VENTILATIE EN KLIMATISATIE
Install Magazine 980 – november 2021

Ontwerpregels voor luchtreiniging in gasfase als alternatief voor ventilatie

Wereldwijd groeit zowel het aantal publicaties over luchtreinigers als de verkoop van dergelijke toestellen zelf. Dat doet op zijn beurt de vraag rijzen welk effect luchtreinigers hebben op binnenluchtkwaliteit, comfort, welzijn en gezondheid. Het is belangrijk om te weten in hoeverre luchtreiniging een alternatief kan zijn voor ventilatie om een goede luchtkwaliteit te verzekeren. Meer bepaald, in welke mate beantwoordt luchtreiniging aan de ventilatievereisten volgens de diverse normen? Internationale normen voor ventilatie (binnenluchtkwaliteit) zoals EN 16798-1, ISO 17772-1 en ASHRAE 62.1 zijn vaak gebaseerd op de luchtkwaliteit zoals die wordt ervaren (Perceived Air Quality PAQ). Deze criteria zijn soms uitgedrukt als niveaus van CO₂, als kenwaarde voor de belasting door personen.

Als men echter luchtreinigers inzet, zal men een equivalent niveau van luchtkwaliteit bereiken bij hogere concentraties aan CO₂. Men gaat ervan uit dat, als ventilatie wordt gebruikt om PAQ te verzekeren, ook andere schadelijke stoffen zoals radon of VOC verdund zullen worden. De huidige gasfase luchtreinigers worden getest op basis van chemische criteria, een methode die geen rekening houdt met PAQ en bio-effluent als een bron van vervuiling. Dit artikel bespreekt de voor- en nadelen van een gedeeltelijke vervanging van ventilatie door gasfase luchtreiniging.

Ventilatie is goed voor ongeveer 20% van het energieverbruik wereldwijd om een aangenaam binnenklimaat te creëren. De ventilatievereisten in de meeste normen en richtlijnen gaan uit van een aanvaardbare kwaliteit van de buitenlucht. Wereldwijd groeit het aantal publicaties over luchtreiniging en tegelijk stijgt ook de verkoop van dergelijke producten. Er is dus onderzoek nodig naar de invloed van luchtreinigers op binnenluchtkwaliteit, comfort, welzijn en gezondheid. Het is belangrijk om te weten of luchtreiniging ventilatie kan ondersteunen om een goede luchtkwaliteit te verzekeren. Met andere woorden in hoeverre beantwoordt deze techniek aan de ventilatievereisten volgens de diverse normen? Welke impact hebben luchtreinigers op het energieverbruik voor ventilatie? Op vele plekken ter wereld is de kwaliteit van de buitenlucht zo slecht, dat men ventilatie best zoveel mogelijk vermijdt. In die gevallen zijn luchtreinigers een alternatief voor ventilatie om tot een aanvaardbare binnenluchtkwaliteit te komen. Ook met buitenlucht van goede kwaliteit kan men luchtreinigers als alternatief voor ventilatie gebruiken, zodat er minder buitenlucht moet worden toegevoerd. Dat betekent minder thermische ventilatieverliezen en een lager energieverbruik voor de ventilatoren. Als luchtreiniging zowel de binnenluchtkwaliteit verbetert en het energieverbruik voor ventilatie verlaagt, is dit een erg interessante techniek voor de toekomst. We moeten het potentieel van gasfase luchtreiniging als alternatief voor ventilatie voor een goede binnenluchtkwaliteit beter begrijpen. Het is ook nodig om standaard testmethodes te ontwikkelen om de prestaties van luchtreinigers te beoordelen.

Gasfase luchtreiniging als alternatief voor ventilatie

Om het potentieel van luchtreiniging als alternatief voor ventilatie te bepalen, moeten we eerst de diverse internationale normen met eisen voor binnenluchtkwaliteit bekijken.

Internationale normen voor binnenluchtkwaliteit en ventilatie

Het vereiste ventilatiedebiet voor een aanvaardbare IAQ kan bepaald worden aan de hand van gangbare normen zoals EN 16798-1.2019, ISO 17772-1,2018 en ASHRAE 62.1, 2019.

De effectiviteit van de ventilatie duidt aan hoe goed er lucht naar de ademzone wordt gebracht, waarbij 1 overeenkomt met een volledige menging.

De normen bevatten tabellen met aangeraden waarden qua uitstoot van gebruikers en gebouw. EN 16798-1 en ISO 17772-1 werken met vier aanvaardbaarheidscategorieën, met 15 tot 40% ontevredenen, terwijl ASHRAE uitgaat van een aanvaardbaarheid met minder dan 20% ontevredenen.

