doordat het principe werkt met de zon en de wind. De windtoren kan zonder de wind minder goed werken en de zonneschoorsteen met 2e huid kan zonder de zon minder goed werken. Maar beide principes hebben de mogelijkheid voor warmteterugwinning wat interessant is voor dit onderzoek. Verder werkt de windtoren net als de zonneschoorsteen met windvanger met de wind en in mindere mate met de zon.

Bij de drie overgebleven principes zijn er verschillende specifieke problemen geconstateerd. Voor deze gebreken en nadelen is er nagedacht over mogelijke passieve oplossingen. Bijna alle

geconstateerde problemen zijn door passieve maatregelen op te lossen. De warmteterugwinning van de 2e huid is theoretisch mogelijk, maar geeft een conflict met het Bouwbesluit (menging van toe- en afvoerlucht) waardoor het niet uitvoerbaar is.

Voor de drie overgebleven principes is gekeken naar de praktische toepasbaarheid op bestaande middelhoogbouw kantoren. Middelhoogbouw kantoren zijn kantoren die minimaal drie lagen tot maximaal zes lagen hoog zijn. [18] De drie principes zijn kwantitatief onderzocht op een generiek kantoor op vier keuzeaspecten:

Luchtverversing en luchtsnelheid

Het principe moet minimaal voldoen aan de eisen die worden gesteld in het Bouwbesluit aan ventilatie. Om te kunnen bepalen of de drie principes voldoen aan de eisen is er gebruik gemaakt van dynamische simulatie. Er is gebruik gemaakt van het simulatie programma Design Builder.

Dimensies en flexibiliteit

Het principe moet toepasbaar zijn op een bestaand gebouw waarbij er gedacht is aan de ruimte die het principe inneemt en wat er gesloopt of verbouwd moet worden om het principe toe te kunnen passen. Het principe is flexibel als er meer of minder aansluitingen op kunnen en als het principe aanpasbaar is op uitbreidingen.

Aan de hand van deze keuzeaspecten is het passieve ventilatie concept gekozen dat het beste toepasbaar is in Nederland op middelhoogbouw kantoren. Met de afweging is de potentie van warmteterugwinning ook meegenomen. Het best toepasbare principe is de zonneschoorsteen met windvanger. Het principe kan zorgen voor een redelijk goede luchtverversing, maar voor de 3e verdieping is dit niet 100% van het jaar haalbaar. De simulaties zijn hierbij zonder windvanger uitgevoerd, omdat hier geen mogelijkheid voor is in Design Builder.

Dit resultaat geeft een passief ventilatie concept van 2 torens van 1,8 m breed bij 1,8 m lang en drie meter hoog boven het dak uit dat praktisch toegepast kan worden op bestaande middelhoogbouw kantoren.

(7)

Met het zonneschoorsteen concept is er gekeken naar de praktische toepasbaarheid op de casus. Uit de simulaties is gebleken dat de zonneschoorsteen niet voor 100% van het jaar kan voldoen aan de luchtverversing bij de 3e verdieping. Met de casus is gekeken naar opties om de luchtverversing bij de 3e verdieping te verhogen. Dit kan bereikt worden door een rechthoekige vorm te nemen die met de lange zijde gericht is op het zuiden van 1,3 m breed bij 2,5 m lang, door een hoogte van de schoorsteen boven het dak uit te nemen van zes meter en door de afvoeropeningen op de 3e verdieping groter te maken.

Voor het concept op de casus is er ruimte nodig voor twee torens voor het gehele kantoor. De afvoerkanalen kunnen aangebracht worden in het verlaagde plafond wat zich al bij de casus bevindt. De ventilatieroosters die nodig zijn voor het concept moeten in de gevels of in de ramen gemaakt worden. Verder is het concept flexibel uitbreidbaar doordat er meer ruimtes op de

zonneschoorsteen kunnen worden aangesloten en er aansluitingen weggehaald kunnen worden. Het concept kan regelbaar gemaakt worden door ventilatieroosters met verschillende standen toe te passen en door een klep op de afvoeropening in de schoorsteen te maken.

Met de zonneschoorsteen met windvanger is er een passief ventilatie concept gegeven dat zonder het gebruik van installaties kan werken in de zomer en winter en praktisch toegepast kan worden op bestaande middelhoogbouw kantoren in Nederland.

(8)

2. Voorwoord

Het vierde jaar bouwkunde bij de Hogeschool Rotterdam wordt afgerond met een

afstudeeronderzoek. Dit onderzoek bestaat uit een analyse waaruit een concept is ontworpen die toepasbaar is in de praktijk. Als resultaat geeft dit een onderzoeksrapport wat antwoord geeft op de onderzoeksvraag. Aan dit onderzoek is gedurende 20 weken gewerkt. Het afstudeeronderzoek is een zelfstandig proces waarbij er begeleiding is geweest van het bedrijf DGMR raadgevende ingenieurs en de Hogeschool Rotterdam.

Het onderzoek gaat over een passieve manier om natuurlijk te kunnen ventileren, door gebruik te maken van zon en wind. Het principe moet praktisch toepasbaar zijn op bestaande middelhoogbouw kantoren in Nederland. Het onderzoek gaat over verschillende principes zoals een

zonneschoorsteen, windtoren, windvanger en ventilatieschouw. De opbouw van dit rapport bestaat uit de volgende hoofdstukken:

1. Inleiding

Aanleiding, probleemstelling, doelstelling, onderzoeksvraag en deelvragen. 2. Onderzoeksmethode

Hoe is het onderzoek aangepakt, welke methode is er gebruikt en hoe is er met de methode naar de doelstelling gewerkt.

3. Analyse

Van literatuur naar verschillende principes, naar keuze, naar optimaliseren. 4. Kwantitatieve beoordeling

Simulatie van de gekozen principes en toepasbaarheid wat leidt tot het concept. 5. Casus

Toepassing op een bestaand middelhoogbouw kantoor met variaties en conclusies. 6. Conclusie

Conclusie van het onderzoek met aanbevelingen.

Mijn dank gaat uit naar Marieke Nijland die mij inhoudelijk heeft begeleid en naar Priscilla van Riel-Jacobs die het proces heeft begeleid. Verder wil ik mijn collega’s bij DGMR bedanken voor de ondersteuning die ze mij geboden hebben tijdens mijn onderzoek.

Den Haag, juni 2013 Nasja Geertjens

(9)

3. Inleiding

3.1.

Aanleiding en probleemstelling

Bij gebouwen is het gebruik van elektriciteit en gas voor installaties de grootste bron van CO₂ uitstoot.[1,2] Een manier om deze CO₂ uitstoot van het gebouw te reduceren is om installatiearm te bouwen. Installatiearm bouwen betekent het gebruik van installaties minimaliseren in een gebouw. Bij de keuze voor een installatiearm systeem is het een vereiste dat er een acceptabel binnenklimaat wordt behaald. Een installatiearm systeem kan energiebesparing opleveren, een beter

binnenklimaat creëren en besparing op het onderhoud opleveren.[3]

Om installatiearm te kunnen bouwen moet er gedacht worden aan passieve maatregelen. Dit zijn maatregelen die gebruik maken van natuurlijke bronnen door een bouwkundige toepassing zoals het opslaan van zonnewarmte in gebouwmassa.[4]

Ventileren in gebouwen is belangrijk voor een gezond binnenklimaat. Er zijn verschillende manieren om dit op een passieve manier te bereiken. Dit kan door gebruik te maken van de zon en de wind. Voorbeelden van dit soort principes zijn een solar chimney (zonneschoorsteen), windtoren, windvanger en windcowls (ventilatieschouw).

