49

VENTILATIEWERELD

101e Jaargang nr. 5 - mei 2008

Een integrale aanpak om het ontwerp te verbeteren

Indoor Air Quality (IAQ) en het thermische klimaat in scholen geeft in vele landen problemen. Uit een aantal studies blijkt dat IAQ in de geëvalueerde scholen niet aan de eisen voldeed en er voor een betere IAQ meer ventilatie nodig was. Een nieuwe geïntegreerde aanpak om adequate oplossingen te ontwikkelen voor de ventilatie van schoolgebou-wen werd ontwikkeld, waarvan de eerste resultaten worden beschre-ven.

Indoor Air Quality heeft de aandacht van het Ministerie van Volkshuisves-ting, Ruimtelijke Ordening en Milieu-beheer. In 2005 is er met een groot-schalige campagne gestart om het volk op de gezondheidsrisico's te wijzen die slechte ventilatie in gebouwen met zich meebrengt. Het niveau van vervuiling binnenshuis is vaak hoger dan bui-tenshuis en aangezien de gemiddelde Nederlander ongeveer 90 procent van zijn tijd binnenshuis doorbrengt, is een goede luchtkwaliteit in huis zeer be-langrijk. Indoor Air Quality (IAQ) op scholen behoeft speciale aandacht om-dat kinderen enorm gevoelig zijn voor de gevolgen van slechte luchtkwaliteit.

IAQ in scholen moet aan de basiseisen voldoen en zou een hoge prioriteit moeten krijgen aangezien: 1) Kinderen er gevoeliger voor zijn omdat ze zich nog steeds fysiek aan het ontwikkelen zijn en meer kans hebben om last te krijgen van milieu verontreinigende stoffen binnenshuis. Deze groeiprocessen zijn kwetsbaar en gevoelig voor verstoring, 2) Kinderen beschikken over een min-der goed metabolisme dan volwassenen en ouderen scheiden de meeste giftige stoffen uit de omgeving uit, 3) Kinderen worden relatief gezien meer blootgesteld aan giftige stoffen uit de omgeving, aangezien ze in relatie tot hun lichaamsgewicht hogere volumes lucht inademen. Een goede luchtkwa-liteit in klaslokalen ondersteunt het leerproces van de kinderen. Een slechte IAQ in scholen beïnvloedt de prestatie en presentie van leerlingen. Dit komt hoofdzakelijk door de effecten van verontreinigende stoffen binnenshuis op de gezondheid (Mendell and Heath, 2005).

OnderzoekenEr zijn talrijke normen en richtlijnen ten aanzien van Indoor Air Quality

(IAQ), welke zijn aanbevolen door internationale gezondheidsinstellingen, industriële organisaties en regeringen. Ventilatienormen bepalen ofwel de eisen ten aanzien van de toevoer van buitenlucht (volume per tijdseenheid per persoon), of de verversingsgraad (h-1), of allebei. Nederlandse scholen moeten voldoen aan het zogenaamde Bouwbesluit, welke een ventilatiedebiet van 2,8 l/s·m2 vereist voor een klaslo-kaal met een bezettingsgraad van 1,3 tot 3,3 m2 vloeroppervlak per persoon. Voor een standaard klaslokaal van 50 m2 met een maximale bezetting van 32 leerlingen resulteert dit in een ventilatiedebiet van 4,2 l/s per persoon. Het Bouwbesluit refereert tevens aan richtlijn NEN 1089, welke een ventila-tiedebiet van 5,5 l/s per persoon vereist, gebaseerd op een CO2-concentratie van 1000 ppm met een maximum van 1200 ppm. Afhankelijk van de situatie dient het hoogste ventilatiedebiet gebruikt te worden. Concentraties van kooldioxide worden vaak gebruikt ter vervanging van de toevoersnelheid van de bui-tenlucht per persoon (Seppänen et.al 1999). IAQ in scholen wordt voorna-melijk geëvalueerd aan de hand van CO2-concentraties. ASHRAE Standard

Ventilatie van Nederlandse scholen momenteel onvoldoende

W. Zeiler en G. Boxem

Technische Universiteit EindhovenTU/e, Nederland

49

TECHNIEK

Figuur 1. Gemiddelden en range van CO2-concentraties voor Nederlandse scholen (Joosten 2004, v. Dijken 2004, van Bruchem 2005)

