Een energietechnoloog die naar een bouwwerk kijkt, ziet een binnen- en een buitenklimaat gescheiden door een gebouwschil. Terwijl het buitenklimaat varieert in de tijd (dag-nacht, zomer-winter) moet het binnenklimaat tamelijk constant en comfortabel zijn. Daarvoor moet de gebouwschil zorgen met de hulp van verwarmingsketels, kunstlicht, ventilatoren en airco’s. Zo werkt het in de praktijk, maar de prijs is een hoge energierekening en dat steekt. Dat moet toch beter kunnen, vond ECN-er Bart de Boer van Efficiency & Infrastructuur. En met gelijkgestemden ruilde hij in zijn onderzoeken de statische schil in voor een zogeheten dynamische gebouwschil.
In de huidige bouw is de gebouwschil (verzamelterm voor vloer, dak en gevel) fysisch gezien statisch. De isolatiewaarde en raamoppervlakte ervan, bijvoorbeeld, ligt vast, is zomer en winter hetzelfde terwijl de omstandigheden buiten dan flink verschillen. Is het niet mogelijk, vroeg De Boer c.s. zich af om een gebouwschil te hebben met variabele eigenschappen? Een schil die in de winternacht gesloten is en goed isoleert maar overdag toch voldoende licht doorlaat, maar ook een schil die in de zomer de zonnewarmte tegenhoudt en juist ’s nachts de woning weer makkelijk laat afkoelen . De Boer: “In diverse projecten en verkenningen samen met TNO houden we ons al een tijd met zogeheten Climate Adaptive Building Shells (CABS) bezig, maar tamelijk kleinschalig. Om gedegen te kunnen werken aan een samenhangend bouwconcept hebben we met TNO, TU/e , TU Delft en CHRI, het onderzoeksproject FACET ingediend. Sinds oktober 2009 is FACET (Facade als Adaptief Comfortverhogend en Energiebesparend Toekomstconcept) goedgekeurd als drie jaar lopend EOS-LT project.”
Inverse simulatie aanpak
Met het idee van een dynamische gebouwschil houden veel onderzoekteams in de wereld zich bezig. Er is zelfs een internationale werkgroep, Climate Responsive Building Elements waarin CHRI is vertegenwoordigd. Maar de FACET-onderzoekers hanteren een uniek uitgangspunt waarbij de schil geen vast gegeven is maar een variabele. Zij redeneren van binnen naar buiten, terwijl men bij de klassieke benadering uitgaat van een statische schil en van buiten naar binnen redeneert. De Boer: “Normaal gesproken hanteer je bij gebouwsimulaties gegevens van het externe klimaat en kijk je of het met een bepaalde gebouwschil lukt om een binnenklimaat te scheppen met een zo laag mogelijke energievraag voor verwarming, koeling, ventilatie, verlichting. Wij keren dit om door te vragen “Welke schileigenschappen zijn idealiter nodig om zonder hulpenergie binnen bepaalde grenzen van binnencomfort te kunnen blijven?”
Het binnenklimaat moet het hele jaar door bijvoorbeeld tussen 19 en 21 °C blijven, voldoende daglicht en uitzicht bieden en een goede luchtkwaliteit hebben. De vraag is vervolgens welke eigenschappen van de gebouwschil hiervoor gewenst zijn. Dit is een revolutionaire manier van denken en simuleren, die ertoe leidt dat je het computermodel waarmee je concepten doorrekent op een andere leest moet schoeien.”
Bij FACET veronderstellen de onderzoekers dat de gebouwschil een ‘black box’ is die nagenoeg volledig variabel is in de mate waarin hij o.a. licht, lucht, zonnewarmte en zonnestraling weert, tempert, filtert, opslaat of doorlaat. De FACET-gebouwschil krijgt een reeks van taken die hij als een soort kameleon gaat uitvoeren, naargelang wat nodig is om de vraag van binnenklimaat en aanbod van buitenklimaat op elkaar af te stemmen op iedere tijdschaal. De Boer: “Een paar van die taken hangen met elkaar samen. Als je zonnewarmte tegenhoudt, temper je ook een deel van het zonlicht. De manier waarop je die samenhang verwerkt in het model, kent ook weer verschillende benaderingen. Op dit punt werken collega-onderzoekers van de TU/e in Eindhoven hard aan een Mullti Objective Optimisation-methode waarbij de inverse aanpak zo goed mogelijk wordt benaderd door haast oneindig veel varianten na te bootsen en vervolgens een optimum te bepalen voor de combinaties van gebouwschilparameters.”
Gebruikersaspecten
De technische aspecten spelen bij FACET een belangrijke rol. Maar hoe goed het toekomstige gebouwschil-concept bouwfysisch ook is, zijn succes hangt grotendeels af van wat de gebruikers ervan vinden als hun woning, school of kantoor ermee is toegerust. Dit deel is in handen van onderzoekers aan de TU Delft. Daar weten ze bijvoorbeeld uit psychologisch onderzoek naar thermisch comfort dat mensen het prettig vinden als de temperatuur gedurende de dag enige variatie vertoont. Dat zou zelfs de gezondheid bevorderen. De Boer: “Dat is goed om te weten want zo’n variatie kan als randvoorwaarde in het model verwerkt worden. Mochten de eisen trouwens wijzigen – als een kantoor bijvoorbeeld een tweede bestemming krijgt als bejaardenflat – dan is zo’n dynamische gebouwschil voldoende flexibel om van kantoorcomfort over te schakelen naar het comfortplan van een bejaardenwoning.”
Techniekontwikkeling
Met FACET zoeken de onderzoekers naar concepten. De uitwerking van de concepten naar de uitvoerbare werkelijkheid is een zaak van de industrie, van de markt. Op basis van contouren is wel iets te zeggen over wat haalbaar is: ”Je kunt bij de invulling van de concepten denken aan ‘low tech’ oplossingen zoals isolerende luiken voor de ramen maar ook aan bijvoorbeeld nog te ontwikkelen technieken als regelbare vacuümisolatie en schakelbaar glas.” De Boer heeft de resultaten vergeleken met een referentiegebouw dat voldoet aan de huidige norm voor utiliteitsgebouwen met een EPC (Energie Prestatie Coëfficiënt) van 1,1. “Goede isolatie, goede zonwering en extra ventilatie helpen enorm, maar met een dynamische gebouwschil lukt het om de warmtevraag nagenoeg tot nul te reduceren; ’s winters is er dus geen warmtetoevoer nodig. En in de zomer kunnen we de vraag naar koeling halveren. Op jaarbasis realiseren we dan een vermindering van de koel en warmtevraag van circa 90 procent (hulpenergie voor extra ventilatie niet meegerekend) vergeleken met een standaard gebouw, bij gelijkblijvend comfort voor de gebruikers.” Verwarmen en koelen zijn trouwens de grote slokoppen voor wat betreft energieconsumptie. Maar er is ook nog stroom te besparen voor verlichting door efficiënt gebruik van daglichttoetreding in combinatie met daglichtgeregelde, energiezuinige verlichting – daar doet TNO in dit project onderzoek naar. Daarmee is ook nog eens circa 50 – 60 procent op de post verlichting te halen, meent De Boer.
Klankbord
Hoewel de FACET-onderzoekers graag de grenzen van de bouwtechnologie voor de lange termijn verkennen, snappen ze dat ze met hun onderzoek niet weg moeten lopen van wat de praktijk wenst. Om terugkoppeling van de markt te krijgen is een klankbordgroep opgericht, met mensen uit alle gelederen van de bouw.