De zonneschoorsteen principes zijn al op verschillende plekken in Nederland toegepast en in verschillende concepten verwerkt.[5,6] Hoewel deze principes al zijn toegepast is hier nog geen standaard principe voor. De principes worden tot nu toe specifiek voor de situatie gemaakt. Bij de zonneschoorsteen principes zijn er problemen waarvoor oplossingen nodig zijn. Als er geen zon is dan is het mogelijk dat er geen natuurlijke trek ontstaat waardoor er niet meer wordt afgezogen.[6] Er ontstaat ook geen natuurlijk trek als er geen of weinig wind is, omdat er geen onderdruk meer ontstaat.[7,8] Als er geen lucht afgezogen wordt kan er koudeval ontstaan in de ruimte wat niet gewenst is. De problemen die ontstaan bij ongunstige omstandigheden worden tot nu toe voornamelijk opgelost door het gebruik van installaties. Er zijn ook andere oorzaken van problemen bij de zonneschoorsteen principes. De aanwezigheid van obstakels en bochten in het principe zorgen voor een belemmering van de prestatie van het principe. Als er in een gebouw meer gebruikers in de toekomst aanwezig zijn dan verwacht, dan wordt er niet genoeg geventileerd.[7] Als toevoerroosters niet goed geregeld worden of dicht staan dan wordt er niet genoeg geventileerd in het gebouw.[8]

De windtoren en windvanger zijn niet toegepast in Nederland maar worden wel toegepast in landen zoals Iran en Egypte.[9,10] Hiervan is het onduidelijk of deze principes toepasbaar zijn op gebouwen in Nederland. De windtoren en windvanger zijn geoptimaliseerd voor een droog woestijnklimaat. Ook werken ze met passaatwinden die altijd vanuit dezelfde richting komen. [11] Om deze principes toe te kunnen passen in Nederland moet er gekeken worden hoe ze aangepast kunnen worden aan ons klimaat. Maar het kan ook blijken dat deze principes niet geschikt zijn om toe te passen in Nederland.

De windschouwen zijn soms toegepast in Nederland, maar worden vaker toegepast in de rest van Europa.[12] Deze principes werken enkel met de wind en moeten hier dan ook op gericht staan. De windschouwen functioneren niet goed als er geen of weinig wind is. Dit probleem wordt opgelost door het gebruik van installaties. Ook moeten deze principes meedraaien met de wind waar ook een installatie voor wordt gebruikt.

(10)

De principes in dit onderzoek zijn gericht op de toepassing op kantoren. In het Bouwbesluit staat dat altijd aan de luchtverversing voldaan moet worden, zie tabel 1. Als er geen mensen aanwezig zijn in het gebouw dan is er geen luchtverversing nodig. In kantoren is er in vergelijking met woningen ‘s nachts dus geen ventilatie nodig, omdat er ’s nachts in kantoren geen mensen aanwezig zijn. Wel is er bij nieuwbouw in de eerste jaren ’s nachts ventilatie wenselijk om bouwvocht en emissies uit de inrichting en bouwmaterialen te kunnen ventileren. Ook kan er in zomernachten behoefte zijn aan basisventilatie om het gebouw af te laten koelen. ’s Nachts is er minder zon en wind waardoor er meer kans is dat natuurlijke ventilatie minder goed werkt. Bij kantoren is de kans op een werkend passief ventilatie principe dus groter.

Door de verminderde vraag naar nieuwe kantoren wordt er steeds minder gebouwd en komen er steeds meer kantoren leeg te staan. [17] Als er een nieuw kantoor nodig is kan er gekozen worden voor het renoveren van een leegstaand kantoor. Hierdoor zijn er geen nieuwe panden nodig en hoeven oude panden niet gesloopt te worden.

3.2.

Doelstelling

Een passief ventilatie concept ontwikkelen om mee te kunnen ventileren zonder het gebruik van installaties. Het concept moet praktisch toepasbaar zijn op bestaande middelhoogbouw kantoren in Nederland. Door dit passieve concept kan de ventilatie installatiearm gerealiseerd worden. Het concept wordt getoetst aan de hand van een casus met behulp van een dynamische simulatie.

3.3.

Onderzoeksvraag

Uit de probleemstelling en doelstelling komt de onderstaande onderzoeksvraag voort.

Hoe kan passieve ventilatie, door gebruik te maken van zon en/of wind, praktisch toegepast worden bij middelhoogbouw kantoren in Nederland en werken in de zomer en winter?

3.4.

Deelvragen

De volgende deelvragen worden beantwoord in dit afstudeerrapport.

A. Wat zijn bestaande passieve ventilatie principes en hoe functioneren deze in verschillende gebouwen en concepten.

B. Wat zijn de specifieke problemen bij de bestaande passieve ventilatie principes, wat functioneert er niet en waarom.

C. Welke principes zijn er toepasbaar in Nederland op basis van de verschillende keuzeaspecten.

D. Hoe kunnen de problemen opgelost worden.

E. Hoe zijn de principes praktisch toepasbaar op middelhoogbouw kantoren.

F. Welk principe is het beste toepasbaar op middelhoogbouw kantoren op basis van de verschillende keuzeaspecten.

(11)

4. Onderzoeksmethode

In dit hoofdstuk staat uitgelegd hoe het onderzoek is aangepakt en met welke stappen er naar een praktische toepasbaar passief ventilatie concept toe is gewerkt. Eerst zijn de potentiële principes benoemd, geanalyseerd en kwalitatief beoordeeld, zie 4.1. Hierna zijn de meest kansrijke principes gesimuleerd en beoordeeld op toepasbaarheid, zie 4.2. Het meest praktisch toepasbare concept is tot slot toegepast op de casus, zie 4.3.

4.1.

Analyse

Om te kunnen bepalen wat voor passieve ventilatie principes er zijn is er gekeken naar literatuur en referentieonderzoeken. Hiermee zijn verschillende principes onderscheden, zie 5.1. Er is hierbij gekeken naar hoe de principes werken en functioneren in de verschillende gebouwen en concepten om te kunnen beoordelen of de principes kunnen functioneren in Nederland. Ook is er gekeken naar de praktische toepasbaarheid op middelhoogbouw kantoren door te kijken naar de grootte van het principe in vergelijking met een type C ventilatiesysteem toegepast in kantoorgebouwen. Er is uitgegaan van een type C ventilatiesysteem, omdat dit vaker is toegepast in bestaande kantoren en goed vergelijkbaar is met natuurlijke ventilatie. Een type C ventilatiesysteem zorgt voor een

natuurlijke toevoer en mechanische afvoer van de ventilatielucht.

Er is bij de principes gekeken naar de mogelijkheid voor warmteterugwinning, omdat dit kan zorgen voor besparing op energie bij het gebruik van installaties voor de verwarming van het gebouw. Het principe heeft potentie als er de warmteterugwinning kan plaatsvinden op een passieve manier. Warmteterugwinning vindt plaats door warme afvoerlucht te laten stromen langs koude

toevoerlucht. De koude toevoerlucht komt daardoor voorverwarmd het gebouw in.

De informatie over de principes is samengevoegd op principebladen waarop de punten werking principe, functioneren principe, ruimtegebruik en voor en nadelen uitgelegd staan, zie bijlage 2. Tussen de tien principes is met behulp van twee keuzeaspecten en de potentie die het principe heeft een keuze gemaakt. De keuze is gemaakt op basis van aannames uit de literatuur, zie 5.2. Hierbij is het functioneren van het principe maatgevend. Als het principe niet onder alle weeromstandigheden werkt is het niet haalbaar om uit te voeren.

4.1.1. Functioneren principe

Het principe moet uiteindelijk kunnen voldoen aan de eisen die worden gesteld in het Bouwbesluit aan ventilatie. Dit betekent dat het principe moet werken onder alle weersomstandigheden. Er is hierbij gekeken naar wanneer het principe wel en niet functioneert en of hier al oplossingen voor zijn gevonden.

4.1.2. Ruimtegebruik

Er is gekeken naar het ruimtegebruik, omdat de principes uiteindelijk toegepast moeten kunnen worden. Hierbij is gekeken naar hoeveel ruimtegebruik de toevoervoorzieningen en afvoerkanalen relatief gezien hebben. De toevoer en afvoer worden vergeleken met een type C ventilatiesysteem toegepast in kantoorgebouwen, natuurlijke toevoer en mechanische afvoer.

Na de tien principes beoordeeld te hebben op de twee keuzeaspecten zijn er drie principes overgebleven.

Bij de drie overgebleven principes is er gekeken naar de specifieke gebreken en nadelen die tijdens de analyse zijn gevonden. Voor de gebreken en nadelen is er nagedacht over mogelijke oplossingen. De oplossingen zijn nodig om een zo optimaal mogelijk concept te kunnen realiseren. En als er geen oplossingen mogelijk zijn is dit belangrijk voor dit onderzoek, zie 5.3.

