Onderzoeksrapport CFD Simulaties Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
Datum: 17 oktober 2012
ONE Simulations
ONE Simulations BV Schipholweg 103 2316 XC Leiden The Netherlands
T: +31 (0)71 5680900 F: +31 (0)71 5289559 E:
[email protected] W: www.onesimulations.com
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Project Titel Locatie
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond n.v.t.
Document Referentie Revisie Status Datum
P15912332e100 0 Definitief 17 oktober 2012
Cliënt Bedrijf
Contactpersoon
Uigever Bedrijf
Auteur
P15912332e100
Beekink Kleinpolderlaan 6 2911 PA Nieuwerkerk aan den IJssel Nederland W. van Genderen
ONE Simulations BV Schipholweg 103 2316 XC Leiden Nederland T: +31 (0)71 5680900 F: +31 (0)71 5289559 E:
[email protected] W: www.onesimulations.com R. R. van de Nes BEng
2
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Inhoudsopgave 1
Inleiding ...........................................................................................................................................4
2
Onderzoeksdoel...............................................................................................................................5
3
Uitgangspunten ...............................................................................................................................6
4
5
3.1
Geometrie ............................................................................................................................... 6
3.2
Interne warmtebelasting ......................................................................................................... 8
3.3
Externe warmtebelasting ........................................................................................................ 8
3.4
Klimaatbeheerssysteem .......................................................................................................... 9
3.5
CO2 productie .......................................................................................................................... 9
3.6
CFD modellering .................................................................................................................... 10
Resultaten .....................................................................................................................................11 4.1
Zomersituatie ........................................................................................................................ 12
4.2
Wintersituatie........................................................................................................................ 19
Conclusie .......................................................................................................................................25
Referenties ............................................................................................................................................27
P15912332e100
3
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
1 Inleiding Het is van groot belang om een goed klimaat in een klaslokaal te realiseren voor optimale leerprestaties en een gezonde omgeving voor leerlingen en leerkrachten. Door het Ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties is het Programma van Eisen Frisse Scholen (1) uitgegeven. In dit Programma van Eisen worden mogelijke prestatie-eisen beschreven betreffende het binnenmilieu en de energiezuinigheid. Voor diverse thema’s zijn ambitieniveaus vastgesteld van klasse C (acceptabel), klasse B (goed) en klasse A (zeer goed). Beekink installatieadviseurs heeft het totaalconcept Frisse scholen 2.0 ontwikkeld, wat onder andere bestaat uit een klimaatbeheerssysteem voorzien van een klimaatplafond. Op verzoek van Beekink is het klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond door middel van Computational Fluid Dynamics (CFD) simulaties onderzocht voor een zomer- en wintersituatie. Het resulterende binnenklimaat is berekend voor een fictief, zo gemiddeld mogelijk, klaslokaal. De CFD simulaties zullen voor de thema’s Ventilatiecapaciteit, Operatieve temperatuur, Lokaal thermisch discomfort en Verticale temperatuurgradiënt inzichtelijk maken in welke klasse het klimaat valt. Een CFD simulatie geeft inzicht in de te verwachten luchtstromingen, operatieve temperaturen en luchtkwaliteit, rekening houdend met de interne warmtebelasting, externe warmtebelasting, componenten van het klimaatbeheerssysteem, vervuilingsbronnen en de indeling van de ruimte. Bij een dergelijke simulatie wordt een geometrie voorzien van een rekengrid waarbinnen onder andere de massa-, energie- en impulsbalansen worden opgelost. Achtereenvolgens worden in de volgende hoofdstukken het onderzoeksdoel, de uitgangspunten en aannames, de resultaten en tenslotte de conclusie beschreven.
