FACET Façade als Adaptief Comfort verhogend en Energiebesparend Toekomstconcept

Technical Sciences Laan van Westenenk 501 7334 DT Apeldoorn Postbus 342 7300 AH Apeldoorn www.tno.nl T +31 88 866 22 12 F +31 88 866 22 48 [email protected]

FACET Façade als Adaptief Comfort verhogend en Energiebesparend Toekomstconcept

Gegevens project Projectnummer: Projecttitel: FACET Penvoerder: TNO Medeaanvragers: CHRI, ECN, TNO, TU/e en TU Delft Projeccoordinator : Bart de Boer (TNO) Projectperiode: Oktober 2009 - 31 december 2013

Deze openbare eindrapportage is tot stand gekomen met bijdragen van : Arie Kalkman, Henk Polinder (CHRI/TNO), Hester Hellinga (CHRI), Wim Kornaat, Leo Bakker, Bart de Boer (TNO), Roel Loonen (TU/e), Stanley Kurvers, Joe Leijten, Arjen Raue en Noortje Alders (TU Delft)

Soort rapport Aantal pagina's Opdrachtgever

Openbare eindrapportage 106 Rijksdienst voor Ondernemend NL

Projectnaam Projectnummer

FACET EOSLT08016

Het FACETproject is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS:Lange Termijn uitgevoerd door Rijksdienst voor Ondernemend Nederland.

Openbaar eindrapport FACET

2/


3 / 106

Inhoudsopgave Samenvatting ........................................................................................................................................................ 6 1 1.1 1.2

Inleiding ................................................................................................................................................. 9 Achtergrond ............................................................................................................................................ 9 Doelstelling ............................................................................................................................................. 9

2 2.1 2.2 2.3

Werkwijze ............................................................................................................................................ 11 Fasering ................................................................................................................................................ 11 Structuur en verdeling in werkpakketten .............................................................................................. 12 Leeswijzer............................................................................................................................................. 12

3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5 3.5.1 3.5.2 3.6 3.7

Programma van eisen en wensen .................................................................................................... 14 Thermische eisen en wensen ............................................................................................................... 14 Comforttemperatuur ............................................................................................................................. 14 Free Running modus: ........................................................................................................................... 15 Eisen en wensen daglicht en visueel comfort ...................................................................................... 15 Bouwbesluit 2003 ................................................................................................................................. 16 Ventilatie eisen en wensen ................................................................................................................... 17 Mechanische ventilatie ......................................................................................................................... 17 Hybride of natuurlijke ventilatie: ........................................................................................................... 17 Regeling eisen en wensen ................................................................................................................... 19 Kostenfuncties ...................................................................................................................................... 20 Gebruikersinvloed ................................................................................................................................ 21 Klimaatgegevens .................................................................................................................................. 22 Buitenklimaat in relatie tot FACET ....................................................................................................... 22 Selectie klimaatdata ............................................................................................................................. 23 Conclusies ............................................................................................................................................ 24 Literatuur, bronnen ............................................................................................................................... 24

4 4.1 4.2 4.3 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.5 4.6

Inverse simulaties .............................................................................................................................. 28 Inleiding ................................................................................................................................................ 28 Aanpak ................................................................................................................................................. 28 Methode 1: Multi objective optimisation ............................................................................................... 29 CABS – adaptieve eigenschappen en ranges ..................................................................................... 33 Prestatie indicatoren ............................................................................................................................. 34 Framework voor multi-objective optimalisatie ...................................................................................... 35 Optimalisatiestrategie en instellingen ................................................................................................... 38 Methode 2: Sequentiële benadering .................................................................................................... 44 Stap 1: Daglicht geoptimaliseerde ‘inverse’ regeling Radiance ........................................................... 44 Stap 2: Thermische simulaties TRNSYS ............................................................................................. 49 Correctieve energiestroom (Qcor) ........................................................................................................ 50 Temperatuur set points ........................................................................................................................ 51 Energie stromen ................................................................................................................................... 52 Conclusies ............................................................................................................................................ 54 Literatuur, bronnen ............................................................................................................................... 55

5 5.1 5.1.1

Resultaten FACET simulaties ........................................................................................................... 59 Resultaten case study kantoorvertrek .................................................................................................. 59 Lay out .................................................................................................................................................. 59


4 / 106

5.1.2 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4

Energiebesparingspotentieel ................................................................................................................ 60 Resultaten case study school/klaslokaal .............................................................................................. 61 Lay out .................................................................................................................................................. 61 Energiebesparingspotentieel ................................................................................................................ 62 Resultaten case study appartement ..................................................................................................... 62 Lay out .................................................................................................................................................. 62 Energiebesparingspotentieel ................................................................................................................ 64 Conclusies ............................................................................................................................................ 64

6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.9 6.3

Gebruikersaspecten experimenteel onderzoek .............................................................................. 66 Introductie ............................................................................................................................................. 66 Aanpak ................................................................................................................................................. 66 Testomgeving ....................................................................................................................................... 66 Proefpersonen ...................................................................................................................................... 67 Scenario’s en sessies ........................................................................................................................... 68 Vragenlijsten Questionnaire ................................................................................................................. 69 Hypothese testen ................................................................................................................................. 70 Resultaten en analyse van de hypothesen .......................................................................................... 71 Hypothese 1 ......................................................................................................................................... 72 Hypothese 2 ......................................................................................................................................... 73 Conclusies en aanbevelingen .............................................................................................................. 74 Literatuur, bronnen ............................................................................................................................... 75

7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4

Gebruikersacceptatie ......................................................................................................................... 78 Gebruikersacceptatie regelingen .......................................................................................................... 78 Vragenlijsten ......................................................................................................................................... 78 Response ............................................................................................................................................. 79 Tevredenheid met de werkplek, het binnenklimaat en de gevel .......................................................... 79 Conclusies enquête perceptieonderzoek ............................................................................................. 80 Marktbehoefte en acceptatie ................................................................................................................ 81 Productiviteits- en ziekteverzuimeffecten ............................................................................................. 82 Invloed van temperatuur op productiviteit ............................................................................................ 82 Invloed van de luchtkwaliteit op de productiviteit ................................................................................. 82 Invloed op leesprestaties in scholen .................................................................................................... 82 Literatuur, bronnen ............................................................................................................................... 83

8 8.1 8.2 8.3 8.4

State of the Art .................................................................................................................................... 87 Inventarisatie materialen en gevelsystemen ........................................................................................ 87 Geavanceerde gevels in Nederland ..................................................................................................... 87 Conclusies ............................................................................................................................................ 88 Literatuur, bronnen ............................................................................................................................... 89

9 9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.4

Ontwikkelde FACET gebouwschilconcepten .................................................................................. 90 Opstellen gebouwschilspecificaties aan de hand van de inverse simulatieresultaten ......................... 90 Inventarisatie relevante beschikbare en nieuwe technologische ontwikkelingen ................................ 93 FACET Concepten ............................................................................................................................... 96 Brainstorm ............................................................................................................................................ 96 Concept 1: Coulissen façade ............................................................................................................... 97 Concept 2: Pixel façade ....................................................................................................................... 98 Concept 3: Goed geregeld! .................................................................................................................. 99 Concept 4: Kame(e)leon Façade ....................................................................................................... 100 Resultaten energieprestatie van concepten 1 t/m3 ............................................................................ 101


5 / 106

9.5

Conclusies .......................................................................................................................................... 102

10

Conclusies en aanbevelingen ......................................................................................................... 103

Bijlage 1 Overzicht rapporten, publicaties, kennisverspreiding .................................................................. 104


6 / 106

Samenvatting Achtergrond De gebouwschil zoals die traditioneel wordt ontworpen en geproduceerd, is in hoofdzaak een statisch systeem. Kenmerken als thermische massa, isolatiegraad en de verhouding 'open' en 'dichte' delen zijn het hele jaar door praktisch gelijk. Zon- en lichttoetreding kunnen veelal slechts met handgeregelde (binnen)zonwering, gereguleerd worden. Dit leidt niet tot een systeem dat op het gebied van energiebesparing en comfort optimaal presteert omdat veelal niet adequaat en tijdig op wisselende binnen- en buitencondities kan worden gereageerd. Een dergelijke statische schil is eveneens niet ingesteld op veranderende eisen in de toekomst vanuit klimatologisch perspectief of verandering van functie gedurende de levensloop van een gebouw. Dit leidt tot onnodig frequente gevelrenovatie en een groot beslag op materialen en energiegebruik.

Probleemstelling De hypothese van het FACET project luidt dat in gebouwen, die zijn voorzien van een gebouwschil met klimaat gestuurde, thermische en licht technische eigenschappen, het energiegebruik beduidend lager zal zijn terwijl aan de reguliere of zelfs hogere comforteisen wordt voldaan. Een economische en ecologisch voordeel is daarbij te behalen doordat de schil door zijn adaptieve karakter toekomstbestendig is t.a.v. veranderingen in buitencondities en veranderingen in gebruiksfunctie. In dit project is de vraag gesteld wat de ideaal gewenste, dynamische eigenschappen van de gevel moeten zijn als het gewenste binnenklimaat zo goed mogelijk dient te worden benaderd met de variabele, adaptieve eigenschappen van de gevel? Vervolgens wordt onderzocht op welke wijze dit 'ideale' gedrag met huidige of toekomstige materialen en/of technologieën benaderd zou kunnen worden. Dit geeft aan welke oplossingsrichtingen mogelijk zijn met huidige materialen en technologieën en ook welke ontwikkelingen nog wenselijk zijn. Ten slotte is in dit project de vraag beantwoord hoe de ontwikkelde gevelconcepten presteren op energiegebruik en comfort.

Doelstelling Het hoofddoel van het FACET project is: 1) Inzicht geven in de ideaal gewenste dynamische gebouwschileigenschappen voor het optimaal regelen van visueel en thermisch comfort en luchtkwaliteit. Dit vereist de ontwikkeling van een ‘inverse aanpak’ voor het uitvoeren van simulaties. 2) Integrale adaptieve gebouwschil concepten te ontwikkelen voor kantoren, scholen en woningen. Met de ontwikkelde inverse simulatiemethodiek zijn de ideale FACET gebouwschil ‘bouwstenen’ inzichtelijk gemaakt en kunnen vervolgens gebouwschilconcepten worden ontwikkeld en gemodelleerd met o.a. variabele, thermische en lichtdoorlatende eigenschappen. De FACET gebouwschil kan zich op ideale wijze aanpassen aan veranderende binnen- en buitencondities en aan verschillende gebruiksfuncties (kantoren, scholen en woningen). Met de concepten wordt beoogd een substantiële reductie van het energiegebruik voor verwarmen, koelen, luchtverversing en verlichting te realiseren. Daarbij wordt naar een optimale visuele en thermische kwaliteit in de achterliggende ruimte gestreefd.

Inhoudelijke aanpak Het onderzoek is uitgevoerd in een viertal fasen: Fase 1 - Definiëren van scenario's voor binnen- en buitenmilieu Fase 2 - Vaststellen optimaal fysisch gebouwschilgedrag en theoretisch besparingspotentieel Fase 3 - Ontwikkelen gebouw(schil)concepten en specificaties materialen en technologieën


7 / 106

Fase 4 - Beoordelen en evalueren gebouwschil concepten Er is ten opzichte van gangbare ontwerpen simulatiemethodiek uitgegaan van een fundamenteel nieuwe aanpak van het probleem, de zogenaamde 'inverse benadering'. Hiermee wordt bedoeld dat door middel van te ontwikkelen simulatiemodellen afgeleid kan worden wat, gedurende de loop van het jaar, de (variabele) eigenschappen van de gebouwschil idealiter zijn, gegeven de gewenste eisen aan het binnenklimaat en gegeven het (wisselende) buitencondities. In fase 1 is op basis van binnenmilieuscenario's (comfortgrenzen) en scenario's voor buitenmilieu (klimaat) de vraag en het aanbod gedefinieerd. In Fase 2 is het optimaal theoretisch fysisch gedrag van de gevel bepaald met behulp van (inverse) simulaties. In de derde fase zijn innovatieve gebouwschilconcepten ontwikkeld die in fase 4 zijn gesimuleerd (thermisch en licht). De ontwikkelde concepten worden ten slotte beoordeeld op reductie van het energiegebruik en op comfortverbetering. De gebruikersacceptatie voor veranderingen in de gevel (met name door bewegende zonwering) is bepaald in een experimentele mock-up met behulp van enkele proefpersonen.

Resultaten Programma van Eisen Er is een programma van eisen geformuleerd voor visuele en thermische behaaglijkheid. Er is daarbij inzicht verkregen in regelstrategieën en gewenste gebruikersinvloeden op de aansturing van adaptieve geveldelen. Zie FACET publicaties betreffende WP1 PvE voor meer informatie. Inverse simulaties De mogelijkheden en beperkingen voor simulatie van adaptieve gebouwdelen in gebouwsimulatietools zijn in dit project in kaart gebracht. Hierbij zijn twee strategieën uitgewerkt voor het uitvoeren van een inverse aanpak in bestaande simulatietools. Er zijn twee complementaire simulatiemethoden ontwikkeld: 1) Multi-objective optimization 2) Sequentiële aanpak Bij de eerste methode is een “Toolchain” ontwikkeld voor het gekoppeld simuleren en optimaliseren van zowel visueel als thermisch comfort met open-source programma’s. De koppeling van ESP-r met BCVTB voor meer vrijheid van simuleren geavanceerde regelstrategieën in algemene zin is beschikbaar gemaakt. Er is een superpositieaanpak in Radiance gemaakt voor het snel doorrekenen van verschillende gevelvarianten. Door de lange rekentijd zijn jaarberekeningen hierbij echter nog niet mogelijk. Bij de tweede methode is er eveneens een koppeling gemaakt tussen lichtsimulatie en thermische simulaties maar dit gebeurt sequentieel. Deze Radiance-TRNSYS koppeling met regeling van de gevel op basis van energiebalans geeft uitstekende resultaten. Het theoretische energiebesparingspotentieel van FACET in verschillende toepassingsgebieden (kantoren, appartementen en scholen) is zeer groot. Voor alle toepassingen kan circa 90% bespaard worden op verwarming, koeling en verlichting. Zie FACET publicatie WP2.1 Thermal simulations voor meer informatie.


8 / 106

Gebruikersacceptatie Een onderzoek naar de acceptatie van adaptieve gevels in de praktijk laat hier (indicatief) zien dat bewegingen in de gevel niet als hinderlijk hoeven worden ervaren. Op basis van een gebruikersonderzoek is inzicht in gebruikersacceptatie en factoren van ergernis voor geautomatiseerde regelingen verkregen en is een overzicht gegeven van de aspecten die van belang zijn voor ervaring en beleving van een regelbare, dynamische gebouwschil. Naast de praktijktoets is een kwalitatieve en kwantitatieve benadering gegeven van de invloed van deze factoren op productiviteit, gezondheid en leerprestaties (deelrapport WP4.3 ‘Productiviteitsen ziekteverzuimeffecten’). Tevens is onderzoek verricht naar de perceptie en acceptatie van verschillende soorten gevelsystemen in kantoorgebouwen. Zie WP 4.2 ‘Gebruikersacceptatie regelingen’. Op basis van interviews is een inventarisatie van proces gerelateerde aspecten en randvoorwaarden voor opname van FACET in de bouwsector opgesteld (zie deelrapport WP4.4 voor meer informatie) State of the Art Startpunt is geweest een analyse van projecten waar Nederlandse gevelbouwers en ingenieursbureaus het meest trots op zijn. Toekomstgerichte inventarisatie van materialen en technieken dienden als input voor verdere ontwikkeling van adaptieve gevelconcepten. Zie FACET publicaties deelrapport WP5.2 ‘Inventarisatie technologische ontwikkelingen’ voor meer informatie. FACET concepten Er zijn vier proof-of-principle FACET concepten uitgewerkt en gesimuleerd. De resultaten laten zien dat de FACET concepten een besparing van circa 80% ten opzichte van de referentie nieuwbouwsituaties. Dit is weliswaar minder dan de theoretisch ‘ideaal adaptieve’ FACET gebouwschil maar door een relatief goede regelbaarheid voor de variabele geveleigenschappen voor daglichttoetreding, zonwering, isolatie en ventilatie presteren de concepten met circa 80% besparing uitstekend. Rapporten, publicaties Naast deze samenvattende eindrapportage zijn verschillende deelrapportages van de verschillende werkpakketten/taken beschikbaar. Er zijn vier gepubliceerde journal artikelen en zes artikelen in vaktijdschriften verschenen en meer dan acht paperpresentaties op internationale conferenties gehouden. Zie bijlage 1 voor het volledige overzicht van de rapporten en publicaties. De publicaties zijn te downloaden via de FACET projectwebsite www.eosfacet.nl


9 / 106

1 Inleiding 1.1

Achtergrond

De gebouwschil speelt een zeer belangrijke rol in de afstemming van de (gewenste) binnencondities met de aanwezige buitencondities. De gebouwschil, primair de gevel maar ook het dak, heeft vele verschillende functies, gerelateerd aan licht, warmte, geluid, wind en water, veiligheid en verse lucht. Een gevel zoals die traditioneel wordt ontworpen en gemaakt, is in hoofdzaak een statisch systeem waarbij thermische massa, isolatiegraad en de verhouding 'open' en 'dichte' delen het hele jaar door gelijk is. De zon-, lucht- en lichttoetreding, kan vaak slechts op beperkte wijze vaak met handgeregelde (binnen) zonwering, of handbediende ramen of roosters gereguleerd kan worden. Het werken met materialen met vaste eigenschappen, vaste open-dicht verhoudingen en matig regelbare systemen resulteert in het beste geval in een redelijk compromis voor een geheel jaar. Het belangrijkste vernieuwende kenmerk van dit onderzoek is dat het is gebaseerd op een ‘inverse benadering’. Uitgangspunt bij de inverse aanpak is een, in eerste instantie, veronderstelling van de gebouwschil als een 'black box' met nagenoeg volledig variabele eigenschappen voor de mate waarin de gebouwschil o.a. licht, lucht, warmte en straling weert, filtert, tempert, opslaat of doorlaat. Deze 'ideale schil' wordt als een black box middels dynamische simulatieprogramma's gesimuleerd. Als resultaat wordt het ideaal gewenste dynamisch bouwfysisch gedrag van de gevel bepaald waarbij op iedere tijdschaal de gewenste vraag (binnenmilieu) zo goed mogelijk met het op dat moment aanwezige aanbod (gegeven buitencondities) is afgestemd. De inverse benadering behelst daarbij zowel een van 'buiten-naar-binnen' als een van 'binnen-naar-buiten' benadering voor de energiestromen en aspecten voor welbevinden. Vanuit deze vraag- en aanbod gestuurde benadering zijn de volgende onderzoeksvragen afgeleid: 1) Wat is het gewenste binnenmilieu t.a.v. thermisch comfort, verlichting, luchtkwaliteit en uitzicht voor de gangbare activiteiten in de drie gebouwfuncties kantoren, scholen en woningen? 2) Welke variabele fysische gebouwschil eigenschappen/prestaties zijn idealiter gewenst, binnen de gestelde fysische grenzen en bij verschillende oriëntaties? 3) Wat is het maximale energiebesparingspotentieel t.o.v. de te definiëren referentiesituatie? 4) Hoe kunnen de eisen en wensen die gesteld zijn aan het comfort bij verschillende gebruikscondities vertaald worden in ontwerpspecificaties voor de materialen en/of prestaties van constructies, installaties en regelingen voor de gebouwschil? 5) Welke concepten voor de gebouwschil kunnen voor de verschillende toepassingsgebieden worden opgesteld? 6) Wat is de te verwachten energiebesparing en comfortverbetering van de ontwikkelde innovatieve gebouwschilconcepten? 1.2

Doelstelling

De doelstellingen van het FACET project zijn: 3) Inzicht geven in de ideaal gewenste dynamische gebouwschileigenschappen voor het optimaal regelen van visueel en thermisch comfort en luchtkwaliteit. Dit vereist de ontwikkeling van een ‘inverse aanpak’ voor het uitvoeren van simulaties. 4) Ontwikkeling van integrale gebouwschil concepten voor kantoren, scholen en woningen Met de ontwikkelde inverse simulatiemethodiek zijn de ideale FACET gebouwschil ‘bouwstenen’ inzichtelijk gemaakt en kunnen vervolgens gebouwschilconcepten worden ontwikkeld met o.a. variabele, thermische en lichtdoorlatende eigenschappen.


10 / 106

De FACET gebouwschil dient zich aan te kunnen passen aan veranderende binnen- en buitencondities en voor verschillende gebruiksfuncties (kantoren, scholen en woningen) geschikt te zijn. Met de concepten wordt beoogd een verbetering van de visuele en thermische kwaliteit in de achterliggende ruimte te verkrijgen en tegelijkertijd een substantiële reductie van het energiegebruik voor verwarmen, koelen, luchtverversing en verlichting te realiseren.


11 / 106

2 Werkwijze 2.1

Fasering

Het onderzoek is uitgevoerd in een viertal fasen waarin de twee hoofdonderzoekslijnen 'warmte' en 'licht' in de verschillende werkpakketten zijn geadresseerd (zie onderstaand schema in Figuur 1): Fase 1 - Definiëren van scenario's voor binnen- en buitenmilieu Fase 2 - Vaststellen optimaal fysisch gebouwschilgedrag en theoretisch besparingspotentieel Fase 3 - Ontwikkelen gebouw(schil)concepten en specificaties materialen en technologieën Fase 4 - Beoordelen en evalueren gebouwschil concepten In fase 1 wordt, uitgaande van de huidige inzichten, de vraag en het aanbod van respectievelijk gewenst binnenmilieu (comfortgrenzen) en gegeven buitenmilieu (klimaatjaar) vastgesteld. Vervolgens wordt in Fase 2 door middel van een inverse aanpak het optimaal fysisch gedrag vastgesteld. Bij deze inverse benadering staat niet de vraag 'Wat doet de schil bij verschillende ontwerpconfiguraties?' maar 'Welke dynamische eigenschappen zou de schil idealiter moeten hebben om optimaal te presteren?' centraal. WP 1 Programma van eisen en wensen WP 1.1 Warmte

Fase 1 - Definiëren

WP 1.2 Licht (TNO)

vraag en aanbod van

WP 1.3 Regelingen

binnen-

WP 1.4 Buitenklimaat

WARMTE

WP 7

WP 4

coördinatie & disseminatie

LICHT

Gebruikers-

------------------

WP 3 Licht WP 2 Inverse Simulaties WP 2.1 Warmte

Project-

WP2.2

Fase 2 - Bepalen van gewenste

Licht

WP 2.3 Warmte+ Licht (integraal)

aspecten en markt-

en

buitenmilieu

WARMTE + LICHT

Panel test

prestaties

en eigenschappen

welbevinden &

-------------------

visuele

behoefte

prestaties

Fase 3 - Opstellen

WP 5 Conceptontwikkeling

Integrale

- Inventarisatie van technologieën

gebouw(schil)

- Ontwikkeling van innovatieve concepten

concepten

FACET

-------------------

WP 6 Beoordeling & evaluatie - Proof of Principle (testen en simulaties) - Evaluatie

Figuur 1.

Fase 4 - Beoordelen en evalueren gebouwschil concepten

Schema van de fasering van het project (rechts) en de indeling in werkpakketten

Met behulp van dynamische simulaties worden de idealiter gewenste prestaties en eigenschappen van de gebouwschil bepaald. In de derde fase worden aan de hand van specificaties en prestatieeisen innovatieve gebouw(schil)concepten opgesteld. Hierbij wordt gekeken naar momenteel beschikbare materialen en worden ook gewenste specificaties van verder te ontwikkelen materialen


12 / 106

en of technologieën gegeven. In de laatste fase (Fase 4) worden de gegenereerde concepten geëvalueerd op de prestaties voor energiegebruik en comfortaspecten door middel van respectievelijk gebouwsimulaties (thermisch) en beperkt gebruikersonderzoek met eindgebruikers (licht).

2.2

Structuur en verdeling in werkpakketten

Het project is in de volgende werkpakketten (met de bijbehorende WP-leiders) ingedeeld: WP 1 Programma van Eisen en wensen [CHRI] WP 2 Inverse aanpak gebouwschil [TU/e] WP 3 Verlichting: experimenteel onderzoek [TNO] WP 4 Gebruikersaspecten [TUD] WP 5 Ontwikkelen integrale gebouwschilconcepten [TNO] WP 6 Beoordeling en evaluatie [TNO] WP 7 Project management [TNO] In Figuur 1 is te zien hoe de werkpakketten over de fasen zijn verdeeld. De thema's die in het project worden onderzocht, met daarbij vermeld de partner(s) wiens expertise hier hoofdzakelijk aan bijdraagt: warmte (TNO en TU/e), verlichting (TNO en TU/e), simulatie (TU/e), regelingen (CHRI) en gebruikersacceptatie & markt (TUD). De thema's ‘warmte’ en ‘licht’ zijn de hoofdpijlers van het technisch wetenschappelijk onderzoek. Naast deze hoofdthema’s zijn de onderwerpen 'regelingen' en 'gebruikersacceptatie' aspecten die in de werkpakketten worden onderzocht. In fase 1 en 2 zijn de thema's 'Warmte' en 'Licht' in eerste instantie separaat beschouwd om zodoende de optimale scenario's voor thermisch comfort respectievelijk daglichtbenutting te genereren. Vervolgens is via een integrale aanpak een geoptimaliseerd scenario voor de combinatie van warmte en licht opgesteld. In fase 3 is bekeken hoe deze theoretisch ideale gewenste eigenschappen in een optimaal presterend gebouwschilconcept konden worden vertaald. In de afsluitende fase zijn de opgestelde, integrale concepten gesimuleerd op energieprestatie en comfort. Na evaluatie volgden hieruit de meest kansrijke concepten om verder te worden onderzocht en uitgewerkt voor toekomstige middellange (5-10 jaar) termijn markttoepassing.

2.3

Leeswijzer

Het programma van eisen en wensen (WP1) wordt gerapporteerd in Hoofdstuk 3. Van dit PvE zijn 4 deelrapporten beschikbaar waarvan de resultaten zijn samengevat in H3 van deze eindrapportage. De inverse simulaties uit werkpakket WP2 worden in hoofdstuk 4 beschreven. Van WP 2.1 Thermal simulations is een Engelstalig deelrapport beschikbaar en is in paragraaf 4.4 een samenvatting in het Nederlands gemaakt. WP 2.2 ‘Licht’ is in de eindrapportage in paragraaf 4.4.1 gerapporteerd. De integrale aanpak (WP2.3) is in de eindrapportage in paragraaf 4.3, gerapporteerd. Dit betreft zowel Methode 1: ‘Multi objective optimisation’ als Methode 2: ‘Sequentiële benadering’. Voor verschillende toepassingsgebieden zoals kantoren, appartementen en scholen, zijn de FACET varianten gesimuleerd en is het energiebesparingspotentieel bepaald door een vergelijking met de referentie (nieuwbouw) situatie. De resultaten zijn in hoofdstuk 5 beschreven. Het gebruikersonderzoek dat is uitgevoerd om meer inzicht te krijgen in aspecten die een rol spelen bij de gebruikersacceptatie is in de eindrapportage in H6 gerapporteerd. De diverse gebruikersaspecten uit WP 4 zijn in 4 deelrapporten WP4.1 t/m 4.4 gerapporteerd. Een samenvatting van deze deelrapporten is in hoofdstuk 7 van de eindrapportage gegeven.


13 / 106

In hoofdstuk 8 wordt een overzicht gegeven van mogelijke gevelmaterialen en systemen, met de bouwfysische parameters welke de prestatie van het materiaal bepalen. Daarnaast is een inventarisatie gemaakt van in Nederland toegepaste geavanceerde gevels. De opgestelde FACET concepten uit WP 5 zijn in de eindrapportage in H9 (9.1- 9.3) gerapporteerd. De prestaties op energiebesparing en comfort van deze concepten (WP6) zijn in de eindrapportage eveneens in Hoofdstuk 9 (paragraaf 9.4) gerapporteerd. Tot slot worden in hoofdstuk 10 de conclusies en aanbevelingen gegeven.


14 / 106

3 Programma van eisen en wensen In dit hoofdstuk worden de eisen en wensen gegeven voor het thermisch en visueel comfort alsmede de eisen en wensen voor ventilatielucht. De hier gedefinieerde eisen en wensen dienen als uitgangspunt voor de simulaties naar de ‘ideaal’ gewenste gebouwschileigenschappen. Verder wordt er een regelstrategie gegeven voor FACET, gebaseerd op een optimalisatie procedure welke resulteert in een set variabele gevelparameters die leiden tot een zeer goed comfort en een zo laag mogelijk energieverbruik. 3.1

Thermische eisen en wensen

De thermische eisen en wensen voor FACET zijn samengevat in onderstaande tabel: Tabel 1. Overzicht eisen en wensen thermisch comfort

• • • • • •

Per maximaal 4 werkplekken 1 bedienbare regelmogelijkheid (± 2,5C t.o.v. berekende comforttemperatuur). Met deze regelmogelijkheid kan de temperatuur voldoende merkbaar en snel veranderd worden (feedback). De variatie in operatieve temperatuur maximaal 3K binnen 1 dag. De gemiddelde operatieve temperatuur tussen twee opeenvolgende dagen verschilt maximaal 1K, en 3K over een week. De luchtsnelheid als gevolg van mechanische ventilatie max 0,11 en 0,15 m/s bij een luchttemperatuur van respectievelijk 20 en 24C en een turbulentie intensiteit van 40%. Regelbaar, te openen geveldeel en tochtvrij.

3.1.1 Comforttemperatuur De operatieve temperatuur ligt binnen de aangegeven bandbreedte van Figuur 2. De bandbreedte mag maximaal 5% van de tijd worden overschreden, omdat deze incidentele overschrijdingen, als gevolg van toevallige combinaties van factoren, niet of nauwelijks door de gebruikers zullen worden opgemerkt.

Figuur 2.

Bandbreedte voor de operatieve binnentemperatuur, afhankelijk van de gewogen gemiddelde etmaalbuitentemperatuur (trm).


15 / 106

3.1.2 Free Running modus: Het klimaatsysteem (gebouw en installaties) dient over een zo groot mogelijk gebied van de ‘running mean outdoor temperature’ (trm) free running te zijn, dat wil zeggen dat er zo min mogelijk actieve verwarming of koeling wordt toegepast. Om dat mogelijk te maken wordt in onderstaande stappen het gebouwontwerp bouwfysisch geoptimaliseerd: 1. Het door de schil toelaten van zoveel mogelijk gewenste zoninstraling, koude en warmte en het weren van zoveel mogelijk ongewenste zoninstraling, koude en warmte. Hierbij wordt gebruik gemaakt van thermisch actieve massa (opslag/vertraagde afgifte). 2. Het ondersteunen van passieve klimaatbeheersing met regelbare (bij voorkeur door de gebruiker) te openen ramen, nachtventilatie, dwarsventilatie en zonwering. 3. Verder ondersteunen van passieve klimaatbeheersing bijvoorbeeld een actieve gevel, Phase Change Materials, betonkernactivering of variabele isolatie. In de gebruiksfase worden de maatregelen bij voorkeur in de volgende volgorde toegepast. a. Wanneer bij een lage gemiddelde etmaal buitentemperatuur (trm) de comfortgrenzen worden onderschreden, wordt verwarmingsvermogen aangewend. b. Wanneer bij een hoge trm de comfortgrenzen worden overschreden, wordt eerst door middel van het verhogen van de luchtsnelheid de comfortgrens verhoogd, conform figuur 2 (door middel van door bewoners te bedienen open ramen, ventilatoren of andere middelen waarmee de luchtsnelheid kan worden verhoogd). c. Wanneer bij een hoge trm de comfortgrenzen worden overschreden en het toepassen van een verhoogde luchtsnelheid onvoldoende effect heeft, of niet mogelijk is, wordt actief koelvermogen aangewend.

