O P W E G N A A R E E N E N E R G I E N E U T R A A L G E B O U W
Hoe dit boek tot stand kwam Momenteel is er een grote behoefte om de alom besproken duurzaamheid in onze samenleving ook werkelijk te implementeren. Een van de facetten die hierbij als eerste wordt genoemd is hoe we omgaan met energie. Grappig daarin is, en nu quote ik Michael Braumgart (een van de bedenkers van cradle to cradle en verbonden aan onze Universiteit Delft) dat we “geen energie probleem hebben maar een CO2 management probleem”. Hoe waar dit ook mag zijn, we hebben als medewerkers in onze wereld van de bouw de verantwoordelijkheid te zoeken naar werkbare oplossingen. Het tweede facet dat hier naadloos op aansluit is de vraag om energieneutrale gebouwen. Het is binnen handbereik maar we moeten het ons nog eigen maken. Natuurlijk, daar waar de toepassing vraagt om extreme omstandigheden zoals cleanrooms voor de vervaardiging van chips of voor de functie van operatiekamers zullen we het nog niet halen. Echter, waar het de applicatie m.b.t. de gezondheid en het comfort van de mens betreft, kunnen we die stap maken. We zullen naar andere parameters moeten kijken zoals adaptieve temperatuur grens in plaats van opgelegde temperatuur overschrijdingberekeningen die ons doen geloven in laboratorium modellen. Om de ingezette weg naar een energieneutraal gebouw verder te verduidelijken is er voor en door de studenten van de faculteit Bouwkunde een dialoog ontwikkeld in de vorm van een blog. Dit heeft geleid tot een lijn in ontwerp strategie die complementair is aan de doelstelling van ons bestaan. Het bouwen van een onderkomen dat ons beschermt tegen klimaatinvloeden, maar dat er uiteindelijk voor zorgt dat de bijkomende meerwaarde vertaald in gevoel en beleving kan plaatsvinden zonder dat onze habitat geweld aan wordt gedaan. Ik dank dan ook onze studenten voor hun inbreng en uiterste betrokkenheid bij het tot stand komen van dit boek. Leo de Ruijsscher, een gelukkig mens!
www.leoderuijsscher.com
2
Werken naar een energieneutraal gebouw Duurzaamheid kan helaas niet zonder opgelegde regelgeving. In het jaar 2020 zullen alle nieuwe gebouwen energieneutraal moeten zijn. Voor mijn studenten aan de faculteit Bouwkunde van de TU Delft heb ik een leidraad opgesteld die ze verder kan helpen bij hun ontwerpopdrachten voor een bijna of volledig energieneutraal gebouw. Met ingang van september 2012 wordt er iedere week een stap in de richting naar een energieneutraal gebouw aangedragen. Aan jullie om dit op te pakken en er mee aan de slag te gaan! Veel plezier en schroom niet om je ervaringen met mij te delen!
ENERGIENEUTRAAL IS NIET ENERGIEVRIJ! Door het volgende ontwerptraject te bewandelen is de kans dat je slaagt in het ontwerpen van een energieneutraal gebouw het grootst. Als je ‘hap snap’ te werk gaat zul je het niet voor elkaar krijgen. Volgende week punt 1 van deze lijst op de Blog. INHOUD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
BLZ. Bepaal een optimale bouwvorm Plaats het gebouw op de best mogelijke oriëntatie Maak een slim bouwkundig ontwerp Gebruik de juiste materialen Ga voor warmteterugwinning en energietransitie Bepaal hoeveel energie je tekort komt Zoek naar mogelijkheden om elektrische energie op te wekken Zoek naar mogelijkheden om thermische energie op te wekken Zoek naar maatregelen om de energievraag te compenseren Denk aan de vijfde gevel Selecteer het meest optimale installatieconcept Onderbouw je ontwerp met de benodigde berekeningen Zet je toepassing in een mindmap. Nog enige speciale toepassingen 1. Energie Nog enige speciale toepassingen 2. Energie Nog enige speciale toepassingen 3. Energie Nog enige speciale toepassingen 4. Energie Aanbevolen literatuur
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Pas op! Vergeet nooit dat het gebouw gezond moet zijn, dus zorg voor voldoende ventilatie. Tevens moet het ontwerp voldoen aan het beoogde gebruik, dus de functionaliteit van het gebouw is van wezenlijk belang. Verder zijn er aanvullende uitgangspunten waar je rekening mee moet houden, flexibiliteit en zaken als Cradle to Cradle (C2C), alsmede beheer en onderhoud; de zogenaamde exploitatielasten etc.
