ONE - Frisse Scholen 2.0 simulatie Frisse... · 2013-10-04 · Computational Fluid Dynamics (CFD)...

Onderzoeksrapport

CFD Simulaties

Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond

Datum: 17 oktober 2012

ONE Simulations BV T: +31 (0)71 5680900

Schipholweg 103 F: +31 (0)71 5289559

2316 XC Leiden E: [email protected]

The Netherlands W: www.onesimulations.com

ONESimulations


P15912332e100 2

ONESimulations

Project

Titel Klimaat in een klaslokaal voorzien van een Easy-Klima® klimaatplafond

Locatie n.v.t.

Document

Referentie P15912332e100

Revisie 0

Status Definitief

Datum 17 oktober 2012

Cliënt

Bedrijf Beekink

Kleinpolderlaan 6

2911 PA Nieuwerkerk aan den IJssel

Nederland

Contactpersoon W. van Genderen

Uigever

Bedrijf 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

Auteur R. R. van de Nes BEng


P15912332e100 3

ONESimulations

Inhoudsopgave

1 Inleiding ........................................................................................................................................... 4

2 Onderzoeksdoel ............................................................................................................................... 5

3 Uitgangspunten ............................................................................................................................... 6

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

4 Resultaten .....................................................................................................................................11

4.1 Zomersituatie ........................................................................................................................ 12

4.2 Wintersituatie ........................................................................................................................ 19

5 Conclusie .......................................................................................................................................25

Referenties ............................................................................................................................................27


P15912332e100 4

ONESimulations

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 5

ONESimulations

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).


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 Klasse C – Acceptabel

Klasse B – Goed

Extra t.o.v. klasse C

Klasse A – Zeer goed

Extra t.o.v. klasse B

Ventilatiecapaciteit CO2 concentratie < 1.200 ppm, bij

30 leerlingen en 1 docent

CO2 concentratie < 950 ppm, bij


CO2 concentratie < 800 ppm, bij 30

leerlingen en 1 docent

Operatieve temperatuur Winter:

19 °C < Operatieve temp. < 25 °C

Zomer (zichtbare actieve koeling):


Winter:




Winter:



23,5 °C < Operatieve temp. < 25,5 °C

Lokaal thermisch discomfort - Luchtsnelheid zomer < 0,23 m/s

- Luchtsnelheid winter < 0,19 m/s

- DR < 30% (DR conform NEN-EN-

ISO 7730)

- Luchtsnelheid zomer < 0,20 m/s



ISO 7730)



- DR < 10% (DR conform NEN-EN-ISO

7730)

Verticale temperatuurgradiënt De verticale temperatuurgradiënt

is < 4 K/m De verticale temperatuurgradiënt

is < 3 K/m 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 6

ONESimulations

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 7

ONESimulations

Figuur 1: Overzicht van het 3D CFD model.

Binnenwand

Binnenwand

Bin

ne

nw

an

d

Bu

ite

nw

an

d

Ra

am

Schoolbank

Leerling/docent

Ve

nti

lati

ero

ost

ers

Ve

rlic

hti

ng

Retourrooster

Whiteboard

7,5 m

7,4

m

3,2 m lokaal hoogte

0,15 m plenum hoogte

0,2

25

m


P15912332e100 8

ONESimulations

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 Warmte afgifte per stuk Totale warmte afgifte

[W] [W]

Personen 31 85 2.635

Apparatuur laptops 30 35 1.050

PC docent 1 100 100

Digitaal whiteboard 1 100 100

Verlichting 6 54 324

Totaal 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 U-waarde Tref,zomer Tref,winter

[W/m2

K] [°C] [°C]

Vloer 2.0 27 21

Plafond (boven plenum) 0.315 32 -10

Buitenwanden 0.315 32 -10

Binnenwanden 2.0 27 21

Beglazing 1.2 32 -10

Tabel 3: Externe warmtebelasting.


P15912332e100 9

ONESimulations

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 Plaattemperatuur plafond Luchtdebiet Inblaastemperatuur

[°C] [m3/h] [°C]

Zomersituatie 18 1.000 20

Wintersituatie 24 500 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 10

ONESimulations

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 Setting

Cel type Hybride, combinatie van tetraëders, piramides en prismalagen

Cel grootte Dynamisch, variërend tussen 0,005 en 0,2 m

Aantal cellen 11,2 miljoen

Simulatie type Steady state

Fluïde Lucht, gemodelleerd als een ideaal gas

Aanvullende vergelijkingen CO2, gemodelleerd als een scalaire variabele

Turbulentie model Shear Stress Transport (SST) model RANS

Straling Discrete transfer model, 16 rays, Gray, Participating media

Warmtebronnen De locatie en de hoeveelheid warmte die vrij komt is overeenkomstig

met de opgelegde interne warmtebelasting

Wanden Gladde wand met stilstaande lucht op wand, warmtestroom

berekend op basis van U-waarde en referentietemperatuur

Toevoerrooster Opgelegde volumestroom boven het plenum. Temperatuur opgelegd.

Retourrooster Vlak met opgelegde volumestroom

Klimaatplafond Opgelegde temperatuur. Geperforeerde deel is 18,7 % open en heeft

een opgelegde weerstandcoëfficiënt van 83.

Tabel 1: CFD modellering eigenschappen.


P15912332e100 11

ONESimulations

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

(2), zie Vergelijking 1 en Vergelijking 2.