3.2

Eisen en wensen daglicht en visueel comfort

De eisen en wensen ten aanzien van visueel comfort voor FACET zijn samengevat in onderstaande tabel: Tabel 2. Overzicht eisen en wensen visueel comfort

Minimale verticale verlichtingssterkte Minimale horizontale verlichtingssterkte Absolute verlichtingssterkte werkblad

Uniformiteit verlichtingssterkte op het werkblad Maximale luminantieverhouding taak: directe omgeving: periferie: buiten Verblinding

Kwaliteit uitzicht

1000 lux 200 lux Kantoren > 500 lux Klaslokalen > 300 lux (Daarnaast eventueel de absolute verticale verlichtingssterkte op het oog >1000 lux) Emin/Emax > 0.7 1:3:10:30 DGP < 0.35 (gedurende 95% van de werktijd) Gemiddelde DGP < 0.38 (gedurende overige 5% van de werktijd) Uitzicht op (een deel van) de hemelkoepel, verder weg gelegen objecten en de grond Aanwezigheid van groen (planten, bomen etc.)


16 / 106

3.2.1 Bouwbesluit 2003 Het Bouwbesluit 2003 stelt eisen aan het minimaal equivalent daglichtoppervlakte voor gebruiksruimten. Het geeft de minimale oppervlakte in de gevel aan waardoor daglicht binnentreedt in een ruimte. De equivalente daglichtoppervlakte moet worden bepaald volgens de Nederlandse norm NEN 2057. De eis die aan de equivalente daglichtoppervlakte wordt gesteld wordt weergegeven als percentage van het vloeroppervlak van de gebruiksruimte. In kantoren dient een totale equivalente daglichtoppervlakte aanwezig te zijn van ten minste 2,5% van het vloeroppervlak van het 1

2

verblijfsgebied, met een minimale daglichtoppervlakte van 0,5 m . Voor scholen en woningen zijn de minimale percentages respectievelijk 5 en 10% (zie tabel). Doordat er een tendens is dat gebouwen steeds compacter worden, er meer ondergronds wordt gebouwd en er steeds meer werkplekken aan een atrium of serre worden gerealiseerd, rijzen er nieuwe vragen over het belang van daglicht en uitzicht op de werkplek. Vaak voldoet een gebouw niet aan de daglichteis uit het Bouwbesluit, bijvoorbeeld wanneer er verblijfsruimten aan een atrium of binnenplaats worden gerealiseerd. Door een gelijkwaardigheidsbepaling moet worden aangetoond dat er toch voldoende daglicht in de ruimte binnentreedt. De vraag is aan welke criteria deze gelijkwaardigheidsbepalingen moeten voldoen. Bij het verwijderen van de uitzichteis uit het Bouwbesluit in 2003 werd verondersteld dat wanneer er aan de eis voor een minimale daglichtoppervlakte wordt voldaan, er automatisch aan de vroegere uitzichteis wordt voldaan. Gaat dit nog steeds op wanneer door middel van een gelijkwaardigheidsbepaling de hoeveelheid daglichttoetreding in een gebouw wordt goedgekeurd? In het verlengde ligt de vraag of systemen waarbij daglicht wel wordt binnengelaten, maar er geen uitzicht is (bijvoorbeeld ramen met matglas en lichtpijpen) doorzichtramen kunnen vervangen. Tabel 3. Grenswaarden minimaal daglichtoppervlakte in % en absoluut voor verschillende functies

Functie Kantoorfunctie Onderwijsfunctie Woonfunctie

% 2,5 5 10

2

m 0,5 0,5 0,5

Op basis van het literatuuronderzoek kunnen er eisen worden gesteld aan de lichtniveaus in met daglicht verlichte ruimten met verschillende functies. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen eisen voor de zichtbaarheid, het visueel comfort en verblinding. Ook dienen er eisen te worden gesteld aan het uitzicht, omdat ook de kwaliteit van het uitzicht invloed heeft op het visueel comfort. Allereerst worden er eisen gesteld aan de absolute horizontale verlichtingssterkte op het werkblad, zodat de taak goed zichtbaar is. Wanneer deze waarde niet met daglicht wordt gehaald, kan met kunstlicht de vereiste lichtsterkte worden bereikt. Voor kantoren is de minimale verlichtingssterkte 500 lux. Volgens de Nederlandse regelgeving kan voor klaslokalen worden volstaan met 300 lux op het werkblad, hoewel soms hogere verlichtingssterkte wenselijk kan zijn. Wanneer de ontwerper zich daarnaast tot doel stelt verlichting te ontwerpen die de biologische klok stimuleert, zou hij of zij ook eisen aan de verticale verlichtingssterkte op het oog moeten stellen. Uit de literatuur tot nu toe kan worden aangenomen dat een minimale verticale verlichtingssterkte van 1000 lux voldoende is. Bij een traditioneel gebouwontwerp is de daglichtfactor een geschikte maat om de daglichttoetreding mee uit te drukken, omdat het een constante waarde is voor het gehele jaar. Bij een gebouw met een klimaat adaptieve gevel zal de grootte van de daglichtopening van tijd tot tijd variëren en de daglichtfactor daarom ook. In dat geval is de daglichtfactor (evenals DA en UDI) geen geschikte maat. Voor het visueel comfort worden er eisen gesteld aan de uniformiteit van de verlichtingssterkte en de luminantie verhoudingen (zie tabel). Er is besloten geen eisen voor de absolute luminanties in het programma van eisen op te nemen, omdat het erg context afhankelijk is wat (on)acceptabele waarden zijn. De kans op verblinding kan worden uitgerekend met de recent ontwikkelde DGP (Wienold & Christoffersen, 2006; Wienold, 2009). Wanneer er gestreefd wordt naar de beste comfort klasse, is de maximale DGP gedurende 95% van de kantoorwerktijd 0.35. De gemiddelde DGP over


17 / 106

de overige 5% van de werktijd is 0.38. De DGP is uitsluitend getest in kantoorsituaties en niet in scholen, dus de toepasbaarheid van de methode voor scholen moet nog nader worden onderzocht. Bij het bepalen van de uitzichtkwaliteit kan de driedeling van Markus (1967) als uitgangspunt worden genomen. Het uitzicht door een raam is pas compleet als van iedere niveau een deel zichtbaar is; de hemel, de grond en verder weg gelegen elementen. Daarnaast is het belangrijk dat er groenelementen in het uitzicht aanwezig zijn.

3.3

Ventilatie eisen en wensen

De eisen en wensen ten aanzien van ventilatie voor FACET zijn samengevat in deze paragraaf. Er dient voldoende ventilatie met verse buitenlucht te zijn, hetzij door mechanische ventilatie, hetzij door hybride en/of natuurlijke ventilatie. 3.3.1

• • • •

Mechanische ventilatie Mechanische ventilatie begint één uur vóór werktijd en eindigt één uur na werktijd. 3

Indien werknemers aanwezig zijn bedraagt deze 40 m /uur*persoon.

3

2

Indien in de ruimte geen werknemers aanwezig zijn, bedraagt deze 2,5 m /uur*m vloeroppervlak. Indien de ventilatie-effectiviteit (ε ) lager is dan 1, moet de benodigde ventilatiehoeveelheid v

vermenigvuldigd worden met 1/ ε . v

3

Uit laboratoriumonderzoek blijkt dat een ventilatie van 36 m verse lucht per uur per persoon het aantal ontevredenen 15% is, in een situatie waar personen de enige vervuilingsbron zijn. In de praktijk kan het aantal ontevredenen lager zijn omdat bij luchtvervuiling afkomstig van personen er een zekere mate van adaptatie plaatsvindt. Omdat er in de praktijk meestal meer vervuilingsbronnen zijn, is een zekere veiligheidsmarge gewenst. 3

Uit veldonderzoeken in kantoren blijkt dat bij een ventilatie lager dan 36 m verse lucht per uur per persoon duidelijk meer klachten voorkomen dan bij een hogere ventilatie. In deze grens zit een spreiding, dus ook hier is een zekere veiligheidsmarge gewenst. Om deze veiligheidsmarge te scheppen, is een voorkeurswaarde van 40 m verse lucht per uur per persoon gekozen. Dit veronderstelt dat zoveel mogelijk wordt voldaan aan de hieronder beschreven adviezen voor bronaanpak in het gebouw en in de installaties. Deze waarde wordt ook gehanteerd door de Rijksgebouwendienst, en komt bij gebruikelijke ruimteafmetingen overeen met 2-voudige ventilatie.De waarden bij afwezigheid van personen, maar tijdens gebruikstijd, komen, op een kleine afronding na, overeen met de waarden in NEN 15251 voor ‘low polluting’ buildings. 3

3.3.2

Hybride of natuurlijke ventilatie:

Gedurende verblijfstijd is er een ventilatie mogelijk (afhankelijk van de stand van de te openen ramen) van minimaal 30 m verse lucht per uur per persoon, mits: 3

• • • •

geen vervuilingsbronnen (bevochtiging, koeling, warmtewiel, recirculatie etc.) in het ventilatiesysteem; minimalisering van vervuilingsbronnen (inrichtingsmaterialen, kantoorapparatuur) in de werkruimten; rookvrije werkruimten; de luchttemperatuur in het stookseizoen maximaal 21°C is.


18 / 106

Uit laboratorium- en veldonderzoek blijkt dat wanneer de vervuilingsbronnen minimaal zijn en de enthalpie (warmte-inhoud) van de lucht laag wordt gehouden, met een lagere ventilatie dezelfde luchtkwaliteit gerealiseerd kan worden (Fang et al, 2004). De eis aan de luchttemperatuur impliceert een keuze voor stralingsverwarming. Vergaderruimten hebben 4-voudige ventilatie met verse lucht. Eventuele behoefte-afhankelijke ventilatie wordt gerealiseerd door aanwezigheidsmeting, niet door CO -meting. In het geval van behoefte-afhankelijke ventilatie is er vanaf 1 uur vóór openingstijd tot einde openingstijd minimaal 2-voudige ventilatie met verse lucht. 2

Het ventilatiehoeveelheid is aangepast aan de gemiddeld hogere bezetting dan in kantoorruimten. Bij behoefte-afhankelijke ventilatie op basis van CO -meting loopt de ventilatie achter op de behoefte. Minimaal 2-voudige ventilatie is nodig om bij aanvang van vergaderingen voldoende luchtkwaliteit te waarborgen. Rookruimten voldaan aan het volgende: 2

• • • • • •

6-voudige mechanische afzuiging; afsluitbare deur; luchttoevoer via voldoende brede spleet onder de deur; te openen ramen; zo weinig mogelijk textiele materialen; de locaties en de omvang zijn afgestemd op het gebouw en de kenmerken van de gebruikers

Verhoogde luchtsnelheden bij Top > 25°C Wanneer de Top > 25°C kan door het verhogen van de luchtsnelheid de bovengrens van het comfortgebied enkele graden worden verhoogd conform onderstaande grafiek. De luchtsnelheid neemt toe met een hoeveelheid die voldoende is om dezelfde warmtestroom van de huid te realiseren.

Figuur 3.

Toelaatbare verhoging van de bovengrens van het comfortgebied bij Top>25°C, afhankelijk van de luchtsnelheid.

Acceptatie van de hogere luchtsnelheden door de gebruikers vereist handmatig regelbare plafondventilatoren, tafelventilatoren, “deskjets” of andere “personal ventilation sytems”. Figuur 3 geldt voor een metabolisme van circa 1 - 1,3 Met en kleding van circa 0,5 – 0,7 clo. De waarden gelden voor omstandigheden waar de lucht- en stralingstemperatuur niet meer van circa 2°C van elkaar verschillen. Wanneer de gemiddelde stralingstemperatuur laag is en de luchttemperatuur hoog, dan is de hogere luchtsnelheid minder effectief bij het verhogen van het warmteverlies van de huid. De verhoogde luchtsnelheid wordt effectiever bij het vergroten van het warmteverlies van de huis, wanneer de gemiddelde stralingstemperatuur hoog is en de luchttemperatuur laag.


19 / 106

Voor omstandigheden met grotere verschillen tussen lucht- en stralingstemperatuur wordt verwezen naar de meer gedetailleerde methode beschreven in ASHRAE standard 55, hoofdstuk 5.2.3 (ASHRAE, 2010). Luchtsnelheid door mechanische ventilatie De luchtsnelheid mag niet meer mag bedragen dan 0,11 en 0,15 m/s bij een luchttemperatuur van respectievelijk 20 en 24°C en een turbulentie intensiteit van 40%. Luchtstroming die niet door de werknemers beïnvloed kan worden, bijvoorbeeld ten gevolge van mechanische ventilatie, hybride ventilatie en/of koudeval, kan door de combinatie van luchttemperatuur, luchtsnelheid en turbulentieintensiteit tot tocht leiden. Er is consensus dat het theoretisch percentage ontevredenen ten gevolge van tocht maximaal 10% mag bedragen (PDtocht ≤ 10%). Het gaat hier alleen om tocht als gevolg van luchtstroming die niet door de gebruiker kan worden beïnvloed, dus niet als gevolg van te openen ramen of individueel regelbare systemen. 3.4

Regeling eisen en wensen

De regelstrategie waar binnen FACET voor gekozen is, is gebaseerd op een optimalisatie procedure welke resulteert in een set gevelparameters die leiden tot een zo goed mogelijk comfort en een zo laag mogelijk energieverbruik. De verschillende kostenfuncties in deze optimalisatie representeren de verschillende comfort aspecten (thermisch, visueel, etc.) en energieverbruik. In dit programma van eisen worden niet al deze functies in detail gegeven, maar de methodiek met enkele voorbeelden van kostenfuncties wordt beschreven. Een onderlinge weging van de kostenfuncties, dat wil zeggen een onderlinge weging van de eisen t.a.v. energieverbruik en comfort) is mogelijk in deze methodiek. De gebruiker kan zijn voorkeuren t.a.v. de verschillende comfort aspecten en energieverbruik instellen. Een uitbreiding van de regeling, die is gebaseerd op een optimalisatie procedure, is goed mogelijk. Aanvullende eisen kunnen als extra kostenfuncties meegenomen worden; ook extra te regelen parameters kunnen eenvoudig toegevoegd worden. De methode blijft geheel hetzelfde, alleen zal de optimalisatie procedure meer tijd vergen. Een schematische weergave voor de regeling voor FACET wordt weergegeven in Figuur 4.

Figuur 4. Architectuur van de regeling, zie FACET rapport Wp1PvE Regelingen


20 / 106

In deze regeling dienen de actueel gemeten binnenparameters, buitenparameters en gevelparameters als input voor een berekening die het energieverbruik en comfort voorspeld. Naast actuele meting kunnen ook voorspellingen m.b.t. tot het weer en de aanwezigheid van personen meegenomen worden. Over een tijd horizon zal de optimalisatie routine bepalen voor welke waarden van de gevelparameters de kostenfunctie (een weging van energieverbruik en comfort) minimaal is. De kostenfunctie wordt verderop besproken. De optimale waarden voor de gevelparameters worden toegepast tot de volgende tijdstap. In de volgende tijdstap wordt vervolgens weer geoptimaliseerd over de tijd horizon; hierdoor verschuift de horizon (‘receding horizon control’). Als tijd horizon kan bijvoorbeeld 6 uur gebruikt worden en als tijdstap bijvoorbeeld een kwartier, maar andere waarden hiervoor zijn natuurlijk ook mogelijk. Het voordeel van een lange tijd horizon is dat de gevolgen (bijv. energieverbruik) beter in rekening worden gebracht. Het nadeel van een lange tijd horizon is de rekentijd en de onzekerheid in de modelvoorspellingen. Middels een interface kan de gebruiker het energieverbruik en de verschillende comfortaspecten monitoren en kunnen setpoints ingesteld worden. Tevens kan de gebruiker via de interface wensen t.a.v. thermisch comfort, visueel comfort, binnenluchtkwaliteit en energieverbruik instellen. De gebruikersinvloed wordt verderop besproken. Adaptatie van de regeling aan de wensen van de gebruiker is een belangrijke voorwaarde voor de acceptatie van de regeling door de gebruiker (zie ook FACET rapport Wp1PvE Regelingen. De mogelijkheid tot handmatige “overrule” van de automatische regeling is belangrijk voor de acceptatie van de regeling.

3.4.1 Kostenfuncties De kostenfuncties die in een geoptimaliseerde regeling geminimaliseerd dienen te worden, kunnen er als volgt uitzien. De kostenfunctie voor energieverbruik is:

KF1 = Everw . + Ekoel. + Everl . + Event .

Equation 3-1

De kostenfunctie voor visueel comfort bestaat uit verschillende termen: 8

KF2 = ∑ i.Pi .

Equation 3-2

i=1

De verschillende kostenfuncties Pi, die verscheidene aspecten van visueel comfort representeren, en de weegfactoren αi worden beschreven in het programma van eisen voor verlichting in WP1.2. De kostenfunctie voor thermisch comfort is: KF3 = PMV2 ,

Equation 3-3

waarbij PMV de “Predicted Mean Vote” van Fanger is. De kostenfunctie voor binnenluchtkwaliteit is gelijk aan 0 voor CO2-concentraties lager dan 800 ppm; voor CO 2-concentratie hoger dan 800 ppm is de kostenfunctie:

KF 4  CO2  800 ,

Equation 3-4


21 / 106

waarbij CO2 de CO2-concentratie in ppm is.

3.4.2 Gebruikersinvloed In de FACET regeling representeren de kostenfuncties en de onderlinge weging hiervan het gewenste gedrag van de regeling t.a.v. de verschillende comfortaspecten en energieverbruik. De gebruiker kan zijn wensen t.a.v. de verschillende aspecten van comfort en energieverbruik invoeren in de interface; dit kan door het toekennen van onderlinge weegfactoren aan de kostenfuncties voor de verschillende comfortaspecten en het energieverbruik. De gebruikersinvloed kan in principe voorafgaand aan of na het optimaliseren van de kostenfuncties verdisconteerd worden. Indien de gebruikersinvloed na afloop van de optimalisatie in rekening gebracht wordt, dienen de verschillende kostenfuncties, die op dat moment als gelijkwaardig beschouwd worden, simultaan geoptimaliseerd te worden (multi-objective optimization). In plaats van één set optimale gevelparameters worden dan verschillende sets met optimale gevelparameters gevonden: de nietgedomineerde oplossingen (multi-dimensionaal Pareto oppervlakte). Uit de sets van nietgedomineerde oplossingen zal dan één set geselecteerd worden op basis van de wensen van de gebruiker. Het nadeel van optimaliseren van meerdere kostenfuncties is dat de zoekruimte aanzienlijk complexer wordt, wat de optimalisatie procedure vertraagt. De gebruikersinvloed kan ook voorafgaand aan de optimalisatie in rekening gebracht worden door een expliciete onderlinge weging aan de verschillende kostenfuncties toe te kennen. Het voordeel hiervan is dat er maar één totale kostenfunctie geoptimaliseerd hoeft te worden (‘single-objective optimization’); dit vereenvoudigt en versnelt de optimalisatie procedure, omdat de zoekruimte ingeperkt wordt. Het nadeel is echter dat de gevonden oplossing alleen optimaal is voor de gekozen weegfactoren; ook is het in principe niet geheel duidelijk hoe de weegfactoren gekozen moeten worden. De totale kostenfunctie die in geval van onderlinge weging geoptimaliseerd dient te worden heeft de vorm

KF = ∑wi KFi ,

Equation 3-5

i

waarbij wi de weegfactoren zijn. Een voorbeeld voor deze weegfactoren voor verschillende regelmodes is gegeven in Tabel 4. Tabel 4. Voorbeeld van weegfactoren voor de kostenfuncties.

W1

W2

W3

W4

Energie mode

1

0

0

0

Visueel comfort mode

0

1

0

0

Thermisch comfort mode

0

0

1

0

Binnenlucht kwaliteit mode

0

0

0

1

Autonome mode

1

1

1

1

Gebruikers mode

1

0.2

0.5

0.3


22 / 106

In dit voorbeeld zal in het geval van de “energie mode” de regeling het energieverbruik minimaliseren ongeacht de consequenties voor comfort en in de “visueel comfort mode” zal de regeling het visueel comfort optimaliseren ongeacht de consequenties voor energieverbruik en thermisch comfort. De gebruiker kan in principe zelf bepalen in welke mate de verschillende aspecten van comfort en energieverbruik gewogen dienen te worden in de regeling; in de “gebruikers mode” kan de gebruiker zelf de weegfactoren invoeren. Indien er geen personen aanwezig zijn zal de regeling automatisch in de “energie mode” werken, zodat een minimaal energieverbruik gerealiseerd wordt. Indien personen het vertrek binnenkomen schakelt de regeling automatisch terug naar de door de gebruiker ingestelde mode. De regeling voor FACET heeft een aantal voordelen t.o.v. een conventionele regeling zoals eerder besproken. De regeling is gebaseerd op een optimalisatie procedure welke resulteert in een set gevelparameters die leiden tot een maximaal comfort en minimaal energieverbruik. In de regeling kunnen meerdere kostenfuncties afzonderlijk of simultaan beschouwd worden. Een onderlinge weging van de kostenfuncties (m.a.w. de eisen t.a.v. energieverbruik en comfort) is mogelijk; de voorkeur van de gebruiker t.a.v. de verschillende comfort aspecten en energieverbruik kan in deze regeling meegenomen worden. Voor deze regeling is het eenvoudig om aanvullende eisen/kostenfuncties of gevelparameters te beschouwen. De methode blijft geheel hetzelfde, alleen zal de optimalisatie procedure meer tijd vergen.

3.5 De

Klimaatgegevens prestaties

een

FACET‐gevel

worden

in

grote

mate

bepaald

door

de

optredende

weersomstandigheden rond het gebouw. Op de eerste plaats is het weer bepalend voor comfortbeleving en bijbehorende energievraag, daarnaast biedt het de randvoorwaarden waarbinnen de aanpasbaarheid van de gevel gerealiseerd en geoptimaliseerd kan worden. De buitencondities veranderen voortdurend en verschillen van plaats tot plaats. In gebouwsimulaties worden ze doorgaans gerepresenteerd door een bestand met uurlijkse waarden voor de verschillende parameters, dat meestal gebaseerd is op gemeten weergegevens. Er wordt gerekend met een referentiebestand, terwijl de condities in de praktijk daarvan kunnen afwijken. In traditionele toepassingen van gebouwsimulaties ligt de nadruk op onderlinge vergelijkingen waardoor de behoefte voor ‘absolute’ nauwkeurigheid minder relevant is. Daarnaast worden de potentiële gevolgen van verkeerde voorspellingen gecompenseerd door toepassing van overgedimensioneerde gebouwinstallaties. In adaptieve gevels daarentegen is het van belang dat de werkelijk optredende omstandigheden zo getrouw mogelijk opgenomen zijn in het simulatiemodel. Alvorens in te gaan op de keuze van het buitenklimaat wordt allereerst een aantal aandachtspunten besproken die van belang zijn in de relatie tussen buitenklimaat en adaptieve gevels.

3.5.1 Buitenklimaat in relatie tot FACET De data in klimaatfiles is verzameld in meteorologische stations, typisch in het open veld (luchthavens). Gebouwen zijn echter vaak gelegen in een stedelijke omgeving. Deze locale context creëert een microklimaat rond het gebouw met consequenties voor o.a. zoninstraling, luchttemperatuur en windsnelheid die niet vertegenwoordigd zijn in de klimaatfiles. Er bestaan drie manieren om te gaan met de gevolgen van deze discrepantie:


•

23 / 106

Het negeren van het microklimaat, zoals het geval is in de grote meerderheid van gebouwsimulatie‐studies

•

Microklimaat meenemen als bron van onzekerheid in een uncertainty‐analyse.

•

Gebruik maken van model‐gebaseerde methodes voor het modificeren van originele klimaatfiles. Op basis van (i) semi‐empirische relaties (Erell and Williamson, 2006) ,(ii) fysische ‘wijkmodellen’ (Bueno Unzeta et al., 2009) of (iii) gedetailleerde CFDstudies (Yi and Malkawi, 2008).

Een andere structurele afwijking wordt gevormd doordat de geografische locatie van het gebouw vaak ongelijk is aan die van het meetstation. Doordat weer een locatiespecifiek verschijnsel is (bijv. de kust vs. landinwaarts) dient hier rekening mee gehouden te worden bij de keuze van klimaatdata. Adaptiviteit in FACET‐gevels vindt plaats op verschillende schaalniveaus; van kortstondige fluctuaties tot aanpasbaarheid aan de beweging van seizoenen. De resolutie van de data in de weerfile dient op zijn minst kleiner dan, of gelijk te zijn aan de tijdconstante van de te onderzoeken verschijnselen. Het gebruik van standaard referentieklimaatfiles beperkt de analyse hierdoor tot uurlijkse veranderingen. Model aanpakken zoals het stochastische Skartveit‐Olseth model bieden echter een adequaat alternatief voor het verkrijgen van de gewenste korte termijn data (Walkenhorst et al. 2000). Traditionele referentieweergegevens (bijvoorbeeld De Bilt ’64‐’65) zijn gekozen om zo gemiddeld als mogelijk te zijn. Dit gemiddeld gedrag lijkt ook een goed uitgangspunt voor de optimalisatie in WP2. FACET‐gevels moeten echter ook goed blijven functioneren onder niet‐standaard en/of extreme condities. De robuustheid van de ontwikkelde concepten kan in een later stadium onderzocht worden door de prestaties te beoordelen voor extreme dagen, of bijvoorbeeld een hittegolf of lange vorstperiode. Hoewel het triviaal klinkt, is het van essentieel belang dat alle regelvariabelen van de inverse aanpak ook daadwerkelijk opgenomen zijn in de klimaatfile. Niet alle klimaatfiles voldoen echter aan deze voorwaarde. Veelvoorkomende ontbrekende variabelen zijn: neerslagdata, effectieve stralingstemperatuur (voor nachtelijke hemelstraling) en sneeuwbedekking (van belang bij daglicht). Weervoorspellingen zijn altijd onderhevig aan een bepaalde onzekerheidsmarge. Bij het voorspellen van lange termijn klimaatveranderingen is de onnauwkeurigheid mogelijk nog groter. Vanwege hun verwachte lange levensduur is het van belang te onderzoeken wat de effecten van de voorspelde klimaatverandering is op de prestaties van FACETgevels. Dit kan wederom gebeuren op basis van uncertainty analysis, of er kan gebruik gemaakt worden van het werk van Guan (2009), Struck et al. (2009), en Jentsch et al. (2008).

3.5.2 Selectie klimaatdata Het samenstellen van referentieklimaatbestanden is een omvangrijke klus die zorgvuldig dient te gebeuren. Het ligt dan ook buiten het bereik van FACET om een nieuwe methode te ontwikkelen die speciaal gericht is op de inverse aanpak en adaptieve gevels. Gelukkig bieden de recente ontwikkelingen in NEN 5060 een prima uitgangspunt voor gebruik in het FACET‐project. NEN 5060 beschrijft een statistische analyse van 20 jaar historische weergegevens (1986 t/m 2005) van het meetstation De Bilt. De statistische analyse wordt gebruikt om 12 maanden te selecteren die samen het referentiejaar vormen. Er wordt onderscheid gemaakt in vier typen referentiejaren. Het eerste referentiejaar (I) representeert een gemiddeld jaar en is bedoeld voor de berekening van de jaarlijkse energiebehoefte. De etmaalgemiddelden voor de klimaatgrootheden temperatuur, absolute luchtvochtigheid en globale zonnestraling worden bekeken. Telkens wordt de maand geselecteerd die het beste het gemiddelde over de periode benadert. De overige drie referentiejaren (II, III en IV) bevatten meer extreme waarden en zijn onder andere bedoeld voor het beoordelen van comfort. Net


24 / 106

als in ISO 15927 wordt er een frequentieverdeling opgesteld van vijfdaagse gemiddelde temperaturen. Op basis daarvan worden de maanden gekozen, behorende bij de 5%, 2% resp. 1% overschrijdingskans voor het koelseizoen (april t/m oktober) of onderscheidingskans voor het stookseizoen (november t/m maart). De geselecteerde maanden worden samengevoegd tot het referentiejaar met resp. 5%, 2% of 1% over‐/ onderschrijdingskans (Evers 2009). Het type I referentiejaar is het meest geschikt voor de optimalisatie tijdens de inverse aanpak. Voor de daaropvolgende beoordeling van (comfort)prestaties is een meer extreem buitenklimaat gewenst; voor dit doel kan gebruik gemaakt worden van de types II, III en IV. Het variabele aanbod van daglicht heeft een hogere resolutie dan de uurlijkse waarden in NEN 5060. Representatieve waarden voor korte termijn (tot 1 minuut) zoninstraling kunnen relatief eenvoudig verkregen worden op basis van bijvoorbeeld het stochastische Skartveit‐Olseth model. 3.6

Conclusies

Er is in dit hoofdstuk een overzicht gegeven van de state-of-the art en de eisen en wensen voor FACET ten aanzien van der thermische behaaglijkheidscriteria, ideale daglichtcondities, ventilatie binnenlucht en regelstrategieën en gewenste gebruikersinvloeden op de aansturing van adaptieve geveldelen. Tevens zijn aandachtspunten gegeven voor klimaatgegevens specifiek geldend voor het simuleren van gebouwen met adaptieve gevels. 3.7

Literatuur, bronnen

Thermisch comfort NEN-EN 15251, Binnenmilieugerelateerde input parameters voor ontwerp en beoordeling van energieprestatie van gebouwen voor de kwaliteit van binnenlucht, het thermisch comfort, de verlichting en akoestiek, NEN 2007. ASHRAE standard 55-2010, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, AHSRAE, 2010, ANSI 1041-2336. Thermische “Behaaglijkheid; eisen voor de binnentemperatuur in gebouwen”, publicatie 74, ISSO, Rotterdam, maart 2004. Arens, E., Turner, S., Zang, H., Paliaga, G., “Moving Air for Comfort”, in ASHRAE Journal, May 2009, pp 8-18. Humphreys, M.A,, Rijal, H.B., Nicol, J.F., Examining and developing the adaptive relation between climate and thermal comfort indoors, Proceedings of conference: Adapting to Change: New thinking on Comfort, Cumberlands Lodge, Windsor, UK, 9-11 april 2010. London, Network for Comfort and Energy Use in Buildings. Mendell M. J., Mirer A. G. “Indoor thermal factors and symptoms in office workers: findings from the US EPA BASE study”, Indoor Air 2009; 19: pp. 291–302. Nicol, J.F., Humphreys, M.A., “New standards for comfort and energy use in buildings”, Building Research & Information, No 37(1) (2009), pp. 68-73. Hellwig, R.T., Brasche, S., Bischof, W., “Thermal Comfort in Offices – Natural Ventilation vs. Air Conditioning”, Proceedings of Congress Comfort and Energy Use in Buildings – Getting it Right, Winsor 2006.


25 / 106

Leaman, A., Bordass, B., “Assessing building performance in use 4: the Probe occupant surveys and their implications”, in Building Research & Information, Vol 29 (3/2001), pp. 129 – 143. Nicol, F., Humphreys, M., “Derivation of the adaptive equations for thermal comfort in free-runing buildings in European standard EN 15251”, in Building and Environment, No 45 (2010), p.11-17. Nicol, J.F., Humphreys, M.A., “New standards for comfort and energy use in buildings”, Building Research & Information, No 37(1) (2009), pp. 68-73. Wagner, A., Moosmann, C., Gropp, T., Gossauer, E., “Thermal comfort under summer climate conditions – Results from a survey in an office building in Karlsruhe, Germany”, Proceedings of congress Comfort and Energy Use in Buildings – Getting it Right, Winsor 2006.ermisch comfort Luchtkwaliteit Apte et al. (2008) Outdoor ozone and building-related symptoms in the BASE study, Indoor Air, Vol. 18, No. 2, 156 – 170. Asikanen et al. (2006) The micriobial contamination on the drip pans of the fan coils, Proceedings Healthy Buildings 2006, Vol. 2, 393 – 396. Bekö et al. (2006) Initial studies of oxidation processes on filter surfaces and their inpact on perceived air quality, Indoor Air, Vol. 16, No. 1, 56 – 64. Bekö et al. (2008) Sensory pollution from bag filters, carbon filters and combinations, Indoor Air, Vol. 18, No. 1, 27 – 36. Boerstra et al. (1998) Office building design in the Netherlands: Airconditioning and sealed windows, unavoidable or not?, in: Moschandreas (ed.), Design, contruction and operation of healthy buildings – Solutions to global and regional concerns, 169-178. Buchanan et al. (2008) Air filter materials, outdoor ozone and building-related symptoms in the BASE study, Indoor Air, Vol. 18, No. 2, 144 – 155. Byrd (1996) Prevalence of microbial growth in cooling coils of commercial airconditioning systems, Proceedings Indoor Air ’96, 3202 – 3207. Bluyssen et al. (1995) European Audit Project to Optimise Indoor Air Quality and Energy Consumption in Office Buildings – Eindrapport, TNO. Bluyssen et al. (2001) AIRLESS – Publishable Final Report, TNO Clausen (2004) Ventilation filters and indoor air quality: a review of research from the International Centre for Indoor Environment and Energy, Indoor Air, 14 (Suppl 7), 202 – 207. De Dear et al. (1997) Developing an Adaptive Model of Thermal Comfort and Preference. Eindrapport ASHRAE RP-884 Fang et al. (2003) Sick Building Syndrome symptoms caused by low humidity, Proceedings Healthy Buildings 2003, Vol. 3, 1 – 6. Fang et al. (2004) Impact of indoor air temperature and humidity in an office on perceived air quality, SBS symptoms and performance, Indoor Air, Vol. 14 (Suppl 7), 74 – 81.