(12)

12 Afstudeerrapport Passieve ventilatie Nasja Geertjens 4.2.

Kwantitatieve beoordeling

De drie overgebleven principes uit de analysefase zijn verder uitgewerkt voor de toepassing op een bestaand middelhoogbouw kantoor. Er is hierbij gericht op middelhoogbouw, omdat hoogbouw en laagbouw in de meeste gevallen niet geschikt zijn voor natuurlijke ventilatie. Laagbouw is niet geschikt, omdat het gebouw maximaal 2 verdiepingen hoog is. Passieve ventilatie werkt met het hoogteverschil tussen toevoer en afvoer waardoor er bij de laagbouw minder kans is op een functionerend principe. [22] En hoogbouw is vaak niet geschikt, omdat de wind hier voor

luchtstromingen kan zorgen die een negatieve invloed hebben op de principes. Middelhoogbouw kantoren zijn kantoren die minimaal drie lagen tot maximaal zes lagen hoog zijn. [18]

Bij de uitwerking is er gekeken naar de praktische toepasbaarheid van de principes. De praktische toepasbaarheid is bepaald aan de hand van de aspecten luchtverversing, luchtsnelheid, flexibiliteit en dimensies. Ook is de mogelijkheid voor warmteterugwinning meegenomen bij de beoordeling. De keuze is gemaakt op basis van de uitkomsten van dynamische simulaties, zie 4.2.1. En op aannames uit de literatuur, zie 6.3.

4.2.1. Simulaties functioneren

Het principe moet minimaal voldoen aan de eisen die worden gesteld in het Bouwbesluit aan ventilatie. Dit betekent dat het principe moet werken onder alle weersomstandigheden.

Hierbij moet het principe ook zorgen voor een gezond binnenklimaat. In het Bouwbesluit staan de minimale eisen gegeven voor ventilatie. Om een optimaal principe te kunnen realiseren is er ook gekeken naar de richtlijnen van de Rijksgebouwendienst voor kantoren. [13] Hierin staan hogere eisen gegeven dan het Bouwbesluit.

Om te kunnen bepalen of de drie principes voldoen aan de eisen en richtlijnen is er gebruik gemaakt van dynamische simulatie. Dynamische simulatie kan het principe doorrekenen voor een geheel jaar wat nodig is om te bepalen of het principe kan werken onder alle weersomstandigheden. Als het principe niet kan voldoen aan de eisen uit het Bouwbesluit dan is het principe niet toepasbaar als volledig passief concept.

Met behulp van dynamische simulatie kunnen luchtstromen worden gesimuleerd in een gebouw over een heel jaar. De nauwkeurigste programma’s om luchtstromen mee te simuleren zijn CFD programma’s (Contam, ANSYS Fluent). CFD is voor dit onderzoek te tijdsrovend, maar kan de luchtstromen het beste simuleren. Andere simpelere CFD luchtstroommodellen (VVmod, Comis, Comflow) zijn ook nauwkeurig, maar zijn niet dynamisch en daarom niet geschikt voor dit onderzoek.

Design builder is een dynamisch programma wat aan de hand van een model een goede indicatie kan geven van de luchtstromen door een gebouw heen. Het programma geeft ook inzicht in het thermisch comfort van het gebouw. Daarom is dit programma gebruikt voor de simulaties die nodig zijn voor dit onderzoek.

In het Bouwbesluit staan eisen gegeven voor luchtverversing in kantoren en in de richtlijnen Rijksgebouwendienst staan eisen gegeven voor het thermisch comfort en de binnenkwaliteit van kantoren. Zie tabel 1 voor de eisen en richtlijnen die meegenomen zijn in dit onderzoek. Hierin is te zien dat de richtlijnen van de Rijksgebouwendienst die meegenomen zijn voor het onderzoek volgen uit de Bouwbesluit eisen.

(13)

4.2.2. Toepasbaarheid

Het principe moet toepasbaar zijn op een bestaand gebouw waarbij er gedacht is aan de ruimte die het principe inneemt en wat er gesloopt of verbouwd moet worden om het principe toe te kunnen passen. Het principe is flexibel als er meer of minder aansluitingen op kunnen. Het principe moet dus ook werken als er bijvoorbeeld meer gebruikers in het gebouw komen of als er verdiepingen niet gebruikt worden en aanpasbaar zijn op uitbreidingen.

Na de principes beoordeeld te hebben op het functioneren en de toepasbaarheid is het principe met de meeste potentie gekozen als praktische toepasbaar passief ventilatie concept, zie 6.3.

4.3.

Casus

Het gekozen concept is toegepast op een casus waarbij is gekeken naar de praktische

toepasbaarheid en de luchtverversing. Door de toepassing op een casus te bekijken is er aangetoond dat het concept toepasbaar kan zijn op verschillende middelhoogbouw kantoren, zie hoofdstuk 7. Met de casus is gekeken naar verschillende punten van optimalisatie voor het zonneschoorsteen concept. Er is eerst gekeken naar de luchtverversing door de zonneschoorsteen met dezelfde dimensies als het basisconcept. Hierna is er gekeken naar andere vormen om te zien wat voor invloed dit heeft op de luchtverversing in de zones. Met de meest positieve hiervan is er gekeken naar de invloed van de hoogte van de schoorsteen boven het dak uit op de luchtverversing in de zones. Tot slot is er met de hoogte waarbij de meeste luchtverversing ontstaat gekeken naar de invloed van een vergroting van de afvoeropeningen op de 3e verdieping, zie hoofdstuk 7.

Voor het concept is er ook gekeken naar de situatie zonder wind op het kantoor om te kunnen zien wat er met de luchtverversing gebeurt in die situatie. Zonder de wind is er te zien wat er gebeurt als het principe werkt met thermische trek.

Om het concept praktisch toepasbaar te kunnen maken op de casus is er ook gekeken naar het ruimtegebruik en de regelbaarheid van het concept.

(14)

5. Analyse

Om te kunnen bepalen wat voor passieve ventilatie principes er zijn is er gekeken naar literatuur en referentieonderzoeken waarmee er tien verschillende principes zijn gecategoriseerd zoals

weergegeven is bij 5.1. In bijlage 1 kunnen de verschillende referentieonderzoeken van de principes gevonden worden.

De tien passieve ventilatie principes zijn allemaal weersafhankelijk en hier zit verschil in tussen afhankelijk van de zon en/of de wind. In tabel 2 is in een overzicht weergegeven waarvan de principes afhankelijk zijn.

Tabel 2: Weersafhankelijk Zongedreven ventilatie Windgedreven ventilatie I. Enkelzijdige ventilatie X

II. Dwars ventilatie X

III. Windtoren X X

IV. Windvanger X

V. Windschouw X X

VI. Zonneschoorsteen X X

VII. Zonneschoorsteen met 2e huid X VIII. Zonneschoorsteen met atrium X

IX. Zonneschoorsteen met grondpijp X X

X. Zonneschoorsteen met windvanger X X

5.1.

Principes

Hieronder staan de principes kort uitgelegd met bijbehorende schema’s van de werking.

In bijlage 2 zijn de principebladen van de tien verschillende principes te vinden waarbij er gekeken is naar de punten werking principe, functioneren principe, ruimtegebruik en voor en nadelen van het principe.

Bij de schema’s van de werking van het principe wordt er gewerkt met verschillende pijlkleuren. De betekenis van deze pijlen is in figuur 1 weergegeven.

Warme ventilatielucht is de binnenlucht die afgevoerd wordt en is daarom altijd op

kamertemperatuur. In de zomer is er warme buitenlucht die naar binnen wordt toegevoerd en in de winter is dit koude buitenlucht. Koelere buitenlucht is lucht in de zomer die een aantal graden koeler is dan de warme buitenlucht van de zomer.

(15)

I. Enkelzijdige ventilatie

Enkelzijde ventilatie ontstaat in een ruimte waar de ventilatieopeningen zich aan één zijde van de ruimte bevinden. Door de opening(en) aan deze zijde vindt de toevoer en afvoer van lucht plaats. [15] Zie schema 1 voor de werking van het principe. Het principe kan niet voldoen aan het bouwbesluit, omdat er tegelijk toe- en afvoer door één opening plaatsvindt.