�� = �� + �� ∙ √10 ∙ ��1 + √10 ∙ �

Vergelijking 1

waarin:

Top = operatieve temperatuur [C]

Trad = lokale stralingstemperatuur [C]

Tair = lokale luchttemperatuur [C]

v = lokale luchtsnelheid [m/s]

�� = �∅��

Vergelijking 2

waarin:

∅� = ontvangen hoeveelheid stralingswarmte [W/m2]

σ = constante van Stefan-Boltzmann [W/m2K

4]

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 ∙ ��,� ∙ �% + 3,14� Vergelijking 3

Waarin

DR = percentage personen met tochtklachten (bij DR > 100%, neem DR = 100%) [%]

ta,l = lokale gemiddelde temperatuur (20 < ta,l < 26 °C) [C]

va,l = lokale gemiddelde snelheid (bij va,l < 0,05 m/s, neem 0,05 m/s) [m/s]

Tu = lokale gemiddelde turbulentie intensiteit (10% < Tu < 60%) [%]

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 12

ONESimulations

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 Gemiddeld in leefzone Eenheid Klasse

Temperatuur 26,4 °C n.v.t.

Operatieve temperatuur 25,5 °C A

Verticale temperatuurgradiënt 0,6 K/m A

Luchstsnelheid 0,14 m/s A

Draught Rate 6,9 % A

CO2 concentratie 678 ppm A

Tabel 5: De gemiddelde waarde in de leefzone per thema waar op beoordeeld wordt, en de klasse waar deze waarde in valt.


P15912332e100 13

ONESimulations

Figuur 2: Temperatuur op 1,0 m boven de vloer.

Figuur 3: Temperatuur in doorsnede 1.



P15912332e100 14

ONESimulations

Figuur 5: Operatieve temperatuur op 1,0 m boven de vloer.

Figuur 6: Operatieve temperatuur in doorsnede 1.



P15912332e100 15

ONESimulations

Figuur 8: Verticale temperatuur gradiënt op 1,0 m boven de vloer.

Figuur 9: Verticale temperatuur gradiënt in doorsnede 1.



P15912332e100 16

ONESimulations

Figuur 11: Luchtsnelheid op 1,0 m boven de vloer.

Figuur 12: Luchtsnelheid in doorsnede 1.



P15912332e100 17

ONESimulations

Figuur 14: Draught Rate op 1,0 m boven de vloer.

Figuur 15: Draught Rate in doorsnede 1.



P15912332e100 18

ONESimulations

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 19

ONESimulations

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.



beoordeeld wordt en in welke klasse het klimaat valt, is samengevat in Tabel 5.

Thema Gemiddeld in leefzone Eenheid Klasse

Temperatuur 20,6 °C n.v.t.

Operatieve temperatuur 21,1 °C A

Verticale temperatuurgradiënt 0,06 K/m A

Luchstsnelheid 0,06 m/s A

Draught Rate 3,1 % A

CO2 concentratie n.v.t. ppm -



P15912332e100 20

ONESimulations

Figuur 20: Temperatuur op 1,0 m boven de vloer.




P15912332e100 21

ONESimulations

Figuur 23: Operatieve temperatuur op 1,0 m boven de vloer.




P15912332e100 22

ONESimulations

Figuur 26: Verticale temperatuur gradiënt op 1,0 m boven de vloer.




P15912332e100 23

ONESimulations

Figuur 29: Luchtsnelheid op 1,0 m boven de vloer.




P15912332e100 24

ONESimulations

Figuur 32: Draught Rate op 1,0 m boven de vloer.




P15912332e100 25

ONESimulations

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).


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 Klasse C – Acceptabel

Klasse B – Goed

Extra t.o.v. klasse C

Klasse A – Zeer goed

Extra t.o.v. klasse B

Ventilatiecapaciteit CO2 concentratie < 1.200 ppm, bij


CO2 concentratie < 950 ppm, bij


CO2 concentratie < 800 ppm, bij 30

leerlingen en 1 docent

Operatieve temperatuur Winter:




Winter:




Winter:



23,5 °C < Operatieve temp. < 25,5 °C

Lokaal thermisch discomfort - Luchtsnelheid zomer < 0,23 m/s



ISO 7730)




ISO 7730)



- DR < 10% (DR conform NEN-EN-ISO

7730)

Verticale temperatuurgradiënt De verticale temperatuurgradiënt

is < 4 K/m De verticale temperatuurgradiënt

is < 3 K/m 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 26

ONESimulations



beoordeeld wordt en in welke klasse het klimaat valt, is samengevat Tabel 8.

Thema Zomersituatie Wintersituatie Eenheid

Gemiddeld in leefzone Klasse Gemiddeld in leefzone Klasse

Temperatuur 26,4 n.v.t. 20,6 n.v.t. °C

Operatieve temperatuur 25,5 A 21,1 A °C

Verticale temperatuurgradiënt 0,6 A 0,06 A K/m

Luchstsnelheid 0,14 A 0,06 A m/s

Draught Rate 6,9 A 3,1 A %

CO2 concentratie 678 A n.v.t. n.v.t. ppm


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 27

ONESimulations

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.

ONE - Frisse Scholen 2.0 simulatie Frisse... · 2013-10-04 · Computational Fluid Dynamics (CFD)...

Documents

Transcript of ONE - Frisse Scholen 2.0 simulatie Frisse... · 2013-10-04 · Computational Fluid Dynamics (CFD)...