Maart 2024
Lagedrukconcept kan stroomverbruik voor ventilatie halveren
Ventilatiesystemen gebruiken veel elektriciteit en dragen steeds forser bij aan het totale energiegebruik van een gebouw. Bij toepassing van lagedrukventilatie daalt het gebruik echter aanzienlijk. Door het concept vanaf het begin te integreren in het ontwerp ontstaan bovendien fraaiere, gezonde en duurzamere gebouwen.Dat stellen Lorenzo Lignarolo en Ad van der Aa, beiden werkzaam bij ABT. De consultants bundelden denieuwste inzichten hierover in de uitgave ‘Designing buildings with low-pressure ventilation systems’.
Lagedrukventilatie. Het klinkt nieuw en zelfs voor velen in de installatiesector is het dat ook, maar Ad van der Aa, consultant bij ingenieursbureau ABT, houdt zich er al enkele decennia mee bezig. In 2000 was hij al betrokken bij onderzoek van het International Energy Agency naar hybride ventilatiesystemen. Dit zijn systemen waarmee wordt geprobeerd zoveel mogelijk natuurlijk te ventileren en pas over te schakelen op mechanische ventilatie wanneer die systemen niet meer de gewenste prestatie kunnen leveren.
Hybride ventilatie is geen dominant systeem geworden in de markt. Nu, bijna 25 jaar later, komen de resultaten van het onderzoek destijds goed van pas, omdat de beperking van milieubelasting en energiebesparing anno 2024 de grootste uitdagingen zijn in de gebouwde omgeving. Een factor die lange tijd onderbelicht bleef, is de elektriciteit die nodig is voor de energie om de ventilatoren te laten draaien. Dat heeft Lorenzo Lignarolo en Ad van der Aa, beiden werkzaam bij ABT, ertoe aangezet om de vergaarde kennis over lagedruk-ventilatie weer eens onder de aandacht te brengen en die aan te vullen met de ervaring opgedaan in de achterliggende jaren. Het boek ‘Desiging buildings with low-pressure ventilation systems’ is er de weerslag van.
Halvering stroomverbruik
‘In veel gebouwen neemt het ventilatiesysteem 35 procent en soms zelfs meer van het elektriciteitsverbruik voor zijn rekening,’ zegt Van de Aa. ‘Dat is schrikbarend veel. De oplossing is niet nóg zuinigere ventilatoren maken, die zijn er al en daarmee zal nauwelijks winst te behalen zijn. Nee, de oplossing moet gevonden worden in het omlaag brengen van de druk in de systemen. Met een lagedruksysteem is een halvering van het stroomverbruik voor ventilatie haalbaar.’
Dat het stroomverbruik in veel situaties zo hoog is, komt volgens Van de Aa doordat de ventilatielucht op talloze plekken in het systeem veel weerstand moet overwinnen. ‘Het begint al met het inlaatfilter, dan is er een warmtewisselaar en een warmtebatterij, én de lucht moet allerlei regelkleppen passeren. Vaak is er dan al 5 tot 7 Pascal verspild en dan is de lucht nog niet eens in de verschillende ruimten. De markt accepteert die verspilling en redeneert kennelijk: we zetten maar een krachtig systeem neer, dan kan er in elk geval voldoende worden geventileerd.’
EWF
Maar het kan dus veel energie-efficiënter met lagedrukventilatie. Het Earth, Wind and Fire (EWF) -systeem is zo’n lagedrukventilatieconcept. Het EWF is ontwikkeld door de in 2013 gepromoveerde ingenieur Ben Bronsema. Na een lange carrière in de airconditioning, waarin hij onder meer werkte aan diverse Schipholterminals, ging hij bouwkundestudenten begeleiden aan de TU Delft. In de dialoog met hen kwam hij tot de conclusie dat er veel minder klimaatinstallaties in gebouwen moesten komen. En die gebouwen moesten zoveel mogelijk natuurlijk geventileerd worden. EWF is zo’n concept dat zoveel mogelijk gebruikmaakt van natuurlijke principes. Dat begint op het dak, waar een dakopbouw wind vangt en in een schacht duwt, al dan niet geholpen door ventilatoren.
Onderin het gebouw gaat de lucht uit de schacht door een warmtewisselaar en wordt, al naar gelang de gewenste temperatuur in het gebouw, voorverwarmd. De lucht gaat vervolgens in een tweede schacht weer omhoog en bereikt vanuit daar de ruimten. Een derde bouwkundige schacht – de zonneschoorsteen - zorgt ervoor dat de vuile lucht het gebouw weer verlaat.
Werkingsprincipe van Earth, Wind & Fire concept.