II. Dwars ventilatie

Dwars ventilatie ontstaat door verschillende soorten druk op het gebouw. Door de wind is er aan de ene zijde een onderdruk (-) (lijzijde) en aan de andere zijde een overdruk (+) (loefzijde). Lucht stroomt van onderdruk naar overdruk. Als in de loef- en lijzijde openingen worden gemaakt ontstaat er een luchtstroming van de loef naar de lijzijde door het gebouw heen. [15,16] Zie schema 2 voor de werking van het principe.

III. Windtoren

Een windtoren bevindt zich op het dak van een gebouw en heeft verschillende openingen. Door de zijde die naar de wind is gericht komt buitenlucht het gebouw in (+). Aan de andere zijde ontstaat hierdoor een onderdruk (-) waardoor warme opgestegen ventilatielucht uit het gebouw wordt afgevoerd. [9,11,12,16] Zie schema 3 voor de werking van het principe en de werking van de potentiële warmteterugwinning. Een beperking van het principe is dat er niet overal in de ruimte lucht ververst kan worden, doordat de toe- en afvoer openingen vlak naast elkaar liggen.

Schema 1: Werking principe I

(16)

IV. Windvanger

Een windvanger is een schacht die hoog boven het gebouw uitkomt waarbij de opening van de windvanger is georiënteerd op de wind. Bij de opening ontstaat een overdruk (+) waardoor de wind gevangen wordt en door de opening het gebouw in komt. Door de onderdruk (-) bij een zijde van het gebouw wordt de lucht door openingen in de gevel afgevoerd naar buiten. [10] Zie schema 4 voor de werking van het principe. Er bestaat een kans dat het principe omgekeerd gaat werken waardoor de toevoer door de gevelopeningen heen komt en de afvoer door de schacht naar boven gaat.

Schema 3: Werking principe III

(17)

V. Windschouw

De windschouw is een windgedreven ventilator die op het dak staat. Toevoerlucht komt via de gevels door openingen naar binnen waarna de lucht warm wordt en opstijgt naar het dak. Door de windgedreven ventilator kan deze lucht het gebouw verlaten. [14,16] Zie schema 5 voor de werking van het principe.

VI. Zonneschoorsteen

Een zonneschoorsteen werkt voornamelijk met de zon maar ook met de wind. Warme lucht in een gebouw stijgt op naar boven waar het in de zonneschoorsteen nog meer opwarmt door de zon. De lucht verlaat het gebouw door het verschil in temperatuur tussen de binnen en buitenlucht wat in relatie staat met het drukverschil tussen binnen en buiten. [6,16] Zie schema 6 voor de werking van het principe.

VII. Zonneschoorsteen met 2e huid

Een zonneschoorsteen in de vorm van een 2e huid werkt in principe hetzelfde als de zonneschoorsteen op het dak. Het principe werkt dus op de zon waarbij warme lucht door

ventilatieopeningen in de 2e huid terecht komt. In de 2e huid warmt de lucht op verlaat het door de temperatuur en het drukverschil het gebouw. Hierbij is het belangrijk dat 2e huid georiënteerd is op het zuiden zodat de zonneschoorsteen kan werken. [16] Zie schema 7 voor de werking van het principe en de werking van de potentiële warmteterugwinning (wtw). In de winter kan de lucht uit de 2e huid als toevoerlucht worden gebruikt. De lucht is dan door de zon voorverwarmd.

Schema 5: Werking principe V

(18)

VIII. Zonneschoorsteen met atrium

Een zonneschoorsteen in de vorm van een atrium werkt in principe hetzelfde als de zonneschoorsteen op het dak. Het principe werkt dus op de zon waarbij warme lucht door

ventilatieopeningen vanuit de ruimten in het atrium terecht komt. In het atrium warmt de lucht op en verlaat boven in het atrium het gebouw door het temperatuur en drukverschil met buiten. [16] Zie schema 8 voor de werking van het principe en de werking van de potentiële

warmteterugwinning. In de winter kan de lucht uit het atrium als toevoerlucht worden gebruikt. De lucht is dan door het atrium voorverwarmd.

Schema 7: Werking principe VII

(19)

IX. Zonneschoorsteen met grondpijp

Bij de zonneschoorsteen met grondpijp werkt de zonneschoorsteen hetzelfde als principe VI, VII of VIII. De zonneschoorsteen zorgt voor een onderdruk in het gebouw waardoor de toevoerlucht via de grondpijp naar binnen komt. [8,16] Zie schema 9 voor de werking van het principe. Door condensatie en warmte in de pijp kunnen er schimmels groeien wat de binnenluchtkwaliteit aantast.

X. Zonneschoorsteen met windvanger

De zonneschoorsteen met windvanger werkt hetzelfde als de normale zonneschoorsteen echter er is hier een toevoeging van een windvanger. De windvanger zorgt hierbij voor een extra onderdruk (-) waardoor er meer thermische trek ontstaat. [7] Zie schema 10 voor de werking van het principe.

Schema 9: Werking principe IX

(20)

Keuze

Met de informatie van de principebladen is er een keuze gemaakt tussen de verschillende principes. Deze afweging is gemaakt op basis van de het functioneren van het principe en het ruimtegebruik. De aspecten zijn telkens beschreven op de principebladen van ieder principe.

5.2.1. Functioneren principe

Het principe moet uiteindelijk kunnen voldoen aan de eisen uit het Bouwbesluit en kunnen werken onder alle weersomstandigheden. Dit is beoordeeld voor de toevoer en de afvoer van de lucht aan de hand van literatuur. Er zijn hierbij nog geen luchthoeveelheden gekoppeld aan de principes. Er is aangegeven in tabel 3 met +, - en 0 hoe de toevoer en afvoer van het principe werken.

Als de toevoer en afvoer beide wel kunnen werken onder alle weersomstandigheden dan is het principe interessant om verder te onderzoeken. (+)

Als de toevoer en afvoer beide niet kunnen werken onder alle weersomstandigheden dan is het principe niet verder onderzocht. (-)

Als de afvoer (of toevoer) niet onder alle weersomstandigheden werkt maar de toevoer (of afvoer) wel dan is er aangegeven of het mogelijk is om dit op te lossen door passieve maatregelen. (0) To e vo e r Afv o e r To ta al Uitleg I. Enkelzijdige ventilatie

0 - - Toevoer: Werk niet als er niet genoeg drukverschil is. Afvoer: Werk niet als er niet genoeg wind is.

Dit kan niet op een passieve manier opgelost worden. [15] II. Dwars ventilatie 0 - - Toevoer: Werk niet als er niet genoeg drukverschil is.

Afvoer: Werk niet als er niet genoeg wind is.

Dit kan niet op een passieve manier opgelost worden. [15] III. Windtoren 0 + 0 Toevoer: Werk niet als er niet genoeg wind is.

Dit kan op een passieve manier opgelost worden. [12] Afvoer: Werkt meestal onder alle weersomstandigheden. IV. Windvanger - - - Toevoer: Werk niet als er niet genoeg wind is.

Dit kan niet op een passieve manier worden opgelost. [10] V. Windschouw + 0 0 Toevoer: Werkt onder alle weersomstandigheden.

Dit kan op een passieve manier opgelost worden. [14] VI. Zonneschoorsteen + + + Toevoer: Werkt onder alle weersomstandigheden.

Afvoer: Werkt zonder wind en zon een klein beetje. [6] VII. Zonneschoorsteen

met 2e huid

+ 0 0 Toevoer: Werkt onder alle weersomstandigheden. Afvoer: Werkt minder goed als er geen zon is.

Dit kan op een passieve manier opgelost worden. [16] VIII. Zonneschoorsteen

met atrium

+ 0 0 Toevoer: Werkt onder alle weersomstandigheden. Afvoer: Werkt minder goed als er geen zon is.