3
1 Bepaal een optimale bouwvorm De optimale bouwvorm gezien vanuit de laagste energieverliezen (transmissieverliezen) is de bol. Hierbij wordt de kleinste geveloppervlakte verkregen in verhouding tot het bijbehorend gebouwvolume. Belangrijk is te onderkennen dat er in de winter weliswaar minder warmteverlies zal optreden maar dat dit in de zomer juist tegenwerkt bij passief gebruik. Een kritische kanttekening is dat je goed moet opletten te voldoen aan daglichttoetreding en dat het gebouw wel aan de functie van het toekomstige gebruik moet voldoen.
Zie tevens www.calearth.org
4
2 Plaats het gebouw op de best mogelijke oriëntatie De oriëntatie van je gebouw is van wezenlijk belang; feitelijk hoort het ontwerp te starten vanuit een stedenbouwkundige inpassing. Hierbij is het van belang dat je gebruik maakt van daglichttoetreding maar de warmtelast in de zomer toch weet te voorkomen. Dit komt echter verder aan bod onder het hoofdstuk “een slim bouwkundig ontwerp realiseren”. Voor het bepalen van een optimale oriëntatie moet je denken aan 3 zwaar wegende elementen. Daglichttoetreding zoals al genoemd. De ligging ten opzichte van de zon en de windrichting. Bij natuurlijke ventilatie speelt de overwegende windrichting een wezenlijke rol.
Omdat veel studenten later een werkkring zullen vinden in het buitenland is het van belang dat je ook kijkt naar de zonnestand en zonne-uren op verschillende plaatsen in de wereld. Dit geldt ook voor overwegende windrichtingen!
Een kritische kanttekening is dat natuurlijk geventileerde gebouwen altijd onder onderdruk staan zodat in een minder schone omgeving (sterk vervuild, denk bijvoorbeeld aan grote steden als Jakarta of Bangkok) de vervuiling het gebouw binnenkomt, waardoor het criterium van een gezond gebouw geweld wordt aangedaan.
5
3 Maak een slim bouwkundig ontwerp Met slim wordt bedoeld: denk aan de resultaten van je ontwerp in gebruik; een dichte gevel op de zonkant voorzien van kleine vensters en een overstek zal warmte ten gevolge van zontoetreding tegengaan. Daarentegen geeft toepassing van een serre de mogelijkheid tot een passieve vorm van opwarming. Wat voor dak zal ik toepassen? Tropendak wat de zontoetreding weert maar waar de wind zorgt voor afkoeling en/of ventilatie van het gebouw. Dubbele façades die bijdragen aan een verbetering van de bouwfysische waarden van je gebouw. Er zijn momenteel nogal wat systemen die op alle mogelijke manieren geïntegreerd kunnen worden met het klimaatconcept van je gebouw en hiermee het energieverbruik drastisch kunnen verlagen. Het gebruik van luiken voor de ramen was vroeger een eenvoudige en passieve manier van klimaatbeheersing.
Een creatieve toepassing van zonwering zijn verticale objecten die de zonnewarmte onder een bepaalde hoek buiten het gebouw houden. Een mooie aanvulling is dit te doen met metalen lamellen of middels bakstenen met kleine openingen die warmte ophoping voorkomen doordat de wind er doorheen kan waaien. Mooi voorbeeld hiervan is het stadhuis in Goes.