26 / 106

Hansen (2004) HVAC – the importance of clean intake section and dry air filter in cold climate, Indoor Air, 14 (Suppl 7), 195 – 201. Lagercrantz et al. (2003) Objective and subjective responses to low relative humidity in an office interention study, Proceedings Healthy Buidings 2003, Vol. 3, 163 – 168. Regelingen Guillemin, A. , Morel N., A self-adaptive and smart system for blinds control,Proceedings of the “Cisbat’99 International Conference”, Lausanne, Switzerland, 1999. Gyalistras D., et al., Use of Weather and Occupancy Forecasts for Optimal Building Climate Control (OptiControl), Final Report of OptiControl Project, 2010. Morel, N., M. Bauer, M. El-Khoury, Neurobat, a predictive and adaptive control system using artificial neural networks, International Journal of Solar Energy 21, 161-201, 2001. Oldewurtel F. et al., Energy efficient building climate control using stochastic model predictive control and weather predictions, Proceedings of the “2010 American Control Conference”, Baltimore, United States, 2010 Park C.-S., Occupant responsive optimal control of smart façade systems, Ph.D. thesis, Georgia Institute of Technology, United States, 2003. Priolo C., S. Sciuto, F. Sperduto, Efficient design incorporating fundamentals improvements for control and integrated optimisation, Final Report of EDIFICIO Project, 2001. Klimaatgegevens BuenoUnzeta, B., Norford, L., and Britter, R. (2009). An urban weather generator coupling building simulations with a physically based urban model. In Proceedings of the seventh International Conference on Urban Climate, Yokohama, Japan. Erell, E. and Williamson, T. (2006). Simulating air temperature in an urban street canyon in all weather conditions using measured data at a reference meteorological station. International Journal of Climatology,26(12):1671–1694. Evers, J. (2009). Robuustheid voor klimaatvariaties ‐ Vergelijking van klimatiseringsconcepten met behulp van gebouwsimulatie, Afstudeerrapport Technische Universiteit Eindhoven Guan, L. (2009). Preparation of future weather data to study the impact of climate change on buildings.Building and Environment, 44(4):793–800. Jentsch, M., Bahaj, A., and James, P. (2008). Climate change future proofing of buildings – generation and assessment of building simulation weather files. Energy and Buildings, 40(12):2148–2168. Struck, C., de Wilde, P., Evers, J., Hensen, J. and Plokker, W. (2009). On selecting weather data sets toestimate a building design’s robustness to climate variations. In Proceedings of Building Simulation 2009, theEleventh International IBPSA Conference, pages 513–520, Glasgow, Scotland. Walkenhorst, O., Luther, J., Reinhart, C., and Timmer, J. (2000). Dynamic annual daylight simulations based on one‐hour and one‐minute means of irradiance data. Solar Energy, 72(5):385–395.


27 / 106

Yi, Y. and Malkawi, A. (2008). Site‐specific prediction for energy simulation by integrating computational fluid dynamics. Building Simulation, 1(3):270–277.


28 / 106

4 Inverse simulaties 4.1

Inleiding

De doelstelling voor het ontwikkelen en uitvoeren van de inverse simulatiemethodiek is tweeledig: 1) Kwantificeren van het potentieel van een adaptieve gebouwschil op het gebied van het verbeteren van binnenklimaat en energieprestaties 2) Identificeren gewenste eigenschappen voor de ontwikkeling van nieuwe adaptieve gebouwschil concepten De ideale FACET gebouwschil is maximaal adaptief in de facetten die hoofdzakelijk het binnencomfort bepalen. De ideaal adaptieve gebouwschil zal naar wens, binnen de gestelde bandbreedtes, kunnen variëren in het toelaten of weren van de gegeven buitenklimaatcondities op o.a. temperatuur, licht en lucht condities. Daarnaast zal de gebouwschil ook moeten voldoen aan het weren of toelaten van andere aspecten zoals geluid.

Figuur 5. De drie hoofdpijlers van FACET: Temperatuur (thermisch), Licht (visueel) en Lucht (luchtkwaliteit)

De drie pijlers van FACET simulaties bestaan uit ‘Temperatuur (thermisch comfort), Licht (visueel comfort) en Lucht (luchtkwaliteit)’. De hypothese is dat bij het zo optimaal mogelijk kunnen variëren van (combinaties van) gebouwschilparameters er een zo hoog mogelijk comfort gehaald kan worden bij een zo laag mogelijk totaal energiegebruik voor verwarming, koeling, ventilatie en verlichting.

4.2

Aanpak

De mogelijkheden en beperkingen voor simulatie van adaptieve gebouwdelen in gebouwsimulatietools zijn in in dit project onderzocht. Hierbij zijn twee complementaire strategieën uitgewerkt voor het uitvoeren van een inverse aanpak in bestaande simulatietools:

1) ‘Multi-objective’ optimization 2) Sequentiële aanpak Bij de eerste methode is een ‘Toolchain’ ontwikkeld voor het gekoppeld simuleren en optimaliseren van zowel visueel als thermisch comfort met open-source programma’s. De koppeling van ESP-r met BCVTB voor meer vrijheid van simuleren geavanceerde regelstrategieën in algemene zin is


29 / 106

beschikbaar gemaakt. Er is een superpositieaanpak in Radiance gemaakt voor het snel doorrekenen van verschillende gevelvarianten. Door de lange rekentijd zijn jaarberekeningen hierbij echter nog niet mogelijk. Bij de tweede methode is er eveneens een koppeling gemaakt tussen lichtsimulatie en thermische simulaties maar dit gebeurt sequentieel. Deze Radiance-TRNSYS koppeling met regeling van de gevel op basis van energiebalans geeft uitstekende resultaten. Vereisten voor de simulatietools: 1) Geveleigenschappen (veranderlijk in de tijd) 2) Integratie “thermisch” en “visueel” 3) Regelstrategie gebaseerd op optimalisatie

Figuur 6. Overzicht van de complex interacties tussen gevel en binnenmilieu

De twee complementaire aanpakken gevolgd voor de uitwerking van de inverse simulaties zijn: 1) Multi-objective optimisation 2) Sequentiële benadering

Figuur 7. Schematische weergave ‘multi objective’ optimisation (links) en sequentiele benadering (rechts)

Beide aanpakken worden hieronder toegelicht.

4.3

Methode 1: Multi objective optimisation

De prestaties van CABS kunnen worden geanalyseerd met de focus op een aantal aspecten, zoals energiebesparing (Loonen, Trčka, & Hensen, 2011), binnenluchtkwaliteit (Gosselin & Chen, 2008), visueel comfort (Piccolo & Simone, 2009), daglicht (Wyckmans, 2005), gebruikersgedrag en interactie


30 / 106

(Bakker, Hoes-van Oeffelen, Loonen, & Hensen, 2014; Wigginton & Harris, 2002), of flexibel ruimtegebruik. Vergeleken met conventionele gebouwen zijn deze aspecten veel meer onderling verbonden in gebouwen met CABS. Bovendien veranderen de interacties en prioriteiten in de tijd, en kunnen deze actief beïnvloed worden. Deze multidomein, multi-scale, eigenschappen dragen ertoe bij dat de optimalisatie van CABS een complex probleem is. In plaats van het optimaliseren van een enkele configuratie, is het doel van het optimalisatieproces bij CABS het vinden van de beste reeks dynamische geveleigenschappen. In vergelijking met simulatie-gebaseerde optimalisatie van statische gevels zorgt dit voor twee belangrijke voorwaarden voor de simulatiemethode:

•

•

Modelleren van dynamische geveleigenschappen: Geveleigenschappen moeten veranderbaar zijn tijdens een simulatierun, om transiënte warmteoverdracht en energieopslag op correcte wijze mee te nemen (Loonen, Hoes, & Hensen, 2014). In nagenoeg alle BPS programma’s zijn dit soort mogelijkheden zeer beperkt. Die simulatieaanpak die wij hier voorstellen biedt een oplossing voor dit probleem. Modelleren van de aansturing van dynamische geveleigenschappen: De dynamische interacties in CABS introduceren een sterke onderlinge samenhang tussen het ontwerp en regeling van de gevel. De uiteindelijke presentaties van CABS zijn volledig afhankelijk van de manier waarop de gevel geregeld en aangestuurd wordt. Voor het identificeren van optimale CABS concepten dienen niet alleen ontwerpeigenschappen, maar ook een inzicht in goed presterende regelstrategieën meegenomen te worden in de vroege ontwerpfase (Hoes, Loonen, Trčka, & Hensen, 2012a). Eerder ontwikkelde methodes voor optimalisatie van de gebouwschil richten zich enkel op het analyseren van eigenschappen die niet veranderlijk zijn in de tijd.

Vanwege de bovengenoemde twee redenen ontbeert het in de bestaande methodes aan mogelijkheden om korte-termijn adaptiviteit te onderzoeken. De ontwikkeling van een nieuwe, toepassingsgerichte optimalisatieaanpak was daarom nodig om de hoofdvraag van dit werkpakket te beantwoorden. Het vervolg van deze sectie geeft een toelichting van algemene eigenschappen van dit optimalisatie framework. In grote lijnen kunnen twee types van strategieën voor het automatiseren van adaptieve systemen zoals CABS worden onderscheiden: regelgebaseerd (rule based control, RBC), en modelgebaseerd (model based control, MBC) (Henze & Neumann, 2011; Oldewurtel et al., 2012). RBC is de gebruikelijke methode, die werkt met ‘if-then-else’ formules. Het is effectief voor eenvoudige regelproblemen, maar biedt geen soelaas in problemen met complexe multi-input, multi-output structuren. Een van de moeilijkheden bij RBC komt voort uit het feit dat gemeten stuurvariabelen, setpoints, grenswaarden, en regelvolgordes vooraf geformuleerd dienen te worden. In MBC, daarentegen, wordt de beste regelstrategie bepaald op basis van berekeningen. Dit vergroot de flexibiliteit in de façade om de variabele trade-offs op zo’n manier te vereenzelvigen opdat het beste gereageerd kan worden op de dynamisch veranderende condities. Hierdoor kunnen ontwerpen regelaspecten gelijktijdig geoptimaliseerd worden (Evins & Orehounig, 2014). Figuur 8 geeft een overzicht van de inverse optimalisatieaanpak die in dit project ontwikkeld is.

31 / 106

Building shell control

Building


Future disturbances

Building model

Objective function

Sensors

Actuators

Input

Output

Best control sequence

Optimization algorithm

Figuur 8. Koppeling tussen het gebouwmodel en het simulatiemodel in de regelaar.

In deze simulatiestudie wordt het bovenste deel in Figuur 8 gerepresenteerd door een gebouwprestatiesimulatiemodel met aanpasbare geveleigenschappen. Dit model is een gedetailleerde virtuele representatie van het daadwerkelijke gebouw. De taak van de regeling (building shell control) is het zoeken naar optimale regelscenario’s. Elk regelscenario staat voor een mogelijke reeks van geveleigenschappen, waarvan de prestaties beoordeeld wordt in het tweede gebouwmodel, dat geïntegreerd is in de building shell controller. Dit zogenaamde embedded building model wordt herhaaldelijk gebruikt om de prestaties van verschillende gevelscenario’s te vergelijken, rekening houdend met randvoorwaarden voor het klimaat en gebruikersgedrag. De toektocht naar de beste reeks eigenschappen wordt aangedreven door een optimalisatiealgoritme, die mogelijke oplossingen rangschikt op basis van een doelfunctie (objective function). Wanneer een optimalisatieloop is voltooid, wordt het alternatief met de beste prestaties gekozen, en de bijbehorende set dynamische geveleigenschappen verzonden van de ‘regelaar’ naar het ‘gebouw’. Op basis van een serie van relatief korte optimalisatiehorizonnen stapt het proces voorwaarts in de tijd. Een nieuw gevelscenario wordt opgevraagd na iedere regelhorizon (control horizon), op deze wijze schuift het proces langzaam op, zoals weergegeven in Figuur 9.

Adaptation period

Control horizon

Building

CABS control

Optimization horizon

Time

Figuur 9. Samenhang tussen optimalisatiehorizon, adaptatieperiode en regelhorizon.


32 / 106

4.3.1.1 Resolutie van het embedded building model Om goede prestaties in een MBC aanpak te kunnen waarborgen is het van belang dat de voorspellingen een nauwkeurig beeld geven van wat er daadwerkelijk in het gebouw gebeurt (MayOstendorp & Henze, 2013). In real-time model predictive control (MPC) is dit geen eenvoudige opgave, omdat beperkte rekentijd de ontwikkelaars noopt tot het gebruik van modellen met lage resolutie (e.g. reduced order models), of modellen die niet gebaseerd zijn op fysische principes (e.g. grey box models) (Prívara et al., 2012). Moeilijkheden met parameter estimation en het instellen van beginvoorwaarden dragen verder bij aan de complexiteit, en kunnen de toegevoegde waarde van MPC zelfs ondermijnen. In dit onderzoek worden regelstrategieën “offline” berekend (Coffey, 2013). Maatregelen voor het beperken van rekentijd spelen daarom geen grote rol van betekenis. Hierdoor is het mogelijk, en gepast, om gedetailleerde modellen te gebruiken in de regelaar (Clarke et al., 2002; Coffey, Haghighat, Morofsky, & Kutrowski, 2010; Hoes, Loonen, Trčka, & Hensen, 2012b). Dit biedt de volgende voordelen: • De onderlinge verbanden tussen de verschillende fysische processen blijven intact. Hierdoor kunnen energie- en comfortprestaties worden beoordeeld op een hoog detailniveau. • De methode is niet afhankelijk van de beschikbaarheid van model-identificatie data. Vanwege het verkennende karakter van deze studie is dit een gunstige eigenschap. • De aanpak is eenvoudig op te schalen, en kan worden toegepast in andere klimaten, gebouwtypes, etc. • Het biedt flexibiliteit om te werken met losjes gedefinieerde en innovatieve geveloplossingen (zolang als deze gemodelleerd kunnen worden in de simulatietool). • Er wordt gebruik gemaakt van dynamische modellen die tijdsafhankelijke warmteoverdrachtsverschijnselen expliciet meenemen in de berekening. • Het geeft de mogelijkheid tot het berekenen van een ‘performance bound’ op basis van ideale regelacties. De voorspelde prestaties en eigenschappen worden niet nadelig beïnvloed door model-plant mismatch. 4.3.1.2 Optimalisatie van dynamische eigenschappen Om de hierboven beschreven aanpak te kunnen bewerkstelligen, stellen we een simulatiemethode voor waarin een versie van hetzelfde gedetailleerde gebouwmodel dat gebruikt wordt om de CABS prestaties te voorspellen, ook geïntegreerd wordt als embedded building model in het regelproces. Het optimalisatieproces bestaat uit de volgende zeven stappen: I. Aan het begin van tijdstap tn wordt de hoofdsimulatie tijdelijk stopgezet om te kunnen voorzien in een nieuw te berekenen regelstrategie. Het is de taak van de regelaar om te bepalen, of en hoe, de gebouwschilconfiguratie moet gaan veranderen in de aankomende periode. II. Alle toestandsvariabelen die de thermische staat van het gebouw beschrijven op tijdstip tn-1 worden opgeslagen in een bestand. III. Nieuwe versies van het BPS model worden aangemaakt op tijdstip tn. De startcondities in deze simulaties worden overschreven met de toestandsvariabelen die overerven uit de vorige stap. Dit is nodig om de correctheid van dynamische warmteoverdrachtsverschijnselen te kunnen waarborgen. IV. Verschillende scenario’s met uiteenlopende adaptieve gevelstrategieën worden getest in het embedded building model. Deze simulaties worden uitgevoerd over een optimalisatiehorizon van m tijdstappen, uitgaande van perfecte kennis van aankomende weersomstandigheden en gebruikersgedrag. V. De zoektocht wordt aangedreven door een optimalisatiealgoritme. Dit algoritme stelt op iteratieve wijze nieuwe zoekpatronen voor terwijl het probeert de doelfunctie te minimaliseren.


VI. VII.

33 / 106

De optimalisatieloop duurt voort totdat een vooraf vastgestelde stopconditie (bijvoorbeeld gebaseerd op tijd of relatieve verbetering) is bereikt. De waardes horende bij de geoptimaliseerde regelstrategie voor de huidige regelhorizon (open-loop) worden als actuatoreigenschappen verzonden naar het hoofdsimulatiemodel. De hoofdsimulatie wordt voortgezet totdat een nieuwe regelstrategie nodig is. Deze cyclus gaat door totdat de totale simulatietijd verstreken is.

❹

CABS control

❸

❺

Building

❻

❶ ❼

Time ❷

Figuur 10. Zeven stappen in de optimalisatie van dynamische eigenschappen.

4.3.1.3 Weergegevens Simulaties zijn uitgevoerd met het NEN 5060 klimaatjaar voor energiesimulaties (NEN5060, 2008). De analyse richt zich op een typische week in winter, lente en zomer. Figuur 11 geeft de zoninstraling op de zuidgevel en de buitentemperatuur voor deze drie weken.

Figuur 11. Klimaatdata voor drie geselecteerde weken

4.3.2 CABS – adaptieve eigenschappen en ranges De gebouwschil is opgedeeld in een aantal kleine elementen, of facetten. De materiaaleigenschappen van elk van deze elementen kan individueel aangepast worden. In plaats van vaste wanden en ramen zorgt deze decompositie voor flexibele optimalisatie van vorm, aantal,


34 / 106

positie, transparantie en thermische eigenschappen van de “raam” vlakjes. Eerdere studies (Wright, Brownlee, Mourshed, & Wang, 2013) hebben aangetoond dat de opdeling van een gevel in kleinere vlakjes een waardevolle methode is, omdat de optimalisatie van de gevel rekening kan houden met de tijds- en locatie-afhankelijke eigenschappen van daglicht. In tegenstelling tot voorgaand werk behandelt dit onderzoek niet enkel ontwerpoptimalisatie van een cellular facade, maar wordt ook meegenomen dat de eigenschappen kunnen veranderen gedurende het jaar. Discretisatie is gedaan met het oog op het verkrijgen van inzicht in trends en veranderende vlakvullende effecten op een abstracte, maar algemene wijze. De proof-of-principle CABS concepten die hieruit voortvloeien hebben niet noodzakelijk ook een gridachtig uiterlijk. In deze case studie verdelen we de gebouwschil in een grid van 4*4 elementen. De materiaaleigenschappen: zontransmissie en U-waarde van elk van deze elementen is aanpasbaar per uur. De zoekruimte voor U-waarde is verdeeld in zes stappen, variërend van een thermische weerstand equivalent aan enkel glas tot aan de passiefhuisstandaard. Zontransmissie is opgedeeld in vier stappen, van representatieve waardes van helder glas, tot een donkergetint raam of zonweringsysteem. In totaal leidt dit tot een zoekruimte van 6*4=24 combinaties per gevelelement, en 24^(4*4)=1.2e22 mogelijke facade configuraties per adaptatiestap. Tabel 5. Materiaaleigenschappen

Design option

4.3.3

1

2

3

4

5

6

U-value 2 [W/m K]

0.2

0.5

1

2

3

4

Tsol [-]

0.05

0.25

0.50

0.75

Prestatie indicatoren

4.3.3.1 Thermisch comfort en energieprestatie De energieprestatie van een gebouw is direct gerelateerd aan de gerealiseerde kwaliteit van het binnenmilieu. Een beter binnenklimaat kan normaalgesproken worden bereikt door de energieconsumptie in HVAC-systemen op te voeren, en vice versa. De focus in dit project is op het analyseren van de impact van CABS op de trade-offs tussen binnenklimaat en het energieverbruik voor verwarming, koeling, en verlichting. Op het gebied van ruimteconditionering voor thermisch comfort is het doel om het gebouw zo lang mogelijk in “free running mode”, zonder actieve verwarming en koeling te houden. Het doel hierbij is om geveleigenschappen zodanig aan te passen dat operatieve temperatuur naar het midden van de toelaatbare range wordt geregeld. Er wordt verondersteld dat het HVAC systeem een onbeperkt vermogen en een ideale regeling heeft. Temperatuurgrenzen kunnen dus altijd worden gehandhaafd als blijkt dat bijsturing door alleen de gebouwschil niet voldoende is. Om deze reden wordt thermisch comfort niet meegenomen als primaire prestatie indicator, maar beoordeeld als constraint in de optimalisatie. De prestaties van verschillende adaptieve gevelopties wordt afgewogen door te kijken naar het energieverbruik dat nodig is om de vastgestelde thermische condities te waarborgen. Om eerlijke vergelijkingen te maken met betrekking tot de verschillende energiestromen wordt de totale energieprestatie vergeleken op basis van primair energieverbruik. In deze case studie gaan we uit van een systeemrendement voor verwarming van 0,9, een koeling-COP van 3, en een conversiefactor voor elektriciteit van 2,5


35 / 106

4.3.3.2 Visueel comfort Gevelgerelateerde visuele prestaties worden beïnvloed door een complex samenspel van verschillende factoren (Reinhart & Wienold, 2011). Op het gebied van daglicht zou een ideale gevel continue zorgen voor, ten minste, voldoende daglicht in de ruimte en volledig uitzicht bij de afwezigheid van verblinding. In dit deel van het onderzoek worden drie prestatie indicatoren gebruikt die meten in hoeverre een bepaalde facade configuratie voldoet aan deze ideale situatie:

•

Useful daylight illuminance. Het nuttig gebruik van daglicht wordt beoordeeld door te kijken naar het percentage aan uren waarin de illuminantie door daglicht op het werkvlak binnen bepaalde grenzen valt. Vier categorieën worden onderscheiden op basis van de classificatie volgens (Mardaljevic et al., 2012): fell short (<100 lux), supplementary (100-300 lux), autonomous (300-3000 lux) en exceeded (>3000 lux).

•

Daylight glare probability. Verblinding wordt beoordeeld op basis van DGP, omdat is aangetoond dat dit de meest betrouwbare indicator is onder brede range aan condities (Jakubiec & Reinhart, 2011). De impact van kijkrichting en gebruikersadaptatie op verblinding en discomfort is nog een jong onderzoeksveld (Sary Khanie et al., 2013). In deze case studie zijn we uitgegaan van een worst-case scenario voor verblinding – de gebruiker kijkt altijd in de richting van de façade. Deze aanname is gedaan om zo goed mogelijk de kwaliteit van de gevel in het voorkomen van verblinding te kunnen analyseren. Drie categorieën worden onderscheiden, waarbij het risico is (i) “niet toelaatbaar” (DGP >0,45), (ii) “storend” (0,35
•

Uitzicht. Hoewel de invloed op visuele prestaties en welbevinden niet makkelijk te kwantificeren is, wordt algemeen aangenomen dat het verbeteren van hoeveelheid en type uitzicht een positieve uitwerking heeft (Aries, Veitch, & Newsham, 2010; Hellinga & Hordijk, 2014). In dit onderzoek wordt uitzicht uitgedrukt door te kijken naar de mate van visuele interactie tussen binnen en buiten. Dit is gedaan door de som van transparantie in gevelelementen te nemen, en dit te vergelijken met volledig transparante configuratie. Deze prestatie indicator is daarom niet gebaseerd op simulatieoutput, maar direct berekend voor iedere configuratie op basis van materiaaleigenschappen.

4.3.4

Framework voor multi-objective optimalisatie

In de voorgaande paragrafen hebben we eerste de eigenschappen van de simulatie- en optimalisatieaanpak besproken, en vervolgens de case studie geïntroduceerd, inclusief geveleigenschappen en prestatie indicatoren. In dit deel is de focus op tool-specifieke details van het simulatieframework voor het voorspellen van daglicht- en energieprestaties. Daarnaast worden implementatiedetails behandeld van de co-simulatieaanpak die zorgt voor de koppeling tussen (i) modellen voor energie en licht, en (ii) de modellen voor het gebouw zelf, en de afspiegeling daarvan in de regelaar. 4.3.4.1 Daglicht Daglichtsimulaties worden uitgevoerd met behulp van de Radiance three-phase method. Deze methode is een gevalideerde, nieuwe toevoeging aan de set of Radiance tools (), speciaal ontwikkeld om hoge-resolutie, jaarlijkse voorspellingen mogelijk te maken met beperkte rekentijd (). Om te voldoen aan de specifieke eisen van dit project, i.e., optimalisatie van tijdsafhankelijke eigenschappen in CABS, hebben we een iets aangepaste workflow ontwikkeld die beter recht doet aan de


36 / 106

veranderbaarheid van individuele gevelelementen (Figuur 12). Het simulatieproces in als volgt opgedeeld in een pre-processingfase en run-timefase: Pre-processing I. Sky vectors worden gegenereerd voor elk daglichtuur in de simulatieperiode, op basis van de directe en diffuse zoninstraling in NEN5060. II. Daylight matrices worden berekend door rtcontrib door het vaststellen van de relaties tussen de 16 gevelelementen, en de hemelkoepel middels een Reinhart vlakverdeling van 2305 elementen. III. Vier verschillende BSDF transmissie matrices worden berekende met WINDOW7 software, overeenkomstig met de vier mogelijke optische eigenschappen (Tabel 5). In dit onderzoek wordt alleen uitgegaan van directe (specular) transmissie. Het potentieel van adaptieve gevelsystemen lichtafbuigende en diffuse eigenschappen kan worden onderzocht in vervolgonderzoek IV. rtcontrib wordt gebruikt om view matrices te creëren voor elk gevel element, op basis van (a) een grid van sensorpunten voor daglichtbeoordeling, en (b) een fish-eye projectie voor het analyseren van glare discomfort.

Run-time I. De bijdrage die ieder individueel gevelelement levert aan daglichtprestaties wordt iedere tijdstap berekend door het combineren van sky vectors, DXMs, BSDFs en VMXs in dctimestep. II. De totale daglichtilluminantie komende van alle 16 gevelelementen samen wordt gereconstrueerd via rlam en rcalc. De in deze stap berekende waarden illuminantiewaarden worden ook gebruikt om het energieverbruik en de interne warmtelasten voor kunstverlichting te bepalen. III. Een superpositieaanpak via pcomb wordt gebruikt om een high dynamic range (HDR) afbeelding van de gehele situatie te creëren. Waardes voor DGP worden met Evalglare v1.11 bepaald voor deze afbeelding.

In de hierboven beschreven methode wordt het overgrote deel van de rekentijd voor daglichtsimulaties verschoven naar de periode voorafgaand aan het eigenlijke optimalisatieproces. Tijdens de run-time optimalisatieloop hoeven enkel snelle matrixbewerkingen te worden uitgevoerd. De bottleneck in rekentijd komt op dit moment van de relatief intensieve pixelanalyse voor DGP berekeningen in Evalglare. Vervolgonderzoek moet aantonen of ons andere glare indices (bijvoorbeeld simplified DGP) en berekenmethoden (e.g. radiosity based) geïntegreerd kunnen worden in ons simulatieframework.


37 / 106

Building energy simulation Window data Window data Sky vectors Energy performance Window data Window BSDFdata window data

Lighting energy

DMX Illuminanace grid

UDI

VMX

Facade configuration

dctimestep

HDR Image

evalglare

DGP

Visual performance

View

Figuur 12. Rekenmethode in Radiance

4.3.4.2 Energieprestatie Building energy simulaties worden uitgevoerd in het programma ESP-r. ESP-r geeft gebruikers de mogelijkheid om componenten met tijdsafhankelijke thermofysische materiaaleigenschappen te modelleren (MacQueen; Nakhi). Om de beperkte keuzevrijheid in ESP-r’s default BCL99 regelalgoritme te ondervangen hebben we een deel van de source code hergeprogrammeerd, om de materiaaleigenschappen aan te kunnen sturen met een extern signaal tijdens een simulatierun (Hoes et al., 2012). Het grote verschil met normale ESP-r berekeningen is dat niet enkel in de initialisatiefase, maar tijdens elke tijdstap van de simulatie de matrixvergelijkingen van constructie elementen opnieuw bepaald worden. De expliciete initialisatie van state in het regelmodel (stap 2 en stap 3 in Sectie 2.4) was bereikt door het toevoegen van een extra subroutine aan ESP-r (Hoes et al., 2012). Een andere kenmerkende eigenschap van het energiesimulatiemodel is controleerbare interne warmtelast die afhangt van de beschikbaarheid van natuurlijk daglicht.

4.3.4.3 Co-simulatie: koppeling en flow van informatie Om de implementatie van de beschreven simulatiestrategie te bewerkstelligen is een toolchain ontwikkeld die de solvers voor daglicht en energieprestatie integreert samen met de optimalisatiealgoritmes. Deze zogenaamde co-simulatie-aanpak heeft bewezen waardevol te zijn voor dit type gekoppelde problemen (Trcka). De co-simulatieaanpak in dit onderzoek wordt gecoördineerd door master algoritmes is Matlab, met communicatie die plaatsvindt via the building controls virtual test bed (BCVTB) als middleware. De koppeling vindt plaats op twee niveaus: Dataoverdracht en gesynchroniseerde communicatie tussen het gebouwmodel en de regelaar Deze communicatielaag faciliteert optimalisatie van gevelveranderingen volgens de MPC formulatie. Hiertoe wordt het voortschrijden van de tijd in MZNUMA, ESP-r’s simulatieklok, onderbroken door een call voor data-uitwisseling met BCVTB. Afhankelijk van de positie in de optimalisatiehorizon (i.e. halverwege een bestaande, of aan het begin van een nieuwe horizon), ontvangt ESP-r de data opgeslagen. Aan de kant van het hoofdsimulatiemodel is de koppeling met BCVTB direct geïmplementeerd in ESP-r’s algoritmes. In de regelaar communiceert BCVTB met de eerder beschreven masteralgoritmes is Matlab. Naast deze communicatietaak draagt Matlab ook zorg voor administratie van tijdstappen, het voorbereiden van simulatie-inputfiles, het aanroepen van Radiance en ESP-r, post-processing en het uitvoeren van de optimalisatieprocedure. In tegenstelling tot het


38 / 106

hoofdgebouwmodel waar communicatie geschiedt terwijl in het model loopt, worden in het regelmodel de simulaties volledig uitgevoerd.

Building

Koppeling tussen thermische en visuele aspecten: De principes van de Radiance-naar-ESP-r koppeling zijn gelijk aan de methode zoals beschreven in e.g. (Janak et al. 2009). Echter, in plaats van een directe link tussen Radiance functies en ESP-r code vindt de koppeling plaats middels BCVTB. Per tijdstap worden daglichtilluminanties berekend doorgevoerd aan de kunstlichtregeling van het thermische model, die de juiste interne warmtewinst toepast, horende bij de gewenste gevelconfiguratie en geldende buitencondities.

ESP-r

Building shell control

BCVTB

Optimized results for current horizon

Call

Radiance

Daylight results

Optimization algortithm ESP-r

Figuur 13. Simulatiestrategie – ESP-r, BCVTB en Radiance

4.3.5

Optimalisatiestrategie en instellingen

4.3.5.1 Algoritme en codering Een genetisch algoritme (GA) wordt gebruikt om de parameterzoektocht naar geveleigenschappen aan te sturen. De taak van het algoritme is om nieuwe adaptatiereeksen voor te stellen die worden beoordeeld in het regelmodel. GAs zijn meta-heuristische, populatiegebaseerde algoritmes. Meerdere studies hebben aangetoond dat deze algortimes effectief en robuust zijn voor het vinden van tradeoffs tussen de conflicterende belangen bij het optimaliseren van de gebouwschil (Wright et al. 2013). Omdat de eigenschappen voor ieder gevelelement bestaan uit een vaststaand aantal, vooraf gedefinieerde opties (Tabel 5), is de optimalisatie gecodeerd in een integer formulering, met een idnummer per element. GA functies in Matlab zijn gebruikt voor de implementatie. Om optimalsatietijd te reduceren is de standaard code uitgebreid met een archieffunctie die ervoor zorgt dat dezelfde ontwerpoptie slechts één keer gesimuleerd wordt.

