De link tussen onderzoek en praktijk op het gebied van gebouwsimulatie Piet Standaert Physibel
Samenvatting Als ontwikkelaar van bouwfysische software bevindt men zich in een positie tussen onderzoek en academische kennis enerzijds en bouwpraktijk anderzijds. Vanuit deze ervaring wordt de paternalistische visie op deze link bekritiseerd. Enkele ideeën worden geformuleerd met betrekking tot de toekomstige rol en samenwerking van onderzoek, normalisatie, bouwpraktijk en software-ontwikkeling. Inleiding De huidige (samen?)werking van onderzoek, normalisatie, bouwpraktijk is geschoeid op een paternalistisch model. Wat vereenvoudigd gesteld spelen hierin 2 groepen partijen: - De ‘pater’-partijen die vanuit een vaderlijke bezorgdheid regelgeving en controle organiseren, bijgestaan door onderzoeksinstellingen die de inhoudelijke kwaliteit ervan moeten garanderen. - De ‘veld’-partijen die de regels in de praktijk moeten toepassen. Men gaat ervan uit dat, bij ontstentenis van de vaderlijke leiding, deze partijen zich enkel zouden laten leiden door winstbejag en weinig bezorgd zouden zijn wat betreft de kwaliteit. Dit paternalistisch model heeft zeker tal van verdiensten. Anderzijds blijkt het model vandaag minder goed te functioneren. Dit wordt geïllustreerd aan de hand van een aantal voorbeelden. Een alternatief model voor (samen-)werking van onderzoek, normalisatie, bouwpraktijk dringt zich op. Een aantal mogelijke bouwstenen worden gesuggereerd. De samenwerking onderzoeker / software-ontwikkelaar / gebruiker op het vlak van rekenprogramma’s Paternalistische visie: - eerst maakt de onderzoeker een rekenalgortime, - dat door de software-ontwikkelaar wordt implementeerd, - om tenslotte bij de gebruiker terecht te komen. Dit blijkt zeker niet altijd zo te werken. Er is een complexere interactie. Voorbeelden: - Bij de ontwikkeling van het programma BISCO (2D stationair, willekeurige geometrie) is uitgegaan van invoercomfort voor de gebruiker: de geometrie (gebouwdoorsnede, detail) wordt als bitmap ingelezen. Hiertoe was onderzoek noodzakelijk, in dit geval op het vlak van de numerieke wiskunde (conversie van bitmap naar lijnentekening en triangulatie). - Bij de ontwikkeling van het program CAPSOL (gebouwsimulatie) worden wanden niet zoals in ESP met hun coördinaten ingevoerd. Aangezien echter hoekfactoren gebruikt worden in het rekenmodel en de berekening van deze hoekfactoren in principe coördinaten vereisen, werd een originele methode ontwikkeld die met een minimum aan informatie met betrekking tot de geometrie van de zone een zeer goede benadering van de hoekfactoren levert. - Nieuwe ideeën met betrekking tot modelontwikkeling komen regelmatig van gebruikers. Zij worden immers als eerste geconfronteerd met de beperkingen van een model bij toepassing voor concrete projecten. Indien de gebruiker de principes van het rekenmodel begrijpt kan hij ook belangrijke suggesties leveren ter verbetering of uitbreiding. Regelgeving op vlak van simulatiemodellen Versnelde ontwikkelingen van onderzoek en resulterend daaruit nieuwe simulatiemogelijkheden leveren nieuwe mogelijkheden naar de praktijk toe. Anderzijds vergt normalisatie en accreditering van de nieuwe mogelijkheden steeds meer inspanning, dit door een toename van complexiteit van de rekenmodellen. Hierdoor ontstaat het gevaar dat normen achterna lopen op nieuwe ontwikkelingen en zelfs nieuwe ontwikkelingen of de toepassing ervan in de
weg staan. Aan de hand van 3 voorbeelden wordt een en ander geïllustreerd.
Voorbeeld 1 De Nederlandse norm NEN 2778 legt warmteovergangscoëfficiënten op voor de berekening van het driedimensionaal temperatuurveld. De waarden houden rekenen met een verlaagde warmteoverdracht tengevolge van een lagere stralingsoverdracht (hoekeffect, eventuele kast) en een luchttemperatuurgradiënt. Specifieke waarden werden geformuleerd omdat de toenmalige modellen de simulatie van straling en convectie in combinatie met 3D geleiding dit niet toelieten. Huidige modellen laten dit wel (of beter) toe. Zij het dat deze modellen realistischere resultaten leveren, kunnen ze binnen het kader van de norm niet worden toegepast. Alternatief: Normen moeten indien mogelijk een flexibele formulering als ‘opening’ naar toekomstige ontwikkelingen toelaten.
Figuur 1 Links: randvoorwaarden volgens NEN 2778
Rechts: berekend isothermenbeeld.
