Oververhitting

Zomercomfort in schoolgebouwen

ir arch. Friedl Decock - daidalos peutz • 29 januari 2020

In dit artikel schetst ir arch. Friedl Decock van daidalos peutz waarom de temperatuur soms te hoog oploopt in scholen. Hoe en in welke mate passieve maatregelen bijdragen tot het vermijden van oververhitting in de zomer? En of passieve maatregelen wel volstaan in goed geïsoleerde scholen of gaat veel isolatie steeds gepaard met actieve koeling?

Evenwicht in winsten en verliezen

 

De warmtebalans in een gebouw is vrij eenvoudig: de klas warmt op wanneer er meer warmtewinsten dan warmteverliezen zijn.

Over het algemeen ligt in de zomer in België de buitentemperatuur lager dan die binnen. De leerlingen en elektrische toestellen (smartboard, computers, verlichting) geven warmte af en warmen samen met de zon de klas op. Ventilatie voert koudere buitenlucht aan en voert de warme binnenlucht opnieuw af.

Steeds vaker kennen we ook erg warme zomerdagen, waarbij de buitentemperaturen hoger oplopen dan binnen en de ventilatie eerder extra warmte aan- dan afvoert. Zonder bijkomende koelsystemen rest er  enkel nog de mogelijkheid om de warmte te bufferen in thermische massa zoals beton en metselwerk.

Hebben scholen met een ventilatiesysteem nog opengaande ramen nodig?

 

In een klas ligt de bezetting (aantal personen/ m²) vrij hoog: ongeveer 3 à 4 keer meer mensen dan in een landschapskantoor. Een grotere bezetting betekent meer warmte.

Maar hoe voeren we overtollige warmte terug af? Op een gemiddelde zomerdag, waarbij de buitentemperatuur lager is dan de binnentemperatuur, verliest een recent gebouwde, energiezuinige school immers heel weinig warmte via de goed geïsoleerde gebouwschil. De hoeveelheid warmte die we via ventilatie kunnen afvoeren is afhankelijk van het debiet en het temperatuurverschil tussen binnen en buiten. Zo zou je theoretisch gezien met een debiet van 30 m³/h/persoon en een temperatuurverschil van 10°C de warmte van de leerlingen in een lagere school  kunnen afvoeren. Maar in werkelijkheid is het temperatuurverschil tussen binnen en buiten op een zomerdag vaak veel kleiner dan 10°C en liggen de ventilatiedebieten daarenboven vaak lager dan 30 m³/h/persoon (bv. minimale epb-debiet van 22 m³/h/pers). Het ventilatiesysteem is dan ontoereikend om de interne warmtewinsten efficiënt af te voeren. Het nieuwe KB ‘Welzijn op het werk’ legt hogere minimale ventilatiedebieten op van 40 m³/h dan de vroegere 30 m³/h. Dat is niet enkel een goede zaak voor de binnenluchtkwaliteit maar ook voor het zomercomfort.

Opengaande ramen kunnen een oplossing bieden en voor meer ventilatie zorgen door de warmte op een natuurlijke wijze efficiënt af te voeren. Naast een positieve invloed op het welzijn van de gebruikers zijn opengaande ramen belangrijk in de strijd tegen oververhitting. Klassen met ramen in verschillende gevels kunnen beter geventileerd worden (dwarsventilatie) dan klassen met ramen in één gevel (enkelzijdige ventilatie). Dit debiet kan nog verhoogd worden via hoge gevelramen of dakramen (schoorsteeneffect).

 

 

Ventilatiesysteem met voorverwarming of voorafkoeling

 

Een warmtewisselaar zorgt bij een ventilatiesysteem voor ‘voorverwarmde’ lucht in de winter. Hierdoor creëert men meer comfort en wordt het verwarmingsverbruik beperkt.

In de zomer is die ‘voorverwarming’ niet wenselijk. Op dat moment zorgt een bypass op de warmtewisselaar ervoor dat de toevoerlucht niet voorverwarmd wordt en dat de warme vervuilde ventilatielucht onmiddellijk wordt afgevoerd. De bypass treedt bij voorkeur in werking bij buitentemperaturen vanaf ongeveer 15°C (afhankelijk van het type gebouw, de bezetting, het aantal interne warmtewinsten, de isolatie, …).  We merken dat de bypass in vele scholen pas vanaf 18 of 20°C in werking treedt, wat vaak te laat is om nog efficiënt warmte af te voeren. Zodra op hete zomerdagen de buitentemperatuur de binnentemperatuur overstijgt kan de ventilatie de warmte onvoldoende afvoeren en slaat de bypass best terug uit. Op dat moment kan opnieuw de warmtewisselaar voor voorafkoeling van de ventilatielucht zorgen en blijft het aangenaam koel in de school.

 

 

Mogen we onze ramen openen in een school met mechanische ventilatie?