4.3.5.2 Objective function Het multi-criteria probleem is getransformeerd in een single-objective optimalisatie functie: P_total=w_e•P_energy+w_v•P_visual, with

Equation 4-1

P_visual=w_i•P_ill+w_g•P_glare+w_v•P_view

Equation 4-2

Zoals beschreven in paragraaf 4.3.3. is visueel comfort opgebouwd uit drie componenten: UDI, DGP en uitzicht. Deze componenten maken ook onderdeel uit van de objective functie, zodat de gestelde


39 / 106

doelen behaald kunnen worden via het algoritme. In dit project gaan we uit van een aanpak die gelijkenis vertoont met het concept van daylight credits en preference functions. Echter worden de credits in dit onderzoek omgezet in penalty functies, om op deze wijze alle prestatie indicatoren (penalties en energievraag) te kunnen minimaliseren. introduceert de penalty functies voor daglicht illuminantie, DGP en uitzicht. Voor ieder daglichtuur in de optimalisatiehorizon worden afzonderlijke penaltywaardes berekend die vervolgens worden samengevoegd door gebruik te maken van de weegfactoren. Deze weegfactoren en drempelwaarden zijn gevoelig voor subjectieve en contextafhankelijke overwegingen. In dit onderzoek tonen we de mogelijkheden van het simulatieframework aan. Vervolgonderzoek kan zich verder richten op het in kaart brengen van de impact van verschillende wegingen op de prestaties. 1

1

0

Pview

Pill

Pglare

1

0 A

B

C

D

Daylight illuminance

0 E

F

DGP

View to outside

Figuur 14. Prestatiefuncties voor daglicht, verblinding en uitzicht.

Optimalisatie van CABS start met dezelfde basisprincipes als de optimalisatie van niet-adaptieve geveldelen. Het dynamische gedrag levert echter een aantal specifieke uitdagingen op voor de optimalisatieprocedure. De extra maatregelen die getroffen zijn om met deze uitdagingen om te gaan worden besproken in deze paragraaf.

4.3.5.3 Seeding van de beginpopulatie Naast de gebruikelijke random initialisatie wordt een van de beginpopulatie ingevuld door handmatig gegenereerde oplossingen. Deze techniek van seeding met kansrijke oplossingen gebaseerd op probleem specifieke kennis is een gewaardeerde methode voor het verbeteren van de optimalisatie efficiëntie met evolutionaire algoritmes, en is genoemd als een belangrijke tool voor het optimaliseren van celachtige gevels (Wright et al. 2013). In deze case studie worden alle 24 niet-adaptieve, uniforme facade configuraties met de eigenschappen uit Tabel 5 toegevoegd aan de beginpopulatie. Daarnaast wordt ook de beste oplossing uit de voorgaande horizon (indien beschikbaar) en het achterste gedeelte van de optimale oplossing in the vorige horizon toegevoegd. Uit trial runs blijkt dat seeding essentieel is voor het verkrijgen van goede, bruikbare optimalisatieresultaten in der zeer grote zoekruimte. In de context van dit project hoopt seeding bij te dragen aan zoekefficiëntie op de volgende wijzen: • Het verkrijgen van een goede spreiding en dekking in de zoekruimte; • Het verzekeren dat de randen en eindpunten van de zoekruimte daadwerkelijk worden aangedaan. Uit eerder onderzoek blijkt dat de onderen bovengrenzen van de zoekruimte vaak de plek is waar goede oplossingen te vinden zijn (). Bovendien verkleint dit het risico dat conventionele of typische gevelconfiguraties gemist worden. • Het versnellen van convergentie omdat de genen van veelbelovende oplossingen al vroeg worden ingebracht.

4.3.5.4 Objective functie en normalisatie Het dynamische optimalisatieproces probeert twee prestatieaspecten tegelijkertijd te verbeteren: energieconsumptie en visueel comfort. Dit vertaalt in een tweedimensionale prestatieruimte waarbinnen Pareto oplossingen kunnen worden aangewezen. De optimalisatie in CABS is gebaseerd


40 / 106

op een aaneenschakeling van beslismomenten in de MBC regelformulering. Omdat dit proces automatisch vooruit moet gaan in de tijd, is een handmatige inspectie van de Pareto fronts in iedere regelhorizon niet mogelijk. Als alternatief worden de prestatievoorkeuren al vooraf vastgelegd. Om dit te doen zetten we de gesimuleerde prestaties om in een gewogen-som single-objective functie:

√(

)

(

) ,

Equation 4-3

Met We en Wy de weegfactoren voor energieprestatie en visuele prestaties respectievelijk. Welke oplossing wordt gekenmerkt als meest gewenst, en daardoor gekozen dient te worden door het genetische algoritme hangt af van (i) de relatieve grootte van van elke prestatie indicator, en (ii) de potentiele verbeterrange die bereikt kan worden (i.e. swing from worst to best). In typische ontwerpoptimalisatie kunnen de weegfactoren in Equation 4-3 zodanig worden zodat een gebalanceerd trade-off punt gevonden wordt. In CABS optimalisatie is dit minder triviaal. Door de tijdsafhankelijke effecten zijn beide bovenstaande factoren verschillend in elke optimalisatie. Hierdoor is het erg lastig om vaste weegfactoren te kiezen die leiden tot adequate prestaties over de hele simulatieperiode. Als een oplossing voor dit probleem, wordt de selectie van optimale oplossingen gedaan met behulp van een ankerpunt. De positie van dit ankerpunt wordt bepaald na het berekenen van de prestatie van alle mogelijke niet-adaptieve, uniforme façade configuraties.

4.3.5.5 Recombinatie Recombinatie of cross-over, maakt een essentieel onderdeel uit van het werkingsprincipe van GAs. In de standaard implementatie, met uniforme cross-over, bestaat echter het risico dat ongunstige crossover-punten een belemmering zijn voor het bereiken van convergentie. Dit komt doordat de kans groot is dat reeksen van goede kandidaatoplossingen worden verbroken. Om deze negatieve effecten te voorkomen, worden in onze implementatie de cross-over-punten alleen toegestaan tussen gehele facade reeksen, dus tussen adaptatie perioden, niet daarbinnen. Mutatie, daarentegen, kan plaatsvinden voor ieder willekeurig gen. 4.3.5.6 Soft constraints De optimalisatiestrategie zoals hier geformuleerd leidt tot een zeer groot aantal mogelijke facade adaptatie mogelijkheden. In de praktijk blijkt dat veel van deze oplossingen leiden tot gelijkwaardige prestatie. Bijvoorbeeld, wanneer het temperatuurverschil tussen binnen en buiten klein is, dan speelt de thermische weerstand van de gevel slechts een kleine rol. Anderzijds, ’s nachts kan de invloed van geveltransparantie verwaarloosd worden. De prestatiefunctie, zoals gedefinieerd is niet in vaak staat om een onderscheid te maken tussen alle mogelijk varianten. Het gevolg is dat random invloeden en schijnvariabelen een rol kunnen gaan spelen in de ontwerpbeslissingen. Wanneer men enkel geïnteresseerd is in het bepalen van de potentiele prestaties van CABS, dan hoeft dit geen probleem te zijn. Echter, wanneer daarnaast ook het doel is om optimale adaptieve geveleigenschappen vast te stellen dan kan dit problematisch zijn, omdat niet direct duidelijk is om te zeggen of aanbevolen adaptieve acties daadwerkelijk zinvol zijn, of veroorzaakt worden door nietsbetekenende random variaties. Om dit soort effecten zoveel mogelijk uit te schakelen, hebben we de objective function uitgebreid met een aanvullende voorkeurscomponent in de vorm van een soft constraint. Dit is gebaseerd op de volgende overwegingen: • Overmatige complexiteit van de gevel moet zo veel mogelijk voorkomen worden. Zolang de prestatieverschillen verwaarloosbaar klein zijn, wordt het alternatief met de laagste complexiteit (i.e. meest beperkt in frequentie en range van aanpasbaarheid) als beste verkozen.


•

4.3.5.7

41 / 106

Overbodige veranderingen in de gevel kunnen leiden een toenemende kans op discomfort. Van het perspectief van gebruikersacceptatie is het alternatief dat het minst opvallend is (i.e. meest beperkt in frequentie en range van aanpasbaarheid) Resultaten

4.3.5.7.1 Prestaties De resultaten voor verblinding zijn weergegeven in Figuur 15. Uit deze resultaten blijkt dat de simulatiemethode uiterst effectief werkt, omdat de CABS variant netjes een trade-off vindt tussen het geval met veel verblinding, en het geval met geen verblinding maar ook weinig uitzicht.

Figuur 15. Kans op verblinding

Deze bevindingen zijn ook zichtbaar wanneer we kijken naar de wekelijkse resultaten in Figuur 16 waarbij blijkt dat het mogelijk is om hinderlijke verblinding geheel uit te sluiten met CABS.

Daylight glare probability [h]

60 50 40 Intolerable

30 20

Perceptible

10

Imperceptible

0 U=4, T=0.75

U=0.2, T=0.75

U=0.2, T=0.05

U=4, T=0.05

CABS MPC

Figuur 16. Verblinding voor vijf verschillende gevelvarianten

Figuur 17 toont de resultaten voor energieprestatie van de verschillende ontwerpopties in een lenteweek. Kolommen 1 tot en met 4 vertegenwoordigen de prestaties van de niet-adaptieve eigenschappen op de eindpunten in Tabel 6. Deze prestaties zijn geselecteerd als referentiepunt omdat ze een indicatie geven van de potentiele beste en slechtste gevallen voor single objective functies, maar dan vaak slecht presteren


42 / 106

Primary energy consumption [kWh]

op andere prestatieaspecten. De vijfde kolom staat voor de geoptimaliseerde resultaten met CABS. De resultaten laten zien dat isolatie een dominant effect heeft op de energieprestaties in de lente. Met een goed-geïsoleerde gebouwschil (bijv. kolom 2 en 3), heeft het gebouw een grote behoefte aan koeling, omdat de warmte die binnen wordt gehouden niet gemakkelijk kan worden afgegeven aan de omgeving. Door de gevel transparant te maken kan een groot deel van de verlichtingsenergie bespaard worden. Met een adaptieve gevel, kan een forse energiebesparing bewerkstelligd worden. 120 100 80 lighting

60

cooling

40

heating

20 0 U=4, T=0.75

U=0.2, T=0.75

U=0.2, T=0.05

U=4, T=0.05

CABS MPC

Figuur 17. Energievraag voor de vijf gevelvarianten

Als derde prestatie-indicator is useful daylight illuminance een belangrijke factor. Een gevel met CABS presteert iets slechter dan een geheel transparante gevel, maar wel significant beter dan de gesloten gevel. Dit compromis is noodzakelijk om te kunnen voldoen aan de verblindingseis, en geeft de essentie weer van de ontwikkelde methode: Door een eerlijk afweging te maken tussen de verschillende aspecten, kan een gebalanceerd trade-off punt gevonden worden dat recht doet aan alle functies van een gevel. Hierbij blijkt dat dat een adaptieve gevel meer kansen biedt dan een conventionele statische gevel. CABS vindt altijd een oplossing zonder verblinding, maar laat daglicht door waar en wanneer dat mogelijk is. CABS vindt altijd een oplossing zonder verblinding, maar laat daglicht door waar en wanneer dat mogelijk is.

Useful daylight illuminance [h]

60

50 40

exceeded

30

autonomous

20

supplementary

10

fell-short

0 U=4, T=0.75

U=0.2, T=0.75

U=0.2, T=0.05

U=4, T=0.05

CABS MPC

Figuur 18. Useful daylight illuminance voor de vijf gevelvarianten


43 / 106

4.3.5.7.2 Geveleigenschapppen Om het ontwikkelingsproces van nieuwe gevelconcepten te ondersteunen is het van belang om ook te kijken naar de geveleigenschappen die zorgen voor de hierboven gepresenteerde prestaties. Figuur 19 toont de evolutie van optimale geveleigenschappen gedurende de tijd. Uit deze resultaten blijkt dat het van belang is dat zowel de transparantie als de isolatiewaarden variabel zijn. Een verder analyse leert dat de isolatiewaarde met name significante verschillende oplevert wanneer de wisselingen plaatsvinden in een dag-nacht ritme. Veranderbaarheid van de geveltransparantie is gebaat bij een snellere adaptatiefrequentie.

Figuur 19. Verandering van geveleigenschappen gedurende de tijd.

Deze observatie wordt duidelijker wanneer we verder kijken naar de resultaten in Figuur 20. In tegenstelling tot Figuur 19 zijn de eigenschappen niet gepresenteerd als het gemiddelde over het gehele geveloppervlak, maar geven ze een beeld van de gewenste optimale vlakverdeling. Uit deze resultaten blijkt dat de geveltransparantie de baan van de zon volgt. Op momenten dat de kans op verblinding groot is, wordt het daglichtoppervlak verkleind en vice versa. Figuur 20 laat ook nog enkele “random” verschijnselen zien. Hieruit kan opgemaakt worden dat er nog ruimte is om de methode verder te verfijnen, zodat op een snellere manier naar meer consistente oplossingen gekomen kan worden.

Figuur 20. Overzicht van gevelconfiguraties.


4.4

44 / 106

Methode 2: Sequentiële benadering

De sequentiële benadering houdt in dat niet alle parameters tegelijkertijd worden geoptimaliseerd maar dat er wordt gewerkt met een goed gekozen volgorde. Eerst wordt de minimaal benodigde transparantie van de gevel voor een optimaal visueel comfort en een minimale energievraag voor verlichting bepaald met behulp van Radiance. Vervolgens wordt in een tweede stap bepaald welke isolatiewaarde van de gevel en ventilatievoud vanuit thermisch comfort daarbij optimaal zijn.

4.4.1

Stap 1: Daglicht geoptimaliseerde ‘inverse’ regeling Radiance

Om de ideale geveleigenschappen te kunnen bepalen is een programma van eisen opgesteld voor lichtgerelateerde aspecten, inclusief uitzicht en energiegebruik voor verlichting op basis van regelgeving en literatuur. Daarna zijn weegfactoren toegekend aan de verschillende aspecten waardoor een prestatiefunctie is ontstaan. Met evolutionaire optimalisatietechnieken kunnen complexe, multivariabele, niet continue vraagstukken worden opgelost en omdat de gebruiker weinig invloed heeft op de zoekrichting, is deze methode zeer geschikt voor inverse vraagstelling. Er is gebruik gemaakt van Genetische Algoritmen. Voor de lichtberekeningen is het programma Radiance gebruikt. Omdat bij Genetische Algoritmen doorgaans relatief veel varianten moeten worden doorgerekend om optima te kunnen vinden en Radiance berekeningen complex en tijdrovend zijn, is er voor gekozen om de Radiance berekeningen te pre-processen. TNO heeft een tool ontwikkeld waarmee op basis van superpositie bijvoorbeeld 100.000 varianten kunnen worden doorgerekend en gevalideerd. Hiermee kunnen relatief snel optima worden gevonden (enkele minuten). De optimalisatiemethodiek is uitgewerkt en getoetst op basis van twee voorbeelddagen waarvan de resultaten voor een zonnige dag hier worden beschreven.

Programma van Eisen Het programma van eisen is in tabel 7 weergegeven is uit verschillende bronnen samengesteld: (Van Putten, De Groot, 2002, Bakker, De Boer, De Wilde, vd Voorden, 2009, Velds, 2002., NEN-EN 2002, Begemann, vd Beld, Tenner, 1997) Dit programma van eisen is vertaald naar een prestatiefunctie door weegfactoren toe te voegen voor de afzonderlijke eisen en aanbevelingen. Kantoor model Het gebruikte eigenschappen van het kantoormodel (v Dijk 2001) zijn in Figuur 21 weergegeven.

Figuur 21: Kantoor bovenaanzicht (links) en programma van eisen (rechts)


45 / 106

Er zijn een aantal punten in de ruimte gedefinieerd waarvoor de luminanties en illuminanties worden bepaald om varianten te kunnen valideren aan de hand van het programma van eisen en de prestatiefunctie (figuur 22).

Figuur 22. Het werkvlak en het werkvlak in de ruimte met de posities van de meetpunten

Ewp = illuminantie werkplek (rood) En = illuminantie werkplek dichtbij (En_links, En_rechts En_top groen), Ef = illuminantie werkplek verder (Ef_links, Ef_rechts Ef_top , blauw) E1 t/m 11 = illuminanties in de ruimte op ooghoogte Naast de genoemde punten is ook de hemelluminantie Lsky bepaald.

Figuur 23. Kantoor perspectief werkplek en kantoor zonder gevel

De virtuele ideale daglichtgevel De virtuele ideale daglichtgevel realiseert onder alle omstandigheden de best haalbare daglichtkwaliteit rekening houdend met uitzicht door steeds de lichtdoorlatende eigenschappen zoals de spectrale transmissie en reflectie en ook de afbuigende eigenschappen op iedere plaats in de gevel op elk moment zodanig te variëren dat steeds de best haalbare situatie wordt gerealiseerd. In deze eerste studie is uitgegaan van een gevel met 30 facetten Figuur 24 met onafhankelijk van elkaar te variëren transmissie eigenschappen. Er zijn in totaal drie varianten beschouwd. Een variant met 2 standen (volledig transparant en volledig lichtdicht), een variant met 4 standen (LTA = 0, 1/3, 2/3 en 1) en een variant met 8 standen (LTA = 0, 1/7, 2/7, 3/7, 4/7, 5/7, 6/7, 1). De facetten blijven in de tussenstanden transparant (niet diffuus).


46 / 106

Figuur 24. Gevel met 36 facetten

Aanpak op basis van superpositie Zoals aangegeven komt Radiance, dat wordt gebruikt voor de lichtberekeningen, niet voldoende snel tot resultaten voor direct gebruik in combinatie met evolutionaire optimalisatie technieken. Er is daarom gekozen voor een aanpak op basis van superpositie. Hiervoor worden eerst met Radiance voor de te beschouwen buitenlichtcondities de “sensorwaarden” berekend voor de afzonderlijke 30 geveldelen (steeds 1 van de 30 geveldelen geopend). De te verwachten sensorwaarden voor combinaties worden bepaald op basis van superpositie. Deze aanpak is gevalideerd door direkte Radiance berekeningen te vergelijken met de resultaten op basis van superpositie. De resultaten zijn voldoende nauwkeurig voor deze eerste studie. De verschillen ontstaan vooral door reflecties aan de binnenkant van de gevel als deze is gesloten. Er is door TNO een tool ontwikkeld waarmee op basis van deze techniek optima kunnen worden gevonden waarbij bijvoorbeeld 100.000 varianten kunnen worden doorgerekend en gevalideerd in enkele minuten. 30

(De variant met 2 standen kent 2 = 1.0737E+9 oplossingen, de variante met 4 standen 2 90 1.15292E+18 oplossingen en de variant met 8 standen: 2 = 1.23794E+27 oplossingen).

60

=

Prestatiefunctie. De gedefinieerde prestatiefunctie is mogelijk niet het allerlaatste woord in de discussie over prestatiebepaling voor visuele kwaliteit maar dient in eerste instantie de methodiekontwikkeling. Mede op basis van de output kan de prestatiefunctie later verder worden aangescherpt. Er is gekeken naar een 8 tal prestatieparameters (P1 t/m P8): P1: Lichtniveau werkplek Ewp:   E  P1  ( Ewp  500 Lux ) * Log  500   ( Ewp  800 Lux ) * Log  wp 800  E wp    

P2: Luminantie ratio omgeving werkplek:

[1]


47 / 106

 L  L  E  P2   wp  3    wp  1  * Log  wp  Log 3  Ln _ left Ln _ left 3  Ln _ left       Lwp  L  E   3    wp  1  * Log  wp   Log 3   L L 3 L n _ right n _ right n _ right        

[2]

 Lwp  L  E   3    wp  1  * Log  wp  Log 3   Ln _ top Ln _ top 3  Ln _ top       Lwp  L  E   5    wp  1  * Log  wp  Log 5   L f _ left L f _ left 5  L f _ left       Lwp  L  E   5    wp  1  * Log  wp  Log 5   L L 5 L f _ right  f _ right f _ right       Lwp  L  E   5    wp  1  * Log  wp  Log 5  L f _ top L f _ top 5  L f _ top     

P3: Delen open [3]

P3  (n _ open  4) * (4  n _ open)

n_open is het aantal niet gesloten facetten minder dan 4. P4: Uitzicht P4  (n _ uitzicht  1)

[4]

n_uitzicht aantal niet gesloten facetten die uitzicht verschaffen. (6 facetten verschaffen uitzicht) P5: Maximale Luminantie zicht  P5  ( Lzicht  1000) * Log 1000 Lzicht  

Lzicht

[5]

maximaal ervaren luminantie.

P6: Ratio luminanties lucht, wand en monitor  L  L  L  P6   wp  10    wp  1  * Log  wp   Log 10  L L 10 L wall wall wall      

[6]

 Lmonitor  L L   Log 10   10    monitor  1  * Log  monitor  Lwall Lwall 10  Lwall      Lsky  L  L   30    sky  1  * Log  sky  Log 30  Lwall Lwall 30  Lwall     

Lwall hoogste waarde van L5 en L6 2 Lmonitor Luminantie van de monitor (100 cd/m ) Lsky maximaal ervaren hemel luminantie P7: Luminantie ratio omgeving P7   

Lmax

Lmin

L   10  * Log  max Lmin   

Lmax hoogste luminantie L1 t/m L11 Lmin laagste luminantie L1 t/m L11

[7]


48 / 106

P8: Veranderingen t.o.v. de vorige instelling P8 

30

 pos

facet 1

facett

 pos facett 1

[8]

pos is de positie van een facet op tijdstip t of tijdstip t-1 De functie sommeert het aantal veranderingen voor variant v1. Voor variant v2 en variant v3 wordt zo ook de mate van verandering meegenomen. De zoeksnelheid voor de optimalisaties is gereduceerd door steeds een deel van de populatie mee te nemen naar een volgende tijdstap. Totale prestatie index Ptot:

Ptot  1.P1   2 .P2  3.P3   4 .P4  5 .P5  6 .P6  7 .P7  8 .P8

[9]

α1 t/m α8 zijn de weegfactoren deze zijn ingesteld op (1, 1, 10, 10, 1, 1, 0.1 0.0001) Als Ptot = 0 is aan alle eisen voldaan. Dit is in vaak aan de orde. In die gevallen zijn de gekozen weegfactoren niet van belang. De prestatie is omgekeerd evenredig met Ptot . Resultaten De resultaten (Figuur 25) zijn vergeleken met eerdere optimalisaties op basis van kennisregels. De met de hier beschreven methodiek gevonden oplossingen blijken altijd beter volgens de gedefinieerde prestatiefunctie. In alle gevonden oplossingen voor alle drie varianten v1 t/m v3 zijn P 1 t/m P5 gelijk aan 0. In alle gevonden gevallen wordt dus voldaan aan de corresponderende eisen in het programma van eisen. Waar niet aan wordt voldaan is P6 waarbij vooral de luminantie ratios met de hemel luminantie (Lsky) bij directe zon zorgen voor overschrijding (Figuur 25, uren 15, 16 en 17 in oranje aangegeven). P7 geeft in alle uren overschrijdingen aan. Ook dit wordt vooral veroorzaakt door de hogere de hemel luminantie (Lsky). Voor de weegfactor voor P8 (α8) is een lage waarde genomen om de optima niet te veel te beïnvloeden. Bij de optimalisaties blijkt deze lage weegfactoren effectief omdat er vaak veel gelijkwaardige oplossingen blijken te zijn. Bij de varianten v2 en v3 zien we de P tot afnemen vooral omdat dan de hemel luminantie (Lsky) kan worden gereduceerd. De resultaten (figuur 25) laten verder zien dat:  de openingen in de gevel als het ware meedraaien met de zon (west gevel).  de transparante delen soms niet aansluitend zijn. De vraag is of dit storend zou kunnen zijn;  bij variant v3 soms, mogelijk onnodig, hoge contrasten optreden die tot meer discomfort zouden kunnen leiden dan noodzakelijk. Hiervoor zou een nieuwe prestatieparameter kunnen worden gedefinieerd.  variant v2 en v3 veel oplossingen geven met veel facetten in de laagste tussenstand (1).


49 / 106

v1 1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 0 0 0

v2 2 3 3 0 0

0 3 3 0 0

2 3 1 0 0

0 0 1 0 0

0 2 1 0 0

0 0 0 0 0

v3 1 4 5 0 0

2 5 7 7 0

1 7 1 0 0

1 0 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 0 0 0

Ewp Ptot P6 P7 P8

v1 v2 v3 739 508 500 0.20 0.15 0.11 0.00 0.00 0.00 0.20 0.15 0.11 4.0E-05 8.0E-05 1.5E-04

9h

1 1 1 0 0

1 1 0 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 0 0

2 3 3 0 0

1 3 3 0 0

2 3 1 0 0

0 1 1 0 0

0 2 1 0 0

0 0 0 0 0

1 4 5 0 0

2 5 7 7 0

1 7 1 1 0

1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 0 0 0

Ewp Ptot P6 P7 P8

789 708 663 0.23 0.17 0.12 0.00 0.00 0.00 0.22 0.17 0.12 3.7E-05 8.7E-05 1.6E-04

10h

1 1 1 0 0

1 1 0 0 0

0 1 0 0 0

0 0 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 0 0

2 3 3 0 0

1 3 1 0 0

2 3 1 0 0

0 1 1 0 0

0 2 1 0 0

0 0 0 0 0

1 4 5 1 0

2 5 7 7 0

1 7 1 1 0

1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 0 0 0

Ewp Ptot P6 P7 P8

786 745 779 0.23 0.17 0.12 0.00 0.00 0.00 0.23 0.17 0.12 3.3E-05 8.0E-05 1.6E-04

11h

1 0 1 0 0

1 1 0 0 0

0 1 0 0 0

0 0 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 0 0

2 3 3 0 0

1 1 1 0 0

2 3 1 0 0

0 1 1 0 0

0 2 1 0 0

0 0 0 0 0

1 4 5 1 0

2 5 1 7 0

1 7 1 1 0

1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 0 0 0

Ewp Ptot P6 P7 P8

795 781 732 0.24 0.17 0.12 0.00 0.00 0.00 0.23 0.17 0.12 3.0E-05 7.3E-05 1.4E-04

12h

1 0 1 0 0

0 1 0 0 0

0 1 0 0 0

0 0 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 0 0

2 1 3 0 0

1 1 1 0 0

2 1 1 0 0

0 1 1 0 0

0 2 1 0 0

0 0 0 0 0

1 4 5 1 0

2 5 1 1 0

1 7 1 1 0

1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 0 0 0

Ewp Ptot P6 P7 P8

800 737 678 0.26 0.19 0.13 0.00 0.00 0.00 0.25 0.18 0.13 2.7E-05 6.0E-05 1.2E-04

13h

1 0 0 0 0

0 1 0 0 0

0 1 0 0 0

1 0 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 0 0

2 1 1 0 0

1 1 1 0 0

2 1 1 0 0

0 1 1 0 0

0 2 1 0 0

0 0 0 0 0

1 4 5 1 0

2 5 1 1 0

1 1 1 1 0

1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 0 0 0

Ewp Ptot P6 P7 P8

787 732 705 0.27 0.19 0.14 0.00 0.00 0.00 0.26 0.19 0.14 2.7E-05 5.3E-05 1.0E-04

14h

1 0 0 0 0

1 0 0 0 0

0 1 0 0 0

1 0 1 0 0

0 1 1 0 0

0 0 1 0 0

0 1 1 0 0

1 1 1 0 0

2 1 1 0 0

0 1 1 0 0

0 2 1 0 0

0 0 0 0 0

1 4 1 1 0

2 5 1 1 0

1 1 1 1 0

1 1 1 0 0

1 1 1 0 0

0 0 0 0 0

Ewp Ptot P6 P7 P8

779 766 701 0.27 0.20 0.15 0.00 0.00 0.00 0.27 0.19 0.14 2.7E-05 4.7E-05 8.7E-05

15h

0 0 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 0

1 1 1 0 0

1 1 1 1 0

0 1 1 1 0

1 1 0 0 0

1 1 0 0 0

2 1 1 0 0

1 1 1 1 0

1 2 1 1 1

1 1 1 1 1

1 4 1 1 0

2 1 1 1 0

1 1 1 1 0

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

Ewp Ptot P6 P7 P8

799 774 727 1.41 0.80 0.34 1.00 0.46 0.07 0.39 0.30 0.25 3.7E-05 7.7E-05 1.0E-04

16h

0 0 0 0 0

1 0 0 0 0

0 0 0 0 0

1 1 1 0 0

1 1 1 1 1

0 1 1 1 1

1 1 0 0 0

1 1 0 0 0

2 1 1 1 0

1 1 1 1 0

1 2 1 1 1

1 1 1 1 1

1 4 1 1 0

2 1 1 1 0

1 1 1 1 0

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

Ewp Ptot P6 P7 P8

784 801 704 1.40 0.79 0.36 1.02 0.50 0.11 0.38 0.29 0.25 4.3E-05 8.0E-05 1.0E-04

17h

0 0 0 0 0

1 0 0 0 0

0 1 0 0 0

1 1 1 0 0

1 1 1 1 1

0 1 1 1 1

1 1 1 0 0

1 1 0 0 0

2 1 1 1 0

1 1 1 1 0

1 2 1 1 1

1 1 1 1 1

1 4 1 1 0

2 1 1 1 0

1 1 1 1 0

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

Ewp Ptot P6 P7 P8

767 757 580 1.39 0.79 0.37 1.04 0.52 0.14 0.35 0.27 0.23 4.7E-05 8.3E-05 1.0E-04

18h

0 1 0 0 0

1 1 0 0 0

1 1 0 0 0

1 1 1 0 0

1 1 1 1 1

0 1 1 1 1

1 1 1 0 0

1 1 0 0 0

2 1 1 1 0

1 1 1 1 0

1 2 1 1 1

1 1 0 1 1

1 4 1 1 0

2 1 1 3 0

1 1 1 1 0

1 1 0 1 1

1 0 0 0 1

1 0 0 1 1

Ewp Ptot P6 P7 P8

764 548 502 0.12 0.06 0.03 0.00 0.00 0.00 0.11 0.05 0.02 5.7E-05 8.0E-05 9.0E-05

8h

Figuur 25. Overzicht van de resultaten voor een zonnige hemel voor 8 tot 18 uur voor drie varianten. Variant v1 met 2 standen LTA =0(0) en LTA 1(1), variant v2 met 4 standen LTA = 0(0), 1/3(1), 2/3(2) en 1(3) en variant v3 met 8 standen LTA = 0(0), 1/7(1), 2/7(2), 3/(3)7, 4/7(4), 5/7(5), 6/7(6), 1(7). Ptot en P6 t/m P8 zijn gewogen waarden (αn.Pn)

4.4.2 Stap 2: Thermische simulaties TRNSYS De kantoorcase is gemodelleerd in TRNBuild. Vanuit TRNBuild wordt elke tijdstap data uitgevoerd naar TRNSYS. Dit betreft:

• • • • • •

binnentemperatuur transmissie verliezen en winsten ventilatie verliezen en winsten zoninstraling winst verwarming capaciteit koeling capaciteit


50 / 106

Vanuit TRNSYS is een link naar Excel gemaakt. In de VB-code van Excel is de Facet regeling geprogrammeerd. Gebruik makend van de data zoals hierboven beschreven, is vervolgens voor iedere tijdsstap bepaald hoe de isolatiewaarde (Rc) van de gevel, de zontoetreding (ZTA), de 3 ventilatie (dm /s) en de hoeveelheid warmteterugwinning op ventilatielucht om de gewenste comfort temperatuur te handhaven met een zo laag mogelijk energiegebruik voor verwarming en koeling. 4.4.3 Correctieve energiestroom (Qcor) In de Facet regel-module wordt bij iedere tijdsstap, de additionele warmtewinst of verliezen bepaald om de gewenste comfort temperatuur te verkrijgen. In de regel-module worden drie temperatuur set points gebruikt, zoals geïllustreerd in Figuur 26, zijnde: • Tcomf: de gewenste binnenluchttemperatuur. • Tcool: boven deze temperatuur vind actieve koeling plaats. • Theat: onder deze temperatuur vind actieve verwarming plaats.