P15912332e100
4
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
2 Onderzoeksdoel Door het Ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties is het Programma van Eisen Frisse Scholen (1) uitgegeven. In dit Programma van Eisen worden mogelijke prestatie-eisen betreffende het binnenmilieu en de energiezuinigheid beschreven. Voor diverse thema’s zijn ambitieniveaus vastgesteld van klasse C (acceptabel), klasse B (goed) en klasse A (zeer goed). Beekink installatieadviseurs heeft het totaalconcept Frisse scholen 2.0 ontwikkeld, wat onder andere bestaat uit klimaatbeheerssysteem voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond. Het doel van dit onderzoek is om voor een klaslokaal voorzien van dit klimaatplafond door middel van CFD simulaties te onderzoeken in welke klasse het klimaat valt voor de thema’s Ventilatiecapaciteit, Operatieve temperatuur, Lokaal thermisch discomfort en Verticale temperatuurgradiënt. De eisen per thema staan samengevat in Tabel 1. Thema Ventilatiecapaciteit Operatieve temperatuur
Lokaal thermisch discomfort
Verticale temperatuurgradiënt
Klasse C – Acceptabel
Klasse B – Goed Extra t.o.v. klasse C
Klasse A – Zeer goed Extra t.o.v. klasse B
CO2 concentratie < 1.200 ppm, bij 30 leerlingen en 1 docent Winter: 19 °C < Operatieve temp. < 25 °C Zomer (zichtbare actieve koeling): 22 °C < Operatieve temp. < 27 °C - Luchtsnelheid zomer < 0,23 m/s - Luchtsnelheid winter < 0,19 m/s - DR < 30% (DR conform NEN-ENISO 7730) De verticale temperatuurgradiënt is < 4 K/m
CO2 concentratie < 950 ppm, bij 30 leerlingen en 1 docent Winter: 20 °C < Operatieve temp. < 24 °C Zomer (zichtbare actieve koeling): 23 °C < Operatieve temp. < 26 °C - Luchtsnelheid zomer < 0,20 m/s - Luchtsnelheid winter < 0,16 m/s - DR < 20% (DR conform NEN-ENISO 7730) De verticale temperatuurgradiënt is < 3 K/m
CO2 concentratie < 800 ppm, bij 30 leerlingen en 1 docent Winter: 21 °C < Operatieve temp. < 23 °C Zomer (zichtbare actieve koeling): 23,5 °C < Operatieve temp. < 25,5 °C - Luchtsnelheid zomer < 0,16 m/s - Luchtsnelheid winter < 0,13 m/s - DR < 10% (DR conform NEN-EN-ISO 7730) De verticale temperatuurgradiënt is < 2 K/m
Tabel 1: Eisen per te beoordelen thema en voor iedere klasse uit het Programma van Eisen Frisse Scholen, de eisen gelden voor de leefzone.
Er dient te worden uitgegaan van een klaslokaal met afmetingen 7,5 x 7,4 x 3,2 m. Er zijn 30 kinderen en 1 docent aanwezig. Het binnenklimaat wordt onderzocht voor een zomersituatie en een wintersituatie. Bij de zomersituatie is het lokaal geheel gevuld en wordt rekening gehouden met een buitentemperatuur van 32 °C. Bij de wintersituatie wordt van een leeg lokaal uitgegaan en is de buitentemperatuur -10 °C. Beide scenario’s weerspiegelen de uiterste werkomstandigheden, indien in de winster de interne of externe warmtebelasting toeneemt, zal het systeem meer gaan opereren als in een zomersituatie. Andersom zal in de zomer bij een minder extreme belasting het systeem meer opereren richting de wintersituatie. De CFD simulatie zal in het horizontale vlak en in een doorsnede de temperatuur, operatieve temperatuur, verticale temperatuurgradiënt, luchtsnelheid, Draught rate en CO2 concentratie inzichtelijk maken. Het klimaat zal worden beoordeeld voor de gemiddelde waarde in de leefzone. Onder de leefzone wordt een fictief volume verstaan, 1 m vanuit de buitengevel, 0,2 m uit de binnenwanden en vanaf vloer tot 1,8 m hoogte.
P15912332e100
5
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
3 Uitgangspunten In de volgende paragrafen worden alle uitgangspunten voor de berekening besproken. Er wordt een onderverdeling gemaakt naar de geometrie, de interne warmtebelasting, de externe warmtebelasting, het klimaatbeheerssysteem, CO2 productie en CFD modellering.
