Hittestress indicator WBGT als ontwerptool klimaatinstallaties

De WBGT-index is de standaard voor het beoordelen van hittestress op het werk. De index is gebaseerd op empirische grootheden die alleen met speciale sensoren kunnen worden gemeten. Als gevolg hiervan wordt de index in de dagelijkse praktijk nauwelijks gebruikt. Niet bij de beoordeling van klimaatsituaties in bedrijven, en ook niet bij het ontwerp van klimaatinstallaties. Recente ontwikkelingen brengen hier verandering in.

Hittestress indicator

WBGT staat voor Wet Bulb Globe Temperature. Het is een index die wordt berekend uit 2 empirische grootheden, de natuurlijke natte-bol- en de zwarte-boltemperatuur. Er zijn speciale sensoren nodig om deze grootheden te kunnen meten. Deze sensoren reageren op de gecombineerde invloed van de luchttemperatuur, warmtestraling, vochtigheid en luchtsnelheid. Dit soort meetapparatuur is bij de meeste bedrijven niet aanwezig. Er moet dus al snel een gespecialiseerd bureau of een arbodienst ingeschakeld worden om een WBGT meting uit te voeren. In de nieuwe uitgave (van 2017) van de NEN‑EN‑ISO 7243 is een rekenmodel beschreven. Hiermee kan de WBGT worden benaderd op basis van enkele parameters die met normalere meetinstrumenten kunnen worden bepaald. Met een temperatuur- en een RV-meter is in veel situaties al een goede indruk te verkrijgen. Om het helemaal goed te doen, dienen ook de stralingstemperatuur en de luchtsnelheid te worden gemeten. Dat wordt dan al snel weer iets voor een specialist. Maar in veel gevallen is de invloed van warmtestraling en luchtstroming op de ervaren hittestress beperkt. Zoals gezegd kunnen luchttemperatuur en RV dan volstaan.

Benaderingsformule

Het genoemde rekenmodel bestaat uit een iteratieve berekening waarmee de warmtebalans van de natuurlijke natte-bol sensor kan worden bepaald. Een iteratie is lastig als je veel situaties wilt berekenen. Daarom heb ik een benaderingsformule opgesteld waarmee de WBGT zonder iteraties op enkele tienden van een graad nauwkeurig kan worden benaderd. Voor een ontwerpbeoordeling is dat meestal voldoende. Deze formule kan eenvoudig in een spreadsheet worden toegepast. In het volgende voorbeeld blijkt dat daarmee treffende resultaten kunnen worden getoond.

De warme droge zomer van 2018

De zomer van 2018 heeft vele records verbroken. Eén van de bijzonderheden was dat het erg droog was. Dat bleek ook in de luchtvochtigheid. In Rotterdam was de gemiddelde RV op zomerse dagen 42%. Een dag geldt als zomers als de maximumtemperatuur boven de 25°C uitkomt. Voor de vier zomers die daaraan vooraf gingen was de gemiddelde RV op zomerse dagen steeds rond de 50%. Ofwel de zomer van 2018 was ideaal voor de toepassing van adiabatische koeling. Want warme droge lucht kan adiabatisch dieper gekoeld worden dan even warme maar vochtiger lucht. En in het eerste geval bevat de gekoelde lucht minder vocht dan in het tweede geval. Het binnenklimaat zal dus in het eerste geval (de zomer van 2018!) aangenamer worden ervaren dan in het geval met vochtiger lucht (de 4 zomers die daaraan voorafgingen).

WBGT op een werkplek

Hoe werkt dat uit op de WBGT op een werkplek in een productiehal?

We vergelijken 2 systemen:

1. een ventilatiesysteem met adiabatische koeling en voorzien van een mengend luchtverdeelsysteem. Het bevochtigingsrendement is 80%. De opwarming van de lucht ten gevolge van warmte uit het productieproces is 10K.
2. een ventilatiesysteem zonder koeling en voorzien van een luchtverdeelsysteem met roosters op vloerniveau. Hiermee wordt de lucht met lage snelheid en impulsarm ingebracht. Ten gevolge van de warmte uit het productieproces ontstaat een verticale verdringing van warme lucht. De luchthoeveelheid is even groot als bij de eerste variant. De ventilatie-effectiviteit is 2,2. Dit houdt in dat op de werkplekken slechts een temperatuurverhoging van \( \frac{10}{2,2}\) = 4,5K zal optreden. De rest van de opwarming vindt boven de warmtebronnen plaats.

In de grafieken hieronder geven de puntenwolken de resulterende uurlijkse temperatuur en relatieve vochtigheid op de werkplek weer gedurende de periode april t/m oktober 2018.

Voor variant a) met adiabatische koeling is dat een compacte wolk. De RV-waarden variëren tussen pakweg 40 en 55%. De maximale temperatuur op de werkplek is circa 34°C.

Voor variant b) zonder koeling, maar met verdringingsventilatie, is de wolk veel uitgerekter. De RV varieert over een groot bereik. De temperatuur bereikt maxima boven 40°C.

