Geïntegreerd ontwerpen met Energy 10 Ir. Bart Poel, ir. Gerelle van Cruchten, ir. Joris Berben
Samenvatting De complexiteit van energieberekeningsmodellen en het gebruik ervan is een grote barrière bij het inzetten van deze modellen in het ontwerpproces van gebouwen. Energy 10 is een programma dat dit probleem overwint door veel van de tijdrovende taken te automatiseren, waardoor de benodigde tijd sterk wordt gereduceerd. Voorts streeft Energy 10 ernaar om de energieprestaties te plaatsen in een breder kader waarbij ook aspecten zoals daglicht, comfort, kosten en duurzaamheid aan de orde komen, daarmee het proces van geïntegreerd ontwerpen nadrukkelijk centraal plaatsend. Bovendien kan het ontwerpteam het programma al vanaf de allervroegste ontwerpfasen inzetten, beginnend met slechts vijf situatiespecifieke ontwerpgegevens, aangevuld met kengetallen en defaultwaarden. Naarmate het ontwerp vordert, vervangen ontwerpspecifieke data de kengetallen. Energy 10 is een rekenprogramma, ontwikkeld voor de Noord Amerikaanse markt en onlangs op een aantal belangrijke onderdelen aangepast aan de Nederlandse bouw- en adviespraktijk. Desalniettemin zijn nog een aantal meer fundamentele aanpassingen nodig om het programma volledig geschikt te maken voor gebruik in Nederland.
Strategische kenmerken Energy 10 is een dynamisch energieberekeningsprogramma dat ontwikkeld is in opdracht van de Amerikaanse overheid (Figuur 1). Waar mogelijk maakt het gebruik van reeds bestaande rekenstructuren: CNE voor thermische berekeningen en DOE-2 voor lichtberekeningen. De rol van CNE binnen Energy 10 zal op termijn overgenomen worden door Energy Plus (gebaseerd op BLAST en DOE-2). Energy 10 berekent het energiegebruik voor zowel verwarming, koeling, ventilatie als verlichting. Bovendien berekent het de daarmee gepaard gaande kosten en emissies (CO2, SO2 en NO x).
Figuur 1 – Startscherm van Energy 10
Figuur 2 – Energie Efficiente Strategieen in Energy 10
Energy 10 en geïntegreerd ontwerpen Twee belangrijke uitgangspunten voor de ontwikkeling van Energy 10 zijn het belang van ‘geïntegreerd ontwerpen’ en ‘de vroege ontwerpfase’. Geïntegreerd ontwerpen houdt in dat alle ontwerpaspecten in onderlinge samenhang beoordeeld worden en niet elk aspect apart. Als deze benadering vanaf de allereerste ontwerpfase gevolgd wordt, zal dat ertoe leiden dat betere en meer geïntegreerde ontwerpoplossingen gevonden worden en dat moeizame en dure bijstellingen (nu vaak aan de orde van de dag) later in het proces niet meer nodig zijn. Energy 10 stimuleert geïntegreerd ontwerpen omdat het vanaf de allereerste ontwerpfase gebruikt kan worden, als nog nauwelijks meer bekend is dan locatie, gebouwtype en vloeroppervlak. Het
programma rekent dan met de beperkte gegevens die de gebruiker invoert (slechts vijf gegevens moeten minimaal bekend zijn) en vult de rest aan met kengetallen. Gaande het ontwerpproces wordt het gebouw steeds nauwkeuriger bekend en worden de kengetallen vervangen door projectspecifieke data. Gedurende het gehele ontwerpproces wordt dus een en hetzelfde energieberekeningsprogramma gebruikt. Dit elimineert de kans op fouten en inconsistenties die altijd optreden bij de overgang van het ene op het andere programma, hetgeen nu noodgedwongen veel voorkomt. Energie Efficiënte Strategieën in Energy 10 Energy 10 geeft aanwijzingen voor Energie Efficiënte Strategieën voor de specifieke situatie via de opdrachten ‘Apply’ en 'Rank'. Nadat een gebouwontwerp is ingevoerd, kan Energy 10 met 'Rank' berekenen welke maatregelen het meest efficiënt zijn om toe te passen (gemeten naar de gerealiseerde energiebesparing). De resulterende ranglijst van maatregelen is een hulpmiddel bij het kiezen van toe te passen maatregelen. Tot nu toe kan gekozen worden uit een reeks maatregelen, zoals vermeld in figuur 2 (de licht-grijs vermelde maatregelen zijn nog niet operationeel, maar staan op de nominatie om ingebouwd te worden). Nadruk op front-end en back-end Energy 10 speelt in op de vaak gehoorde klacht dat berekeningsprogramma’s gebruiksonvriendelijk