TO-berekeningen in een notendop

Een TO-berekening (temperatuuroverschrijdingsberekening) is een gebouwsimulatieberekening waarmee het verloop van de temperatuur in een gebouw of ruimte gesimuleerd wordt. Tijdens het ontwerpen en engineeren van utiliteitsgebouwen wordt deze berekening voor talloze doeleinden ingezet, waarvan het bepalen van de de capaciteit van de koelinstallaties en het verifiëren van eisen aan ruimtetemperatuur en comfort de meest bekende zijn. Benieuwd waarom TO-berekeningen essentieel zijn voor het doelmatig en kostenefficiënt ontwerpen van utiliteitsgebouwen en voor welke specifieke vraagstukken TO-berekeningen nog meer gebruikt kunnen worden? Lees het in dit blog.

Wat is een TO-berekening?

De term TO-berekening verwijst naar één van de meest bekende toepassingen van gebouwsimulatieberekeningen, namelijk het berekenen van de temperatuuroverschrijding in een gebouw of ruimte. De temperatuuroverschrijding in een gebouw of ruimte is een maatstaaf voor de doelmatigheid van de koelinstallatie. Hoe groter de koelinstallatie, hoe groter de investering, hoe kleiner de kans op temperatuuroverschrijding en vice versa. Simpel gezegd kan met een TO-berekening de optimale koelcapaciteit worden berekend waarbij de hoeveelheid temperatuuroverschrijdingen acceptabel is.

Relatie tussen de investering in de koelinstallatie, de grootte van de koelcapaciteit en het aantal temperatuuroverschrijdingen

Het basisconcept van TO-berekeningen zijn Fourier vergelijkingen waarmee de interactie tussen het gebouw of ruimte en verschillende invloeden over de tijd berekent worden. De output zijn uurlijkse thermische en energetische prestaties van een gebouw of ruimte. Voor dit alles wordt gebruik gemaakt van geavanceerde simulatiesoftware.

De invloeden waarmee een TO-berekening rekening houdt zijn:

• de buitenomstandigheden (zoals buitentemperatuur en zoninstraling), hiervoor wordt gebruik gemaakt van weerbestanden
• het gebouwgebruik en de interne warmtelasten (zoals persoonsbezetting en apparatuur)
• de klimaatinstallaties (zoals de luchtbehandelingsinstallatie)

De input en output van TO-berekeningen

Waarom zijn TO-berekeningen belangrijk?

TO-berekeningen geven de mogelijkheid om koelinstallaties op een weloverwogen en onderbouwde wijze te optimaliseren wat leidt tot lagere investerings- en exploitatiekosten. Een kleinere koelinstallatie is immers goedkoper in aanschaf, goedkoper te onderhouden en verbruikt minder energie dan een koelinstallatie gedimensioneerd op 100% van de maximale koellast.

Bovendien wordt veronderstelt dat "gebouwgebruikers zich onder warme omstandigheden wat koeler kleden en voor extra luchtbeweging kunnen zorgen". Daarnaast "stijgt de behaaglijkste binnentemperatuur gedurende warmere perioden mee met de buitentemperatuur door een proces dat we adaptatie noemen" (ISSO Publicatie 74, 2014). Het dimensioneren van een koelinstallatie op 100% van de maximale koellast vraagt niet alleen een significant hogere investering, maar is ook nog eens onnodig doordat gebouwgebruikers bij hogere buitentemperaturen dus ook hogere binnentemperaturen accepteren.

Maar wat is een acceptabele hoeveelheid temperatuuroverschrijdingen? In de afgelopen 50 jaar zijn hiervoor verschillende toetskaders gepubliceerd met elk een eigen invalshoek. Uitgaande van de meest toegepaste toetskaders, kan de koelcapaciteit in de praktijk met circa 20% tot 40% worden gereduceerd ten opzichte van de maximale koellast.

De relatie tussen de opgestelde koelcapaciteit, de investeringskosten en het aantal temperatuuroverschrijdingen. De groene arcering geeft het gebied aan waarop de meest toegepaste toetskaders uitkomen.

