De luchtverversing op de arbeidsplaatsenCO2 als indicator voor een goede verluchting

dr. ir. Tom Geens en dr. Roland Temmerman

Studienamiddag PCBA Oost-Vlaanderen & PrebesOmgevingsfactoren op de arbeidsplaatsen

28 november 2014PAC Zuid Gent

http://goo.gl/73A8pj

Over Provikmo vzw

www.provikmo.be– Afdeling medisch toezicht

(+110 bedrijfsartsen voor +35000 bedrijven)– Afdeling risicobeheersing (vele PA veiligheid niv 1 & 2 of

andere specialisten: +50 ings, irs, psychologen/sociologen, ergonomen, arbeidshygiënisten, veiligheidsdeskundigen,…)

• Team ergonomie, psychosociaal, veiligheid• Team bedrijfshygiëne• Team metingen

– Studie- en documentatiedienst (stafdienst)• Team documentatiedienst• Team wetenschappelijk onderzoek

Externe Dienst voor Preventie en Bescherming op het Werk

2

Over BSOH vzw

www.bsoh.be– gewijd aan de discipline en de toepassing van de

arbeidshygiëne– bestuurd door twaalfkoppige raad (ervaren

arbeidshygiënisten werkzaam bij de universiteiten, overheid, externe diensten en bedrijven)

– met een honderdtachtig leden actief in arbeidshygiëne (arbeidshygiënisten, artsen, fysici, chemici, ingenieurs, consultants, andere professionals…)

– lidmaatschap €50 per jaar, drie studiedagen met lunch en maandelijkse nieuwsbrief inbegrepen

Belgian Society for Occupational Hygiene

3

Inhoud

Inleiding– Binnenluchtkwaliteit– CO2 als tracer– Toetsingkader CO2 / debiet– Meetapparatuur CO2 / debiet– Rekenmodellen

ProbleemstellingMateriaal en methodenResultatenConclusies

Overzicht

4

Inleiding

Indoor Air Quality / IAQ:• in en rond gebouwen en structuren• gerelateerd met gezondheid en comfort van mensen• te objectiveren via samenspel van factoren

– chemische (CO, CO2, Radon, Ozon, VOCs,…) – biologische (bacteriën, schimmels,…) – fysische (Temp, RV, luchtsnelheid,…)

• … en het subjectieve oordeel van de groep mensen?• eerder comfortbenadering dan toxicologische

Binnenluchtkwaliteit

5

Inleiding

Indoor Air Quality / IAQ:• Neemt af naarmate emissies toenemen (VOCs uit vaste

stoffen of vloeistoffen, CO2 uit verbranding, ademhaling mensen/dieren) …

• Neemt toe naarmate – emissies afnemen – vervuilde lucht wordt verdund met niet-vervuilde lucht

• Hoe?– uitschakelen aan de bron– passende werkprocessen, maatregelen, uitrusting,…– collectieve beschermingsmaatregelen (ventilatie)– (individuele beschermingsmaatregelen)

Binnenluchtkwaliteit

6

InleidingBinnenluchtkwaliteit

download link:http://goo.gl/vwFxLX

7

Inleiding

Indoor Air Quality / IAQ:• Bronaanpak: elimineren

– bouw/afwerking/inrichting…– allergenen via planten, bloemen, tapijten, dieren…– schimmel en bacteriegroei tgv vochtplekken, slecht

onderhouden HVAC systemen,…• Collectieve aanpak: ventileren

– CO2, zweet, geuren van de mensen,… afvoeren– Actief via HVAC en/of Passief ventileren via

» roosters (inefficient), kipramen (efficient) (continu: ventilatie)» kieren en spleten (onbeheersbaar, continu: infiltratie)» open ramen en deuren bij ontoereikende ventilatie

(beheersbaar, discontinu: spuien of luchten)