3.1 Geometrie De CFD simulaties zijn uitgevoerd voor een fictief klaslokaal met afmetingen 7,5 x 7,4 x 3,2 m. Boven het plafond is een plenum voorzien met een hoogte van 0,15 m. In het lokaal bevinden zich 30 schoolbanken en een bureau voor de docent. Er is één buitenwand waarin zich tevens een raam bevindt, de overige 3 wanden zijn binnenwanden. De vloer is een tussenvloer en het plafond boven het plenum grenst aan de buitenlucht. Er is een whiteboard geplaatst aan één van de binnenwanden. Het plafond bestaat uit een Easy-Klima® klimaatplafond. Lucht wordt boven het plenum ingeblazen en stroomt het lokaal binnen via geperforeerde open stroken in het plafond. Boven de deur bevindt zich een retourrooster. Het gehele volume van het klaslokaal en het plenum is opgenomen in het CFD model. Een overzicht van het toegepaste 3D CFD model wordt weergegeven in Figuur 1 op de volgende pagina.
P15912332e100
6
ONE Simulations
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
7,5 m
7,4 m
Binnenwand
Ventilatieroosters
Schoolbank
Raam
Buitenwand
Verlichting
0,225 m
Binnenwand
Leerling/docent
3,2 m lokaal hoogte 0,15 m plenum hoogte
Whiteboard Binnenwand
Retourrooster
Figuur 1: Overzicht van het 3D CFD model.
P15912332e100
7
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
3.2 Interne warmtebelasting De interne warmtebelasting bestaat uit apparatuur, verlichting en personen. Voor de simulatie van de zomersituatie is uitgegaan van een maximale bezetting waarbij alle leerlingen en de docent aanwezig zijn. Er wordt tevens vanuit gegaan dat elke leerling een ingeschakelde laptop op zijn bureau heeft staan, de docent gebruikt een whiteboard met pc. De verlichting is ingeschakeld. De warmte afgifte van een leerling/docent is 85 W per persoon, in totaal zijn er 30 leerlingen en 1 docent aanwezig. De laptops van de leerlingen produceren 35 W per stuk. In de berekening komt deze warmte vrij aan de bovenzijde van de schoolbanken. De docent maakt gebruik van een pc met digitaal whiteboard welke beide 100 W produceren. Er zijn in totaal 6 verlichtingsarmaturen in het lokaal aanwezig met een vermogen van 54 W per stuk. Voor de simulatie van de wintersituatie is er als negatief scenario vanuit gegaan dat er geen personen aanwezig zijn, geen apparatuur is ingeschakeld en de verlichting tevens niet is ingeschakeld. Er is dan dus geen interne warmtebelasting. In Tabel 2 staat een samenvatting van de interne warmtebelasting voor de zomersituatie. Bron
Aantal
Personen Apparatuur laptops PC docent Digitaal whiteboard Verlichting Totaal
31 30 1 1 6
Warmte afgifte per stuk [W] 85 35 100 100 54
Totale warmte afgifte [W] 2.635 1.050 100 100 324 4.209
Tabel 2: Interne warmtebelasting zomersituatie.
3.3 Externe warmtebelasting De externe warmtebelasting is gebaseerd op door Beekink beschikbaar gestelde warmtedoorgangcoëfficiënten (U-waarden) van de constructiedelen. De referentietemperatuur voor constructiedelen die grenzen aan de buitenlucht is 32 °C voor de zomersituatie en -10 °C voor de wintersituatie toegepast. Er wordt geen rekening gehouden met directe straling door de zon. Voor delen die aan geklimatiseerde ruimten grenzen is de ontwerptemperatuur van 27 °C voor de zomersituatie en 21 °C voor de wintersituatie toegepast. Constructiedeel Vloer Plafond (boven plenum) Buitenwanden Binnenwanden Beglazing
U-waarde [W/m2 K] 2.0 0.315 0.315 2.0 1.2
Tref,zomer [°C] 27 32 32 27 32
Tref,winter [°C] 21 -10 -10 21 -10
Tabel 3: Externe warmtebelasting.
