TM 2010 02 by Installateurszaken

Februari 2010 | Jaargang 39 | Nr 2

JAARGANG 39 NR. 2 TVVL MAGAZINE FEBRUARI 2010

Kwetsbare kunst Duurzame meerwaarde Waterverbruikpatronen

Thema:

Gebouwsimulatietechniek

TM0210_cover_4.indd 1

11-2-2010 11:33:54

Naamloos-1 2

11-2-2010 11:29:54

Inhoudsopgave REDACTIERAAD: Drs.ir. P.M.D. Kruijsse (voorzitter) Ir. J. Aufderheijde Prof.dr.ir. J.L.M. Hensen Mw. dr. L.C.M. Itard J.F.P.G. Kerdèl H. Lodder G.J. Lugt Mw. drs. C. Mulder Mw. drs.ir. I. Thierauf A.J. de Weijert (eindredacteur) Prof.ir. W. Zeiler Ing. F.J. Stouthart (nms. uitgever) REDACTIE: Drs.ir. P.M.D. Kruijsse (voorzitter)l Ir. J. Aufderheijde Mw. drs. C. Mulder A.J. de Weijert (eindredacteur) Ing. F.J. Stouthart (nms. uitgever) REDACTIE-ADRES: TVVL: De Mulderij 12, 3831 NV Leusden Postbus 311, 3830 AJ Leusden Telefoon redactie (033) 434 57 50 Fax redactie (033) 432 15 81 Email c.mulder@tvvl.nl

TVVL MAGAZINE Februari 2010 CFD VOOR EEN GEZONDE EN COMFORTABELE STEDELIJKE OMGEVING

Dr. ir. B. Blocken

KLIMAATVERANDERING: NOODZAAK AANPASSINGEN GEBOUW EN INSTALLATIE

P. de Wilde, W. Tian

OVERDIMENSIONERING KLIMAATINSTALLATIES DOOR KLIMAATBEWUSTZIJN?

Mw. L. Deutz

DUURZAME ECONOMISCHE MEERWAARDE VOOR DE GEZONDHEIDSZORG

Mw. ir. C. de Vaan, ir. J. Wiedenhoff UITGAVE: Merlijn Media BV Zuidkade 173, 2741 JJ Waddinxveen Postbus 275, 2740 AG Waddinxveen Telefoon (0182) 631717 Email info@merlijnmedia.nl www.merlijnmedia.nl TRAFFIC: Mariella van den Eng Email info@merlijnmedia.nl ABONNEMENTEN: Merlijn Media BV Postbus 275, 2740 AG Waddinxveen Telefoon (0182) 631717 Email abonnementen@merlijnmedia.nl Benelux € 105,Buitenland € 220,Studenten € 83,Losse nummers € 18,Extra bewijsexemplaren € 13,-

BRAND IN EEN AANGRENZENDE RUIMTE ATRIUM

M.G.L.C. Loomans, A.D. Lemaire

WATERVERBRUIKPATRONEN VOOR WONINGEN EN UTILITEITSBOUW

Mw. I. Pieterse-Quirijns, mevr. M. Blokker

PREPRESS: Yolanda van der Neut DRUK: Ten Brink, Meppel ISSN 0165-5523

DE ATG METHODE VERDIENT ANDERE UITGANGSPUNTEN?

Drs. E.G. Rooijakkers

OPPERVLAKTEWATER VOOR EEN DUURZAME GEBOUWDE OMGEVING

Dr.ir. C.J. Wisse

38 INTERVIEW MET JACK DE LEEUW

EDITORIAL INTERVIEW ACTUEEL UITGELICHT PROJECTBESCHRIJVING REGELGEVING INTERNATIONAAL SUMMARY VOORBESCHOUWING PRODUCTNIEUWS AGENDA

5 42 45 49 50 55 57 58 59 61 62

© Merlijn Media BV, 2010 Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/ of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microﬁlm of op welke andere wijze dan ook, zonder schriftelijke toestemming van de uitgever. Publicaties geschieden uitsluitend onder verantwoording van de auteurs. Alle daar in vervatte informatie is zorgvuldig gecontroleerd. De auteurs kunnen echter geen verantwoordelijkheid aanvaarden voor de gevolgen van eventuele onjuistheden.

Het abonnement wordt geacht gecontinueerd te zijn, tenzij 2 maanden voor het einde van de abonnementsperiode schriftelijk wordt opgezegd. ADVERTENTIE-EXPLOITATIE: Merlijn Media BV Ruud Struijk Telefoon (0182) 631717 Email verkoop@merlijnmedia.nl

DUURZAME MEERWAARDE

REVIEWED: Artikelen in TVVL Magazine zijn beoordeeld ‘door gelijken’. De uniforme ‘peer review’ waarborgt de onafhankelijke en kwalitatieve positie van TVVL Magazine in het vakgebied. Een handleiding voor auteurs en beoordelingsformulier voor de redactieraadleden (‘peer reviewers’) zijn verkrijgbaar bij het redactie-adres.

KWETSBARE KUNST

42 50

TVVL Magazine is het ofﬁciele orgaan van TVVL Platform voor Mens en Techniek. De vereniging, opgericht op 26 mei 1959, heeft tot doel de bevordering van wetenschap en techniek op gebied van installaties in gebouwen en vergelijkbare objecten. Als lid kunnen toetreden personen, werkzaam (geweest) in dit vakgebied, van wie mag worden verwacht, dat zij op grond van kennis en kunde een bijdrage kunnen leveren aan de doelstelling van de vereniging. Het abonnement op TVVL Magazine is voor leden en begunstigers van TVVL gratis. De contributie voor leden bedraagt € 109,per jaar. Informatie over de bijdrage van begunstigers wordt op aanvraag verstrekt.