Aanpak: Bepaling Qcor

Qcool>0

Qcor=-Qcool+DQair(Tcool Tcomf)

Tcool

Tcomf

Qcool=0

Qcor=DQair(Tinside  Tcomf)

Qheat=0

Theat Qheat>0

Qcor=Qheat+DQair(Theat Tcomf)

Figuur 26. Bepaling van de correctieve energiestroom Qcor

Als de binnenlucht temperatuur varieert tussen Theat en Tcool, vind er geen actieve verwarming of koeling plaats. In dit temperatuurbereik, wordt aangenomen dat een acceptabel percentage van gebruikers tevreden is over het thermisch comfort. De binnenlucht temperatuur kan hierbinnen in enige mate ‘free running’ variëren. De correctieve energiestroom(Qcor) is nu gebaseerd op de warmtecapaciteit van de ruimte (vloeren, wanden, lucht plus meubilair) en het temperatuurverschil met Tcomf. Op deze wijze probeert de FACET regeling zo veel mogelijk de Tcomf lijn te benaderen. Een negatieve Qcor betekent dat warmte verwijderd of tegengehouden moet worden. Een positieve Qcor betekent dat er behoefte is aan warmte. Als de binnenlucht temperatuur beneden Theat komt, wordt actieve verwarming ingeschakeld. De luchttemperatuur is dan oncomfortabel. In deze situatie dient Qcor te worden verhoogd met deze verwarmingscapaciteit. Als de binnenlucht temperatuur boven Tcool ligt wordt actief gekoeld, omdat de luchttemperatuur dan niet comfortabel meer is. Qcor wordt dan verhoogd met deze koelcapaciteit. Na het vaststellen van Qcor, kan voor iedere parameter worden vastgesteld hoe zij kunnen bijdragen in het reduceren van Qcor en kunnen de Facet parameters voor de volgende tijdstap aangepast worden.


51 / 106

4.4.4 Temperatuur set points Hoewel volgens het Programma van Eisen bredere grenzen aangehouden mogen worden zijn de set points bij de simulaties hier gebaseerd op ISSO74 [2] volgens de Adaptieve Temperatuur Gradiënt (ATG). Voor een ‘alpha’ gebouw/situatie betekent dit dat 90% van de gebruikers tevreden is, als binnen de boven- en ondergrens gebleven wordt: • Tcool = bovengrens met 90% tevreden gebruikers (Th90) • Theat= ondergrens met 90% tevreden gebruikers (Tl90) Afhankelijk van de buitentemperatuur zijn de setpoints volgens ISSO74 gegeven in Figuur 27. 35

temperature (C)

30 25 20 15 10 -10

-5

0 5 10 15 20 Tref (average Toutside over past 4 days)

Tcomf (ATG,alpha)

Tl90 (ATG, alpha)

25

30

Th90 (ATG, alpha)

Figuur 27. Adaptieve temperatuur grenswaarden volgens ISSO74

Om onnodige verwarming gedurende afwezigheid (bij kantoren nachten en weekenden) te voorkomen, wordt Theat gereduceerd onder deze omstandigheden. In aanvulling, kan zomernacht koeling worden toegepast door een tijdelijke verlaging van Tcomf toe te staan. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 28.


52 / 106

temperature (C)

25

20

15

10 0

6

Theat

12

Tl90

18

24 hours

Tcool/Th90

30

36

Tcomf

42

48

night cooling

Figuur 28. Dagelijks verloop van temperatuur set points, rekening houden met nacht/weekend verlaging en zomernacht koeling.

4.4.5 Energie stromen De energiestromen die beschouwd worden in het TRNBuild model (Qvent, Qsolar, etc.) zijn weergegeven in Figuur 29. In deze figuur zijn tevens de bijbehorende regelbare parameters (in cursief) aangegeven.

Overzicht warmtestromen

Qvent (ventilation level, HRU) Qsolar (shading)

Qvent, internal Qinternal Qtrans, internal

Qtrans (Rc) Qaccumulation Figuur 29. Energiestromen en regel parameters (cursief)

Zoals te zien in de figuur, wordt rekening gehouden met de warmte accumulatie van de interne wanden, vloer, en plafond. Er was echter geen mogelijkheid om een gevel in TRNSYS te simuleren met massa waarbij de Rc-waarde variabel kon zijn. De simulaties betreffen dus een gevel met lichte massa (alleen de massa van glas). De buffering van warmte, in geval van temperatuurverschillen, is dus beperkt en warmte transport door de gevel vindt vrij direct plaats, afhankelijk van de warmte weerstand (Rc- waarde). 4.4.5.1 Regeling parameters De Facet regel-module regelt: • de isolatie van de gevel (Rc-waarde). • de zontoetreding/zonwering. • de ventilatie. • de mate van warmteterugwinning.


53 / 106

En in toevoeging hierop: • kan de nachtverlaging aan of uit gezet worden. • kan de zonwering begrensd worden op behoud van de minimale, geoptimaliseerde daglichttoetreding. Voor het modelleren van de FACET gevel op een ‘inverse wijze’ zijn de volgende vereisten opgesteld voor het modelleren van de Facet gevel: 1) regelbare transparantie van 0 tot 100% (voor het totale spectrum van zonnestraling). 2 2) Rc-waarde regelbaar van bijna nul tot circa 10 [(m K)/W]. Het is bij een normale TRNSYS simulatie niet mogelijk om de ratio open/dicht, de isolatiewaarde of de laagdikte van isolatie te veranderen. In TRNBuild zijn verschillende manieren onderzocht om aan deze vereisten te kunnen voldoen. Het onderzoek heeft uiteindelijk geresulteerd in een aanpak waar de vereisten worden gehaald door gebruik te maken van een ‘window’ definitie ‘no glazing’ als gevel. Met behulp van externe zonwering is de transparantie regelbaar van 0 tot 100%. Met behulp van de interne zonwering, kan de Rc2 waarde geregeld worden van 0,001 tot 9,8 [(m .K)/W]. Het is mogelijk gebleken om in TRNBuild een gevel (raam) een bepaalde Rc-waarde te geven zonder de constructie te hoeven invoeren. Deze aanpak is uitgebreid onderzocht en hierbij zijn slechts kleine afwijkingen gevonden, waarmee het goed geschikt is voor het simuleren van de FACET gevel. In totaal zijn 14 isolatie niveau’s gesimuleerd ( 2 Tabel 6). In deze tabel zijn behalve de Rc-waarden [(m .K)/W], ook de corresponderende U-waarden 2 [W/(m .K)] gegeven, onder de aanname van een interne en externe warmteoverdrachtscoëfficiënt van 2 0,2 [(m .K)/W]. De isolatiewaarden zijn gekozen met een interval in U-waarde van ruwweg 0,5 2 [W/(m .K)]. Tussen de U-waarde 0,1 en 0,5 zijn additionele waarden gekozen met een Rc-waarde van 3, 5 en 7,5 omdat deze waarden praktische waarde hebben in de bouw. Tabel 6. Stappen in isolatieniveau (in Rc en U) (1)

Rc (m2K/W) 9.8 7.5 5.1 3.0 1.8 0.8 0.46 0.29 0.19 0.13 0.08 0.044 0.016 0.001 Noot:

U (W/m2k) 0.1 0.13 0.19 0.31 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 4.9

(1) De U-waarde is gebaseerd op een interne en externe overdrachtscoëfficiënt van 0,2 [(m2K)/W]


54 / 106

4.4.5.2 Regelvolgorde thermische simulaties De resultaten van stap 1 (daglichtsimulaties) dienen als input voor de thermische optimalisatie in stap 2. De werkwijze komt erop neer dat gestuurd wordt op Tcomf door (volgorderlijk) inzetten en variëren van: • Rc-waarde van de gevel • Zontoetreding/Zonwering (o.b.v. ondergrens minimale daglichttoetreding Radiance) • Ventilatiestroom • Warmteterugwinning/Bypass In het dynamische simulatieprogramma TRNSYS is de gevel als een ‘blackbox’ gedefinieerd. De isolatiewaarde en lichttoetreding kan onafhankelijk van elkaar worden gevarieerd door een binnenzonwering al dan niet een isolerende werking te geven en door een buitenzonwering de transparantie te laten regelen. Bij iedere tijdstap van 12 minuten wordt gesimuleerd welke waarden de gevelparameters dienen te krijgen om zo goed mogelijk binnen de bandbreedte van het thermisch comfort te blijven. De binnentemperatuur wordt hierbij zo veel mogelijk gestuurd op de T comf lijn door binnen iedere tijdstap de geveleigenschappen aan te passen aan de koel- of warmtevraag. De hierbij gevolgde regelstrategie is: Tabel 7. Regelvolgorde parameters voor FACET regeling

sequence

Heating-mode Toutside<Tinside Toutside>Tinside

1 2 3 4

vent< shading< Rc> HRU>

HRU< shading< Rc< vent>

Cooling-mode Toutside<Tinside Toutside>Tinside HRU< shading> Rc< vent>

vent< shading> Rc> HRU>

Aan de hand van de regelvolgorde in Tabel 7 wordt telkens bij ‘heating’ of ‘cooling’ stand eerst het ventilatievoud (Vent) of wtw (HRU) teruggebracht. De tweede stap is aanpassen van de zonwering, dit vanwege het feit dat zonwering een effectieve maatregel is voor oververhitting. De volgende stap is het aanpassen van de Rc-waarde. Hierbij is de aanname gedaan dat de Rc-waarde meer complex is om aan te passen en daarom bij voorkeur later wordt ingeschakeld. De laatste stap, vanwege het benodigde hulpenergiegebruik, is het laten toenemen van het ventilatievoud of warmteterugwinning.

4.5

Conclusies

Uit dit hoofdstuk kan geconcludeerd worden dat de mogelijkheden en beperkingen voor simulatie van adaptieve gebouwdelen in gebouwsimulatietools in kaart zijn gebracht. Er zijn twee verschillende strategieën uitgevoerd voor de inverse aanpak met bestaande simulatietools, te weten 1) een multiobjective optimisation en 2) een sequentiële benadering. Voor de multi-objective benadering is een “Toolchain” ontwikkeld voor het gekoppeld simuleren en optimaliseren van FACET met open-source programma’s. Jaarberekeningen zijn echter nog niet praktisch vanwege de te lange rekentijd. Koppeling van ESP-r met BCVTB voor meer vrijheid van simuleren geavanceerde regelstrategieën in algemene zin is beschikbaar gemaakt. Deze aanpak geeft inzicht in de dynamische trade-offs tussen de verschillende prestatieaspecten en heeft input gegenereerd voor gewenst bereik van gevelparameters Bij de sequentiële aanpak worden eerst door middel van de superpositie aanpak in Radiance verschillende gevelvarianten gesimuleerd om de geoptimaliseerde daglichttoetreding te bepalen.


55 / 106

Vervolgens worden deze Radiance resultaten als uitgangspunt voor minimale daglichttoetreding aan de TRNSYS simulaties gekoppeld. Deze regeling van de gevel op basis van energiebalans geeft de mogelijkheid om het energiebesparingspotentieel van FACET (op jaarbasis) voor de verschillende toepassingsgebieden kantoor, school en appartement adequaat te kunnen simuleren.

4.6

Literatuur, bronnen

Literatuur methode 1: Multi objective optimisation Aries, M. B. C., Veitch, J. A., & Newsham, G. R. (2010). Windows, view, and office characteristics predict physical and psychological discomfort. Journal of Environmental Psychology, 30(4), 533–541. doi:10.1016/j.jenvp.2009.12.004 Bakker, L. G., Oeffelen, E. C. M. H., Loonen, R. C. G. M., & Hensen, J. L. M. (2014). User satisfaction and interaction with automated dynamic facades : A pilot study. Building and Environment, 78, 44–52. doi:10.1016/j.buildenv.2014.04.007 Clarke, J. A., Cockroft, J., Conner, S., Hand, J. W., Kelly, N. J., Moore, R., … Strachan, P. (2002). Simulation-assisted control in building energy management systems. Energy and Buildings, 34(9), 933–940. doi:10.1016/S0378-7788(02)00068-3 Coffey, B. (2013). Approximating model predictive control with existing building simulation tools and offline optimization. Journal of Building Performance Simulation, 6(3), 220–235. doi:10.1080/19401493.2012.737834 Coffey, B., Haghighat, F., Morofsky, E., & Kutrowski, E. (2010). A software framework for model predictive control with GenOpt. Energy and Buildings, 42(7), 1084–1092. doi:10.1016/j.enbuild.2010.01.022 Evins, R., & Orehounig, K. (2014). A bi-level design and operation optimisation process applied to an energy centre. In Proceedings of Building Simulation and Optimizazation BSO2014. London, UK. Gosselin, J. R., & Chen, Q. (2008). A Dual Airflow Window for Indoor Air Quality Improvement and Energy Conservation in Buildings A Dual Airflow Window for Indoor Air Quality Improvement and Energy Conservation in Buildings. HVAC&R Research, 14(3), 359–372. Hellinga, H., & Hordijk, T. (2014). The D&V analysis method: A method for the analysis of daylight access and view quality. Building and Environment, 79, 101–114. doi:10.1016/j.buildenv.2014.04.032 Henze, G. P., & Neumann, C. (2011). Building simulation in building automation systems. In J. L. M. Hensen & R. Lamberts (Eds.), Building Performance Simulation for Design and Operation (pp. 402–440). Routledge. Hoes, P., Loonen, R. C. G. M., Trčka, M., & Hensen, J. L. M. (2012). Performance prediction of advanced building controls in the design phase using ESP-r, BCVTB and Matlab. In Proceedings of Building Simulation and Optimization. Loughborough, UK. Jakubiec, J., & Reinhart, C. (2011). The “adaptive zone” - A concept for assessing discomfort glare throughout daylit spaces. Lighting Research and Technology, 44(2), 149–170. doi:10.1177/1477153511420097


56 / 106

Janak, M., & Kainberger, R. (2009). INTEGRATED BUILDING ENERGY AND LIGHTING SIMULATION IN THE FRAMEWORK OF EU PV – LIGHT PROJECT Slovak University of Technology , Civil Engineering Faculty , Department of Building Constructions , Radlinského 11 , 813 68 Bratislava , Slovakia TAS Bauphysik ,, 1671–1677. Kasinalis, C., Loonen, R. C. G. M., Cóstola, D., & Hensen, J. L. M. (2013). Framework for assessing the performance potential of seasonally adaptable facades using multi-objective optimization. Energy and Buildings, Submitted. Loonen, R. C. G. M., Hoes, P., & Hensen, J. L. M. (2014). Performance prediction of buildings with responsive building envelopes - some challenges and solutions. In Proceedings of Building Simulation and Optimization. Loonen, R. C. G. M., Trčka, M., Cóstola, D., & Hensen, J. L. M. (2013). Climate adaptive building shells: State-of-the-art and future challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 25, 483–493. doi:10.1016/j.rser.2013.04.016 Loonen, R. C. G. M., Trčka, M., & Hensen, J. L. M. (2011). Exploring the potential of climate adaptive building shells. In Proceedings of Building Simulation 2011 (pp. 2148–2155). Sydney, Australia. Mardaljevic, J., Andersen, M., Roy, N., Christoffersen, J., Gateway, T., Enac, E., & Lipid, I. A. (2012). Daylighting metrics: is there a relationship between useful daylight illuminance and daylight glare probability. In Proceedings of Building Simulation and Optimization (pp. 189–196). May-Ostendorp, P., & Henze, G. (2013). Experimental investigation of model predictive control-based rules for a radiantly cooled office. HVAC&R Research, (July 2013), 37–41. Retrieved from http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10789669.2013.801303 NEN5060. (2008). Hygrothermal performance of buildings - Climatic reference data. Netherlands Standardization Institute (NEN). Oldewurtel, F., Parisio, A., Jones, C. N., Gyalistras, D., Gwerder, M., Stauch, V., … Morari, M. (2012). Use of model predictive control and weather forecasts for energy efficient building climate control. Energy and Buildings, 45, 15–27. doi:10.1016/j.enbuild.2011.09.022 Piccolo, A., & Simone, F. (2009). Effect of switchable glazing on discomfort glare from windows. Building and Environment, 44(6), 1171–1180. doi:10.1016/j.buildenv.2008.08.013 Prívara, S., Cigler, J., Váňa, Z., Oldewurtel, F., Sagerschnig, C., & Žáčeková, E. (2012). Building modeling as a crucial part for building predictive control. Energy and Buildings, (2010). doi:10.1016/j.enbuild.2012.10.024 Reinhart, C. F., & Wienold, J. (2011). The daylighting dashboard – A simulation-based design analysis for daylit spaces. Building and Environment, 46(2), 386–396. doi:10.1016/j.buildenv.2010.08.001 Sary Khanie, M., Stoll, J., Mende, S., Wienold, J., Einhäuser, W., & Andersen, M. (2013). Uncovering relationships between view direction patterns and glare perception in a daylit workspace. In Proceedings of LUXEUROPA 2013 (pp. 1–6). Wienold, J. (2009). Dynamic daylight glare evaluation. In Proceedings of Building Simulation 2009 (pp. 944–951).


57 / 106

Wienold, J., & Christoffersen, J. (2006). Evaluation methods and development of a new glare prediction model for daylight environments with the use of CCD cameras. Energy and Buildings, 38(7), 743–757. doi:10.1016/j.enbuild.2006.03.017 Wigginton, M., & Harris, J. (2002). Intelligent Skins. Oxford: Butterworth-Heinemann. Wright, J. a., Brownlee, A., Mourshed, M. M., & Wang, M. (2014). Multi-objective optimization of cellular fenestration by an evolutionary algorithm. Journal of Building Performance Simulation, 7(1), 33–51. doi:10.1080/19401493.2012.762808 Wyckmans, A. (2005). Intelligent Building Envelopes - Architectural Concept & Applications for Daylighting Quality. History and Technology. PhD Thesis. Norwegian University of Science and Technology.

Literatuur methode 2: Sequentiële benadering Bakker, L.G., De Boer, B., De Wilde, P.J.C.J., Van Der Voorden, M. 2009. Ontwikkeling van gebouwschillen met variabele, klimaat gestuurde eigenschappen, Climate Adaptive Building Shells. TVVL Magazine, 6-11. Van Putten, J., De Goot, E. 2002 .Energetisch optimaal gebruik van daglicht in kantoorgebouwen. Delft, TNO.Bakker, L.G., De Boer, B., De Wilde, P.J.C.J., Van Der Voorden, M. 2009. Ontwikkeling van gebouwschillen met variabele, klimaat gestuurde eigenschappen, Climate Adaptive Building Shells. TVVL Magazine, 6-11. Velds, M., 2002. Assessment of lighting quality in office rooms with daylighting systems Online resource,.L.,S.n.Bakker, L.G., De Boer, B., De Wilde, P.J.C.J., Van Der Voorden, M. 2009. Ontwikkeling van gebouwschillen met variabele, klimaat gestuurde eigenschappen, Climate Adaptive Building Shells. TVVL Magazine, 6-11. NEN-EN 12464-1-2002, ISO/CIE 8995-1-2002., Light and lighting – Lighting of work places Delft, Normalisatie Instituut.Bakker, L.G., De Boer, B., De Wilde, P.J.C.J., Van Der Voorden, M. 2009. Ontwikkeling van gebouwschillen met variabele, klimaat gestuurde eigenschappen, Climate Adaptive Building Shells. TVVL Magazine, 6-11. Begemann, S. H. A., van den Beld, G. J., Tenner, A. D., 1997, Daylight, artificial light and people in an office environment, overview of visual and biological responses, International Jourmnal of Industrial Ergonomics, 20, 231-239 Bakker, L.G., De Boer, B., De Wilde, P.J.C.J., Van Der Voorden, M. 2009. Ontwikkeling van gebouwschillen met variabele, klimaat gestuurde eigenschappen, Climate Adaptive Building Shells. TVVL Magazine, 6-11. Van Dijk H.A.L. 2001. Performance, durability and sustainability of advanced windows and solar components for building envelopes. Task 27 Performance of solar façade components. Delft, IEA and TNO. Bakker, L.G., De Boer, B., De Wilde, P.J.C.J., Van Der Voorden, M. 2009. Ontwikkeling van gebouwschillen met variabele, klimaat gestuurde eigenschappen, Climate Adaptive Building Shells. TVVL Magazine, 6-11. Bourgeois, D., Reinhart, C. F.m Ward, G., 2008, Standard daylighting model for dynamic daylighting simulations, Building Research & Information, 36: 1, 68 - 82TRNSYS/TRNFlow 16.1 www.trnsys.com. 2008 “Thermische behaaglijkheid; eisen voor de binnentemperatuur in gebouwen”, publicatie 74, ISSO, Rotterdam, maart 2004.


58 / 106

NPR 2917, Rekenprogramma bij NEN 2916:2004 incl. A1:2008, Energieprestatie van utiliteitsgebouwen, Nederlands Normalisatie Instituut, Delft, 2009 Bouwbesluit 2012 NEN 8088-1, Ventilatie en luchtdoorlatendheid van gebouwen. Bepalingsmethode voor de toevoerluchttemperatuur gecorrigeerde ventilatie- en infiltratieluchtvolumestromen voor energieprestatieberekeningen. Deel 1: Rekenmethode, Nederlands Normalisatie Instituut, Delft, 2011 NEN 5138, Warmteterugwinning in gebouwen, Nederlands Normalisatie Instituut, Delft, 2004 VLA methodiek gelijkwaardigheid voor energiebesparende ventilatieoplossingen in woningen, VLA, 2013


59 / 106

5 Resultaten FACET simulaties Voor verschillende toepassingsgebieden zoals kantoren, appartementen en scholen, zie Figuur 30 zijn middels case studies de FACET varianten gesimuleerd en is het energiebesparingspotentieel bepaald door een vergelijking met de referentie (nieuwbouw) situatie.

Kantoor

School

Appartement

Figuur 30 Verschillende toepassingsgebieden (kantoren, scholen en appartementen) voor FACET

5.1 5.1.1

Resultaten case study kantoorvertrek Lay out

Als case study is een kantoorcel gemodelleerd van 3,6 m breed, 5,4 m diep en 3 m hoog (zie Figuur 2 31). Dit geeft een vloeroppervlakte van circa 20 m . De kantoorcel grenst aan weerskanten aan soortgelijke kantoorruimtes en aan de gang. De kantoorcel is gesitueerd op een tussengelegen verdieping. De binnenmuren zijn lichte systeem wanden (gipsplaat, minerale wol, gipsplaat). De vloeren zijn vervaardigd uit holle kanaalplaatvloeren met een verlaagd plafond.

5.4

Figuur 31 Plattegrond kantoorcel


60 / 106

2

De totale geveloppervlakte bedraagt 12,6 m en is opgezet als aangegeven in Tabel 8. Voor het 2009 referentie kantoor en het passiefkantoor bestaat de gevel (van buiten naar binnen) uit: 10 cm ++ baksteen, luchtspouw, isolatie, 20 cm beton. De beglazing bestaat uit HR glas met een g-waarde 2 2 van 0.6 en een U-waarde van 1,1 W/m K voor het 2009 kantoor en 0,8 W/m K voor het referentie passiefkantoor. Zie onderstaande tabel voor een overzicht van de belangrijkste gevelparameters. Tabel 8 Facet eigenschappen en regelmogelijkheden versus referentiesituatie

Facet

Referentie

Rc (m K/W) totale gevel

0,001 t/m 9,8

1,9

Ventilatie

niet aanwezig: aanwezig: passieve koeling:

Warmte terugwinning (2) Zonwering

0 tot 95% 0 tot 0,946

Verwarming (actief)

set point Tl90 bij aanwezigheid

70% 0 tot 0,9 gebaseerd op zoninstraling (geen zonwering op Noordzijde) set point Tcomf (28/9 tot 26/4) of Tl90 (27/4 tot 27/9) bij aanwezigheid

Koeling (actief)

set point Th90

set point Th90

Verlichting

aanwezigheid gestuurd, daglicht gestuurd

aanwezigheid gestuurd

2

Noot:

3

9 dm /s 3 22 dm /s 3 tot 60 dm /s

3

(1)

niet aanwezig: 9 dm /s 3 (1) ‘s nachts: 22 dm /s 3 (1) aanwezig woonkamer: 29 dm /s 3 passieve koeling: 60 dm /s

(1) In combinatie met warmte terugwinning (wtw). In het geval van passieve koeling, is er geen wtw (2) Deze maximale zonweringswaarden hebben ruwweg dezelfde minimale zontoetreding en visueel comfort rekening houdend met de transparante oppervlakte

5.1.2 Energiebesparingspotentieel De resultaten voor de met de FACET gebouwschil te bereiken energiebesparing bij een kantoorvertrek zijn weergegeven in onderstaande figuur.

Figuur 32. Resultaten energiebesparing kantoorvertrek


61 / 106

De energiebesparing voor verwarmen en koelen en verlichting is met de FACET gebouwschil zeer groot. De verwarmingsbehoefte kan nagenoeg geëlimineerd worden en de koelbehoefte kan circa gehalveerd worden. De post verlichting kan door de FACET regeling eveneens circa gehalveerd worden en na inzet van energiezuinige verlichting nog met 80% verder teruggebracht worden. Het totale energiegebruik wordt bij de FACET variant in totaal met circa een factor 10 gereduceerd ten opzichte van de referentiesituatie.

5.2 5.2.1

Resultaten case study school/klaslokaal Lay out

Een referentie klaslokaal van een schoolgebouw is gemodelleerd volgens Figuur 33. De afmetingen 2 zijn: breedte 7m, diepte 7m en hoogte 3m. De vloeroppervlakte bedraagt circa 49 m . Het klaslokaal grenst aan weerszijden en aan de onder en bovenzijde aan soortgelijke lokalen. Aan een kant grenst het klaslokaal aan de gang. De vloer is van beton. De binnenwanden zijn lichte systeemwanden bestaande uit gipsplaat, minerale wol, gipsplaat.

Figuur 33. Layout van klaslokaal

De gevel in het linkerdeel bestaat uit 10 cm baksteen, luchtspouw, isolatie en 20 cm beton. De ++ beglazing van het referentie klaslokaal bestaat uit HR beglazing met een g-waarde van 0.6 en een 2 2 U-waarde van 1,8 W/m K. Het totale geveloppervlak is 21 m Zie Tabel 9voor een overzicht van de belangrijkste gevelparameters.

Tabel 9. Facet eigenschappen en regelmogelijkheden versus referentiesituatie

Facet 2

Rc (m K/W) totale gevel Ventilatie

0,001 t/m 10


0 tot 95% 0 tot 0,96

Referentie (1)


2

3

5 dm /s 3 150 dm /s 3 tot 335 dm /s

1,9 (7 m dichte gevel Rc=3,0; 14 2 m glas U=1,1) 3 (2) niet aanwezig: 0 dm /s 3 (2) aanwezig: 150 dm /s 3 passieve koeling: tot 333 dm /s 70% 0 tot 0,9 gebaseerd op zoninstraling (geen zonwering op Noordzijde)


62 / 106

Verwarming (actief)


set point Tcomf (28/9 tot 26/4) of Tl90 (27/4 tot 27/9) bij aanwezigheid

Koeling (actief) Verlichting

set point Th90 aanwezigheid gestuurd, daglicht gestuurd

set point Th90 aanwezigheid gestuurd

Noot:

(1) (2) (3)

De Facet gevel kan compleet niet-transparant of compleet transparant of een mix zijn, met de gegeven eigenschapen. In combinatie met warmte terugwinning (wtw). In het geval van passieve koeling, is er geen wtw. Deze maximale zonweringswaarden hebben ruwweg dezelfde minimale zontoetreding en visueel comfort rekening houdend met de transparante oppervlakte

5.2.2 Energiebesparingspotentieel De resultaten voor de met de FACET gebouwschil te bereiken energiebesparing bij een kantoorvertrek zijn weergegeven in onderstaande figuur.

Figuur 34. Resultaten energiebesparing klaslokaal

De simulaties van de ‘klaslokaal case’ tonen eveneens een zeer groot energiebesparingspotentieel voor FACET. Ten opzichte van de referentie kan circa 85% bespaard worden op het totaal de posten koeling, verwarming en verlichting. Net als bij de kantoor case, kan na het inzetten van extra zuinige verlichting nog meer bespaard worden op verlichting. De totale energiebehoefte tot 6% van het referentie energiegebruik kunnen worden gereduceerd.

5.3

Resultaten case study appartement

5.3.1 Lay out De woonkamer van een appartement is gemodelleerd volgens de layout van Figuur 35. De 2 afmetingen zijn: breedte 5,7m, diepte 7,2m en hoogte 2,6m. De vloer oppervlakte is circa 41 m . Het appartement is aangrenzend aan soortgelijke appartementen onder, boven en aan weerszijden. (dit in afwijking van Figuur 35 waarbij een externe wand aan de rechterzijde getekend is). De gevel van het lagere deel grenst aan een gang, met een vergelijkbare binnentemperatuur. De vloer bestaat uit beton. De binnenwanden zijn lichte systeemwanden (gipsplaat, minerale wol, gipsplaat).


63 / 106

Figuur 35. Layout van appartement

De gevel in het bovenste deel van Figuur 35 is zuid georiënteerd en bestaat uit 10 cm baksteen, luchtspouw, isolatie, 20 cm beton. De beglazing van het appartement bestaat uit HR++ glas met een 2 2 g-waarde van 0,6 en een U-waarde van 1,8 W/m K. De totale geveloppervlakte is 14,6 m . De uitgangspunten en aannames voor de regeling en eigenschappen van de referentiesituatie en het gesimuleerde FACET appartement zijn hieronder weergegeven.

Tabel 10. Facet eigenschappen en regelmogelijkheden versus referentiesituatie appartement

Facet 2

Referentie (1)

2

Rc (m K/W) totale gevel

0,001 t/m 10

0,44 (1,6 m dichte gevel Rc=2,8; 2 13,2 m glas U=1,8)

Ventilatie



0 tot 95% 0 tot 0,946

Verwarming (actief)


70% 0 tot 0,9 gebaseerd op zoninstraling (geen zonwering op Noordzijde) set point Tcomf (28/9 tot 26/4) of Tl90 (27/4 tot 27/9) bij aanwezigheid

Koeling (actief)

set point Th90

set point Th90

Verlichting

aanwezigheid gestuurd, daglicht gestuurd

aanwezigheid gestuurd

3

9 dm /s 3 22 dm /s 3 tot 60 dm /s

3

(2)

niet aanwezig: 0 dm /s 3 (2) aanwezig: 22 dm /s 3 (2) aanwezig woonkamer: 29 dm /s 3 passieve koeling: tot 60 dm /s

Er zijn twee verschillende gebruikerspatronen gedefinieerd voor de woonkamer van het appartement namelijk: twee werkende personen met lage aanwezigheid en twee oudere bewoners met grotere aanwezigheid. In het geval van de werkende personen is aangenomen dat zij aanwezig zijn van 06:00 tot 7:00 en van19:00 tot 23:00 gedurende werkdagen en van 8:00 tot 23:00 gedurende de


64 / 106

weekeinden. In het geval van de twee oudere personen is aangenomen dat zij iedere dag aanwezig zijn van 8:00 tot 23:00. 5.3.2 Energiebesparingspotentieel De resultaten voor de met de FACET gebouwschil te bereiken energiebesparing bij een appartement zijn weergegeven in onderstaande figuur.

