Ontwerpparameters - Technieken

Energiebesparingspotentieel van vraaggestuurd ventileren in school- en kantoorgebouwen

prof. dr. ir. Hilde Breesch en Bart Merema - KU Leuven • 13 januari 2020

Ventilatie heeft als hoofddoel een gezond en comfortabel binnenklimaat te realiseren in zowel residentiële als niet-residentiële gebouwen. Ventilatie met aanvoer van verse lucht en afvoer van vervuilde lucht is noodzakelijk voor het afvoeren en verdunnen van de in de binnen omgeving geproduceerde polluenten. Onderzoek heeft aangetoond dat een goede ventilatie zorgt voor een grotere tevredenheid bij de gebruikers en een hogere productiviteit. Daarnaast valt het elektrisch energieverbruik voor ventilatie in kantoor- en schoolgebouwen op. Ventilatie staat in voor 10 tot 50% van dit gebouw gebonden elektriciteitsverbruik [EnBau, 2010].

Vraaggestuurde ventilatie kan het energieverbruik significant verminderen in vergelijking met een constant debiet systeem. Een vraaggestuurd ventilatie systeem werkt op gereguleerde verlaagde debieten naar gelang de vraag/nood in de ruimte. Door deze vermindering in debiet is minder energie nodig voor de ventilator en worden ventilatieverliezen beperkt. Deze tekst geeft adviezen voor systeemontwerp en voor ontwerp in de ruimte alsook conclusies uit metingen in reële cases.

Dit onderzoek werd uitgevoerd in het TETRA project “Optimalisatie van vraaggestuurde ventilatie in nZEB tertiaire gebouwen” (https://iiw.kuleuven.be/onderzoek/vraagvent) door de onderzoeksgroep Duurzaam Bouwen van KU Leuven – Technologiecampus Gent en de afdeling Toegepaste Mechanica en Energieconversie van KU Leuven en ondersteund door VLAIO en de betrokken gebruikersgroep.

 

 

Ontwerp in de ruimte

 

Voor het ontwerp van een vraaggestuurd ventilatiesysteem zal het effect van vraaggestuurde ventilatie in de ruimte van belang zijn (is het systeem in staat om alle zones in de ruimte voldoende te ventileren?). Belangrijke evaluatiecriteria zijn de binnenluchtkwaliteit en de ventilatie-efficiëntie. De vraagsturing kan geregeld worden via één of een combinatie van de volgende indicatoren:

  • Aanwezigheid: Via een bewegingssensor kan worden gemeten of er bezetting is in een ruimte. Bij aanwezigheid wordt het ventilatiedebiet verhoogd. Dit type wordt  toegepast in vergaderlokalen.
  • CO2-concentratie: CO2 is een goede indicator voor de aanwezigheid van personen in de ruimte. Via een vooraf ingesteld setpoint kan het ventilatiedebiet worden geregeld. Deze indicator is met name geschikt voor ruimtes met een wisselend bezettingsprofiel zoals klaslokalen, landschapskantoren, vergaderzalen en dergelijke.
  • Temperatuur: Temperatuursturing wordt vooral toegepast voor ventilatiesystemen die ook instaan voor verwarming/koeling van de ruimte. Bij een temperatuur lager dan de instelwaarde zal het debiet in de winter worden verhoogd om de temperatuur te doen toenemen tot de gewenste waarde. Deze indicator is met name geschikt voor ruimtes met een wisselend bezettingsprofiel zoals klaslokalen en landschapskantoren.
  • Vluchtige organische componenten (VOC): verzameling van vluchtige gassen die afkomstig zijn van onder andere schoonmaakmiddelen, verfproducten en diverse afwerkingsmaterialen. Een verhoogde concentratie van deze VOCs heeft een negatieve impact op de binnenluchtkwaliteit. Bij een verhoogde VOC-concentratie zal het ventilatiedebiet worden verhoogd. In woningen kan deze indicator gebruikt worden voor sturing van het ventilatiesysteem.

 

Op dit moment zijn er veel verschillende type sensoren beschikbaar die kunnen gebruikt worden in een vraaggestuurd ventilatiesysteem om één van bovenstaande indicatoren te meten. Bij de keuze tijdens het ontwerp is het belangrijk volgende eisen aan de sensor te stellen:

  • Hoge nauwkeurigheid
  • Voldoende groot meetbereik van de sensor
  • Snelle responstijd
  • Correct outputsignaal
  • Stabiele sensor over langere periode (binnen 5 jaar geen kalibratie nodig)
  • Minimaal/Geen interferentie met andere sensoren
  • Lage investerings- en onderhoudskosten
  • Voorzie de sensor van een afleesbaar display

 

Voor de positie van de sensor is het belangrijk deze niet te dicht bij een deuropening te plaatsen of in direct zonlicht. Verder zal een sensor niet te dicht bij een toevoerrooster of een verwarmingselement mogen worden geplaatst. Voor de hoogte van de sensor wordt aangeraden om deze te plaatsen op een hoogte tussen 0.90-1.80m. Eventueel kan een CO2-sensor ook in de afvoer worden geplaats om zo de CO2-concentratie te meten echter kan deze waarde niet helemaal overeenkomen met de CO2-concentratie gemeten in de ruimte.