TM0210_inhoud.indd 3

8-2-2010 9:38:03

variabele waterhoeveelheid

30RB

De nieuwe AquaSnap,

efficiënter dan ooit Toonaangevend kan altijd nóg toonaangevender. Dat bewijst Carrier met de vernieuwde AquaSnap serie. De luchtgekoelde waterkoelmachines en warmtepompen zijn nu ook verkrijgbaar tot 160 kW en gebruiksvriendelijker dan ooit. Innovatieve componenten zijn toegevoegd die een hoger rendement garanderen zoals het elektronische expansieventiel, een toerengeregelde vloeistofpomp en uiteraard de toepassing van het Puron® R410A koudemiddel. Het vernieuwde bedieningspaneel maakt de AquaSnap ‘easy to install’ en dat past in onze visie om het leven gemakkelijker en comfortabeler te maken. Oók dat van onze installateurs. Daarbij is het kwalitatieve assortiment zó opgebouwd dat u altijd de juiste oplossing voor handen heeft. Dus, voor élke klimaatoplossing: turn to the experts. Carrier Airconditioning. T (071) 341 71 11, www.carrier.nl/30RB

turn to the experts TM0210_carrier_04.indd CAR 2910029 AD nw stijl4 A4.indd 1

4-2-2010 25-11-09 11:11:45 11:38:12

editorial

Gebouwsimulatie: voor nu en morgen De laatste drie decennia is gebouwsimulatie uitgegroeid tot een veld met unieke expertise, methoden en gereedschappen voor het voorspellen en evalueren van (toekomstige) gebouwprestaties. De noodzakelijke integratie van verschillende disciplines impliceert een niet-geringe modelleer- en berekeningsuitdaging. Jan Hensen, hoogleraar gebouwprestatiesimulatie TU/Eindhoven

Gebouwsimulatie kan omgaan met de resulterende schaalcomplexiteit en de diversiteit in component interacties. Dit biedt unieke mogelijkheden in het voorspellen, beoordelen en veriﬁëren van gebouwprestaties. De robuustheid en nauwkeurigheid van de modellen verbeteren continu, waardoor het onderzoek en de discussie zich niet meer zozeer toespitst op het verder ontwikkelen van de numerieke modellen zelf, maar veel meer op het effectief inzetten en beheren van simulatietools bij ontwerp en beheer van gebouwen. In dit themanummer wordt bovenstaande nader belicht vanuit het onderzoeksveld en vanuit de praktijk. We hebben bewust gestreefd naar meer kortere in plaats van minder langere artikelen. TVVL wil meer aandacht geven aan de relatie tussen mens, omgeving (maatschappij) en techniek. Dus bij verschillende artikelen is de techniek in een maatschappelijke context geplaatst c.q. is een maatschappelijke betekenis gegeven. Bij andere is dat juist andersom gedaan: vanuit een maatschappelijk vraagstuk (duurzaamheid bijvoorbeeld) is over de techniek (als oplossing) geschreven. Er is duidelijk een sterk toenemende belangstelling voor gebouwsimulatie. Zo bleek het aantal aangeboden artikelen veel groter dan voor dit themanummer kon worden geplaatst. Helaas zult u een aantal artikelen dus pas later dit jaar in TVVL Magazine kunnen lezen. Dit zijn artikelen door De Vaan et al. (De mythe van thermische massa), Peitsman et al. (Energieanalyse “Vertigo” gebouw op basis van foutdetectie & diagnostiek), Yu en Luscuere (Optimalisatie van de energieprestatie van drie scheepshallen in Dubai; en Voorspelling

TVVL Magazine | 02 | 2010 EDITORIAL

TM0210_editorial.indd 5

van de winterprestaties van droge koelers), Verkerk-Evers et al. (Klimatiseringsconcepten voor de toekomst), en Wijsman en Plokker (Betrouwbaarheid gebouwsimulatieprogramma’s). Ik maak graag van de gelegenheid gebruik om het IBPSA-NVL 2010 symposium op 14 oktober bij de TU/e aan te raden. IBPSA-NVL staat voor Nederlands-Vlaamse afdeling van de International Building Performance Simulation Association IBPSA (www.ibpsa.org). De ochtendsessie zal worden ingevuld vanuit de praktijk. Wij zijn benieuwd naar uw ervaringen bij de toepassing van gebouwsimulatie. Bijdragen die ingaan op interessante praktijkvoorbeelden van de mogelijkheden die gebouwsimulatie biedt bij de ondersteuning van het ontwerpproces zijn van harte welkom. Daarnaast zijn we ook benieuwd naar nieuwe ontwikkelingen en mogelijkheden die het gebruik van gebouwsimulatie kunnen vergroten. Interesse om een artikel te schrijven? Stuur vóór 15 april 2010 een e-mail naar IBPSA-NVL.2010.Event@tue.nl. De middagsessie beoogt een goed beeld te geven van de huidige stand van zaken op het gebied van gebouwsimulatie en van de toekomstige mogelijkheden. De leidraad daarbij is simuleren voor een energie-efﬁciënte of -producerende gebouwde omgeving. Het programma zal bestaan uit presentaties door vooraanstaande sprekers over gebouwsimulatie en energie op wijkniveau; ontwerpproces; bestuur en beheer; regelgeving, ratingtools en labelling; en binnenmilieu. Rest me nog alle auteurs te bedanken voor hun bijdrage en u veel leesplezier te wensen.