 

Een correct gedimensioneerd ventilatiesysteem zorgt voor een goede binnenluchtkwaliteit. Wanneer de ramen worden opengezet, voert de natuurlijke ventilatie deels warmte, ongezonde stoffen en CO2 af. Wordt er gewerkt met een op CO2-vraaggestuurd ventilatiesysteem, dan merkt de CO2-voeler de afname van CO2-concentratie en vermindert het debiet. Staan de ramen slechts een beetje open (bijvoorbeeld in kipstand), dan zal de natuurlijke ventilatie vermoedelijk onvoldoende zijn en werkt de mechanische ventilatie gedeeltelijk mee tot de gewenste CO2-concentratie is bereikt. Hierdoor verbruiken de ventilatoren, een van de grote energieverbruiksposten in nieuwe scholen, minder energie.

Een volledig mechanisch ventilatiesysteem zonder vraagsturing behoudt bij het openen van de ramen dezelfde ventilatiedebieten.

Op een winderige dag kan de wind echter wel een impact hebben op het ventilatiesysteem (zowel met als zonder vraagsturing). In een gesloten gebouw zorgen namelijk de ventilatoren voor de nodige drukverschillen om het gebouw goed te ventileren. Bij openstaande ramen beïnvloedt de wind mee de drukken, waardoor de ventilatoren soms harder moeten werken of zelfs niet meer in staat zijn om de juiste hoeveelheid lucht overal naartoe te brengen. Is dit erg? Meestal niet. Zet de ramen gerust open en voer de warmte zo af.

 

 

Draagt de luchtdichte schil bij tot oververhitting?

 

Nee, het warmtetransport via kieren en spleten in de gebouwschil is heel minimaal op deze zomerdagen, zelfs in gebouwen die niet luchtdicht zijn.

 

 

Zonwering, een noodzaak?

 

De hoge interne warmtewinsten in een klaslokaal zijn in de zomer moeilijk af te voeren via ventilatie. Bijkomend kan ook de zon voor veel extra warmte zorgen en snel aanleiding geven tot oververhitting. De beste manier om die warmte te weren is een mobiele buitenzonwering. Ze houdt de zon tegen als ze niet gewenst is en laat ze door als ze helpt opwarmen en voor veel daglicht zorgt.

Het nadeel van mobiele zonwering is het onderhoud en de extra investering. Vaste zonnewering of beglazing met een zonwerende coating heeft een lagere investeringskost en behoeft minder onderhoud. Aan de andere kant is dat soort zonnewering minder performant, waardoor er een grotere kans is op oververhitting in de zomer en minder warmtewinsten in de winter. Bijkomend beperken ze sterk de natuurlijke daglichttoetreding.

Een efficiënte buitenzonwering werkt ook als lichtwering om verblinding tegen te gaan. Vaste zonwering of zonwerend glas vereisen nog een afzonderlijke lichtwering.

Een luchtopen mobiele zonwering zoals lamellenzonwering houdt de zon tegen, zorgt voor doorzicht en laat bij opengaande ramen natuurlijke ventilatie toe (die zoals we daarnet zagen, noodzakelijk is om de warmte af te voeren).

Minder onderhoudskosten kan door te kiezen voor windvaste zonwering met een automatische regeling in functie van de wind. Ook de regeling van de zonwering gebeurt het beste automatisch met een zonnesensor per representatief gevelvlak en is manueel lokaal bij te sturen.

Uiteraard speelt ook het glasoppervlak een rol. Een volledig beglaasde klas zal sneller opwarmen dan een klas met een evenwichtige gevelopbouw. In het ontwerp moet men rekening houden met enerzijds voldoende glas voor een goede daglichttoetreding, voldoende zicht naar buiten en een correcte positionering voor natuurlijke ventilatie. Anderzijds moet het  glasoppervlak beperkt worden om oververhitting in de zomer  en extra warmteverliezen in de winter te vermijden.

 

 

Hebben we zonwering nodig op het noorden?

 

Op het noorden valt er geen directe zon in. Die geeft de meeste warmte. Maar de waterdruppels in de atmosfeer diffuseren de zonnestralen. Bij bewolkter weer kan de warmte-afgifte door diffuse zonnestraling vrij hoog liggen. Hierdoor warmt een klas op het noorden te veel op. Dynamische simulaties tonen telkens aan dat klassen op het noorden ook zonwering nodig hebben.

Voorbeeld dynamische simulatie van de operatieve temperatuur in een klas met telkens passieve maatregelen die erbij komen.

Wat is het verschil tussen een houtskeletbouw, CLT (kruislaaghout) en een massief gebouw?

 

Thermische massa vertraagt de warmtebalans in haar beweging. De lucht warmt minder snel op bij toename van warmtewinsten. Hierdoor kan natuurlijke nachtkoeling de warmte efficiënt afvoeren bij lagere buitentemperaturen. Een goede nachtkoeling vereist automatisch gestuurde ramen (regen, temperatuurcontrole), met insecten- en inbraakwering. De mechanische installatie inzetten voor nachtkoeling is minder performant. De ventilatiedebieten liggen vrij laag, het energieverbruik voor ventilatie neemt drastisch toe en de ventilatoren verwarmen de lucht deels voor.

