Van kierenjacht naar integrale gebouwconcepten “Werken aan oplossingen op de schaal van de uitdagingen waar we voor staan” Dr. Ivo J. Opstelten (ECN) en Msc. Wouter A. Borsboom (TNO), coördinatoren Building Future, het samenwerkingsverband van ECN en TNO op het gebied van Energie in de Gebouwde Omgeving.
Historisch besef De 1e en 2e oliecrisis eind jaren zeventig, begin jaren tachtig maakte de wereld voor het eerst goed bewust van de hedendaagse afhankelijkheid van fossiele bronnen en de kwetsbaarheid van onze levensstijl dientengevolge. Om de crisis te lijf te gaan werd zwaar ingezet op het realiseren van energiebesparingen vooral op het gebied van transport (autoloze zondagen) en de gebouwde omgeving. De nationale kierenjacht heeft een grote impact gehad in Nederland. Helaas was die impact niet zozeer in de zin van het realiseren van een trend van steeds verdergaande energiebesparingen in de bestaande bouw, waar hij voor bedoeld was. Het bleek het eerste grootschalige praktijkvoorbeeld, hoe inzetten op separate maatregelen in de gebouwde omgeving tot ongewenste bijeffecten kan leiden. Nu nog steeds zijn er invloedrijke stemmen die vertellen dat inzetten op een, vanuit energetisch oogpunt, goede gebouwschil gelijk staat aan het creëren van een slecht binnenmilieu. Het effect (op energiebesparing dan wel verslechtering binnenmilieu) van de kierenjacht is zowel door de energiebespaarders als door de hygiënisten overigens behoorlijk overschat. Uiteraard weten de goed ingevoerde mensen dat het slechts het gevolg was van een te beperkte aanpak van het gebouw als geheel. Wanneer tegelijk met de campagne na-isolatie een campagne gezond ventileren was gestart, had de vooruitgang in de bestaande bouw (t.a.v. energie en binnenmilieu) niet alleen afhankelijk hoeven zijn van de vorderingen in de nieuwbouw de laatste decennia. Dat dit niet denkbeeldig is, valt te leren uit Japan, waar sinds de 1e en 2e oliecrisis tot aan het heden een continue verbetering van de energetische gebouwkwaliteit bij nieuwbouw en de bestaande bouw is bereikt, met de bijbehorende innovaties, die als export product ook in Europa gewaardeerd worden (zoals warmtepompen en energieefficiënte airconditioners voor de utiliteitssector).
Figuur 1. Na-isolatie en Kierenjacht.
De invoering van de Energie Prestatie Normering (EPN) in 1995 en de bijbehorende uitgestippelde route tot aan 2000, waarmee de nieuwbouw eisen gestaag aangescherpt zouden worden, heeft gelukkig in Nederland ook een enorme impuls gegeven aan innovaties. En hoewel de innovaties vooral gericht waren op de nieuwbouw, hebben een aantal daarvan ondertussen ook de weg gevonden naar de status van breed geaccepteerde maatregelen voor de bestaande bouw (zoals HR++ glas, beter geregelde ventilatievoorzieningen en HR-ketels). Dergelijke innovaties dienden bovendien naast de energieprestatie ook vaak de verbetering van het binnenmilieu zoals verbeterd thermisch comfort en verminderde geluidshinder. De Nederlandse bouw- en installatiesector had mede hierdoor een goede naam in Europa. In het jaar 2000, toen de EPC het magische getal 1 had bereikt, kwam er helaas een kentering in deze ontwikkelingen. De meetlat die verzonnen was waarlangs energieprestaties bepaald konden worden, werkte onbedoeld als plafond, omdat kennelijk met het bereiken van EPC=1 de indruk werd gewekt dat het hoogst haalbare was bereikt. De systematiek zelf werd steeds meer gebruikt als een ontwerpinstrument, hoewel deze hier nooit voor bedoeld was. Effecten van singuliere maatregelen, uit de meer en meer als checklist gehanteerde methodiek, op andere aspecten dan energie konden er immers niet mee bepaald worden. Hoewel onterecht, immers de EPN was hier nooit voor bedoeld, heeft dit er mede toe geleid dat veel kritiek op de methodiek zelf is gekomen. Dit ondanks de status die het internationaal genoot, getuige het grotendeels adopteren van de EPN in de uitwerkingen van de Europese evenknie de Energy Performance of Buildings Directive (EPBD). De EPN heeft in feite onbedoeld er mede toe geleid dat grote groepen in de bouwkolom niet langer het gebouwontwerp integraal benaderden met betrekking tot energie en welbevinden. Ondertussen zat ook het buitenland niet stil en zijn daar grootschalig voorbeelden gekomen van systeemoplossingen voor gebouwen met een aanzienlijk betere energieprestatie dan de huidige standaard in Nederland. Dit rechtvaardigt de stelling dat het de hoogste tijd is om opnieuw kritisch te kijken naar de wijze waarop in Nederland gebouwen ontworpen, gebouwd en gerenoveerd worden.