P15912332e100
8
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
3.4 Klimaatbeheerssysteem Het klimaatbeheerssysteem is ontworpen door Beekink en bestaat uit ventilatie in combinatie met een klimaatplafond. Het klimaatplafond is van het merk Easy-Klima®. Het plafond bestaat uit geperforeerde platen met een diameter van 2 mm en heeft een doorlaat van circa 18,7%. Op het grootste deel van de platen liggen waterleidingen welke aan de bovenzijde zijn geïsoleerd waardoor de platen tevens luchtdicht zijn. In de simulatie is voor de zomersituatie de gemiddelde temperatuur van de platen ingesteld op 18 °C en voor de wintersituatie op 24 °C. Boven het plenum wordt lucht ingeblazen die via 2 open stroken (geen leiding en isolatie) het lokaal in stroomt. De lucht wordt boven het plenum over de gehele lengte van het klaslokaal ingeblazen. De open geperforeerde stroken zijn even lang als het lokaal en 22,5 cm breed. Het debiet dat wordt toegevoerd, wordt geregeld op basis van de concentratie CO2 en kan op 2 standen (500 en 1.000 m3/h) worden ingesteld. In de zomersituatie is de inblaastemperatuur ingesteld op 20 °C en wordt 1.000 m3/h lucht ingeblazen. Aangezien er voor de wintersituatie van een leeg lokaal wordt uitgegaan, wordt er bij de wintersituatie 500 m3/h toegevoerd. De inblaastemperatuur is 20 °C. Lucht stroomt retour via een retourrooster boven de deur. Een samenvatting van het klimaatbeheerssysteem wordt weergegeven in Tabel 4. Simulatie Zomersituatie Wintersituatie
Plaattemperatuur plafond [°C] 18 24
Luchtdebiet Inblaastemperatuur [m3/h] [°C] 1.000 20 500 20
Tabel 4: Samenvatting van het klimaatbeheerssysteem.
3.5 CO2 productie De leerlingen en de docent produceren per persoon 0,01 m3/h aan CO2. De achtergrondconcentratie van de toevoerlucht is 350 ppm. In de simulatie wordt voor de zomersituatie uitgegaan van een volledige bezettingsgraad van het klaslokaal en is de CO2 productie 0,31 m3/h (30 leerlingen en 1 docent). In de wintersituatie wordt van een leeg klaslokaal uitgegaan en is er geen productie van CO2.
P15912332e100
9
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
3.6 CFD modellering De simulaties zijn uitgevoerd met behulp van het software pakket ANSYS CFX versie 14.0. Er is een 3D model gecreëerd van het gehele klaslokaal. Vervolgens is het model opgedeeld in een grote hoeveelheid rekencellen. De standaard differentiaalvergelijkingen voor de stroming van fluïda en warmteoverdracht worden voor elke cel opgelost. Er is een aanvullende vergelijking toegevoegd voor het berekenen van de concentratie CO2 en een model voor het modelleren van warmteoverdracht door straling. In Tabel 1 staan de belangrijkste toegepaste randvoorwaarden beschreven. Parameter Cel type Cel grootte Aantal cellen Simulatie type Fluïde Aanvullende vergelijkingen Turbulentie model Straling Warmtebronnen Wanden Toevoerrooster Retourrooster Klimaatplafond
Setting Hybride, combinatie van tetraëders, piramides en prismalagen Dynamisch, variërend tussen 0,005 en 0,2 m 11,2 miljoen Steady state Lucht, gemodelleerd als een ideaal gas CO2, gemodelleerd als een scalaire variabele Shear Stress Transport (SST) model RANS Discrete transfer model, 16 rays, Gray, Participating media De locatie en de hoeveelheid warmte die vrij komt is overeenkomstig met de opgelegde interne warmtebelasting Gladde wand met stilstaande lucht op wand, warmtestroom berekend op basis van U-waarde en referentietemperatuur Opgelegde volumestroom boven het plenum. Temperatuur opgelegd. Vlak met opgelegde volumestroom Opgelegde temperatuur. Geperforeerde deel is 18,7 % open en heeft een opgelegde weerstandcoëfficiënt van 83.
Tabel 1: CFD modellering eigenschappen.
P15912332e100
10
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
4 Resultaten Er is voor zowel de zomer- als een wintersituatie een simulatie uitgevoerd. De simulaties zijn uitgevoerd voor een stabiele situatie op basis van de uitgangspunten zoals vermeld in hoofdstuk 3. Voor beide simulaties worden in het horizontale vlak op 1 m boven de vloer en in twee doorsneden (in twee richtingen in het midden van de ruimte) de temperatuur, operatieve temperatuur, verticale temperatuurgradiënt, luchtsnelheid, Draught rate en CO2 concentratie en gepresenteerd. De operatieve temperatuur wordt berekend volgens de methodiek omschreven in de Cibse Guide A , zie Vergelijking 1 en Vergelijking 2.
