I390

Koelbehoefteberekening – kleine ruimten

Bekijk de transponeringstabel om te zien welke wetsartikelen uit het BB overeenkomen met die uit het BBL.

Inleiding

Aan de hand van de in een andere module besproken rekenmethode worden enkele voorbeelden weergegeven van de berekening van de koelbehoefte van kleine ruimten.

Voorbeelden

Voorbeeld 1: koelbehoefte kantoorvertrek

Voor dit voorbeeld wordt een tussenvertrek op de bovenste laag van een kantoorgebouw geno­men.

figuur 1: voorbeeld 1, kantoorvertrek

Het betreft een gebouw met vrij veel massa (SWM=80 kg/m2). De borstwering heeft een massa van 300 kg/m2. Het dak bestaat uit beton met verlaagd plafond. De oriëntatie van het vertrek is West. Verdere gegevens zijn:

  • netto hoogte : 2,7 m
  • gevel breedte : 3,6 m
  • vertrekdiepte : 5,4 m
  • glasoppervlakte : 2,9 m2 (30% van inw. geveloppervlakte)
  • glassoort : dubbel glas
  • zonwering : buitenzonwering (jaloezieën)
  • bezetting : 2 personen, 100% aanwezig
  • verlichting : TL-verlichting met luchtafvoer
  • apparatuur : 1 PC/persoon
  • ontwerp-binnentemperatuur : 25 oC
  • ontwerp-buitentemperatuur : 28 oC
  • infiltratie : 0,3-voud

Omdat de oriëntatie West is, treedt de maximale belasting op om ongeveer 16 uur zonnetijd

(zie tabel). Om de invloed van het type zonwering en grotere ramen na te gaan worden de berekeningen herhaald voor binnenzonwering en glaspercentages van 60 en 90%. De koelbehoefte bij 30 % glas en ZTA = 0,15 is:

Φz,gl = z.Agl.ZTA.qconv = 1 . 2,9 . 0,15 . 340 = 148 W
Φtr,gl = U.Agl.(θe-θi) = 3,0 . 2,9 . (28 – 25) = 26
Φz,w, borstw = a.Awi.qw = 0,7 . (2,7 . 3,6 – 2,9) . 1,9 = 11
Φz,w, dak = 0,7 . 3,6 . 5,4 . (-3,9) = -53
Φinf = 0,3 . 3,6 . 2,7 . 5,4 . 1,2 . 1000 . (28-25) / 3600 = 16
Φp = 2 . 80 = 160
Φl = 5 . 3.6 . 5.4 = 97
Φa = 2 . 100 = 200
Φk = 605 W

De specifieke koelbehoefte is:

Φk,sp = Φk / Avl = 605 / (3,6 x 5,4) = 31 W/m2

Systeemkeuze bij mechanische koeling

Uit tabel 1 blijkt dat voor deze specifieke koelbehoef­te een VAV-systeem een geschikte keuze is, omdat dit systeem ten minste een even groot specifiek koelvermogen kan leveren.

systeem ventilatievoud ruimtehoogte in meter
h-1 2,4 2,7 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0
Δθ = 6oC 8oC 10oC 12oC 12oC 12oC 12oC
A VAV of CAV 1) 3 15 2) 20 30 40 50 60 70
4 20 30 40 55 65 80 95
5 25 35 50 70 80 100 120
6 30 45 60 85 95 120 145
B kwelventilatie 3) 8 – 30 35 4) 4) 4) 4)
C inductie / fan-coil 10 50 75 100 140 160 200 240
D plafondkoeling 5) of betonkernactivering – 60 60 60 60 60 60 60
E vloerkoeling 5) – 20 20 20 20 20 20 20
F zuivere verdringing 6) 250 800 900 1000 1150 1350 1500 2000
A+D 2 70 75 80 90 90 100 110
3 75 80 90 100 110 120 130
4 80 90 100 115 125 140 155
6 85 100 100 140 155 180 205
B + D 8 – 80 85 4) 4) 4) 4)
C + D 10 90 100 100 140 160 200 240

tabel 1: specifiek koelvermogen in W/m2 vloeroppervlakte van verschillende systemen en combinaties van systemen bij verschillende ruimtehoogten

1) Voor “volledig lucht”-systemen (A) tot 6-voudige ventilatie. Bij hogere ventilatievouden zijn deze systemen economisch niet verantwoord.
2) Bij de cursief gedrukte waarden is met natuurlijke koeling te volstaan.
3) Δθ max. 4 oC, bij hogere ruimten – afhankelijk van de ruimtefunctie – eventueel meer.
4) Hiervan is onvoldoende bekend.
5) Deze systemen toepassen in combinatie met een systeem waarmee geventileerd wordt.
6) Toepassing alleen in bijzondere ruimten.

