Comfort volgens DIN EN ISO 7730
DIN EN ISO 7730 "Ergonomie van de thermische omgeving - Analytische bepaling en interpretatie van thermisch comfort [...]" beschrijft een model voor het voorspellen van het percentage mensen dat een omgevingsklimaat waarschijnlijk als te warm of te koud zal ervaren. Het percentage ontevreden mensen wordt PPD (predicted percentage of dissatisfied) genoemd en is gebaseerd op de voorspelde gemiddelde stemming (predicted mean vote - PMV) van een grote groep mensen die het omgevingsklimaat in experimenten beoordeelden met behulp van een 7-punts waarderingsschaal. Figuur 1 toont de beoordelingsschaal en het verloop van de PPD afhankelijk van de PMV. Onder optimale omstandigheden met een PMV van 0 zal ongeveer 5% van de mensen in de ruimte nog steeds ontevreden zijn met het binnenklimaat. Met andere woorden, het betekent dat je nooit alle mensen tevreden kunt stellen met een bepaald binnenklimaat, maar dat je bepaalt hoe groot het percentage ontevreden mensen kan zijn. Voor dit doel introduceert DIN EN ISO 7730 drie categorieën voor het binnenklimaat, die worden onderscheiden door het percentage ontevreden personen. In DIN EN 16798-1 "Binnenmilieu input parameters voor ontwerp en beoordeling van energieprestatie van gebouwen met betrekking tot binnenluchtkwaliteit, thermisch milieu [...]", zijn de categorieën uit DIN EN ISO 7730 uitgebreid met één niveau (zie Tabel 1).
De PMV-index is gebaseerd op het thermisch evenwicht van het menselijk lichaam met zijn omgeving. De parameters die zijn opgenomen in de PMV-index zijn luchttemperatuur, relatieve luchtsnelheid, luchtvochtigheid, gemiddelde stralingstemperatuur en energieomzetting van het lichaam en kledingisolatie. Energieomzetting wordt vaak uitgedrukt in de metabolische eenheid met en kledingisolatie in de kledingeenheid clo. Typische waarden voor de twee grootheden en hun betekenis worden gegeven in Tabel 2 en Tabel 3.
Ontwerptemperaturen gebaseerd op de norm
In de verwarmingslastberekening volgens DIN/TS 12831-1 is een ontwerptemperatuur van 20 °C vereist voor bijna alle ruimten waarin mensen regelmatig verblijven. Voor ruimten die zonder kleding worden gebruikt, zoals badkamers en kleedkamers, moet een temperatuur van 24 °C worden aangehouden. In commercieel gebruikte ruimten waar staande activiteiten worden uitgevoerd, is 17 °C vereist voor middelzware activiteiten en 15 °C voor zware activiteiten. Met name de beschrijving van commerciële ruimten suggereert dat de ontwerpwaarden zijn afgeleid met behulp van het comfortmodel. Dit wordt duidelijker als we kijken naar DIN EN 16798-1. In de norm worden de minimale ontwerpwaarden voor verwarming en de maximale waarden voor koeling gespecificeerd, afhankelijk van de categorie en het activiteitenniveau. Er wordt uitgegaan van een kledingisolatie van 1,0 clo voor de winter en 0,5 clo voor de zomer (zie tabel 4). Om te controleren welke comfortcriteria worden toegepast voor de ontwerptemperaturen, worden de temperaturen voor de grenswaarden van de comfortcategorieën bepaald onder de gespecificeerde randvoorwaarden en vergeleken met de standaardwaarden (zie tabel 5, de temperaturen die expliciet worden behandeld in de volgende discussie zijn vetgedrukt). De waarden uit het comfortmodel komen zeer goed overeen met de waarden voor de zomerperiode uit DIN EN 16798-1. Alleen categorie II vereist een ontwerptemperatuur van 26 °C, wat 0,4 K lager is dan de temperatuur waarbij 10% van de mensen ontevreden is. De situatie is anders voor de winterperiode: hier verschillen de temperaturen voor zittende activiteit tot 0,9 K tussen het comfortmodel en de waarden uit de norm. Voor de eerste twee categorieën geeft het comfortmodel lagere temperaturen en voor de andere twee categorieën draait het om. Voor de staande activiteit passen de waarden voor de eerste twee categorieën daarentegen weer goed. Als je de waarden uit de warmtelastberekening vergelijkt met DIN 16798-1, kun je de eisen uit de warmtelastberekening gelijkstellen aan die van categorie II. Vergeleken met het comfortmodel, laten de waarden van de warmtelastberekening een vergelijkbaar beeld zien als in DIN EN 16798-1. Categorie II temperaturen van het comfortmodel zijn ongeveer 1,0 K lager dan vereist in de warmtelastberekening voor de zittende en staande activiteiten met kleding. Voor de ruimtes die zonder kleding worden gebruikt, geeft het comfortmodel echter 25 °C voor categorie II, wat 1,0 K hoger is dan de 24 °C die wordt gebruikt in de warmtelastberekening.
In principe kan worden vastgesteld dat de waarden uit de normen zijn gebaseerd op het comfortmodel. Voor individuele waarden zijn de resultaten van het model echter enigszins aangepast voor de norm. De redenen voor de aanpassingen kunnen niet worden afgeleid uit de gegeven informatie, vooral omdat DIN EN 16798-1 alle invoerparameters voor het comfortmodel specificeert.
