Januari 2002
ECN-C--02-018
GEÏNTEGREERD PV-ZONWERINGSYSTEEM
Ervaringen bij de ontwikkeling van een drietal gebouwgeïntegreerde PV-systemen voor het ECN-gebouw 31 H.F. Kaan T.H. Reijenga (BEAR Architecten)
Verantwoording Een belangrijk onderdeel van de renovatie van het ECN-gebouw 31 (Algemeen Lab) is de zonweringconstructie voor de gevel en op het dak, waarin zonnepanelen voor de opwekking van elektriciteit (PV) zijn geïntegreerd. Novem heeft het PV-project gesubsidieerd in het raamwerk van het leerprogramma van het NOZ-PV onder het projectnummer 146.310-007.1. In dit rapport wordt verslag gedaan van de belangrijkste leereffecten.
Afb.1. PV-modules in de lamellen, gefotografeerd tijdens de montage
Abstract This report deals with the findings of the design and realisation process of the refurbishment of ECN Building 31. This 1963 built building is reconstructed, the energy performance has been improved and –in relation to that- a large PV covered sunshading façade, PV awning and PV roof have been constructed. The façade is covered with 546 PV modules; the awning has 156 modules and the roof 456 modules. The total output of the system is 72 kWp. The project was supported by the EU Thermie programme and by the Dutch Novem NOZ-PV programme.
2
ECN-C--02-018
INHOUD SAMENVATTING
5
1. INLEIDING
7
2. HET ONTWERPPROCES 2.1. Het projectteam 2.2. Het PV ontwerp 2.3. Het PV ontwerpproces
11 11 11 13
3. EVALUATIE EN AANBEVELINGEN 3.1. Inleiding 3.2. Organisatie en voortraject 3.3. Ontwerpproces en realisatie 3.4. Resultaten 3.5. Ten slotte
23 23 23 24 28 30
ECN-C--02-018
3
4
ECN-C--02-018
SAMENVATTING In 1995 werd besloten om het verouderde Algemeen Laboratorium van ECN (gebouw 31) te renoveren. Na renovatie moest het gebouw een energieprestatie kunnen leveren waarmee het zou moeten kunnen wedijveren met de energiezuinigste nieuwe kantoorgebouwen. Bovendien moest PV een prominente plaats krijgen. BEAR Architecten te Gouda is verzocht het ontwerp te maken, terwijl het energieconcept door de groep Duurzame Energie in de Gebouwde Omgeving van ECN (DEGO) werd ontwikkeld. In het ontwerpteam werd nauw samengewerkt door BEAR, DEGO en de afdeling Projecten en Techniek van de facilitaire dienst van ECN. Om de warmtelast van het gebouw te verminderen is gekozen voor een buitenzonweringsysteem waarin PV is geïntegreerd. Bovendien werd het dak als een parasol ontworpen: het dak is als een PV-schild uitgevoerd, waaronder een geventileerde ruimte is gesitueerd. Het project is gesubsidieerd vanuit het Europese Thermie-programma en vanuit het NOZ-PVprogramma van Novem. Het internationale consortium werd gevormd door: - BEAR Architecten te Gouda; - ECN Duurzame Energie in de Gebouwde Omgeving; - ECN Faciliteiten afdeling Projecten en Techniek; - Officine di Architettura Cinzia Abbate te Rome; - Dasolas International Production A/S te Lystrup, Denemarken, in Nederland vertegenwoordigd door ALCO Bouwspecialiteiten te Zaltbommel; - het toenmalige energiebedrijf Energie Noordwest, ENW, te Bloemendaal. Er zijn 3 PV-systemen toegepast: de PV-lamellengevel (546 multikristallijn-silicium modules, totaal vermogen 26,2 kWp), de PV-luifel boven de lamellengevel (156 multikristallijn-silicium doorzichtmodules, 6,9 kWp) en het PV-dak (456 monokristallijn-silicium modules, 38,8 kWp). Voordat met de uitvoering is begonnen, is een ‘mock-up’ gebouwd om zowel de effecten van de PV-zonwering op de daglichttoetreding te kunnen bepalen, als om de eventuele uitvoeringsproblemen te kunnen traceren en te kunnen oplossen. Vooral voor het laatste is de mock-up van nauwelijks te overschatten waarde gebleken. Omdat de afbouw en de ingebruikname van het gebouw om verschillende redenen zijn vertraagd, is het nog te vroeg om een evaluatie te kunnen geven van het effect dat de geïntegreerde PV-gevel en -dak hebben op het energiegebruik van het gebouw. Het PV-systeem wordt tot ten minste augustus 2003 gemonitord. “Real time” meetgegevens zijn te lezen op: http://ecntsc.ecn.nl/pvdaq4/
ECN-C--02-018
5
6
ECN-C--02-018
1.
INLEIDING
Veel van de gebouwen waarin het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) is gehuisvest dateren uit de jaren zestig. Een van de meest in het oog springende gebouwen uit die periode is het gebouw dat bij ECN bekend is als gebouw 31, in 1963 gebouwd als algemeen laboratorium. In 1995 werd besloten om het gebouw te renoveren. De functie was in de loop der jaren veranderd van laboratorium met kantoorruimten voor de laboranten tot kantoor voor uiteenlopende afdelingen. De installaties waren ontregeld en verouderd. De constructie voldeed thermisch niet meer aan de eisen die men in 1995 aan een gebouw stelde; zowel de isolatie als de kierdichtheid liet sterk te wensen over. Bovendien trad ‘s zomers een onaanvaardbare overschrijding op van de binnentemperatuur als gevolg van zoninstraling. Aan de andere kant was de draagconstructie van het gebouw in uitstekende conditie. Bovendien heeft het gebouw met zijn vier bouwlagen een hoogte die binnen de thans vigerende bestemmingsplanvoorschriften niet meer te realiseren zou zijn. Sloop was daarom geen reële optie. Met renovatie zou het gebouw weer enige tientallen jaren meekunnen. De functie kon hersteld worden naar laboratorium met naar behoefte kantoorruimte voor laboranten.
Afb. 2 ECN-gebouw 31 voor de renovatie Aan de groep Duurzame Energie in de Gebouwde Omgeving (DEGO) van ECN werd gevraagd om te onderzoeken, of het gebouw een energie-prestatieniveau kon bereiken dat ten minste het toentertijd jongste gebouw van ECN kon evenaren. Dit in 1994 opgeleverde gebouw 40 bleek bij oplevering het meest energiezuinige kantoorgebouw van Nederland (het gebouw heeft een EPC van 1,4). Daarnaast zou moeten worden uitgezocht, of de prominente plaats die PV in het werkveld van ECN inneemt in de architectuur van het gerenoveerde gebouw 31 tot uiting kon komen. PV moest hierbij als blikvanger dienen. Wij gaan hier niet in detail in op de mogelijkheden die werden aangegrepen om tot een energiezuinig ontwerp te komen; deze zijn beschreven in publicatie ECN-I-97-042, “Duurzame renovatie ECN-laboratorium”. Een aantal aspecten moet evenwel worden genoemd, omdat die van wezenlijke invloed zijn geweest op het ontwerp van de geïntegreerde zonwering-PV-gevel en -dak.