6
4 Gebruik de juiste materialen In wat een wonderlijke wereld leven we; fossiele resources nemen steeds meer af terwijl nieuwe materialen hun intrede doen. Soms hebben ze met elkaar te maken en is het gebruik niet direct duurzaam maar als bijproduct of als hergebruik is er veel te winnen. Kijkend naar de invloed die de gekozen materialen op het energieverbruik hebben is het van belang het duurzaamheidaspect niet uit het oog te verliezen. Soms zijn ze van fossiele grondstoffen gemaakt maar zorgen ze toch voor een significante besparing in gebruik
ETFE kunststof kussens zoals gebruikt in de water cube (zwembad in China)
Verder kan er ook gedacht worden aan PCM (Phase Changing Materials), de verandering van de ene fase (agregatie toestand) in de andere, van vast naar vloeibaar of andersom vraagt energie. Door zogenaamde fine- tuning kan men verkrijgen dat de vaste stof bij 22 graden Celsius vloeibaar wordt en de hiervoor benodigde energie uit de ruimte haalt. Andersom zal deze energie weer vrijkomen en aan de ruimte worden afgegeven als deze afkoelt en weer vast wordt. Denk ook aan stro, beton toevoegingen of gerecycled papier als je meer in de richting van Cradle to Cradle denkt!
7
5 Ga voor warmteterugwinning en energietransitie Energietransitie is niet eenvoudig. Als simpel voorbeeld, bij gebruik van een patch (computer server) ruimte waarin veel warmte vrij komt die je moet weg koelen, is het interessant als je deze warmte in een andere ruimte (waar warmtevraag is) kan gebruiken. Indien het data centers betreft, is er dus heel veel warmte die gebruikt zou kunnen worden. Vaak is deze toepassing effectiever op regionaal niveau (stedenbouw), bijv. een ijshal met een naastgelegen zwembad.
Warmteterugwinning is zeker effectief bij terugwinning van warmte uit de afvoerlucht van een ventilatiesysteem. Bij warmteterugwinning uit douchewater is dit al beduidend lager, maar alle beetjes helpen, op weg naar een energieneutraal gebouw!
8
6 Bepaal hoeveel energie je tekort komt Om te bepalen hoeveel energie je nodig hebt voor het verwarmen en koelen van je gebouw kun je gebruik maken van een warmte- en een koellast programma. Mocht je nog niet veel verder zijn in het bepalen van je bouwvorm, toe te passen materialen e.d. dan kun je met het programma ORCA (Ontwerpondersteuning Ruimtelijk Comfortontwerp in Architectuur) wat oefeningen maken. Nadat je een goed beeld hebt van je gebouw in vorm, oriëntatie, materialen, gebruik (tijden en bezettingsgraad) dan kan je met een warmtelast- en een koellast programma de benodigde energie uitrekenen. Voor beide toepassingen bestaat een Excel sheet dat sneller een uitkomst oplevert. Eigenlijk bepaal je door deze berekeningen de hoeveel energie je nog tekort komt op je ontwerp door tevens gebruik te maken van warmteterugwinning. Als je thermische energie wilt toepassen door gebruik te maken van een warmtepomp kan je globaal aanhouden dat de COP coëfficiënt of performance van een warmtepomp 4 is. Namelijk 75% uit de bodem en 25% uit elektriciteit. Hierdoor krijgt men 100/25 = COP 4. Door de 25% benodigde elektriciteit energie op te wekken met PV cellen en/of wind en 75% energie uit de bodem te benutten ben je dus energieneutraal.
25%
75%
100%
Momenteel zijn er al heatpumps verkrijgbaar met een COP tussen de 8 en 10. Voor alle duidelijkheid; bij avondgebruik - als de zon geen elektriciteit kan genereren - moet elektriciteit uit het net worden gebruikt. Door een overcapaciteit aan PV cellen te installeren kan men gedurende de dag de overcapaciteit aan elektriciteit terugleveren aan het openbare net (in feite opslaan). Hierdoor verkrijgen we de status energieneutraal.