130.00 m3 lucht per uur
Een toepassing van het EWF-principe is onder andere te vinden in het Langeveldgebouw van de Erasmus Universiteit Rotterdam. Daar is een groot aantal verbeteringen doorgevoerd ten opzichte van het Four Elements Hotel in Amsterdam, een bijna energieneutraal hotel waar EWF voor het eerst werd toegepast. De zonneschoorsteen is een 8,5 meter brede en 700 mm diepe spouw met glas aan de voorkant en een zwarte, warmte-absorberende plaat aan de achterkant. Optisch vormt de schoorsteen een geheel met de gevel. De temperatuur in de schoorsteen kan wel oplopen tot 70 of 80 ⁰C. In het gebouw wordt elk uur 130.000 m3 lucht door de schacht gevoerd. Dat gaat met een snelheid van 3 meter per seconde, maar dat is nog altijd een fractie van de luchtsnelheden bij traditionele airconditioninginstallaties. Het nieuwe Langeveldgebouw dat Bam Bouw en Techniek twee jaar geleden opleverde, doet het dus zonder die kasten vol filters en warmtewisselaars. Door zoveel mogelijk gebruik te maken van natuurkrachten - zwaartekracht (earth), zonnewarmte (fire) en wind - wordt het gebouw geventileerd. Alleen voor de dagen en momenten dat de natuur het laat afweten, staan er ventilatoren stand-by. De energiebesparing op ventilatie, verwarming en koeling van het Langeveldgebouw ten opzichte van traditioneel geklimatiseerde gebouwen is zeker 45 procent, blijkt uit simulatieberekeningen van Halmos.
Een van de aanpassingen ten opzichte van het Four Elements Hotel is gebruik van de ‘klimaatcascade’. Zonneschoorstenen en windvangers op het dak zijn geen uitzondering meer bij EWF-toepassingen. De schacht zoals in het Langeveldgebouw waar waterdruppels naar beneden vallen, is weer een verdere verbeterde versie van die van het Amsterdamse hotel. Het benodigde water oppompen kost namelijk minder energie dan een ventilator van vergelijkbare capaciteit. De vallende waterdruppels blijken daarnaast een excellente warmtewisselaar. Op hun weg naar beneden wisselen de druppels heel effectief warmte uit met de vers aangezogen lucht. Het water, dat het hele jaar rond met een temperatuur van een graad of dertien bovenin de schacht wordt verneveld, zorgt ’s zomers voor koeling en ’s winters voor voorverwarming. Een naverwarmer en andere simpele, ‘traditionele’ installatieonderdelen zorgen dat het systeem ook bij extreme omstandigheden goed presteert.
De vallende waterdruppels blijken een excellente warmtewisselaar
Renovatie
Dat al in de ontwerpfase van het gebouw rekening moet worden gehouden met een toekomstig lagedruksysteem betekent niet dat het concept alleen kan worden toegepast bij nieuwbouw. Ook bij de renovatie/vernieuwbouw van het Paleis van Justitie in Den Haag blijkt het ventilatieconcept toepasbaar. ABT is een van de partijen die betrokken is bij de renovatie. Van der Aa: ‘Het EWF-systeem kan daar worden ingezet, omdat het gebouw over behoorlijk grote schachtruimtes beschikt. Deze zijn vrijgemaakt, waarna dynamische klimaatbeheersing mogelijk werd. Een klimaatbeheersing met lagedrukventilatie afgestemd op de vraag op een bepaald moment, verschillende zones en met eigen eisen voor de verschillende gebruikers.’ Frisse lucht komt via een klimaatcascade naar binnen waarin de lucht wordt gezuiverd. Daar distribueert een installatie de lucht naar de verschillende te klimatiseren ruimtes. Op het zuiden maakt een zonneschoorsteen gebruik van natuurlijke trek om de lucht af te zuigen. Het passieve ventilatieconcept zorgt niet alleen voor een zeer energiezuinig gebouw, maar ook voor een gezond binnenklimaat. Samen met zonnepanelen op alle daken en geïntegreerd in de lamellen van de toren wordt het gebouw bijna energieneutraal.
Lagedrukventilatie kan op verschillende manieren worden ingevuld en wordt inmiddels in diverse gebouwen toegepast. In de Bèta-campus in Leiden, een groot onderwijs- en laboratoriumgebouw, was ABT eveneens verantwoordelijk voor het ontwerp van het ventilatiesysteem. Daar is niet gekozen voor het EWF-systeem, maar is een lagedrukventilatiesysteem van ringkanalen gemaakt. Daardoor is de druk in de ventilatiekanalen op elk moment gelijk, terwijl in totaliteit met een beduidend lagere druk kan worden volstaan.
Anders denken
ABT is een vurig pleitbezorger van het installatieconcept. Belangrijk is volgens Van der Aa dat er fundamenteel anders over ventilatie wordt nagedacht. ‘De luchtbehandelingskast speelt daarin een rol, maar ook de wijze waarop de luchtkanalen moeten worden ontworpen. Is het echt nodig om de leidingen weg te werken achter een systeemplafond met slechts 30 centimeter ruimte of mag het ook royaler? En zijn die kanalen wel altijd nodig? Er kan immers ook overwogen worden de lucht op een andere manier af te voeren, bijvoorbeeld door de gang te gebruiken als een overstroomvoorziening. En wanneer in een bestaand gebouw de schacht niet voldoende ruimte heeft, kan overwogen worden een nieuwe schachtruimte tegen de gevel te bouwen. Bij de enorme opgave om kantoren en utiliteitsgebouwen energiezuinig of liever nog energieneutraal te maken, kunnen ontwerpers er niet omheen het stroomverbruik van het ventilatiesysteem mee te wegen. Je zult al het potentieel moeten aanspreken. Een uitdaging is wel dat de toeleverende industrie daarin ook mee zal moeten gaan. Leveranciers van appendages gaan veelal uit van hogedruksystemen. Ook de installateurs zullen hierin stappen moeten maken. Er liggen nog genoeg uitdagingen voor de sector om tot verbetering van ventilatiesystemen te komen.’
Tekst: Mari van Lieshout
Fotografie: Tonko Architecten, Paul de Ruiter Architects