ECN-C--02-018
7
Uit het voornoemde onderzoek bleek, dat in het gebouw verscheidene technische en thermische problemen optraden: - de isolatie was niet toereikend, bovendien bleken er veel koudebruggen te zijn. De slechte thermische conditie van de gevel was er de oorzaak van, dat de gebruikers van het gebouw in de winter voortdurend over kou klaagden; - het gebouw leed een belangrijk deel van het jaar aan oververhitting door zonneschijn; - het verlichtingssysteem was inefficiënt; - hoewel het gebouw vrijwel uitsluitend als kantoorgebouw werd gebruikt, functioneerde het ventilatiesysteem nog op laboratoriumniveau. Los van het hoge ventilatievoud en de grote warmteverliezen die daardoor optraden bood de installatie weinig comfort. Er werd voortdurend tocht ervaren; - het verwarmingssysteem was geheel ontregeld en bovendien technisch verouderd; - er was een grote warmte- en elektriciteitsvraag. Het gebouwgebonden elektriciteitsverbruik voor de renovatie lag op 80 kWh/m2 per jaar; de ruimteverwarming vroeg 140 kWhth/m2. Uit de studie van DEGO bleek, dat het energiegebruik voor ruimteverwarming teruggebracht kon worden met 75% waarmee deze beneden 50 kWhth/m2 per jaar zou komen (het energiegebruik voor verwarming van gebouw 40) en het elektriciteitsgebruik met 35%. Deze drastische daling van het energiegebruik kon als volgt worden bewerkstelligd. De energieladder “Verminderen van energievraag – toepassen van passieve zonne-energie – toepassen van actieve zonne-energie – energie-efficiency” volgend, is vermindering van energievraag de eerste opgave. Zoals bij de meeste utiliteitsgebouwen is ook voor het energieconcept van gebouw 31 vooral vermindering van de warmtelast (koelvraag) bepalend. Het gebouw had te lijden onder een forse oververhitting buiten het stookseizoen, en een adequate buitenzonwering leek dan ook een eerst vereiste. In de tweede plaats was het van belang, om het daglichtgebruik te optimaliseren: het daglichtniveau moest laag genoeg zijn om schitteringen op beeldschermen en bureaubladen te voorkomen, en hoog genoeg om de kunstverlichting uit te laten. Ook hierin kan de buitenzonwering een rol spelen. Het idee ontstond, om PV te integreren in een voorzetgevel die de functie van buitenzonwering heeft. Daarmee wordt de warmtelast sterk gereduceerd. Om de warmtelast verder terug te dringen, werd voorgesteld een PV-dak te maken dat als parasol fungeert. Onder dit dak konden de installaties voor het laboratorium worden geplaatst. Ondanks de oververhitting in de zomer was het energiegebruik voor verwarming fors, als gevolg van de grote thermische lekken in de gevels. Een belangrijk onderdeel van de renovatie is dan ook de reconstructie van de gevels. De in betonnen prefab-elementen uitgevoerde noorden zuidgevel zijn vervangen door geheel gewijzigde constructies (houtskeletbouw met een gevelbekleding van keramische tegels) met een hoge isolatiewaarde (Rc=3,5m2K/W). De kopgevel aan de oostzijde is “ingepakt” in isolatiemateriaal, waardoor een zelfde isolatiewaarde is verkregen, en voorzien van een nieuwe huid van keramische tegels. Het aan de westzijde gesitueerde trappenhuis is vervangen door een nieuw trappenhuis, dat tevens dient voor de aangrenzende nieuwbouw (gebouw 42). Ook de ramen en kozijnen zijn vervangen. Er is voorgesteld om een gebalanceerd ventilatiesysteem met warmteterugwinning aan te brengen (ook voor de laboratoria) en het gebouw met zomernachtventilatie te koelen. Er wordt een nieuw verwarmingssysteem aangelegd; de elektrische installatie wordt vervangen door een energie-efficiënt systeem.
8
ECN-C--02-018
Afb.3 Houtskeletbouw binnenspouwblad met minerale wol geïsoleerd, Rc = 3,5m2K/W
Visualisatie: MArt, Haarlem Copyrights: BEAR Architecten, Gouda
Afb.4. Visualisatie van gebouw 31 en de drie modules van het nieuwe gebouw 42. De beweegbare lamellen op ooghoogte geven een telkens wisselend architectonisch beeld.
ECN-C--02-018
9
Een belangrijke efficiëntieverbetering (50%) werd bereikt met de warmte-koelinstallatie die naast het gebouw is gesitueerd. De door middel van een elektrische warmtepomp wordt koude opgewekt voor de laboratoria. Ten behoeve van handhaving van een goed klimaat in de laboratoria, waar soms proeven worden uitgevoerd die gepaard gaan met een grote warmteontwikkeling, is immers een koelinstallatie onvermijdelijk. De warmte die vrijkomt bij het opwekken van de koude is gekoppeld aan het verwarmingssysteem van een aantal gebouwen. Daartoe zijn de desbetreffende gebouwen voorzien van een lage-temperatuur verwarmingssysteem (55-35oC). ’s Winters is uiteraard warmte nodig om de op het systeem aangesloten gebouwen te verwarmen. De koude die tegelijkertijd wordt opgewekt en die niet of niet ten volle benut kan worden, wordt in de bodem opgeslagen tussen kleilagen op 150 m diepte. ’s Zomers wordt de opgeslagen koude benut voor de koeling. Omdat er geen warmtevraag is, kan de warmtepomp uitgeschakeld blijven.
10
ECN-C--02-018
2.
HET ONTWERPPROCES
2.1
Het projectteam
Het EU-programma Thermie bood mogelijkheden om PV-demonstratieprojecten te subsidiëren vooral wanneer PV op een vernieuwende wijze in de architectuur en in het energieconcept van het desbetreffende gebouw is geïntegreerd. Er is dan ook in een vroegtijdig stadium een projectvoorstel ingediend, dat geresulteerd heeft in een bijdrage in een subsidie van 40% over de in aanmerking komende kosten. Daarenboven heeft Novem een subsidie toegekend. Mede omdat in een door de EU gesubsidieerd project internationale samenwerking vereist is, werd een projectteam samengesteld dat bestond uit: - BEAR Architecten te Gouda; - ECN Duurzame Energie in de Gebouwde Omgeving; - ECN Faciliteiten afdeling Projecten en Techniek; - Officine di Architettura Cinzia Abbate te Rome; - Dasolas International Production A/S te Lystrup, Denemarken, in Nederland vertegenwoordigd door ALCO Bouwspecialiteiten te Zaltbommel; - het toenmalige energiebedrijf Energie Noordwest, ENW, te Bloemendaal. Bij de ontwikkeling van de PV-installatie voor de gevel en voor het dak zijn Shell Solar te Helmond, respectievelijk BP Solar te Londen als leveranciers betrokken geweest. Pieters Bouwtechniek te Haarlem trad op als constructeur. Het Italiaanse architectenbureau en Dasolas/ALCO waren met name betrokken bij de ontwikkeling van de lamellengevel. De taak van ENW zou vooral gericht moeten zijn geweest op de monitoring en netkoppeling van het PV-systeem. Door fusie met NUON en verregaande reorganisatie is de rol van ENW helaas onderbelicht gebleven. Een interessante bijkomstigheid van het project is gelegen in het feit, dat zowel BEAR Architecten, ECN-DEGO, de projectvertegenwoordiger van ENW, de contactpersoon van Shell Solar en Officine di Architetture Cinzia Abbate deelnamen aan Taak 7 van het Photovoltaic Power System Programme van het International Energy Agency (IEA): Photovoltaic Power Systems in the Built Environment. Een onderdeel van deze taak was het verrichten van een aantal case studies, waarmee het ontwikkelings- en realisatietraject van gebouw-geïntegreerde PV-projecten kon worden gevolgd en geëvalueerd. Het onderhavige project was daarvoor bij uitstek geschikt. Dientengevolge heeft het project gedurende de ontwikkeling reeds volop (internationale) aandacht gekregen.