Figuur 36. Resultaten energiebesparing appartement

De warmtevraag is met een factor 100 tot 300 teruggebracht en zo goed als geëlimineerd tot 0,3% respectievelijk 0,7% voor de twee werkende bewoners en de twee oudere bewoners. Ook de koelvraag is gereduceerd tot 4% respectievelijk 12% voor de twee werkende bewoners en de twee oudere bewoners. De reductie voor verlichting is 35% respectievelijk 53% voor de twee werkende bewoners en de twee oudere bewoners. De verlichtingsenergie is hoger voor de twee ouderen omdat kunstlicht alleen gebruikt wordt bij aanwezigheid. De verlichtingsenergie uit de referentie (uitgangspunt 80 W) kan aanvullend met 80% gereduceerd worden door de toepassing van energie efficiënte verlichting. 5.4

Conclusies

Bij de sequentiële aanpak worden eerst door middel van de superpositie aanpak in Radiance verschillende gevelvarianten gesimuleerd om de geoptimaliseerde daglichttoetreding te bepalen. Vervolgens worden deze Radiance resultaten als uitgangspunt voor minimale daglichttoetreding aan de TRNSYS simulaties gekoppeld. Deze regeling van de gevel op basis van energiebalans geeft uitstekende resultaten voor het bepalen van het energiebesparingspotentieel op jaarbasis. Voor de verschillende toepassingsgebieden kantoor, school en appartement bedraagt het energiebesparingspotentieel circa een factor 10 tot 15 ten opzichte van de referentiesituaties. De simulaties hebben geleid tot de volgende inzichten: 1) De potentiele energiebesparing van een dynamische FACET gebouwschil is zeer groot en bedraagt circa een factor 10 ten opzichte van de referentiesituatie bij kantoren, en circa een factor 15 bij scholen en appartementen 2) Het FACET concept laat voor de verschillende toepassingsgebieden (scholen, kantoren, appartementen) een uitstekend besparingspotentieel zien. 3) Zowel de warmte- en koelvraag als energiegebruik voor verlichting kunnen binnen de gestelde reikwijdte van variabele geveleigenschappen en de geoptimaliseerde ondergrens voor daglichttoetreding enorm worden teruggebracht . 4) Het energiegebruik voor verlichting wordt dominant bij de FACET toepassingen


65 / 106

5) Met een comforttemperatuur gestuurde, snel reagerende (integrale) regeling voor daglicht, zonwering, ventilatie en isolatie kunnen zeer goede resultaten worden gehaald, dus zelfs zonder gebruik te maken of anticiperen op weersvoorspellingen. 6) De volgorde van de aansturing van gevelparameters (ventilatie, isolatie, zonwering en daglichttoetreding) is bepalend voor de resulterende maximale en minimale waarde van de parameters. Met verschillende volgorde voor de regeling kunnen vergelijkbare resultaten worden gehaald.


66 / 106

6 Gebruikersaspecten experimenteel onderzoek Voorgaande hoofdstukken laten zien dat adaptieve, dynamische gevels (FACET) een belangrijke rol kunnen spelen bij het reduceren van het energie gebruik en het realiseren van een goed binnenklimaat. Automatisch geregelde gevels hebben echter een bedenkelijke reputatie. Voorbeelden van storende zonweringen die bij elk wolkje met een hoop akoestisch geweld in en daarna weer uit gaan zijn algemeen bekend. Op dit moment zijn er geen ontwerprichtlijnen beschikbaar voor automatiseerde gevelsystemen. Ook voor het ontwerp van regelingen van deze façades zijn er nog veel onbeantwoorde vragen over de interactie tussen dynamische gevelonderdelen en beleving van gebruikers in termen van ervaren binnenklimaat en verstoring. Deze onzekerheid frustreert productontwikkeling van adaptieve gevels. Binnen het FACET project is daarom een beperkt gebruikersonderzoek uitgevoerd om meer inzicht te krijgen in aspecten die daarbij een rol spelen. 6.1

Introductie

Omdat er zoveel vragen zijn over dit specifieke onderwerp is dit projectonderdeel gestart met een tweetal workshops waar FACET-deelnemers, externe experts en mensen uit de markt aan hebben deelgenomen. Uit deze workshops is naar voren gekomen dat het wel duidelijk is welke mechanismen in dit kader een rol spelen. Naast voldoende lichtsterkte en verblinding zijn aspecten zoals bijvoorbeeld geluidoverlast, mogelijke verstoring door veranderingen, gevoel van controle, gevoel dat het systeem “logisch” werkt. In navolging daarvan zijn een aantal vragen naar voren gekomen zoals: worden meerdere kortdurende bewegingen minder storend ervaren ten opzichte van minder bewegingen die langer duren. Wat het effect is van het kunnen overrulen van de regeling en of het logisch ervaren van de regeling tot een betere ervaring leid. Een selectie van deze vragen is vertaald naar een aantal hypothesen die in het beperkte gebruikersonderzoek zijn onderzocht. Hypothesen H1. Bewegingen in de gevel zijn een directe aanleiding voor overlast en discomfort. H2. Frequente maar geleidelijke veranderingen worden als minder hinderlijk ervaren dan minder frequente veranderingen over grotere afstand. H3. Gebruikers die de mogelijkheid hebben om de bewegingen die de gevel maakt te kunnen overrulen ervaren de bewegende gevel als minder hinderlijk dan wanneer ze niet de mogelijkheid hebben om de bewegingen te overrulen. H4. Gebruikers ervaren beweging in de gevel als minder hinderlijk als de beweging voor hen logisch is (bijv. doordat hinder door verblinding wordt weggenomen) dan wanneer de beweging geen logische reden heeft. 6.2 6.2.1

Aanpak Testomgeving

De experimenten zijn uitgevoerd door TNO in het daglicht laboratorium (5.4 x 3.6 x 2.7 m), zie Figuur 37. van de Technische Universiteit Eindhoven. De westgevel van deze testruimte is voorzien van volledige beglazing. Aan de binnenkant is een prototype geautomatiseerde dynamische gevel aangebracht in de vorm van gemotoriseerde, niet transparante rolgordijnen. De positie van de rolgordijnen kan worden ingesteld met een speciaal hiervoor ontwikkelde microcontroller gestuurde regeling. De gebruikte motoren zijn de Somfy Sonesse 30 DCT motoren. Deze zijn gebruikt in de laagste stand om het geluid te minimaliseren, zodanig dat het nauwelijks hoorbaar is in het centrum


67 / 106

van de ruimte. De rolgordijnen die volledig van boven naar beneden kunnen worden gestuurd en de rolgordijnen die volledig van onder naar boven kunnen worden gestuurd zijn gebruikt voor de proeven.

Figuur 37. Overzicht van de testruimte. Rolschermen volledig open (links). Kleine foto’s (rechts) met verschillende gevelconfiguraties.

De proeven hebben in april en mei plaatsgevonden, waarbij de proefpersoon was alleen in de ruimte. De proefpersonen hebben achter een bureau gezeten, circa 1,5 meter van de gevel. Verschillende lichtsensoren zijn in de ruimte en op de werkplek aangebracht en bemeten om zowel de daglicht situatie in de ruimte als op de werkplek te kunnen monitoren. Op de werkplek zijn de horizontale en verticale lichtsterktes gemeten. Daarnaast is de positie van de rolgordijnen gemonitord. In een aantal scenario’s zijn de proefpersonen in staat gesteld om de automatische aansturing van de rolgordijnen te overrulen. Voor deze overrule acties is een gebruiksvriendelijke user-interface ontwikkeld en toegepast, zie Figuur 38. Met de gebruikersinterface konden de zowel de bovenste als de onderste rolgordijnen bedienen waarmee het transparante deel van de gevel groter en kleiner kon worden gemaakt en waarmee de positie van het transparante deel in de gevel kon worden ingesteld.

Figuur 38. User-interface voor interventie van de automatische gevel regeling.

6.2.2 Proefpersonen In totaal hebben 26 proefpersonen (10 mannen, 16 vrouwen) deelgenomen aan de experimenten. De gemiddelde leeftijd was 22,4 jaar met een standaarddeviatie van 3,0 jaar. Alle proefpersoenen hebben aan een computer gewerkt en waren gewend aan een computer te werken. Alle proefpersoenen hebben normale kantoor werkzaamheden verricht tijdens het onderzoek. Deelnemers konden gebruik maken van een aanwezige computer of op een eigen laptop werken. De deelnemers


68 / 106

hebben een kleine vergoeding ontvangen voor deelname aan het onderzoek. Een deel van deze proefpersonen is (gedeeltelijk) uit de dataset verwijderd omdat de vragenlijst niet volledig was ingevuld of omdat in een enkel geval de gevel niet functioneerde als voorzien. 6.2.3 Scenario’s en sessies Elk proefpersoon heeft 4,5 uur deelgenomen aan het experiment. Tijdens de experimenten zijn de proefpersonen onderworpen aan de verschillende scenario’s waarbij reacties op de verschillende scenario’s, verschillen in aansturing en mogelijkheden voor gebruikers interventie in kaart zijn gebracht en geëvalueerd. Alle experimenten zijn uitgevoerd op dezelfde tijd in de middag omdat de testgevel op het westen is georiënteerd en ook de respons bij direct zonlicht interessant is. De proefpersonen begonnen om 12:30 ‘s middags. met een wenperiode van 15 minuten. Tijdens deze periode konden proefpersonen wennen aan de testomgeving, de gevel, het systeem voor de vragenlijsten etc. In deze 15 minuten, hadden proefpersonen ook de gelegenheid om de gebruikersinterface te leren kennen waarmee de regeling kan worden overruled. Het doel van het onderzoek is niet gedeeld met de proefpersonen. Na deze 15 minuten zijn proefpersonen steeds aan vier verschillende scenario’s onderworpen die ieder een uur duurden, zie Figuur 39:

S1. De rolschermen boven en onder worden automatisch aangestuurd. De positie is vooraf vastgesteld. De schermen bewegen elke 10 minuten met over een afstand van 20 cm. S2. De rolschermen boven en onder worden automatisch aangestuurd. De positie is vooraf vastgesteld. De schermen bewegen elke 2 minuten met over een afstand van 5 cm. S3. De rolschermen boven worden automatisch geregeld. De regelstrategie reageert op de daglicht condities. De positie van de onderste rolschermen is vast. De positie van de bovenste rolschermen wordt continu aangepast om verblinding te vermijden terwijl voldoende licht op het werkvlak wordt gehandhaafd (boven 500 lux). S4. De rolschermen boven worden automatisch aangestuurd. De regelstrategie reageert op de daglicht condities. De positie van de onderste rolschermen is vast. De positie van de bovenste rolschermen is vooraf vastgesteld. De schermen bewegen elke 10 minuten met over een afstand van 20 cm. Session 1 Scenario 1

Session 2 Scenario 2

Scenario 3

Scenario 4

Figuur 39. Overzicht van de procedure in twee sessies in totaal vier uur durende scenario’s. Elk scenario is getest met en zonder de optie om interventie te plegen op de regeling met de gebruikersinterface. De positie van de bovenste rolschermen zijn in scenario 3 afhankelijk van de daglicht omstandigheden en daarom verschillende per experiment.

Alle scenario’s zijn getest met en zonder de mogelijkheid om te overrulen met de gebruikersinterface (30 minuten). In totaal zijn er dus acht verschillende scenario’s uitgevoerd. De volgorde van de


69 / 106

scenario’s was verschillend bij de verschillende proefpersonen om effecten van verschillen in volgorde te adresseren. Echter, scenario’s 1 en 2 zijn altijd getest gedurende de eerste sessie van het experiment en scenario’s met interventie optie zijn altijd gedurende de tweede helft van de sessie getest. Gebruikers werd toegestaan om de testruimte te verlaten na elk scenario en werden aangemoedigd om dat te doen halverwege het experiment (tussen sessie 1 en sessie 2). 6.2.4 Vragenlijsten Questionnaire Proefpersonen zijn drie keer tijdens elk scenario uitgevraagd middels een web-based questionnaire. De meeste vragen konden worden beantwoord op een visueel analoge schaal. Andere vragen bestonden uit een keuzes uit een aantal vaste opties (Zie Tabel 11) . Afhankelijk van de scenario’s en gebruikers reacties, bestond elke questionnaire uit 7 tot 17 vragen. Bij een positief antwoord op vraag QA7, of beweging van een rolscherm was waargenomen, werden zeven additionele vragen gesteld over de perceptie van de gebruiker t.a.v. de beweging (QB1-7). Alleen in situaties met de mogelijkheid om interventie te plegen, werd proefpersonen gevraagd over de perceptie van de mogelijkheid om te interveniëren (QC1-3). Tabel 11.

Overzicht van de vragen in de questionnaire. A-vragen die tijdens elk scenario zijn gevraagd. B-vragen die zijn als proefpersonen beweging in de gevel hebben opgemerkt. C-vragen zijn gesteld tijdens scenario’s met de mogelijkheid te overrulen. D-vragen zijn gesteld aan het eind van elke proef.

ID A1

Question How do you assess the current illuminance level on the work plane?

A2

How satisfied are you with the current illuminance level on the work plane?

A3

How do you assess the current illuminance level of the room in general?

A4

How satisfied are you with the current illuminance level of the room in general?

A5

Were you disturbed by glare (e.g. by direct sunlight, bright sky, or bright walls) in the previous period? How satisfied are you with the current view to outside?

A6 A7

Have you noticed movement of the automated facade in the previous period?

B1

To what extent did you observe facade movement?

B2

How did you experience the movement of the facade in the previous period?

B3

How did you experience the sound induced by the automated facade in the previous period?

B4

B6

Were you distracted from your work due to the movement of the facade in the previous period? How do you assess the fact that the shape and position of the window are now different (not considering view)? How do you assess the fact that the view to the outside is now different?

B7

Do you assess the changed facade configuration as an improvement?

C1

What type of adaptation did you do?

C2

What was your reason for overruling the position of the roller shades?

C2*

What is the reason that you decided not to overrule the position of the roller shades? How satisfied are you with having the ability for overruling the position of the roller shades?

B5

C3

Score -100 100 Too low Too high -100 100 Very dissatisfied Very satisfied -100 100 Too low Too high -100 100 Very dissatisfied Very satisfied 0 100 Not at all Very much -100 100 Very dissatisfied Very satisfied Yes / No

0 Not at all -100 Very annoying

100 Very obvious 100 Absolutely not annoying -100 100 Very annoying Absolutely not annoying 0 100 Not at all Very much -100 100 Very unpleasant Very pleasant -100 100 Very unpleasant Very pleasant 0 100 Not at all Very much Increase window size / Decrease window size / Shifted window / Other View / Daylight / Sunlight / Other I don’t know / Too much effort / Not needed / Other -100 100 Very dissatisfied Very satisfied


D1

Overall, did you experience discomfort due to too low temperatures?

D2

Overall, did you experience discomfort due to too high temperatures?

D3

Overall, did you experience discomfort due to draught?

D4

Overall, did you experience discomfort due to stuffiness of the air?

D5

Overall, did you experience discomfort due to smell?

D6

Overall, did you experience discomfort due to noise?

D7

Overall, how did you experience the fact that the view to outside changed over time? Overall, how did you experience the fact that the position of the roller shades changed over time? Would you like to have this office as your daily working environment? Why (not)?

D8 D9

70 / 106

0 Not at all 0 Not at all 0 Not at all 0 Not at all 0 Not at all 0 Not at all -100 Very unpleasant -100 Very unpleasant

100 Very much 100 Very much 100 Very much 100 Very much 100 Very much 100 Very much 100 Very pleasant 100 Very pleasant

(open question)

Na afloop werd proefpersonen gevraagd naar de condities in de testruimte tijdens de totale proef (QD1-9). Gevraagd werd naar de totale tevredenheid over temperatuur, tocht, geur, frisheid, geluid, zicht naar buiten en veranderingen in de gevel. 6.2.5 Hypothese testen Alle scenario’s zijn vertaald naar stroomdiagrammen en vervolgens naar software (C++), geïmplementeerd in een microcontroller. De microcontroller stuurt alle rolschermen aan, leest de user interface in en laat zich aansturen door een meetcomputer waarmee scenario’s afzonderlijk kunnen worden gestart. Deze meetcomputer is voorzien van een programma waarmee ook meetgegevens en gebruikersinterventies van de microcontroller worden ontvangen en opgeslagen. De gebruikersinterventies worden door de microcontroller verwerkt in de regelingen volgens de verschillende scenario’s om de vier gedefinieerde hypothesen te beproeven. Figuur 40 geeft schematisch de relaties tussen de hypothesen en de scenario’s weer. Voor H1 (hypothese 1) zijn vragen geanalyseerd over de algemene subjectieve perceptie van de dynamische gevel. Dit is gedaan op basis van statistische analyse van alle vier scenario’s. Voor H2, zijn de resultaten van scenario 1 direct vergeleken met de resultaten van scenario 2. Voor H3 zijn de effecten van de mogelijkheid om te overrulen geanalyseerd. Omdat alle scenario’s zijn getest met en zonder mogelijkheid te overrulen, zijn alle scenario’s meegenomen bij de analyse van H3. Voor H4 is de impact van de ‘control strategy’ geanalyseerd. Dit is gedaan middels directe vergelijking van het daglicht-geregelde scenario 3 en het vergelijkbare scenario 4 met vaste aansturing.

S1

Pattern Low frequency, long distance

S1o

High frequency, short distance

S2 Border

S2o

Predetermined control Daylight-based control

S3 S3o

Fill Without overrule option

S4

With overrule option

S4o

Figuur 40. Schematisch overzicht van de relaties tussen scenario’s en hypothesen.


6.2.6

71 / 106

Resultaten en analyse van de hypothesen

69% van de proefpersonen antwoorde positief op de vraag “Zou je dit kantoor voor je dagelijkse werkzaamheden als werkplek willen hebben?” (QD9). Hoewel in de vraagstelling geen directe link werd gelegd naar het dynamische gevelsysteem, lieten verschillende reacties een directe link wel zien: - “Mooi dat de raamgrootte kan worden aangepast zodat de lichtintensiteit te veranderen is. Dit is gemakkelijk bij felle zon gemakkelijk.” - “Je kunt zelf bepalen hoeveel licht er naar binnenkomt en het is ook handig als je niet afgeleid wil worden door het uitzicht.” - “Het helpt in je concentratie als de inval van het buitenlicht zo af en toe verandert.” - “Handig als je net op een plek zit waar de zon langs komt om het zonlicht in het kantoor zelf te kunnen reguleren.” - “Het is makkelijk om zelf te kunnen bepalen hoe groot of klein je het raam wil maken.” Een aantal positieve reacties gingen meer over de beleving van de ruimte tijdens de proeven zoals: - “Lekker ruim. Aardig uitzicht.” - “Het is er heel erg rustig en het heeft een mooi en rustgevend uitzicht.” - “Het uitzicht naar buiten is fijn om af en toe even naar te kijken. Je hebt de ruimte hier. Het is een rustige omgeving en er is genoeg (dag)licht.” - “Rustgevend uitzicht. Afleiding wanneer je die zoekt. Bij zonnig weer mooi uitzicht wat kan zorgen voor meer optimistischer ideeën.” - “Laat veel licht binnen en het is een ruim kantoor” De overige 31% van de proefpersonen hebben aangegeven dit kantoor niet te willen hebben voor hun dagelijkse werkzaamheden. De volgende redenen zijn hierbij genoemd: - “Te veel last van daglicht; heel irritant om te werken als er teveel zonlicht is.” - “Ik geef de voorkeur aan veel licht dat niet de hele tijd verandert. Groot oppervlak raam om naar buiten te kijken.” Overige opgegeven, niet gevel gerelateerde redenen waren: - “Te kil. Saai. Wel een leuk uitzicht!” - “Het is een sombere omgeving.” - “Te ongezellig. En het stoort me dat er geen raam open kan!” - “Is een beetje kaal. Ik zou als ik hier vaker zat het iets meer aankleden.” - “Veel te kaal en onpersoonlijk. Ik zou het wel als kantoor willen als ik zelf nog dingen aan mag passen, zodat het niet zo kaal is.” - “Te formeel! Mag wat gezelliger (knusser). Mag wel wat meer kleur bevatten!” Figuur 40 geeft een overzicht van de beleving van de acht getoetste binnenklimaataspecten gebaseerd op de laatste questionnaire (QD1-8). Proefpersonen voelden zich licht oncomfortabel betreffende het thermisch comfort (QD1-2) en het akoestisch klimaat (QD6). Gebruikers waren licht positief over de dynamische gevel (QD7-8). Vooral de veranderingen in uitzichten laten een flinke spreiding zien. Dit zou te maken kunnen hebben met de verschillen in verwachtingen t.a.v. werkomgeving maar ook de randvoorwaarden zoals de buitencondities die per proef verschillend zijn geweest.


72 / 106

NO DISCOMFORT

VERY MUCH DISCOMFORT

1. High temperatures

31.5 (26.6)

2. Low temperatures

22.8 (23.0)

3. Draught

11.5 (14.6)

4. Freshness / stuffiness

9.6 (14.5)

5. Smell

10.0 (16.2)

6. Noise

26.2 (23.8)

0

50

100

VERY DISSATISFIED

NEUTRAL

VERY SATISFIED

7. View to outside

6.2 (47.2)

8. Dynamic facade

24.6 (31.1)

-100

0

100

Figuur 41. Eindevaluatie van de acht binnenklimaataspecten (gemiddelde en standard deviatie). Bij vragen 1 tot 6 kon worden gekozen van “geen discomfort” (0) tot “zeer oncomfortabel” (100). Bij vragen 7 en 8 kon worden gekozen van “zeer tevreden” (-100) tot “zeer tevreden” (100). De getallen rechts geven de gemiddelde waarden en de standard (tussen haakjes) aan. Vijf proefpersonen zijn buiten beschouwing gelaten, vanwege de sterke oscillatie van de gevel tijdens scenario 3 en 4.

6.2.7 Hypothese 1 H1: Bewegingen in de gevel zijn een directe aanleiding voor overlast en discomfort. Het aantal aanpassingen van de positie van de rolschermen die niet zijn opgemerkt door de proefpersonen, zie Tabel 12, geeft een goede eerste indicatie van het niveau van verstoring. We nemen aan dat proefpersonen die veranderingen in de gevel niet bewust waarnemen niet gestoord en niet afgeleid worden door de bewegingen in de gevel op in die periode. De resultaten in Tabel 12 laten zien dat de meerderheid van de veranderingen zijn waargenomen door proefpersonen. De resultaten laten een afnemende trend zien. De veranderingen zijn het meest waargenomen in scenario’s 1 en 2; de twee scenario’s die steeds in de eerste sessie van de proeven zijn uitgevoerd, voor scenario’s 3 en 4. Het is te verwachten dat proefpersonen in het begin van de proeven zich meer bewust zijn van de omgeving en daarom ook meer gevoelig zijn voor stimuli uit de omgeving. Onze resultaten laten mogelijk de resultaten van gewenning (o.a. Banbury, Berry, 2005) de proefpersonen raken gewend aan het geautomatiseerde gevelsysteem met de daarbij behorende bijbehorende tolerantie. Deze bevinding is op zich positief als het gaat om de vraag of FACET gevels worden geaccepteerd. Het is echter moeilijk dit aspect te demonsteren in een test omgeving. Daarvoor is toekomstig verder onderzoek noodzakelijk met in-situ experimenten die langer duren.


Tabel 12.

Scenario 1 2 3 4

73 / 106

Overzicht van veranderingen die niet bewust zijn waargenomen bij de proefpersonen (N=19). Zeven proefpersonen zijn uit deze resultaten gehouden i.v.m. ongeschikte instellingen.

Niet waargenomen veranderingen [%] 20 26 34 39

Personen die geen enkele verandering hebben waargenomen 1 1 3 6

Van de proefpersonen die geen verandering in de gevel hebben waargenomen was de meerderheid ‘neutraal’ of ‘matig tevreden’ (QB5-6). In geen enkele sessie hebben proefpersonen aangegeven de verandering in de gevel ‘heel erg prettig’ te ervaren. In een zeer beperkt aantal gevallen hebben proefpersoenen aangegeven de veranderingen als helemaal niet prettig te ervaren. Een andere relevante indicator voor de mate van verstoring is de vraag of men wordt afgeleid van werkzaamheden (QB4). In deze studie is sterke afleiding slechts ondervonden in een beperkt aantal gevallen. Gemiddeld voelden proefpersonen zich matig afgeleid met een relatief grote spreiding. De meerderheid van de gebruikers gaven aan dat de beweging zelf (QB2) en het geluid tijdens overgangen (QB3) niet als storend zijn ervaren. Het is wel belangrijk om op te merken dat stille motoren zijn toegepast die in de laagste snelheid zijn gebruikt om het geluid tijdens de proeven te minimaliseren. Op een aantal uitzonderingen na hebben proefpersonen de gevel als neutraal tot positief ervaren. Dat is een positieve indicatie. De beproefde gevel wordt onder de onderzochte omstandigheden bij de proefpersonen als niet storend ervaren. Uiteraard geldt dit voor de onderzochte situaties en proefpersonen en geven uiteraard nog onvoldoende basis om de eerste hypothese te verwerpen. 6.2.8 Hypothese 2 H2 Frequente maar geleidelijke veranderingen worden als minder hinderlijk ervaren dan minder frequente veranderingen over grotere afstand. De verschillen in gebruikers perceptie tussen deze twee modi bij aanpassingen in de gevel worden geëvalueerd door de verschillen tussen scenario 1 en scenario 2 te onderzoeken. Tabel 13 laat zien dat er kleine verschillen zijn in het aantal niet waargenomen gevelaanpassingen tussen de twee scenario’s. De gepaarde t-toets laat echter zien dat deze verschillen niet significant zijn. Tabel 13 laat de gemiddelde resultaten zien van alle vragen tussen scenario 1 en 2 (N=24). Significante verschillen tussen de beide scenario’s zijn gevonden voor: • De mate waarin de beweging tijdens de verandering als hinderlijk ervaren is (QB2). Bij scenario 1 wordt de beweging gemiddeld genomen als minder hinderlijk ervaren (M=-42.15, SE=32.88) dan bij scenario 2 (M=-32.05, SE=36.46), t(21)=-2.10, p<.05, r=0.42 (medium tot groot effect). • De mate waarin de proefpersonen afgeleid werden van hun werkzaamheden door de verandering van het raamoppervlak. Bij scenario 1 geven de proefpersonen gemiddeld genomen aan minder afgeleid te zijn door de verandering van het raamoppervlak (M=32.45, SE=18.06) dan bij scenario 2 (M=41.92, SE=16.83), t(21)=-2.22, p<.05, r=0.44 (medium tot groot effect). Voor geen van de aspecten is scenario 2 significant positiever ervaren dan scenario 1, zie Tabel 13. Hypothese 2 is daarom verworpen.


Tabel 13.

Q

74 / 106

Vergelijking van resultaten (gemiddeld en standard deviatie) tussen scenario 1 en 2 (N=24).

Grote afstand (scenario 1) Μ σ -5.1 27.7 23.3 41.6 -6.2 25.3 21.9 38.4 16.7 20.4 -8.9 29.2

Grote afstand (scenario 1) μ σ A1 B1 40.6 21.9 B2 54.0 32.6 A2 A3 B3 42.0 39.6 B4 25.1 16.9 A4 A5 B5 -12.6 26.6 A6 B6 -12.9 29.2 B7 35.2 17.2 Noot: De dik gedrukte resultaten laten een significant verschil zien.

6.2.9

Kleine afstand (scenario 2) μ σ -5.0 22.7 23.1 32.6 -7.4 22.8 19.6 35.1 14.3 20.6 -2.8 34.5

Q

Kleine afstand (scenario 2) μ σ 50.5 20.3 36.7 36.6 27.5 41.0 37.3 17.4 -9.6 25.7 -13.2 35.4 33.4 16.5

Conclusies en aanbevelingen

Bij de analyse van de resultaten van het experimenteel onderzoek, gericht op het verkrijgen van een beter begrip van de relatie tussen geautomatiseerde dynamische gevels en gebruikers aspecten, komen, onder voorbehoud i.v.m. de beperkte omvang van het gebruikersonderzoek, de volgende zaken naar voren:

•

Er is geen duidelijk verband gevonden tussen dynamische gevels en een hoog risico op verstoring en ongemak. De meeste gebruikers geven aan de gevel als gematigd positief te ervaren. Geen van de proefpersonen hebben aangegeven de veranderingen van daglicht en uitzicht als zeer prettig te ervaren. Anderzijds hebben slechts weinig respondenten aangegeven deze veranderingen als negatief te ervaren, waarbij deze negatieve beoordelingen aantoonbaar samenvielen met andere oorzaken voor ongemak.

•

Minder frequente, meer discrete overgangen in de gevel werden beter gewaardeerd dan meer vloeiende overgangen met een hogere frequentie. In het eerste geval vonden proefpersonen de beweging van de gevel aanzienlijk minder storend en werd minder afleiding van werkzaamheden ervaren. Daarnaast werden bij de eerste variant meer gevelbewegingen niet bewust waargenomen. Dit kan worden gezien als een additionele indicatie van minder verstoring van de eerste variant. In de proef is uitgegaan van een systeem waarbij de overgangen goed waarneembaar zijn. Bij systemen met niet waarneembare vloeiende overgangen, zoals bijvoorbeeld elektrochrome beglazing, is het goed mogelijk dat de waardering anders uitvalt.

•

Het handmatig kunnen overrulen van de FACET gevel leidt tot significant hogere tevredenheid over lichtniveaus op het werkvlak en in de ruimte. Daarnaast leidt deze overrule-optie tot meer tevredenheid met het uitzicht. Deze studie geeft daarmee aan dat de mogelijkheid voor de gebruikers om te overrulen, een belangrijke basis voorwaarde is voor FACET. De manieren waarop deze interactie efficiënt kan plaatsvinden is daarbij wel een punt van aandacht.


•

75 / 106

De manier waarop de gevel wordt aangestuurd is een belangrijk onderdeel van FACET. De resultaten van het beperkte gebruikersonderzoek geven niet aan dat een daglicht gestuurde gevel beter wordt gewaardeerd dan een gevel met vooraf geprogrammeerde veranderingen. Het is moeilijk om vast te stellen n welke gevallen gebruikers de reden voor de aanpassing begrijpen, vooral omdat het verminderen van een ongemak soms het discomfort op andere aspecten vergroot. De balans tussen het voorkomen van verblinding en het verstrekken van voldoende daglicht in de kamer en het bieden van uitzicht is een belangrijke maar complexe kwestie in het kader van de regelstrategie.

Uit de verwerkte questionnaires en observaties tijdens het gebruikersonderzoek komen de volgende aandachtspunten naar voren:

•

Geluidoverlast wordt vaak gezien als een probleem dat het slagen van dynamische gevelsystemen als geheel kan ondermijnen. Onze studie laat zien dat het geluidsniveau veroorzaakt door beweging in dynamische gevels op zich geen probleem hoeft te zijn als speciale zorg wordt besteed aan het reduceren van het geluidsniveau.

•

Betere regelalgoritmen zijn nodig om het energiebesparingspotentieel van FACET in balans te brengen met de ambities om het binnenklimaat te verbeteren. Idealiter worden de voorkeuren van de gebruikers gedestilleerd uit het gebruik van de gebruikersinterface waarmee de noodzaak voor handmatige interventies en bijbehorende overlast kunnen worden gereduceerd. Toekomstig onderzoek moet zich richten op het ontwikkelen van (i) betere controle algoritmes die het aantal overrule acties beperken, en (ii) betere user interfaces om het gemak waarmee handmatige interventies gedaan kan worden te verhogen.

Hoewel onze resultaten zijn gebaseerd op een experimentele set-up met interne rolgordijnen, kunnen de resultaten worden toegepast in een bredere context. De vertaling naar de praktijk van relevante technologieën zoals diverse soorten kinetische gevelelementen en technologieën als elektrochrome beglazing hebben immers dezelfde uitdagingen in termen van gebruikersinteractie en perceptie.

6.3

Literatuur, bronnen

Heiselberg P, editor. IEA ECBCS Annex 44 Integrating Environmentally Responsive Elements in Buildings - Expert Guide Part 1: Responsive Building Concepts. 2009. Loonen RCGM, Trčka M, Hensen JLM. Exploring the potential of climate adaptive building shells. Proc. Build. Simul. 2011, Sydney, Australia: 2011, p. 2148–55. Davies M. A wall for all seasons. RIBA J 1981;88:55–7. Wigginton M, Harris J. Intelligent Skins. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2002. Schumacher M, Schaeffer O, Vogt M. Move: Architecture in Motion - Dynamic Components and Elements. Basel: Birkhäuser; 2010. Knaack U. Facades - Principles of Construction. Birkhäuser; 2007. Loonen RCGM, Trčka M, Cóstola D, Hensen JLM. Climate adaptive building shells: State-of-the-art and future challenges. Renew Sustain Energy Rev 2013;25:483–93.