Voorbeelden van recente ontwikkeling Organisaties als TNO en ECN ontwikkelen nieuwe technologieën en gebouwconcepten, die de transitie naar een duurzame gebouwde omgeving mogelijk kan maken. Vanuit die rol worden we dan ook nogal eens gevraagd een beeld te schetsen van de “winnende” technologieën in het eindbeeld van een CO2-neutrale of energieneutrale gebouwde omgeving. Uitspraken op dit gebied, neigen naar het doen van toekomstvoorspellingen. En als toekomstvoorspellingen uit het verleden iets hebben aangetoond, dan is het, dat hoe concreter de voorspelling, hoe zekerder het is dat de uitkomst anders zal zijn. Dit is gedeeltelijk het gevolg van de blinde vlek die we hebben voor de mogelijke bijdrage in de toekomst van compleet nieuwe ontwikkelingen. Een andere reden is de ervaring dat meerdere oplossingen het zelfde probleem kunnen dienen en vanuit marktwerking en individuele voorkeuren de verschillende oplossingen ook een eigen bestaansrecht kunnen creëren. In enkele gevallen heeft dit ook geleid tot het ontstaan van schijnbaar tegenstrijdige kampen tussen de partijen die overtuigd inzetten op oplossingsrichting A of oplossingsrichting B. Dit zal ik hieronder illustreren met twee voorbeelden, één op componentniveau en één op het niveau van een gebouwsysteem.
Componentontwikkeling: ventilatiesystemen Al eeuwen is het een bekend gegeven in de bouw dat, voor een prettig binnenklimaat, verse lucht in voldoende mate aanwezig moet zijn, zonder dat dit tot tochtklachten mag leiden. Van oudsher zorgden ramen, kieren en gaten in de gebouwschil voor de benodigde luchtuitwisseling tussen het gebouw en de buitenlucht. De mate van luchtuitwisseling was hierbij afhankelijk van de natuurlijke krachten (winddruk- en temperatuurverschillen=thermische trek) en de grootte (en positie) van de openingen in de gebouwschil. Met de introductie van de eerste airconditioning systemen rondom 1910 werd de ontwikkeling van mechanische ventilatie opgepakt. Deze systemen hadden het voordeel dat de mate van luchtverversing nu direct stuurbaar was en dus op een redelijk te verwachten constante waarde konden worden ingesteld. Met name in de hoogbouw en dan vooral kantoren was het een gewild systeem, zeker in die tijd waarin energie nog goedkoop was en milieueffecten nog buiten beeld waren. Rond 1980 werden mechanische afzuigsystemen echter ook meer en meer in de (nieuwbouw) huizen toegepast. Sinds de laatste aanscherping van de EPC is gebalanceerde ventilatie met warmteterugwinning in opmars. De afgelopen decennia hebben deze twee wijze van ventileren (natuurlijk en mechanisch) zich verder ontwikkeld geïnitieerd door het energievraagstuk. Deze beide vormen van ventilatie kennen ieder hun eigen sterke en zwakke kanten. In het kort staan de voor- en nadelen zoals ze in de bouw worden ervaren vermeld in onderstaande tabel. Voordelen Nadelen Natuurlijke ventilatie Geen hulpenergie nodig Ventilatievoud niet (toe- en afvoer) constant, beheersbaarheid Jaargemiddeld hoge afhankelijk van gebruik ventilatievoud door bewoner Onderhoudsvriendelijk Lage investeringskosten Natuurlijke toevoer gevoelig voor tocht Stil Geen warmteterugwinning
Mechanische ventilatie (toe- en afvoer)
Ventilatievoud beheersbaar (hoeveelheid) Temperatuur luchtstroom beïnvloedbaar door bijv. WTW Warmteterugwinning mogelijk
Onderhoudsgevoelig (filters vervangen) Regeling vaak niet afdoende bekend bij gebruiker Hulpenergie nodig Energetische prestatie gevoelig voor bouwkwaliteit (luchtdichtheid gebouwschil) en gebruikersgedrag Hogere investeringskosten Installatiegeluid