2.2
Het PV ontwerp
PV-gevel De PV-gevel bestaat uit 13 traveeën van vier bouwlagen. De traveeën van de eerste t/m derde verdieping zijn voorzien van vier lamellen per verdieping, die van de begane grond van twee lamellen. De lamellen zijn 840 mm diep en 3000 mm breed. Zij zijn voorzien van drie standaard multikristallijn-silicium PV-modules met blank aluminium frame, gemonteerd in een verdiept gedeelte aan de voorzijde van de lamellen. Per bouwlaag is de lamelle op ooghoogte om zijn horizontale as beweegbaar, teneinde desgewenst een beter uitzicht te bieden aan de gebruikers van de achtergelegen ruimte. De lamellen zijn vervaardigd van gevouwen aluminium, dat voor een grotere duurzaamheid is voorzien van een poedercoating. Zij zijn bevestigd aan verticale thermisch verzinkte stalen IPE 120-profielen, die horizontaal door IPE 120-profielen met de betonvloeren van het bestaande
ECN-C--02-018
11
gebouw zijn verbonden. De horizontale profielen dragen de catwalk, bestaand uit een metalen rooster voor onderhoudswerkzaamheden en schoonhouden van de lamellen en ramen.
Foto: Marcel van Kerckhoven Copyrights: BEAR Architecten, Gouda
Afb.5. Detail van de PV-gevel. De catwalk en de met aluminium omklede stalen kolommen zijn duidelijk zichtbaar. De lamellen zijn aan de achterkant voorzien van gaten om een goede ventilatie achter de PVmodules te waarborgen. De elektrische bekabeling is opgenomen in de holle ruimte van de lamellen. De verticale staalprofielen zijn aan de voor- en achterzijde voorzien van een gepoedercoate aluminium afdeklijst, die met een klikconstructie is bevestigd. Onder deze afdeklijsten is de verticale bekabeling aangebracht. Het gevelsysteem is door middel van 13 omvormers aan het elektriciteitsnet gekoppeld. Aan iedere omvormer zijn zeven strings bestaande uit zes standaardmodules van 49 Wp gekoppeld en twee strings van zes 44,4 Wp transparante modules. In totaal zijn er 546 standaardmodules in de gevel geplaatst (totaal vermogen 26,75 kWp, inclusief referentiecellen) en 156 transparante modules in de daklijst (6,92 kWp, inclusief referentiecellen). Alle omvormers, zowel die van de gevel als die van het dak, zijn in de installatieruimte onder het gebogen PV-dak ondergebracht. De bouwkundige gevel is van houtskelet-elementen vervaardigd, waarin de isolatie is opgenomen. Het PV-dak Het PV-dak was oorspronkelijk bedoeld als een soort parasol, een passieve-koelingvoorziening voor het dak. Het PV-dak zou in het aanvankelijk ontwerp dan ook geen waterkerende functie hebben, hierin werd voorzien door de ondergelegen platdakconstructie. Naarmate echter het gebouwontwerp vorderde, werd duidelijk dat de ruimte onder het gekromde PV-dak ingericht zou moeten worden voor de technische installaties van het laboratoriumgebouw, zoals ventilatoren en luchtkanalen. Derhalve werd besloten het PV-draagconstructie waterdicht uit te voeren.
12
ECN-C--02-018
Afb.6. De lamellen zijn aan de onderzijde voorzien van gaten om de ventilatie te waarborgen.
Het dak is gemaakt van gebogen stalen IPE 240 profielen, waarop geprofileerd staalplaat is aangebracht. Daarop ligt een isolatielaag van steenwol, waarover EPDM-folie is aangebracht als waterdichte laag. Hierop zijn standaard PV-modules geplaatst met het BP Sunflower-systeem. De profielen waarop de Sunflower bevestigingsplaten zijn gemonteerd, zijn via klossen van gelamineerd hout door middel van bouten bevestigd op de IPE 240 profielen. Omdat het PV-dak niet beloopbaar is, is een dakrail met bijbehorende brug aangebracht teneinde de toegankelijkheid voor onderhoud te vereenvoudigen. Het PV-systeem op het dak bestaat uit 456 monokristallijn-silicium standaardmodules, in 38 strings van 12 modules door middel van 19 omvormers aan het elektriciteitsmet gekoppeld. Het totale vermogen van het PV- dak is 38,76 kWp
Afb.7. Het PV-dak van Gebouw 31 In de oorspronkelijke plannen was ook ongeveer 100 m2 PV opgenomen als gevelbekleding van het trappenhuis. In de loop van het ontwerpproces werd echter door ECN besloten een nieuw gebouw te doen bouwen, aangrenzend aan gebouw 31. Daartoe moest het bestaande trappenhuis worden gesloopt en vervangen door een nieuw, anders georiënteerd trappenhuis. Hiermee verviel de mogelijkheid om op een zinvolle manier PV als gevelbekleding toe te passen. Doordat het dak is uitgevoerd met monokristallijn-silicium modules, die per oppervlakteeenheid een grotere opbrengst hebben dan multikristallijn-silicium modules, is het totale vermogen toch meer dan in de aanvankelijke plannen was voorzien.