Tabel 1 toont de aangeraden ventilatiedebieten voor een eenpersoonskantoor van 10 m² met een laagvervuilend gebouw. Het totale ventilatiedebiet kan worden uitgedrukt als totaal l/s, l/s per persoon of l/s per m².

Deze normen omvatten ook een analysemethode (procedure voor binnenluchtkwaliteit) om de verdunning van specifieke stoffen te berekenen, met een massabalansvergelijking.

Luchtreiniging wordt vermeld in EN 16798-1 en ISO 17772-1. In Deel 2 van de richtlijn wordt ook een configuratie voorgesteld die rekening houdt met gasfase luchtreiniging, maar de normen bevatten geen directe procedure om het ventilatiedebiet te verlagen of om het mogelijke positieve effect op IAQ weer te geven.

ASHRAE 62.1 geeft wel een mogelijkheid om het effect van luchtreiniging in rekening te brengen, met de eerder beschreven analysemethode. Dit veronderstelt wel dat de reinigingsefficiëntie voor specifieke stoffen al werd getest volgens een bestaande norm.

Meting van de efficiëntie van luchtreiniging voor specifieke polluenten

Hierbij worden bekende gassen gebruikt om polluenten te simuleren. Voor VOC’s is dat bijvoorbeeld tolueen of aceton. De concentratie aan polluenten wordt gemeten voor en na de luchtreiniger. De efficiëntie voor elke polluent wordt uitgedrukt in %

De criteria voor ventilatiedebieten in de normen zijn voornamelijk gebaseerd op de waargenomen luchtkwaliteit (PAQ), door een panel van testpersonen. Het is dus ook belangrijk om het effect van luchtreiniging op PAQ te testen. Dit effect kan worden uitgedrukt in %

Als de luchtreiniger getest werd met chemische metingen volgens vergelijking (4), dan zou men de vervuiling door de uitstoot van het gebouw in vergelijking (1) moeten verminderen met een factor gebaseerd op de gemeten effectiviteit van de luchtreiniger (in l/s)

Tevens, als de luchtreiniger getest werd op PAQ met een combinatie van personen en het gebouw als bronnen van vervuiling, dan kan het totale ventilatiedebiet verminderd worden met het toevoerdebiet aan schone lucht, of de efficiëntie van de luchtreiniger.

Testen van gasfase luchtreinigers

Er worden steeds meer methoden en producten ontwikkeld voor luchtreinigers voor deeltjes en gassen. Deze omvatten zowel partikel- als absorptiefilters, of luchtreinigers die gassen of polluenten verwijderen door een chemische reactie (Fotokatalytische oxidatie – PCO, ionisatie, UV-technieken enzovoort)

ISO (ISO 10121-2:2013) en ASHRAE (145.2-2016) hebben standaard testmethoden voor de efficiëntie van de luchtreinigers, of de equivalente hoeveelheid van verse luchttoevoer (Clean Air Delivery Rate – CADR).

Er zijn betere testmethoden voor luchtreinigers nodig, want de huidige zijn doorgaans gebaseerd op chemische metingen. Het effect op geur of PAQ wordt daarbij verwaarloosd. Het is ook belangrijk om te bepalen welke ‘polluenten’ gebruikt worden in de test.

Figuur 1 toont een test voor waargenomen luchtkwaliteit. Deze werd gemeten door een testpanel dat in de ruimte kwam en meteen de luchtkwaliteit beoordeelde. De vervuiling kwam zowel van gebruikers als van het gebouw.

Figuur 2 toont de testresultaten voor waargenomen luchtkwaliteit met een luchtreiniger voor verschillende vervuilingsbronnen. Voor bouwmaterialen verbetert de luchtreiniger de waargenomen luchtkwaliteit, maar voor biologische emissies van personen maakt het toestel de luchtkwaliteit slechter. Dit toont het belang aan van PAQ als een testparameter en van het gebruik van biologische polluenten als type vervuiling.

Er zijn normen om PAQ te meten, en er wordt een nieuwe norm ontwikkeld door ISOTC146SC6, die specifiek bestemd is voor het testen van gasfase luchtreinigers.