Het proces van een TO-berekening

Het proces van een TO-berekening kan samengevat worden in vier stappen.

Het proces van een TO-berekening

De eerste stap om een TO-berekening op te stellen is gegevensverzameling. Er is uiteenlopende informatie van verschillende disciplines benodigd om een waarheidsgetrouwe TO-berekening op te stellen. Hierbij kan gedacht worden aan:

• Bouwkundig: plattegrondtekeningen, gevelaanzichten, doorsnedes en bouwkundige details
• Bouwfysisch: Rc- en U-waarden van vloeren, gevels en daken
• Installaties: plattegrondtekeningen, principeschema's en technische informatie van apparatuur

Voor gebruikspatronen, schakeling van zonwering en andere specifieke informatie wordt gebruik gemaakt van ISSO Publicaties zoals ISSO Publicatie 32 (Uitgangspunten temperatuursimulatieberekeningen) en ISSO Publicatie 74 (Thermische behaaglijkheid).

De tweede stap is het opstellen van het rekenmodel in de simulatiesoftware. Dit rekenmodel bestaat in basis uit een geometrisch model van het gebouw met daarin de individuele ruimten of thermische zones waarin alle relevante informatie wordt ingevoerd en gekoppeld.

Een voorbeeld van een rekenmodel van een TO-berekening

De derde stap is het rekenen, analyseren en interpreteren van de resultaten. Deze stap is iteratief van aard om het koelvermogen te optimaliseren volgens de geldende toetskader. Afhankelijk van de grootte en complexiteit van het gebouw en de klimaatinstallaties zijn er enkele tot tientallen simulaties nodig om tot de meest optimale koelcapaciteit te komen. Eventuele ontwerpfouten, zoals het ontbreken van koeling in ruimten waar dit wel nodig is, komen ook in deze stap aan het licht.

Een voorbeeld van resultaten van een simulatie die in deze stap geanalyseerd worden

De vierde en laatste stap is het herleidbaar vastleggen van de uitgangspunten en resultaten in een beknopte notitie. De rapportage die de simulatiesoftware genereert is voor de meeste projectleiders, werkvoorbereiders en engineers lastig te lezen en is vaak enkele honderden pagina's groot. Door de uitgangspunten en resultaten in een beknopte notitie te verwerken en van een toelichting te voorzien, wordt de TO-berekening ook begrijpelijk voor deze doelgroep.

Andere toepassingen van gebouwsimulatie

TO-berekeningen zijn één van de meest bekende toepassingen van gebouwsimulatieberekeningen, maar zeker niet de enige. Naast TO-berekeningen worden gebouwsimulatieberekeningen voor grofweg twee andere toepassingen gebruikt, namelijk energiegebruikberekeningen en het analyseren van ontwerpvarianten.

1. Energiegebruikberekeningen

Gebouwsimulatieberekeningen zijn bij uitstek geschikt om het jaarlijkse energiegebruik van klimaatinstallaties te berekenen. Anders dan bij BENG-berekeningen wordt met een gebouwsimulatieberekening het specifieke energiegebruik van het individuele gebouw berekend inclusief het energiegebruik per onderdeel.

Voorbeeld van jaarlijkse energiestromen van een utiliteitsgebouw 

Naast deze harde cijfers worden met deze berekeningen ook zeer informatieve grafieken gegenereerd zoals jaarbelastingduurkrommes en behoefteprofielen. Hiermee is niet alleen inzichtelijk wat de maximaal gevraagde vermogens zijn, maar ook hoe vaak een bepaald vermogen wordt gevraagd.

Een jaarbelastingsduurkromme (JBDK) gegenereerd met behulp van een TO-berekening

Ook kan met deze berekening de jaarlijkse warmte- en koudevraag van de warmte- en koudeopslag (WKO) berekend worden wat belangrijke informatie is bij het dimensioneren van de WKO. Ten slotte kan deze berekening gebruikt worden voor benchmarking door de werkelijke gebruiksgegevens van een gebouw te vergelijken met de resultaten van de gebouwsimulatie.