Dit kan op een passieve manier opgelost worden. [16] IX. Zonneschoorsteen

met grondpijp

0 + 0 Toevoer: Werkt niet zonder genoeg onderdruk. Dit kan op een passieve manier opgelost worden. Afvoer: Werkt onder alle weersomstandigheden. [8] X. Zonneschoorsteen

met windvanger

+ + + Toevoer: Werkt onder alle weersomstandigheden. Afvoer: Werkt zonder wind en zon een klein beetje. [7] Tabel 3: Functioneren systeem

(21)

21 Afstudeerrapport Passieve ventilatie Nasja Geertjens Hieruit kan geconcludeerd worden dat de IV. Windvanger zonder de wind niet werkt. [10]

I. Enkelzijdige en II. Dwars ventilatie zijn beide principes die alleen met de wind werken door

openingen in de gevel waardoor ze niet altijd voor een afvoer kunnen zorgen. [15] De principes III. Windtoren, V. Windschouw, VII. Zonneschoorsteen met 2e huid, VIII

Zonneschoorsteen met atrium en IX. Zonneschoorsteen met grondpijp werken niet onder alle

weersomstandigheden.

De principes VI. Zonneschoorsteen en X. Zonneschoorsteen met windvanger kunnen beide werken onder alle weersomstandigheden.

(22)

5.2.2. Ruimtegebruik

Bij het ruimtegebruik is er gekeken naar de toevoer en afvoer van het ventilatieprincipe in vergelijking met een type C ventilatiesysteem toegepast in kantoorgebouwen. Dit type C systeem heeft als toevoer openingen in de gevel en als afvoer een mechanisch afzuigsysteem die afzuigt in ruimtes zoals de berging en toiletten. De afzuiging gebeurd door middel van een leidingschacht waarin kanalen zitten die naar de afzuigpunten lopen.

Er is aangegeven in tabel 4 met 0, + en - hoeveel ruimtegebruik het principe heeft in vergelijking met een type C systeem. Hierbij is onderscheid gemaakt in de toevoer en afvoer voorzieningen.

Als het principe een zelfde toevoer en afvoer mogelijkheid heeft als het type C systeem dan is er aangegeven dat deze gelijk (0) is.

Als de toevoer of afvoer minder ruimte in neemt dan het type C systeem is er aangegeven dat deze kleiner (+) is.

Als de toevoer of afvoer meer ruimte in neemt dan het type C systeem is er aangegeven dat deze groter (-) is.

Hieruit kan geconcludeerd worden dat de VIII. Zonneschoorsteen met atrium en IX.

Zonneschoorsteen met grondpijp het meeste ruimtegebruik hebben. [8,16]

De overige principes hebben een ruimtegebruik dat vergelijkbaar is met een type C systeem.

To ev o er Afv o er To ta al _Uitleg I. Enkelzijdige ventilatie

0 + 0 Toevoer: Via openingen in de gevel. Afvoer: Via openingen in de gevel. II. Dwars ventilatie 0 + 0 Toevoer: Via openingen in de gevel.

Afvoer: Via openingen in de gevel.

III. Windtoren - 0 0 Toevoer: Leidingschacht met kanalen met toevoerpunten. Afvoer: Leidingschacht met kanalen met afvoerpunten. IV. Windvanger - + 0 Toevoer: Leidingschacht met kanalen met toevoerpunten.

Afvoer: Via openingen in de gevel. V. Windschouw 0 0 0 Toevoer: Via openingen in de gevel.

Afvoer: Leidingschacht met kanalen met afvoerpunten. VI. Zonneschoorsteen 0 0 0 Toevoer: Via openingen in de gevel.

Afvoer: Leidingschacht met kanalen met afvoerpunten. VII. Zonneschoorsteen

met 2e_huid

0 0 0 Toevoer: Via openingen in de gevel.

Afvoer: Via een 2e_{huid die groter is dan een leidingschacht,} maar waarbij geen kanalen nodig zijn.

VIII. Zonneschoorsteen met atrium

0 - - Toevoer: Via openingen in de gevel.

Afvoer: Via een atrium die veel groter is dan een leidingschacht, maar waarbij geen kanalen nodig zijn. IX. Zonneschoorsteen

met grondpijp

- 0 - Toevoer: Leidingschacht met kanalen met toevoerpunten aangesloten op een buis onder de grond.

Afvoer: Leidingschacht met kanalen met afvoerpunten. X. Zonneschoorsteen

met windvanger

0 0 0 Toevoer: Via openingen in de gevel.

Afvoer: Leidingschacht met kanalen met afvoerpunten. Tabel 4: Ruimtegebruik

(23)

5.2.3. Overzicht keuze

In tabel 5 is het overzicht weergegeven en zijn het functioneren van het principe en het

ruimtegebruik naast elkaar gezet. Het overzicht is aangevuld met de aspecten weersafhankelijk en warmteterugwinning, die ook een rol spelen, om een keuze te kunnen maken.

5.2.3.1. Weersafhankelijk

De principes zijn allemaal weersafhankelijk hier zit verschil in tussen afhankelijk van de zon en/of de wind. Als het principe afhankelijk is van de zon en de wind dan kan het principe werken onder meer weersomstandigheden. Het kopje weersafhankelijk geeft daarom aan of het principe afhankelijk is van de zon OF de wind (0) of afhankelijk van de zon EN de wind (+).

5.2.3.2. Warmteterugwinning

Sommige principes hebben de potentie om warmte terug te winnen uit de ventilatielucht, zodat de warmte van de afvoerlucht overgedragen kan worden op de toevoerlucht. Hierbij moeten de toevoer en afvoerlucht langs elkaar heen kunnen stromen. Het kopje warmteterugwinning geeft daarom aan of er warmteterugwinning mogelijk is (*). [11,12,16] Als er geen warmteterugwinning mogelijk is staat er geen beoordeling in de tabel weergegeven.

5.2.3.3. Totaal

Het functioneren van het principe en het ruimtegebruik zijn bepalend voor de keuze, als dit een negatieve uitkomst (-) geeft dan is het principe niet verder meegenomen. De overige aspecten tellen hierna pas mee voor het totaal.

*=Potentie door mogelijkheid warmteterugwinning.

Fu n cti o n e re n p ri n ci p e Ruim te ge b ru ik W e e rs afh an ke lij k W ar mt e terug w in n in g To ta al I. Enkelzijdige ventilatie - 0 0 -

II. Dwars ventilatie - 0 0 -

III. Windtoren 0 0 + * 0*

IV. Windvanger - 0 0 -

V. Windschouw 0 0 + 0

VI. Zonneschoorsteen + 0 + +

VII. Zonneschoorsteen met 2e huid

0 0 0 * 0*

VIII. Zonneschoorsteen met atrium

0 - 0 * -*

IX. Zonneschoorsteen met grondpijp 0 - + * -* X. Zonneschoorsteen met windvanger + 0 + + Tabel 5: Totaal

(24)

5.2.4. Conclusie analyse

In de totaal kolom is de uiteindelijke score weergegeven waaruit afgelezen kan worden dat de principes I. Enkelzijdige ventilatie, II. Dwars ventilatie en IV. Windvanger principes zijn die op basis van het functioneren niet geschikt zijn om verder te onderzoeken. De IV. Windvanger kan zonder de wind niet functioneren. En I. Enkelzijdige en II. Dwars ventilatie zijn beide principes die alleen met de wind werken door openingen in de gevel waardoor ze niet altijd voor een afvoer kunnen zorgen. Bij het principes VII. Zonneschoorsteen met atrium kan de afvoer niet onder alle

weersomstandigheden werken. Ook heeft het principe in vergelijking met de andere principes meer ruimtegebruik nodig. En bij het principe VIII. Zonneschoorsteen met grondpijp kan de toevoer niet onder alle weersomstandigheden werken. Hierbij is er ook kans op een slechte binnenluchtkwaliteit door schimmels die ontstaan door condensatie en warmte in de pijp. Deze principes zijn niet geschikt om verder te onderzoeken.

Verder kan het principe V. Windschouw wel functioneren, maar heeft het een neutrale uitkomst en er zit geen potentie in het principe voor warmteterugwinning. [14] De afvoer van het principe functioneert minder als er geen wind is. Een passieve oplossing hiervoor is het maken van een schoorsteen die ook met de zon werkt. Het principe is dan vergelijkbaar met de zonneschoorsteen die een positieve uitkomst heeft in de tabel. Het principe in de vorm van de windschouw is niet interessant om verder mee te nemen in dit onderzoek.