2-2-2010 14:41:32

CFD voor een gezonde en comfortabele stedelijke omgeving Stedebouwfysica omvat de studie van fysische processen om te zorgen voor een gezonde, comfortabele en duurzame stedelijke omgeving. Dit artikel bespreekt kort de belangrijke rol die CFD-simulaties hierin kunnen spelen, op voorwaarde dat hun nauwkeurigheid en betrouwbaarheid zijn gegarandeerd. Het geeft twee voorbeelden (case studies) ter illustratie: windcomfort in de onderdoorgangen van de Silvertoptorens en natuurlijke ventilatie van het Amsterdam ArenA voetbalstadion. Dr.ir. Bert Blocken, Hoofddocent Stedebouwfysica, Building Physics and Systems, Faculteit Bouwkunde, Technische Universiteit Eindhoven De fysische processen die van belang zijn in de stedelijke omgeving omvatten het convectieve transport van warmte, lucht, vocht en polluenten. Een belangrijk deel van de stedebouwfysica richt zich daarom op het bestuderen van de windstroming in steden, de ermee gepaard gaande warmte- en massaﬂuxen en de effecten daarvan op mensen en gebouwen. Voorbeelden zijn windhinder en windgevaar rond gebouwen, natuurlijke ventilatie van gebouwen, dispersie van luchtverontreiniging en slagregen op gebouwen.

VIER CATEGORIEËN Voor stedebouwfysische studies staan vier categorieën van methoden ter beschikking: metingen in-situ, windtunnelmetingen, (semi-)empirische modellen en numerieke simulatie met Computational Fluid Dynamics (CFD). Elk van deze methoden heeft zijn vooren nadelen. Metingen in-situ geven weliswaar de werkelijkheid weer - meetfouten uitgezonderd - maar zijn meestal duur en tijdro-

TM0210_blocken.indd 6

vend. Ook zijn de randvoorwaarden, zoals de meteorologische condities, oncontroleerbaar. Verder worden de metingen slechts uitgevoerd in een beperkt aantal punten in de ruimte. Tenslotte zijn in-situ metingen uiteraard geen optie bij nog te ontwerpen gebouwen of stadsdelen. Een belangrijk voordeel van windtunnelmetingen is dat de randvoorwaarden nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd. De metingen gebeuren echter ook meestal slechts in een beperkt aantal punten. Met technieken zoals Particle Image Velocimetry (PIV) kan in principe informatie in een heel vlak worden bekomen, maar bij een stadsmodel zijn de gebouwen obstakels die de nodige belichting door het laservlak bij deze methode in de weg staan. Verder is bij windtunnelmetingen dynamische gelijkvormigheid tussen de “werkelijke” stroming en de stroming rond het schaalmodel een belangrijke eis. Deze eis wordt vaak vertaald met behulp van dimensieloze getallen zoals het Reynoldsgetal, het Froudegetal en het Richardsongetal, die dezelfde waarde

moeten hebben in het model als in de realiteit. Deze zogenaamde schaalwetten zijn echter meestal onverenigbaar met de mogelijkheden van windtunnels, en ze zijn vaak ook onderling onverenigbaar. Empirische en semi-empirische modellen zijn een vaak sterk vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid, gebaseerd op metingen en/of theoretische beschouwingen en ze zijn daarom maar beperkt toepasbaar in de complexe realiteit van de stad.

VOORDELEN CFD biedt een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van metingen in situ, windtunnelexperimenten en (semi-)empirische modellen. CFD levert zogenaamde “wholeﬂow ﬁeld data”, dit wil zeggen dat waarden van de stromingsparameters tegelijkertijd in het hele rekendomein (in alle punten van de ruimte) worden verkregen. CFD laat ook toe de randvoorwaarden te controleren en wordt niet gehinderd door de onverenigbare schaalwetten die in de windtunnel voor problemen

TVVL Magazine | 02 | 2010 GEBOUWSIMULATIE

4-2-2010 9:14:43

kunnen zorgen. CFD is ook - tenminste potentieel - nauwkeuriger dan (semi-)empirische modellen, en levert meer detailinformatie. De grootste nadelen van CFD zijn de complexiteit en de gevoeligheid van de resultaten voor de te kiezen modelparameters. De gebruiker moet vele keuzes maken bij het uitvoeren van een simulatie, en deze kunnen sterk de nauwkeurigheid van de resultaten beïnvloeden. Als veilig uitgangspunt durven we te stellen dat voor CFD-resultaten niet de veronderstelling van onschuld geldt, integendeel: “CFDresultaten zijn fout, tot het tegendeel bewezen is”. Veriﬁcatie en validatie van CFD-simulaties zijn essentieel. Voor de validatie zijn dan weer nauwkeurige metingen nodig, in-situ of in de windtunnel. De complexiteit van CFD betekent dat er nood is aan richtlijnen bij het gebruik ervan, zogenaamde “best practice guidelines”, waarvan er recent een aantal zijn gepubliceerd [1-5]. Wanneer aan een aantal essentiële voorwaarden is voldaan, kunnen CFD-simulaties een uitermate sterk hulpmiddel zijn voor stedenbouwkundige analyse, en informatie opleveren die met metingen niet kan worden bekomen. Deze essentiële voorwaarden zijn dat de simulaties zorgvuldig worden uitgevoerd, met de verplichte veriﬁcatie en validatie, volgens de bestaande praktijkrichtlijnen en dat bij toepassing en interpretatie van de resultaten rekening wordt gehouden met de beperkingen van de fysische modellen voor onder meer turbulentie en wandbehandeling. In de volgende paragrafen worden kort enkele case studies behandeld, waarin CFD een belangrijk hulpmiddel is gebleken bij de evaluatie en/of aanpassing van gebouwontwerpen.