Studie Aantal CO2 (ppm)

Scholen Gemiddeld Range

Joosten, 2004 5 1220 480-2400

van Dijke, 2004 11 c1580 450-4700

van Bruchem, 2005 6 1355 550-3000

VENTILATIEWERELD

50 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008

TECHNIEK

50

62-1999 adviseert een CO2-concentra-tie binnenshuis van hooguit 700 ppm hoger dan de concentratie buitenshuis (~1200 ppm) om te voldoen aan de comfort criteria met betrekking tot human bio effl uents. De Nederlandse NEN 1089 norm schrijft in klaslokalen een maximale CO2-concentratie van 1200 ppm voor (van Dijken, 2004). Er zijn in Nederland verschillende onderzoeken naar Indoor Air Quality uitgevoerd waarbij diverse CO2-ni-veaus zijn gemeten. In 1987 heeft de Agrarische Universiteit van Wagenin-gen onderzoek gedaan naar Indoor Air Quality. Er werden CO2-metingen uitgevoerd en in 8 van de 12 scholen rezen de niveaus in 50% van de geval-len boven de marginale waarde van 1200 ppm tijdens de lesuren (Sandt et al, 1987). In 1992 onderzocht het GGD in West-Brabant de Indoor Air Quality in middelbare onderwijsinstellingen. Er werden CO2-metingen uitgevoerd waarbij er concentraties tot 4800 ppm gemeten werden (Leentvaart et al, 1992). In Groningen zijn in 1993 diver-se basisscholen onderzocht. In 3 van de 4 klaslokalen bereikten de CO2-niveaus de marginale waarde van 1200 ppm. Hierbij werden maxima van 2400 ppm vastgesteld (Meijer, 1993). In 1997 werden er IAQ metingen uitgevoerd op 4 basisscholen in de regio Noord-Brabant Oost. Er werden piekniveaus van 3500 ppm gemeten (Boske, 1997). Een gemeentebestuur in Groningen ver-richtte metingen in 16 klaslokalen en ontdekte gemiddelde niveaus van 919 tot 1940 ppm (Wassing, 2003).

ExperimentenHet doel van een eerste studie (zie fi guur 1) was om de prestatie van mechanische ventilatiesystemen te evalueren. Op 5 Nederlande scholen werden metingen in het verwarmings-seizoen verricht gedurende een periode

van ongeveer 7 dagen. Deze metin-gen omvatten: IAQ (CO2), thermisch comfort, luchtstroom en buitencondi-ties. Een logboek en enquetes leverden verdere informatie over het gebruik van de ventilatiefaciliteiten en de tevreden-heid van gebruikers. Resultaten van de metingen gaven aan dat in 4 van de 5 geëvalueerde klaslokalen de Indoor Air Quality niet aan de eisen voldeed voor een goede IAQ. De CO2-concentraties waren te hoog en dit wees op een in-adequate ventilatie. Een eerste con-clusie was dan ook dat de natuurlijke toevoer van lucht in klaslokalen zonder enige tochtpreventie een onacceptabele oplossing is.Parallel aan het onderzoek werd er door Froukje van Dijken een andere studie uitgevoerd waarin ze de IAQ van 11 scholen bestudeerde. Beide resul-taten werden door de REHVA Task-force 4 “Indoor Climate and Energy of School Buildings” gebruikt in hun voornaamste rapport.

In een volgend onderzoek werden 6 scholen met verschillende ventilatie-systemen bestudeerd, om concepten met minder problemen te zoeken. De voornaamste conclusies van dit onderzoek waren tevens dat de IAQ in de geëvalueerde scholen niet aan de eisen voldeed en dat meer ventilatie essentieel was voor een betere IAQ. De capaciteit van ventilatiesystemen moet worden verhoogd. De toevoer van lucht door natuurlijke ventilatie is beperkt tot ventilatiegaten in de gevel. In goed geïsoleerde gebouwen is de vereiste warmtetoevoer niet voldoende om tocht door de aanvoer van koude buitenlucht te voorkomen. Een meer verdeelde manier van luchttoevoer is in deze systemen dus noodzakelijk.

