Hoe kan natuurlijke ventilatie bijdragen aan een lager energieverbruik in gebouwen?

Mechanische verkoeling, zoals airconditioning, wordt vaak in gebouwen gebruikt om temperatuurstijgingen te reguleren. Maar met een passieve verkoelingsstrategie, zoals natuurlijke ventilatie, kan het energieverbruik tot wel 50% worden verlaagd (CE-classificering conform de EN-norm).

Hoe ontstaat oververhitting in een gebouw?

Oververhitting betekent een stijging van de binnentemperatuur die oncomfortabel is voor de gebouwgebruikers. Er zijn verschillende factoren die van invloed zijn: het aantal mensen in een ruimte, elektronica, verlichting, buitenklimaat, thermische massa, zonnewarmte via gevelramen.

Hoe kan verkoeling door natuurlijke ventilatie worden gebruikt om de binnentemperatuur te reguleren en thermisch comfort te bieden in een utiliteitsgebouw?

Als warme lucht niet weg kan, wordt het onaangenaam om in het gebouw te verblijven. Vocht, CO2-niveaus, verontreinigende stoffen en een hogere binnentemperatuur kunnen bijdragen aan een hoger verzuim en een lagere productiviteit. Maar met de juiste ventilatiestrategie kan de productiviteit tot 10% stijgen (Olesen, 2010). Uit onderzoek blijft ook dat het verzuim onder medewerkers met 3,2% daalt (Sterling) als de gebouwgebruikers een comfortabele binnenomgeving hebben.

Verkoeling door ventilatie maakt gebruik van de buitenlucht om het thermisch comfort van de gebouwgebruikers te verbeteren. Er is geen of nauwelijks energie voor nodig ten opzichte van mechanische verkoeling. Mechanische, hybride en natuurlijke ventilatie kunnen allemaal worden gebruikt voor verkoeling. Wat betreft natuurlijke ventilatie zijn er vier subcategorieën:

• Eenzijdige ventilatie: op basis van openingen op dezelfde of verschillende hoogtes in dezelfde gevel of hetzelfde dak
• Ventilatie volgens het schoorsteenprincipe (thermische druk): op basis van openingen op verschillende hoogtes in de gevel of het dak van een gebouw of kamer
• Dwarsventilatie: op basis van openingen in verschillende gevels van een gebouw of kamer
• Dwarsventilatie en ventilatie volgens het schoorsteenprincipe: op basis van openingen op verschillende hoogtes en in verschillende gevels van een gebouw of kamer

Een vergelijking tussen natuurlijke ventilatie en mechanische ventilatie met betrekking tot de binnenluchtkwaliteit

Begeleiding tijdens de ontwerpfase van een project, waarbij wordt getoond welk soort ventilatie het beste is.

Eenzijdige ventilatie

Dit wordt beschouwd als een eenvoudige vorm van natuurlijke ventilatie, omdat alle openingen aan dezelfde kant van de gevel zitten, op dezelfde of verschillende hoogtes. Maar het is belangrijk om te weten dat deze vorm van natuurlijke ventilatie het minst efficiënt is als het gaat om luchtverversing en ook de laagste garantie biedt, vanwege de invloed van het weer. Tijdens de planningsfase van een natuurlijke ventilatiestrategie moet rekening worden gehouden met verschillende factoren, zoals de windrichting, de locatie van het gebouw en het soort opening dat wordt gebruikt.

Dwarsventilatie

Dwarsventilatie is een specifieke vorm van natuurlijke ventilatie waarbij openingen in dezelfde ruimte zich in verschillende gevels of verschillende daken van het utiliteitsgebouw bevinden. Deze vorm van natuurlijke ventilatie is afhankelijk van de windkracht om luchtstroom te realiseren in de ruimte. Dwarsventilatie kan tot een hoge luchtdebiet leiden bij een hogere windkracht.

Schoorsteenprincipe

Het schoorsteenprincipe kan worden bereikt als de openingen zich op verschillende hoogtes bevinden, waarbij gevelramen voor luchttoevoer zorgen en dakramen en lichtstraten voor de afvoer zorgen. Deze vorm van natuurlijke ventilatie is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenlucht, dat leidt tot een temperatuurgradiënt in een gebouw, en van het hoogteverschil tussen toevoer en afvoer. Dankzij de thermische druk (warme lucht die opstijgt) wordt koude lucht die via de lagere openingen naar binnen komt naar boven getrokken, waar de lucht opwarmt en het gebouw met een hoge snelheid verlaat.

Utiliteitsgebouw met atrium met weergave van het schoorsteenprincipe

Veelvoorkomende oorzaken van oververhitting in utiliteitsgebouwen:

• Zonnewarmte : een gebouw wordt verwarmd door blootstelling aan de zon
• Thermische massa: gebouwen met een zware structuur (bijvoorbeeld op basis van beton) slaan warmte op tijdens de dag en geven deze af aan een ruimte, waardoor het langer duurt om deze te verkoelen
• Materialen : het materiaal waarvan een gebouw is gemaakt beïnvloedt hoe warmte wordt geleid en opgeslagen
• Buitentemperatuur :warme lucht die naar binnen komt
• Interne temperatuurstijgingen : apparatuur, activiteiten zoals koken en warmte die door mensen wordt uitgestoten

Hoe werkt nachtkoeling?