De principes III. Windtoren en VII. Zonneschoorsteen met 2e huid hebben een neutrale uitkomst. De

principes hebben in theorie de potentie voor warmteterugwinning wat ze interessant maakt om verder te onderzoeken. De principes kunnen niet onder alle weerstomstandigheden werken maar hier kunnen wel passieve oplossingen voor gevonden worden om het principe toch onder alle weersomstandigheden te laten werken, zie 5.3. Verder werkt de III. Windtoren net als de X.

Zonneschoorsteen met windvanger met de wind en in mindere mate met de zon.

De principes VI. Zonneschoorsteen en X. Zonneschoorsteen met windvanger hebben een positieve uitkomst. Dit komt doordat de principes werken met de zon en wind. De twee principes zijn identiek alleen de windvanger bij de zonneschoorsteen kan voor een betere werking zorgen van het principe. Daarom worden deze twee principes samengevoegd voor het verdere onderzoek en verder

genoemd als X. Zonneschoorsteen met windvanger.

De drie principes die verder onderzocht worden zijn III. Windtoren, VII. Zonneschoorsteen met 2e huid en X. Zonneschoorsteen met windvanger. In de principebladen in bijlage 2 staat meer informatie gegeven over de drie gekozen principes. Zie figuur 2 voor een referentie van een windtoren, zie figuur 3 voor een referentie van een 2e huid en zie figuur 4 voor een referentie van een zonneschoorsteen. Voor meer informatie over de referenties zie bijlage 1.

Figuur 4: Zonneschoorsteen ROC Twente - NL Figuur 2: Windtoren BedZed wijk - Engeland Figuur 3: 2e huid BRE Hoofdkantoor - Engeland

(25)

Optimaliseren

Conform de conclusies uit de vorige paragraaf is er verder gegaan met de drie gekozen principes. Bij de principes zijn in de principebladen verschillende gebreken in het functioneren en nadelen naar voren gekomen. Het oplossen van de gebreken en nadelen valt buiten dit onderzoek. Voor dit onderzoek is het wel belangrijk om te weten voor de uiteindelijke keuze of de gebreken en nadelen oplosbaar zijn. In tabel 6 staat een overzicht van deze gebreken en nadelen per principe waarbij aangegeven is of deze oplosbaar zijn (V) of niet (X).

Oplosbaar III. Wintoren

Zonder wind V

Zonder wind en zon V

Koudeval V

VII. Zonneschoorsteen met 2e huid

Zonder zon V

Warmteterugwinning conflict met Bouwbesluit X

Koudeval V

X. Zonneschoorsteen met windvanger

Zonder zon V

Zonder wind en zon V

Koudeval V

Voor de gebreken en nadelen is er nagedacht over mogelijke passieve oplossingen. Deze oplossingen zijn nodig om een zo optimaal mogelijk concept te kunnen realiseren. En als er geen oplossingen mogelijk zijn is dit belangrijk voor dit onderzoek. Hieronder is er per gebrek ingegaan op de mogelijke oplossing(en).

5.3.1. Werking zonder wind

De zonneschoorsteen principes werken voornamelijk met de zon en hebben er minder last van als er geen wind is. Wel kan de zonneschoorsteen zonder de zon met de wind werken, zie 5.3.2.

Het principe van de windtoren werkt voornamelijk met de wind en werkt zonder wind dus minder goed. Vooral de toevoer van lucht kan zonder de wind niet door het principe naar binnen komen. Maar de windtoren werkt ook met de zon waardoor de afvoer zonder de wind wel kan werken. [9,12] Als de zon op de windtoren schijnt wordt de lucht verwarmd waardoor er thermische trek ontstaat en de afvoerlucht het gebouw verlaat. De inkomende lucht kan niet gegarandeerd worden zonder winddruk. Wel kan er lucht het gebouw inkomen door ventilatieroosters of ramen in de gevel. Zie schema 11 voor de werking van de oplossing.

Schema 11: Werking oplossing windtoren Tabel 6: Gebreken en nadelen

(26)

5.3.2. Werking zonder zon

Bij de zonneschoorsteen met 2e huid en de zonneschoorsteen met windvanger kan er als er geen zon is de afvoer minder goed werken dan met de zon. De 2e huid werkt zonder de zon op thermische trek. De hoogte van de zonneschoorsteen over de gehele hoogte van het gebouw heeft een

positieve invloed op de thermische trek. De zonneschoorsteen met windvanger werkt zonder de zon alleen met de wind en thermische trek. Door de wind die over de schoorsteen heen gaat ontstaat er een onderdruk zijde waardoor de lucht uit de schoorsteen gezogen wordt. [7] Bij de toepassing van de windvanger zal dit effect groter zijn dan zonder de windvanger.

De windtoren werkt voornamelijk met de wind en zal zonder de zon niet veel minder werken dan met de zon. Wel kan de windtoren zonder de wind werken met de zon, zie 5.3.1.

5.3.3. Werking zonder wind en zon

De principes windtoren en zonneschoorsteen met windvanger kunnen zonder de wind en de zon nog minder goed werken. Wel werken ze zonder de zon en de wind nog op thermische trek. Hiervoor moet de temperatuur in de toren/schoorsteen altijd hoger liggen dan de temperatuur van buiten. Bij de windtoren kan de inkomende lucht niet gegarandeerd worden omdat er geen onderdruk meer is in het gebouw. [11,12] Wel kan er lucht het gebouw inkomen door ventilatieroosters of ramen in de gevel. De zonneschoorsteen met 2e huid werkt enkel met de zon.

5.3.4. Koudeval

Bij de principes windtoren, zonneschoorsteen met 2e huid en zonneschoorsteen met windvanger kan er bij de toren/schoorsteen/2e huid op het dak bij geen goede afsluiting regen naar binnen komen. Als er geen zon is en/of wind is en de toren alleen op thermische trek werkt is er veel kans op koudeval door de toren naar binnen toe. Zie schema 12 voor het ontstaan van koudeval in de winter.

Door een hogere toren toe te passen kan er meer thermische trek ontstaan door de toren.

Lucht die door de schoorsteen naar beneden wil vallen kan tegen gehouden worden door kleppen die werken op druk. [16]

5.3.5. Warmteterugwinning conflict met Bouwbesluit

Het principe van de zonneschoorsteen met windvanger heeft geen mogelijkheid voor warmteterugwinning waardoor er geen conflict kan ontstaan met het Bouwbesluit.

De windtoren heeft wel de mogelijkheid voor warmteterugwinning, maar door de afscheidingen in de toren is de kans gering dat toe- en afvoerlucht zich zullen mengen.

Om warmte te kunnen uitwisselen bij de zonneschoorsteen met 2e huid tussen koude toevoerlucht en warme afvoerlucht moeten deze langs elkaar stromen. De warmteterugwinning is theoretisch gezien mogelijk bij de zonneschoorsteen met 2e huid, maar door de menging van de toe- en afvoerlucht is te verwachten dat het principe niet kan voldoen aan de eisen uit het Bouwbesluit (tabel 1: Eisen en richtlijnen). Hierin staat dat toevoerlucht rechtstreeks van buiten moet komen. Twee mogelijke passieve oplossingen zijn:

(27)

27 Afstudeerrapport Passieve ventilatie Nasja Geertjens 1. Scheiding van toevoer en afvoerlucht

In de zomer wordt er geen gebruik gemaakt van de warmteterugwinning waardoor de toevoer via een andere gevel dan de 2e huid naar binnen komt. Via de 2e huid wordt de lucht afgevoerd. In de winter wordt de ventilatielucht door gescheiden gedeeltes in de 2e huid afgevoerd en toegevoerd. Zie schema 13 voor de werking van de oplossing.

2. Toevoerlucht voorverwarmen

In de zomer wordt er geen gebruik gemaakt van de voorverwarming waardoor de toevoer via een andere gevel dan de 2e huid naar binnen komt en via de 2e huid wordt afgevoerd. In de winter wordt de ventilatielucht door de 2e huid voorverwarmd en toegevoerd. De afvoer vindt plaats via een schoorsteen in het gebouw. [16] Zie schema 14 voor de werking van de oplossing.

