Thermisch comfort in de zomer en plafondventilatoren: kunnen we ons gevoel kwantificeren?

Al in het oude Egypte temperden de dienaren van de farao’s de hitte en hielden ze hun meesters comfortabel door de lucht te verplaatsen met grote ventilatoren, flabellums[i] genaamd. Rond 500 voor Christus vonden de Indianen de eerste plafondventilatoren uit, oorspronkelijk ontworpen met vogelvleugels. Pas in 1882, met de Amerikaanse uitvinder Philip Diehl, kwamen er eindelijk elektrische plafondventilatoren op de markt. Heel lang na deze uitvinding bleef energiebesparing een bijzaak. Zolang je luchtbeweging had en je je beter voelde, maakte het niet uit hoeveel elektriciteit je verbruikte. Beetje bij beetje worden plafonds in tropische en equatoriale zones voorzien van plafondventilatoren. Maar in gematigde streken werd lange tijd de voorkeur gegeven aan airconditioning.

De voorlopers van objectief zomercomfort: Woods en Givoni Gids

Architecten en ingenieurs zagen echter al snel het nut in van plafondventilatoren, zelfs in gematigde zones.

Al in 1952 publiceerden twee Angelsaksische auteurs, W.C. Osborne en C.G. Turner, een referentiegids, de “Woods Practical Guide to Fan Engineering” [ii] , die een eenvoudige, operationele formule gebruikt om een verband te leggen tussen de luchtsnelheid en de waargenomen temperatuur.

Het onderstaande diagram is gebaseerd op dit werk en is van toepassing op de zomerperiode onder gemiddelde vochtigheids- en kledingcondities:

Hier is het resultaat:

Figuur 1 – diagram overgenomen uit de Hout ventilatiegids

Er moet worden opgemerkt dat de kwestie van vochtigheid, op een paar uitzonderingen na, niet per se cruciaal is in gematigde zones. In deze klimaatzones blijft de luchtvochtigheid tijdens het zomerseizoen over het algemeen relatief laag.

Toch was het architect Baruch Givoni’s beroemde bioklimatologische diagram[iii] dat halverwege de jaren 1970 populair werd bij ontwerpers van gebouwen. Deze grafiek laat zien dat de comfortzones in de zomer breder worden naarmate de luchtsnelheid toeneemt.

Sinds de eerste oliecrisis is energiebesparing een belangrijk onderwerp geworden. Bioklimaat is uit zijn isolement gekomen en is niet langer alleen het domein van activisten.

Afbeelding 2: Bioklimatologisch diagram van het gebouw: zones V en V’ tonen de gunstige invloed van de luchtsnelheid (zie aantekeningen voor details[iv])

In de jaren 2000 creëerde het Tribu ontwerpbureau een zeer expliciete versie van het Givoni diagram, met meer nadruk op luchtsnelheid. Het is een hulpmiddel dat een zeer constructieve dialoog met klanten mogelijk maakt en is opgenomen in sommige dynamische thermische simulatiesoftware (DTS).

Afbeelding 3: Het Givoni diagram beoordeeld door Tribu

De PMV/PPD-methode: we zijn niet allemaal gelijk als het op warmte aankomt

De vorige benaderingen hebben de verdienste duidelijk te zijn. Ze missen echter een essentiële dimensie.

We reageren niet allemaal hetzelfde op warmte. Mannen, vrouwen, slank, sterk, jong, oud – onze persoonlijke, fysieke, culturele of psychologische kenmerken spelen allemaal een rol in onze perceptie van warmte en ongemak.

Met dit in gedachten kwam er in de jaren 1970 een nieuwe benadering op basis van enquêtetechnieken: het Fanger- of PMV/PPD-model.

Deze benadering werd oorspronkelijk ontwikkeld om de prestaties op de werkplek te verbeteren: als werknemers het te warm hebben, verliezen ze productiviteit.

Het doel van dit model is niet om 100% tevredenheid te bereiken, maar om ervoor te zorgen dat er zo weinig mogelijk ontevreden klanten zijn. Het doel is dus om een ontevredenheidspercentage van minder dan 10% te bereiken.