SILVERTOPTORENS De Silvertoptorens in Antwerpen zijn een groep van drie gebouwen met een hoogte van 60 m (ﬁguur 1a), gebouwd in 1960. Voor een grootschalige renovatie werd een architectuurwedstrijd uitgeschreven. Het ontwerp dat de wedstrijd won had als doel de gebouwsite meer in de omgeving te integreren. Daarom werden wandelpaden rondom en onderdoorgangen in de gebouwen voorzien. De gebouwingangen werden in deze onderdoorgangen geplaatst. Onderdoorgangen bij gebouwen zijn echter typische zones waar hoge windsnelheden en daarom windhinder en -gevaar kunnen optreden. Dit omdat de doorgang een kortsluiting vormt tussen de overdruk aan de windzijde en de onderdruk aan de lijzijde van het gebouw. Daarom werd voor de Silvertoptorens een windhinderstudie uitgevoerd met behulp van CFD. Na een initiële validatiestudie voor eenvoudigere gebouwconﬁguraties met onderdoorgangen, werd een rekenraster opgebouwd van de drie torens en de belangrijkste

TVVL Magazine | 02 | 2010 GEBOUWSIMULATIE

TM0210_blocken.indd 7

- Figuur 1 - (a) De drie Silvertoptorens in Antwerpen. (b) Rekenraster op het oppervlak van één van de torens en de achterliggende gebouwen. (c) Versterkingsfactoren van de windsnelheid in een horizontaal vlak op 1.75 m hoogte. (d) Schuifdeuren in één van de onderdoorgangen (inzet: anemometer (omcirkeld) in de doorgang boven de luifel voor het meten van de lokale windsnelheid).

omliggende gebouwen (figuur 1b). Figuur 1c toont, voor één bepaalde windrichting, de gesimuleerde versterkingsfactoren in een horizontaal vlak op 1.75 m hoogte. Dit vlak snijdt doorheen de drie torens en de onderdoorgangen. De versterkingsfactor is gedefinieerd als de verhouding van de windsnelheid op een bepaalde plek, tot de windsnelheid die er op dezelfde plek zou zijn bij afwezigheid van de gebouwen. De berekende versterkingsfactoren in de onderdoorgangen, voor twaalf windrichtingen, werden gecombineerd met statistische meteorologische data en een comfortcriterium om de windhinderpercentages te bepalen. Met percentages van 43-55 %, ver boven het toegelaten maximum van 20 %, waren aanpassingen aan het ontwerp onvermijdelijk. Dit moest echter gebeuren zonder te raken aan de onderdoorgangen, omdat deze een essentieel onderdeel waren van het winnende ontwerp. Er werd daarom gekozen voor het installeren van twee sets schuifdeuren, één aan beide uiteinden van de onderdoorgangen (figuur 1d). Het idee was dat bij rustig weer, wanneer de windsnelheid in de onderdoorgangen lager is dan de discomfortdrempel van 5 m/s, beide sets van deuren open zouden staan, om een vlotte doorgang mogelijk te maken. Bij windsnelheden in de doorgang van meer dan 5 m/s, zou één set schuifdeuren worden gesloten. Personen die via deze deuren de doorgang willen ingaan, zouden met een drukknop de andere set deuren kunnen sluiten, waarna de eerste set zich opent. Op die manier blijft het in de doorgang steeds windstil, en

blijft het windcomfort gewaarborgd. Het grootste probleem was het kiezen van de meetpositie voor de windsnelheid. Meten in de doorgang was uiteraard geen optie omdat deze soms gesloten is. De doorgang bestaat echter uit twee delen: een deel onder de luifel (de eigenlijke onderdoorgang), en een deel boven de luifel. De schuifdeuren staan enkel in het onderste deel, en het deel boven de luifel blijft steeds open. Dit betekende dat in het bovenste deel kan worden gemeten. Met CFD werd de relatie bepaald tussen de windsnelheid in deze bovenste doorgang en deze die er in de onderste doorgang zou optreden. De simulaties toonden ook aan dat het sluiten van de onderste doorgang nauwelijks effect heeft op de windsnelheid in de bovenste doorgang. Met CFD werd bijgevolg een regelmechanisme ontworpen voor het omzetten van de gemeten windsnelheid in de bovenste doorgang naar deze die in de onderste doorgang zou optreden. Het ontwerp werd op deze manier gerealiseerd, met de anemometer in de bovenste doorgang voor het meten van de windsnelheid (zie inzet bij ﬁguur 1d). De volledige studie is terug te vinden in [6]. Deze studie werd uitgevoerd met CFD omdat in-situ metingen niet mogelijk waren voor realisatie van de onderdoorgangen en omdat er zich bij windtunnelmetingen problemen zouden voordoen met Reynoldsgelijkvormigheid in de kleine bovenste doorgangen.

AMSTERDAM ARENA De Amsterdam ArenA is een multifunctioneel

4-2-2010 9:14:44

- Figuur 2 - (a) Amsterdam ArenA met schuifdak in geopende stand (inzet: concert in de ArenA met schuifdak in gesloten stand). (b-c) Hoge-resolutie rekenraster van de ArenA voor CFD-studie van natuurlijke ventilatie [7]. (d) Versterkingsfactor van de windsnelheid in een horizontaal vlak op 10 m hoogte.

stadion waarin niet alleen voetbalwedstrijden maar ook andere evenementen zoals concerten plaatsvinden. De ArenA heeft een schuifdak (ﬁguur 2a), dat tijdens concerten wordt gesloten omdat er dan licht- en geluidsapparatuur aan is bevestigd. Het schuifdak is semitransparant en laat heel wat directe en indirecte zonnestraling toe, waardoor het binnenvolume stevig kan opwarmen. Bovendien produceren de ongeveer 55.000 aanwezigen tijdens de concerten heel wat warmte, waterdamp en CO2. De condities van een dergelijk groot binnenluchtvolume (1.2 miljoen m³) beheersen met HVAC-systemen is een complexe en weinig duurzame optie. Vandaar dat de ArenA op natuurlijke wijze wordt geventileerd. De studie van de natuurlijke ventilatie werd uitgevoerd met CFD door leden van de Unit Building Physics & Systems van de TU Eindhoven, en is volledig gerapporteerd in [7]. Voor CFD-validatie werden puntmetingen van windsnelheid, temperatuur, relatieve vochtigheid en CO2-concentratie in en rond het stadion uitgevoerd. Figuren 2b en 2c tonen het hoge-resolutieraster, dat met een nieuw ontwikkelde rastergeneratietechniek werd opgebouwd. De CFD-simulaties houden rekening met de detailwindstroming in de stedelijke omgeving rond het stadion, en met de thermische effecten in en rond het stadion. Figuur 2d toont de versterkingsfactor van de windsnelheid in een horizontaal vlak op 10 m hoogte. Voor zuidenwind bevindt de ArenA zich in het zog van de andere gebouwen; dit