De oplossingen die hier gegeven zijn voor de warmteterugwinning bij de 2e_{huid zijn geen ideale} oplossingen. Bij oplossing 1 moeten alle ruimtes aan de 2e huid en aan een andere gevel liggen, waardoor de oplossing niet flexibel is. De uitwisseling van warmte tussen de afvoer en toevoerlucht is hierbij lastig te realiseren. Bij oplossing 2 moet er een extra schoorsteen worden geplaatst wat extra materiaal, sloop en arbeid kost. Omdat de twee oplossingen niet ideaal zijn is

warmteterugwinning bij de 2e huid praktisch niet haalbaar. Schema 14: Werking oplossing zonneschoorsteen met 2e huid Schema 13: Werking oplossing zonneschoorsteen met 2e huid

(28)

6. Kwantitatieve beoordeling

Voor de drie overgebleven principes conform hoofdstuk 5 is er gekeken naar de toepassing op bestaande middelhoogbouw kantoren.

Om te kunnen bepalen of de drie principes toepasbaar zijn is er een kantoor nodig wat een gemiddelde geeft van verschillende middelhoogbouw kantoren. Met dit generieke kantoor is er bepaald of het principe wel of niet toegepast kan worden op de meeste middelhoogbouw kantoren. Hierbij zijn alleen de kenmerken aan het kantoor van belang die belangrijk zijn voor dit onderzoek. Om een gemiddelde te kunnen nemen van verschillende soorten middelhoogbouw kantoren is er gebruik gemaakt van een database. [19] De database bevat input van verschillende partijen (aannemers, leveranciers, adviseurs) waarmee er een middelhoogbouw kantoor is gedefinieerd. Voor sommige kenmerken, zoals de Rc-waarde, is er in de database onderscheid gemaakt in drie verschillende niveaus: redelijk, goed en zeer goed. In tabel 7 worden de kenmerken aan het generieke kantoor die belangrijk zijn voor dit onderzoek weergegeven. Voor de kenmerken die verschillende niveaus hebben is er uitgegaan van het niveau “goed”, omdat het bestaande bouw betreft en het niveau “zeer goed” bestaat uit kenmerken die gelden voor nieuwbouw.

In de tabel zijn ook de bedrijfstijden en interne warmtelasten weergegeven die zijn overgenomen uit ISSO 32: Uitgangspunten temperatuur simulatieberekeningen. Dit zijn bedrijfstijden en

warmtelasten die ook bij de berekeningen in het Bouwbesluit gehanteerd worden. Door de bedrijfstijden mee te nemen staan er ’s nachts en in het weekend geen installaties aan, omdat er dan geen mensen in het kantoor aanwezig zijn.

Bij de toepassing van de drie principes op het generieke kantoor is er met behulp van twee keuzeaspecten en de potentie die het principe heeft een keuze gemaakt. De keuze is gemaakt op basis van de uitkomsten van dynamische simulaties, zie 6.1. En op aannames uit de literatuur. Tabel 7: Kenmerken kantoor

Kenmerken kantoor

Redelijk Goed Zeer goed

Gebouw Bestaand

Functie Kantoor

Lagen Vier laags

Bruto vloeroppervlak 2000 m² (500m² per laag) Hoofddraagconstructie Beton kolommen, wanden en

betonnen vloeren

Omgeving Industrieel

Glaspercentage 40% van de gevel 40% van de

gevel

40% van de gevel Rc waarde (gevel, dak, vloer) 2,0 m²K/W 2,5 m²K/W 3,0 m²K/W

U waarde ramen 3,5 W/m²K 3,0 W/m²K 2,8 W/m²K

Verwarming Radiatoren

Koeling Koelunits (plafond)

Verlichting 14,5 W/m² 14,5 W/m² 10 W/m²

Interne warmtelasten 6 W/m²

Gebruikstijd Doordeweeks van 8-18 uur Bedrijfstijd verwarming Doordeweeks van 6-18 uur Bedrijfstijd koeling Doordeweeks van 6-18 uur Bedrijfstijd ventilatie Doordeweeks van 7-18 uur Bedrijfstijd verlichting Doordeweeks van 8-18 uur Bedrijfstijd zonwering Doordeweeks van 8-18 uur

(29)

Simulaties functioneren

Het principe moet minimaal voldoen aan de eisen die worden gesteld in het Bouwbesluit aan ventilatie. Dit betekent dat het principe moet werken onder alle weersomstandigheden. Hierbij moet het principe zorgen voor een gezond binnenklimaat. Om te kunnen bepalen of de drie

principes voldoen aan de eisen uit het Bouwbesluit is er gebruik gemaakt van dynamische simulatie. In het Bouwbesluit staan eisen gegeven voor luchtverversing en de luchtsnelheid in kantoren. Zie tabel 1 voor de eisen die meegenomen zijn in dit onderzoek.

Design Builder is gebruikt als dynamisch programma bij dit onderzoek. Eerst is er gevalideerd of het programma resultaten geeft met realistische waardes.

6.1.1. Validatie

Om te kunnen bepalen of Design Builder realistische waardes geeft voor de luchtstromen is er een één zonemodel opgezet in het programma. De resultaten hieruit zijn vergeleken met een

handberekening van de luchtstromen. [24]

6.1.1.1. Factoren

In Design Builder wordt er met behulp van Energy+ berekeningen gemaakt. Hierachter zitten formules die terug te vinden zijn in de Energy+ engineering reference. [21]

Het programma berekend door de optie “Calculated” aan te zetten gedetailleerd de luchtstromen door alle zones heen. Met het luchtstroommodel worden ook de temperaturen en luchtvochtigheid berekend. De temperatuur, luchtvochtigheid en luchtstroming worden berekend aan de hand van een iteratief proces.

Bij het berekenen van luchtstromen wordt er gerekend met verschillende factoren. In het schema 15 is een overzicht gegeven van de verschillende factoren.

1. Hoogteverschil (h)

Het hoogteverschil tussen het punt waar de lucht binnenkomt en het punt waar de lucht het gebouw weer verlaat (in meters).

2. Temperatuur (T)

Het verschil tussen de temperatuur van de lucht die binnenkomt en het punt waar de lucht het gebouw weer verlaat (in ⁰ Celsius).

3. Dichtheid van lucht (ρ)

Het verschil tussen de dichtheid van lucht die binnenkomt en het punt waar de lucht het gebouw weer verlaat (in kg/m³).

4. Zwaartekrachtversnelling (g) Standaard waarde van 9,81 m/s². Schema 15: Factoren Design Builder

(30)

30 Afstudeerrapport Passieve ventilatie Nasja Geertjens 5. Grootte van de opening

Oppervlakte van de opening waardoor de luchtstroming plaatsvindt (in m²). Bij een grotere opening is er minder weerstand dan bij een kleinere opening.

6. Winddruk (Pw)

De winddruk wordt berekend aan de hand van verschillende factoren. Van te voren is er aangegeven op welke locatie het gebouw zich bevind.

a) Dichtheid van lucht (ρ) Standaard waarde van 1,293 kg/m³.

b) Plaatsafhankelijke factor (Cp)

De plaatsafhankelijke factor is een winddrukcoëfficiënt die wordt bepaald voor alle vlakken van het gebouw. Dit zijn vooraf vastgestelde waardes die afhangen van het aantal verdiepingen, de

lengte/breedte verhouding, de oriëntatie van het gebouw en het terrein (open, laag bebouwd, hoog bebouwd).

c) Plaatselijke windsnelheid (v)

De plaatselijke windsnelheid is afhankelijk van de locatie waar het gebouw staat en van de dag van het jaar en het tijdstip (in m/s). En hangt af van de windsnelheid meteocondities (vm) en de hoogte.

 Windsnelheid meteocondities (vm)

De windsnelheid onder meteocondities op 10 meter hoogte (in m/s).

De zonnewarmte die op het gebouw valt wordt per ruimte meegenomen in de berekening voor de temperatuur bij de vloeren, wanden en ramen. Er wordt hierbij ook gerekend met de thermische massa van het model. Tot slot wordt de warmte meegenomen in de berekening voor de

binnenluchttemperatuur.

De dominante factor bij de berekening is de hoogte. Hoe hoger het verschil tussen de toevoeropening en de afvoeropening, des te meer luchtverversing er plaats kan vinden.

De winddruk is ook een dominante factor, zonder de winddruk werkt het programma enkel met thermische trek. Hoe hoger de winddruk, dus hoe groter het verschil wordt tussen de binnendruk en de winddruk, des te meer luchtverversing er plaats kan vinden.