Twee waarden zijn gekoppeld:

• PMV (Predicted Mean Vote), die de gemiddelde stem van een grote groep mensen [v] simuleert op een schaal van 7 niveaus van thermische gewaarwording, variërend van +3 (zeer warm) tot -3 (zeer koud). Deze index is gebaseerd op de warmtebalansvergelijking van de mens. Hij houdt in het bijzonder rekening met metabolisme, kleding, luchttemperatuur, warmtestraling, luchtsnelheid, enz.
• PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) voorspelt kwantitatief het percentage mensen dat ontevreden is omdat ze de thermische omgeving te warm of te koud vinden en die +3, +2, -2, -3 zouden stemmen…

Afbeelding 4: Voorbeeld van een PMV/PPD diagram

De relatie tussen PMV en PPD zorgt voor een minimum percentage van 5% ontevredenheid voor een stem gelijk aan 0 (neutraal gevoel). In feite zullen er in elke configuratie altijd ontevreden mensen zijn. Het niveau van ontevredenheid neemt natuurlijk toe als de VMS verschuift naar koud of warm. Om een situatie van algemeen thermisch comfort te bereiken, wordt aanbevolen dat het voorspelde percentage ontevreden mensen (PPD) onder de 10% blijft, wat overeenkomt met een voorspelde gemiddelde stemming tussen -0,5 en +0,5. In het ontwerp van echte gebouwen gaan we geen stemming houden onder het personeel! ISO-norm 7730[vi] bevat de variabelen die worden gebruikt om comfortomstandigheden te bepalen, met name: temperatuur, luchtsnelheid, relatieve vochtigheid, metabolisme (intensiteit van fysieke activiteit), type kleding, enz. Door deze waarden in te voeren, maakt de norm het mogelijk om PMV- en PPD-waarden te berekenen. Gevoelens worden nu gekwantificeerd.

De adaptieve methode: ons lichaam past zich aan de warmte aan

Naast onze eigen reactie op warmte heeft ons lichaam ook een aanpassingsvermogen. Een plotselinge stijging of daling van de temperatuur is voor het menselijk lichaam moeilijk te verdragen. Een geleidelijke temperatuurstijging wordt daarentegen beter geaccepteerd.

Deze observatie gaf aanleiding tot de adaptieve methode, die ook wordt gebruikt in de meeste internationaal erkende normen. Deze houdt rekening met variaties in weersomstandigheden over een glijdende periode van 7 dagen.

De adaptieve methode onderscheidt zich daarom als een dynamische methode, terwijl de PMV/PPD-methode wordt gekenmerkt door een statische aanpak.

Voor RE 2020 is gekozen voor de adaptieve methode. De RE2020-motor voert een dynamische energieberekening uit die rekening houdt met de geleidelijke aanpassing van het menselijk lichaam aan hittegolven.

Welke hulpmiddelen kunnen vandaag worden gebruikt om het thermisch comfort te schatten?

“Perfectie is een pad, geen doel”, zegt een Koreaans spreekwoord.

Op dit pad[vii] hebben we een bijzonder ergonomisch en relevant hulpmiddel tot onze beschikking: het hulpmiddel dat is ontwikkeld door het Center for the Built Environment van de University of California, Berkeley.

Dit hulpmiddel is dubbel voordelig: het toont de comfortzones aan de hand van de meest relevante norm tot nu toe, de Amerikaanse norm ASHRAE 55-2020, en de norm die van kracht is in de EU, EN-16798.

Met een zeer redelijk aantal invoerparameters krijgen we een zeer geavanceerde weergave van het zomercomfort[viii].

Hoe gebruik ik ASHRAE-55, de Amerikaanse norm?

Als je naar de Berkeley-site gaat, kom je direct bij het tabblad ASHRAE-55. Je hoeft alleen nog maar de invoergegevens in te voeren. Je hoeft alleen nog maar de invoergegevens in te voeren.

Figuur 5: Simulatie van zomercomfort met de CBE-tool – ASHRAE-55 basis – PMV-methode

Laten we nu eens kijken naar de parameters voor ASHRAE-55[ix].