Binnenluchtkwaliteit

8

Inleiding

Indoor Air Quality / IAQ:• Ventilatie: vervuilde lucht verdunnen met verse lucht• Ventilatievoud/graad/… om de verversing/reiniging/

dilutie van vervuilde lucht te kwantificeren– debiet hoeveelheid verse lucht per tijdseenheid (Q)– moet ter toetsing betrokken worden op de werkelijke

bezettingsgraad (Q/p)– kan ook per lokaal, verdieping,…

(Q/m²,KVH/ACH/AER/nL,…)• Soorten ventilatie

– Natuurlijk (zonder enig mechanisch systeem, passief)» ramen, deuren, kieren, spleten,…» T, P en RV verschillen (stack effect)

– Geforceerd of mechanisch (met HVAC, actief)

Binnenluchtkwaliteit

9

Inleiding

Indoor Air Quality / IAQ:• Doel = maat voor binnenluchtkwaliteit/luchtverversing• Het verseluchtdebiet Q levert ons deze info• Q is een begrip uit de meet- en regeltechniek

– preventieadviseurs hier niet altijd mee vertrouwd– volgende slides:

» hoe Q meten of afleiden?» hoe toetsen ten opzichte van comfortrichtwaarden?

Binnenluchtkwaliteit

10

Inleiding

Q meten…• Doel = maat voor binnenluchtkwaliteit/luchtverversing• eenvoudig voor een buis via luchtsnelheid

– debiet = snelheid * oppervlak of Q = v * a– bv. luchtsnelheid v = 1 m/s of 100 cm/s en a = 100 cm² – Q = v * a = 10000 cm³/s of 10 l/s

Binnenluchtkwaliteit

Inleiding

Q meten…• Doel = maat voor binnenluchtkwaliteit/luchtverversing• complex voor (deel van) gebouw met/zonder HVAC

– Locatie stad/platteland; volume (l*b*h) gebouw; windrichting

– windsnelheid; mogelijke ventilatieroutes (oppervlakken)…– Q = ??

Binnenluchtkwaliteit

Luchtsnelheidsmetingen in venster- en deuropeningen

onbruikbaar!

Hoe Q afleiden??12

Inleiding

CO2 als tracer• Mensen ademen lucht in met 400 ppm CO2

• Mensen ademen lucht uit met 40000 ppm CO2

• Ze zijn een sterke bron van binnenluchtverontreiniging!

Binnenluchtkwaliteit

Gassen Concentratie in lucht voor inademen (%)

Concentratie in lucht bij uitademen (%)

O2 20,95 17,05

CO2 0,03 3,93

N2 78,09 78,09

edelgassen 0,93 0,93

13

Inleiding

CO2 als tracer• Doel = maat voor binnenluchtkwaliteit/luchtverversing• Oplossing: massabalans voor goeie tracer zoals CO2• Toename, steady state en afname van CO2 ~ Q• dM/dt=Merin– Meruit + Pin

– in steady state is dM/dt = 0– Massaflow (mg/s) erin = Q (m³/s) * CCO2, erin (mg/m³)– Massaflow (mg/s) eruit = Q (m³/s) * CCO2, eruit (mg/m³)– Massaflow geproduceerd in het systeem = PCO2, in (mg/s)– Q*(CCO2, erin – CCO2, eruit) + Pin = 0– Q= Pin / (CCO2, eruit – CCO2, erin)– mg/m³ vervangen ppm als P & T gekend & cte

Binnenluchtkwaliteit

14

Inleiding

CO2 als tracer• Q= PCO2, in / (CCO2, eruit – CCO2, erin)• Goede tracer: CO2 is verontreinigende

component van binnenlucht met de hoogste productiesnelheid

• Deze productiesnelheid correleert positief met de humane metabole activiteit én de bezettingsgraad

• Toename, steady state en afname van concentratie leren ons iets over de kwaliteit van de binnenlucht

• Productie per persoon gemiddeld 0.005 l/s(0.3 l/min of 18 l/h) of in ppm (l/s / l/s): 5000/1000000 = 5000 ppm*l/s

