Perspectief
‘Waar is de zon?’, een te herwaarderen ontwerpuitdaging
Thermisch zomercomfort achter glas. Zijn de klassieke comfortindicatoren voldoende?
Koudestraling van glasvlakken hebben we ondertussen onder controle dankzij de laag-emissieve coatings op de beglazing en drievoudige beglazing. Hoe zit het met het zomercomfort achter glas?
Het fenomeen is genoegzaam bekend. Op een zomerdag voelen we de schroeiende zon doorheen ons autoraam op onze ontblote arm, ondanks het feit dat de airconditioning op maximum staat. In gebouwen bestaat hetzelfde fenomeen. Er kan ‘s zomers thermisch discomfort optreden wanneer een persoon zich in de nabijheid van een raam bevindt terwijl het gebouw toch gekoeld is en terwijl er toch voor ‘zonwerend’ glas is geopteerd. [Arens, 2015]
Comfortmodellering
Dit discomfort fenomeen wordt met de huidige methodes voor comfortanalyse niet gedetecteerd, zelfs niet met dynamische binnencomfort-simulaties. Recente normen die het comfort evalueren, zoals de Amerikaanse ASHRAE 55, ISO 7730 en de Europese CEN-16798 (de opvolger van de EN 15251 norm)negeren volledig het effect van de korte golf straling, die typisch is voor rechtstreekse zonne-instraling op het menselijk lichaam. [Arens, 2015]
De klassieke comfortindicatoren zoals PMV (Predicted Mean Vote) en PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied), gedefinieerd door de Deense professor Povl Ole Fanger in 1970, vereenvoudigen de randvoorwaarden van de comfortanalyse en maken abstractie van zowel de rechtstreekse zonne-instraling op een persoon als van de fysieke positie van de persoon in de ruimte. In deze modellen wordt enkel de gemiddelde stralingstemperatuur van de oppervlakken in rekening gebracht (Mean Radiant Temperature). Daarmee worden enkele van de belangrijkste factoren van de comfortbeleving genegeerd. [Hoffman, 2012]
In een poging om hieraan tegemoet te komen zijn meer geavanceerde comfortmodellen ontwikkeld. Deze comfortmodellen brengen de stralingstemperaturen van de omliggende vlakken individueel in rekening en in functie van de fysieke positie van de persoon (directed operative temperature), zodat stralingsasymmetrie kan vastgesteld worden. Door deze methode wordt slechts een deel van de mogelijke oorzaken van discomfort ondervangen. De effecten van rechtstreekse zonne-instraling (korte golf straling) op het lichaam van de persoon worden ook volgens deze benadering niet mee beschouwd. [EQUA, 2018]
Voor de evaluatie van het thermisch comfort in de nabijheid van een beglaasde gevel zijn bovenstaande benaderingen dus ontoereikend. Om dergelijk fenomeen mathematisch te kunnen omschrijven zijn nieuwe modellen ontwikkeld. Het Berkeley Comfort Model interpreteert comfortbeleving door de inwerking van diverse omgevingsinvloeden op het menselijk lichaam, zoals convectie, lange golfstraling, korte golfstraling, diffuse straling, en rechtstreekse straling. Hiervoor wordt het menselijk lichaam in 18 zones verdeeld en wordt er bovendien rekening gehouden met metabolische reacties. [Hoffman, 2012]
Bij een praktische toepassing van dit model op een ziekenhuiskamer in Denver, met een piekstraling van 985 W/m² (ter referentie: piekstraling in België bedraagt 750W/m²) en uitgaande van 3 combinaties van beglazing/zonwering: 1) een heldere beglazing zonder buitenzonwering en 2) een beglazing met een g-waarde 0,33 (33% van de invallende zonne-energie wordt doorgelaten; klassieke heldere beglazing laat 60% à 70% van de zonnestraling door) eenmaal zonder en 3) eenmaal met buitenzonwering, kwam men tot de volgende vaststellingen [Hoffman, 2012]:
Uit de studie blijkt dat enkel de laatste combinatie afdoende comfort biedt. Alhoewel beglazing met een g-waarde van 33% significant minder zonne-energie binnenlaat, blijkt dat een lage g-waarde slechts beperkt bijdraagt tot het thermisch comfort van een het menselijk lichaam in de nabijheid van het raam. De g-waarde blijkt dus geen afdoende indicator om het thermisch comfort te garanderen. Buitenzonwering blijkt daarentegen het thermisch comfort wel significant te verbeteren.
Arens E. et al. (2014) hebben een vereenvoudigd comfortmodel ontwikkeld waarbij rechtstreekse zonne-instraling op een persoon wel in rekening wordt gebracht en wordt omgezet in een stijging van de Mean Radiant Temperature (MRT), die een parameter is in de Predicted Mean Vote (PMV) comfortindex. Deze methode is gevalideerd aan de hand van opstellingen met . Ook in dit model komt het belang van lage rechtstreekse straling naar voren. Er wordt een maximale totale van 15% (zoals in de 3e proefopstelling van Hoffman (2012)) vooropgesteld om een excessieve stijging van de subjectieve thermische perceptie te vermijden. [Arens E. et al, 2014]
Dit rekenmodel van Arens et al. laat ook toe om de impact van de rechtstreekse zonne-instraling op de Mean Radiant Temperature (MRT) in een ruimte te visualiseren.