MethodologieDe resultaten van de metingen geba-seerd op de huidige ventilatienormen geven aan dat veel klaslokalen niet voldoende geventileerd worden. Een

Figuur 2. Functionele decompositie van de hoofdfunctie

Figuur 3. Morfologisch overzicht, 18 subfuncties met verschillende oplossingen

VENTILATIEWERELD

101e Jaargang nr. 5 - mei 2008 51

TECHNIEK

verbetering van het ontwerpproces is een onderwerp voor verder onderzoek (Mendell en Heath, 2005). Een eerste bescherming tegen slechte IAQ in klaslokalen is adequate ventilatie en dit zou één van de belangrijke punten van aandacht moeten zijn in de ontwerpfase (Daisey et.al 2003). Het huidige ontwerpproces voor scho-len begint normaliter met het selec-teren van een architect. Hierna volgt het eisenpakket en het schematische ontwerp, gevolgd door de taken van de constructeur. Uiteindelijk versterkt de installateur het ontwerpteam. Veel beslissingen zijn echter al tijdens het conceptuele ontwerp genomen die de ontwikkeling, contractdocumenten, constructie, commissioning en bezet-ting beïnvloeden. Duidelijke doelstel-lingen maakten geen deel uit van de vaak algemene programma van eisen en het ontwerpinstructies. Des te eerder de doelstellingen kunnen garanderen dat IAQ in het ontwerpproces wordt meegenomen, des te gemakkelijker en

goedkoper het wordt om deze doelen op te nemen.Tot nu toe is het ontwerpproces van het gebouw min or meer geordend; eerst wordt het gebouw ontworpen, gevolgd door het ontwerp van het ver-warmings-, koel- en ventilatiesysteem. Communicatie tussen de architect en de installatieadviseur is gebaseerd op abstractie, zoals bijvoorbeeld de uitwis-seling van abstracte omschrijvingen van een ontwerp in het ontwerppro-ces zelf. Een ontwerp is meestal zeer dynamisch van aard, wat neigt naar ad hoc acties, en dus ondersteund zou moeten worden door hulpsystemen voor het ontwerp. Een bestaand model is verder uitgewerkt om het vereiste ontwerpondersteuningsmodel te ont-wikkelen: Methodisch Ontwerpen (van den Kroonenberg 1979, de Boer 1989, Blessing 1994). De hoofdkenmerken van Methodisch Ontwerpen is het activiteitenschema van vier stappen op elk abstractieni-veau, en tevens het onderscheid van

acht niveaus van functionele hierarchi-sche abstractie.Deze ontleding van het ontwerp is gebaseerd op functionele decompositie en wordt hierarchisch uitgevoerd. De resulterende combinatiestructuur van functies wordt opgedeeld in een aantal functionele subsystemen. De opdeling gaat verder tot dat men eenvoudige componenten bereikt welke functioneel zijn voor het gebouw en waarvan het ontwerpen een redelijk eenvoudige taak is, zie fi guur 2. Om de beperkingen vast te stellen die door de algemene functie aan het gehele systeem wordt opgelegd, moet de resulterende confi guratie geparame-teriseerd worden met betrekking tot de kenmerken van de individuele functies. De ontlede functies worden in een rij geplaatst. In de linkerkolom staan de functies, welke gecombineerd worden met een rij oplossingen voor elke func-tie, zie fi guur 3. De matrix van functies en hun oplossingen noemt men een Morfologische grafi ek en is ontwik-keld door Zwicky (Zwicky, 1969). Elke combinatie van mogelijke oplossingen voor de functies wordt vervolgens ge-combineerd tot een algehele oplossing voor de probleemstelling. Het kiezen van de meest voor de hand liggende oplossing wordt mogelijk gemaakt met behulp van het Kesselring-diagram (Kroonenberg, 1978). Alle oplossingen krijgen een cijfer gebaseerd op de crite-

Figuur 5. Luchtkanaal van textiel (Euro-Air, 2005)

Figuur 4. Morfologisch overzicht van Variant E met alternatieve functies en verschillende oplos-singen

