Toetskaders voor TO-berekeningen
Toen de eerste software voor TO-berekeningen begin jaren 70 werd ontwikkeld, was de primaire functie vrij simpel: berekenen hoe vaak een bepaalde temperatuurgrens in de zomer wordt overschreden. Het kennisdomein van thermisch comfort heeft sinds die tijd echter een enorme ontwikkeling doorgemaakt, wat heeft geleid tot nieuwe inzichten op het gebied van temperatuurgrenzen en de hoeveelheid temperatuuroverschrijdingen. Toch worden er vandaag de dag nog steeds verschillende soorten toetskaders voor TO-berekeningen gehanteerd, die elk op een andere wijze het thermisch comfort toetsen. In dit blog lees je wat thermisch comfort precies is, waarom het belangrijk is, welke toetskaders voor TO-berekeningen in Nederland worden gehanteerd, en wat de overeenkomsten en verschillen daartussen zijn.
Wat is thermisch comfort?
Thermisch comfort kan onderscheiden worden in algemene behaaglijkheid en lokaal discomfort. Algemene behaaglijkheid gaat over thermisch comfort op macroniveau. Oftewel de temperatuur of luchtvochtigheid op ruimteniveau. Dit kan met behulp van TO-berekeningen berekend worden. Lokaal discomfort gaat over thermisch comfort op microniveau. Hierbij kan gedacht worden aan plaatselijke tocht en horizontale en verticale temperatuurgradiënt . Lokaal discomfort valt buiten de scope van TO-berekeningen en kan met andere berekeningen zoals Computational Fluid Dynamics (CFD) berekend worden.
Voorbeeld van een daguitvoer van een warmte zomerdag van een TO-berekening
Thermisch comfort kan gedefinieerd worden als "een gemoedstoestand die tevredenheid met de thermische omgeving aangeeft". In de afgelopen 50 jaar is hier veel onderzoek naar gedaan. Er zijn twee stromingen te onderscheiden. De eerste stroming is gebaseerd op modellen van de warmtebalans van het menselijk lichaam. In deze stroming wordt thermisch comfort vertaald naar de statische toestand waarbij de warmteafgifte van het menselijk lichaam in balans is met de warmteproductie zonder dat er in het lichaam autonome reacties optreden (zoals zweten of rillen). Het behaaglijkheidsmodel van Fanger staat centraal in deze stroming.
Statische warmtebalans van het menselijk lichaam
Het behaaglijkheidsmodel van Fanger is een berekeningsmethodiek waarmee het thermisch comfort voorspelt kan worden. Deze voorspelling maakt gebruik van verschillende omgevingsfactoren en wordt uitgedrukt in een Predicted Mean Vote (PMV), waarbij een PMV=0 gelijk aan een goed thermisch binnenklimaat. Op basis van de PMV wordt een percentage ontevredenen of PPD (Predicted Percentage Dissatisfied) voorspelt. Hoe groter de afwijking ten opzichte van een goed thermisch binnenklimaat (PMV=0), hoe groter het percentage ontevredenen. Bij een voorspelling van -1 "beetje koud" is het percentage ontevredenen circa 25%. Oftewel 1 op de 4 mensen is in dat scenario ontevreden. Bij een voorspelling van +2 "warm" is het percentage ontevredenen circa 75%. Bij een PMV=0 is het percentage ontevredenen 5%. Er zal met andere woorden altijd minimaal 1 op de 20 mensen ontevreden zijn over het thermisch comfort.
PPD als functie van de PMV
De tweede stroming is gebaseerd op modellen van temperatuuradaptie. In deze stroming wordt veronderstelt dat thermisch comfort afhankelijk is van contextuele factoren (zoals aanwezigheid van actieve koeling en mate van persoonlijke beïnvloeding) en acclimatisatie door thermische blootstelling. Deze acclimatisatie kan worden vertaald naar de acceptatie van een hogere binnentemperatuur bij een stijgende buitentemperatuur. Zowel het behaaglijkheidsmodel van Fanger en het model van temperatuuradaptie wordt in onderstaande video toegelicht.
Waarom is thermisch comfort belangrijk?
Thermisch comfort is belangrijk voor de gezondheid en welzijn van de gebouwgebruikers. Een comfortabele temperatuur helpt namelijk gezondheidsproblemen te voorkomen en verhoogd de algehele tevredenheid. Daarnaast speelt thermisch comfort een belangrijke rol in het voorkomen van schade aan gebouwen. Extremen in temperatuur en luchtvochtigheid verhogen namelijk de kans op schimmelvorming, condensatie en structurele problemen. Voor gebouwen waar productiviteit en concentratie essentieel zijn, zoals kantoorgebouwen, is thermisch comfort van cruciaal belang. Uit een case study bleek dat de introductie van individuele controle over lokale temperatuur, luchtsnelheid en luchttoevoer leidde tot een significante verhoging van de productiviteit van medewerkers met 12,5%. Voor kantoorgebouwen is het optimaliseren van het thermisch comfort dus ook een middel om de winstgevendheid te verhogen.