2. Ontwerpvarianten

Ieder gebouw is uniek en ontstaat uit duizenden kleine en grote ontwerpkeuzes in een zee van tienduizenden mogelijkheden. Veelgebruikte beoordelingscriteria bij het maken van deze ontwerpkeuzes zijn esthetica, functionaliteit, comfort, energiegebruik en investering. Sommige ontwerpvraagstukken zijn overzichtelijk waarbij de ontwerpvarianten eenvoudig te beoordelen zijn. Andere ontwerpvraagstukken zijn complexer. Met behulp van gebouwsimulatie kunnen ontwerpvraagstukken waarbij comfort en energiegebruik een hoofdrol spelen doorslaggevend zijn om de beste ontwerpvariant te kiezen. Voorbeelden van dergelijke ontwerpvraagstukken zijn:

• Wat is de impact van een staaldak ten opzichte van een kanaalplaatvloer voor het dak op het thermisch comfort en het energiegebruik?
• Wat is de impact van zonwerend glas ten opzichte  van buitenzonwering voor de beglazing in zonbelaste gevels op het thermisch comfort en het energiegebruik?
• Wat is de impact van de toepassing van een volledig houten draagconstructie met houten vloeren ten opzichte van een stalen draagconstructie met kanaalplaatvloeren op het thermisch comfort en het energiegebruik?

Praktische tips voor TO-berekeningen

1. Timing

Een TO-berekening kan doorslaggevend zijn voor bepaalde ontwerpkeuzes. Tegelijkertijd is voor het opstellen van een TO-berekening gedetailleerde informatie nodig om betrouwbare resultaten te borgen. De timing om TO-berekeningen op te stellen is daarom belangrijk. Uit de praktijk blijkt dat het opstellen van TO-berekeningen rond het einde van het Definitief Ontwerp (DO) of het begin van de Besteksfase het beste moment is. Op die momenten is voldoende informatie beschikbaar om een betrouwbare TO-berekening op te stellen terwijl er nog voldoende tijd en ontwerpruimte is om optimalisaties in het ontwerp te integreren. Voor bijzondere of kritische ruimten is het aan te bevelen om eerder in het ontwerpproces een TO-berekening van alleen die ruimten op te stellen.

2. Koellastberekening

Laat altijd een koellastberekening naast de TO-berekening opstellen. Een koellastberekening geeft namelijk inzicht in welke ruimten kritisch zijn en welke ruimten niet. Dit maakt het interpreteren en verifiëren van de resultaten van de TO-berekening gemakkelijker. Vooral de verhouding tussen het daadwerkelijk geïnstalleerde koelvermogen en de maximale koellast is een belangrijke parameter voor het beoordelen van de resultaten van de TO-berekening.

3. Wijzigingen

Het rekenmodel van TO-berekeningen wordt gebaseerd op multidisciplinaire informatie. Het is om die reden belangrijk om ontwerpwijzigingen zoals herziene ruimte indelingen, herziene ruimtegebruik, andere type beglazing of de wijziging van een betonnen dak naar een stalen dak altijd te laten toetsen door de specialist die de TO-berekening heeft opgesteld.

4. Controle

Controleer altijd of de uitgangspunten overeenkomen met het ontwerp en of de resultaten verklaarbaar zijn. Vraag daarom altijd om een uitdraai of rapportage van de TO-berekening. Een aantal veelgemaakte fouten in TO-berekeningen zijn:

• Onjuiste scheidingsconstructies in rekenmodel: Dit kan zo eenvoudig zijn als het rekenen met de verkeerde Rc-waarde tot het rekenen met betonvloeren waar in werkelijkheid houten vloeren zitten. De opbouw van de scheidingsconstructies wordt weergegeven in de rapportages waardoor controle met de uitgangspunten uit de BENG-berekening en de bouwkundige details relatief eenvoudig is.
• Onjuiste bedrijfstijden in rekenmodel: Op een aantal uitzonderingen schakelen de klimaatinstallaties buiten gebruikstijd naar nachtbedrijf of gaan ze volledig uit om energie te besparen. Hierdoor koelt het gebouw buiten gebruikstijd in de winter af en warmt het gebouw buiten gebruikstijd in de zomer op. Wanneer de klimaatinstallaties de volgende ochtend weer naar dagbedrijf schakelen, is er significant meer capaciteit nodig om de binnentemperatuur naar de gewenste waarde te krijgen dan als de klimaatinstallaties niet naar nachtbedrijf waren geschakeld of uit waren gezet. Een veelgemaakte fout in TO-berekeningen is dat er wordt gerekend met continubedrijf van klimaatinstallaties, waardoor onterecht wordt gerekend met een constante beschikbaarheid van verwarming, koeling en ventilatie. Dit heeft een onterecht gunstig effect op de resultaten. Door zogenaamde dag- en weekuitvoeren van de resultaten kan deze fout achterhaald worden.