ECN-C--02-018
13
2.3
Het PV-ontwerpproces
Het ontwerpproces van de PV-gevel en het PV-dak heeft de volgende stadia gekend: - schetsontwerp, waarin de configuratie van de lamellengevel is vastgelegd; - modelonderzoek aan de hand van maquettes schaal 1:10; - daglichtsimulaties; - verificatie door middel van een mock-up (apart beschreven in publicatie ECN-C-00-016: “Proefopstelling PV-geïntegreerde zonwering / PV-systeem met daglichtsysteem”); - elektrisch ontwerp PV-systeem gevel; - ontwerp PV-systeem dak (bouwkundig en elektrisch ontwerp). Schetsontwerp. Aan het schetsontwerp heeft de impliciete veronderstelling ten grondslag gelegen, dat een belangrijke verbetering van de kwaliteit van de daglichttoetreding kan worden bereikt en een grote bijdrage aan de vermindering van de warmtelast van het gebouw geleverd kan worden door een buitenzonweringsysteem en een dakconstructie waarin PV op architectonisch verantwoorde wijze is geïntegreerd. Bovendien moet het zicht van binnenuit niet teveel worden belemmerd door de buitenzonwering. Daarbij moest het gebouw een demonstratie worden van de mogelijkheden om een uiterst energie-efficiënte renovatie van een utiliteitsgebouw uit te voeren. Voor een ontwerp dat op adequate wijze tegemoet komt aan de hiervoor gestelde uitgangspunten en vooronderstellingen moet een aantal vragen worden beantwoord: - uit hoeveel lamellen (per travee en per verdieping) moet de buitenzonwering bestaan? - Welke afmetingen dienen de lamellen te hebben? - Hoe kan het zicht naar buiten worden behouden, zonder de zonweringsfunctie teveel te ondermijnen? - Zijn er hulpmiddelen nodig om de daglichtdistributie in de vertrekken te optimaliseren? - Wat is de ideale afstand van de gevel tot de lamellengevel? - Is een zonvolgend systeem zinvol? - Hoe kan de lamellengevel worden schoongehouden en anderszins worden onderhouden? - In welke mate is er onderlinge beschaduwing van de lamellen? De eis van onderhoudbaarheid leidde tot de beslissing om de lamellengevel op enige afstand van de bouwkundige gevel te plaatsen, zodat een zogenaamde catwalk (permanente looproosters voor onderhoudswerkzaamheden) kon worden geplaatst. Uit berekeningen bleek, dat een zonvolgend systeem (verandering van de hoek waaronder de lamellen zijn geplaatst) de elektriciteitsopbrengst slechts marginaal zou vergroten. Bovendien is een zonvolgend systeem aanzienlijk duurder en onderhoudsgevoeliger. Daarom is in de schetsontwerpfase reeds van een compleet zonvolgend systeem afgezien. Een beweegbare, horizontaal te positioneren lamelle op ooghoogte leek evenwel wenselijk om het uitzicht naar buiten niet teveel te belemmeren. In de verdere ontwikkeling is deze mogelijkheid dan ook meegenomen. De maat van de lamellen werd bepaald door de beslissing om met standaard-PVmodules te werken, en door de gegeven traveebreedte die door de bestaande kolommen in het gebouw was bepaald. In het latere definitieve ontwerp bleek een kleine afwijking van de traveebreedte noodzakelijk om de lamellengevel goed in de pas te laten lopen met de maat van de keramische geveltegels. Een aantal vragen kon alleen beantwoord worden aan de hand van onderzoek aan schaalmodellen. Het betrof met name vragen over daglichttoetreding, bezonning en beschaduwing, en daarmee samenhangend de diepte van de lamellen.
14
ECN-C--02-018
Modelonderzoek Met behulp van schaalmodellen van een kantoorvertrek (een travee breed) en verschillende lamellengevels is de invloed onderzocht van de zonnestand op de lichttoetreding, bezonning en beschaduwing, op verschillende momenten van de dag en op verschillende dagen in het jaar, bij toepassing van de verschillende gevelalternatieven. Hierbij is gebruik gemaakt van de bezonningstafel bij de Faculteit der Bouwkunde van de TU Delft. De dagen die gesimuleerd zijn, zijn 21 maart, 21 juni, 21 september en 21 december, telkens voor de tijdstippen 9 uur, 12 uur, 15 uur en 18 uur. De onderzochte gevelmodellen waren: 1. twee brede lamellen met PV-modules, onderlinge verticale afstand 1,5m, in een vaste positie; 2. idem beweegbaar over de horizontale as; 3. zeven smalle lamellen met PV-modules, onderlinge verticale afstand 0,5m, in een vaste opstelling; 4. idem beweegbaar over de horizontale as. De varianten werden bovendien gecombineerd met in breedte verschillende lichtplanken: een horizontale, lichtreflecterende plank in het kozijn, waarmee een evenwichtiger verdeling van het licht over het vertrek verkregen kan worden. Met de schaalmodellen kon in de daglichtkamer van de Faculteit der Bouwkunde worden bepaald, wat de invloed van het aantal en de afmetingen van de lamellen is op de daglichttoetreding in het achtergelegen vertrek. Een belangrijke conclusie kon worden getrokken over het al dan niet toepassen van een lichtplank: uit metingen aan het model bleek, dat weliswaar de lichtverdeling evenwichtiger wordt, maar dat de lichtintensiteit sterk vermindert. In combinatie met de zonweringlamellen had een lichtplank een negatief effect. Van de toepassing hiervan is dan ook verder afgezien.
Afb. 8.
ECN-C--02-018
15
Afb. 9
Afb. 10
16
ECN-C--02-018
Afb. 8 t/m 11. Metingen aan verschillende modellen op de bezonningstafel
ECN-C--02-018
17
Afb. 12 en 13. Modelmetingen in de daglichtkamer
18
ECN-C--02-018
Uit de waarnemingen en metingen aan de schaalmodellen werd geconcludeerd, dat vier brede lamellen, volgens de vuistregel geplaatst onder een hoek van 37o met de horizontaal, zonder verdere toevoeging van een lichtplank, het optimum zouden moeten bieden tussen elektriciteitsopbrengst, daglichttoetreding, zonweringfunctie en uitzicht. Daglichtsimulaties De volgende stap in het ontwerptraject was de simulatie van de daglichttoetreding in de vertrekken wanneer een PV-gevel met vier lamellen zou worden toegepast. De studie werd in opdracht van ECN uitgevoerd door het Centrum Bouwonderzoek TNO/TUE te Eindhoven. Dit onderzoek is apart beschreven in publicatie ECN-C-00-016: “Proefopstelling PV-geïntegreerde zonwering/PV-systeem. met daglichtsysteem” Het onderzoek was gericht op de volgende punten: - optimale bezonning voor het PV-systeem; - warmtebelasting door de zon in de zomer en passieve zonne-energie in de winter; - de zonweringfunctie; - onderlinge beschaduwing van de PV-modules; - uitzicht naar buiten; - optimalisatie van daglichttoetreding. De studie bevestigde, dat het optimale resultaat verkregen werd door een gevel met vier vaste lamellen per verdieping, onder een hoek van 37o met de horizontaal. De winst in elektriciteitsopbrengst van een beweegbaar systeem zou minder dan 10% zijn. Deze meeropbrengst rechtvaardigt de benodigde extra investeringen niet. Om de gebruiker van de achtergelegen ruimte de mogelijkheid van een uitzicht te bieden, is besloten dat de lamelle op ooghoogte door de gebruiker in een horizontale positie kan worden geplaatst. Na een bepaalde periode, bijvoorbeeld 20 minuten, neemt de lamelle weer de positie van 37o in. Hiermee wordt bovendien een steeds wisselend architectonisch beeld gecreëerd. Verificatie door middel van een mock-up Ook deze activiteit is gedetailleerd beschreven in publicatie ECN-C-00-016: “Proefopstelling PV-geïntegreerde zonwering/PV-systeem met daglichtsysteem”. Wij volstaan hier met de hoofdlijnen. Er is besloten een mock-up schaal 1:1 te maken van een sectie van de lamellengevel. Immers, het ontwerp is geheel nieuw, zowel architectonisch als bouwtechnisch. Er was dus in het geheel geen ervaring met een dergelijke constructie. Omdat de lamellengevel een grote investering vraagt, leek het niet onverstandig om op beperkte schaal na te gaan, of alles klopt. Dit gold zowel de PV-aspecten en de daglichttoetreding, als de constructie en uitvoering. De invloed van de lamellen op de daglichttoetreding is door het Centrum Bouwonderzoek TNO/TUE onderzocht door middel van doorlopende metingen. Deze werden uitgevoerd tussen 25 september en 30 november 1998. In de testkamer zijn 10 lichtmetingscellen aangebracht (Hagner type SD1 met een gevoeligheid van 10 pA/lux), volgens de methodische regels die in IEA taak 21 zijn gedefinieerd. Twee lichtcellen werden op 1,50 m hoogte geplaatst aan de binnenzijde van de ruit: een in de testkamer en een in een referentiekamer zonder lamellengevel. De overige acht cellen zijn op verschillende plaatsen in de testkamer op 70 cm hoogte boven de vloer aangebracht om de lichtintensiteit op werkhoogte te meten.