Een massief gebouw heeft ongeveer 5 keer zoveel thermische capaciteit als een houtskeletbouw en ongeveer dubbel zoveel als een gebouw uit CLT. Scholen hebben de mogelijkheid om nachtkoeling toe te passen omdat ze maar een beperkte tijd van de dag in gebruik zijn.

 

 

Hoe kunnen we akoestiek en thermische massa met elkaar verzoenen?

 

In scholen ondersteunt een goede akoestiek de leerprestaties, het comfort van het lesgeven, de rust in de school. Akoestische absorptie schermt meestal de thermische massa af. Een zorgvuldige afweging tussen akoestische absorptie en openheid van de thermische massa is belangrijk. In het studentenrestaurant van Gasthuisberg werkten we samen met 360 architecten en ingenieur Dirk Jaspaert van B.A.S. een betonnen geperforeerd verlaagd plafond uit. Hierdoor is het mogelijk om de korte warmtepiek tijdens de middagpauze op te vangen zonder actieve koeling en tevens het geluidsniveau in het restaurant te beperken.

ALMA studentenrestaurant op campus Gasthuisberg, 360 architecten. Plafond uit geperforeerd beton als akoestische absorptie met thermische massa © Bailleul Ontwerpbureau

De Zilverberk in Halle, AWG-architecten. Zorgvuldige afweging tussen akoestische absorptie en het openhouden van de thermische massa. © Senne Van der Ven

Speelpleinstraat, Kinderdagverblijf en groendienst, 51N4E. Vrij plafond, muren afgewerkt met rotan voor akoestische absorptie © Filip Dujardin

Wat is het verschil tussen scholen in de stad en op het platteland?

 

Door het hitte-eilandeffect liggen de temperaturen in steden in de zomer 1 a 3°C hoger dan op het platteland. Hierdoor kan natuurlijke ventilatie minder warmte afvoeren. Hoe meer groen in de buurt van de school en beschaduwing van de speelplaats en het gebouw door bomen, hoe lager de buitentemperatuur.

 

De dakbedekking van de school speelt ook een rol. Is die wit, dan zal de daktemperatuur lager liggen dan bij een zwart dak (bv. 25°C t.o.v. 60°C). Hierdoor warmen de klassen onder het dak opmerkelijk minder op, zelfs met veel isolatie in het dak. We isoleren een gevel met bv. 20 cm isolatie om de koude buiten te houden, bv. 20°C temperatuursverschil tussen buiten 1°C en binnen 21°C. Tijdens de zomer kan de temperatuur van een zwart dak 60°C bedragen, terwijl we binnen 24°C willen: dat is een temperatuurverschil van 36°C. De oppervlaktetemperatuur naar beneden halen is dus belangrijk.

Een wit dak is des te belangrijker indien de luchtname voor de ventilatie op het dak gebeurt, of als ramen uitgeven op het dak. Nog beter dan een wit dak is een groendak. Door verdamping liggen de daktemperaturen nog lager. Maar dan moet de afweging met onderhoudsvriendelijke regenwaterrecuperatie gebeuren.

 

 

Wat is de impact van klimaatverandering?

 

Helaas zijn de gevolgen van de klimaatverandering al deels voelbaar, en dat zal de komende jaren nog sterker meespelen. We mogen ons verwachten aan extremer weer zoals hittegolven en over het algemeen aan meer bewolking. Ook het belang van een goede daglichttoetreding neemt toe.

 

Tijdens een hittegolf ligt de buitentemperatuur ver boven een comfortabele binnentemperatuur. Een goed geïsoleerde en luchtdichte schil houdt de warmte buiten en de buitenzonwering beperkt de zonnewinsten. Thermische massa buffert de interne warmtewinsten, maar door de hoge temperaturen ’s nachts is nachtkoeling nauwelijks bruikbaar. Met passieve koeling via geothermie of grondwarmtewisselaars kan je de school afkoelen. Helaas bieden de budgetten voor nieuwe scholen vaak geen ruimte voor een warmtepomp met een bodem-energieopslagveld (beo), de ideale manier om een school fossielvrij te maken. Maximaal inzetten op passieve technieken blijft de boodschap (zoals de voorkoeling met de koude binnenlucht via de warmtewisselaar op het ventilatiesysteem).

 

Passieve maatregelen (mobiele buitenzonwering, opengaande ramen, nachtkoeling en thermische massa) volstaan om een comfortabel zomercomfort in scholen te realiseren tijdens normaal zomerweer. Tijdens hittegolven is er koeling nodig, bij voorkeur passief op de bodem met een beo-veld. Dat past perfect in een fossielvrije school.

Dit artikel kadert in het project Binnenluchtkwaliteit in schoolgebouwen met steun van het Departement Omgeving van de Vlaamse Overheid.