(2)
+
= waarin: Top = Trad = Tair = v = =
∙ √10 ∙
Vergelijking 1
1 + √10 ∙
operatieve temperatuur lokale stralingstemperatuur lokale luchttemperatuur lokale luchtsnelheid
[C] [C] [C] [m/s]
∅
Vergelijking 2
waarin: ∅ = ontvangen hoeveelheid stralingswarmte σ = constante van Stefan-Boltzmann
[W/m2] [W/m2K4]
De Draught rate wordt berekend volgens de methodiek omschreven in de norm NEN-EN-ISO 7730 (3), zie Vergelijking 3. = 34 −
,
∙
,
− 0,05
!,"#
∙ 0,37 ∙
Waarin DR = percentage personen met tochtklachten ta,l = lokale gemiddelde temperatuur va,l = lokale gemiddelde snelheid Tu = lokale gemiddelde turbulentie intensiteit
,
∙ % + 3,14 (bij DR > 100%, neem DR = 100%) (20 < ta,l < 26 °C) (bij va,l < 0,05 m/s, neem 0,05 m/s) (10% < Tu < 60%)
Vergelijking 3
[%] [C] [m/s] [%]
Het gemiddelde verticale temperatuurverschil wordt gemeten tussen enkelhoogte (0,1 m boven de vloer) en hoofdhoogte (1,8 m boven de vloer). In de volgende paragrafen worden voor de simulatieresultaten voor de zomer- en wintersituatie besproken.
P15912332e100
11
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
4.1 Zomersituatie De resultaten van de simulatie staan weergegeven in Figuur 2 tot en met Figuur 19. Let op dat de figuren momentopnamen zijn en dat de luchtstroming enigszins varieert in de tijd. Bij dit rapport zijn animaties geleverd om dit dynamische karakter inzichtelijk te maken. De luchttemperatuur is zo goed als overal lager dan 27 °C en is gemiddeld 26,4 °C. Alleen nabij warmtebronnen, zoals personen, apparatuur of verlichting, is de luchttemperatuur lokaal hoger. De operatieve temperatuur is door de lagere temperatuur van het klimaatplafond gemiddeld bijna een graad lager dan de luchttemperatuur en is 25,5 °C, dit valt binnen klasse A. De gemiddelde luchttemperatuur is op hoofdhoogte 26,8 °C en op enkel hoogte 25,8 °C. Hiermee komt het gemiddelde verticale temperatuurverschil uit op 0,6 °K/m, dit valt ook in klasse A. De luchtsnelheid is in de leefzone gemiddeld 0,14 m/s. Lokaal zijn er plekken met hogere luchtsnelheden waarneembaar. Deze plekken zijn niet constant aanwezig maar nivelleren in de tijd. Hetzelfde beeld is ook voor de Draught Rate waarneembaar. Gemiddeld is de Draught Rate 6,9% met lokaal hogere waarde tot circa 20%. Het klimaat val ook wat betreft het lokale thermische discomfort in klasse A. De CO2 concentratie is vrij uniform verdeeld over de ruimte. Het klimaatbeheerssysteem zorgt voor een uniforme verdeling van de toevoerlucht. Op basis van de CO2 bron veroorzaak door de aanwezige personen en het ventilatiedebiet met een achtergrond CO2 concentratie van 350 ppm is in een ideale situatie de CO2 concentratie 660 ppm. De simulatie laat zien dat de CO2 concentratie in de leefzone gemiddeld 678 ppm is. Dit betekent dat de doorspoeling van de ruimte goed is aangezien deze waarde dicht bij de ideale situatie ligt. Voor de beoordeling van het klimaatbeheerssysteem en om te bepalen in welke klasse het valt is uitgegaan van de gemiddelde waarde in de leefzone. De gemiddelde waarde per thema waar op beoordeeld wordt en in welke klasse het klimaat valt, is samengevat in Tabel 5. Thema Temperatuur Operatieve temperatuur Verticale temperatuurgradiënt Luchstsnelheid Draught Rate CO2 concentratie
Gemiddeld in leefzone 26,4 25,5 0,6 0,14 6,9 678
Eenheid °C °C K/m m/s % ppm
Klasse n.v.t. A A A A A
Tabel 5: De gemiddelde waarde in de leefzone per thema waar op beoordeeld wordt, en de klasse waar deze waarde in valt.