Binnenluchtkwaliteit

15

Inleiding

CO2 als tracer• Q= PCO2, in / (CCO2, eruit – CCO2, erin)• CO2 die in ons systeem komt, komt met de verse lucht

van buitenaf mee naar binnen• ~ 400 ppm of 0,04% buitenlucht (21% O2, rest N2)

Binnenluchtkwaliteit

16

Inleiding

CO2 als tracer • Q= PCO2, in / (CCO2, eruit – CCO2, erin)• CO2 die uit ons systeem gaat, wordt met de vervuilde

lucht naar buiten afgevoerd door ventilatie• Dit is de enige onbekende (X) in de vergelijking!• Q = 5000 ppm*l/s / (X ppm – 400 ppm)• vb. X (steady state concentratie binnen) = 900 Q = 5000 l/s / (900 - 400) = 5000 l/s / 500 = 10 l/s

• voorwaarden: steady state & géén CO2 bronnen– ok in ruimte met vaste bezetting/gecontroleerde

ventilatie– n ok in ruimtes waar bezetting/ventilatie wisselt…

Binnenluchtkwaliteit

17

Inleiding

Toetsingskader CO2• België:

– KB chemische agentia: GW 5000 ppm, KT 30000 ppm (tox)– Vlaams Binnenmilieudecreet 2004: 900 mg/m³? (493

ppm?)(comfort)– Nieuwbouw en Renovatie: Vlaams Decreet over de Energie-

prestaties en Binnenklimaat (EPB) 2006 (NBN EN 13779) (comfort)

Binnenluchtkwaliteit

ppm binnen m³/h.pers l/s.pers Kwaliteit

< 800 > 54 > 15 hoog

800 / 1000 36 - 54 10 - 15 midden

1000 / 1400 22 - 36 6 - 10 aanvaardbaar

> 1400 < 22 < 6 laag onacceptabel

tijdelijkacceptabel

acceptabel

<650 streefdoel nieuw<800 streefdoel bestaand

NL LCM 2006, GGD

tox grenswaarde 5x hoger dan comfortwaarde!18

Inleiding

Toetsingskader CO2• VS:

– ACGIH: 5000 ppm, STEL 30000 ppm (tox)– OSHA: 5000 ppm, STEL 35000 ppm (tox)– NIOSH: 1000 ppm (comfort)

(<600 ppm verschil met buitenlucht)– ASHRAE: 1100 ppm (comfort)

(<700 ppm verschil met buitenlucht)• Canada

– 3500 ppm• GB:

– 1500 ppm (over schooldag, met pauzes & lunches)• NL:

– 1200 ppm (De Gids en Scholten, 1995; bouwbesluit)

Binnenluchtkwaliteit

19

Inleiding

Toetsingskader debiet• België:

– Nieuwbouw en Renovatie: Vlaams Decreet over de Energieprestaties en Binnenklimaat (EPB) 2006 (NBN EN 13779)

– KB Arbeidsplaatsen art. 36: 30 m³/h/p = 8,3 l/s/p• NL (klaslokalen):

– 5,5 l/s per leerling en 10 l/s per leerkracht– bijdrage aanwezig/benut ventilatieopp. (ramen,

deuren,…) » in tegenovergelegen gevels 1 m³/s per m²» In zelfde gevel 0,2 m³/s per m²» één kipraam kan volstaan

voor 30 lln en 1 leerkracht

Binnenluchtkwaliteit

ppm binnen m³/h.pers l/s.pers Kwaliteit

< 800 > 54 > 15 hoog

800 / 1000 36 - 54 10 - 15 midden

1000 / 1400 22 - 36 6 - 10 aanvaardbaar

> 1400 < 22 < 6 laag

20

Inleiding

Meetapparatuur CO2• Potentiometers (gasdoorlatend membraan &

elektrolytoplossing)• Chemisch (laagje polysiloxaan)• NDIR (non dispersive infra-red)