76 / 106

Gyalistras D, Gwerder M, Oldewurtel F, Jones C, Morari M, Lehmann B, et al. Analysis of energy savings potentials for integrated room automation. Proc. 10th REHVA World Congr. Clima, 2010. Dounis AI, Caraiscos C. Advanced control systems engineering for energy and comfort management in a building environment—A review. Renew Sustain Energy Rev 2009;13:1246–61. Cole RJ, Bild A, Matheus E. Automated and human intelligence: direct and indirect consequences. Intell Build Int 2012;4:4–14. Galasiu AD, Veitch JA. Occupant preferences and satisfaction with the luminous environment and control systems in daylit offices: a literature review. Energy Build 2006;38:728–42. Cole RJ, Brown Z. Reconciling human and automated intelligence in the provision of occupant comfort. Intell Build Int 2009;1:39–55. Paciuk M. The role of personal control of the environment in thermal comfort and satisfaction at the workplace. Proc. 21st Environ. Des. Res. Assoc. Meet., 1989. Lee SY, Brand JL. Effects of control over office workspace on perceptions of the work environment and work outcomes. J Environ Psychol 2005;25:323–33. Boerstra A, Beuker T, Loomans M, Hensen J. Impact of available and perceived control on comfort and health in European offices. Archit Sci Rev 2013;56:30–41. Bluyssen PM, Aries M, van Dommelen P. Comfort of workers in office buildings: The European HOPE project. Build Environ 2011;46:280–8. Bordass B, Bromley K, Leaman A. User and Occupant Controls in Office Buildings 1993. Bordass B, Heasman T, Leaman A, Perry M. Daylight use in open-plan offices-The opportunities and the fantasies. CIBSE Light. Conf. Cambridge, March 1994, 1994, p. 1–11. Stevens S. Intelligent Facades: Occupant Control and Satisfaction. Int J Sustain Energy 2001;21:147–60. Vine E, Lee ES, Clear R, DiBartolomeo D, Selkowitz S. Office worker response to an automated Venetian blind and electric lighting system: a pilot study. Energy Build 1998;28:205–18. Lee ES, Dibartolomeo DL. Application issues for large-area electrochromic windows in commercial buildings 2002;71:465–91. Velds M. User acceptance studies to evaluate discomfort glare in daylit rooms. Solar 2002;73:95– 103. O’Brien W, Kapsis K, Athienitis AK. Manually-operated window shade patterns in office buildings: A critical review. Build Environ 2013;60:319–38. Reinhart C, Voss K. Monitoring manual control of electric lighting and blinds. Light Res Technol 2003;35:243–60. Lee ES, Fernandes LL, Coffey B, Mcneil A, Clear R, Webster T, et al. A Post-Occupancy Monitored Evaluation of the Dimmable Lighting , Automated Shading , and Underfloor Air Distribution System in The New York Times Building. Report: LBNL-6023E. 2013.


77 / 106

Clear RD, Inkarojrit V, Lee ES. Subject responses to electrochromic windows. Energy Build 2006;38:758–79. Lee ES, Claybaugh ES, LaFrance M. End user impacts of automated electrochromic windows in a pilot retrofit application. Energy Build 2012;47:267–84. Banbury SP, Berry DC. Office noise and employee concentration: identifying causes of disruption and potential improvements. Ergonomics 2005;48:25–37. Lee SY, Brand JL. Can personal control over the physical environment ease distractions in office workplaces? Ergonomics 2010;53:324–35. Tzempelikos A, Shen H. Comparative control strategies for roller shades with respect to daylighting and energy performance. Build Environ 2013;67:179–92. Yao J. An investigation into the impact of movable solar shades on energy, indoor thermal and visual comfort improvements. Build Environ 2014;71:24–32.


78 / 106

7 Gebruikersacceptatie 7.1

Gebruikersacceptatie regelingen

In FACET deelrapport 4.3 wordt verslag gedaan van het onderzoek naar de perceptie en acceptatie van verschillende soorten gevelsystemen in kantoorgebouwen. Het rapport is onderdeel van het onderzoeksproject EOS-FACET werkpakket 4: Gebruikersaspecten. De hoofdvraag van dit werkpakket is: Wat zijn de effecten van een regelbare, dynamische gebouwschil op de beleving van comfort, op de gezondheid en op de productiviteit en leerprestatie en is er een verbetering mogelijk ten opzichte van een conventionele gebouwschil? Doel van het perceptieonderzoek is om inzicht te krijgen in de invloed van verschillende eigenschappen van dubbele glasgevels en automatische zonwering op de acceptatie van de systemen en beleving van comfort. Deze informatie zal worden gebruikt bij het opstellen van de uitgangspunten en randvoorwaarden voor gebruikerscomfort.

7.1.1 Vragenlijsten Voor het onderzoek zijn vragenlijsten afgenomen onder de medewerkers van 13 verschillende bedrijven en organisaties in Nederland. Daarnaast is er een uitgebreide inventarisatie gedaan van de aanwezige systemen. Voor het onderzoek is een vragenlijst ontwikkeld (bijlage 2). De vragen zijn onderverdeeld in de volgende categorieën: 1. Algemene vragen. 2. Vragen over de werkplek. 3. Vragen over het binnenklimaat. 4. Vragen over de gevel. 5. Vragen over de lichten zonwering. Er worden vragen gesteld over de perceptie van en tevredenheid met de gevel en lichten zonwering. Daarnaast worden er achtergrondvragen gesteld over de medewerker en de werkplek, om later te kunnen onderzoeken welke variabelen invloed hebben op de uitkomst van het onderzoek. Tenslotte krijgen de medewerkers vragen over hoe belangrijk zij het vinden om de ramen, verlichting en lichten zonwering zelf te kunnen bedienen. Een groot deel van de vragen zijn meerkeuze vragen op een 3 of 4-punts schaal of binaire vragen met de antwoorden Ja of Nee. Daarnaast zijn er open vragen om meer achtergrondinformatie te verkrijgen over de overwegingen van de gebruiker om bepaalde antwoorden te selecteren. Er zijn verschillende bronnen gebruikt voor het samenstellen van de vragenlijst. De meeste vragen uit de eerste drie categorieën zijn overgenomen uit een vragenlijst ontwikkeld voor een onderzoek naar daglicht en uitzicht in kantoorgebouwen (Hellinga, 2013). Daarnaast is een deel van de vragen afgeleid van vragenlijsten uit de Praktijkgids Arbeidshygiëne (Leijten, 2007) en het proefschrift Tageslichtsysteme im Spiegel der Nutzer van Schuster (Schuster, 2006) Voor het maken van de internetvragenlijst is gebruik gemaakt van Collector 6.7. De resultaten zijn opgeslagen op een server van de TU Delft. De vragenlijst bevat maximaal 41 vragen. De vragenlijst is per deelnemende organisatie aangepast aan de eigenschappen van het gebouw waar de organisatie is gehuisvest. Als er bijvoorbeeld geen automatische zonwering aanwezig is, worden daar geen vragen over gesteld. Medewerkers van de deelnemende organisaties, met uitzondering van gebouw


79 / 106

M8, zijn per email uitgenodigd om online de vragenlijst in te vullen. In gebouw M8 konden medewerkers tijdens de lunchpauze in het bedrijfsrestaurant de vragenlijst op papier invullen.

7.1.2 Response Het totaal aantal respondenten dat de vragenlijst heeft ingevuld is 400. In onderstaande tabel wordt per gebouw het aantal respondenten weergegeven en het percentage uitgenodigde werknemers dat de vragenlijst heeft ingevuld. Tabel 14 Aantal respondenten en percentage van uitgenodigde werknemers

*De resultaten van medewerkers die een werkplek hebben aan het atrium i.p.v. de buitengevelzijn verwijderd, omdat de buitengevel alleen indirect invloed heeft op de resultaten.

7.1.3 Tevredenheid met de werkplek, het binnenklimaat en de gevel Het overgrote deel van de respondenten dat de vragenlijst heeft ingevuld is tevreden met zijn of haar werkplek. In traditionele gebouwen T2 en T4 zijn er meer respondenten die niet tevreden zijn dan in de overige gebouwen. In gebouwen M5, M7 en T1 heeft niemand geantwoord ontevreden te zijn. Uit de opmerkingen van de respondenten blijkt dat in gebouw T4 mensen ontevreden zijn met de akoestiek in het gebouw. De ontevredenheid met de werkplek lijkt dus niet te worden veroorzaakt door eigenschappen van de buitengevel. Ook een medewerker van gebouw M8 geeft aan last te hebben van geluidoverlast binnen.

Figuur 42. Tevredenheid over de werkplek


80 / 106

Wanneer de resultaten van gebouwen M1 t/m M8 vergeleken worden met de resultaten van gebouwen T1 t/m T5, dan valt op dat in gebouwen M1 t/m M8 een groter deel van de respondenten tevreden is met de temperatuur en het geluid van buiten.

Figuur 43. Percentage tevreden met temperatuur, ventilatie, verlichting, geluid van buiten.

De respondenten is gevraagd wat ze in het algemeen vinden van de temperatuur en van het lichtniveau in hun werkruimte. De resultaten laten zien dat het in de kantoorgebouwen regelmatig te warm of te koud is. Veel minder respondenten vinden dat het in hun werkruimte regelmatig te licht of te donker is. Deze uitkomst verklaart waarom een groter percentage medewerkers tevreden is met de verlichting dan met de temperatuur.

7.1.4

Conclusies enquête perceptieonderzoek

Op basis van de resultaten van het perceptieonderzoek kunnen de volgende conclusies worden getrokken: • Uit het onderzoek blijkt niet dat de buitengevel direct invloed heeft op de tevredenheid van kantoormedewerkers met hun werkplek. • Er treden individuele verschillen op in de beleving van comfort. Dit duidt erop dat mensen een verschillende behoefte hebben ten aanzien van de temperatuur, ventilatie, verlichting, lichten zonwering et cetera op hun werkplek. Bij het zelf controleren van het binnenklimaat moet men rekening houden met collega’s. • Intelligente kantoorgevels bieden de mogelijkheid het binnenklimaat beter te beheersen en het geluid van buiten beter te weren dan bij traditionele kantoorgevels. Daarbij is het belangrijk dan hinderlijke luchtstromen of grote temperatuurverschillen worden voorkomen. Daarnaast is het voor de gebruiker belangrijk dat er voldoende bedieningsmogelijkheden zijn. Bij het toepassen van automatische zonwering is het voor de gebruiker belangrijk dat: • de lichten zonwering de ramen goed afdekt; • hinder door zonlicht via naastgelegen vertrekken wordt voorkomen. Dit is met name een aandachtspunt bij dubbele huidgevels; • de snelheid van het systeem wordt geoptimaliseerd en het systeem weinig geluid maakt; • het systeem kan worden overruled. Ten aanzien van de handmatige bediening van de lichten zonwering is het voor de gebruikers belangrijk dat: • de lichten zonwering per raam of bij een vliesgevel in delen kan worden geschakeld;


•

7.2

81 / 106

er mogelijkheden zijn om de lichten zonwering in verschillende standen te zetten. Ook bij het openen van de ramen is er behoefte aan meer mogelijkheden om deze in verschillende standen te kunnen zetten.

Marktbehoefte en acceptatie

Om een innovatie als een FACET gebouwschil op grote schaal toe te kunnen passen is het noodzakelijk dat beslissende partijen als opdrachtgevers, projectontwikkelaars en architecten de klimaatadaptieve gevel- of schiltechnieken laten opnemen in het ontwerp van hun gebouwen. Met deze reden is werkpakket 4.4 onder de titel ‘Markbehoefte en acceptatie’ in het Facet project opgenomen. Dit document is het eindresultaat van het onderzoek dat in het kader van dit werkpakket is uitgevoerd. De centrale vraagstelling is als volgt geformuleerd: ”Onder welke voorwaarden zal het Facet-concept als een daadwerkelijk optimaal dynamische gebouwschil een goede kans van slagen hebben in de markt, volgens de visie van actoren binnen het bouwproces?” In november 2010 is een klankbordgroepbijeenkomst gehouden. Aanwezig waren o.a. installateurs, gevelbouwers, architecten, aannemers en toeleveranciers. Ook personen werkzaam in de branches van verlichting en zonwering maakten deel uit van de groep. Samen met Facet teamleden en twee ‘experts’ vanuit AgentschapNL en de SEV is de inhoud en voorgang van het project besproken. Gedurende deze middag is ook dit werkpakket toegelicht en is een eerste interactie geweest met actoren vanuit de bouwwereld. De ontvangen reacties zijn geëvalueerd en hebben geleid tot het opstellen van de deelvragen. Middels een interviewprotocol zijn 5 verschillende actoren geïnterviewd waarbij dieper op onderwerpen is ingegaan. Het opstellen van de interviewvragen heeft overigens geholpen scherp te krijgen wat de (te toetsen) veronderstellingen zijn binnen het Facet project zelf. Antwoorden, uitspraken en reacties zijn binnen dezelfde context naast elkaar geplaatst en geanalyseerd. Via ‘desk-research’ is voor een aantal onderwerpen aanvullende informatie naar boven gehaald. Soms betrof dit een verwijzing van een geïnterviewde, in andere situaties was er het gevoel dat informatie ontbrak om tot goed onderbouwde uitspraken te kunnen komen. Het onderzoek evaluerende, kan men stellen dat adaptieve gevels op een aantal aspecten weinig anders in de markt staan dan elke andere innovatieve energiebesparende technologie. Alhoewel het concept drastisch anders kan zijn dan een concurrerende of aanvullende technologie, hebben we te maken met dezelfde actoren, hetzelfde bouwproces, dezelfde marktwerking en dezelfde overheidsregels. Alhoewel we zeker nuanceverschillen zullen tegenkomen, geldt voor adaptieve gevels een groot aantal van de spelregels die voor elke innovatieve technologie geldt wanneer het gaat om Markbehoefte en acceptatie. Een deel van de informatie in de rapportage is dan ook afkomstig van onderzoeken welke gericht waren op innovatie in zijn algemeenheid. Het omgekeerde geldt ook; een deel van de verworven kennis middels interviews zal ook van toepassing zijn op iedere andere innoverende technologie. Voor meer informatie, zie FACET deelrapport 4.4 ‘Marktbehoefte en acceptatie’.


7.3

82 / 106

Productiviteits- en ziekteverzuimeffecten

Op basis van literatuurstudie zijn de effecten van het binnenmilieu op de productiviteit onderzocht. Het gaat hierbij om de effecten van temperatuur, thermisch comfort, luchtkwaliteit, ventilatie, vervuilingsbronnen, persoonlijke beïnvloeding en ruimte-indeling. Hierbij is gebruik gemaakt van de literatuurstudie naar het binnenmilieu (FACET-deelrapport 1.1), aangevuld met literatuurbronnen die specifiek over productiviteit gaan.

7.3.1 Invloed van temperatuur op productiviteit Voor de invloed van temperatuur op de productiviteit wordt vaak een verband uit een ISSO/Rehva handleiding gebruikt om te laten zien dat de productiviteit het hoogst is bij een temperatuur van circa 22°C. Dit betreft echter airconditioned omgevingen en kan niet worden gegeneraliseerd naar free running omgevingen. Laboratoriumonderzoeken laten zien dat de productiviteit samenhangt met de mate van ervaren thermisch comfort. Bij routinematige taken is de prestatie maximaal bij een “lichtelijk koele” omgeving, terwijl bij taken die creativiteit vereisen de prestatie maximaal is bij een “lichtelijke warme” thermische sensatie. In het algemeen is het daarom het beste aan te nemen dat de prestatie maximaal is bij en thermische sensatie van 0. Maar ook deze resultaten kunnen niet zonder meer worden gegeneraliseerd naar free running omgevingen. De volgende aanbevelingen worden gegeven: • Gebruik voor airconditioned omgevingen waar de temperatuur bekend is de dubbel gewogen curve uit ISSO/Rehva handleiding. • Ga er voor free running omgevingen vanuit dat de prestatie maximaal is bij de neutrale temperatuur en dat er rond de neutrale temperatuur een plateau is van -2 tot +2˚C waarbinnen geen effect op de prestatie plaatsvindt. Onder en boven het plateau neemt de prestatie af naarmate de temperatuur lager resp. hoger wordt. • Het gebruik van de genoemde relaties van prestatie met de thermische sensatie wordt ontraden voor zowel airconditioned als free running omgevingen omdat zij het effect in een echte werksituatie onderschatten. 7.3.2 Invloed van de luchtkwaliteit op de productiviteit Het verhogen van de ventilatie boven de gebruikelijke waarde resulteert in een productiviteitsverbetering van circa 1%, maar het wegnemen van verontreinigingsbronnen in ventilatiesystemen en werkruimtes kan een productiviteitsverbetering geven van 10% of meer. Relatieve luchtvochtigheid zal in de praktijk geen effect hebben op de prestatie. Verder blijkt dat de productiviteit lager wordt naarmate er meer mensen in een ruimte werken, zoals in groepskantoren of kantoortuinen. Dit is het gevolg van een combinatie van factoren, zoals meer comfort- en gezondheidsklachten, gebrek aan beïnvloedingsmogelijkheden en geluidhinder. Het productiviteitsverlies kan oplopen tot circa 15%. Ook ziekteverzuim kan worden beïnvloed door de kwaliteit van het binnenmilieu. Een betere ventilatie, maar ook het werken met minder mensen in een ruimte, leidt tot minder ziekteverzuim. Verontreinigingsbronnen in de luchtbehandelingsinstallatie zoals luchtinlaatfilters, koeling en bevochtiging kunnen leiden tot een verhoging van het ziekteverzuim. In kantoorruimtes waar onvrede is over het binnenmilieu, blijkt het ziekteverzuim ook daadwerkelijk hoger te zijn.

7.3.3 Invloed op leesprestaties in scholen Beneden een ventilatiehoeveelheid van 8 l/s per persoon neemt de leerprestatie duidelijk af met afnemende ventilatiehoeveelheid. Aanbevolen wordt minimaal een ventilatiehoeveelheid van 8 l/s per persoon, wat bij benadering overeenkomt met een vraaggestuurde ventilatie op basis van een bovengrens van 1200 ppm CO . 2


7.4

83 / 106

Literatuur, bronnen

Gebruikersacceptatie regelingen Hellinga, H.IJ. Daylight and View: The influence of Windows on the Visual Quality of Indoor Spaces, PHD thesis, Delft University of Technology, 2013 Schuster, H.G., Tageslichtsysteme im Spiegel der Nutzer, Dortmund:Universität Dortmund, 2006 Leijten J.L. en S.R. Kurvers, Praktijkgids Arbeidshygiëne, Alphen aan de Rijn: Kluwer, 2007 Inoue, T. Kawase, T. Ibamoto, S. Takakusa, Y. Matsuo, The development of an optimal control system for window shading devices based on investigations in office buildings, ASHRAE Transactions 94, 1988, 1049 Voordt T. van der en I. de Been, Werkomgeving: breinbreker of tevredenheidsgenerator?, In I. Bakker, De Breinwerker, Naarden: Uitgeverij FMN, 2010 Galaciu, A.D. , J.A. Veitch, Occupant preferences and satisfaction with the luminous environment and control systems in daylit offices: a literature review, Energy and Building, 38, 728-742, 2006 Reinhart, C.F., Voss K., Monitoring manual control of electric lighting and blinds, Lighting Research and Technology 35, 243–260, 2003 Escuyer S., M. Fontoynont, Lighting controls: a field study of office workers’ reactions, Lighting Research and Technology 33, 77–96, 2001 Guillemin, A. Using genetic algorithms to take into account user wishes in an advanced building control system, Ph.D. Thesis, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Switzerland, 2003

Marktbehoefte en acceptatie Bouwfonds. Bouwfonds. 2011. Bullier, A., Sanchez, T., Le Teno, J. F., Carassus, J., Ernest, D., and Pancrazio, L. Assessing green value: A key to investment in sustainable buildings. ECEEE 2011 Summer Study . 2011. Eijndhoven, B. van. Wat is het verschil tussen een bouwkundig ingenieur en een architect . 2011. Royal Haskoning. Online Source ENCA. Bouwproces. 2011. Ref Type: Online Source Energie Vastgoed. Energiebesparing door nieuw soort huurcontract. 2011. Ref Type: Online Source Energie+. Nieuwe scholen energiezuinig. 2011. Energie+. Ref Type: Online Source Facet. Facade als Adaptief Comfortverhogend Energiebesparend Toekomstconcept. 2010. Ref Type: Online Source Grondzaken in de praktijk. Handboek Grondzaken in de praktijk. 2009. Sdu Uitgevers.


84 / 106

Hermstrom, K, Mahapatra, K, and Gustavsson, L. Adoption of innovations in building Construction: Hindrances and actor influence as perceived by Swedisch architects. ECEEE 2011 Summer Study, 1133-1140. 2011. ECEEE. Korver, A. Samenwerking bij de ontwikkeling van kantoren met een laag gebouwgebonden energiegebruik. 2010. Universiteit Twente. Ref Type: Thesis/Dissertation KRK. Vastgoedmanagement. 2011. Ref Type: Online Source NEN. Programma's van eisen voor gebouwen en bijbehorende projectprocedure - Algemene regels. 2011. Ref Type: Online Source Thun, G and Velikov, K. North House: Responsive Envelope Prototyping. 2011. Ref Type: Pamphlet Wikipedia. Bank Nederlandse Gemeenten. 2011a. Ref Type: Online Source Wikipedia. Bestek. 2011b. Ref Type: Online Source Wikipedia. Bouwfonds. 2011c. Ref Type: Online Source

Productiviteits- en ziekteverzuimeffecten

ASHRAE (2010),ASHRAE Standard 55-2010 –Thermal EnvironmentalConditions for Human Occupancy. Bakó-Biró, Z (2004),Human perception, SBS symptoms and performance ofoffice workduring exposure to air polluted by building materials and personalcomputers. Ph.D. Thesis,Technische Universiteit Denemarken. Bakó-Biró, Z, D.J. Clements-Croome, N. Kochhar,H.B. Awbi en M.J.Williams(2012),‘Ventilation rates inschools and pupils’s performance’.Building and Environment, 48, p.215-223. Brasche,S.,M. Bullinger,M. Morfeld, H.J. Gebhart en W. Bischof (2001),‘Whydo women suffermore from sick building syndrome than men?: Subjective higher sensitivityversus objective causes’.IndoorAir,11, nr.4, p. 217-222. CEN (2007), EN 15251–Indoor environmental input parametersfordesign andassessment of energyperformance of buildings addressing indoor air quality,thermal environment, lighting and acoustics. De Dear, R., G.Brager enD. Cooper (1997),‘Developing an adaptive modelofthermal comfort and preference’. ASHRAE RP-884. Fitzner, K.(2000), ‘Control ofpollutantsinair handling systems’,Proceedings ofHealthy Buildings 2000, 2,p. 21-33. Fisk, W.J., M.J. Mendell, J.M. Daisey, D. Faulkner, A.T. Hodgson,M.Nematollahien J.M. Macher (1993),‘Phase 1 of the California HealthyBuildings Study: a Summary’.Indoor Air, 3, p.246-254. Fisk,W, O. Seppänen, D. Faulkner en J.Huang (2003), ‘Economizer systemcost effectiveness: accounting for the influence of ventilation rate on sick leave’.Proceedings HealthyBuildings 2003,3, p. 361-366.


85 / 106

Franchimon, F. (2009) ‘Healthy Building Services for the 21stCentury’.Ph.D. thesis,Eindhoven Universityof Technology. Gids, W.F. de, C.J. vanOel, J.C. Phaff, A. Kalkman (2006),‘Het effect van ventilatie op de cognitieve prestaties van leerlingen op een basisschool’. TNO Bouw en Ondergrond, TNO-rapport 2006-D1078/B. Haneda, M., S.Tanabe,N. Nishihara en S.Nakamura (2008), ‘The combined effects of thermal environment and ventilation rate on productivity’.Proceedings Indoor Air 2008. Haverinen-Shaughnessy, U., D.J. Moschandreas en R.J. Shaughnessy (2010),Association between substandard classroom ventilation rates and students’academic achievement’.Indoor Air, 21, p. 121-131. Hongisto,V. (2005),‘A modelpredicting the effect of speech of varying intelligibility onwork performance.’Indoor Air, 15 (6),p. 458-468. Jaakkola, J.J.K. en O.P. Heinonen (1995), ‘Shared office space and the risk of the common cold’.European Journal of Epidemiology,11, p. 213-216. Jensen,K.L. (2008)Development ofa model to calculate the economicimplications ofimproving indoor climate. Ph.D. Thesis, Technical University of Denmark. Jensen,K.L., J. Toftum en P. Friis-Hansen (2009), ‘ABayesian Networkapproach to the evaluation of building design and its consequences foremployee performance and operational costs’.Building and Environment, 44,456-462. Kroner,W.M. en J.A. Stark-Martin (1994), ‘Environmentally responsiveworkstations and office-worker productivity’.ASHRAE Transactions100 (2), p.750-755. Lan,L.,P.Wargocki, Z. Lian (2010) ‘Quantitative measurement thermaldiscomfort’.Energy and Buildings,42 (7), p. 1057-1062

of

productivityloss

due

to

Lan,L.,Wargocki, P.,Wyon, D.P., Lian, Z. (2011),Effects of thermal discomfortin an office on perceived air quality,SBS symptoms, physiological responses,and humanperformance.Indoor Air, 21, p.376-390. Leaman, A.en B.Bordass (2001)Assessing building performance in use 4: the Probe occupant surveysand their implications.Build.Res. Inf., 29, 129-143. Leijten, J.L.en S.R.Kurvers (2007) ‘Binnenklimaat klachten’.Praktijkgids Arbeidshygiëne, Kluwer.

in

kantoorgebouwen

–Onderzoek

naar

McCartney,K.J. en M.A. Humphreys (2002),‘Thermal comfort and productivity’.Proceedings Indoor Air 2002, p.822-827. Milton, D.K.,P.M. Glencross en M.D.Waters (2000), ‘Risk of sick leave associatedwith outdoor airsupply rate, humidification and occupantcomplaints’.Indoor Air, 10,p. 212-221. Nishihara,N.,S. Tanabe,M. Hanede, M. Ueki, A. Kawamura en K. Obata (2007),‘Effect of overcooling on productiviteitevaluated by the long termfield study’. Proceedings of Clima 2007 WellBeing Indoors. Nicol, F.,M. Humphries (2005)Adaptive comfort in Europe: results from the SCATssurveywith specialreference to free running buildings,Proceedingsofthe international conference on EPDBEnergy Performance ofBuildingsDirective:implementation in practice, Brussels.


86 / 106

Oversloot, J. (1995).Verzuimbeheersing, Delwel, Nederland. Pejtersen, J., L.Allerman, T.S. Kristensen en O.M.Poulson ‘Indoor climate,psychosocialwork environment and symptoms in open-plan offices’.Indoor Air, 16 (5), p.392-401. Raw, G.J.,M.S. Roys en A. Leaman (1990), ‘Further findings from the office environment survey: productivity’.Proceedings IndoorAir’90, 1,p. 231-236. Robertson, A.S., K.T. Roberts, P.S. Burge en G. Raw (1990),‘Effect of change in building ventilation category on sickness absence rates and the prevalence of sick building syndrome’.Proceedings Indoor Air’90, 1, p.237-242. Satish, U., M.J.Mendell,K. Shekbar, T. Hotchi, D.Sullivan,S.Streufert en W.J.Fisk (2012) ‘Is CO 2an indoor pollutant? Direct Effects of low-to-moderate CO2concentrationson human decision-making performance’.Environmental Health Perspectives, http://dx.doi.org.10.1289/ehp.1104789. Seppänen, O.,W.J. Fisk en Q.H. Lei (2006a), ‘Ventilation and performance in office work.’Indoor Air Journal, 16 (1), p.28-35. Seppänen, O.,W.J. Fisk en Q.H. Lei (2006b)‘Effect oftemperature on taskperformance in office environment’Proceedings of cold climate HVACconference, Moskow, 2006. Shields, H.C.en C.J.Weschler (1998),‘How dry can a building get?’in:D.J. Moschandreas (ed.)Operation of healthy buildings,ASHRAE 1998,p. 241-250. Strøm-Tejsen, P., G. Clausen en J. Toftum (2003), ‘Sensory pollution load froma used ventilation filterat different air flow rates’.Proceedings Healthy Buildings2003, 3,p.257-261. Toftum, J., R.V.Andersen,K.L. Jensen (2009) Occupant performance and building energy consumption with different philosophies ofdetermining acceptable thermal conditions.Building and Environment, 44, p.2007-2016. Ueki, M.,S. Tanabe, N. Nishihara, M. Nishikawa, M. Haneda en A. Kawamura (2007),‘Effect ofmoderatelyhot environment on productivityand fatigue evaluated by subjective experiment of long time exposure’.Proceedings ofClima 2007 WellBeing Indoors. Vroon, P.A. (1990)Psychologische aspecten van ziekmakende gebouwen, ISOR, Utrecht. Wargocki, P., D.P.Wyon en P.O. Fanger (2004), ‘The performance and subjective responsesof callcentre operator performance with new and usedsupply air filters at two outdoor air supply rates’.Indoor Air,14, (Suppl. 8) p.7-16.-Wargocki, P. en D.P.Wyon (2006),‘Effects of HVAC on student performance’.ASHRAE Journal, October2006, p.22-28.-Wilson S. en A. Hedge (1987),The Office Environment Study: AStudy ofBuilding Sickness. Building Use Studies Ltd, London. Wyon, D.P. (2000), ‘Individual control ateach workplace: the means and the potentialbenefits’, in: Clements-Croome, D (ed.)Creating the productive workplace. E & FNSPON,p. 192-206. Wyon, D.P., L. Fang, L. Lagercrantz en P.O. Fanger (2006), ‘Experimental determination of the limiting criteria for human exposure to low winter humidity indoors (RP-1160)’. HVAC&R Research, 12:2, p. 201-213. Zweers, T., L. Preller, B. Brunekreef en J.S.M. Boleij (1992), ‘Health and Indoor Climate Complaints of 7043 Office Workers in 61 Buildings in the Netherlands’, Indoor Air, 2 (1), p. 127-136.


87 / 106

8 State of the Art

8.1

Inventarisatie materialen en gevelsystemen

In FACET rapport 5.2 wordt een overzicht gegeven van mogelijke gevelmaterialen en monolithische gevelsystemen, met de bouwfysische parameters welke de prestatie van het materiaal bepalen. De geïnventariseerde producten en materialen zijn als volgt gecategoriseerd:  Transparante gevelmaterialen.  Geventileerde transparante gevels.  Dynamische transparante gevelmaterialen.  Translucente gevelmaterialen.  Niet-transparante gevelmaterialen.  Dynamische niet-transparante gevelmaterialen.  Geavanceerde buitenzonwering.  Systemen voor heroriëntatie van daglicht. Verder wordt er een hoofdstuk aan actuele ontwikkelingen gewijd. De rapportage wordt afgesloten met een hoofdstuk waarin in Nederland gerealiseerde geavanceerde gevels worden geanalyseerd. Geconcludeerd wordt dat dit meestal geventileerde gevels (klimaatraam/ tweede huidfaçade) en geavanceerde buitenzonwering betreft.

8.2

Geavanceerde gevels in Nederland

Figuur 44 Impressie van verschillende geavanceerde gevels in Nederland

De stand der techniek van geavanceerde gevels in Nederland is geïnventariseerd door bij leveranciers van geavanceerde gevels referentieprojecten op te vragen en van deze projecten te


88 / 106

onderzoeken wat de specifieke geveltoepassing is. Hierbij is gekeken bij welke gebouwfuncties geavanceerde gevels worden toegepast, en welk type geavanceerde gevel wordt toegepast. Onder geavanceerde gevel wordt verstaan een gevel waarin een dynamisch aspect aanwezig is met betrekking tot de fysische parameters voor warmte- en lichttransmissie: geventileerde gevels, gevels met geavanceerde geregelde buitenzonwering etc. Een totaaloverzicht van de 59 gebouwen uit de inventarisatie is opgenomen in WP deelrapport 5.2 Ontwikkelen integrale gebouwschillenInventarisatie relevante beschikbare en nieuwe technologische ontwikkelingen. In onderstaande figuur is aangegeven bij welke verschillende type gebouwfuncties geavanceerde gevels worden toegepast. Een sprekend resultaat is dat ruim driekwart van de geavanceerde gevels toepassing vindt in kantoorgebouwen.

Figuur 45. Gebouwtypes uit de inventarisatie.

Uit het onderzoek blijkt dat bijna de helft van de geavanceerde gevels een tweedehuid façade betreft. Ruim een kwart betreft een klimaatraam, ongeveer 20% betreft een vorm van geavanceerde buitenzonwering door middel van bewegende bouwdelen, anders dan traditionele buitenzonwering, zie onderstaande figuur.