• Methode: er zijn twee benaderingen mogelijk, de PMV-methode en de adaptieve methode. De PMV-methode is geschikt voor gebouwen met airconditioning[x] (met aanvullend gebruik van plafondventilatoren). Deze statische methode werkt goed in een constante atmosfeer, waar temperatuur en vochtigheid stabiel blijven. De adaptieve, dynamische methode daarentegen houdt rekening met de aanpassing van het lichaam aan de temperatuur en verdient de voorkeur voor gebouwen zonder airconditioning.
• Bedrijfstemperatuur: ook bekend als de bedrijfstemperatuur, dit is het gemiddelde van de luchttemperatuur en de temperatuur van de muur. Merk op dat slecht geïsoleerde muren warmte kunnen uitstralen (bijvoorbeeld een muur op het westen in de namiddag) en dat deze warmte ongemak kan veroorzaken. Er moet ook op worden gewezen dat plafondventilatoren met een brede invloedszone een gunstig effect zullen hebben door de lucht- en muurtemperaturen in evenwicht te brengen. De in te voeren waarde komt overeen met de gewenste temperatuur.
• Luchtsnelheid: de waarde moet worden ingevoerd in m/s. Je kunt een gemiddelde snelheid in de kamer gebruiken of een gemiddelde luchtsnelheid die wordt bereikt in de leefzone.
• Relatieve vochtigheid: in de zomer kan deze over het algemeen op 50% blijven.
• Stofwisselingssnelheid: voor situaties waarbij mensen thuis of op kantoor zijn, lijkt een waarde van 1,0 over het algemeen geschikt. Opgemerkt moet worden dat situaties van verminderd metabolisme (liggen, slapen) kunnen worden berekend, maar buiten het bereik van de norm vallen.
• Dresscode: in de VS vind je vaak zomerse outfits zoals driedelige pakken met lange mouwen en airconditioning die op 19°C staat. Maar in Europa is het gelukkig gebruikelijker om je luchtiger te kleden (0,36-0,57).
• Berekeningsmethode: wij raden “Psychrometrisch (bedrijfstemperatuur)” aan.

Figuur 6: Simulatie van zomercomfort met de CBE-tool – ASHRAE-55 basis – adaptieve methode

Ook voor ASHRAE-55 zijn dit de elementen waarmee rekening moet worden gehouden in de adaptieve methode, waarbij in gedachten moet worden gehouden dat deze methode geschikt is voor locaties zonder airconditioning

• Température de fonctionnement : choisir généralement la température opérative
• Température extérieure moyenne dominante : sauf à avoir des systèmes type de type refroidissement adiabatique[xi], il semble logique de prendre les mêmes bases que la température de fonctionnement.

Vitesse de l’air. C’est le point faible de la méthode adaptative, qui est moins précise que la méthode PMV. 4 valeurs sont possibles en m/s : 0,3 ; 0,6 ; 0 ,9 et 1,2. A noter qu’il est assez rare de pouvoir obtenir une vitesse moyenne de 1,2 m/s sur l’ensemble du corps avec un ventilateur de plafond.

Hoe gebruik ik de Europese norm EN-16 798?

Verander gewoon van tabblad op dezelfde site.

Figuur 7: Simulatie van zomercomfort met de CBE-tool – gebaseerd op EN 16798 – PMV-methode

De in te voeren parameters zijn precies dezelfde als voor ASHRAE-55, waarbij de PMV-methode wordt gebruikt. U hoeft alleen het vakje “gebruik bedrijfstemperatuur” aan te vinken.

Graphiquement, alors que l’on a une large zone bleue avec l’ASHRAE-55, l’application de la norme européenne se traduit par plusieurs bandes vertes parallèles, la bande de couleur vert forêt étant la zone de confort optimal. Il faut tout de même noter que sur les températures élevées (≥ 30°C), il est nécessaire d’opter pour des tenues d’été légères avant de chercher à augmenter la vitesse d’air.

Comme on le remarque sur le graphique ci-dessus, il est en effet beaucoup plus facile de sortir du cadre de la norme EN 16798 que de celui de l’ASHRAE-55.

