Externe belastingen
Externe koelbelastingen zijn de belastingen die ontstaan door warmere buitenlucht en zonnestraling. De berekening van externe belastingen wordt doorslaggevend beïnvloed door de volgende factoren:
- Straling door transparante buitencomponenten
- Transmissie door de muur
- Buitenlucht
Onder "transparante componenten" worden in de eerste plaats ramen verstaan. Een belangrijke factor voor de externe koellast is de "zonnewinsten" die via de ramen binnenkomen. De stralingswaarden zijn afhankelijk van de regio, het seizoen, het tijdstip van de dag en de atmosferische nevel. Beschermingsmechanismen tegen zonnestraling kunnen de effecten van de instraling van stralingswarmte aanzienlijk verminderen. De keuze van geschikte beschermingsmechanismen tegen zonnestraling kan de investering in koelsystemen voor gebouwen en bijgevolg ook het energieverbruik verminderen.
Warmteopslag heeft invloed op de overdracht door de muren, vanwege de dynamische veranderingen in temperatuurverschil tussen buiten en binnen. Warmteopslag is de eigenschap van bouwelementen om warmte te absorberen en weer uit te stralen bij lagere temperaturen. De geabsorbeerde warmte in de bouwelementen heeft een vertraagd effect in de ruimtes, afhankelijk van hoe massief de constructie is. Gebouwen met een hoge opslagmassa zorgen ervoor dat temperatuurschommelingen in binnenruimtes worden gecompenseerd en voorkomen dat binnenruimtes in de zomer worden opgewarmd tot boven de comforttemperatuur. Dit leidt niet alleen tot een hoger comfort voor het binnenklimaat, maar ook tot een vermindering van de piekbelasting en dus ook tot een verlaging van de energiekosten.
Frisse buitenlucht vernieuwt de lucht in gebouwen. Deze moet echter eerst worden gekoeld tot de gewenste kamertemperatuur. Buitenlucht kan worden aangevoerd door ramen en deuren te openen, door infiltratie of door mechanische ventilatie. De buitentemperatuur is afhankelijk van de locatie en de hoogte van het gebouw. Voor koellast, rekening houdend met het stadsklimaat, verdeelt de VDI-richtlijn 2078 steden in Duitsland in 4 koellastzones. De gemiddelde dagelijkse buitentemperatuur en de amplitude van de schommeling in °C wordt gegeven voor elke koellastzone. Daarnaast voorziet de VDI in een aanpassing voor grootstedelijke centra in klimaatzones 3 en 4, wat leidt tot een verhoging van de gemiddelde dagelijkse temperaturen en een kleinere amplitude. Steden met meer dan 100.000 inwoners, met dichte bebouwingsconcentraties en zonder groene ruimten worden als grootstedelijke centra beschouwd.
Voorbeeldproject
Aan de hand van een kantoorgebouw worden herhaalde koellastberekeningen uitgevoerd met variërende parameters om het effect van externe belastingen in te schatten. In dit artikel worden drie varianten als voorbeeld gepresenteerd en besproken. Voor de vergelijking wordt de tweede verdieping gebruikt (afbeelding 1). Bij het berekenen van de varianten wordt telkens één parameter veranderd om de geselecteerde invloedsfactoren te kunnen vergelijken en evalueren. De ramen van het referentiegebouw zijn het equivalent van thermisch isolerende beglazing. Het gebouw staat in Aken en bevindt zich dus in koellastzone 3 volgens de VDI 2078 classificatie. De binnenbelastingen zijn hetzelfde voor alle varianten.
Invloed van constructievoetafdruk en bulk
In de eerste planningsfase van een nieuwbouw is er nog geen definitieve beslissing genomen over de opbouw van de binnenmuren. Toch moet de ontwerper een schatting maken van de koellast. Om de invloed van de bouwmassa van de binnenmuren op de totale koellast aan te tonen, wordt eerst de koellast voor het referentiegebouw bepaald. 80 procent van de binnenmuren in het referentiegebouw zijn lichte binnenmuren en 20 procent zijn dragende betonmuren. In de tweede vergelijkende berekening worden alle binnenmuren gedefinieerd als massieve muren (normaal beton).
De massa en voetafdruk van de buitenmuren en de plafonds blijven hier ongewijzigd. Figuur 2 toont de koellasten van de twee varianten als staafdiagram en de relatieve veranderingen. Een verandering in de constructie van de binnenmuren leidt tot een vermindering van de koellast van drie tot zes procent. Een uitzondering hierop is april, wanneer de koellast relatief laag is en de massieve binnenmuren de kortstondige zonnestraling meer absorberen en 's nachts weer kunnen uitstralen.