9
7
Zoek naar mogelijkheden om elektrische energie op te wekken Naast de onder daken beschreven PV cellen is er nog windenergie die omgezet kan worden in elektriciteit. Belangrijk is om eerst het begrip energieneutraal vast te leggen. Als het wordt gebruikt in de context van de klimaatinstallatie praat je weliswaar over het grootste gedeelte van het elektrisch verbruik. Dus verwaarlozen we in onze visie over energieneutraal de verlichting en de algemene aansluitingen en focussen we ons uitsluitend op het klimaatgedeelte binnen het project. Uiteraard moet in de praktijk het totale elektrische energieverbruik worden meegenomen. De hoeveelheid elektriciteit heeft dus betrekking op de ventilatoren, regelinstallatie en als grootste afnemer de warmtepomp.
nieuwe innovatieve windmolens, geen dikke gondel met generator in het midden, maar stroom opwekken via inductie in de buitenring van de molen. Een groot voordeel is dat er behalve de wieken geen draaiende delen in de molen zitten, waardoor het onderhoud minder is en er nauwelijks slijtage optreedt. Zie www.el-tec.nl
In dit hoofdstuk over elektrische energie is het van belang om te kijken hoe er voldoende capaciteit kan worden opgewekt, maar nog belangrijker is het om dit elektrisch vermogen op te slaan voor de periode waarin er geen zon en/of wind is. Opslag in accu's is niet erg duurzaam vanwege het materiaalgebruik, dus gebruiken we het elektriciteitsnet voor opslag. Overdag en gedurende perioden van wind moeten we meer energie opwekken dan nodig. Het overschot leveren we aan het elektriciteitnet om gedurende periodes zonder zon of wind het te kunnen afnemen. We moeten dus bepalen hoe groot het benodigd oppervlak aan PV cellen en het gebruik van windmolens moeten zijn om volledig energieneutraal gebruik te kunnen garanderen.
10
8
Zoek naar mogelijkheden om thermische energie op te wekken We gebruiken thermische energie om er een gebouw mee te verwarmen en/of te koelen. De meest energetisch efficiënte manier om een gebouw te verwarmen en/of te koelen is met het medium water. Om dit zo duurzaam mogelijk te doen gebruiken we laag temperatuur verwarming en hoog temperatuur koeling. Een mogelijkheid om deze water temperaturen te verkrijgen is vanuit onze bodem. Omdat het in Nederland over een zeer lange periode gemiddeld 11 graden Celsius is, heeft de boden in Nederland deze temperatuur aangenomen. Er zijn verschillende mogelijkheden deze temperatuur aan te wenden. Door zogenaamde horizontale of verticale leidingen in de bodem aan te brengen waar water door wordt gepompt en zodoende warmte kan onttrekken of afgeven. Hierdoor kan je spreken van koude en/of warmte opslag in de grond (WKO).
Een tweede manier is om deze temperatuur uit zogenaamde aquifers te halen, watervoerende lagen in onze bodem. Hiervoor gebruiken we bronnen - meestal twee (duo bron) - voor het opslaan van warmte en koude. Of een enkele bron (monobron) waarbij er twee aquifers boven elkaar liggen. Doordat we ‘s zomers koude onttrekken, slaan we warmte op die we weer in de winter kunnen gebruiken en vice versa. Door een warmtewisselaar in de bron te plaatsen hoeven we geen water te onttrekken. Uiteraard heeft ieder concept een ander bijbehorend rendement.
11
9
Zoek naar maatregelen om de energiebron te compenseren Er zijn twee zaken die hier een rol spelen. Op de eerste plaats moet je vanuit de regelgeving de hoeveelheid warmte en koude die je aan de bodem omtrekt weer in balans brengen. Dit gebeurt in principe vanzelf omdat wanneer we warmte onttrekken we koude opslaan en omgekeerd. Dus over een jaar gezien zal de onttrokken energie redelijk in balans zijn. Maar in situaties waarin dit niet het geval is zullen we om ook thermisch energieneutraal te kunnen zijn, extra warmte of koude moeten opwekken en opslaan.
Om gratis warmte te kunnen genereren worden er direct onder de dakbedekking leidingen gelegd waar water door stroomt (pas op voor vorstgevaar) en die door middel van een circulatiepomp met warmtewisselaar de verkregen warmte in de bodem opslaan. Om relatief koud water te verkrijgen wordt er op het dak een convector geplaatst waardoor water (meestal 's-nachts) door de wind wordt afgekoeld om zodoende koude op te slaan.
