• HVAC,
  • air quality,
  • construction

Ventilatie in de klas: Beoordeling van de lokale luchtkwaliteit via CFD

Een goed binnenklimaat in scholen is belangrijk voor de gezondheid en de leerprestaties van de leerlingen. Naast de minimale eisen voor luchtkwaliteit, zoals gesteld in het Bouwbesluit, heeft de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) een aanvullend Programma van Eisen (PVE) Frisse Scholen gepubliceerd waar een goed geventileerd klaslokaal aan moet voldoen. In een vroeg ontwerp stadium kunnen CFD simulaties worden toegepast om de luchtkwaliteit te berekenen en kan er getoetst worden aan het PVE Frisse Scholen.

Voor het verkrijgen van een goed binnenklimaat in klaslokalen is een (mechanisch) ventilatiesysteem noodzakelijk. Het ventilatiesysteem zorgt voor voldoende aanvoer van verse lucht, zodat bijvoorbeeld CO2 concentraties niet te ver oplopen. Hoge CO2 concentraties hebben een negatief effect op de leerprestaties van de leerlingen, maar ook op de gezondheid van de leerlingen en onderwijzend personeel.

De aanwezigheid van een ventilatiesysteem dat voldoende verse lucht aanvoert, betekent echter niet automatisch dat er een goed binnenklimaat is. Zo kan tocht, door bijvoorbeeld een slecht ontworpen systeem of door vallende koude lucht nabij ramen, als zeer onprettig worden ervaren. Het is ook denkbaar dat er in het klaslokaal grote verschillen in luchtkwaliteit ontstaan doordat bepaalde delen niet of nauwelijks bereikt worden door de frisse lucht.

CFD simulaties zijn uitermate geschikt om de lokale verschillen in luchtkwaliteit in kaart te brengen voordat een systeem daadwerkelijk is geïnstalleerd. Ter demonstratie wordt op deze pagina het verschil tussen twee (bijna identieke) ventilatiesystemen in een klaslokaal door middel van CFD resultaten inzichtelijk gemaakt.

Het onderzochte klaslokaal is geventileerd door een luchtverdeelslang welke aan het plafond wordt opgehangen over de gehele breedte van het lokaal. Er is in de berekening uitgegaan van een volledige bezetting met 24 leerlingen en een docent. In de simulaties produceren deze warmte en CO2. Overige warmtebronnen zoals een PC, digitaal whiteboard en verlichting zijn voor de volledigheid ook meegenomen.

Het doel van deze studie is de invloed van de positie van de luchtretour op het binnenklimaat in het klaslokaal te berekenen. Hierbij wordt gekeken naar de volgende eisen zoals gesteld voor klasse B in het PVE Frisse Scholen:

• Luchtsnelheid < 0,20 m/s

• Draught Rate < 20 %

• Vloertemperatuur tussen de 19 en 26 °C

• Verticale temperatuurgradiënt is < 3K/m

• Concentratie CO2 < 950 PPM

Het CFD model is gebaseerd op een aangeleverd bouwkundig 3D model (Revit). De studie vergelijkt twee mogelijke posities van de luchtretour. Bij ontwerp 1 is de luchtretour verdeelt over twee roosters in de muur. Bij ontwerp 2 is de luchtretour via een opening in het verlaagde plafond.

Er is een regio van relatief hoge snelheid (groter dan 0,5 m/s) dicht bij de slang bij het plafond, maar niet in de leefzone voor beide ontwerpen. In beide ontwerpen is de luchtsnelheid over het algemeen lager dan 0,2 m/s. Er zijn regio’s waar de luchtsnelheid groter is dan 0,2 m/s. Om te bepalen of dit als vervelend ervaren wordt kan beter naar de Draught Rate worden gekeken.

De “grijze wolk” in de figuren toont het gebied waar de Draught Rate 20 % is. Voor beide situaties is de Draught Rate groter dan 20 % dicht bij de verdeelslang. Ook is deze groter dan 20 % bij een kolom doordat sommige gaatjes van de luchtslang direct tegen de kolom aanblazen. Geen van deze plekken is in de leefzone.

De verticale temperatuurgradiënt is kleiner dan 3 K/m zoals gesteld in het PVE frisse scholen voor beide situaties.

De gemiddelde ruimte temperatuur is met de luchtretour in de muur is 24,4 °C. In de situatie met de luchtretour in het plafond is de gemiddelde ruimte temperatuur 23,3 °C. Dit verschil komt doordat de lucht uit de luchtverdeelslang bij de situatie met de afvoer in de muur voor een deel direct kortsluit met de afvoer. De retour in het plafond bevindt zich tevens dichtbij het raam en de warmtebelasting door de leerlingen is aan dezelfde kant gecentreerd. Hierdoor wordt er in deze situatie effectiever warmte afgevoerd.

De vloertemperatuur is overal groter dan 20 °C en voor het grootste deel kleiner dan 26°C voor beide situaties.

De gemiddelde concentratie CO2 op ooghoogte is 1000 ppm voor de situatie met de retour in de muur en 900 ppm voor de situatie met de retour in het plafond. Dit verschil komt doordat de lucht uit de luchtverdeelslang bij de situatie met de afvoer in de muur voor een deel direct kortsluit met de afvoer. De leerlingen bevinden zich tevens aan dezelfde kant als de afvoer in het plafond. Hierdoor wordt er in deze situatie effectiever CO2 afgevoerd. De eis voor klasse B in het PVE Frisse Scholen is dat de concentratie in de leefzone maximaal 950 ppm is. Alleen het ontwerp met de afvoer in het plafond voldoet dus aan klasse B.

Aanvullend is de ventilatie effectiviteit berekend voor beide ontwerpen volgens de volgende vergelijking:

ventilatie effectiviteit

De ventilatie effectiviteit is 0,89 voor retour in de muur en 1,05 voor retour in het plafond. Deze is hoger dan 1 want de gemiddelde concentratie CO2 bij de retour is hoger dan die op het vlak op ooghoogte.

De situatie met de luchtretour in het plafond voldoet aan het PVE Frisse Scholen klasse B. Echter de situatie met de lucht retour in de muur voldoet niet aan Programma van Eisen Frisse Scholen klasse B aangezien de gemiddelde concentratie CO2 in de leefzone hoger is dan de vereiste 950 ppm.

De analyse toont aan dat een goed ontwerp van een ventilatiesysteem belangrijk is om te voldoen aan klasse B van het PVE Frisse Scholen en dat een ogenschijnlijk kleine wijziging in het ontwerp een grote impact kan hebben op binnenklimaat. CFD simulaties zijn hierbij een goed hulpmiddel om ventilatiesystemen te toetsen aan het PVE Frisse Scholen en om in een vroeg stadium verschillende ventilatie ontwerpen te vergelijken.