TM0210_blocken.indd 8

kan zorgen voor een belangrijke vermindering van het ventilatievoud. De CFD-simulaties toonden aan welke de belangrijkste ventilatieopeningen zijn, en hoe deze kunnen worden geoptimaliseerd om het ventilatievoud met meerdere tientallen procenten te verbeteren [7]. Deze studie werd uitgevoerd met CFD omdat hiermee informatie over het hele windveld kon worden verkregen, en omdat het niet mogelijk was om parameteranalyses uit te voeren aan de hand van in-situ metingen. Windtunnelmetingen zouden dan weer schaalfouten opleveren bij de nauwe ventilatieopeningen van de ArenA.

DOORSLAGGEVEND Deze beide studies zijn slechts twee voorbeelden die aantonen dat zorgvuldig uitgevoerde CFD-simulaties, na veriﬁcatie en validatie, een bijdrage kunnen leveren aan een gezonde, comfortabele en duurzame stedelijke omgeving. Ze tonen ook aan dat het gebruik van CFD in sommige gevallen doorslaggevende voordelen biedt ten opzichte van in-situ en/ of windtunnelmetingen. In elk geval blijven nauwkeurige metingen, ook in deze gevallen, steeds noodzakelijk voor validatie.

REFERENTIES 1. Casey M, Wintergerste T. (Eds.), 2000. Best Practice Guidelines, ERCOFTAC Special Interest Group on Quality and Trust in Industrial CFD, ERCOFTAC, Triomﬂaan 43, B-1160, Brussels.

2. Franke J, Hellsten A, Schlünzen H, Carissimo B. (Eds.). 2007. Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment. COST Action 738. 3. Blocken B, Stathopoulos T, Carmeliet J. 2007. CFD simulation of the atmospheric boundary layer: wall function problems. Atmospheric Environment 41(2) 238-252. 4. Yoshie R, Mochida A, Tominaga Y, Kataoka H, Harimoto K, Nozu T, Shirasawa T. 2007. Cooperative project for CFD prediction of pedestrian wind environment in the Architectural Institute of Japan. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 95 (9-11), 1551-1578. 5. Tominaga Y, Mochida A, Yoshie R, Kataoka H, Nozu T, Yoshikawa M, Shirasawa T. 2008. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96(10-11) 1749-1761. 6. Blocken B, Roels S, Carmeliet J. 2004. Modification of pedestrian wind comfort in the Silvertop Tower passages by an automatic control system. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 92 (10): 849-873. 7. Hooff van T, Blocken B. 2010. Coupled urban wind flow and indoor natural ventilation modelling on a high-resolution grid: A case study for the Amsterdam ArenA stadium. Environmental Modelling & Software 25(1): 51-65.

TVVL Magazine | 02 | 2010 GEBOUWSIMULATIE

4-2-2010 9:14:46

Energie is niet gratis, maar leren hoe te besparen wel Schrijf u vandaag nog in bij de Energy University voor een GRATIS cursus over energiebesparing. Zelfs nu de economische crisis het bedrijfsleven in z’n greep houdt, blijft het energieverbuik naar verwachting flink stijgen. Dit betekent extra kosten voor zowel bedrijven, overheden als consumenten. Daarnaast stelt de digitale economie geheel nieuwe eisen en laten de opwarming van de aarde en andere milieuoverwegingen weinig ruimte toe voor fouten. Maar er is ook goed nieuws: onze Energy University kan uw bedrijf door deze moeilijke tijden loodsen. De Energy University is online toegankelijk en is een on-demand informatiebron voor iedereen die de energie-efficiency binnen zijn organisatie wil verbeteren. De cursussen zijn gebaseerd op de filosofie die ten grondslag ligt aan energie-efficiency en –besparing. De onderwerpen die aan bod komen zijn: energieverbruik, toepassingen, ROI-berekeningen en oplossingen voor wijzigingen die daadwerkelijk nut hebben. Volg zelf de cursussen of laat een ‘energie-expert’ in uw organisatie dit doen, zodat u beter bent uitgerust om de huidige of onverwachte nieuwe problemen het hoofd te bieden. Dat onze energiebehoefte de kritieke fase nadert, is geen nieuws; de druk op uw financiën en op het milieu is nog nooit zo hoog geweest. Het is tijd om zuiniger om te gaan met energie; tijd voor de Energy University.

Zet een stap in de goede richting voor een lager energieverbruik De Energy University richt zich op belangrijke eindmarkten die samen goed zijn voor 72 procent van het wereldwijde energieverbruik:

> Energie en infrastructuur > Industrie > Gebouwen > Datacenters en netwerken Met de onlinecursussen van de Energy University kunt u mensen binnen uw bedrijf opleiden tot experts op het gebied van energie-efficiency.

Schrijf u vandaag nog in voor een GRATIS cursus! Ga naar www.SEreply.com en voer de actiecode 75725t in.