Een optimaal thermisch comfort voor maximale productiviteit
Toetskaders voor TO-berekeningen
Een toetskader voor TO-berekeningen bestaat uit een combinatie van een beoordelingsmethode, grenswaarden en een referentieklimaatjaar. In de praktijk worden vier toetskaders veel gebruikt.
1. Temperatuuroverschrijding (TO)
Begin jaren '70 introduceerde het Rijksgebouwendienst (tegenwoordig het Rijksvastgoedbedrijf) de temperatuuroverschrijdingsmethode (TO-methode). Het uitgangspunt van deze richtlijn was dat een goed thermisch binnenklimaat (PMV=0) maximaal 10% van de arbeidstijd overschreden mocht worden. Oftewel maximaal 100 uur tijdens de zomerperiode. Dit werd vertaald naar de volgende toegelaten temperatuuroverschrijdingen:
- Een binnentemperatuur van 25°C mag maximaal 100 uur per jaar worden overschreden
- Een binnentemperatuur van 28°C mag maximaal 10-20 uur per jaar worden overschreden
2. Gewogen temperatuuroverschrijding (GTO)
Halverwege de jaren '80 ontstond het inzicht bij de Rijksgebouwendienst dat de mate van temperatuuroverschrijdingen onvoldoende geborgd was in de TO-methode om het thermisch binnenklimaat goed te voorspellen. Een binnentemperatuur van 28°C leidde immers tot meer ontevredenheid dan een binnentemperatuur van 26°C terwijl beide situaties dezelfde weging hebben in de TO-methode. Hierop werd de GTO-methode ontwikkeld wat staat voor gewogen temperatuuroverschrijdingen.
De GTO-methode nam het berekende PMV als basis in plaats van toegelaten temperatuuroverschrijdingen boven de 25°C. De weegfactor werd gebaseerd op de PPD, waarbij het uitgangspunt was dat een uur met 20% ontevreden een gelijke waardering kreeg als twee uren met 10% ontevredenen. Als richtwaarde voor het maximum aantal weeguren per jaar werd 150 uren voor overschrijding van PMV=0,5 voor de zomer aangehouden. Een PMV=0,5 staat gelijk aan 10% ontevredenen.
Bij de een luchtsnelheid van 0,15 m/s en een relatieve vochtigheid van 70% wordt een PMV=0,5 bij een operatieve temperatuur boven de 25,7°C overschreden. Boven deze temperatuur stijgt de telling per uur temperatuuroverschrijding bij de GTO-methode exponentieel. Vanwege dit exponentiële effect wegen grotere temperatuuroverschrijdingen zwaarder mee dan kleine temperatuuroverschrijdingen. Bij een maximum aantal van 150 GTO zijn er bijvoorbeeld slechts 10 overschrijdingsuren bij een operatieve temperatuur van circa 29°C toegestaan terwijl er ruim 100 overschrijdingsuren bij een operatieve temperatuur van circa 26,5°C zijn toegestaan.
Telling per uur temperatuuroverschrijding TO- en GTO-methode
3. Adaptieve temperatuurgrenswaarden (ATG)
De adaptieve temperatuurgrenswaardemethode (ATG) is een toetskader dat geïntroduceerd is naar aanleiding vele veld- en klimaatkameronderzoeken waaruit discrepantie tussen het PMV-model en de thermische sensatie in werkelijke gebouwen naar voren kwam. Dit toetskader is gebaseerd op alternatieve (internationale) modellen die meer rekening houden met het adaptieve vermogen van mensen aan de thermische omstandigheden in gebouwen. Dit toetskader wordt in Nederland volop toegepast in onder andere gebouwen van het Rijksvastgoedbedrijf en zijn omschreven in de beoordelingsrichtlijnen van BREEAM. De berekeningsmethodiek van de ATG-methode is omschreven in ISSO Publicatie 74 en werd voor het eerst geïntroduceerd in 2004.
De ATG-methode maakt onderscheid tussen vier klassen: klasse A tot en met D. Klasse A vertegenwoordigt het hoogste ambitieniveau, met het strengste verwachtingspatroon ten aanzien van thermisch comfort, terwijl klasse D het laagste niveau aangeeft. Klasse A en B worden toegepast bij nieuwbouwprojecten. Klasse C wordt gebruikt bij renovaties, terwijl klasse D van toepassing is in bijzondere situaties, zoals bij monumenten, waar slechts een minimaal verwachtingspatroon geldt.
