Simulations - Frisse Scholen 2.0

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