TM0210_snijder_09.indd 19 TVVL_NL_75725t.indd

5-2-2010 10:41:09 2010-02-04 18:04:48

Klimaatverandering: aanpassingen gebou Klimaatverandering is een belangrijk maatschappelijk vraagstuk. Internationaal loopt veel onderzoek dat poogt klimaatverandering te voorkomen of verminderen door reductie van de uitstoot van broeikasgassen. Gelijktijdig poogt meteorologisch onderzoek te voorspellen welke actuele veranderingen desondanks te verwachten zijn. Vanzelfsprekend zal een dergelijke voorspelde verandering in het klimaat gevolgen hebben voor de thermische prestatie van gebouwen. Kwantiﬁcatie van deze gevolgen is echter niet eenvoudig, aangezien dit een probabilistische berekening vereist. Dit levert een voorspelling van risico’s, die moeten worden afgewogen op basis van aanvaardbaarheid. Sommige risico’s kunnen dusdanig groot worden geacht dat preventief ingrijpen is geboden. P. de Wilde en W. Tian, Universiteit van Plymouth, Plymouth, Verenigd Koninkrijk

Gebouwen dienen, ook op de lange termijn, comfortabel en energiezuinig te zijn. Als gevolg daarvan is er een toenemende aandacht voor de mogelijke gevolgen van klimaatverandering op het thermisch gedrag van gebouwen. De eerste resultaten van onderzoek op dit gebied, veelal uitgevoerd met behulp van gebouw prestatie simulatie, verschijnen in de literatuur; zie bijvoorbeeld. [1 en 2]. Hoewel dit werk goede inzichten biedt in de adaptatie van gebouwen aan veranderende klimaatcondities, laat het onbeantwoord hoe gebouwen het best kunnen worden beheerd met het oog op dergelijke veranderingen. Dit artikel beschrijft onderzoek aan de Universiteit van Plymouth, UK, dat tot doel heeft om aan de hand van een risicoanalyse tot weloverwogen beslissingen te komen. Een algemene methode om risico’s te kwantiﬁceren is via de formule RF = Pf x Cf, waarin RF

TM0210_dewilde.indd 10

staat voor risicofactor, Pf voor de kans op falen (probability of failure) en Cf voor de consequenties van falen (consequences of failure). Wanneer deze formule wordt toegepast op het thermisch gedrag van gebouwen onder klimaatverandering kan men het volgende vaststellen: 1. Om de kans op falen (Pf) vast te stellen zijn probabilistische berekeningen nodig. In de wereld van gebouwsimulatie is dit soort berekeningen sterk in opkomst; de meeste simulatietools zijn echter nog deterministisch, en leveren één uitkomst op voor elke invoer. 2. De kans op falen hangt af van een aantal factoren. Naast onzekerheden over het klimaat waaraan gebouwen in de toekomst zullen worden blootgesteld, moet rekening worden gehouden met veranderingen van de interne warmtelast (denk bijvoorbeeld

aan ontwikkelingen op het gebied van kantoorapparatuur en verlichting), toenemend efﬁciënte installaties, en mogelijke ingrepen in het gebouw (renovaties en onderhoud). Als gevolg daarvan moet een reeks van mogelijke toekomstscenario’s worden bestudeerd. 3. De gevolgen van falen (Cf) moeten scherper worden gedeﬁnieerd. Tot dusverre richt het meeste onderzoek in dit veld zich op het risico van temperatuuroverschrijding. Het is echter waarschijnlijk dat gebouweigenaren en gebruikers, die voor de kosten van eventueel ingrijpen moeten opdraaien, meer zijn geïnteresseerd in zaken als productiviteitsverlies, gezondheidsrisico’s en dergelijke. Dit betekent dat de output van simulatietools moet worden nabewerkt om de gewenste informatie te verkrijgen. 4. In de huidige literatuur is geen informatie

TVVL Magazine | 02 | 2010 GEBOUWSIMULATIE

4-2-2010 9:19:32

noodzaak w en installatie beschikbaar over drempels die worden gehanteerd om bepaalde risico’s als acceptabel aan te merken, en andere risico’s als onaanvaardbaar en aanleiding tot ingrijpen.

METHODOLOGIE Als eerste stap is onderzoek gedaan naar het gedrag van een referentiegebouw dat is gedeﬁnieerd door een taakgroep (TM36) van het Engelse CIBSE (Chartered Institute of Building Services Engineers), zie ﬁguur 1. Het gebouw in kwestie bestaat uit negen zones, en heeft een vloeroppervlakte van 3.864 m2. De ramen beslaan 30 % van de gevel. De installaties omvatten een indirecte verdampingskoeler, warmteterugwinning in de winter, en zomernachtkoeling. Simulatie van dit gebouw is gebruikt om drie onderzoeksvragen te beantwoorden: 1. Hoe kunnen simulaties worden opgezet die de waarschijnlijkheid van het thermisch gedrag van gebouwen op de lange termijn weergeven, rekening houdend met de verschillende toekomstscenario’s? 2. Wat is de invloed van het gehanteerde thermisch comfortmodel op de simulatieresultaten, rekening houdend met het feit dat het logisch lijkt aan te nemen dat adaptatie aan veranderende klimaatcondities een belangrijke rol zou kunnen spelen? 3. Is het mogelijk om simulatieresultaten na

Sample parameter values for epistemic uncertainty (Table 1)

Sample parameters values for aleatory uncertainty (Table 2) Outer Loop

Inner Loop

Store all sampled values for EnergyPlus model simulation No

TM0210_dewilde.indd 11

1-D > N Yes Yes 2-D > M

END

- Figuur 2 - Schematische weergave rekenproces.

te bewerken en een hoger niveau prestatieindicatoren te genereren, die bijvoorbeeld een indicatie geven van te verwachten invloed op werkprestaties in het gebouw? Het betreffende referentiekantoor is gesimuleerd met behulp van EnergyPlus V3.0 Build 028 [3]. Om de geometrie in te voeren is gebruik gemaakt van Openstudio V1.0. In de eerste studies is een onderscheid gemaakt tussen twee soorten van onzekerheden: aleatorische (natuurlijke) factoren, die inherent onzeker zijn, en epistemische factoren, waarvoor de onzekerheid berust op een (huidig) gebrek aan kennis. In de praktijk blijken deze deels te overlappen. Zo zijn bijvoorbeeld beide factoren van invloed op de onzekerheden omtrent de U-waarde: een U-waarde heeft aleatorische onzekerheden doordat er altijd

- Figuur 1 - CIBSE TM36 Referentiekantoor O2, zoals gemodelleerd in Openstudio.