Figuur 2 Links: koperen kan fungeert als infrarode spiegel
Rechts: berekende isothermen (aparte straling convectie).
Voorbeeld 2 Meerdere dynamische simulaties van de temperatuur in een kamer werden uitgevoerd met eenzelfde programma. Hierbij werden volgende parameters gevarieerd: - Richtingsafhankelijke reflectie voor zonstraling al dan niet ingerekend. Opm. Voor de richtingsafhankelijkheid zijn geen normwaarden en meestal ook geen productdata bekend. - Zonreflectie op de binnenoppervlakken in de kamer al dan niet beschouwd. - Aparte hoekfactor gebaseerde straling en convectie of eenvoudig model met 1 overgangscoëfficiënt. - Constante of temperatuursverschil-afhankelijke ventilatie. Probleemloos kunnen nog verdere parameters gevarieerd worden. Ook nieuwe ontwikkelingen zullen veelal leiden tot interessante parameter-variatie-mogelijkheden.
Figuur 3: buitentemperatuur en gesimuleerde binnentemperatuur voor diverse gevallen.
Vraagstelling: moet en kan de regelgevende instantie één (of meerdere) werkwijze(n) als norm-werkwijze vastleggen ? Standpunt: zelfs indien het wenselijk zou zijn, kan het niet. De gebruiker moet kunnen oordelen welke parametercombinatie voor een welbepaalde toepassing geschikt is. Men ziet dit bv. bij de ontwikkeling van energieprestatieregelgevingen (NL,B,D,F). Het aantal parameters dat men eigenlijk zou moeten beschouwen is dermate groot dat men voortdurend moet vervallen in te grove vereenvoudigingen. De diverse nationale regelgevingen voorbereid door nationale groepen van experten divergeren ! De vereenvoudigingen kunnen nieuwe ontwikkelingen op het vlak van de simulatie in de weg staan.
Voorbeeld 3 Onderstaande figuren zijn het resultaat van 2 simulaties op raamprofielen. Een eerste simulatie volgens prEN 100772 waarbij de luchtholtes worden gesimuleerd als fictieve materialen met een equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt. Het resultaat kan verwerkt worden tot een warmtetransmissiecoëfficiënt volgens de EN. In een tweede simulatie met een recent ontwikkeld model wordt in de holtes hoekfactorgebaseerde straling en empirische convectie beschouwd. Het resultaat beantwoordt niet aan de norm maar is wel fysischer correcter.
Figuur 4: Resultaat simulatie volgens EN-10077-2 (equivalente λ’s voor holtes): 37.5 W/m
Figuur 5: Resultaat simulatie met gescheiden straling en convectie in holtes: 33.3 W/m.
Alternatief In de regelgeving moet duidelijk onderscheid gemaakt worden tussen: - Databestanden: materiaaleigenschappen, klimaatgegevens, randvoorwaarden, e.d. - Prestatie-eisen, - Rekenmethodes. De rol van de ‘pater’-partijen op het vlak van databestanden en prestatie-eisen blijft hier belangrijk. Anderzijds kunnen andere partijen zoals industrie, studiebureau’s belangrijke suggesties voor dat leveren. Op het vlak van de rekenmethodes lijkt het onmogelijk om alles in regelgevingen of via accreditering van rekenprogramma’s vast te leggen. Een flexibelere aanpak is nodig. Zo niet kan regelgeving toekomstige ontwikkelingen tegenwerken. Een ‘platform’ van overheidsinstellingen, onderzoeksgroepen, studiebureaus en software-ontwikkelaars, in de vorm van bv. een web-site gecoördineerd door instellingen zoals NVBV, IBPSA zou de kern kunnen vormen. Een professionele opzet is noodzakelijk wat financiële consequenties heeft ook op termijn. Het platform houdt in dat onderzoeksresultaten ook vanuit studiebureau’s en software-ontwikkelaars een bredere erkenning en toepassing kunnen genieten. Het platform houdt ook in dat de wijze waarop een studiebureau modellen gebruikt ‘public domain’ kan worden. Een voorbeeld hiervan is het ‘Physibel Pilot Book’, een verzameling van documenten die het gebruik van simulatiemodellen voor specifieke problemen behandelt. Validering dient een belangrijk element van het platform te zijn. Onderzoekers, software-ontwikkelaars en gebruikers kunnen er welomschreven data en resultaten van case-studies plaatsen en consulteren. Het platform dient een onderdeel te bevatten met bevattelijke informatie voor consumenten (bv. bouwheren). Onderwijs en vorming op het gebied van gebouwsimulatie kan aangekondigd worden via het platform. Bovenstaande ideeën zijn niet echt nieuw. Reeds lopende initiatieven, zoals bv. het tijdschrift van de Nederlands Vlaamse Bouwfysica Vereniging, passen in de platformgedachte. Dergelijke initiatieven kunnen deel uit maken van het gebouwsimulatieplatform.
