TECHNIEK  
Dimension 46 – november 2017

Hoe oververhitting in scholen aanpakken en het binnenklimaat optimaliseren?

Leerlingen en leerkrachten durven nogal eens zuchten wanneer de zomer eraan komt. Want bij zon en hitte stijgt ook binnenskamers de temperatuur en daalt de concentratie omgekeerd evenredig. Een ondermaats binnenmilieu kan bovendien leiden tot hoofdpijn en sufheid.

Scholen hebben meestal veel beglazing in de gevels om het daglicht optimaal te benutten. Daarnaast kennen scholen een hoge bezettingsgraad. Beide kenmerken resulteren in een vrij hoge warmtebelasting met risico op oververhitting en gevolgen voor de koelvraag in het tussenseizoen en de zomer. Indien er voor de gebruikers sprake is van oververhitting wordt de behoefte aan een actief koelsysteem groter. Hieronder lijsten we energiezuinige maatregelen op die kunnen worden genomen om oververhitting te vermijden en een comfortabel en energiezuinig binnenklimaat te behalen bij schoolgebouwen.

Een doordacht concept

Oververhitting vermijden is vooral een kwestie van het gebouw overdag niet teveel te laten opwarmen. Een goede luchtdichtheid van een doorgedreven geïsoleerd gebouw speelt hierbij in het voordeel, maar is niet voldoende. De invallende zonnewarmte en de interne warmteproductie beperken zijn even cruciaal, zo niet kan dit tot oververhitting leiden. Zonnewinsten en interne winsten worden namelijk belangrijker naarmate de gebouwschil wint aan performantie: het serre-effect doet zijn intrede in deze gebouwen.

Hierbij is de oriëntering van het gebouw en het maken van de juiste keuzes op het vlak van zonwering, beglazing, verlichting en andere apparatuur van belang. Maar het voorzien van energiezuinige koeloplossingen voor de warmte die zich toch een weg naar binnen heeft gebaand, mag zeker niet vergeten worden.

Een doordacht ontwerpconcept kan veel problemen voorkomen. De winsten zijn duidelijk: goed voor het milieu én voor de elektriciteitsrekening.

Compacte bouwvorm

De verliesoppervlakte bij een compact gebouw wordt zo klein mogelijk gehouden. Door compact te bouwen kan er minder warmte naar buiten ontsnappen, maar kan er dus ook minder warmte naar binnen komen.

Oriëntatie

Oost-, zuid- en westgerichte beglazing wordt het best beperkt in oppervlakte zonder hierbij de hoeveelheid daglicht uit het oog te verliezen. Niet enkel de oriëntatie maar ook de helling van de beglazing is van belang voor de zontoetreding: hoe horizontaler het glas geplaatst is, hoe meer warmtetoetreding door zonnestralen mogelijk is. Hellende en horizontale glasoppervlaktes kan je best zo veel mogelijk vermijden.

Beglazing

Bij de keuze van de beglazing is de g-waarde of zontoetredingsfactor van het glas van belang. Deze factor geeft aan in welke mate de zonnewarmte doorgelaten zal worden. Hoe hoger de g-waarde – en dus hoe helderder het glas – hoe meer zonnewarmte door de beglazing heen gaat. Bijgevolg is de kans op oververhitting tijdens zonnige periodes groter. Zonwerende beglazing kan interessant zijn voor grote glasoppervlakken op het zuiden, het zuidoosten of het zuidwesten.

Beschaduwing

Tijdens de ontwerpfase kan je ervoor zorgen dat grote glasoppervlaktes door naburige gebouwen of omringende gebouwdelen beschaduwd worden. Vaste constructies zoals onder andere uitschietende muren, oversteken, luifels en kroonlijsten zijn een manier om zonnestraling en dus de toetredende zonne-energie op het glas te verminderen. Ook bomen kunnen zorgen voor schaduw. In de mate van het mogelijke moet beschaduwing voorzien worden op oost-, zuid- en westgeoriënteerde glasoppervlaktes.

Zonwering

Er zijn veel mogelijkheden gaande van manueel te bedienen naar automatische zonwering, vaste of mobiele systemen tot horizontale of verticale systemen. Zonwering beperkt de hoeveelheid binnenvallende zonnestralen en vertraagt zo de opwarming van de ruimte. Buitenzonwering is meer doeltreffend aangezien het de zonnestralen tegenhoudt vóór die door het glas komen. Zonweringsystemen voor binnen mogen dan een relatief goedkope manier zijn om zonnestralen tegen te houden, maar de warmte is toch al voor een groot deel binnen.