TVVL Magazine | 02 | 2010 GEBOUWSIMULATIE

BEGIN

variaties in materiaaleigenschappen zullen bestaan; maar een U-waarde heeft eveneens een epistemische component die is gebaseerd op bijvoorbeeld de uitvoering (is de constructie echt precies zo dik als gespeciﬁceerd door de ontwerper) en zaken als de mogelijkheid tot wijziging van de U-waarde bij renovatie van de gevel. Een overzicht van bestudeerde parameters en hun bereik is weergegeven in tabel 1 (epistemische onzekerheden) en tabel 2 (aleatorische onzekerheden), zie volgende pagina. Een uitvoeriger beschrijving is gegeven in [4]. Op het gebied van klimaatscenario’s is gestart met de voorspellingen van UKCIP02, die stammen uit 2002. Deze voorspellingen zijn relatief eenvoudig, en gebaseerd op vier emissiescenario’s: een hoog-emissie scenario (doorzetten van huidige emissie-trends), en laag-emissie scenario (sterke reductie van emissies), en twee tussenliggende lijnen. De scenario’s vertrekken elk vanuit de huidige situatie; voor elke tijdshorizon (2020, 2050 en 2080) zijn er dan vier voorspellingen. Merk op dat UKCIP02 alleen een gemiddelde jaartemperatuur oplevert; deze moet worden terugvertaald naar uurlijkse waarden voor een simulatie met EnergyPlus. Voor de onzekerheidsanalyse is gebruik gemaakt van de zogenaamde twee dimensionale MonteCarlo methode. Hierbij wordt een steekproef genomen van de epistemische factoren; voor elke combinatie hiervan wordt vervolgens een steekproef van aleatorische factoren toegevoegd. Schematisch is dit weergeven in ﬁguur 2. Het proces is geautomatiseerd met

4-2-2010 9:19:33

Variabele

Eenheid

Distributie

2020s

Klimaatfile Uniform discreet l,ml,mh,h* 2 Uniform continu 0,15-0,3 U-waarde gevel W/m K Uniform continu 0,1-0,22 U-waarde vloer W/m2 K 2 Uniform continu 0,1-0,22 U-waarde dak W/m K Uniform continu 1-2 U-waarde raam W/m2 K Infiltratie ACH Uniform continu 0,1-0,25 Uniform continu 8-12 Interne warmtelast apparaten W/m2 2 Uniform continu 6-12 Interne warmtelast verlichting W/m Boiler efficiency % Uniform continu 0,8-0,9 * l, ml, mh, h staan voor low, medlow, medhigh, high emissiecenario in UKCIP02

2050s

2080s

l,ml,mh,h* 0,1-0,2 0,08-0,18 0,08-0,18 0,8-1,5 0,05-0,15 5-10 4-9 0,9-0,95

l,ml,mh,h* 0,05-0,15 0,05-0,1 0,05-0,1 0,5-1,0 0,02-0,1 4-8 2-6 0,92-0,96

- Tabel 1 - Epistemische onzekerheden.

Variabele

Eenheid

Distributie

Waardes

Klimaatfile W/persoon Normaal μ 120 σ 60 (50 %) Normaal μ* σ (10 %) U-waarde gevel W/m2 K 2 Normaal μ* σ (10 %) U-waarde vloer W/m K Normaal μ* σ (10 %) U-waarde dak W/m2 K 2 U-waarde raam W/m K Normaal μ* σ (10 %) Normaal μ* σ (50 %) Infiltratie m3/h m2 Normaal μ* σ (15 %) Interne warmtelast apparaten W/m2 Interne warmtelast verlichting W/m2 Normaal μ* σ (20 %) * epistemisch gemiddelde uit tabel 1; standaarddeviatie is 10 % n - Tabel 2 - Aleatorische onzekerheden.

behulp van de programma’s Simlab, Minitab en VisualBasic. Binnen de gemaakte opzet is vervolgens gekeken naar het verschil tussen vaste thermisch comfort grenzen en adaptief thermisch comfort. Tevens is gekeken of het mogelijk is de effecten voor relatieve werkprestaties te modelleren, gebruik makend van eerder werk van [5].

EERSTE RESULTATEN Figuur 3 en 4 tonen een selectie uit de verkregen resultaten: voorspeld energiegebruik voor verwarming (ﬁguur 3) en voorspeld energiegebruik voor koeling (ﬁguur 4). De rekenuitkomsten zijn gepresenteerd in de vorm van cumulatieve waarschijnlijkheid curves; hierbij is elke individuele curve een weergave van aleatorische onzekerheden, terwijl de verschillende curves de epistemische onzekerheden representeren. Voor de huidige situatie kennen we alleen aleatorische onzekerheden, en hebben we derhalve slechts één curve. Op termijn wordt (zoals bij opwarming van de aarde verwacht mag worden) de totale energie voor verwarming lager, en komen de curves dichter bijeen te liggen; voor koeling geldt het tegenovergestelde. Voor een uitvoeriger beschrijving van verdere uitkomsten wordt