Met de kleur van de stippen is de berekende waarde van de WBGT aangegeven. Hierbij lijkt het verschil tussen de varianten niet zo groot. In beide wolken bevinden zich aan de rechterkant enkele gele stippen. Het lijkt er dus op, dat in variant b) weliswaar hogere maximum temperaturen voorkomen, maar dat dit door de lage RV niet meer hittestress oplevert.

Uurlijkse WBGT-waarden

In de grafiek hiernaast zijn de uren geteld waar de WBGT een bepaalde waarde overschrijdt. Hier is te zien dat de installatie met de adiabatische koeling gedurende het overgrote deel van de zomer hogere WBGT waarden genereert dan het verdringingssysteem zonder koeling. De hittestress neemt enerzijds af door verlaging van de temperatuur. Anderzijds neemt de stress toe door de hogere vochtigheid. Per saldo is het verdringen van warmte dus effectiever dan de koelende werking van de verdampingskoeling.

In de volgende grafiek zijn nog 2 systemen aan de vergelijking toegevoegd:

3. de combinatie van de systemen a) en b), dus een systeem met adiabatische koeling en verdringingsventilatie.
4. een systeem met een dauwpuntkoeler en verdringingsventilatie.

Te zien is dat beide systemen nog lagere WBGT-waarden opleveren. Zeker het systeem met de dauwpuntkoeler presteert hierop beter. Wel zullen de kosten van zo’n systeem hoger zijn. Zowel in investering als in de operationele kosten. De warmte die uit de buitenlucht wordt gekoeld, wordt hier met een extra luchtstroom naar buiten afgevoerd. Het energiegebruik van de ventilator zal daarom circa 1/3^e hoger zijn dan van een directe adiabatische bevochtiger.

Toelaatbare WBGT-waarde

Welke WBGT is eigenlijk toelaatbaar? Dat is afhankelijk van 3 factoren:

• de zwaarte van de lichamelijke arbeid die in de productiehal wordt verricht (het metabolisme)
• de gedragen kleding
• de mate waarin de mensen gewend zijn aan de warmte (geacclimatiseerd).

Acclimatisatie treedt op als gedurende meerdere dagen in het warme klimaat wordt gewerkt. Dat betekent dat niet al het personeel altijd geacclimatiseerd zal zijn. Om deze reden wordt aangeraden uit te gaan van de grens voor niet-geacclimatiseerden. Stel dat het gemiddelde metabolisme van de werkzaamheden in de productiehal 290W bedraagt. Uit de norm NEN‑EN‑ISO 7243 valt dan af te leiden dat de limietwaarde WBGT_lim=25°C is. Voor kleding die het vochttransport vanaf de huid naar de omgeving sterk belemmert, dient een toeslag te worden gegeven. Voor normale werkkleding is geen correctie noodzakelijk. De berekende waarden kunnen dan ook direct met de limietwaarde van 25°C worden vergeleken.

In onderstaande grafiek zijn de overschrijdingsuren van WBGT_lim=25°C geteld. Dan blijkt dat systeem a) de meeste overschrijdingsuren geeft: 180 uur. Dat betekent dat gedurende 25 à 30 dagen de wettelijke eis wordt overschreden. Om te voorkomen dat mensen gezondheidsschade door hittestress oplopen, kan een aangepast werkschema worden ingesteld. De mensen dienen dan enige tijd in een koelere omgeving door te brengen.

Het verdringingssysteem zonder koeling (systeem b) leidt tot halvering van het aantal uren overschrijding. De systemen c) en d) leveren nagenoeg of helemaal geen overschrijding van de wettelijke limiet op.

Conclusie

De benaderingsformule voor berekening van de WBGT maakt het mogelijk zonder speciale software een groot aantal situaties op hittestress te beoordelen.

De zomer van 2018 was heel gunstig voor de toepassing van adiabatische bevochtiging, doordat het niet alleen heel warm maar ook erg droog was. Ondanks dat presteert systeem a) aanmerkelijk slechter dan een systeem zonder koeling, maar met verdringingsventilatie. Het verdringen van warmte is dus effectiever dan de koelende werking van de verdampingskoeling.

De optimale oplossing voor verminderen van hittestress bestaat uit een adiabatisch koelsysteem gecombineerd met een verdringingssysteem. Wanneer een beperkt budget beschikbaar is, kan dit beter worden besteed aan een goed verdringend luchtverdeelsysteem, EEN GOED VERDRINGINGSSYSTEEM BESTAAT UIT ROOSTERS OP VLOERNIVEAU, WAARMEE LUCHT MET LAGE SNELHEID EN IMPULSARM WORDT TOEGEVOERD. dan aan een simpel adiabatisch koelsysteem. Het verdringingssysteem levert direct een grote verbetering van het werkplekklimaat op. Eventueel kan hier later (adiabatische) koeling aan worden toegevoegd.