Case studies TO-berekeningen

1. Kantoorgebouw met grote bedrijfshallen

In 2023 heeft Bos Klimaattechniek voor een landelijk opererende installateur een warmteverlies-, koellast- en TO-berekening opgesteld van een nieuwbouw kantoorgebouw met grote bedrijfshallen van circa 56.000 m2 BVO met een duurzaamheidsambitie van BREEAM Excellent (4 sterren). Het kantoordeel was georiënteerd op het zuiden en werd gekenmerkt door uitstekende geveldelen die tevens dienst deden als beschaduwing. Het installatieconcept bestond uit centraal verwarmde en gekoelde ventilatielucht en temperatuurnaregeling met 4-pijps inductie-units per ruimte. Als toetskader voor de temperatuuroverschrijding gold ISSO Publicatie 74 ATG klasse B.

Impressie rekenmodel TO-berekening

Het resultaat van de TO-berekening was dat alleen het koelvermogen van de gekoelde ventilatielucht al voldoende was om te voldoen aan de geldende toetskader. Er was geen aanvullende koeling uit de 4-pijps inductie-units benodigd. Op basis van de resultaten van de TO-berekening kon het installatieconcept significant geoptimaliseerd worden.

2. Onderwijsgebouw

In 2023 heeft Bos Klimaattechniek voor een landelijk opererende integraal bouwbedrijf een warmteverlies-, koellast- en TO-berekening opgesteld van een nieuwbouw onderwijsgebouw van circa 7.000 m2 BVO. Dit onderwijsgebouw werd gekenmerkt door grote glaspartijen in de gevels en verschillende gebouwhoge verkeersruimten met grote dakramen. Het installatieconcept bestond uit (change-over) vloerverwarming- en koeling, centraal verwarmde en gekoelde ventilatielucht en temperatuurnaregeling met kanaalverwarmers per ruimte. Als toetskader voor de temperatuuroverschrijding gold voor de onderwijsruimten Frisse Scholen 2021 klasse B en voor de kantoorruimten ISSO Publicatie 74 ATG klasse B.

Rekenmodel van een TO-berekening van een onderwijsgebouw

Het resultaat van de TO-berekening was dat er 14 ruimten niet voldeden aan de vigerende toetskaders volgens de uitgangspunten van het bestek. Uit een analyse van de resultaten kwam naar voren dat een significant deel van de temperatuuroverschrijdingen voorkwamen in de winterperiode en in het voor- en najaar.

Een tabel van het percentage temperatuuroverschrijdingen per ruimte en in welke periode de temperatuuroverschrijdingen voorkwamen

Tijdens de winterperiode bleek er beperkt koelvermogen beschikbaar door de beperkte ondertemperatuur van de ventilatielucht. Ook tijdens het voor- en najaar bleef het beschikbare koelvermogen beperkt aangezien de aanvoertemperatuur van de change-over vloerverwarming- en koeling pas boven een buitentemperatuur van 16°C á 18°C koelvermogen begon te leveren. Pas tijdens de zomerperiode was er volledig koelvermogen beschikbaar.

De oplossing voor de temperatuuroverschrijdingen tijdens de winter en het voor- en najaar was het verlagen van de inblaastemperatuur van de ventilatielucht. Hierdoor werd de ondertemperatuur vergroot waardoor het beschikbare koelvermogen in de winterperiode en het voor- en najaar toenam. Onderkoeling van ruimten met minder interne warmtelasten werd voorkomen door het aanspreken van de kanaalverwarmers.