zijn, zowel qua invoer als qua uitvoer. Er is dan ook speciale aandacht besteed aan het gebruiksgemak van de invoermodule. Deze is logisch en inzichtelijk opgebouwd en biedt de mogelijkheid om enerzijds gebruik te maken van een uitgebreide bibliotheek van materialen en constructies en anderzijds om zelf materialen en constructies te definiëren. Ook de capaciteit van installaties kan ofwel door Energy 10 zelf gedimensioneerd worden (met de functie ‘Autosize’) ofwel handmatig ingevoerd worden. Wat betreft de uitvoer is er een grote variëteit in berekeningsresultaten die in de vorm van grafieken gepresenteerd worden: zowel vergelijkende staafdiagrammen voor energiegebruik en energiekosten voor verwarming, koeling, verlichting, overig en totaal als grafieken voor het gemiddelde en exacte uurlijks en maandelijkse profiel van warmtestromen, energiegebruiken en verlichting. Daarnaast is er een samenvatting van het ingevoerde gebouw en de bijbehorende energiezuinigere variant met de belangrijkste kenmerken en energetische prestaties van de twee gebouwvarianten. Ook is er een uitgebreid simulatierapport met de invoer en de uitvoer in tabelvorm. Tot slot produceert Energy 10 twee staafdiagrammen met de resultaten van een ‘ranking’ nadat deze is uitgevoerd. Daarbij kan ervoor gekozen worden om één voor één een maatregel toe te voegen of om één voor één een maatregel weg te laten. Deze methodes zullen verschillende resultaten laten zien op basis waarvan inzichtelijke wordt welke de energetisch meest efficiënte maatregel is om toe te passen.
Figuur 3 – Minimale invoer voor een eerste berekening
Figuur 4 – Defaultwaarden van Energy 10 kunnen voor een project worden aangepast indien gewenst
Werkwijze gedurende het ontwerpproces Fase: schetsontwerp Het rekenen met Energy 10 kan al beginnen in de vroegste ontwerpfase (schetsontwerp) als slechts de volgende vijf parameters bekend zijn (Figuur 3): 1. Locatie (klimaat) 2. Gebouwtype 3. Vloeroppervlak 4. Aantal verdiepingen 5. Installatietype. Men kan nu al een simulatie uitvoeren of, naar keuze, nog iets meer specificeren zoals o.a. lengte, breedte, hoogte van de gebouwschil, andere dan de defaultconstructies kiezen uit de bibliotheek, rotatie van het gebouw, aantal ramen en raamtype, setpoints voor verwarming en koeling, regelschema en het aantal personen (figuur 4). De ontbrekende gegevens die nodig zijn voor de energieberekening vult het programma zelf aan door gebruik te maken van kengetallen. Zo bepaalt Energy 10 zelf, als alleen de eerste vijf parameters zijn ingevoerd, de verhouding van de oppervlakken van de vier gevels en de verdeling van de ramen over de gevels. Ook wordt met de functie ‘Autosize’ de capaciteit van de installaties bepaald. Al deze kengetallen zijn in de oorspronkelijke versie van Energy 10 afgestemd op de Amerikaanse bouwpraktijk. Het is mogelijk de meeste kengetallen aan te passen aan de Nederlandse bouwpraktijk, zodat ook de eenvoudige berekeningen representatief zijn voor Nederlandse omstandigheden. Energy 10 rekent tegelijk met het zelf ingevoerde gebouw ook een energiezuinigere variant uit om zicht te geven op verdergaande energiebesparende maatregelen. De energetische maatregelen die het programma daarvoor gebruikt, zijn als default in Energy 10 opgenomen en ook afgestemd op de Nederlandse situatie (bij gebruikmaking van de Nederlandse kengetallenset). De eerste berekeningsresultaten geven een indicatie en ordegrootte van de energetische prestatie van een gebouw van het gekozen type en grootte (figuur 5). Fase: voorlopig ontwerp Naarmate het ontwerpproces vordert, worden meer details van het gebouw bekend. Deze kunnen nu ingevoerd worden door oppervlakken en constructies te veranderen, of de installaties verder te specificeren. Ook kan Energy 10 helpen bij het zoeken naar de meest energie-efficiënte maatregelen door de reeds besproken optie ‘ranking’ van mogelijke maatregelen uit te voeren. De energiebesparing van de verschillende maatregelen is daarbij een maat voor de positie op de ranglijst van meest besparende maatregelen.