12
10 Denk aan de vijfde gevel Voor wat betreft de daken van gebouwen, vaak de vijfde gevel genoemd, is er de mogelijkheid om deze groen, rood of blauw te maken. Door de harde en vaak donkere oppervlakten van daken en wegen loopt het temperatuursverschil in steden ten opzichte van het platteland soms wel tot acht graden op.
Rode daken zijn de energiedaken, afgeschermd door PV cellen om het zonlicht om te toveren in elektriciteit, of door leidingen onder de zwarte dakbedekking weg te werken en er water door te laten stromen. Deze warmte kunnen we aanwenden voor verwarming of om te douchen. Hoe dan ook, energiedaken dragen sterk bij aan de mogelijkheid om de hotspot in temperatuur te verlagen en er tevens energie mee op te wekken. De groene daken zullen ervoor zorgen dat de steeds meer toenemende hoeveelheid neerslag wordt opgevangen en door constante verdamping weer aan de omringende lucht afgegeven wordt. Ook hier krijgen we een verlaging van de ons omringende lucht. Met een mooi woord vertaald in adiabatische koeling van de hotspot. Blijft over het blauwe dak. Recent onderzoek heeft aangetoond dat de biodiversiteit in de steden momenteel groter is dan op het platteland. Gebruik van veel bemesting en giftige verdelgingsstoffen liggen hieraan ten grondslag. Door deze stoffen gewoonweg gewasbeschermend te noemen krijg je de biodiversiteit op het platteland niet terug. Maar we kunnen wel gebruik maken van deze verandering in de steden door kassen op de daken te plaatsen en er een ‘Westland op hoog niveau’ van te maken. Groente en fruit in navolging op de als maar lekkerder smakende honing terwijl de hotspots verder omlaag gebracht worden in temperatuur. Het zal niet alleen koeler en energievriendelijker worden, nee het wordt ook gezonder.
13
11 Selecteer het meest optimale installatieconcept Voor een manier van natuurlijk ventileren kan een zonneschoorsteen of een zogenaamd ‘Ventec’ dak worden gebruikt. Ook kan men wind aangedreven ventilatoren toepassen. Dit alles in samenhang met je gebouwvorm en toegepaste façades. Om de energiebehoefte enigszins te compenseren kan men een lucht – grond warmtewisselaar toepassen in combinatie met het ventilatie systeem, ook wel grondbuis genoemd.
Een Ventec dak is een dak dat door zijn vorm onderdruk tussen het dak en het onderliggende gebouw veroorzaakt. Hierdoor wordt er ventilatielucht uit het gebouw gezogen. Uiteraard zal er ook lucht moeten toetreden, anders heb je een stationaire toestand en vindt er geen ventilatie plaats. Een uitzonderlijk onderzoek van een collega binnen onze leerstoel, Ben Bronsema, heeft geleid tot een bijzonder integraal concept tussen”architectuur en installatietechniekearth wind and fire”. De uitkomsten van dit onderzoek vragen om een voortzetting door onze studenten. Als kritische kanttekening: Natuurlijk geventileerde gebouwen hebben een onderdruk waardoor in een omgeving met vervuilde lucht deze uiteraard ook het gebouw binnenkomt. Luchtbehandeling met een lichte graad aan overdruk binnen je gebouw kan dit voorkomen.
14
12 Onderbouw je ontwerp met de benodigde berekeningen Zet al je uitkomsten in een energiematrix zodat je al puzzelend van een bijna energieneutraal gebouw naar een volledig energieneutraal gebouw kan komen. Maak daarbij een onderscheid tussen de elektrische en de thermische energie. Dit vereenvoudigt je opgave doordat elektrische energie kan worden teruggeleverd aan de elektriciteitsmaatschappij. Thermische energie kunnen we direct gebruiken en/of opslaan in de bodem. Om te zorgen dat je een realistisch beeld krijgt nemen we de periode van een volledig jaar en vergelijken we de hoeveelheid benodigde energie met de hoeveelheid verkregen energie. Wat we tekort komen moeten we compenseren door middel van elektrische en thermische opwekking zoals hiervoor beschreven.