Door de zonwering te automatiseren kan deze efficiënter gebruikt worden. We gaan van passieve naar actieve zonwering. De zonwering wordt gekoppeld aan draadloze licht- en temperatuursensoren. Die sensoren reageren op lichtintensiteit en temperatuurstijgingen en zullen de zonwering op het juiste moment in- of uitschakelen. Actieve zonwering reageert wanneer het nodig is en niet enkel op vraag van de gebruiker.

Keuze van zonwering

De keuze van zonwering hangt af van zowel de functie van de ruimte als van de oriëntatie. Daarnaast zijn de kleur en het type materiaal ook bepalend. Donkere screens filteren meer UV-straling.

In een klaslokaal (of computerlokaal) is het belangrijk dat bij een laagstaande zon verblinding wordt voorkomen. Screens, verticaal geplaatste lamellen of schuifpanelen kunnen hier een antwoord bieden.

In een refter of een lerarenlokaal dat uitkijkt op de speelplaats kiest men het best een buitenzonwering die de doorkijk naar buiten behoudt. Een luifel boven het raam of een type screen dat een zekere doorkijk toelaat en dat ook kan worden opgerold, zijn beide een mogelijke oplossing.

Ramen die uitgeven op het zuidoosten tot het zuidwesten moeten voorzien worden van een (buiten)zonwering. Bij ramen op het zuidoosten tot zuiden zal de zon in de zomer nooit laag staan. Van verblinding is er dan ook geen sprake. In het oosten en het westen staat de zon zowel in de zomer als de winter laag. Oostelijk en westelijk gesitueerde ramen vragen daarom om een ander type zonwering dan ramen op het zuiden.

Voor ramen op het zuidoosten tot het zuiden kan een luifel de beste oplossing zijn. Wanneer ook tijdens de winter rechtstreekse zonne-instraling vermeden moeten worden, volstaan deze luifels echter niet en kunnen schuifpanelen een oplossing bieden. Voor ramen naar het zuidwesten en westen kies je beter voor screens, aluminiumlamellen of schuifpanelen met geïntegreerde screens of schuifpanelen met lamellen (aluminium of houten).

Thermische energieopslag

Er zijn een aantal methoden om thermische energie in een gebouw op te slaan en daarmee de energiebehoefte aan koelen (of verwarmen) te beperken.

De thermische massa van een materiaal is het vermogen om thermische energie op te slaan en vast te houden. In de zomer absorbeert de thermische massa overdag de warmte. Een hogere thermische massa van een gebouw betekent namelijk een langzamere temperatuurstijging in een ruimte. Voor een relatief licht gebouw met een lagere thermische massa kan dit resulteren in een snellere opwarming van de ruimte.

Een voorwaarde is dat deze thermische massa bereikbaar moet zijn. Concreet betekent dit dat men het gebruik van isolerende afwerkingsmaterialen en verlaagde plafonds moet vermijden. Massieve materialen zoals beton en metselwerk voor binnenwanden, plafonds en vloeren kunnen namelijk warmte opnemen.

Latente energieopslag is een andere vorm van thermische energieopslag waarbij de energieopslag of -afgifte tot stand komt door een faseverandering van het materiaal. Paraffines zijn een voorbeeld van een materiaal dat een faseverandering ondergaat bijvoorbeeld van vast naar vloeibaar en daarbij energie opslaat of afgeeft (PCM of faseovergangsmaterialen). Door PCM’s te integreren in pleisterwerk, gipsplaten en isolatiematerialen kan de temperatuur in een ruimte tijdelijk gestabiliseerd worden. De PCM’s nemen namelijk de warmte op wanneer de temperatuur gevoelig begint te stijgen. Indien de temperatuur vervolgens voldoende daalt, zullen de PCM’s de opgenomen warmte opnieuw afgeven. PCM’s worden tot op heden vooral gebruikt in gebouwen met een zwakke thermische massa of gebouwen waarvan de thermische massa moeilijk toegankelijk is.

Om een goede werking van beide methoden van thermische energieopslag te garanderen, moeten de constructies zich ook zo volledig mogelijk kunnen ontladen door middel van een intensieve nachtelijke ventilatiestrategie.