ECN-C--02-018
19
Afb. 14 Bouw van de mock-up Aan de volgende punten werd door middel van de testopstelling aandacht besteed: - de effecten van het ontwerp en de dimensies van de PV-lamellen voor de daglichtintensiteit op werkhoogte in vergelijking met een kamer zonder lamellen; - het testen van de elektrische en mechanische componenten van de PV-lamellengevel; - minimalisering van schadelijke of hinderlijke neveneffecten (zoals geluidseffecten als gevolg van wind langs de lamellen); - optimalisatie van de constructie en detailontwerp van de metalen lamellen en hun bevestigingsconstructie; - de beste strategie voor productie en montage van de PV-lamellengevel. Wij kunnen vaststellen, dat de mock-up veel problemen in de uiteindelijke uitvoering heeft helpen voorkomen. Dat betreft met name: - de maatvoering en afmetingen van de componenten; - vereiste en acceptabele toleranties; - de manier waarop de metalen lamellen en de PV-modules bevestigd moesten worden; - de acceptatie van de PV-lamellen door de toekomstige gebruikers en door de ECNgemeenschap.
20
ECN-C--02-018
Afb. 15 Proefopstelling: kamer met en zonder lamellengevel Een van de conclusies uit de metingen aan de testopstelling was, dat de lamellen gedurende de zomer het gebouw voor 85% beschaduwen. Dat wil zeggen, dat 15% van het zonlicht dat op de gevel valt, niet door de lamellen wordt tegengehouden. Daarom is voorzien in een eenvoudige binnenzonwering. De lichtintensiteit zou op zonnige winterse dagen en in de vroege ochtend soms teveel kunnen zijn. Om schittering te vermijden zou het daglicht verder gespreid moeten worden door middel van horizontale witte louvre-zonwering, bijvoorbeeld Luxaflex. Bovendien werd door TNO/TUE voorgesteld om de kozijnen een afwerking te geven in een witte of anderszins lichte kleur, teneinde het contrast tussen het kozijn en de lucht te verminderen. De toekomstige gebruikers dachten verschillend over het PV-lamellensysteem. In het algemeen was men erg nieuwsgierig naar het uiteindelijke resultaat. Sommigen ervoeren de beperking van het vrije uitzicht als hinderlijk, anderen hadden bezwaar tegen het achteraanzicht van de lamellen. Er dient overigens opgemerkt te worden, dat nu de gevel is voltooid, de acceptatie en waardering ervan door de ECN-gemeenschap enorm lijkt toegenomen. Er kan worden geconcludeerd, dat de proefnemingen met de mock-up succesvol waren. Zij zijn van wezenlijke invloed geweest op het uiteindelijk resultaat, zowel op het ontwerp als op de uitvoering. Elektrisch ontwerp PV-systeem gevel De PV-installatie aan de gevel is onderverdeeld in twee deelinstallaties, beide netgekoppeld: de lamellengevel en de luifel boven de gevel. Beide deelsystemen zijn van het fabrikaat Shell Solar, destijds opererend onder de naam R&S. In de lamellen van het gevelsysteem zijn in totaal 542 multikristallijn-silicium panelen gemonteerd van het type RSM 50sb (nominaal piekvermogen 49,0 Watt, afmeting 1006 x 478 mm, module-efficiëntie 13,6%), drie panelen per lamelle. Het luifeldak boven de lamellengevel bevat 156 panelen IRD 50, nominaal piekvermogen 44,4 W, afmeting 1006 x 478 mm. Zowel de panelen in de lamellen als in het luifeldak zijn dusdanig bekabeld, dat er zes panelen in serie
ECN-C--02-018
21
staan. Elk deelsysteem bestaat uit een omvormer met negen strings van zes panelen in serie. Deze manier van bekabelen zorgt voor een optimale werkspanning voor de gekozen omvormer. Van alle deelinstallaties zijn er twaalf identiek aan elkaar uitgevoerd, in het middelste segment van de lamellen (segment 7) zijn vier RSM 50 sb /AD 590L / REF.CEL modules geplaatst voor het monitoren van de PV-installatie. Het totale PV-gevelsysteem bestaat uit: - 542 panelen RSM 50 sb, nominaal piekvermogen 49,0 W, afmeting 1006 x 478 mm; - 4 panelen RSM 50 sb AD 590L/ REF.CEL, eveneens nominaal piekvermogen 49,0 W, afmeting 1006 x 478 mm; - 156 panelen IRD 50, nominaal piekvermogen 44,4 W, afmeting 1006 x 478 mm; - 13 omvormers Mastervolt type Sunmaster 2500 met geïntegreerde AC/DC koppelkast, voorzien van overspanningbeveiliging en stringscheiders met zekering; - 1 AC-groepenkast met 13 groepen, overspanningbeveiliging en hoofdschakelaar; - DC-bekabeling, AC-bekabeling, systeemaarde. Het geïnstalleerde vermogen in de gevel is 26,25 kWp; dat in de luifel 6,9 kWp. Elektrisch ontwerp PV-systeem dak De PV-installatie op het dak werd geleverd door BP Solar. Het systeem bestaat uit 456 monokristallijn-silicium panelen BP 585-L, frameloze glaslaminaten voorzien van hoogrendements LGBG (Laser Grooved Buried Grid) cellen. Zij zijn op het dak gemonteerd met het montagesysteem Sunflower, bestaande uit een gegalvaniseerd stalen subframe van U-profielen waarop de PV-laminaten op zes punten per laminaat door middel van een UV-bestendig kunststof kliksysteem (’diamond fasteners’) is vastgezet. Het systeem is netgekoppeld door middel van 19 stringomvormers, merk BP- SMA, type Sunny Boy 2400. Op elke omvormer zijn twee parallelle strings met elk twaalf stuks BP 585-L laminaten aangesloten. Het totale daksysteem bestaat ut: - 456 laminaten BP 585-L met monokristallijn-silicium LGBG-cellen (17,0 tot 18,0% efficiency), fabrikaat BP Solarex, nominaal piekvermogen 85Wp, afmeting 1183 x 525 mm; - 19 omvormers BP Sunny Boy 2400, vermogen 1500W AC continu, 1700W AC maximaal, 1700 –2100 Wp DC panelenvermogen. Het geïnstalleerd vermogen op het dak is 38,7 kWp.