 

 

Systeemontwerp

 

Belangrijk is om als ontwerper steeds voor ogen te houden dat de installatie wordt ontworpen zowel voor nominale (maximale) condities als voor minimale condities (en alle werkingspunten tussenin). Voor het ontwerp van het systeem is gebruik gemaakt van een labo-installatie, zie figuur 1, om het potentieel van vraaggestuurde ventilatie te kwantificeren. Uit de metingen in de labo-installatie kan worden afgeleid dat vraagsturing een belangrijke impact heeft op het ventilator energiegebruik (-70% tot -85% gemeten reductie in ventilatorenergie) door gebruik te maken van een variabele drukregeling in vergelijking met een constante drukregeling. Variabele drukregeling is bovendien interessant in ruimtes die vaak onder de nominale condities gebruikt worden (en dus ook wanneer bij ontwerp de nominale condities overschat werden). 5 à 10% extra energiebesparing bovenop de besparing door constante drukregeling is hierdoor mogelijk.

Labo opstelling voor vraaggestuurde ventilatie

Case studies

 

In totaal werden binnen het project vier case studies grondig geanalyseerd wat betreft binnenluchtkwaliteit, ventilatie efficiëntie, energie efficiëntie en lokaal thermisch comfort. De eerste case studie is een schoolgebouw bestaande uit vier klaslokalen. Verse lucht wordt toegevoerd door zelfregelende roosters boven de ramen, extractie wordt geregeld door een kanaalventilator welke gestuurd wordt door een CO2-signaal. Per twee klaslokalen is een kanaalventilator voorzien en wordt het afvoerdebiet geregeld op basis van de hoogst gemeten CO2-concentratie van de twee klaslokalen. De tweede case studie is een gebouw met twee leslokalen voor elk 80 studenten. Ventilatie is voorzien door een systeem met een mechanische toe- en afvoer. Het ventilatiedebiet wordt geregeld door VAV (Variable Air Volume-systeem) boxen welke gestuurd worden op basis van de CO2-concentratie en temperatuur in de ruimte. De derde case studie is een kantoorgebouw met grote landschapskantoren waar mechanische balansventilatie is voorzien. Het ventilatiedebiet wordt geregeld op basis van de CO2-concentratie gemeten in de ruimte. De vierde case studie betreft eveneens een kantoorgebouw met landschapskantoren met een mechanische balansventilatie. Het debiet is hier geregeld op basis van de CO2-concentratie en de gemeten temperatuur in de ruimte.  

 

Gedurende twee weken in het najaar en de winter zijn metingen uitgevoerd naar CO2-concentratie op verschillende posities in de ruimte, debiet en stand van de VAV (Variabel Air Volume) en energieverbruik van de ventilator. CO2-concentratie is gemeten op verschillende posities verdeeld over de gebruikerszone op de hoogte van een zittend persoon (1,10 m) tevens is de CO2-concentratie gemeten bij de afvoer om zo de ventilatie efficiëntie te kunnen berekenen.

 

Resultaten* van de metingen in deze 4 case studies tonen aan dat vraaggestuurde ventilatie, geregeld met een meting van de CO2-concentratie in de ruimte, in staat is een goede binnenluchtkwaliteit te garanderen in alle omstandigheden. De VAV-boxen reageren goed op een overschrijding van een vooraf ingesteld CO2 setpoint en verhogen het debiet om de CO2-concentratie weer op een acceptabel niveau te brengen. De ventilatie-efficiëntie in de ruimte wordt niet beïnvloed door de gereduceerde debieten. In de bemeten ruimtes zijn geen zones waargenomen met significant afwijkende luchtkwaliteit. Dit toont aan dat een goed ontworpen vraaggestuurd ventilatiesysteem in staat is om de verse lucht voldoende te verspreiden over de ruimte, ook bij verlaagde debieten. Metingen naar de ventilatie-efficiëntie tonen aan dat bij een ontwerpdebiet het verschil in CO2-concentratie dat wordt gemeten in de ruimte en bij de afvoer rond de 100 ppm is. Dit toont aan dat de keuze voor de positie van de CO2-sensor zeer belangrijk is voor de prestatie van het ventilatiesysteem. Het energiebesparingspotentieel wordt bevestigd bij de bemeten case studies. Vraaggestuurde ventilatie laat in deze cases in het tussenseizoen en de winter een energiereductie zien van 34% tot 47% op de warmteverliezen van ventilatie en 50% tot 55% op de ventilatorenergie t.o.v. een constant ventilatiesysteem.

*De resultaten van de in dit TETRA project uitgevoerde metingen werden gebundeld in de gids  'Vraaggestuurde ventilatie in kantoor- en schoolgebouwen'.

Besluit  

 

De meetresultaten laten zien dat in alle gemeten case studies het vraaggestuurde ventilatie systeem in staat is om een goede luchtkwaliteit te kunnen waarborgen en de toegevoerde lucht op een efficiënte manier kan verdelen in de ruimte ook bij lagere ventilatiedebieten. Een aandachtspunt voor een optimale werking van het systeem is de positie van de sensor in ruimte. Een vraaggestuurd ventilatiesysteem is zeer aantrekkelijk in ruimtes met een variërende bezetting zoals landschapskantoren en leslokalen voor hoger onderwijs. Hierdoor zijn grote besparingen mogelijk op zowel verwarming als ventilator verbruik. Bij klaslokalen in het basisonderwijs is de bezetting echter minder variërend waardoor kloksturing op het eerste zicht een betere optie lijkt. Echter door CO2-sturing kan een veel betere inschatting worden gemaakt van het nodige ventilatiedebiet. In realiteit kan dit benodigde ventilatiedebiet immers veel lager zijn dan het ontwerpdebiet doordat groepsgroottes sterk kunnen afwijken van de aannames bij ontwerp. Een verdere energie reductie voor een vraaggestuurd ventilatiesysteem kan bekomen worden door het toepassen van een variabele drukregeling.

Dit artikel kadert in het project Binnenluchtkwaliteit in schoolgebouwen met steun van het Departement Omgeving van de Vlaamse Overheid.