In tegenstelling tot de TO- en GTO-methode hanteert de ATG-methode geen statische bovengrens, maar zijn de onder- en bovengrenzen meeglijdend met de lopende gemiddelde buitentemperatuur. De lopende gemiddelde buitentemperatuur (running mean outside temperature of RMOT) is de gemiddelde buitentemperatuur van de voorafgaande zeven dagen. Hoe verder de dag in het verleden ligt, hoe minder zwaar de gemiddelde buitenluchttemperatuur van die dag meeweegt in de lopende gemiddelde buitentemperatuur.
Traditioneel wordt dit weergegeven in zogenaamde comfortgrafieken. Comfortgrafieken zijn strooidiagrammen of scatterplots. Op de y-as van comfortgrafieken is de operatieve temperatuur binnen weergegeven en op de x-as de lopende gemiddelde buitentemperatuur. Voor ieder uur in de telperiode wordt het resultaat weergegeven als punt in de grafiek.
De temperatuurgrenzen in comfortgrafieken worden vaak in de kleuren rood en blauw weergegeven waarbij de tint de grenswaarden per klasse aangeven. Klasse A en B hebben dezelfde boven- en ondergrenzen waarbij klasse A verschilt van klasse B door de aanwezigheid van persoonlijke beïnvloeding. Oftewel persoonlijke temperatuurregeling. De boven- en ondergrenzen van klasse C en klasse D zijn respectievelijk 1K en 2K groter.
Naast onderscheid in klassen wordt er ook onderscheid gemaakt tussen twee soorten bovengrenzen: alpha-bovengrenzen (α) en bèta-bovengrenzen (β). Dit zijn de bovengrenzen die in de warme zomerperiode gelden. Alpha-bovengrenzen glijden mee met de lopende gemiddelde buitentemperatuur terwijl bèta-bovengrenzen niet-meeglijdend zijn en een harde bovengrens vormen. Welke bovengrens gehanteerd dient te worden is grofweg afhankelijk van of er actief of passief gekoeld wordt. Er wordt maximaal 2% van de gebruikstijd temperatuuroverschrijdingen toegestaan.
Als er sprake is van een volledig geconditioneerd gebouw met actieve koeling ervaren gebruikers hun omgeving als zogenaamde "comfort capsules". Uit onderzoek blijkt dat gebruikers in deze situatie twee keer zo gevoelig zijn voor veranderingen in temperatuur als gebruikers van natuurlijk geventileerde gebouwen en bovendien een hoger verwachtingspatroon hebben. In deze situaties dient de niet-meeglijdende bèta-bovengrenzen gehanteerd te worden. Indien er minimaal één effectief te openen raam per gevelstramien van 3,6 meter aanwezig is en er geen (waarneembare) koeling aanwezig is mogen de meeglijdende alpha-bovengrenzen gehanteerd worden. Onder niet-waarneembare koeling wordt geen koeling, vloerkoeling of betonkernactivering verstaan.
Comfortgrafieken met daarin de boven en ondergrenzen van ATG klasse A tot en met D weergegeven
4. Programma van eisen Frisse Scholen
Het Programma van Eisen (PvE) Frisse Scholen 2021 bevat eisen die leiden tot een zogenaamde Frisse School. Het programma van eisen is opgesteld in opdracht van het Rijksdienst Ondernemend Nederland (RVO) en helpt schoolbesturen en gemeenten in hun rol als opdrachtgever van verbouw of nieuwbouw van scholen. Een belangrijk onderdeel van het PvE Frisse Scholen zijn de eisen ten aanzien van temperatuur. Deze eisen zijn onder andere gebaseerd op de ATG-methode, maar gecorrigeerd voor de situatie in scholen. De eisen zijn dus een toetskader gebaseerd op de lopende gemiddelde buitentemperatuur en de operatieve temperatuur.
Het PvE Frisse Scholen maakt onderscheid tussen drie klassen of ambitieniveaus: klasse A t/m C. Klasse C is het basisniveau en is gebaseerd op de geldende wet- en regelgeving aangevuld met relevante basisuitgangspunten voor een gezond en comfortabel binnenklimaat. Klasse C draagt het label "Voldoende" en is de laagste klasse. Klasse B draagt het label "Goed" en is een verbetering op klasse C. Klasse A draagt het label "Uitmuntend" en is weer een verbetering op klasse B.