22
ECN-C--02-018
3.
EVALUATIE EN AANBEVELINGEN
3.1
Inleiding
In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de leereffecten die in het onderhavige project onderkend kunnen worden. Natuurlijk is het in beginsel mogelijk deze wetenschappelijk te beschrijven en te analyseren. Dit is echter nooit de doelstelling van het project geweest. Veeleer heeft ons voor ogen gestaan, om een verslag van onze ervaringen te geven dat van nut kan zijn voor personen die overwegen een groot innovatief PV-project met een zeker financieel, technisch en organisatorisch risico te realiseren. Daarom leek het zinvoller om de leereffecten vanuit onze min of meer subjectieve ervaring te beschrijven en aanbevelingen te geven, opdat anderen niet onze fouten begaan of onze frustraties oplopen. Of, om het positief te benaderen: opdat anderen die activiteiten uitvoeren die uiterst waardevol zijn gebleken. Vanuit dit perspectief moet dit hoofdstuk dan ook worden gezien.
3.2
Organisatie en voortraject
Bouwprojecten waarin op grote schaal PV is toegepast, bestaan dank zij de combinatie van een gemotiveerde opdrachtgever, een ter zake kundige architect en –nog steeds- subsidie. Slechts weinig opdrachtgevers zullen voldoende eigen middelen vrij willen of kunnen maken om zonder subsidie een grootschalig PV-project te kunnen realiseren. Ook voor de realisering van ECN-gebouw 31 is een beroep gedaan op subsidieregelingen, met name het Europese Thermieprogramma en aanvullende subsidie uit het NOZ-PV van Novem. Met de toekenning van de subsidie deed zich het volgende probleem voor. Het al dan niet toepassen van PV is sterk van invloed op de architectuur en constructie van het gebouw en daarmee op het ontwikkelingstraject. Voordat echt met de ontwikkeling begonnen kan worden, moet duidelijk zijn of het gebouw van PV wordt voorzien. Dus moet voordien duidelijkheid bestaan over de financiering en de mogelijke subsidies. Met name het keurslijf van de Europese subsidies dwingt echter tot een gedetailleerdheid van de plannen en de planning, die eigenlijk pas in de loop van het ontwikkelingstraject gegeven kan worden. De subsidieaanvraag was dus noodzakelijkerwijs gebaseerd op een schetsontwerp en een voorlopige schatting van het tijdspad en de kosten. De afhandeling van de subsidieaanvraag, de planontwikkeling en de voorbereidingen van de realisatie in een complex project als de renovatie van ECN-gebouw 31 kostten veel tijd. Door de wijzigingen die zich in die tijd voordeden in programma van eisen, financiering en ruimtebehoefte liep het uiteindelijke tijdspad van het project niet meer parallel aan dat wat in de planning aan de EU was getoond. Voorzag de oorspronkelijke planning in een oplevering eind 1998, het project is bouwkundig pas eind 2001 opgeleverd. De EU eiste evenwel (contractuele verplichting), dat ten minste 50% van het PV-gedeelte van het project voor 2000 opgeleverd diende te zijn om de subsidie uitbetaald te krijgen. Om hieraan te voldoen zijn er forse meerkosten gemaakt (bouwkundige organisatie en tijdelijke onderkomens voor de gebruikers van het gebouw), die niet in de subsidiabele kosten kunnen worden meegenomen. Het door de EU beschikbaar gestelde subsidiebedrag moet hierdoor dan ook worden gerelativeerd. Overigens toonde de EU veel meer flexibiliteit waar het een wijziging van de technische opzet van het PV-deel van het plan betrof. De aanvraag was gebaseerd op een PV-lamellengevel, een niet-waterkerende PV-dak en PV-gevelbekleding op het trappenhuis. Vanwege de naast gebouw 31 verrijzende nieuwbouw werd het trappenhuis echter gesloopt. In het nieuwe trappenhuis was PV niet op een zinvolle wijze te integreren. De EU ging meteen akkoord met een gewijzigde planopzet (PV-doorzichtpanelen in de luifel boven de lamellengevel), mits het totale vermogen
ECN-C--02-018
23
van de PV-installaties er niet wezenlijk op achteruit zou gaan. We kunnen ook bij de EUburelen een scheiding constateren tussen de technisch verantwoordelijke ambtenaren, die gevoel blijken te hebben voor de technische en organisatorische moeilijkheden in innovatieve projecten, en de controllers, die waken over de beschikbaarstelling en betaalbaarstelling van budgetten. De EU subsidieert slechts de “eligible costs” van het project: kosten die aan het PV-project moeten worden toegerekend. De afrekeningen met de EU moeten daarop dan ook gebaseerd zijn. Wanneer administratief niet meteen heel duidelijk en ondubbelzinnig wordt vastgelegd en bijgehouden in de projectadministratie, welke kosten tot de eligible costs moeten worden gerekend, is de kans op een onoverzichtelijke financiële projectadministratie allerminst denkbeeldig.
3.3
Ontwerpproces en realisatie
In verhouding tot de totale bouwproductie zijn er nog maar weinig gebouwgeïntegreerde PVprojecten gerealiseerd. Er is dan ook slechts een beperkt aantal architecten die op ervaring op dit gebied kunnen bogen. Wil men een zo goed mogelijke garantie dat een PV-project tot een goed einde wordt gebracht, dan is het van het grootste belang om een architect of projectmanager te kiezen die zowel gedegen kennis heeft van de architectonische, bouwtechnische en bouwfysische implicaties van de toepassing van PV, als kennis heeft van PV-systeemtechniek. Hij/zij moet in staat zijn om te communiceren met de fabrikant/leverancier van het PV-systeem, en begrijpen waar de mogelijke systeemtechnische problemen liggen. In ECN-gebouw 31 is bovendien een aantal energiefuncties in de PV-gevel en –dak verenigd. Immers, de PV-gevel en het PV-dak fungeren ook als zonwering, die zowel de daglichttoetreding als de thermische belasting reguleert, en die daarmee weer invloed hebben op de vereiste ventilatie en koeling. Om een dergelijk energetisch complex concept met zekerheid te kunnen uitwerken zijn de thermische en energetische simulaties en de proeven die in de daglichtkamer en op de bezonningstafel van de TU Delft zijn uitgevoerd, als ook de proeven met de mock-up van grote waarde gebleken. Maar voor alles is het een absolute noodzaak om een ontwerpteam te hebben dat de problematiek begrijpt, adequate oplossingen kan genereren en de consequenties van de alternatieven kan doorgronden. Begin 1999 liet de EU weten, dat er, teneinde de subsidie niet in gevaar te brengen, geen uitstel mogelijk was voor de realisatie van het PV-project: 50% moest voor het eind van het jaar zijn gerealiseerd, de rest voor het eind van 2000. De EU-eis bracht nogal wat organisatorische problemen met zich. De vertraging in de planning kwam voort uit het feit, dat een plotselinge expansie van het personeelsbestand van ECN in de loop van 1997 ruimtegebrek veroorzaakte, dat het best kon worden opgeheven door vooruitlopend op de renovatie een nieuw gebouw te maken. Hiermee zou de beschikbare ruimte voldoende worden uitgebreid om de gebruikers van het te renoveren pand te kunnen huisvesten. Als gevolg van de EU-eis moest nu niet alleen haast worden gemaakt met het definitief ontwerp en uitvoering, maar ook direct in tijdelijke huisvesting worden voorzien. In nauwe samenwerking tussen opdrachtgever, architect, aannemer, fabrikant van de lamellen en PV-fabrikant zijn de plannen technisch en organisatorisch uitgewerkt, zodanig, dat in april met de sloop van de oude gevel kon worden begonnen, de fundering voor de draagconstructie nog voor de bouwvakvakantie gereed was en de montage van de nieuwe gevel –bouwkundig en PV-gevel- direct na de bouwvakvakantie kon worden gestart. Medio december is de PV-gevel in gebruik gesteld.
