Wat is natuurlijke ventilatie?

Algemene context

Natuurlijke ventilatie in gebouwen is een methode die gebruikmaakt van de natuurlijke krachten van wind en drijfkracht (dichtheidsverschil tussen koude en warme lucht) om verse lucht binnen te brengen en doeltreffend te verdelen, en zo een gezond, fris en comfortabel binnenklimaat te garanderen.

Zij zorgt voor de toevoer van voldoende ademlucht, voor de afvoer van verontreinigingen, voor thermische conditionering en voor vochtafvoer, en bevordert het welbevinden. Om doeltreffend te zijn, is een nauwe samenhang nodig tussen de architectuur van het gebouw en het systeem van luchtcirculatie: vorm van het gebouw, omgeving van de locatie, indeling van het interieur.

Natuurlijke ventilatie benut krachten als de wind, de buitentemperatuur en het zonlicht om ruimtes te ventileren en te koelen. Zij helpt de milieuvoetafdruk te verkleinen van gebouwen, door een efficiënt gebruik van de hulpbronnen en een lagere energiebehoefte.

Toch heeft de opkomst van de gestuurde mechanische ventilatie haar geleidelijk naar het tweede plan verdrongen: mechanische systemen bieden een nauwkeurige regeling van de debieten, maar vragen veel elektriciteit en passen niet bij elk gebouw en elk klimaat.

Tegenover die opgaven is het belangrijk de plaats van natuurlijke ventilatie te heroverwegen in nieuwe projecten. Door traditionele kennis te combineren met de huidige technische mogelijkheden zijn innovatieve en duurzame oplossingen mogelijk die comfort, luchtkwaliteit en respect voor het milieu.

Ventilatie via het openen van ramen

De twee systemen die hier aan bod komen (eenzijdig en dwars) berusten op het principe van natuurlijke convectie: verse lucht komt binnen ter vervanging van de warme lucht, wat een continue luchtbeweging door het gebouw op gang brengt.

Eenzijdige ventilatie

Eenzijdige ventilatie maakt gebruik van één enkele gevel om de luchtbeweging op gang te brengen. Zij berust op het temperatuur- en drukverschil tussen binnen en buiten: ramen of panelen in de gevel die aan de heersende wind ligt laten de verse lucht onderaan binnen terwijl de vervuilde lucht bovenaan wordt afgevoerd (drijfkracht).

Aanbevolen worden dan ook verticale openingen om een verschil in luchtkwaliteit tussen onder en boven te verkrijgen. Te grote ruimtes zijn niet geschikt: doorgaans wordt een ruimtediepte ≤ 2 maal de vrije hoogte aanbevolen om het effect te merken (volgens AREC Île-de-France).

Haar grootste nadeel is dat zij sterk afhangt van de buitentemperaturen: haar rendement daalt tijdens warme en windstille periodes, wanneer de temperatuur- en drukverschillen minimaal zijn. Dan kan mechanische ventilatie nodig zijn. Zij wordt vaak toegepast in woningen en winkels waar openingen in meerdere gevels niet mogelijk zijn, en blijft over het geheel weinig doeltreffend.

Dwarsventilatie

Dwarsventilatie maakt gebruik van de drukverschillen tussen twee tegenover elkaar liggende openingen om verse lucht binnen te laten en vervuilde lucht af te voeren. Zij komt het best tot haar recht in klimaten met regelmatige en krachtige heersende winden, omdat zij een doeltreffende luchtverversing geeft en tegelijk warmte, vocht en verontreinigingen afvoert.

Gebouwen die voor dwarsventilatie zijn ontworpen, worden zo georiënteerd dat zij de heersende winden vangen, met openingen die strategisch in tegenoverliggende gevels zijn geplaatst. Die methode kan een comfortabel binnenklimaat houden en de afhankelijkheid van mechanische ventilatie verkleinen — vandaar de energiebesparing — maar haar rendement verschilt naargelang de weersomstandigheden en de eigenschappen van het gebouw.

Voordelen en nadelen

Ventilatie via atrium en via schoorsteen

Het atrium

De atria zijn open binnenruimtes, vaak over meerdere verdiepingen, die dienen als lichthof en ontmoetingsplaats. Hun ventilatie berust op het schoorsteeneffect: de warme lucht stijgt door het dichtheidsverschil van nature naar de top van het atrium en wordt afgevoerd via de hooggelegen openingen, wat een trek opwekt die verse lucht via de lager gelegen openingen aanzuigt.

Natuurlijke ventilatie via een schoorsteen

Een oude maar doeltreffende methode: schoorstenen zijn verticale kanalen waardoor de warme lucht van nature kan ontsnappen, wat een zuiging opwekt die verse lucht via de lager gelegen openingen binnentrekt — dat is het schoorsteeneffect. Wanneer de binnenlucht opwarmt, wordt zij minder dicht dan de buitenlucht; de verse lucht die via een lage opening binnenkomt, drijft de warme lucht via het kanaal naar een hoger gelegen opening.

Schoorstenen kunnen in de buitenmuren worden opgenomen of losstaande elementen zijn, in verschillende vormen en maten om het rendement te maximaliseren. Hun uitvoering moet ook verenigbaar zijn met de eisen van brandveiligheid en akoestiek.