Invloed zonnestralingsbescherming
Ramen die lange tijd aan de zon worden blootgesteld zonder enige schaduw van naburige gebouwen of bomen, produceren een zware belasting in de kamers en moeten worden voorzien van een zonnestralingsbeschermingsmechanisme.
Om deze invloed te illustreren, is het referentiegebouw doorgerekend met verschillende zonweringsmechanismen voor de ramen (tabel 1). De resultaten worden weergegeven in afbeelding 3.
In het geval van zonwering aan de binnenzijde kan het zijn dat de kortgolvige zonne-input wordt verminderd, maar dat de convectieve input hoger is dan voor een raam zonder zonwering, zoals te zien is in tabel 1. De lamellen warmen op en er vormt zich een warmtelaag tussen de zonwering aan de binnenzijde en het raamoppervlak, die als een radiator warmte afgeeft aan de ruimte. Dit verhoogt de koelbelasting in de kamer. Het kan zijn dat de lamellen aan de binnenkant het verbleken van meubels voorkomen door UV-bescherming, maar ze bieden geen effectieve thermische bescherming.
Aan de ene kant weerkaatst de zonwering aan de buitenkant de kortgolvige zonnestraling en beschaduwt zo de kamer, maar aan de andere kant wordt de geabsorbeerde warmtestraling door convectie grotendeels naar buiten afgegeven. Zonwering aan de buitenkant is dus de meest effectieve variant en leidt in dit voorbeeld tot een vermindering van de koellast met 11%. Tussenlamellen reflecteren eveneens directe straling, maar stralen de zonnewarmte in grotere mate naar het raam, en dus naar de kamer, dan de zonwering aan de buitenkant. In ons voorbeeld leidt deze variant tot een vermindering van de koellast van 7%.
Invloed van de koelbelastingszone en het grootstedelijk centrum
Het referentiegebouw is berekend met constante locatiecoördinaten in de vier koelbelastingszones van VDI 2078. De locatiecoördinaten zijn gelijk gehouden om de invloed van de zonnestand gelijk te houden. Op deze manier weerspiegelen de resultaten alleen de invloed van de buitentemperatuur en de invloed van het grootstedelijk centrum voor de koellastzones 3 en 4. Wanneer het grootstedelijk centrum wordt geactiveerd, nemen de gemiddelde dagtemperaturen van de zone en het temperatuurverschil tussen dag en nacht af. Dit leidt tot een afname van de amplitude. Dit leidt tot een afname van de amplitude (zie figuur 4).
Tabel 2 toont de amplitudes en de gemiddelde dagelijkse buitentemperaturen op de ontwerpdag voor de vier koellastzones en voor de metropolitane centra van zones 3 en 4 in de maand juli. De gesimuleerde koellastresultaten worden ook weergegeven.
Figuur 5 toont de verandering in de koellastpiek afhankelijk van de koellastzones. De koellast stijgt met toenemende koellastzone, maar het grootstedelijke centrum van koellastzone 3 veroorzaakt een grotere stijging van de koellast dan de hogere temperatuur in koellastzone 4.
Figuur 6 toont de procentuele toename van de koellastpiek voor verschillende koellastzones, afhankelijk van de buitentemperatuur en amplitude.
De koellast is evenredig met de buitentemperatuur; als de buitentemperatuur stijgt, stijgt ook de koellast. De amplitude beïnvloedt ook de koelbelasting. Dit effect wordt duidelijk in de volgende grafische voorstelling. Vergeleken met koellastzone 4 heeft het centrum van de metropool in koellastzone 3 een hogere koellast ondanks de lagere buitentemperatuur. Door de kleinere amplitudes is het temperatuurverschil tussen dag en nacht kleiner, waardoor het gebouw 's nachts minder afkoelt. Dit leidt tot hogere koelbelastingen, ondanks lagere buitentemperaturen.
Samenvatting
De drie weergaven helpen om de orde van grootte van de invloed van externe ladingen op het resultaat van de koellastberekening te illustreren. Voor geselecteerde varianten zoals opslagcapaciteit, bescherming tegen zonnestraling en koellastzones werd elk van de parameters gevarieerd en het effect op de maximale koellast geanalyseerd.
De veranderingen in opslagcapaciteit voor de binnenscheidende wanden van licht naar massief leidt tot een vermindering van drie tot zes procent van de koellast. De resultaten laten zien dat zowel het gebruik van een bescherming tegen zonnestraling aan de buitenkant als het gebruik van lamellen ertussen leiden tot een verlaging van de koellast. Met bescherming tegen zonnestraling binnen en een hoog aandeel convectie kan de koelbelasting zelfs toenemen!
Voor de koelbelastingszones heeft niet alleen de buitentemperatuur maar ook de amplitude ervan een effect op de koelbelasting. Het activeren van de optie "grootstedelijk centrum" leidt tot een kleinere amplitude en dus een grotere koellast.