24
ECN-C--02-018
Afb. 16 Gefaseerde aanpak van de gevel. De oude gevelelementen zijn verwijderd, deels zijn nieuwe houtskeletelementen aangebracht. Links worden de latten bevestigd waaraan de keramische gevelelementen zullen worden opgehangen.
Afb.17 Gefaseerde aanpak van de gevel. De keramische gevelelementen zijn over vrijwel de gehele gevel aangebracht. Links is begonnen met de montage van de lamellen.
ECN-C--02-018
25
Het dak is in de loop van het jaar 2000 gerealiseerd. Omdat de ruimte onder het PV-dak de luchtbehandelinginstallaties gaat herbergen, moest eerst duidelijkheid bestaan over de omvang van deze installaties. Aan een laboratoriumgebouw als dit worden specifieke eisen gesteld aan de luchtbehandeling: hoge ventilatievouden, het omgaan met ventilatie in processen waarin met toxische, zure en kankerverwekkende stoffen kan worden gewerkt, koeling van lucht wanneer de laboratoriumwerkzaamheden met grote warmteontwikkeling gepaard gaan, warmteterugwinning etc. Niet alleen moest de ruimte onder het PV voldoende zijn om de vereiste installatiecomponenten te kunnen onderbrengen, ook moest de constructie zodanig zijn, dat de installatiecomponenten kunnen worden geplaatst na voltooiing van de bouwkundige werkzaamheden. Met het aanbrengen van het PV-dak is begonnen in september 2000. Eind 2000 was het PV-dak gereed.
Afb.18 Stormschade aan de PV-luifel
26
ECN-C--02-018
Afb. 19 Montage PV-dak
Afb. 20 Stormschade aan de PV-luifel
ECN-C--02-018
27
Afb. 21 Montage PV-dak Uit het voorgaande moge blijken, dat met de realisatie van PV-gevel en –dak een beroep is gedaan op het organisatie- en improvisatievermogen van de betrokken partijen. Het feit, dat vooraf een mock-up is gerealiseerd, is van zeer grote waarde gebleken. Een conclusie die mag worden getrokken is dat bij dergelijke projecten, waarbij geheel nieuwe producten en nieuwe constructies worden toegepast, een proefuitvoering op beperkte schaal een vereiste is. Uit een proefuitvoering komen de problemen naar voren, die “achter de tekentafel” niet kunnen worden opgelost. De kosten van de proefuitvoering (nog geen 4 % van de totale investering) zijn daardoor volop gerechtvaardigd. Anders dan het geval is met de gevel, is voor de luifel geen mock-up gemaakt. Aanvankelijk was voor de luifel een niet-standaard verkrijgbare constructie gekozen. Toen deze echter te duur bleek om binnen een aanvaardbaar budget te realiseren, is een standaard aluminium profielsysteem gekozen. Voor de reguliere kassenbouw is dit een beproefd systeem, en het is in de praktijk ook geschikt gebleken voor het bevestigen van PV-laminaten. De omstandigheden rond de luifel van gebouw 31 zijn echter verre van standaard. Het gebouw heeft een grotere hoogte dan de gemiddelde kas; bovendien staat het gebouw enkele honderden meters van de zee af in een windrijke omgeving. Bij de eerste storm na voltooiing is schade aan de luifel ontstaan. Dit kan het gevolg zijn van de stand van de lamellen. Deze stuwen door hun schuine stand de luchtmassa omhoog tegen de onderzijde van de luifel. Naast de gebruikelijke zuiging aan de bovenzijde krijgt de luifel dus ook nog druk aan de onderzijde. De luifel bleek hiervoor te slap. Er zijn inmiddels verstevigingen aangebracht. De lering die getrokken kan worden uit de ervaringen met de luifel is, dat er niet te gemakkelijk afgeweken mag worden van de oorspronkelijk voorgestelde constructie. Bovendien dienen alle elementen en omstandigheden goed te worden doordacht voordat voor een definitieve oplossing wordt gekozen.
3.4
Resultaten
Het is nog te vroeg om een evaluatie te kunnen geven van het effect dat de geïntegreerde PVgevel en -dak hebben op het energiegebruik van het gebouw. Het effect op de daglichttoetreding kon al wel worden gezien. Uit de visuele waarneming blijkt, dat het effect lijkt overeen te stemmen met de resultaten van de simulaties. Het lichtniveau lijkt ruim voldoende, terwijl in de wintermaanden een eenvoudige binnenzonwering de hinder door de laagstaande zon zal moeten voorkomen. Rond 21 juni, wanneer de zon de grootste hoek met de horizontaal maakt, worden de bovenste rijen PV-cellen in de lamellen gedurende korte tijd beschaduwd. Uit de proeven die in de
28
ECN-C--02-018
daglichtkamer zijn gedaan was dit reeds voorspeld. De gekozen configuratie biedt evenwel het optimum tussen de zonweringfunctie en de elektriciteitsopbrengst door het jaar heen. Aan een energieonderzoekcentrum als ECN biedt de PV-installatie van gebouw 31 een prachtige kans om uitgebreide metingen te doen. Er is door ECN dan ook een budget ter beschikking gesteld voor uitgebreide monitoring van de installatie. Het meetsysteem is gerealiseerd en in gebruik genomen in augustus 2001. Voor de periode tot augustus 2003 is voorzien in een beperkte inspanning voor onderhoud en storingen aan het meetsysteem (niet aan de PV-systemen). De metingen zijn gestart in augustus 2001. De meetgegevens van de maanden augustus tot en met december 2001 zijn reeds naar JRC-Ispra verstuurd conform de Thermie-verplichting. Dit zal voortgezet worden tot augustus 2003. Vanaf augustus 2001 zijn de rendementen van de PV-systemen wekelijks beoordeeld om daarmee het functioneren van de PV-systemen te controleren. Daardoor is van een groot aantal systemen vastgesteld dat ze niet naar behoren werkten. Op het dak van gebouw 31 zijn 19 BPsystemen met SMA-omvormer type SunnyBoy 2400 aangebracht. Reeds na korte tijd bleek, dat van zes systemen de omvormer niets meer deed. Van al deze omvormers bleken de ACzekeringen stuk, als gevolg van de soms erg grote stroompieken die bij het inschakelen kunnen optreden (zo’n 200 A door een zekering van 10 A). Nadat dit door ECN was gemeld aan de leverancier van de desbetreffende PV-systemen, zijn de euvelen door hem verholpen. Op de lamellengevel zijn 13 Shell Solar-systemen aangebracht, alle voorzien van een Mastervolt omvormer, type SunMaster 2500. Van één systeem bleek de omvormer defect; aan de ingang had zich een kortsluiting voorgedaan. Twee andere omvormers bleken soms hele dagen uitgeschakeld zonder dat daarvan direct de oorzaak kon worden vastgesteld. De problemen zijn aan de desbetreffende leverancier gemeld en door hem opgelost. Het bewaken van het functioneren van de systemen zal voortgezet worden tot minimaal augustus 2003. Infraroodfotografie biedt een interessante mogelijkheid om snel eventuele storingen in de PVmodules te kunnen vaststellen. Wanneer een cel om welke reden dan ook geen stroom levert, wordt hij heter dan de cellen die wel stroom leveren. Dit is direct zichtbaar met een infraroodcamera. Ook de lamellengevel van gebouw 31 is aan een infraroodinspectie onderworpen geweest. Een aantal modules bleek niet te werken. Nader onderzoek leerde, dat dit het gevolg was van een verkeerde aansluiting (plus en min verwisseld). Het euvel is inmiddels verholpen. In 2002 zal het gebouw met de PV-systemen en de omgeving gemodelleerd worden met behulp van het Zwitserse computerprogramma PVSYST. De meetgegevens zullen vergeleken worden met de modelgegevens om daarmee het schaduw-model van PVSYST te valideren. Verder zullen van de verschillende PV-systemen de energetische verliesposten gekwantificeerd worden.