Windtoren en VNAC

De windtoren

De windtorens vinden hun inspiratie in de architecturale tradities van het Midden-Oosten (de badgirs in Iran). Als torens of schoorstenen op het dak benutten zij de luchtstromen op hoogte, waar de windsnelheid hoger is: door die frisse lucht te vangen en naar binnen te leiden, wekken zij een luchtbeweging op die een natuurlijke en doeltreffende circulatie op gang brengt.

De zijde van de toren die naar de wind is gekeerd vangt de frisse lucht, die door het gebouw wordt verspreid; de warme lucht wordt verdreven en ontsnapt via de zijde van de wind af. Vandaag zijn de toepassingen minder monumentaal dan de badgirs: men spreekt van een ventilatietorentje.

Voordelen: minder energetische afhankelijkheid van koelinstallaties (energiebesparing, kleinere koolstofvoetafdruk), constante luchtverversing, en het vermogen om de wind uit elke richting te vangen. Hun rendement hangt echter sterk af van de windsnelheid en de windrichting: in gebieden met zwakke of onregelmatige wind werken zij niet altijd optimaal, en hun ontwerp moet rekening houden met de drukvariaties en de plaatselijke omstandigheden.

Geassisteerde en gestuurde natuurlijke ventilatie (VNAC)

De VNAC verenigt de voordelen van natuurlijke en mechanische ventilatie. Zij berust op intelligente sensoren die de buitencondities meten (wind, temperatuur, druk, zonneschijn) en de binnencondities (temperatuur, CO₂, aanwezigheid). Wanneer de omstandigheden gunstig zijn, zet zij de mechanische ventilatie op pauze om de natuurlijke ventilatie te benutten; anders schakelt zij de mechanische ventilatie in om de luchtverversing te waarborgen.

In Saint-Nazaire (Loire-Atlantique) is een concreet VNAC-voorbeeld gerealiseerd: een zelfregelende enkelstroomventilatie, met een afzonderlijke afzuiging per woning. De vervuilde lucht wordt uit de natte ruimtes gezogen (keuken, badkamer, wc) en via individuele kanalen naar het dak afgevoerd, door grote schoorstenen die als voet dienen voor draaibare ventilatietorentjes die het schoorsteeneffect en de energie van de wind benutten. Die torentjes werken ook als zonneschoorstenen (beglaasde kasten die de uittredetemperatuur verhogen om de trek te verbeteren), en een regeling per woning stemt de debieten af op de behoefte en het klimaat.

Dimensionering en CFD-onderzoek

Wat CFD-onderzoek oplevert

EOLIOS levert gespecialiseerde expertise in de dimensionering en het CFD-onderzoek van kanalen en schoorstenen voor natuurlijke ventilatie. Onze diensten — eerste ontwerp, prestatieanalyse of optimalisatie van bestaande systemen — gebruiken geavanceerde numerieke modellering om de prestatie en het rendement te optimaliseren van de ventilatiesystemen.

Onderzoek naar verschillende types schoorstenen

Hierna een voorbeeld van CFD-onderzoek om te bepalen welk type schoorsteen het meest doeltreffend is. Na een dimensionering van de kanalen (op basis van het af te voeren luchtdebiet en de volumes van het gebouw) zijn verschillende types luchtuitlaat getest. Vóór elke simulatie wordt een klimaatstudie van de locatie uitgevoerd om de meest voorkomende windrichtingen en hun sterkte te schatten — essentieel voor resultaten die met de werkelijkheid overeenkomen.

De verschillende schoorsteenuitlaten worden in 3D gemodelleerd om met CFD te worden getest: het doel is de meest geschikte vorm te bepalen door de afgevoerde debieten per configuratie te vergelijken. De vangoppervlakken en de kanaalmaten zijn in elk onderzoek gelijk, zodat alleen het rendement van de natuurlijke trek.

Afhankelijk van de behoeften van het project en van de klimaatcondities zijn sommige schoorstenen geschikter dan andere. De rol van EOLIOS is te bepalen welke luchtuitlaat het best past, met een kanaaldimensionering die bij de behoeften van het project hoort.

Natuurlijke ventilatie via individuele kanalen

In dit onderzoek heeft EOLIOS individuele kanalen gedimensioneerd om elke verdieping doeltreffend te ventileren. De figuren hieronder geven de luchtsnelheden in het gebouw en in de kanalen, voor twee types schoorstenen (klassiek vast en draaiend), en de dwarsventilatie via de gevelopeningen.

Samenvatting

Natuurlijke ventilatie biedt doeltreffende en duurzame oplossingen voor een goede luchtcirculatie. Elk systeem heeft zijn eigen voordelen en nadelen, maar alle dragen bij aan een gezond en comfortabel binnenklimaat. Zij verbetert de luchtkwaliteit en blijft daarbij energiezuinig, en dus milieuvriendelijk.

Zij past in een duurzame benadering van het bouwen, door de beschikbare natuurlijke hulpbronnen te gebruiken en vrijwel geen onderhoud te vragen; zij verkleint de afhankelijkheid van elektrische technologie en de koolstofvoetafdruk van gebouwen. Haar grootste nadeel blijft de afhankelijkheid van de weersomstandigheden (met name de windsterkte), waardoor het rendement per klimaat en per streek verschilt.

Daarom brengt EOLIOS zijn expertise in bij de dimensionering en de uitvoering van natuurlijke ventilatie: de CFD-simulatie, eenvoudig in te zetten vanaf het ontwerp, maakt het mogelijk het meest doeltreffende systeem te kiezen.