Daken

Oververhitting van ruimtes onder lichte dakconstructies kan je met een koeldak of een groendak aanpakken. Bij koeldaken is het dakoppervlak bekleed met een reflecterend of lichtgekleurd materiaal. Bij groendaken wordt gebruik gemaakt van mossen en/of planten.

Luchtdichtheid

Een goede luchtdichtheid van een gebouw betekent in de praktijk een verlaging van de hoeveelheid ongewenste in- en exfiltratie van (warme) lucht, het vermijden van condensatieproblemen en een verbeterde werking van het ventilatiesysteem.

Technieken

Ventilatie

Een goed geïnstalleerd ventilatiesysteem is een must. De overtollige warmte die toch naar binnen is gekomen, moet naar buiten worden geventileerd. Tijdens de nacht straalt de thermische massa van het gebouw de opgenomen warmte opnieuw af en dient men de ramen te openen om het gebouw te ventileren en de thermische massa af te koelen. Dit principe wordt aangeduid als intensieve nachtventilatie of free cooling. Voor scholen is dit interessant omdat er ’s avonds geen bezetting is. Het voorzien van een intensieve natuurlijke ventilatie kan door het (automatisch)openen van ramen of ventilatieroosters. Dit kost geen energie maar is wel afhankelijk van de windrichting en kan in sommige gevallen uitgesloten zijn (bijvoorbeeld met het oog op de inbraak- en brandveiligheid of omwille van de luchtkwaliteit).

In het geval van een volledig mechanisch ventilatiesysteem D is de mechanische toe- en afvoer van lucht een snelle en efficiënte manier om overtollige warmte te verwijderen. Bij dit ventilatiesysteem zal er meestal een warmteterugwinapparaat (WTW) voorzien worden. Het is aangeraden om voor een gedeeltelijke of volledige bypass van de WTW te opteren, zodat in zomersituaties koele lucht kan binnengenomen worden zonder dat deze opnieuw opgewarmd wordt.

Interne warmteproductie

De interne warmtelasten zijn bepaald door mensen en hun activiteit (bijvoorbeeld sportzaal), toestellen (zoals computers) en verlichting. Deze lasten zijn variabel met de tijd, aangezien de periodes waarin gebruikers aanwezig zijn, varieert.

De hoeveelheid warmte die afgegeven wordt door verlichting hangt van verschillende factoren af: de wijze van montage van de verlichting, is er luchtcirculatie rond de verlichting of niet, het type lamp en de massa van de structuur. Een ingebouwde armatuur zal vooral warmte overdragen aan de structuur, terwijl een hangende armatuur veel warmte via convectie naar de lucht overbrengt. Wat toestellen betreft, kan men het best op voorhand inschatten hoeveel toestellen in die ruimte zullen komen te staan.

Het is het beste om vooraf via simulatiepakketten een schatting te maken van het energiegebruik van het gebouw en de installaties onder typische klimaatcondities en typisch gebruik van het schoolgebouw voor het berekenen van de koellast. De daling van de interne warmtelast voor personen en apparaten en een significante daling van het gebruik van de verlichting kan een sterke daling van de interne warmtewinsten opleveren.

Conclusie

Uiteraard geeft een combinatie van de bovenvermelde maatregelen een betere kans op slagen om oververhitting tegen te gaan door zontoetreding en interne warmteproductie in de mate van het mogelijke te reduceren.

Een goed geïsoleerd en luchtdicht gebouw dat voorzien is van het juiste type beglazing en zonwering boven de ramen, reduceert het risico op oververhitting voor een groot deel. Vul je dit aan met een goed ventilatiebeleid en maak je gebruik van de thermische energieopslag van de constructie, dan ben je al een heel eind op weg om het oververhittingsrisico te neutraliseren.

Bovenstaande maatregelen zijn er voor de ontwerper om in zijn ontwerp rekening mee te houden of kunnen toegepast worden om bestaande gebouwen te verbeteren. Maar ze geven geen garantie dat oververhitting wordt voorkomen. Andere factoren spelen ook een rol. Dit heeft te maken met het gedrag van de gebruikers. Als architect kan je enkel de bouwheer bewustmaken van de impact van zijn gedrag op de mogelijke oververhitting.

Door Jo Weltens

Frank Bertels architectenstudio