VENTILATIEWERELD

52 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008

TECHNIEK

52

ria van het eisenpakket. De ontwerpcri-teria worden hierbij onderverdeeld in functionaliteit en realisatie. De relatieve score wordt in het S-diagram weergege-ven. In een volgende (herhalende) stap kan de meest voor de hand liggende variant opnieuw in een Morfologische grafi ek worden gezet om nieuwe additi-onele varianten te genereren, zie fi guur 4. Hierdoor groeit het aantal mogelijke varianten enorm en dit verhoogt de kans om een goede oplossing te vinden. Door het gebruik van Morfologische overzichten wordt communicatie tussen leden van het ontwerpteam gemak-kelijker en is er een duidelijk overzicht van alle besproken mogelijkheden. De Kesselring methode (Kesselring, 1954) maakt het beslissingsproces duidelijk en begrijpbaar voor het ontwerpteam zelf, maar ook voor alle mensen buiten het team. Kesselring ontwikkelde een visu-aliseringstechniek waarbij de verschil-lende varianten met elkaar vergeleken kunnen worden. Criteria worden bij de Kesselring methode opgesplitst in een categorie voor realisatie en een categorie voor functionaliteit. Hierdoor komen sterke punten naar voren in een zogenaamde S-(Stärke)diagram. Om de scores te visualiseren worden criteria van het eisenpakket opgesplitst in groe-pen met daaraan gerelateerde eisen.

AanpakDe voorgestelde methode wordt ge-

bruikt om een ventilatiesysteem voor een doorsnee klaslokaal te ontwer-pen. De oplossing die hieruit voort is gekomen, is een gebalanceerd ventila-tiesysteem met warmte terugwinning, zoals in fi guur 5. In plaats van normale metalen kanalen, worden luchtkanalen van textiel voorgedragen; deze kun-nen gemakkelijk verwijderd worden en kunnen tevens in de wasmachine wor-den gewassen. Normaliter wordt het stroomschema van verwarmde lucht problematisch indien er gebalanceerde ventilatie gebruikt wordt. In klasloka-len is dit alleen het geval bij het opstar-ten, aangezien de leerlingen zelf meer dan genoeg warmte genereren zodra ze in het klaslokaal aanwezig zijn. Tijdens het opstarten is de distributie van lucht zoals weergegeven in fi guur 6.

De muren en ramen worden voorna-melijk opgewarmd en er is geen goede distributie van lucht. Dit is echter geen probleem aangezien er nog steeds geen leerlingen zijn. Wanneer de kamer ge-bruikt wordt dan is er teveel warmte en moet de lucht door het gebalanceerde ventilatiesysteem worden aangevoerd met een temperatuur die hier net onder ligt. Het verwachte stroomschema wordt dan zoals in fi guur 6. Door de textielen luchtkanalen bijna allemaal rond de vloer van het klaslokaal te plaatsen, zal een goede distributie met een lage luchtsnelheid gegenereerd worden, zie fi guur 7. In een vervolgon-derzoek zal de oplossing worden na-gebootst en zal een laboratoriumproef worden uitgevoerd om het ontwerp te verifi ëren.

ConclusiesVeel lopende onderzoeken hebben als doel het gebruikte methodische ontwerpproces in de architectuur en het gebouwontwerp te introduceren. Op deze manier kan het architectonisch ontwerp aan het HVAC-ontwerp gekoppeld worden. In Nederland heeft dit geleid tot een interesse in wat ook wel ‘integraal ontwerpen’ wordt genoemd.Integraal ontwerpen is bedoeld om de moeilijkheden van samenwerking binnen het ontwerpteam te overwin-nen door methodes aan te reiken die het mogelijk maken om de gevolgen van ontwerphandelingen van de verschillende disciplines te communiceren op vlakken als constructie, kosten, levenscyclus en binnenkli-maat, in een vroeg stadium van het ontwerp (Zeiler, 1997). De integrale aanpak omvat het gehele bouwplan, van initiatief tot ontwerp en constructie, als één naadloos geheel. Dit is de kern van de integrale benadering. Momenteel wordt er een doctorale studie uitgevoerd door Savanovic waarin de Methodische ondersteunings-middelen getest worden.

Figuur 6. Stroomschema tijdens het opstarten en tijdens normaal gebruik

Figuur 7. Lay-out van gebalanceerd luchtkanaal