P15912332e100
12
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 2: Temperatuur op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 3: Temperatuur in doorsnede 1.
Figuur 4: Temperatuur in doorsnede 2.
P15912332e100
13
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 5: Operatieve temperatuur op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 6: Operatieve temperatuur in doorsnede 1.
Figuur 7: Operatieve temperatuur in doorsnede 2.
P15912332e100
14
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 8: Verticale temperatuur gradiënt op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 9: Verticale temperatuur gradiënt in doorsnede 1.
Figuur 10: Verticale temperatuur gradiënt in doorsnede 2.
P15912332e100
15
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 11: Luchtsnelheid op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 12: Luchtsnelheid in doorsnede 1.
Figuur 13: Luchtsnelheid in doorsnede 2.
P15912332e100
16
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 14: Draught Rate op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 15: Draught Rate in doorsnede 1.
Figuur 16: Draught Rate in doorsnede 2.
P15912332e100
17
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 17: CO2 concentratie op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 18: CO2 concentratie in doorsnede 1.
Figuur 19: CO2 concentratie in doorsnede 2.
P15912332e100
18
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
4.2 Wintersituatie De resultaten van de simulatie staan weergegeven in Figuur 20 tot en met Figuur 34. Let op dat de figuren momentopnamen zijn en dat de luchtstroming enigszins varieert in de tijd. De luchttemperatuur bevindt zich tussen de 20 en 21 °C en is vrij constant in de ruimte, gemiddeld 20,6 °C. Aangezien het klaslokaal leeg is zijn er geen thermische effecten door warmtebronnen, zoals personen, apparatuur of verlichting. Het klimaatplafond staat ingesteld op een plaattemperatuur van 24 °C. De operatieve temperatuur is hierdoor circa een halve graad hoger dan de luchttemperatuur en komt gemiddeld op 21,1 °C, dit valt in klasse A. De gemiddelde luchttemperatuur is op hoofdhoogte 20,6 °C en op enkel hoogte 20,5 °C. Hiermee komt het gemiddelde verticale temperatuurverschil uit op 0,06 °K/m en valt deze ook in klasse A. De luchtsnelheid is in de leefzone gemiddeld 0,06 m/s. Lokaal zijn er plekken met hogere luchtsnelheden waarneembaar tot zeer lokaal maximaal 0,15 m/s. Deze plekken zijn niet constant aanwezig maar nivelleren in de tijd. Hetzelfde beeld is ook voor de Draught Rate waarneembaar. Gemiddeld is de Draught Rate 3,1% met lokaal hogere waarde tot circa 15%. Wat betreft het lokale thermische discomfort valt het klimaat ook in klasse A. De CO2 concentratie is voor de wintersituatie niet beoordeeld, omdat er van een leeg klaslokaal wordt uitgegaan en er dus ook geen bron aanwezig is. Voor de beoordeling van het klimaatbeheerssysteem en om te bepalen in welke klasse het valt is uitgegaan van de gemiddelde waarde in de leefzone. De gemiddelde waarde per thema waar op beoordeeld wordt en in welke klasse het klimaat valt, is samengevat in Tabel 5. Thema Temperatuur Operatieve temperatuur Verticale temperatuurgradiënt Luchstsnelheid Draught Rate CO2 concentratie
Gemiddeld in leefzone 20,6 21,1 0,06 0,06 3,1 n.v.t.
Eenheid °C °C K/m m/s % ppm
Klasse n.v.t. A A A A -
Tabel 6: De gemiddelde waarde in de leefzone per thema waar op beoordeeld wordt, en de klasse waar deze waarde in valt.
P15912332e100
19
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 20: Temperatuur op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 21: Temperatuur in doorsnede 1.
Figuur 22: Temperatuur in doorsnede 2.
P15912332e100
20
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 23: Operatieve temperatuur op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 24: Operatieve temperatuur in doorsnede 1.
Figuur 25: Operatieve temperatuur in doorsnede 2.
P15912332e100
21
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 26: Verticale temperatuur gradiënt op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 27: Verticale temperatuur gradiënt in doorsnede 1.
Figuur 28: Verticale temperatuur gradiënt in doorsnede 2.
P15912332e100
22
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 29: Luchtsnelheid op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 30: Luchtsnelheid in doorsnede 1.