Invloed van ontwerptemperatuur op capaciteit en energievraag
Uit de waarden in tabel 5 kunnen we de logische relatie zien dat bij meer kleding de temperatuur in de ruimte lager kan zijn om de omgeving als comfortabel te ervaren. Nu kan de vraag worden gesteld, wat is een geschikt comfortniveau dat wordt geleverd door gebouwtechnologie, om onnodig energieverbruik niet te bevorderen? Is het bijvoorbeeld zinvol met betrekking tot energieverbruik om in de winter een comfortabele omgeving te creëren voor mensen in zomerkleding? Hoeveel ontevreden mensen kunnen worden geaccepteerd bij het berekenen van piekbelastingen? Om de invloed van de ontwerptemperaturen op de belastingsberekening en de energievraag beter in te schatten, worden hieronder voor twee voorbeeldgebouwen de warmtelast volgens DIN/TS 12831-1, de maximale warmtelast en de jaarlijkse verwarmingsenergievraag bepaald op basis van een jaarlijkse simulatie van de module Dynamische koellast in LINEAR Building voor verschillende ontwerptemperaturen (zie afbeelding 2).
Als wordt uitgegaan van een locatie van het gebouw in Aken, Duitsland, is de standaard buitentemperatuur voor de berekening van de verwarmingsbelasting -8,6 °C. De laagste buitentemperatuur wordt bereikt op 3 januari in het testreferentiejaar en is -7,7 °C (zie afbeelding 3). In deze gebouwen wordt de ontwerptemperatuur gevarieerd in alle ruimten waar mensen regelmatig verblijven en waar daarom een ontwerptemperatuur van 20 °C wordt opgegeven voor de berekening van de warmtelast. In de jaarlijkse simulatie, zoals voorzien in de warmtelastberekening, worden de interne belastingen van personen en machines uitgeschakeld. Infiltratie met buitenlucht wordt ingesteld voor de ruimtes zoals in de warmtelastberekening. Zonnestraling is opgenomen in de jaarlijkse simulatie omdat a) zonnestraling leidt tot meer realistische verwarmingsvermogens in de overgangsperiode (zie figuur 4), en b) het geen invloed heeft op de maximale verwarmingsvermogens omdat de laagste temperaturen 's nachts zijn.
Figuur 5 toont de resultaten van de berekeningen voor het woongebouw. De berekende verwarmingsbelastingen volgens DIN/TS 12831-1 zijn ongeveer 2 kW hoger dan de verwarmingsbelasting die is bepaald op basis van de jaarlijkse simulatie. In principe lopen de twee curven parallel aan elkaar over het temperatuurbereik in kwestie. De verschillen tussen de twee berekeningsmethoden voor de warmtelast kunnen enerzijds worden verklaard door de lagere temperatuur in de warmtelastberekening, en anderzijds door het feit dat de laagste buitentemperatuur in de jaarlijkse simulatie slechts gedurende een korte periode geldt, zodat er geen stationaire temperatuurgradiënt door de muur kan optreden, zoals wordt aangenomen in de warmtelastberekening volgens DIN/TS 12831-1. In figuur 5 zijn de warmtelastcurven benaderd met exponentiatie, omdat dit type functie de kleinste afwijkingen van de berekeningspunten oplevert. In het geanalyseerde temperatuurbereik kan het verloop van de verwarmingsbelasting ook in kaart worden gebracht met een lineaire functie met iets grotere afwijkingen. In het geval van de energievraag voor verwarming is het verloop volgens exponentiatie daarentegen duidelijker zichtbaar.
Om de invloed van de verandering in ontwerptemperatuur op de warmtelast en de vraag naar verwarmingsenergie duidelijker te illustreren, tonen figuur 6 voor het woongebouw en figuur 7 voor het kantoorgebouw de relatieve veranderingen ten opzichte van de respectieve waarde bij 20 °C. Uit de grafieken blijkt duidelijk dat de verandering in ontwerptemperatuur een kleiner effect heeft op de piekbelasting dan op de energievraag gedurende het jaar. De warmtelast verandert met slechts ongeveer 4% voor een verandering van één graad in de ontwerptemperatuur, terwijl de energievraag met ongeveer 11% verandert. Een vergelijking van de grafieken voor beide gebouwtypes laat zien dat de resultaten voor beide gebouwen vergelijkbaar zijn. Bij lage temperaturen worden dezelfde veranderingen vastgesteld voor de warmtelast en de energievraag in beide gevallen. Bij hogere temperaturen worden de verschillen groter, maar liggen ze nog steeds binnen hetzelfde bereik. De geometrie van het gebouw, of de verhouding tussen het oppervlak van het gebouw en het volume van het gebouw, heeft weinig effect op de resultaten voor deze voorbeeldgebouwen.
Samenvatting
De ontwerptemperaturen die in de norm worden gespecificeerd voor de belastingsberekeningen, geven al een redelijk niveau aan zodat er een comfortabele omgevingstemperatuur heerst in de ruimte voor ongeveer 90% van de gebruikers onder de overeenkomstige randvoorwaarden. Er wordt aangenomen dat gebruikers in de zomer lichte korte kleding dragen en in de winter lange kleding met een trui of jas. De invloed van de ontwerptemperatuur op de piekbelasting voor het ontwerp van de verwarmingsoppervlakken is relatief klein en speelt dus hooguit een rol als het vermogen net tussen twee modelgrootten in ligt. De veel grotere invloed is echter te zien bij de werking van het systeem, aangezien de energievraag sterk afhankelijk is van de gekozen temperatuur in de ruimte. In de ontwerpfase kun je slechts een kleine invloed uitoefenen op de werking. Als gebruiker van een gebouw kun je echter wel afwegen in hoeverre de door jou gekozen kledingstijl geschikt is voor het seizoen. Zo kan uiteindelijk alleen het verlagen van de bedrijfstemperatuur bijdragen aan aanzienlijke energiebesparingen zonder dat dit ten koste gaat van een comfortabele omgeving in de ruimte.
Dr. Peter Hollenbeck