– Vast gemonteerde– Modules– Draagbare– Analysers

• Al dan niet met datalogging• Al dan niet met afleiding debiet

Meetapparatuur debiet• Luchtsnelheidsmeting zal moeilijk te hanteren zijn

om hieruit debieten te berekenen

Binnenluchtkwaliteit

CO2 absorptie 4,3 µm

21

Inleiding

Rekenmodellen• http://phpco2.veetech.org.uk/phpco2.php

(ventilatiegraad op basis van CO2 concentratie)• http://phpaida.veetech.org.uk/phpaida.php

(ventilatiegraad op basis van paden, infiltratie, HVAC)• https://www.aiha.org/get-

involved/VolunteerGroups/Documents/IHMOD_Korean-AIHA-MathModel209.xls(modellering van gasconcentratieopbouw/afname)

• TGD (Roulet C. & Foradini F., 2002, IJOV) (ventilatiegraad op basis van afname CO2)

• GGD-richtlijn Ventilatie scholen, bijlage 7 (xls)

Binnenluchtkwaliteit

22

Probleemstelling

Systemen met HVAC– hoe snel te beoordelen adhv delta CO2 binnen/buiten– veel nieuwe bedrijven, kantoren,… scholen?

Systemen zonder HVAC– oudere kantoren en scholen (lage vs hoge bezetting); niet

voldaan aan steady state! – hoe te beoordelen

• op basis van gemiddelde CO2 concentratie• op basis van verval in CO2 concentratie• op basis van ventilatieoppervlakken

– conflict raamventilatie en energiebeleid!

Gebouwen met en zonder HVAC?

23

Materiaal en methoden

Ontwerpen en bouwen apparaat– Selectie NDIR sensor 0 tot 5000 ppm– mobiel en low budget (materiaalkost <500 euro)– precies en accuraat – logging relevante klimaatparameters (T, RV & CO2)

Case-study– 6e leerjaar in een oud schoolgebouw– beschrijving ventilatiekenmerken en bezettingsgraad

Registratie gedurende één weekBerekening ventilatievoud via TGD

Bioeffluent CO2 als indicator luchtkwaliteit

24

ResultatenWeekoverzicht

646 (400-3463) ppm

39,4 (27,7-58,0) %

17,6 (11,0-24,4) °C

ppm binnen m³/h.pers l/s.pers Kwaliteit

< 800 > 54 > 15 hoog

800 / 1000 36 - 54 10 - 15 midden

1000 / 1400 22 - 36 6 - 10 aanvaardbaar

> 1400 < 22 < 6 laag25

ResultatenDinsdag

1261 (445-3463) ppm

44,2 (37,9-52,3) %

20,7 (17,9-23,3) °C

Streefdoel nieuwStreefdoel bestaandAcceptabel

Tijdelijk acceptabel

Onacceptabel

1,5 uur nietventileren

15 min raam en deur open26

ResultatenTracer Gas Decay, 5 nachten

0,292

0,243

Over 5 nachten 0,244 (0,172-0,292) nL1 kamerverversing / 4 uur ten gevolge van infiltratie

dus geen luchtdicht gebouw 0,244/h*190m³ = 46 m³/h12,9 l/s

niemand aanwezigGeen ventilatie

bij 25 aanwezigen 0,52 l/s/p

ppm binnen m³/h.pers l/s.pers Kwaliteit

< 800 > 54 > 15 hoog

800 / 1000 36 - 54 10 - 15 midden

1000 / 1400 22 - 36 6 - 10 aanvaardbaar

> 1400 < 22 < 6 laag

0,1720,264

0,246

27

ResultatenTracer Gas Decay, dinsdagnamiddag tijdens luchten

Op 15 min van 3400 naar 900 ppm 7,52 nL7,5 kamerverversingen / 1 uur

7,5/h*10*7,5*2,5 m³1406 m³h = 390,5 l/s

15,6 l/s/p24+1 personen

luchten

ppm binnen m³/h.pers l/s.pers Kwaliteit

< 800 > 54 > 15 hoog

800 / 1000 36 - 54 10 - 15 midden

1000 / 1400 22 - 36 6 - 10 aanvaard

baar

> 1400 < 22 < 6 laag28

400

900

1400

1900

2400

2900

18:14:24 19:26:24 20:38:24 21:50:24 23:02:24 0:14:24 1:26:24 2:38:24 3:50:24 5:02:24 6:14:24 7:26:24 8:38