Net als bij de ATG-methode is het PvE Frisse Scholen gebaseerd op meeglijdende onder- en bovengrenzen van de operatieve temperatuur binnen met de lopende gemiddelde buitentemperatuur. Het PvE Frisse Scholen gaat wel uit van andere onder- en bovengrenzen door de correctie voor de situatie in scholen. Zo is de basis operatieve temperatuur in de zomer 1K lager in vergelijking met de klassen van de ATG-methode. Daarnaast liggen de "knikpunten", waarbij de onder- en bovengrenzen van de operatieve temperatuur binnen meeglijdend worden met de lopende gemiddelde buitentemperatuur, niet op hetzelfde punt. De ondergrens stijgt vanaf een lopende gemiddelde buitentemperatuur van 17°C terwijl de bovengrens stijgt vanaf een lopende gemiddelde buitentemperatuur van 14°C. Hierdoor stijgt de bandbreedte van de klassen met circa 1K bij hogere lopende gemiddelde buitentemperatuur. Ten slotte geldt dat er minimaal 95% van de gebruikstijd voldaan dient te worden aan de eisen. Dit betekent dat er 5% van de gebruikstijd temperatuuroverschrijdingen worden toegestaan.
Net als bij de ATG-methode is het type koeling bepalend in de toe te passen bovengrens. PvE Frisse Scholen maakt hierbij onderscheid tussen passieve koeling en niet-passieve koeling. Bij passieve koeling blijft de bovengrens meeglijden met de lopende gemiddelde buitentemperatuur terwijl de bovengrens bij niet-passieve koeling wordt afgevlakt bij een bepaalde temperatuur.
Boven en ondergrenzen Frisse Scholen 2021 klasse A tot en met CComfortgrafieken met daarin de boven en ondergrenzen Frisse Scholen 2021 klasse A tot en met C
Vergelijking van toetskaders
De TO-methode is eenvoudig te begrijpen, eenvoudig over te communiceren en universeel toepasbaar. Deze methode is namelijk niet alleen geschikt voor situaties waar thermisch comfort belangrijk is, maar ook voor bijvoorbeeld industriële ruimten, waar vaak een beperkte temperatuuroverschrijding ten opzichte van het optimum wordt toegestaan. Het nadeel van de TO-methode is dat de mate van temperatuuroverschrijdingen niet wordt meegewogen.
De GTO-methode is het minst inzichtelijk door de veelheid aan parameters die invloed hebben. Dit maakt dat de communicatie over de resultaten lastiger is dan bij de TO-methode. Wel wordt bij deze methode de mate van temperatuuroverschrijdingen meegewogen. Het metabolisme en de kledingweerstand zijn van grote invloed op de resultaten en dienen daarom zorgvuldig worden afgestemd op het daadwerkelijke gebouwgebruik. In de praktijk wordt deze methode vooral in kantooromgevingen toegepast.
Net als de TO-methode is de ATG-methode gemakkelijk te begrijpen en te communiceren. Vooral door de comfortgrafieken die in één oogopslag weergeven hoeveel temperatuuroverschrijdingen er zijn en in welke periode deze voorkomen. Dit maakt dat het analyseren van het thermisch comfort met deze methode het meest eenvoudig is. De standaard comfortgebieden zijn geschikt voor een metabolisme tot 1,4 en een informeel kledingbeleid waarbij werknemers meer vrijheid hebben om hun kleding te kiezen. In andere scenario's moeten de comfortgebieden aangepast worden wat in de praktijk lastig is. Dit maakt dat ook deze methode alleen geschikt is voor standaard gebouwgebruik. De Frisse Scholen-methode is vrijwel gelijk aan de ATG-methode, maar dan geoptimaliseerd voor onderwijsomgevingen. Ook deze methode is gemakkelijk te begrijpen en te communiceren en door de comfortgrafieken is het analyseren van het thermisch comfort eenvoudig.
Alle vier de toetskaders hebben hun wortels in één van de twee wetenschappelijke stromingen. De TO- en GTO-methode zijn gebaseerd op de eerste stroming (behaaglijkheidsmodel van Fanger) terwijl de ATG- en Frisse Scholen-methode gebaseerd is op de tweede stroming (temperatuuradaptie). Op basis van de laatste inzichten op het gebied van thermisch comfort lijken de ATG- en Frisse Scholen-methode het beste aan te sluiten op de daadwerkelijke comfortbeleving.
Conclusie
Het waarborgen van thermisch comfort in gebouwen blijft essentieel voor het welzijn, de productiviteit en de gezondheid van gebruikers. Hoewel de TO-berekening sinds de jaren 70 is geëvolueerd van een eenvoudige methode naar diverse toetskaders zoals de TO-, GTO-, ATG- en Frisse Scholen-methoden, is de keuze voor het juiste kader afhankelijk van het gebruiksdoel en de specifieke eisen van het gebouw. De ATG- en Frisse Scholen-methoden, die meer rekening houden met de adaptieve reacties van gebruikers op temperatuurveranderingen, lijken beter aan te sluiten bij de werkelijke comfortbeleving, maar ook de oorspronkelijke TO-berekeningen bieden in bepaalde situaties nog waardevolle inzichten.