Uit deze tabel is verder af te leiden dat voor een ruimtehoog­te van 2,7 m met een VAV-systeem een ventilatievoud van ruim 4 nodig is. Deze uitkomst is als volgt te verifiëren.

Wordt de ruimte gekoeld met lucht van 17 oC (Δθ = 8 oC, zie tabel 2), dan moet met dit systeem een hoeveelheid lucht worden toegevoerd van:

hoogte van de ruimte Δθ m oC
2,4 6
2,7 8
3,0 10
3,5 12
4,0 15

tabel 2: maximaal temperatuurverschil bij toevoer van gekoelde lucht

qv = Φk / (ρ . c . Δθ) = 605 / (1,2 . 1000 . 8) = 0,063 m3/s = 227 m3/h

Dit komt overeen met een ventilatievoud van:

n = qv / V = 227 / (3,6 x 5,4 x 2,7) = 4,3 h-1

Dit is goed. De praktijk laat zien dat bij luchtkoeling het ventilatievoud bij voorkeur niet beneden de 2 moet liggen om een slechte luchtverdeling – met te grote temperatuurverschillen in de “leef-zone” – te voorkomen. Meer dan 10-voud geeft kans op tocht.

Een onnodig hoog ventilatievoud is aan de andere kant om energetische redenen ook niet wenselijk. Met een ventilatievoud van 2 wordt voor een kantoor al voldaan aan het Bouwbesluit (eis: 1,3 dm3/s.m2 = 4,7 m3/h.m2).

Natuurlijke ventilatie

Zou de ruimte op natuurlijke wijze worden gekoeld, dan is de benodigde ventilatie en de oppervlakte van de raamopeningen te berekenen door uit te gaan van een tempe­ratuurverhoging van 3 oC. Hieruit volgt een luchthoeveelheid van:

qv,nv = Φk / (ρ . c . Δθ) = 605 / (1,2 . 1000 . 3) = 0,17 m3/s

Het daarbij behorende ventilatievoud is:

nnv = qv,nv . 3600 / V = 0,17 . 3600 / (3,6 x 5,4 x 2,7) = 11,6 h-1

Dit is voor verblijfsruimten te hoog en kan tot tochtklachten leiden. Zou toch worden besloten om deze ruimte natuurlijk te koelen dan zou, volgens de eerste benadering en uitgaande van raamopeningen op de zelfde hoogte in de gevel die zowel voor toevoer als afvoer dienen en uitgaande van een luchtsnelheid van 0,4 m/s, daarvoor een totale oppervlakte aan raamopeningen nodig zijn van:

Atot = 1,4 . 2 . qv / v = 1,4 . 2 . 0,17 / 0,4 = 1,2 m2

Een iets nauwkeuriger benadering is mogelijk met:

Ao,tot = y . Φk / (130 . Δθ1,5 . h0,5) = 2,4 . 605 / (130 . 31,5 . 2,70,5) = 1,3 m2

Invloed glaspercentage en type zonwering op koelbehoefte

Bij andere glaspercentages en binnenzonwering vinden we koelbehoeften en ventilatievouden zoals in het volgende overzicht. Hieruit blijkt dat hoge glaspercentages in combinatie met binnenzonwering dramatische gevolgen heeft voor de koelbehoefte en daarmee voor de systeemkeuze, zeker als je bedenkt dat een ventilatievoud van meer dan 10 tot tochtklachten kan leiden.

buitenzonwering binnenzonwering
ZTA = 0,15 ZTA = 0,5
  glaspercentage: 30 60 90 30 60 90
Φz,gl [W] 148 296 444 899 1798 2697
Φtr,gl [W] 26 52 78 26 52 78
Φz,w (borstw) [W] 11 7 2 11 7 2
Φz,w (dak) [W] -53 -53 -53 -53 -53 -53
Φinf  [W] 16 16 16 16 16 16
Φp  [W] 160 160 160 160 160 160
Φl  [W] 97 97 97 97 97 97
Φa  [W] 200 200 200 200 200 200
Φk [W] 605 775 944 1356 2255 3197
Φk,sp [W] 31 40 49 70 116 164
nkoeling  (Δθ=8 oC) h-1 4,3 5,5 6,7 9,7 16,1 22,9
nnv      (Δθ=3 oC) h-1 11,5 14,7 17,9 25,9 42,9 60,9
Invloed op systeemkeuze