CO2

TijdKanomax SenseAir 89

Plaatsing

Mensen arriveren

Conc opbouw tijdens vergadering

Aanzetten ventilatie

Einde vergadering en vertrek mensen

Afsluiten van de zaalOpenen ramen en deuren door poetsvrouw

Stijging door diffusie vanuit omgevende ruimten?

Afname overnacht

ResultatenHVAC versus infiltratie

nL = 2,44 (15 min)10*12*2,5m 300 m³, 30 personen2,44*300/30 = 732/30 m³/h = 24,4 m³/h/p = 6,8 l/s/p

nL = 0,16 (9 uren)300 m³, 0 personen0,16*300 = 48 m³/h = 13,3 l/s

ppm binnen m³/h.pers l/s.pers Kwaliteit

< 800 > 54 > 15 hoog

800 / 1000 36 - 54 10 - 15 midden

1000 / 1400 22 - 36 6 - 10 aanvaardbaar

> 1400 < 22 < 6 laag

29

Conclusies

Systeem in steady state (met HVAC?)– Snel te beoordelen met eenvoudige formule

• Q (l/s) = 5000/(CO2 ppm, binnen - CO2 ppm, buiten)

Systeem niet in steady state (zonder HVAC?)– Beoordeel via verval CO2 binnen

• Q (m³/h) = verversingen (/h) * kamervolume (m³) vermenigvuldigen met 1000/3600 levert Q (l/s)

• Rekening houden met bezetting (/p)– Ruw schatten adhv nuttig ventilatie oppervlak

• Q = 1000 l/s (dwars) of 200 l/s per m² (langs) (/p)

Steady state of niet?

30

Conclusies

Systemen met HVAC of steady state– CO2 sensor als “thermostaat” voor HVAC– Bijkomende CO2 meting

• Onderhoudstechnici (Q)• preventieadviseurs

– Resultaat toetsen• Rechtstreeks of via Q en aantal personen (formule)

– Nieuwbouwen (ventilatieroosters verplicht)• actief ventilatiesysteem (minimum extractie of balans)• roosters presteren dan veel beter tgv extractie (onderdruk)• infiltratie eerder weinig belang

Steady state (~HVAC)

ppm binnen m³/h.pers l/s.pers Kwaliteit

< 800 > 54 > 15 hoog

800 / 1000 36 - 54 10 - 15 midden

1000 / 1400 22 - 36 6 - 10 aanvaardbaar

> 1400 < 22 < 6 laag

31

Conclusies

Systemen zonder HVAC of steady state– CO2 meting door preventieadviseur

• Met datalogging– Resultaat toetsen

• via gemiddelde CO2 concentraties tijdens bezetting???• via Q via nL, volume lokaal en aantal personen• via Q via nuttig en gebruikt ventilatieoppervlak

– Oudere gebouwen• Vaak enkel passief• Roosters inefficiënt in afwezigheid extractie, kipramen efficiënt• Infiltratie is belangrijk (vaak lek als een zeef)• Belang van hoge bezetting: school versus kantoor

Geen steady state (~geen HVAC)

32

ConclusiesSamenvatting

Ventilatie Passief Actief

Gebouw vb. oude school, oud kantoor vb. nieuwbouw school, kantoorMeten gemiddelde CO2

tijdens aanwezigheid???steady state CO2

verval in CO2 tijdens pauze of overnacht

Toetsen comfort CO2 of Q comfort CO2 of QTips steeds kipraam open,

zelfs in winterregelmatige controle en onderhoud

HVACroosters inefficient roosters efficient

luchten of spuien (extra raam)in 15-min pauzes

correcte inregeling noodzakelijk

compromis met energieverlies warmterecuperatie

In alle gevallen bezettingsgraad mee in rekening brengen! 33

Toemaatje

TGD Software niet gratis verkrijgbaar, full tekst artikel en software aan te vragen bij auteurMaar je kan dit eigenlijk ook zelf doen