Energie Matrix kWh elektrisch kWh thermisch
Benodigd
Vanuit Bodemopslag
Door 0pwekking
Hoeveel kom ik tekort?
kWh elektrisch regeneratie kWh thermische regeneratie
Wat mij opvalt, is dat studenten vaak teleurgesteld reageren in de trant van, “ ik heb het niet gehaald. Mijn gebouw is voor 90% energieneutraal”. Maar dat is toch fantastisch! Bedenk dat we moeten blijven streven naar het meest haalbare zonder dat dit ten koste gaat van een gezonde, functionele en mooie omgeving zowel binnen als buiten het gebouw. Dat zijn ook onderdelen van een duurzame aanpak.
15
13 Zet je configuratie in een mindmap Mocht je met meerdere personen tegelijk aan de oplossing voor een energieneutraal gebouw werken, start dan via het internet programma Mindmeister een mindmap op. Je zult zien hoe creatief een ieder vanuit zijn of haar locatie samen kan werken.
Nu wordt het tijd om je ontwerp aan de anderen te tonen en om reacties te vragen. Hiermee kan je het ontwerp optimaliseren en de weg naar een energieneutraal gebouw voortzetten!
16
14 Nog enige speciale toepassingen 1. energie Verdiep je in mogelijke nieuwe toepassingen om energie te verkrijgen. Geothermische warmte kan je verkrijgen op een diepte van 2 tot 3 km. Bij deze techniek heb je geen warmtepomp nodig; de temperatuur is al voldoende hoog voor het verwarmen van je gebouw. Maar deze techniek is nog erg duur. Ook kan je denken aan boorgat techniek, 150 meter diepe sondes die in een boorgat worden geplaatst en aan elkaar worden gekoppeld. Een mooi voorbeeld is het SintVincentius ziekenhuis in Antwerpen
Op bovengenoemde wijze wordt thermische energie verkregen, een groot verschil tussen beide methoden is dat bij Geothermische energie je geen warmtepomp nodig hebt; warmte van circa 60 graden Celsius kan direct worden aangewend voor verwarming. Voor koeling is deze techniek dus niet geschikt. Bij boorgat techniek heb je wel een warmtepomp nodig om te kunnen verwarmen en in de zomer kan je direct gebruik maken van deze techniek om te koelen.
17
15 Nog enige speciale toepassingen 2. energie Denk aan energie uit onze rivieren; dit wordt al op diverse plekken toegepast. Een mooi voorbeeld is het Maaskantoor aan de gelijknamige rivier de Maas te Rotterdam. Ook speel- of parkeerplaatsen kunnen als zonnecollector worden gebruikt voor het verkrijgen van warm water.
In een volgende aanvulling kom ik hier op terug met een voorbeeld hoe wij onze wegen kunnen inzetten voor het verkrijgen van thermische energie.
18
16 Nog enige speciale toepassingen 3. energie Een vrij nieuw systeem is het PVT co-generation. Hiermee kan je gelijktijdig warm water en elektriciteit opwekken. Een voordeel hiervan dat je zowel warmwater voor TAP-water als verwarming kunt opwekken maar ook elektriciteit voor de noodzakelijke pompen. Een aansluiting op het openbare elektriciteitsnet blijft noodzakelijk bij avond gebruik. Voor de opslag van warmwater kan je goed geïsoleerde buffervaten gebruiken.
Voor meer technische informatie ga naar www.triplesolar.eu
19
17 Nog enige speciale toepassingen 4. energie Als slimme toepassingen op parkeer- en speelplaatsen en/of in wegen kunnen leidingen worden gelegd die werken als een zonnecollector. In samenwerking met warmte-koude opslag in de bodem en een warmtepomp kan er een gebouw mee worden verwarmd en gekoeld.
Ter afsluiting nog een aardig voorbeeld hoe je energie uit een riool kan halen.
20
18 Aanbevolen literatuur
Architectuur als Klimaatmachine. Boek van Vera Yanovshtchinsky Klimaatinstallaties Integratie van gebouw en installaties T.A.J. Schalkoort Bouwfysica. Thiememeulenhoff Installatie modulen in de kennisbank bouwfysica Integrated Sustainable Design, boek van Jón Kristinson emeritus hoogleraar TU Delft Cradle to Cradle. Michael Braungart en William McDonough.
21
22