Uit het voorgaande overzicht en de tabel blijkt dat een VAV-systeem een verantwoorde keuze is, mits buitenzonwering wordt toegepast en het glaspercentage niet meer is dan ca. 60%. Bij toepassing van 90% glas is een inductie- of een ventilatorconvector-systeem nodig. Ook voldoet de combinatie VAV + koelpla­fond. Verder blijkt uit tabel 1 dat bij 30% glas met binnenzonwering ten minste een inductie- of een ventilatorconvector-systeem nodig is. Bij meer dan 30% glas en binnenzonwering is er geen systeem dat voor een comfortabel binnenklimaat kan zorgen.

Invloed glaspercentage, type zonwering, interne belasting en specifiek werkzame massa

De interne warmtebelasting is in dit voorbeeld totaal 23,5 W/m2. Voor een kantoorgebouw dat de opdrachtgever zelf gaat gebruiken, kan dit een reële waarde zijn. Bij een kantoorgebouw voor “de markt” met onbekende bezetting of bedoeld voor flexibel gebruik wordt meestal met een interne belasting van 40 W/m2 gerekend. Voor het kantoorvertrek uit het voorbeeld zijn meer berekeningen gemaakt met verschillende interne belastingen, glaspercentages, typen zonwering en specifiek werkende massa’s. De resultaten – uitgedrukt in specifieke koelbehoefte – staan in de volgende tabel en zijn in figuur 2 grafisch weergegeven.

figuur 2: invloed zonwering, glaspercentage en gebouwmassa op koellast

buitenzonwering zonwerend glas binnenzonwering
ZTA = 0,15 ZTA = 0,3 ZTA = 0,5
glaspercentage
interne belasting [W/m2] SWM [kg/m2] 30 60 90 30 60 90 30 60 90
0 50 13 24 36 23 45  67  51 101 151
80 11 20 29 19 36  53  46  97 144
20 50 33 44 56 43 65  87  71 121 171
80 31 40 49 39 56  73  66 117 164
35 50 48 57 71 58 80 102  86 136 186
80 46 55 64 54 71  88  81 132 179
50 50 63 74 86 73 95 117 101 151 201
80 61 70 79 69 86 103  96 147 194

Voorbeeld 2: koelbehoefte hoekvertrek

Voor dit voorbeeld wordt het kantoorvertrek uit voorbeeld 1 genomen, met als verschil dat de zuidzijde een gevel is met een raam dat net zo groot is als het raam in de westgevel, zie figuur 3.

figuur 3: voorbeeld 2, hoekvertrek

Als berekeningstijdstip wordt daarom 16 uur zonnetijd genomen. De belasting via de zuidgevel is op dat moment:

Φz,gl = z.Agl.ZTA.qconv.fd = 1 . 2,9 . 0,15 . 310 . 0,8 = 108 W
Φtr,gl = U.Agl.(θe-θi) = 3,0 . 2,9 . (28 – 25) = 26
Φz,w = a.Awi.qw = 0,7 . (2,7 . 5,4 – 2,9) . 1,6 = 13
145 W

De totale koelbehoefte van de ruimte wordt daardoor:

Φk = 605 + 145 = 750 W

En de specifieke koelbehoefte:

Φk,sp = Φk / Avl = 750 / (3,6 x 5,4) = 39 W/m2

Voorbeeld 3, Koelbehoefte kantoortuin met ramen op 3 oriëntaties

Dit voorbeeld betreft een ruimte op de bovenste laag van een kantoorgebouw, zie figuur 4.

figuur 4 voorbeeld 3, kantoortuin

De ruimte heeft, mede door de vele ramen, een geringe Specifiek Werkende Massa (SWM=50 kg/m2). Het gesloten gedeelte van de buitenmuur heeft een massa van 200 kg/m2. Het dak is van beton met daaronder een verlaagd plafond. De geveloriëntaties zijn NO, ZO en ZW. Aan de NW-zijde grenst de kantoortuin aan een verkeersruimte. Verdere gegevens zijn:

  • netto hoogte 2,7 m
  • lengte NO-gevel 18,0 m
  • lengte ZO-gevel 12,6 m
  • lengte ZW-gevel 18,0 m
  • glasoppervlakte NO 9,0 m2
  • glasoppervlakte ZO 12,0 m2
  • glasoppervlakte ZW 18,0 m2
  • beglazing speciaal zonwerend glas ZTA=0,37 U=1,8 W/(m2K)
  • bezetting 18 personen
  • verlichting “TL”-verlichting (luchtafvoer via armaturen)
  • apparatuur 18 PC’s en 3 printers
  • ontwerp-binnentemperatuur 25 oC
  • ontwerp-buitentemperatuur 28 oC
  • infiltratie 0,3-voud

Omdat er ramen op verschillende oriëntaties zitten moet de koelbehoefte voor meerdere tijdstippen worden berekend. De “constante” delen van de koelbehoefte zijn bij elkaar genomen:

Φtr,gl, gevel = U.Agl.(θe-θi) = 1,8 . (9+12+18) . (28-25) = 211
Φz,w, gevel NO = a.Awi.qw = 0,7 . (18,0 . 2,7 – 9) . (-1,1) = -30
Φz,w, gevel ZO = 0,7 . (12,6 . 2,7 – 12) . 1,6 = 25
Φz,w, gevel ZW = 0,7 . (18,0 . 2,7 – 18) . 6,8 = 146
Φz,w, dak = 0,7 . 18,0 . 12,6 . (-3,9) = -619
Φinf = 0,3 . 18 . 12,6 . 2,7 . 1,2 . 1000 . (28-25) / 3600 = 184
Φp = 18 . 80 = 1440
Φl = 5 . 18 . 12,6 = 1134
Φa = (18 . 100 + 3. 100) = 2100
Φk, vast = 4591 W

 

De variabele delen van de koelbehoefte zijn:

Φz,gl, NO = z . Agl . ZTA . qconv . fd = 1 .   9 . 0,37 . 330 . fd =  1099.fd
Φz,gl, ZO = = 1 . 12 . 0,37 . 450 . =  1998.fd
Φz,gl, ZW = = 1 . 18 . 0,37 . 450 . fd =  2997.fd

 

Met de fd -waarden uit de tabel leidt dit voor verschillende tijdstippen tot het volgende overzicht:

8 uur 9 uur 10 uur 13 uur 16 uur
Φz,gl, NO = 1099.fd = 1099   989   879   659   549
Φz,gl, ZO = 1998.fd = 1399 1798 1998 1598 1199
Φz,gl, ZW = 2997.fd =   899   899 1199 2098 2997
Φk, variabel 3397 3686 4076 4355 4745
Φk, constant 4591 4591 4591 4591 4591
Φk, totaal 7988 8277 8667 8946 9336 W

De maximale koelbehoefte is 9336 W. De maximale specifieke koelbehoefte wordt daardoor:

Φk,sp = Φk / Avl = 9336 / (18 x 12,6) = 41 W/m2

Systeemkeuze

Uit tabel 1 blijkt dat een VAV-systeem een geschikte keuze is en dat voor een ruimtehoogte van 2,7 m een ventilatievoud van bijna 6 nodig is. Deze uitkomst is als volgt te verifiëren. Bij koeling met lucht van 17 oC (Δθ = 8 oC, zie tabel 2) moet met dit systeem een hoeveelheid lucht worden toegevoerd van:

qv = Φk / (ρ . c . Δθ) = 9336 / (1,2 . 1000 . 8) = 0,97 m3/s = 3500 m3/h

Dit komt neer op een ventilatievoud van:

n = qv / V = 3500 / (18 x 12,6 x 2,7) = 5,7 h-1

De praktijk laat zien dat bij luchtkoeling het ventilatievoud meer dan 2 moet zijn om een slechte luchtverdeling en grote temperatuurverschillen in de “leefzone” te voorkomen. Meer dan 10-voud geeft kans op tocht. De berekende 5,7-voud voldoet dus.

Auteurs
    dr.ir. Peter van den Engel
    ir. John van der Vliet
    ir. Leo de Ruijsscher
    Martine Verhoeven
Tags
kantoortuin
koelbehoefte
systeemkeuze
VAV
ventilatievoud
zonwering