ECN-C--02-018
29
Op de webpagina http://ecntsc.ecn.nl/pvdaq4/ kunnen “real time” gegevens worden afgelezen.
52.9°C 50
41.5°C Afb. 22 Infraroodopname van de lamellengevel. De modules die licht worden weergegeven functioneren niet door een foutieve elektrische aansluiting.
3.5
Ten slotte
De ontwikkeling en toepassing van PV geïntegreerd in de zonwering en als wezenlijke component in het energieconcept van een te renoveren gebouw, is een belangrijk experiment geweest. Met de hier toegepaste constructies was immers in het geheel geen ervaring, noch vanuit het ontwerp, noch vanuit de uitvoering, noch vanuit de beleving beschouwd. Het project leert ons het volgende. De effecten van een PV-zonweringsconstructie zoals hier is toegepast op de daglichttoetreding in de achterliggende ruimten zijn redelijk te voorspellen met behulp van maquettes en simulaties. Uit de eerdere metingen aan de hand van de mock up is gebleken, dat de simulaties en de werkelijkheid aardig overeenstemmen. De proefopstelling is nuttig gebleken voor het verfijnen van het ontwerp: kleur van de kozijnen aan de binnenkant (wit om het contrast met buiten te verminderen), kleur en vorm van de dagkanten en vensterbank, grootte van de kozijnen, hinder van schitteringen en reflecties. Er kan geconcludeerd worden, dat de simulatie de proefopstelling niet geheel kan evenaren. De werkelijke toestand zegt meer dan een verbeelding op het scherm of op papier. Voor grote projecten waarmee forse investeringen zijn gemoeid is het dan ook zeer aan te bevelen om een praktijkproef te doen in aanvulling op modelstudies en simulaties. Wanneer het gebouw in gebruik is genomen, kunnen daglichtmetingen worden uitgevoerd waarmee de simulatiemodellen gevalideerd kunnen worden. Dat kan evenwel in beperkte mate. Het oorspronkelijke ontwerp ging uit van relatief kleine afzonderlijke ruimten. Nadat de simulaties waren uitgevoerd en daglichtmetingen aan de proefopstelling waren gedaan, is door ECN besloten om een klein aantal grote laboratoriumzalen te maken in plaats van veel kleine laboratoria. Of er ruimten kunnen worden gevonden die geschikt zijn om de simulatiemodellen te valideren is nog niet zeker. PV is op talrijke manieren in een gebouw te integreren. PV-integratie in de vorm van een geïntegreerde buitenzonwering is er een van. Uit de ervaring met ECN-gebouw 31 kan worden geconcludeerd, dat optimaal gebruik van PV en optimale zonwering op zekere hoogte conflicteren. Vooral wanneer het zicht van binnen naar buiten een belangrijk aspect is, zoals in woningen, scholen en kantoorgebouwen, lijkt de ruime toepassing van PV als zonwering beperkt. De producten die in de handel verkrijgbaar zijn, laten dat dan ook zien: de
30
ECN-C--02-018
zonweringsfunctie domineert. Dat geldt ook voor zonweringsystemen met brede lamellen. Deze worden veelal toegepast in horizontale positie, waardoor ’s zomers de zonbelasting op de gevel wordt beperkt. Een efficiënt gebruik van PV vraagt evenwel om een opstelling onder een hoek. Dit verhoudt zich minder goed met de behoefte aan uitzicht. Voor utiliteitsgebouwen waarbij het uitzicht naar buiten een veel minder belangrijke rol speelt en waarvan de gevel beschermd moet worden tegen oververhitting, biedt het systeem zoals hier is toegepast goede oplossingen. De verstelbaarheid van de lamelle op ooghoogte in een horizontale positie ondervangt goeddeels het bezwaar van beperking van uitzicht. Het is opvallend, dat de reacties van ECN-medewerkers en bezoekers op de proefopstelling minder positief waren dan de reacties op het uiteindelijke resultaat. Dit kan het gevolg zijn van het feit, dat het gebouw, nu het gereed is, hoog wordt gewaardeerd om zijn architectuur, waardoor minder kritisch naar eventueel negatieve effecten wordt gekeken. Maar het kan ook mede het gevolg zijn van het feit, dat de beleving van de effecten van de zonwering in het gebouw zoals dat er nu bij staat – zonder binnenwanden, zonder systeemplafonds- heel anders is dan de beleving van de effecten in de proefruimte. Er zou voorzichtig geconcludeerd kunnen worden, dat het systeem, dat groot van schaal is, vooral geschikt is voor gebouwen met grote achterliggende ruimten. De PV-gevel heeft in ruime mate bijgedragen aan de opwaardering van ECN-gebouw 31. PV is hier op een innovatieve wijze toegepast. Dat komt niet alleen visueel tot uitdrukking, maar ook in de verbetering van de energieprestatie. Zeker ook dit laatste aspect verdient het, om als leereffect te worden genoemd. PV is vooralsnog duur, en kan moeilijk concurreren met andere opwekkers van duurzame energie. Wanneer echter voor een integraal concept wordt gekozen – dat wil zeggen: de bouwkundige renovatie, de functionele (her)bestemming, de verbetering van de energieprestatie, het comfort en de toepassing van PV worden in onderlinge samenhang ontwikkeld- komen de kosten van PV in een geheel ander daglicht te staan. Bovendien kan door een goede architectonische toepassing het gebouw bijdragen aan het imago van de opdrachtgever. En dat laat zich moeilijk in geld uitdrukken.
Afb.23 Gebouw 31 voltooid
ECN-C--02-018
31