Figuur 8: Simulatie van zomercomfort met de CBE tool – gebaseerd op EN 16798 – Adaptieve methode

Voor de adaptieve methode volgens de norm EN 16798 ten slotte, zijn dit de elementen waarmee rekening moet worden gehouden, rekening houdend met het feit dat deze methode geschikt is voor locaties zonder airconditioning

• Bedrijfstemperatuur: gebruik over het algemeen de bedrijfstemperatuur
• Gemiddelde buitentemperatuur: tenzij je adiabatische koelsystemen hebt, lijkt het logisch om dezelfde basis te gebruiken als de bedrijfstemperatuur.
• Luchtsnelheid. De keuzemogelijkheden zijn nog beperkter dan voor ASHRAE-55, omdat we niet de waarde 0,3 m/s hebben, maar alleen een waarde van “minder dan 0,6 m/s”. Dan zijn er dezelfde stappen van 0,3 m/s, inclusief de stap die overeenkomt met 1,2 m/s, die volgens ons moeilijk te verkrijgen is in het veld, gemiddeld over het hele lichaam…

Waarom gevoelens kwantificeren?

Kwantificering van dit type is mogelijk sinds het midden van de vorige eeuw, hoewel er nu vooruitgang wordt geboekt.

De kwaliteit van de interface die is ontwikkeld door de Universiteit van Berkeley is prijzenswaardig, omdat het gemakkelijk is om een hulpmiddel te gebruiken dat is gebaseerd op de nieuwste fysiologische en psychologische kennis[xii].

Met deze elementen hebben ontwerpers een essentiële bouwsteen om de juiste dimensionering van plafondventilatoren te verbeteren en de gebruikers van de gebouwen die ervan profiteren beter tevreden te stellen.

[i] Flabellums worden stilaan een puur symbool van macht. Versheid wordt geassocieerd met macht!
[ii] De Franse titel is breder dan de Engelse titel, wat suggereert dat het alleen over ventilatietechniek gaat. In werkelijkheid gaat de gids meer in het algemeen over ventilatie. De uitgever van het boek is een motor- en propellerfabrikant, die nu Woods Air Movement heet.
[iii] Voor een meer gedetailleerde geschiedenis van bioklimatologisch bouwen, zie het proefschrift van Clément Gaillard, “Modulating the climate: genesis, development and significance of bioclimatic design in architecture (1947-1986) ”
[iv] Het Givoni diagram of “klimogram” toont de grenzen van de thermische comfortzone (roze), de invloedszone van ventilatie bij 0,5m/s (VV’ oranje), thermische traagheid (MM’ groen), de invloedszone van verdampingskoeling (EC en EC’ grijs), en de zone van niet-verwarming door passief zonneontwerp (H en H’ geel). Deze elementen komen uit de publicatie “le diagramme bioclimatique du bâtiment” van Jean-Louis IZARD en Olivier KACALA, beschikbaar op EnviroBOITE.
[v] De kalibratie was gebaseerd op experimenteel onderzoek met bijna 1300 proefpersonen in klimaatkamers.
[vi] ISO 7730:2005 “Ergonomie van thermische omgevingen – Analytische bepaling en interpretatie van thermisch comfort door berekening van PMV- en PPD-indices en lokale thermische comfortcriteria”.
[vii] Voor wie een hoogwaardige achtergrond wil over de kwestie van zomercomfort in gebouwen, raden we de ICEB en ARENE Ile de France gids voor passief zomercomfort aan
[viii] Deze tool kan worden gebruikt met browsers die Franse vertaling ondersteunen, zoals Chrome, en biedt een gebruiksvriendelijke interface.
[ix] Het vervolgkeuzemenu “lokale bediening” heeft voorlopig geen invloed op de berekening.
[x] Zie voor meer informatie het EnergiePlus artikel over thermisch comfort.
[xi] Adiabatische koeling, ook wel verdampingskoeling genoemd, is gebaseerd op het principe dat de temperatuur van hete, droge lucht die bevochtigd wordt, zal dalen. Om te verdampen, absorbeert het water energie en dus warmte.
[xii] Op nationaal niveau zal het BRASSE-programma, gefinancierd door ADEME, in 2023 zijn eindrapport publiceren. Het zal het mogelijk maken om de luchtsnelheid van plafondventilatoren beter te definiëren. Er zijn 6 belangrijke entiteiten bij betrokken: Surya consultants, het Laboratoire Piment van de Universiteit van La Réunion, EnvirobatBDM, het Eiffel laboratorium, LASA (akoestiek) en ISEA (sociale wetenschappen).

Zeg het maar, vraag het onze experts!