Ontwikkeling van de koellastberekening
In Duitsland wordt de koellast berekend volgens VDI 2078. De eerste editie verscheen in 1972 en introduceerde de handmatige methode, later ook wel de korte methode genoemd (Fig. 1). De procedure bleef bijna 20 jaar ongewijzigd totdat er in 1994 een herziening van de norm verscheen. Voor de versie van 1994 werden de weergegevens en andere randvoorwaarden herzien en werd de EDP-methode geïntroduceerd als tweede berekeningsmethode om het toepassingsgebied uit te breiden, bijvoorbeeld door variabele zonwering. Beide methoden zijn zodanig op elkaar afgestemd dat dezelfde koellasten worden berekend voor dezelfde randvoorwaarden. De korte methode en de EDP-methode werden in 2015 vervangen door het 2-capaciteitsmodel als basis voor de berekening van de koellast.
Het 2-capaciteitsmodel brengt de warmtetransportprocessen in de ruimte in kaart en er wordt rekening gehouden met het dynamische gedrag van de gebruikte componenten met betrekking tot warmteopslag en stralingsuitwisseling. Bovendien elimineert de dynamische berekening met het 2-capaciteitsmodel de beperkingen op de bedrijfstijden die in de voorgaande richtlijnen waren vastgelegd en kan er een grote verscheidenheid aan systeemconcepten worden berekend. In tegenstelling tot de korte procedure kunnen de koellasten in de dynamische koellastberekening niet meer handmatig worden herberekend of gecontroleerd. Door de hogere complexiteit van het model zou de dynamische koellastberekening moeten leiden tot meer realistische en kleinere koellasten.
Vergelijking van de methoden
Alle methoden houden rekening met dezelfde beïnvloedende variabelen in de koellastberekening:
- interne belastingen
- externe belastingen
- Warmteopslag van de componenten
De interne belastingen bestaan uit de belastingen van mensen, verlichting en machines. Er zijn geen significante verschillen in de berekening van de interne belastingen tussen de afzonderlijke methoden. Dit is anders voor de externe belastingen, die worden veroorzaakt door het buitenklimaat en zonnestraling. Hier verschilt de berekening aanzienlijk tussen de oude en de huidige dynamische methode. Bij de korte en EDP-methode wordt de buitentemperatuur gespecificeerd op basis van een dagcyclus. Bij de dynamische methode wordt het verloop van de buitentemperatuur op een dag beschreven door een sinuscurve met het maximum om 15.00 uur. Bij de dynamische methode wordt de koellast meestal berekend aan de hand van de "cooling design period" (CDP). De CDP is in totaal 19 dagen lang en bestaat uit 14 bewolkte dagen met een lagere buitentemperatuur, gevolgd door vijf zonnige dagen met een stijgende buitentemperatuur. In speciale gevallen kan alleen de laatste dag van de CDP ("Cooling Design Day", CDD) worden gebruikt. De berekening van zonwering en zonnestraling door transparante oppervlakken is complexer in de dynamische methode, maar flexibeler en maakt het mogelijk om rekening te houden met externe zonwering en daglichtregeling van de verlichting.
In de korte methode wordt rekening gehouden met warmte-koudeopslag op basis van vier componentgewichten en koellastfactoren. De componentgewichten worden gegeven voor de hele ruimte en onderverdeeld in zeer lichte (XL), lichte (L), middelzware (M) en zware (S) constructie. De koellastfactoren zijn opgeslagen in tabellen voor tien wandconstructies. Bij de dynamische methode worden alle buiten- en binnenmuren gecombineerd tot elk één capaciteit. De capaciteiten hebben een directe warmte-uitwisseling (convectie en straling) met de ruimte en vertegenwoordigen de warmteopslag. De methode vereist de gedetailleerde wandconstructies van alle gebouwcomponenten voor de berekening.
Vergelijking van resultaten
Aan de hand van één verdieping van een kantoorgebouw worden de koellasten van de korte methode vergeleken met die van de dynamische koellastberekening voor drie gebouwtypen (Fig. 2). De interne belastingen en bedrijfstijden zijn voor beide methoden hetzelfde gekozen en komen overeen met de huidige norm wat betreft het stroomverbruik van de verlichting en IT-apparatuur. De wandconstructies voor de dynamische berekening komen overeen met de beschrijving van de ruimtetypes uit de korte procedure. De resultaten in figuur 3 laten zien dat met de dynamische koellastberekening, afhankelijk van de ernst van het gebouw, tussen de 6% en 22% lagere koellasten worden berekend dan met de korte methode. Naarmate de ernst van de gebouwcomponent toeneemt en de invloed van warmte-koudeopslag groter wordt, neemt het verschil tussen de methoden toe. Daarentegen zijn de verschillen tussen de twee methoden CDP en CDD voor dynamische koellastberekening relatief klein.
Conclusie
De methoden voor het berekenen van koellasten zijn in de loop der tijd geëvolueerd en maken gebruik van de omstandigheden van hun tijd. In de jaren 1970 was het ondenkbaar om de koellast te berekenen met behulp van een computer. In die tijd werden de berekeningen met de hand en met behulp van een rekenliniaal uitgevoerd. Tegenwoordig is het normaal om de berekeningen softwarematig uit te voeren. De toename in rekenkracht maakt het ook mogelijk om geavanceerdere modellen te gebruiken en om steeds dichter bij het werkelijke gedrag van het gebouw te komen, zodat de koellast nauwkeuriger kan worden berekend en de effectieve werking van de koelsystemen wordt gegarandeerd. Ondanks de meer geavanceerde modellen is de informatie die nodig is om de berekening uit te voeren nauwelijks veranderd. De interne belastingen moeten worden gespecificeerd en de klimaatgegevens worden bepaald op basis van de locatie van het gebouw. Bij de dynamische methode moeten alleen de gegevens van de gebouwcomponenten gedetailleerder worden ingevoerd. Om de bouwklasse en de zwaarte van de componenten te bepalen, moet echter ten minste de ruwe wandconstructie bekend zijn, zelfs met de korte procedure. In de loop van de digitalisering in de bouw zijn de gedetailleerde componentgegevens al onderdeel van de gebouwmodellen en kunnen ze automatisch worden ingelezen. Een ander groot voordeel van dynamische berekening is de mogelijkheid om installatie- en regeltechniek op te nemen. Dit betekent dat de werkelijke bedrijfssituatie van het gebouw kan worden weergegeven en dus een veel realistischere koellast kan worden bepaald. Dit voordeel is nog niet meegenomen in de vergelijking van de methoden!
In het volgende deel van deze serie onderwerpen zullen de externe belastingen van de dynamische koellastberekening worden bekeken. De invloed van zonnestraling en beschaduwing zal worden besproken. Daarnaast zal de beschouwing van gebouwen door middel van een jaarlijkse simulatie worden uitgelegd.