Hiernaast zijn de dichtheid van lucht en de temperatuur ook belangrijke factoren die in het programma vooral meespelen tijdens de thermische trek.

Bij de handberekening is de luchtstroming berekend aan de hand van formules uit het meerzone luchtstroommodel. [24] Het meerzone luchtstroommodel wordt onder andere gebruikt bij het CFD programma VVmod. Er wordt hierin gerekend met dezelfde factoren als in Design Builder. Dit betreft de factoren van het hoogteverschil, het temperatuurverschil, de dichtheid van lucht, de

zwaartekrachtversnelling, de grootte van de opening en de winddruk. De handberekening is minder nauwkeurig dan de berekening in Design Builder, omdat er niet is gewerkt met een iteratief proces tussen temperatuur, luchtvochtigheid en luchtstroming.

(31)

6.1.1.2. Model validatie

Het één zonemodel bestaat uit vier wanden met een dak en is 8 m breed bij 10 m lang bij 3,5 m hoog. In de zuidzijde bevindt zich één toevoeropening en in het dak één afvoeropening met een gezamenlijke oppervlakte van 0,55 m². Het hoogteverschil tussen de openingen is één meter. Zie figuur 5 voor het model met de openingen.

6.1.1.3. Resultaten validatie

De berekeningen zijn uitgevoerd voor één zomerdag en één winterdag om 11 uur ’s ochtends, om 5 uur ‘s middags en om 11 uur ’s nachts.

Voor de simulatieberekening en de handberekening zijn dezelfde waardes aangehouden voor het hoogteverschil, het temperatuurverschil, de grootte van de opening en de winddruk.

Luchtstroming van de toevoeropening naar de afvoeropening toe zorgt voor een luchtverversing in de zone. De uitkomst voor de luchtverversing (ventilatievoud) is berekend voor de gehele zone. In Design Builder wordt de luchtverversing genoemd als Total fresh air (ventilatievoud) in ac/h (air change per hour).

In tabel 8 is te zien wat de uitkomst is in de winter en de zomer bij Design Builder en de

handberekening. In bijlage 3 zijn de grafieken te vinden waarin te zien is hoe de binnen- en buiten temperatuur, windsnelheid en luchtverversing verlopen op de winterdag en op de zomerdag. In bijlage 4 is de handberekening van de ventilatievouden te vinden.

Winter 4 februari 2002 Zomer 11 juni 2002

11:00 17:00 23:00 11:00 17:00 23:00 Ventilatievoud Design Builder 7,5 9,4 7,8 3,2 3,4 3,1 Ventilatievoud handberekening 9,6 10,8 5,7 3,7 5,1 5,2 De waardes die uit de handberekening komen zijn realistische waardes voor de ventilatievoud in de zone. In de winter om 11:00 en 23:00 en in de zomer om 23:00 verschillen de ventilatievouden van Design Builder met de handberekening 2,1. Dit verschil is te verklaren doordat er in de

handberekening niet gerekend wordt met de thermische massa. Ook heeft de windfactor een veel grotere invloed op de handberekening dan bij Design Builder. Bij de andere tijdstippen liggen de waardes dichter bij elkaar in de buurt. Hieruit kan geconcludeerd worden dat Design Builder met een grote mate van zekerheid de resultaten kan leveren voor luchtstromen die nodig zijn voor dit

onderzoek. Figuur 5: één zonemodel

(32)

6.1.2. Modellen

Om de principes te kunnen toetsen aan het Bouwbesluit is er een model opgezet in het dynamische simulatieprogramma Design Builder. Het model voldoet aan de kenmerken die gesteld zijn in tabel 7. De vorm van het gebouw is niet generiek maar de bruto vloeroppervlakte van 2000 m² (500m² per laag) wel. Er is gekozen voor een rechthoekige vorm met een lange zuidzijde die nodig is voor de 2e huid. Het model heeft een binnenmaat van 20 m bij 25 m en bestaat uit vier lagen. In het kantoor is geen indeling gemaakt, omdat er geen generieke indeling is. Bij de keuze is er gekeken naar de luchtstromingen over de verdieping als geheel. Een kantoor met indeling is bekeken voor het gekozen concept bij hoofdstuk 7. Bij de simulaties is er gerekend met het klimaatjaar 2002. Verder is de input per tab in Design Builder te vinden in bijlage 5. Alle ramen in het model zijn 0% te openen, zodat er alleen gerekend is met de luchtstromen ten gevolge van het ventilatieprincipe.

6.1.2.1. III. Windtoren

De windtorens bestaan uit een 100 mm dikke wand en zijn 700 mm breed bij 700 mm lang bij 1000 mm hoog. De openingen van de windtoren zijn hierbij 0,2 m² per oriëntatie. Dit is aangenomen op basis van bestaande windtorens in Engeland die deze afmetingen hebben.[20] Het aantal windtorens voor het kantoor is bepaald aan de hand van drie referentiegebouwen. Het gemiddelde hiervan is twee windtorens per verdieping (500 m²). Dit komt neer op 8 windtorens voor het gehele kantoor Zie figuur 6 voor de begane grond met toevoer- en afvoeropeningen en de axonometrie van het kantoor. De windtorens zijn vast en verdeeld in vier delen waardoor er telkens door 2 delen lucht wordt afgevoerd (-) en door de andere twee lucht wordt toegevoerd (+), zie schema 16 voor een doorsnede van de wintoren.

(33)

6.1.2.2. VII. Zonneschoorsteen met 2e huid

De 2e huid staat op 1000 mm afstand van de zuidgevel en loopt door tot helemaal bovenin het kantoor. Dit is aangenomen op basis van de referentieprojecten en onderzoeken. [16]

Om praktische redenen (schoonmaken en onderhoud) is de binnenruimte ten minste 800 mm breed. De roosterlengtes voor de ventilatietoevoer zijn bepaald aan de hand van het ventilatievoud. Dit komt neer op 24 meter aan roosters per verdieping. Zie figuur 7 voor de begane grond met ventilatieroosters, afvoeropeningen en de axonometrie van het kantoor.

Figuur 7: Begane grond en axonometrie kantoor met 2e huid Figuur 6: Begane grond en axonometrie kantoor met windtorens

2e huid gevel

(34)

6.1.2.3. X. Zonneschoorsteen met windvanger

De zonneschoorstenen bestaan uit een 100 mm dikke wand en zijn 1800 mm breed bij 1800 mm lang bij 3000 mm hoog. Waarbij er drie zijdes van de schoorsteen uit een wand bestaan en de zuidzijde uit glas bestaat. Dit is aangenomen op basis van referenties en onderzoeken. [16,23] De afvoeropeningen hebben een oppervlakte van 2,6m². Dit is aangenomen op basis van een gemiddelde van verschillende referentieprojecten. [6] Het aantal zonneschoorstenen voor het kantoor is bepaald aan de hand van drie referentiegebouwen. Het gemiddelde hiervan is twee zonneschoorstenen voor het gehele kantoor (2000 m²). De roosterlengtes voor de ventilatietoevoer zijn bepaald aan de hand van de ventilatievoud, dit komt neer op 24 meter aan roosters per

verdieping. Er is geen windvanger in Design Builder meegenomen, omdat dit niet mogelijk is met het programma. Er kan met Design Builder niet gesimuleerd worden wat de invloed is van een

windvanger op de zonneschoorsteen. Hierdoor is de simulatie alleen uitgevoerd voor de

zonneschoorsteen zonder het effect van de windvanger hierop. De zonneschoorsteen is de basis van het principe waarbij de windvanger voor een extra onderdruk zorgt. Tijdens de uren dat het niet warm genoeg wordt door de zon voor thermische trek in schoorsteen kan de windvanger met de wind voor onderdruk zorgen waardoor er wel thermische trek ontstaat, zie 5.3.2. Doordat het principe in de basis uit de zonneschoorsteen bestaat zal het niet veel verschil uitmaken voor de resultaten van de dynamische simulatie. Als de zonneschoorsteen met windvanger gesimuleerd zou worden is te verwachten dat de resultaten positiever uit zullen komen. Zie figuur 8 voor de begane grond met ventilatieroosters, afvoeropeningen en de axonometrie van het kantoor.