• Principe ConcentrationDecay• Uitgebreid ASHRAE artikel Evaluating Building IQ and Ventilation

with Indoor Carbon Dioxide (Andrew K. Persily) met meer uitleg over Tracer Gas methode

Zie voorbeeldje in Excel

Tracer Gas Decay

34

ToemaatjeTracer Gas Decay

AER berekening. Op basis van maximum 5 vervalreeksen CO2 wanneer niet aan steady state voldaan

tijdsbasis (min) verval 1 vanaf verval 2 vanaf verval 3 vanaf verval 4 vanaf verval 5 vanaf minimum achtergrond (ppm) kamerverversingsrate of AER of nL (/h)1 774 708 399 0,500

tijdstip nummer vervalreeks 1 vervalreeks 2 vervalreeks 3 vervalreeks 4 vervalreeks 51 766 708 gele vakken: INPUT2 774 682 groene vakken: OUTPUT3 759 6754 768 672 PRINCIPE AER BEREKENING VIA VERVALREEKS5 752 6566 744 668 Een vervalreeks mag maximum 960 waarden bevatten.7 737 658 Bij logging per minuut loopt de maximale vervalreeks 16h.8 744 647 Dit komt overeen met een vervalcurve van 17h naar 09h.9 740 647

10 738 647 Principe:11 712 668 Genormaliseerde concentratie tx = CNtx12 723 654 Concentratie tx = Ctx13 714 636 Minimum achtergrond = CA14 713 634 Verval vanaf = Ct015 726 645 CNtx = (Ctx - CA)/(Ct0 - CA)16 707 65017 717 646 logaritme van CNtx vervalt lineair in de tijd18 718 630 helling van deze rechte is maat voor luchtverversing19 701 630 rico corrigeren met tijdsbasis levert kamerverversingsrate20 698 630

950

35

0

200

400

600

800

1000

1200

140014

:20

17:4

921

:18

0:47

4:16

7:45

11:1

414

:43

18:1

221

:41

1:10

4:39

8:08

11:3

715

:06

18:3

522

:04

1:33

5:02

8:31

12:0

015

:29

18:5

822

:27

1:56

5:25

8:54

12:2

315

:52

19:2

122

:50

2:19

5:48

9:17

12:4

616

:15

19:4

423

:13

2:42

6:11

9:40

13:0

916

:38

20:0

723

:36

3:05

6:34

10:0

313

:32

17:0

120

:30

23:5

93:

286:

5710

:26

4/03/2013 5/03/2013 6/03/2013 7/03/2013 8/03/2013 9/03/2013 10/03/2013 11/03/2013 12/03/2013

Gemiddelde van CO2 Gemiddelde van VOC

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0

200

400

600

800

1000

1200

14000:

000:

270:

541:

211:

482:

152:

423:

093:

364:

034:

304:

575:

245:

516:

186:

457:

127:

398:

068:

339:

009:

279:

5410

:21

10:4

811

:15

11:4

212

:09

12:3

613

:03

13:3

013

:57

14:2

414

:51

15:1

815

:45

16:1

216

:39

17:0

617

:33

18:0

018

:27

18:5

419

:21

19:4

820

:15

20:4

221

:09

21:3

622

:03

22:3

022

:57

23:2

423

:51

7/03/2013

Gemiddelde van CO2 Gemiddelde van VOC

Tot slotwww.bsoh.be

40

Tot slothttp://www.beswic.be/nl/topics/health/health-risks/

41

Vragen?

42

Tom Geens

tom.geens@provikmo.bebe.linkedin.com/in/tomgeens/@tgeens

43

44