Figuur 31: Luchtsnelheid in doorsnede 2.
P15912332e100
23
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Figuur 32: Draught Rate op 1,0 m boven de vloer.
Figuur 33: Draught Rate in doorsnede 1.
Figuur 34: Draught Rate in doorsnede 2.
P15912332e100
24
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
5 Conclusie Het is van groot belang om een goed klimaat in een klaslokaal te realiseren voor optimale leerprestaties en een gezonde omgeving voor leerlingen en leerkrachten. Door het Ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties is het Programma van Eisen Frisse Scholen (1) uitgegeven. In dit Programma van Eisen worden mogelijke prestatie-eisen beschreven betreffende het binnenmilieu en de energiezuinigheid. Voor diverse thema’s zijn ambitieniveaus vastgesteld van klasse C (acceptabel), klasse B (goed) en klasse A (zeer goed). Beekink installatieadviseurs heeft het totaalconcept Frisse scholen 2.0 ontwikkeld, wat onder andere bestaat uit een klimaatbeheerssysteem voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond. Op verzoek van Beekink is het klimaat, in een klaslokaal voorzien van dit systeem, door middel van Computational Fluid Dynamics (CFD) simulaties onderzocht. Het doel van dit onderzoek was om te bepalen in welke klasse het klimaat valt voor de thema’s Ventilatiecapaciteit, Operatieve temperatuur, Lokaal thermisch discomfort en Verticale temperatuurgradiënt. De eisen per thema staan samengevat in Tabel 1. Thema Ventilatiecapaciteit Operatieve temperatuur
Lokaal thermisch discomfort
Verticale temperatuurgradiënt
Klasse C – Acceptabel
Klasse B – Goed Extra t.o.v. klasse C
Klasse A – Zeer goed Extra t.o.v. klasse B
CO2 concentratie < 1.200 ppm, bij 30 leerlingen en 1 docent Winter: 19 °C < Operatieve temp. < 25 °C Zomer (zichtbare actieve koeling): 22 °C < Operatieve temp. < 27 °C - Luchtsnelheid zomer < 0,23 m/s - Luchtsnelheid winter < 0,19 m/s - DR < 30% (DR conform NEN-ENISO 7730) De verticale temperatuurgradiënt is < 4 K/m
CO2 concentratie < 950 ppm, bij 30 leerlingen en 1 docent Winter: 20 °C < Operatieve temp. < 24 °C Zomer (zichtbare actieve koeling): 23 °C < Operatieve temp. < 26 °C - Luchtsnelheid zomer < 0,20 m/s - Luchtsnelheid winter < 0,16 m/s - DR < 20% (DR conform NEN-ENISO 7730) De verticale temperatuurgradiënt is < 3 K/m
CO2 concentratie < 800 ppm, bij 30 leerlingen en 1 docent Winter: 21 °C < Operatieve temp. < 23 °C Zomer (zichtbare actieve koeling): 23,5 °C < Operatieve temp. < 25,5 °C - Luchtsnelheid zomer < 0,16 m/s - Luchtsnelheid winter < 0,13 m/s - DR < 10% (DR conform NEN-EN-ISO 7730) De verticale temperatuurgradiënt is < 2 K/m
Tabel 7: Eisen per te beoordelen thema en voor iedere klasse uit het Programma van Eisen Frisse Scholen, de eisen gelden voor de leefzone.
De studie is uitgevoerd voor een zomer- en wintersituatie. Het klaslokaal is fictief en heeft de veel gebruikte afmetingen 7,5 x 7,4 x 3,2 m. In het lokaal bevinden zich 30 schoolbanken en een bureau voor de docent. De interne warmtebelasting bestaat uit apparatuur, verlichting en personen. Bij de zomersituatie wordt rekening gehouden met een buitentemperatuur van 32 °C . Er is verder uitgegaan van een maximale bezetting waarbij alle leerlingen en de docent aanwezig zijn. Elke leerling heeft een ingeschakelde laptop op zijn bureau en de docent gebruikt een digitaal whiteboard met pc. Alle verlichting is tevens ingeschakeld. Voor de simulatie van de wintersituatie is van een buitentemperatuur van -10 °C uitgegaan. Als negatief scenario is er verder vanuit gegaan dat er geen personen aanwezig zijn, geen apparatuur is ingeschakeld en de verlichting tevens niet is ingeschakeld. Er is dan dus geen interne warmtebelasting. Beide scenario’s weerspiegelen de uiterste werkomstandigheden, indien in de winster de interne of externe warmtebelasting toeneemt, zal het systeem meer gaan opereren als in een zomersituatie. Andersom zal in de zomer bij een minder extreme belasting het systeem meer opereren richting de wintersituatie.