Figuur 5 – Twee voorbeelden van grafieken met uitvoergegevens Fase: definitief ontwerp Het ontwerp wordt nu verder gedetailleerd. Ook de invoer van Energy 10 kan nog worden aangepast aan de laatste keuzes. Capaciteiten van installaties zijn nu wellicht exact bekend via de installateur. De warmtestroomgrafieken laten ook zien hoe het temperatuurverloop in het gebouw zal zijn. De
eventuele temperatuuroverschrijdingsuren kunnen worden bepaald. De emissie van CO2, SO2 en NOx geeft een maat voor de milieu-belasting als gevolg van het gebruik van het gebouw.
Nederlandse aanpassingen Zoals reeds vermeld zijn er voor de Nederlandse bouwpraktijk aanpassingen gemaakt in Energy 10 om beter aan te sluiten bij de hier gangbare bouwfysische advisering. Het betreft voornamelijk kengetallen, constructies en klimaatdata. Overigens zijn deze gegevens altijd door de gebruiker aan ter passen. De kengetallen die aangepast zijn voor de Nederlandse situatie betreffen: Algemeen: • Energiekosten (voor elektriciteit en gas en de kosten voor de elektriciteitspiekvraag) Gebouwgebonden (afhankelijk van het gebouwtype): • Geometrische kenmerken (verdiepingshoogte, glaspercentage) • Bezetting (aantal werkdagen per week, aantal vakantiedagen per jaar) • Interne warmtelast (interne en externe verlichting, personen, warm tapwater, overig) • Regeling klimaatinstallatie (regelschema, setpoints voor verwarming en koeling) • Energie-efficiënte strategieën (daglicht, beglazing en isolatie). De in Nederland toegepaste constructies zijn veelal beter geïsoleerd en maken meer gebruik van baksteen en beton. De Amerikaanse constructies daarentegen bestaan vaker uit hout- en staalskeletbouw met een lagere isolatiewaarde. In de constructiebibliotheek zijn een aantal in Nederland veel voorkomende constructies opgenomen voor gevel, dak, vloer en ramen (met de bijbehorende U- en R-waarden). Als defaultwaarde voor de eerste berekeningen is per gebouwtype uitgegaan van de meest gangbare constructie en de eisen in het Bouwbesluit (warmteweerstand van gevel, dak en vloer minimaal 2,5 W/m2K). Energy 10 bevat nu de klimaatfiles van De Bilt, Eelde en Vlissingen (gebaseerd op TMY-2 klimaatfiles). Een verdere uitbreiding die zeer gewenst is, maar nog niet doorgevoerd, omdat die bijzondere inspanningen vergt, is het toevoegen van klimaatinstallaties afgestemd op de Nederlandse bouwpraktijk.
Ervaringen uit de praktijk In een aantal projecten is Energy 10 inmiddels gebruikt (vanaf de schetsontwerpfase) en daaruit komen de volgende ervaringen naar voren: • Energy 10 werkt snel, zowel qua invoer als uitvoer. • De aandacht voor een bredere combinatie van aspecten die een rol spelen bij het ontwerpen van een gebouw (energie, comfort, kosten, emissies) stimuleert tot geïntegreerd ontwerpen. • Het is erg handig, ook in de communicatie naar andere ontwerpteampartners toe, dat er al vanaf het schetsontwerp energie- en comfortberekeningen beschikbaar zijn die mede richting kunnen geven aan het verder vormgeven van het ontwerp. • De keuze aan installaties is te beperkt. • Het werken met de constructiebibliotheek kan vergemakkelijkt worden. • De keuze aan beschikbare uitvoergegevens mag nog groter zijn (vooral voor Nederlandse adviseurs, in Amerika richt het programma zich ook sterk op architecten, die wellicht minder de neiging hebben om de grenzen van het programma te verkennen).
Een blik in de toekomst Er bestaan plannen om de gewenste en, voor het welslagen van Energy 10 in Nederland, ook zeer cruciale uitbreidingen te gaan implementeren in samenwerking met de Amerikaanse ontwikkelaars. In ieder geval zal dan de keuze aan klimaatinstallaties worden uitgebreid en ook afstemming met het Bouwbesluit, de EPN en andere NEN-normen heeft hoge prioriteit. Een aantal typisch Amerikaanse berekeningswijzen zullen worden ‘vertaald’ naar de Nederlandse aanpak.
Referenties Software handleiding: Passive Solar Strategies & Energy 10 Software – Passive Solar Industries Council, June 1996. Balcomb, J. D. – Using Energy 10 to Design Low-Energy Buildings, NREL, september 1999. Balcomb, J. D. – Diverse presentaties en documenten over Energy 10 binnen IEA, Solar Heating and Cooling Task 23 ‘Optimization of Solar Energy Use in Large Buildings’, vanaf 1997 tot november 2001. Cruchten, ir. G.P.M. – Energy 10 voor Nederlands gebruik: Nederlandse kengetallen Energy 10, Damen Consultants Arnhem, februari 2001.