Impact op energieverbruik van gasfase luchtreinigers

Als de kwaliteit van de buitenlucht te slecht is, is luchtreiniging duidelijk de enige mogelijkheid om IAQ te verbeteren. Een ander argument voor het gebruik van gasfase luchtreiniging is de potentiële energiebesparing omdat er minder buitenlucht op temperatuur moet worden gebracht. Deze besparing hangt af van de plaatsing van de luchtreiniger (geïntegreerd in de ventilatie-installatie of losstaand), of er aan warmteterugwinning wordt gedaan, en de weersomstandigheden. Bovendien kan bespaard worden op het energieverbruik van de ventilatoren. Anderzijds vertegenwoordigt de ventilator van de luchtreiniger een extra verbruik. Een luchtreiniger in het ventilatiesysteem kan ook een bijkomend drukverlies veroorzaken. Minder toevoer van buitenlucht betekent ook minder energie voor bevochtiging en ontvochtiging. In koudere klimaten zal er in de winter minder bevochtiging nodig zijn als er minder droge buitenlucht wordt toegevoerd. In andere gevallen kan minder toevoer van verse lucht leiden tot te hoge luchtvochtigheid, bijvoorbeeld in woningen. In warme en vochtige klimaten kan men besparen op het energieverbruik voor ontvochtiging.

Als de temperatuur van de buitenlucht lager is dan de gewenste binnentemperatuur kan men gebruik maken van free cooling, vooral ’s nachts. Als het ventilatiedebiet echter verlaagd is door het gebruik van luchtreinigers, zal dit effect minder sterk zijn.

Gebruik van CO₂ als maat voor luchtkwaliteit

Het gebruik van gasfase luchtreinigers stelt de relevantie in vraag van CO₂ als maat voor IAQ en als parameter voor vraaggestuurde ventilatie. Gezien er geen sterk of consistent bewijs is voor negatieve effecten op de gezondheid van CO₂ bij concentraties van minder dan 5.000 ppm (een niveau dat zo goed als nooit in gebouwen optreedt), kan CO₂ alleen gebruikt worden als de maat voor de ventilatie-efficiëntie bij belasting door personen. CO₂-meting kan dus ventilatiemeting vervangen, waarbij hoge CO₂-concentraties wijzen op weinig ventilatie en omgekeerd, bij een gelijk aantal personen in de ruimte. Tabel 3 geeft een voorbeeld van berekende CO₂-concentraties in een kantoor met en zonder luchtreiniger. De luchtreiniger zorgt voor een equivalent aan verse luchttoevoer (CADR), zodat het ventilatiedebiet met dezelfde hoeveelheid verlaagd kan worden. Dat betekent dat men met een luchtreiniger een vergelijkbare IAQ bereikt bij een hogere CO₂-concentratie. De luchtreiniger in kwestie geeft dezelfde PAQ met 20% ontevredenen (Categorie IEQII) met een 30% lager luchtdebiet. Zie Figuur 1.

De ventilatiecategorieën zijn gebaseerd op verschillende verwachte percentages van ontevredenen: IEQ_I-15%, IEQ_II-20%; IEQ_III-30% en IEQ_IV-40%. Gezien de normen een minimum van 4 l/s per persoon aanraden, hebben we elk lager CO₂-gehalte in vet aangegeven, met tussen haakjes daarnaast het debiet op basis van 4 l/s per persoon. Hieruit is duidelijk te zien dat men een gelijkaardige categorie van binnenluchtkwaliteit kan bereiken bij verschillende CO₂-concentraties.

In de normen gaat men ervan uit dat, als men ventileert in functie van een gegeven categorie van PAQ, het debiet hoog genoeg zal zijn om ook andere polluenten te verdunnen tot onder de gevaargrens. Als men echter het ventilatiedebiet verlaagt wegens het gebruik van luchtreinigers, kan dat laatste niet altijd het geval zijn. Naargelang de techniek van de luchtreiniger zal dit toestel echter wel een aantal specifieke polluenten verwijderen.

Bespreking

Het concept dat in dit artikel wordt voorgesteld, veronderstelt nieuwe testmethodes voor luchtreinigers, die ook rekening houden met bio-effluenten van menselijke oorsprong, om ook de waargenomen luchtkwaliteit mee te nemen als testparameter. IEA-EBC Annex 78 werkt samen met ISOTC142 en ISOTC156WG6 om dergelijke methodes op te stellen. Sleutelopgave is om een gestandaardiseerde methode te ontwikkelen om vervuiling van menselijke origine te beoordelen en om de waargenomen luchtkwaliteit te meten.

Wat de uitstoot door het gebouw betreft, kan men met de bestaande testmethodes van ISO 10121-2:2013 en ASHRAE 145.5-2016 de CADR meten en berekenen. Op basis van deze waarde kan men dan het ventilatiedebiet verlagen. In ruimtes met een lage bezetting, zoals eenpersoonskantoren of landschapskantoren heeft de uitstoot door het gebouw een groter relatief belang. In dicht bezette ruimtes, zoals klaslokaren of auditoria is de menselijke uitstoot dan weer belangrijker. De testmethodes houden echter geen rekening met eventuele nevenproducten van een luchtreiniger als er menselijke bio-effluenten in terecht komen. Of en welke nevenproducten gevormd worden, varieert met de specifieke techniek van de luchtreiniger.