Voor de temperatuuroverschrijdingen tijdens de (warme) zomerperiode was de oplossing voor de meeste ruimten het vergroten van het koelvermogen van de change-over vloerverwarming- en koeling. Voor vier ruimten (gekenmerkt door een relatief grote interne warmtelast) was dit helaas niet afdoende. In deze ruimten was een lichte verhoging van het ventilatiedebiet noodzakelijk om te voldoen aan de geldende toetskaders.

Een tabel van het percentage temperatuuroverschrijdingen per ruimte na het implementeren van maatregelen

3. Ziekenhuis

In 2023 heeft Bos Klimaattechniek voor een landelijk opererende integraal bouwbedrijf een warmteverlies-, koellast- en TO-berekening opgesteld van een nieuwbouw ziekenhuis van circa 11.000 m2 BVO. Dit ziekenhuis werd gekenmerkt door relatief kleine ruimten met veel interne warmtelasten. Het installatieconcept bestond uit centraal verwarmde en gekoelde ventilatielucht en temperatuurnaregeling met voornamelijk kanaalverwarmers en in kritische ruimten met klimaatplafonds en ventilatorconvectoren. Als toetskader voor de temperatuuroverschrijding gold maximaal 150 gewogen temperatuuroverschrijdingen (150 GTO).

Rekenmodel van een TO-berekening van een ziekenhuis

Uit de TO-berekening bleek dat aanvullende koeling door ventilatorconvectoren of klimaatplafonds slechts in 14 van de 49 ruimten daadwerkelijk nodig was. Daarnaast voldeden 8 ruimten zonder aanvullende koeling niet aan de toetskader van maximaal 150 GTO. In deze ruimten was een lichte verhoging van het ventilatiedebiet noodzakelijk om voldoende koelvermogen te creëren.

Conclusie

TO-berekeningen zijn essentieel voor het doelmatig en kostenefficiënt ontwerpen van utiliteitsgebouwen. Uitgaande van de meest toegepaste toetskaders voor temperatuuroverschrijdingen, kan de koelcapaciteit met circa 20% tot 40% worden gereduceerd ten opzichte van de maximale koellast.

TO-berekeningen zijn één van de toepassingen van gebouwsimulatieberekeningen. Naast TO-berekeningen kan met gebouwsimulatieberekeningen ook het jaarlijkse energiegebruik worden berekend en inzicht worden gegeven in ontwerpvraagstukken door de impact op thermisch comfort en energiegebruik van verschillende ontwerpvarianten in kaart te brengen.

Uit verschillende case studies komt naar voren dat TO-berekeningen niet alleen zinvol zijn om de koelcapaciteit te reduceren, maar ook om complete installatieconcepten te optimaliseren. Een door een specialist opgestelde TO-berekening levert daarom altijd geld op door de kostenreducerende optimalisaties of door de identificatie van kritische knelpunten (potentiële faalkosten). Op zoek naar een specialist om uw TO-berekeningen op te stellen? Neem contact met ons op!

FAQ

Vind hier antwoord op enkele veelgestelde vragen over TO-berekeningen:

• Wat is het verschil tussen een koellastberekening en een TO-berekening? Een koellastberekening berekent de benodigde koelcapaciteit om een ruimte op de gewenste temperatuur te houden. Het is een stationaire berekening waarin tijdsafhankelijke invloeden zoals thermische massa versimpeld worden meegenomen en de invloed van klimaatinstallaties buiten beschouwing wordt gelaten. Een TO-berekening is een dynamische simulatie waarin op uurlijkse basis de thermische en energetische prestaties worden berekend. De twee berekeningen zijn complementair aan elkaar.
• Is het noodzakelijk om een TO-berekening van het volledige gebouw op te stellen? In principe is het voldoende om van alleen de meest kritische ruimten een TO-berekening op te stellen. Echter, aangezien er in vrijwel alle projecten ook een warmteverlies- en koellastberekening wordt gevraagd en een TO-berekening gebruik maakt van hetzelfde rekenmodel, ligt het voor de hand om van het hele gebouw een TO-berekening op te stellen.