Bij nachtkoeling wordt er gebruikt gemaakt van de lagere nachttemperaturen om warme en bedompte binnenlucht snel te vervangen door koelere lucht van buiten. De buitenlucht verkoelt de thermische massa van het gebouw, dat overdag als warmtegeleider fungeert. 's Nachts geeft de gebouwstructuur warmte af. Deze kan door nachtkoeling ontsnappen uit het gebouw, waardoor de gebouwtemperatuur daalt. Grote hoeveelheden koele lucht kunnen via ramen en lichtstraten het gebouw binnenstromen, vooral als er gebruik wordt gemaakt van dwarsventilatie en het schoorsteenprincipe.

Vier extra voordelen van nachtkoeling:

• Een passieve oplossing die mogelijk is in de meeste gebouwen
• Minder afhankelijkheid van energie
• Lagere koolstofuitstoot en minder afhankelijkheid van mechanische systemen
• Voordelig

De efficiëntie van deze ventilatiemethode is afhankelijk van de geometrie en thermische eigenschappen van het gebouw, evenals van de buitentemperatuur en windsnelheid. Verkoeling door natuurlijke ventilatie kan in sommige gevallen een vervanging zijn van mechanische verkoeling (airconditioning).

Hoe wordt verkoeling door natuurlijke ventilatie geïntegreerd in utiliteitsgebouwen om het thermisch comfort te verbeteren en een duurzaam ontwerp te ondersteunen?

Tijdens de planningsfase van het gebouwontwerp komt natuurlijke ventilatie aan bod. Er kan gekozen worden voor zonwering voor lichtstraten en dakramen om extra thermisch comfort te realiseren, doordat de hoeveelheid zonlicht die het gebouw binnenvalt wordt beperkt. Door de positie van dakramen en zonwering op te nemen in een gebouwontwerp, zijn gebouwgebruikers beter in staat om het thermisch comfort te reguleren en af te stemmen op temperatuursveranderingen.

Lichtstraten kunnen ook worden uitgerust met elektrochrome beglazing. Deze slimme beglazing reguleert schittering, verbindt mensen met de buitenwereld en leidt tot minder afhankelijkheid van airconditioning: een besparing van wel 628 uur per jaar. Dit was bijvoorbeeld het geval bij het hoofdkantoor van ACTIS, de Europese marktleider in reflecterende isolatie.

Modulaire lichtstraten als onderdeel van het nieuwe hoofdkantoor van ACTIS in Frankrijk

Geautomatiseerde verkoeling door natuurlijke ventilatie als uitgangspunt bij het ontwerpen van scholen

De Hessenwaldschool in Duitsland is een voorbeeld van energie-efficiënte, moderne architectuur. In het hart van de school staat een atrium van drie verdiepingen met ventilerende lichtstraten/dakramen. Oververhitting wordt in de zomermaanden voorkomen door gebruik te maken van de thermische massa in de blootgelegde plafonds en van geautomatiseerde nachtkoeling. Dat gebeurt via panelen op de gevel en ventilerende modulaire lichtstraten in het atrium. Markus Bürger, directeur van de school, beschrijft het resultaat als "een klimaat waar mensen zich comfortabel voelen, gevormd door geweldige architectuur, lichtomstandigheden en een aangename temperatuur".

Connecting inside and out: interview met Alexander Vohl, partner bij wulf architekten GmbH, over het ontwerpen van de Hessenwaldschool met daglicht en frisse lucht

Moet ik een passieve verkoelingsstrategie implementeren?

Passieve verkoelingssystemen leiden tot een aangename thermische omgeving voor de gebouwgebruikers. Verder leiden ze tot een lager energieverbruik in vergelijking met mechanische verkoelingssystemen, zoals airconditioning.

Tegen 2050 zal de wereldwijde verkoelingsbehoefte van utiliteitsgebouwen met 275% zijn gestegen (O' & Donovan, 2020). Dit resulteert in een grotere vraag naar airconditioning, een hoger energieverbruik en hogere CO2-niveaus. Verkoeling door natuurlijke ventilatie is een betrouwbare manier om de behoefte aan airconditioning te verlagen, zonder dat het comfort van de gebruiker daaronder lijdt.

Hoe realiseer ik thermisch comfort voor gebruikers van utiliteitsgebouwen via verkoeling door natuurlijke ventilatie?

Als u verkoeling door natuurlijke ventilatie integreert in uw bouwplannen, moet u rekening houden met verschillende factoren betreffende thermisch comfort. Bijvoorbeeld het lokale klimaat, buitentemperaturen overdag en 's nachts, het aantal dagen zon per jaar, windsnelheden, enz. Ook het gebruik van het gebouw, materialen, de locatie van ramen en de mogelijkheid om zonwering te gebruiken spelen een rol als u een effectieve natuurlijke ventilatiestrategie wilt integreren in de plannen voor uw utiliteitsgebouw.

Deze overwegingen in combinatie met een weloverwogen ontwerpplan en uw productkeuze zullen bijdragen aan een succesvolle implementatie van verkoeling door ventilatie.

Ontdek meer over lichtstraatoplossingen met ventilatie die de gebruikers van utiliteitsgebouwen optimaal thermisch comfort bieden.

Bronnen

FFAIA, 2019. Sustainable Workplaces for Human Health and Productivity, Global, FAIA.

O' Donovan, A. et al. 2021. Passive control strategies for cooling a non-residential nearly zeroenergy office: Simulated comfort resilience now and in the future, Cork: Elsevier. Olesen, B,W 2010. Productivity and Indoor Air Quality, Technical University of Denmark.

Sterling, E & A The Impact of Different Ventilation Levels and Flourescent Lighting Types on Building Illness: An Experimental Study, Canadian Journal of Public Health.