In plaats van de mogelijke daling van het ventilatiedebiet door het gebruik van luchtreinigers te berekenen, kunnen we het effect ook uitdrukken als een verbetering van de binnenluchtkwaliteit volgens EN16798-1 of ISO 17772-1, bij gelijkblijvend debiet.

Met gasfase luchtreinigers kan men het ventilatiedebiet verminderen en toch de luchtkwaliteit behouden. Bij vraaggestuurde ventilatie op basis van CO₂ moet men dan wel het instelpunt verhogen. In functie van de CADR kan het directe effect op prestatie van hoge CO₂-concentraties wel een probleem zijn, hoewel de concentraties altijd ver beneden de gevaargrens van 5.000 - 10.000 ppm zal blijven.

Een bijkomend voordeel van een lager ventilatiedebiet is minder lawaai. De luchtreiniger zelf zal echter ook geluid produceren, wat dit effect teniet kan doen.

Conclusies

Gasfase luchtreinigingstechnieken worden meer en meer gebruikt om de luchtkwaliteit te verbeteren.

We hebben een concept voorgesteld om ventilatie gedeeltelijk te vervangen door luchtreiniging.

Er zijn nieuwe testmethoden nodig om rekening te houden met waargenomen luchtkwaliteit en menselijke bio-effluent.

Het effect op energieverbruik van luchtreinigers moet beter worden onderzocht. Een lager ventilatiedebiet is gunstig voor het verbruik van de volgende aspecten:

-buitenlucht op temperatuur brengen
-bevochtigen of ontvochtigen
-aandrijfenergie van de ventilatoren

Daarentegen kan het energieverbruik stijgen door

bijkomend verbruik van de ventilatoren van losstaande toestellen
bijkomend verbruik van de ventilatoren wegens een grotere drukval door een ingebouwde luchtreiniger
minder mogelijkheid tot free cooling.

Men moet er ook op letten dat het ventilatiedebiet hoog genoeg blijft om andere polluenten te verdunnen.

Men moet verschillende CO₂-niveaus hanteren voor het bepalen van de binnenluchtkwaliteit en als parameter voor vraaggestuurde ventilatie.

Dankwoord

Deze studie werd uitgevoerd in het kader van IEA-EBC Annex 78 met de steun van de Deense regering EUDP project nr. 64018-0599. Dit artikel is een vertaling van VIP (Ventilation Information Paper) 42 van het AIVC (Air Infiltration and Ventilation Centre).

Verwijzingen

ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2019 ”Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality”

ANSI/ASHRAE Standard 145.2-2016 ”Laboratory Test Method for Assessing the Performance of Gas-Phase Air-Cleaning Systems: Air-Cleaning Devices”.

CEN, EN 16798-1:2019 Energy performance of buildings- Ventilation for buildings – Part 1: Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics, CEN, 2019.

CEN, TR 16798-2:2019 Energy performance of buildings – Ventilation for buildings – Part 2: Interpretation of the requirements in EN 16798-1 – Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics, CEN, 2019.

IEA EBC, Annex 78 - Supplementing Ventilation with Gas-phase Air Cleaning, Implementation and Energy Implications, Accessed 18-02-2020, https://annex78.iea-ebc.org.

ISO 10121-2:2013 ”Test methods for assessing the performance of gas-phase air cleaning media and devices for general ventilation – Part 2: Gas-phase air cleaning devices (GPACD)”.

ISO 16000-30:2014 “Indoor Air-Part 30: Sensory Testing of Indoor Air”, 2014

ISO 17772-1 2018 Part 1: Indoor Environmental Input Parameters for the Design and Assessment of Energy Performance in Buildings, ISO, Geneva, 2017.

ISO 17772-2 2018: Part 2: Guideline for Using Indoor Environmental Input Parameters for the Design and Assessment of Energy Performance of Buildings., ISO, Geneva, 2018.

Kolarik and Wargocki: Can a photocatalytic air purifier be used to improve the perceived air quality indoors? Indoor Air 2010;20, 255-262.

Lei Fang, Pawel Wargocki, Adam Targowski, Toshio Tanaka, Kenkichi Kagawa, 2011, Performance of a Non-Thermal Plasma Air Purifier Examined with Sensory Assessments of Air Quality, 12th Int. Conf. on Indoor Air Quality and Climate.

Door Bjarne Olesen (DTU Denemarken)

Chandra Sekhar (National University of Singapore – Singapore)

Pawel Wargocki (DTU Denemarken)