P15912332e100
25
ONE Simulations
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
Voor de beoordeling van het klimaatbeheerssysteem en om te bepalen in welke klasse het valt is uitgegaan van de gemiddelde waarde in de leefzone. De gemiddelde waarde per thema waar op beoordeeld wordt en in welke klasse het klimaat valt, is samengevat Tabel 8. Thema Temperatuur Operatieve temperatuur Verticale temperatuurgradiënt Luchstsnelheid Draught Rate CO2 concentratie
Zomersituatie Gemiddeld in leefzone 26,4 25,5 0,6 0,14 6,9 678
Klasse n.v.t. A A A A A
Wintersituatie Gemiddeld in leefzone 20,6 21,1 0,06 0,06 3,1 n.v.t.
Eenheid Klasse n.v.t. A A A A n.v.t.
°C °C K/m m/s % ppm
Tabel 8: De gemiddelde waarde in de leefzone per thema waar op beoordeeld wordt, en de klasse waar deze waarde in valt.
De bovenstaande waarden zijn de gemiddelden in de leefzone. Lokaal zijn er afwijkingen van dit gemiddelde waarneembaar. Voor de zomersituatie is de luchttemperatuur zo goed als overal lager dan 27 °C. Alleen nabij warmtebronnen, zoals personen, apparatuur of verlichting, is de temperatuur lokaal hoger. De operatieve temperatuur is door de lagere temperatuur van het klimaatplafond gemiddeld bijna een graad lager dan de luchttemperatuur. Er zijn een paar plaatsen waarneembaar waar de luchtsnelheid hoger dan gemiddeld is. Deze plekken zijn niet constant aanwezig maar nivelleren in de tijd. Hetzelfde beeld is ook voor de Draught Rate waarneembaar. Bij dit rapport zijn animaties geleverd om dit dynamische karakter inzichtelijk te maken. De CO2 concentratie is vrij uniform verdeeld over de ruimte. Het klimaatbeheerssysteem zorgt voor een uniforme verdeling van de toevoerlucht. Op basis van de CO2 bron veroorzaak door de aanwezige personen en het ventilatiedebiet met een achtergrond CO2 concentratie van 350 ppm is in een ideale situatie de CO2 concentratie 660 ppm. De simulatie laat zien dat de CO2 concentratie in de leefzone gemiddeld 678 ppm is. Dit betekent dat de doorspoeling van de ruimte goed is aangezien deze waarde dicht bij de ideale situatie ligt. Voor de wintersituatie bevindt de luchttemperatuur zich tussen de 20 en 21 °C. Het klimaatplafond staat ingesteld op een plaat temperatuur van 24 °C, de operatieve temperatuur is hierdoor gemiddeld circa een halve graad hoger dan de luchttemperatuur. Lokaal zijn er plekken waarneembaar met luchtsnelheden tot maximaal 0,15 m/s. Deze plekken zijn net als bij de zomersituatie niet constant aanwezig maar nivelleren in de tijd. Hetzelfde beeld is ook weer voor de Draught Rate waarneembaar. Over het algemeen kan gesteld worden dat het door Beekink installatieadviseurs ontwikkelde klimaatbeheerssysteem voorzien van het Easy-Klima® klimaatplafond in klasse A valt alle onderzochte thema’s, Ventilatiecapaciteit, Operatieve temperatuur, Lokaal thermisch discomfort en Verticale temperatuurgradiënt uit het Programma van Eisen Frisse Scholen.
P15912332e100
26
Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond
ONE Simulations
Referenties 1. Programma van Eisen Frisse Scholen. sl : Agentschap NL Minesterie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijkrelaties, april 2012. 2. Guide A: Environmental Design. sl : CIBSE, 2006. 3. Norm NEN-EN-ISO 7730. Ergonomics of the thermal environment - Analythical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. Delft : Nederlands Normalisatie-instituut, december 2005.
P15912332e100
27