De impact van binnenzonwering
Van binnenzonwering is gemeenzaam bekend dat deze minder efficiënt is met betrekking tot de beheersing van binnentredende zonne-energie dan een buitenzonwering. Aan de hand van spectrumanalyses in de simulatiesoftware EQUA IDA ESBO 2.3, die aan de hand van een volledige spectrumanalyse de transmissies onder de verschillende spectra en de verschillende invalshoeken van de zonnestraling berekent, is onderzocht welke gecombineerde g-waardes (glas + zonwering, gedefinieerd als g(tot)) gehaald kunnen worden en welke andere fenomenen kunnen optreden bij het inzetten van een binnenzonneweringsdoek voor het verbeteren van het thermisch comfort in de nabijheid van beglaasde geveldelen. Volgende combinaties zijn onderzocht: 1) glas met g-waarde 0,45 en een wit binnenzonneweringsdoek, 2) glas met g-waarde 0,45 en een hoogreflectieve type Verosol Enviroscreen, 3) glas met g-waarde 0,33 en een hoog reflectieve binnenzonwering type Verosol Enviroscreen. Als vergelijking is een opstelling met glas g-waarde 0,33 en een buitenscreen (lichtgrijs) toegevoegd.
De combinatie van een klassieke binnenzonwering met zonwerend glas met g-waarde 0,45 resulteert in een g(tot)-waarde van 0,34. Enkel de combinatie van glas met een g-waarde 0,33 en met een hoogreflectieve binnenzonwering resulteert in een g(tot)-waarde van 0,15, die door Arens wordt aangehaald als bovengrens om het effect van korte golf straling voldoende te temperen. We stellen echter vast dat er een tweede effect optreedt, namelijk de opwarming van het binnenzonweringsdoek. Deze opwarming leidt tot lange golf straling (Infrarood), die op zijn beurt tot discomfort leidt.
Kwaliteit van het daglicht
Het verlagen van de g-waarde van glas door middel van coatings en/of tinten van het glas heeft twee gerelateerde neveneffecten. In eerste instantie daalt de lichttransmissie (LTA), doordat de coatings en/of de tint minder licht doorlaten. In tweede instantie verlaagt de kleurechtheid van het licht aangezien slechts een deel van het zichtbare zonlichtspectrum wordt doorgelaten. Dit lichtspectrum heeft een bijzondere rol in de aansturing van de hormonale cyclus van het menselijk lichaam, en dus op het lichamelijk en emotioneel welbevinden van de gebouwgebruiker.
Subjectief comfortgevoel
Comfort is deels persoonsafhankelijk. Daarnaast is het ook afhankelijk van de objectieve omstandigheden. Uitgebreid onderzoek heeft aangetoond dat bij dezelfde objectieve comfortcondities (temperatuur, luchtvochtigheid, kledij, …) het door de gebruikers gerapporteerde comfort significant wordt beïnvloed door de mate waarop de gebruiker kan ingrijpen op zijn omgeving. Er is vastgesteld dat controle over onder meer zonwering en het openen van ramen het subjectief comfortgevoel van de gebouwgebruikers significant verhoogt. [Schweiker, 2013]
Conclusie
Alhoewel alle studies en modellen nog niet afgerond zijn, kan gesteld worden dat:
– Actuele klassieke comfortindicatoren geen garantie zijn voor goed thermisch comfort in zones in de nabijheid van beglazing omdat korte golf straling niet in rekening wordt gebracht.
– Korte golf straling wel degelijk voor discomfort kan zorgen voor het menselijk lichaam in de buurt van beglazing.
– Er zelfs met beglazing met lage g-waarde te veel korte golf straling het lichaam kan bereiken, zodat de discomfort significant kan zijn.
– Een zonwering noodzakelijk is om deze discomforteffecten maximaal onder controle te krijgen. Onderzoek raadt een maximale korte golf transmissie van 15% (glas + (binnen)zonwering) aan.
– De toepassing van binnenzonwering de korte golf straling reduceert, maar lange golf straling veroorzaakt door de opwarming van het doek.
– De mogelijkheid bieden aan de gebruiker om actief in te grijpen op de hoeveelheid zonne-instraling significant bijdraagt aan het subjectief comfortgevoel.
Bij gebouwen waarbij de gebruikers korte of langere tijd in de buurt van beglaasde gevelelementen verblijven, is het voorzien van een dus vanuit comfort-technisch standpunt een noodzakelijke maatregel.
Referentielijst
Arens Edward et al, Modeling the comfort effects of short-wave solar radiation indoors, Building and Environment, 2014
EQUA Simulations AB, IDA ICE 4.8 Reference Manual, 2018
Hoffmann Sabine et al., Assessing thermal comfort near glass facades with new tools, BEST 3 building enclosure science and technology conference Atlanta, 2012
Hoffmann Sabine et al., Balancing daylight, glare, and energy-efficiency goals: An evaluation of exterior coplanar shading systems using complex fenestration modelling tools, Energy and Buildings, 2015
Subramamiam S., Employing Radiance in thermal comfort simulations involving complex fenestrations, conference presentation, 2018
Schweiker et al, Explaining the individual processes leading to adaptive comfort: Exploring physiological, behavioural and psychological reactions to thermal stimuli, Journal of Building Physics, 2013
Tzempelikos A. et al., Indoor thermal environmental conditions near glazed facades with shading devices – part II: Thermal comfort simulation and impact of glazing and shading properties, Building and Environment, 2010
Ontdek andere perspectieven
Perspectief
Buitenruimtes ontwerpen – Landschapsarchitectuur als instrument om ons ontwerp verder te duwen
Perspectief
Van duurzame parking naar ‘mobility hub’: drie benaderingen van een ecologisch ontwerp van mobiliteitsinfrastructuren