Figuur 46. Verschillende types geavanceerde gevel uit de inventarisatie.

8.3

Conclusies

Er is een analyse gemaakt van projecten waar Nederlandse gevelbouwers, ingenieursbureaus het meest trots op zijn. Het grootste deel van de toepassingen (ruim driekwart) is bij kantoren. Bijna de


89 / 106

helft van de geavanceerde gevels betreft een tweedehuid façade. Ruim een kwart betreft een klimaatraam en ongeveer 20% betreft een vorm van geavanceerde buitenzonwering. Een overzicht en classificatie van 278 bestaande CABS concepten is gegeven in ‘CABS – what can we simulate?’. De toekomstgerichte inventarisatie van materialen en technieken heeft als input gediend voor de ontwikkeling van de adaptieve FACET gevelconcepten

8.4

Literatuur, bronnen

Facet deelrapport WP 5.2 Ontwikkelen integrale gebouwschillen - Inventarisatie relevante beschikbare en nieuwe technologische ontwikkelingen


90 / 106

9 Ontwikkelde FACET gebouwschilconcepten Een belangrijke doelstelling binnen FACET was het ontwikkelen van innovatieve, integrale gebouwschilconcepten voor de verschillende toepassingsgebieden scholen, kantoren en woningen. De concepten kunnen hierbij onderscheidend zijn door verschil in focus op ofwel 1) gevelconstructie/opbouw van verschillende typen lagen 2) gebruik van materialen met variabele eigenschappen of 3) toepassing van actieve (installatie)elementen in de gebouwschil. In dit hoofdstuk worden, aan de hand van de in het vorige hoofdstuk uitgevoerde simulaties, de gebouwschilspecificaties gegeven en worden de vier gegenereerde gevelconcepten geïllustreerd en beschreven. Tenslotte zijn de concepten doorgerekend en worden de energetische prestaties ervan vergeleken met de ‘ideale’ FACET gebouwschil. 9.1

Opstellen gebouwschilspecificaties aan de hand van de inverse simulatieresultaten

Met behulp van de dynamische simulatieprogramma’s TRNSYS en Radiance zijn voor zowel het thermische als het visuele comfort de in theorie, ideale gebouwschilparameters bepaald. Voor de 3 grootheden U-waarde, zontoetreding en ventilatie is hieronder (uitgedrukt in daggemiddelde waarden) weergegeven hoe deze parameters, volgens de FACET simulaties, idealiter zouden moeten variëren.

Figuur 47 Verloop van daggemiddelde U-waarde over het jaar

Zoals verwacht kan worden is in Figuur 47 te zien dat de gemiddelde gewenste isolatiewaarde in de zomer groter is dan in de winter. In de wintermaanden is een isolatie zowel overdag als ’s nacht gewenst. De hogere gewenste U-waarde in de zomer heeft vooral te maken met de wens om nachtelijke koeling beter mogelijk te maken. Overdag in de zomer zal de u-waarde ook laag zijn. Immers, een goed isolerende schil helpt ook om een woning ’s zomers koel te houden.


91 / 106

Figuur 48. Verloop van daggemiddelde zontoetreding over het jaar

De daggemiddelde gewenste zontoetreding is in de winter duidelijk groter dan in de zomer. Het invangen of juist buitenhouden van zonne-energie is een zeer effectieve maatregel om het binnenklimaat te reguleren. Bij het bepalen van de gewenste zontoetreding is rekening gehouden met de benodigde opening van de gevel om de minimaal gewenste hoeveelheid daglicht binnen te laten.

Figuur 49. Verloop van daggemiddelde warmterugwinning (HRU) op ventilatielucht over het jaar

In bovenstaande figuur is duidelijk te zien dat het in de zomermaanden veelal gewenst is om te ventileren zonder warmterugwinning. Dit heeft vooral te maken met de wens om ’s nachts te spuien (zomer nachtventilatie) om de woning af te laten koelen. Overdag in de zomer, wanneer het buiten warmer is dan binnen, zal de warmteterugwinning juist effectief zijn om koelte terug te winnen via de HRU. In de wintermaanden is zowel ’s nachts als overdag een hoge mate van warmteterugwinning gewenst.


92 / 106

In FACET rapport 2.3 is een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd voor de impact van de gebouwschilparameters op de warmtevraag.

Figuur 50. Impact van de gebouwschilparameters

In de eerste 4 kolommen is het effect te zien van het beperken van de maximale Rc waarde van 9,8 2 naar 3 (m K/W). Dit geeft een toename van 285% op de warmtevraag (van 27 naar 77 MJ). Het beperken van de maximale Rc waarde van 9,8 naar 5 (m2K/W) geeft een toename van 181% op de warmtevraag (van 27 naar 49 MJ). 3

Het beperken van de maximale ventilatiecapaciteit van 80 naar 40 dm /s heeft geen effect op de warmtevraag, zie kolom 5 (blijft 27 MJ). Het verlagen van het maximale WTW rendement van 96 naar 76 leidt tot een toename van 181% van de warmtevraag (van 27 naar 49MJ). Het verder beperken van het maximale rendement tot 60% geeft een toename van 319% (van 27 naar 86 MJ). Het effect van het beperken van de maximale zontoetreding (van 0,98 naar 0,6) is met een toename van 27 naar 50 MJ minder groot (185%) dan de invloed van de andere parameters. 3

Bij de gecombineerde beperking van de parameters (Rc<5,1; HRU < 60%, ventilatie < 40 dm /s, zonwering < 0,6) is de totale toename van de warmtevraag een factor 5 hoger (van 27 naar 137 MJ). Dit geeft inzicht in de invloed van de reikwijdte van de verschillende parameters indien zij gezamenlijk of afzonderlijk worden beperkt.


9.2

93 / 106

Inventarisatie relevante beschikbare en nieuwe technologische ontwikkelingen

In FACET rapport 5.2. en in publicatie ‘Overview of 100 Climate Adaptive Building Shells’ is een overzicht gegeven van relevante en beschikbare technologieën en voorbeelden van adaptieve gevels.

Figuur 51. Overzicht van klimaat adaptieve gebouwschillen

Aan de hand van deze informatie zijn de voorbeelden gerangschikt op het gebied waarop de adaptiviteit van toepassing is door de adaptieve gevelsystemen en technieken te rangschikken naar: • Thermische adaptiviteit • Visuele/ daglicht adaptviteit • Ventilatie adaptiviteit Hierbij is de mate waarin het voorbeeld of de techniek scoort op adaptiviteit (als cijfer van 0-10 op een gekozen range). Zie onderstaande tabel voor een selectie van de honderd voorbeelden en de rangschikking naar mate van adaptiviteit.


94 / 106

Tabel 15. Overzicht ‘Climate adaptive building shells’ en rangschikking naar adaptiviteit Nr Naam 1 Active building Envelope 2 Active window / micro mirror 3 Adaptive fritting 4 AeroDimm 5 Aegis Hyposurface 6 Aldar Central Market 7 Allwetterdach 8 Aperture 9 Arabe Intitute du Monde 10 Balloon Sun Shading 11 Beadwall 12 Bengt Sjostrom Starlight theatre 13 Bi-directional thermodiodes 14 Bionic Breathing Skin 15 BioTower 16 Blight 17 Bloomframe Balcony 18 Breathing wall 19 Bremtex .. 53 Le mur neutralisant 54 Living glass 55 Living walls and roofs 56 L’hemisferic 57 Liquid façade 58 Metal shutter houses 59 Microblind 60 Nano Vent Skin 61 Nocturnal ventilator 62 Paper art museum 63 Pfalzkeller 64 Phantom house 65 Photochromics 66 Pixelskin01 67 Pixelskin02 68 PV honeycomb glass façade 69 Responsive kinetic façade 70 Roof pond Hammond house 71 Sagami bay house 72 Self-regulating ventilation 73 Showroom Kiefer technic 74 Skytherm solar roof pond 75 Smart Energy Glass 76 SmartScreen 77 Smart shade 78 SmartWrapTM 79 Solar barrel wall 80 SolaRoof 81 Solar Ivy 82 SolVent window system 83 Sonomorph 84 Stomata Inspired Skin 85 Sunbender 86 Sündreyer 87 Super Cilia Skin 88 Swindow 89 Switchable insulation 90 The B&W house 91 The esplanade 92 Thermochromics 93 The Sliding House 94 “Turning the place over” 95 Wall integrated PCM 96 Wall street ferry terminal 97 Weather Sensitive Envelope 98 Wind Shaped Kinetic Pavilion 99 Zollverein school 100 Zon-Wel SmartFaçade

Zonwering/daglicht Thermisch Ventilatie 0 5 0 7 0 0 7 0 0 3 5 2 0 0 0 7 1 0 3 3 5 7 0 0 7 1 0 6 1 0 6 8 0 4 3 3 0 3 0 0 3 3 0 3 2 9 1 0 0 0 1 0 3 5 7 3 0 .. .. .. 0 5 0 0 0 5 0 2 0 5 0 0 0 5 0 8 2 2 7 0 0 0 0 0 0 0 3 5 2 2 8 0 0 5 0 0 7 0 0 8 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 0 0 0 5 9 2 0 0 5 0 6 0 0 9 0 0 5 0 0 5 5 0 0 5 0 6 6 0 0 0 0 5 5 2 0 0 0 0 2 5 6 0 0 7 6 0 0 0 0 0 0 4 0 8 0 5 0 0 2 0 0 8 0 0 8 8 2 0 0 0 0 8 0 5 5 0 5 5 0 0 0 0 0 3 0 8 5 8

De voorbeelden zijn ingedeeld naar ‘hoge’ of ‘lage’ adaptiviteit t.a.v. thermische, visuele en ventilatie eigenschappen. De resultaten van deze analyse zijn gevisualiseerd in Figuur 52. Aan de hand van deze indeling kunnen de technische mogelijkheden voor inzetbaarheid in FACET concepten worden beoordeeld.


95 / 106

Figuur 52. Venndiagram van variabele, adaptieve visuele, thermische en ventilatie eigenschappen

Als we de functies van de gevels indelen in de categorieën thermisch-, zon en licht-, en ventilatieadaptief, dan valt op dat weinig gevels echt functioneel adaptief zijn op alle vlakken. Een analyse van deze inventarisatie van adaptieve technologieën laat zien dat het grootste deel van de adaptieve technologieën (34%) uitsluitend gericht is op adaptieve zonwering en/of lichttoetreding. In principe zijn veel van deze gevels “veel van hetzelfde” en gaat het om een ‘fancy’ zonwering. Weinig gevels zijn gericht op adaptiviteit, dus veranderende eigenschappen voor isolatie en/of ventilatie. Opvallend is dat 16% van de voorbeelden in het geheel niet adaptief is voor visuele, thermische en ventilatie eigenschappen. Het gaat hier veelal om gevels die veranderen van gedaante (bijvoorbeeld met verlichting of door bewegende delen) voor de show, om energie op te wekken, voor het artistieke effect of bijvoorbeeld voor reclame uitingen. De meeste gevels lijken ontworpen voor een eenmalig gebouw, en niet geschikt om in grote series (industrieel) te worden vervaardigd. Veel gevelsystemen zijn, ook als ze seriematig zouden worden vervaardigd, uiterst kostbaar en daarom niet geschikt voor brede toepassing. Veel van de gevels komen bovenmatig onderhouds- en storingsgevoelig voor. Het is uit de documentatie niet duidelijk, of met het onderhoudsaspect rekening is gehouden. Van de meeste gevels is niet duidelijk, of ze ook echt werken zoals bedoeld (los van mogelijke mechanische storingen).


9.3

96 / 106

FACET Concepten

Er zijn op basis van beschikbare en toekomstige technologieën en gevelconcepten vier proof-ofprinciple FACET concepten uitgewerkt met verschillende oplossingsrichtingen. De onderscheiding ligt hierbij op ‘high tech’ versus ‘low tech’ en ‘hoge kosten’ versus ‘lage kosten’.

9.3.1 Brainstorm Er is een brainstorm gehouden met het FACET projectteam waarbij verschillende ruwe ideeën in schetsvorm naar voren kwamen. Zie Figuur 53 voor een impressie van de schetsen en ideeën.

Figuur 53. Impressie van schetsresultaten uit brainstorm

Aan de hand van deze brainstormresultaten en de informatie over de gewenste specificaties zijn vier concepten gedefinieerd en uitgekozen om verder uit te werken: - Coulissen facade - Pixel facade - ‘Goed geregeld’ - Kame(e)leon Façade Zie de volgende sectie voor een beschrijving van deze concepten. Bij het uitwerken is enerzijds gekeken naar de opgestelde gebouwschilspecificaties uit 8.1 en de technologische mogelijkheden uit 8.2.


9.3.2

97 / 106

Concept 1: Coulissen façade

Figuur 54 Coulissen façade: “Aanpassing door het weghalen of toevoegen van lagen met verschillende functies”

In dit concept wordt de functie van zonwering gecombineerd met een isolerende functie. Doordat de zonwering in twee delen is uitgevoerd kan de gevel naar wens van onderen of van boven gedeeltelijk worden dichtgezet en is een grote variëteit aan combinaties tussen isolatiewaarde en zontoetreding mogelijk. Eigenschappen: Visueel + thermisch: 2 Vacuümisolatie lamellen, isolatiewaarde (Rc = 5 m K/W), vele standen mogelijk. De opening met zichtzone kan worden verschoven door zonwering onder en boven te plaatsen. Buitenzonwering kan bijvoorbeeld op basis van HunterDouglas® jalouzien. Isolerende zonwering kan ook een schuifluik of klapluik zijn. Verticale of horizontale oplossingen zijn mogelijk om mechanisch adaptief te zijn. Thermisch Drievoudig glas U<0,6 , LTA 0,6-0,7; ZTA 0,5; U waarde raam (U<0,8) Lucht/Ventilatie Goede luchtdichte aansluitingen, ventilatie met HR-WTW (bijvoorbeeld door een gevelgeïntegreerde WTW unit).

Figuur 55 Impressies van de gevel met verschillende posities van de hybride zonwering


9.3.3

98 / 106

Concept 2: Pixel façade

Figuur 56 Pixel facade: ‘Gevel opgedeeld in separaat regelbare, adaptieve vlakken/facetten’

Eigenschappen: Visueel Per FACET stuurbare transparantie van beglazing (1) Electro chroom of 2) jaloezieën in spouw. LTA 0,6-0,7; ZTA 0,1-0,9 Thermisch Tweede huidfacade (regelbare klimaatgevel) met HR++ (U=1,1) en drievoudig isolerend glas (U=0,6). Ventilatie Voorverwarming lucht d.m.v. regelbare spouw/tweede huid facade. Decentrale ventilatie WTW unit in plafond. Passieve koeling door geventileerde spouw met zonwering (i.c.m. interne bufferende massa)


99 / 106

Figuur 57 Impressies van de gevel met verschillende transparanties van de pixels

9.3.4

Concept 3: Goed geregeld!

Figuur 58 Goed geregeld!: ‘passief bouwen maatregelen i.c.m. goede regeling’

Het concept ‘goed geregeld’ heeft als uitgangspunt state of the art (passiefhuis) materialen en technologieën maar met een zeer goede regelstrategie. Dit betekent een goed geïsoleerde (passiefhuis niveau) gevel met integrale regelstrategie voor verwarming, zonwering en ventilatie. Passief in dichte delen maar adaptief in zonwering/lichtoetreding en ventilatie. Eigenschappen: Visueel Goed geregelde buitenzonwering (screen), ZTA = 0-0,9 Thermisch Uraam <0,8,dichte delen Rc = 7; Uitgangspunt is voldoende interne bufferende massa (massieve bouwwijze).


100 / 106

Lucht/Ventilatie Luchtdichting 0,6/h @50 Pa, hoog rendement WTW (centraal)

9.3.5

Figuur 59

Concept 4: Kame(e)leon Façade

“Kameeleon-concept combineert adaptiviteit met opslag en past zich aan zonder mechanische handelingen (door intrinsieke verandering van fysische eigenschappen).”

Het Kameeleon concept is meer toekomstgericht en heeft nog te ontwikkelen elementen zoals. Ook is het voorbereid op thermochemische warmteopslag systeem door een opslag in de gevel. Eigenschappen: Visueel/Licht Slimme, (zelf-)adaptieve beglazing door middel van een schakelbare NIR coating + schakelbare transparantie bijv. elektrochrome beglazing. Thermisch Zonnecollector (‘trombewand’) met schakelbare vacuüm isolatie t.b.v. opslag: warmte of koude buffer. Water gevulde collector/opslag die in de toekomst geschikt kan worden gemaakt voor thermochemische warmte opslag. In lege toestand isolerend door het gebruik van meerdere kunststof kanaalplaten. Ventilatie/lucht Warmte en/of koude buffer te gebruiken in combinatie met gevel geïntegreerde WTW.


Figuur 60

9.4

101 / 106

Impressies van de Kame(e)l-eon gevel met de regelbare beglazing en de verticale dichte delen met regelbare warmte/koudeopslag

Resultaten energieprestatie van concepten 1 t/m3

De concepten 1 t/m 3 zijn middels dynamische simulaties doorgerekend op energiegebruik voor verwarming, koeling. Daarnaast is de energiebehoefte voor verlichting bepaald, zie Figuur 61.

Figuur 61 Resultaten energieprestatie concepten

De FACET concepten laten een zeer groot besparingspotentieel zien van circa 75-85% ten opzichte van de referentiesituatie. De concepten presteren weliswaar minder dan de ‘ideale’ FACET variant (ruim 90% besparing) maar door een integrale aanpak en zeer goede regelbaarheid voor de variabele


102 / 106

geveleigenschappen voor daglichttoetreding, zonwering, isolatie en ventilatie is het energiegebruik voor de FACET concepten nog altijd circa een factor 5 lager dan de referentiesituatie. De warmte en koelvraag kunnen, door de beperkte reikwijdte en minder dynamisch gedrag van de geveleigenschappen, minder gereduceerd worden dan de FACET gevel. Met name de reductie van de warmtevraag is beperkter. De reductie van de energie voor verlichting (circa 80%), vergeleken met de referentie situatie is met name te behalen door het toepassen van energiezuinige, daglichtgestuurde armaturen.

9.5

Conclusies

De FACET concepten laten een zeer groot besparingspotentieel zien van circa 75-85% ten opzichte van de referentiesituatie. De FACET concepten presteren weliswaar een factor twee tot drie minder dan de ‘ideale’ FACET variant maar door een relatief goede regelbaarheid voor de variabele geveleigenschappen voor daglichttoetreding, zonwering, isolatie en ventilatie presteren de concepten nog altijd een circa een factor vijf beter dan de referentiesituatie. Een breed spectrum van variabiliteit geeft de beste resultaten maar de hier gedefinieerde en gesimuleerde concepten tonen aan dat ook met geveleigenschappen met een beperktere adaptiviteit zeer goed presteren. De concepten laten tevens zien dat er meerdere oplossingsrichtingen mogelijk zijn die vergelijkbare resultaten behalen. Zowel ‘high tech’ als ‘low tech’ oplossingsrichtingen respectievelijk dure en goedkopere oplossingen geven een substantiële energiebesparing met behoud van comfort. De concepten zijn hier toegepast op kantoren maar de resultaten van FACET report WP2 heeft laten zien dat ook bij appartementen en scholen toepasbaar zijn. De concepten zijn door de adaptieve eigenschappen intrinsiek adaptief en dus universeel toepasbaar bij verschillende of een veranderende functie van gebouw, of wijziging van klimaat. Hierbij wordt aangetekend dat de duurdere high tech oplossingen naar verwachting eerder in de utiliteitsbouw ingang zullen vinden. De concepten voldoen bij de simulaties aan het gestelde programma van eisen voor visueel en thermisch comfort. Er zal echter in de praktijk uitgewezen moeten worden of de regelingen in de praktijk ook conform de aannames in de regelstrategie van de simulaties worden uitgevoerd.


103 / 106

10 Conclusies en aanbevelingen De hypothese van het FACET project luidt dat in gebouwen, die zijn voorzien van een gebouwschil met klimaatgestuurde, thermische en licht technische eigenschappen, het energiegebruik beduidend lager zal zijn terwijl aan de reguliere of zelfs hogere comforteisen wordt voldaan. Om deze hypothese te toetsen is eerst een programma van eisen geformuleerd om de visuele en thermische behaaglijkheid te definiëren. Er is daarbij inzicht verkregen in mogelijke regelstrategieën en gewenste gebruikersinvloeden op de aansturing van adaptieve geveldelen. Vervolgens zijn de mogelijkheden en beperkingen voor simulatie van adaptieve gebouwdelen in gebouw-simulatietools in dit project in kaart gebracht. Hierbij zijn twee complementaire strategieën uitgewerkt voor het uitvoeren van een inverse aanpak in bestaande simulatietools, namelijk 1) Multi-objective optimization en 2) Sequentiële aanpak Bij de eerste methode is een “Toolchain” ontwikkeld voor het gekoppeld simuleren en optimaliseren van zowel visueel als thermisch comfort met open-source programma’s. De koppeling van ESP-r met BCVTB voor meer vrijheid van simuleren met geavanceerde regelstrategieën in algemene zin is beschikbaar gemaakt. Er is een superpositieaanpak in Radiance gemaakt voor het snel doorrekenen van verschillende gevelvarianten. Door de lange rekentijd zijn jaarberekeningen bij deze aanpak echter nog niet mogelijk. Bij de tweede methode is er eveneens een koppeling gemaakt tussen lichtsimulatie en thermische simulaties maar dit gebeurt sequentieel. De sequentiële RadianceTRNSYS koppeling met regeling van de gevel op basis van energiebalans laat uitstekende resultaten zien voor het energiebesparingspotentieel met behoud of verbetering van thermisch en visueel comfort. Het theoretische energiebesparingspotentieel van FACET in de verschillende toepassingsgebieden (kantoren, appartementen en scholen) blijkt zeer groot te zijn. Voor alle toepassingen kan in theorie een besparing van meer dan 90% worden bereikt op verwarming, koeling en verlichting, terwijl aan de reguliere of zelfs hogere comforteisen wordt voldaan. Een eerste verkennend gebruikersonderzoek naar de acceptatie van adaptieve gevels in de praktijk laat zien dat bewegingen in de gevel niet als hinderlijk hoeft te worden ervaren. Naast de praktijktoets is een kwalitatieve benadering gegeven van de invloed van deze factoren op productiviteit, gezondheid, leerprestaties. Op basis van interviews is een inventarisatie van proces gerelateerde aspecten en randvoorwaarden voor opname van FACET in de bouwsector opgesteld. Er zijn, naast de FACET simulaties die het theoretisch besparingspotentieel laten zien, vier ‘proof-ofprinciple’ FACET concepten uitgewerkt en gesimuleerd. De resultaten laten zien dat met deze FACET concepten door variabele geveleigenschappen voor daglichttoetreding, zonwering, isolatie en ventilatie een besparing van circa 75 - 80% mogelijk is. Uit dit simulatieonderzoek blijkt dat gevels met adaptieve eigenschappen een grote bijdrage kunnen leveren aan het bereiken van de doelstellingen voor het ontwerp van nul-energiegebouwen. Aan de hand van de resultaten van de FACET simulaties en de gesimuleerde concepten kan de hypothese bevestigd worden dat bij gebouwen, die zijn voorzien van een gebouwschil met klimaatgestuurde, thermische en licht technische eigenschappen, het energiegebruik fors (circa 8090%) lager kan zijn terwijl aan de reguliere of zelfs hogere comforteisen wordt voldaan. Hoewel het energiebesparingspotentieel zeer groot is en ook aan de visuele en thermische comforteisen wordt voldaan, zullen toetsen in de praktijk uit moeten wijzen of de resultaten ook daadwerkelijk gehaald kunnen worden.


104 / 106

Bijlage 1 Overzicht rapporten, publicaties, kennisverspreiding Publicaties in vaktijdschriften (vakblad, datum, titel artikel) TVVL Magazine Ontwikkeling van gebouwschillen met variabele, klimaatgestuurde eigenschappen. Climate Adaptive Building Shells, Bakker, L.G., Boer, B., de Wilde, P.J.C.J., Voorden, M. van der. Bouw en aanbesteding, November 2010, ‘Adaptieve gebouwschil veel energiezuiniger’ , B. de Boer TVVL Magazine Loonen, R.C.G.M., Trcka, M., Cóstola, D. & Hensen, J.L.M. (2011). Prestatiesimulatie van adaptieve gevels. TVVL Magazine, 40(2), 12-16. TVVL Magazine 41(5) Adaptieve gevels - een verkenning van het potentieel TVVL Magazine, december 2012. S.R. Kurvers, E.R. van den Ham, J.L. Leijten, S. Juricic, Robuust klimaatontwerp, energie-efficiëntie en gebruikerscomfort verenigd, Bouwfysica 2012(2) Promovendi column. Roel Loonen. New Scientist (Groot Brittannië), April 20, 2013, Oases of cool: Taking the heat out of urban living. (Interview met Roel Loonen). FACET Rapporten FACET deelrapport WP1.1 Programma van Eisen en Wensen voor het binnenmilieu & WP4.1 Gebruikersaspecten FACET deelrapport WP1.2 Literatuurstudie en Programma van Eisen Daglicht en Visueel Comfort FACET deelrapport WP1.3 Programma van Eisen en Wensen Regelingen FACET deelrapport WP1.4 Buitenklimaat FACET deelrapport WP2.1 Thermal simulations FACET deelrapport WP4.2 Gebruikers acceptatie regelingen FACET deelrapport WP4.3 Comfort en productiviteit FACET deelrapport WP4.4 Marktbehoefte en acceptatie FACET deelrapport WP5.2 Ontwikkelen integrale gebouwschillen - Inventarisatie relevante beschikbare en nieuwe technologische ontwikkelingen Peer-reviewed wetenschappelijke tijdschriften User satisfaction and interaction with automated dynamic facades: a pilot study. Building and Environment, 78, 44-52 (2014) Bakker, L.G., Hoes - Van Oeffelen, E.C.M., Loonen, R.C.G.M. & Hensen, J.L.M. (2014) Framework for assessing the performance potential of seasonally adaptable facades using multiobjective optimization. Energy and Buildings, 79, 106-113 (2014) Kasinalis, C., Loonen, R.C.G.M., Cóstola, D. & Hensen, J.L.M. Simulation-based support for product development of innovative building envelope components. Automation in Construction, 45, 86-95 (2014) Loonen, R.C.G.M., Singaravel, S., Trcka, M., Cóstola, D. & Hensen, J.L.M. Climate adaptive building shells: state-of-the-art and future challenges. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 25, 483-493 (2013) Loonen, R.C.G.M., Trcka, M., Cóstola, D. & Hensen, J.L.M. Conferenties, symposia: papers, posters, presentaties SBR-Innovatietafel innovatieve isolatieprincipes, 26 mei 2010, ‘Smartfacade & FACET’, presentatie B. de Boer Façade als adaptief comfort verhogend en energiebesparend toekomstconcept (FACET); een zoektocht naar de ideale gevel vanuit licht perspectief, Leo Bakker en Lies Schaberg Adaptive Architecture Conference 2011, London:‘Energy saving potential of climate adaptive building shells - Inverse modelling of optimal thermal and visual behaviour’ B.J. de Boer, G.J.Ruijg L. Bakker, W. Kornaat, L. Zonneveldt, S.R. Kurvers, N. Alders, A. Raue, J. Hensen, R. Loonen, M.Trcka


105 / 106

ECEE 2011, France: Future climate adaptive building shells ‘optimizing energy and comfort by inverse modelling’ Bart de Boer, Gerrit Jan Ruijg, Roel Loonen, Marija Trčka, Jan Hensen, Wim Kornaat Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Sydney, Australia, November 2011. (pp. 2148-2155). Sydney, Australia. Loonen, R.C.G.M., Trcka, M. & Hensen, J.L.M. (2011). Exploring the potential of climate adaptive building shells. Indoor Air Journal, Letter to the Editor, Volume 12, no.2, pp85-86, 2013. “Limitations of climate chamber studies into thermal comfort and workers' performance”, Leyten J.L., Kurvers, S.R. 10th International Healthy Buildings 2012 Conference, Brisbane, Australia. Indoor environment and sickness absenteeism in offices, J. L. Leyten, A.K. Raue, S.R. Kurvers 7th Windsor Conference: The changing context of comfort in an unpredictable world Cumberland Lodge, Windsor, UK, 12-15 April 2012. Energy efficiency versus overheating in a temperate climate for residential Buildings, Eleonora E. Alders, Stanley R. Kurvers, Eric R. van den Ham 7th Windsor Conference: The changing context of comfort in an unpredictable world Cumberland Lodge, Windsor, UK, 12-15 April 2012. Robustness of a building - Relationship between building characteristics and energy use and health and comfort perception, S.M.M. JURICIC, E.R VAN DEN HAM, S.R KURVERS, U.S. Department of Energy – Energy efficient buildings HUB. Challenges and solutions for optimization of thermal, visual and energy performance in the dynamic context of climate adaptive building shells, 2012 Invited presentation, Roel Loonen IBPSA England - Building Simulation and Optimization conferentie. Performance prediction of advanced building controls in the design phase using ESP-r, BCVTB and Matlab (2012). Hoes, P., Loonen, R.C.G.M., Trcka, M. & Hensen, J.L.M. Future climate adaptive building shells - Optimizing energy and comfort by inverse modeling. Proceedings of the 8th Energy Forum on Solar Building Skins, 6-7 December 2012, Bressanone, Italy. (2012) Boer, B.J. de, Bakker, L., Oeffelen, E.C.M. van, Loonen, R.C.G.M., Cóstola, D. & Hensen, J.L.M. Dynamic sensitivity analysis for performance-based building design and operation. Conference Paper : Proceedings of BS2013 : 13th Conference of International Building Performance Simulation Association, 26-28 August 2013, Chambery, France, (2013). Loonen, R.C.G.M. & Hensen, J.L.M. Advanced facade workshop, Rotterdam, September 2013, Presentation FACET – Future climate adaptive building shells, B. de Boer Performance prediction of buildings with responsive building elements: challenges and solutions. Proceedings of the 2014 Building Simulation and Optimization Conference (BSO14), Loonen, R.C.G.M., Hoes, P. & Hensen, J.L.M. Considerations regarding optimization of dynamic facades for improved energy performance and visual comfort. (2014) Proceedings of the COLEB 2014 Workshop - Computational Optimisation of Low-Energy Buildings, (pp. 7-8). Zürich, Switzerland. Loonen, R.C.G.M. & Hensen, J.L.M. High-performance dynamic facades - Opportunities for energy savings with increased comfort? Future Cities Lab – National University of Singapore. 21 April 2014. Invited presentation. Roel Loonen Climate adaptive building shells – opportunities for better comfort with less energy consumption. International seminar on new approaches for Energy, Comfort and Safety in and around buildings. University of Tehran. 21 September 2014. Roel Loonen Simulation support for research and development of advanced building skin concepts. Proceedings of the Energy Forum on Advanced Building Skins (28-29 Oktober 2014). J.L.M. Hensen, M. Archontiki, D. Cóstola, R.C.G.M. Loonen Shaping the next generation of adaptive facade concepts with the use of simulations. Proceedings of façade2014 – Conference on Building Envelopes, Luzern, 28 November (2014). R.C.G.M. Loonen, J.L.M. Hensen.


106 / 106

Study tour Façades Architecture Construction Engineering, April 2014, Presentation FACET – Future climate adaptive building shells, B. de Boer Hoofdstuk in boek: Bio-inspired adaptive building skins. In F. Pacheco Torgal, J.A. Labrincha, M.V. Diamanti, C.P. Yu & H.K. Lee (Eds.), Biotechnologies and Biomimetics for Civil Engineering (pp. 115-134). Springer International Publishing.(2015) Roel Loonen Via Internet (website URL, e.d.) www.eosfacet.nl http://pinterest.com/CABSoverview Overige publicaties ECN nieuws, Oktober 2010 – ‘Dynamische gebouwschil veel energiezuiniger’, B. de Boer Computational support methodology for performance optimization of climate adaptive building shell concepts.(2015) Proefschrift. Technische Universiteit Eindhoven. Roel Loonen.

FACET Façade als Adaptief Comfort verhogend en Energiebesparend Toekomstconcept

Recommend Documents