TM0210_dewilde.indd 12

verwezen naar verder werk van de auteurs [4, 6, 7, 8]. Onderzoek naar de invloed van adaptief thermisch comfort in vergelijking met statisch thermisch comfort laat zien dat meenemen van adaptatie een doorslaggevende invloed kan hebben voor langetermijnvoorspellingen. Zo is het verschil in voorspeld energiegebruik voor koeling voor 2080 in de orde van een factor 2,5. Soortgelijke resultaten worden gevonden voor verwarming en overschrijdingsuren Resultaten voor de invloed op relatieve werkprestaties worden gepresenteerd in ﬁguur 5. Deze uitkomsten maken uitsluitend gebruik van adaptief thermisch comfort. In dit geval is echter wel een aantal mogelijke renovatiescenario’s meegenomen. Het basisscenario gaat uit van ongewijzigde instandhouding van het gebouw in de huidige vorm. Scenario A gaat uit van conservatieve interventies, waarbij de gevel en installaties gematigd worden opgewaardeerd gedurende de looptijd van de voorspelling. Scenario B geeft agressieve interventies weer, waarbij de gebouwbeheerder door strikte renovaties het energiegebruik van het gebouw poogt te minimaliseren. De resultaten laten zien dat voor het totale gebouw een productiviteitsverlies van twee tot drie

procent kan worden verwacht. Hierbij moet echter worden opgemerkt dat er voorzichtigheid is geboden bij het interpreteren van deze resultaten. Allereerst is het werk van [5] slechts van toepassing in een nauwe context, en moet worden gekeken welk voorbehoud geldt bij gebruik voor een speciﬁek kantoor. Daarnaast is in dit geval de link gemaakt tussen een gemiddelde zonetemperatuur en werkprestatie; in werkelijkheid kunnen in individuele vertrekken meer extreme schommelingen optreden, met grotere gevolgen voor de locale werkprestatie.

LOPEND VERVOLGONDERZOEK Resultaten zoals gevonden voor een theoretisch gebouw als het CIBSE O2 Referentiekantoor kunnen helaas niet worden besproken met een daadwerkelijke gebouwbeheerder of gebruiker, die uitspraken zou kunnen doen over de aanvaardbaarheid van de risico’s van klimaatverandering. Daarnaast is het moeilijk om rekenresultaten, zoals die op het vlak van relatieve werkprestatie, te toetsen aan praktijkervaringen. Daarom is recent de overstap gemaakt naar simulatie van een concreet gebouw. Hierbij is gekozen voor een recente nieuwbouw op de campus van

TVVL Magazine | 02 | 2010 GEBOUWSIMULATIE

4-2-2010 9:19:33

de auteurs, het Roland Levinsky Gebouw dat huisvesting biedt aan de locale Faculty of Arts. Het Roland Levinsky Gebouw heeft een vloeroppervlak van 13.000 m2, en biedt onderdak aan zo’n 2.300 studenten en staf; het omvat kantoorruimte, collegezalen, studioruimtes, film en expositieruimtes, en een restauratieruimte, zie figuur 6. Onderzoek aan dit gebouw maakt het mogelijk om een discussie op te starten met de gebouwbeheerder (UoP Estates). Daarnaast wordt, via lopende afstudeeronderzoeken, momenteel gekeken naar de gebruikerservaring via POE (Post Occupancy Evaluation) en het ontwerpen uitvoeringsproces van dit gebouw. Voor het onderzoek aan het Roland Levinsky Gebouw wordt tevens overgestapt op de nieuwste klimaatvoorspellingen voor de UK, UKCP09. In tegenstelling tot de voorganger UKCIP02 houdt UKCP09 naast emissiescenario’s ook rekening met onzekerheden; hiertoe wordt een ‘weather generator’ gebruikt die voor elke tijdshorizon een reeks van mogelijke klimaatfiles aanmaakt. Dit heeft wel tot gevolg dat het aantal noodzakelijke simulatieruns sterk wordt vergroot (van 10 naar 3.000). Tevens zal voor dit vervolgonderzoek worden gepoogd om de renovatiescenario’s afhankelijk te maken van prestatievoorspellingen; met andere woorden: in plaats van temporeel vooraf gedefinieerde ingrepen zal worden overgestapt op prestatieafhankelijke interventies.

- Figuur 3 - Voorspeld energiegebruik voor verwarming.

CONCLUSIES EN DISCUSSIE Gebouwsimulatie is een nuttig instrument voor onderzoek naar de noodzaak tot aanpassingen aan gebouwen en installaties, wanneer deze worden blootgesteld aan een veranderend klimaat. Wel is voor dergelijke studies een probabilistische benadering noodzakelijk. Er moet rekening worden gehouden met een aantal mogelijke scenario’s, zowel qua klimaat als qua ontwikkelingen op het gebied van interne warmtelasten en dergelijke. Daarnaast vormen te verwachten ingrepen (renovatie) een lastig aspect, dat afhankelijk dient te worden gesteld van afnemende gebouwprestaties. Een eerste set rekenresultaten bevestigt de haalbaarheid van inzet van simulatie, maar laat zien dat zaken als het gehanteerd thermisch comfortmodel (statisch of adaptief) van doorslaggevende invloed op rekenuitkomsten kunnen zijn. Een vertaalslag naar een hoger niveau prestatie-indicator zoals relatieve werkprestatie is mogelijk, maar dient met voorzichtigheid te worden gehanteerd. Voor een discussie over aanvaardbaarheid van de risico’s die klimaatverandering oplevert voor de gebouwprestatie is het noodzakelijk

TVVL Magazine | 02 | 2010 GEBOUWSIMULATIE

TM0210_dewilde.indd 13

- Figuur 4 - Voorspeld energiebruik voor koeling.

- Figuur 5 - Voorspelde relatieve werkprestaties.

4-2-2010 9:19:34