Het is interessant om vast te stellen dat, hoewel deze voor- en nadelen onafhankelijk zijn voor de gebruiksfunctie van het gebouw, de voorkeursuitvoering in de woningbouw (in het verleden natuurlijke toe- en afvoer, tegenwoordig natuurlijke toevoer en mechanische afvoer) en de kantoorbouw (mechanische toe- en afvoer) heel verschillend is geweest. Onder druk van de verdergaande eisen op het gebied van de energieprestatie zijn er de laatste jaren in Nederland heel wat innovatieve ontwikkelingen geweest op beide systemen. Belangrijkste voorbeeld uit de hoek van de natuurlijke toevoer en mechanische afvoer is wellicht de ontwikkeling van zelfregelende roosters inspelend op drukverschillen en/of vraagsturing waarbij de binnenluchtkwaliteit (CO2-sensor) zo constant mogelijk op de behoefte wordt afgestemd . Uit de hoek van de mechanische ventilatie zijn met name de hoogrendement warmteterugwinning systemen met bypass voor situaties waarin geen warmtevraag aanwezig is, zonering en de lage-druk ventilatiesystemen (ter vermindering hulpenergie en installatiegeluid) belangrijke innovaties. Systeemontwikkeling: energiezuinige gebouwen Een in Nederland breed aanvaarde methode voor de ontwikkeling van een energiezuinig gebouw is de zogenaamde Trias Energetica. Volgens de Trias Energetica zorg je eerst voor reductie van de energievraag, vervolgens wend je duurzame bronnen aan voor zoveel mogelijk opwekking van de benodigde energie en als laatste zorg je dat het restant van de energiebehoefte dat nog (met fossiele bronnen) ingevuld moet worden, op een zo efficiënt en schoon mogelijke wijze wordt opgewekt. Hoewel deze methodiek heel eenduidig lijkt, bestaat er veel discussie over het moment waarop je mag/moet overstappen van stap 1 naar stap 2 en vervolgens van stap 2 naar stap 3. De vraag is immers gerechtvaardigd hoe ver je zou moeten gaan met vraagreductie. Als er meer dan genoeg duurzame energie geoogst kan worden, immers, is een beetje verspilling hiervan wellicht niet erg. Optimalisatie van kosten en baten moeten in dit soort discussies dan vaak de doorslag in geven. Deze verhouding van kosten en baten kan echter afhankelijk van de rekenwijze en lokale omstandigheden verschillend uitpakken, helemaal als de investeerder niet dezelfde partij is als de gebruiker van het gebouw die de energierekening betaalt. Momenteel zijn er dan ook in Nederland twee grote bewegingen zichtbaar die zich met name onderscheiden op het overstapmoment tussen vraagreductie en duurzame opwekking. Vraagreductie: het Passief Huis
In dit gebouw concept (immers ook toepasbaar voor de utiliteitssector), wordt de eerste stap van de Trias Energetica zo ver mogelijk doorgevoerd. Zodanig dat de warmtevraag zo laag wordt dat traditionele ruimteverwarmingsystemen niet langer nodig zijn, maar volstaan kan worden met passieve zonne-energie en een verwarmingsysteem dat gebruik maakt van de toch al aanwezige ventilatievoorzieningen. Dit kan worden gerealiseerd middels een hoge isolatie van de schil gecombineerd met een hoge luchtdichtheid en daarmee lage luchtuitwisseling middels kieren en gaten. De luchtverversing en verwarming van het gebouw kan dan volledig rusten op het ventilatiesysteem. In feite stoelt dit concept vooral op solide bouwkundige maatregelen. Om kans op te hoge temperaturen bij overmatige warmtebelasting (o.a. zon) te voorkomen, kan bijvoorbeeld
gebruik gemaakt worden van een overstek die de directe zoninstraling in de zomer tegen kan gaan. Het concept is inmiddels in de ons omringende landen (met name Duitsland en Oostenrijk, maar ook, in mindere mate in België) veelvuldig toegepast en blijkt naast een laag energiegebruik ook goed te scoren op het ervaren thermisch comfort in winter én zomercondities. In Nederland worden nu de eerste grootschalige projecten opgezet die dit concept moeten uitrollen in de nieuwbouw en als renovatieconcept.
Figuur 2. Passief Huis voorbeelden. Duurzame opwekking: de zonnewoning en het exergie concept
Bij de zonnewoning en het exergieconcept wordt vooral ingezet op de benutting van de aanwezige zonne-energie en/of geothermie. Bij de zonnewoning gaat het niet alleen om de passieve zonne-energie maar ook om de actieve benutting middels zonnecollectoren voor warm tapwater en/of PV-panelen voor duurzaam opgewekte elektriciteit. In het exergieconcept wordt vooral gekeken naar het slim toepassen van een warmtepompsysteem, welke gevoed zou kunnen worden met meervoudige bronnen, zoals in de bodem opgeslagen warmte/koude maar ook restwarmtestromen binnen het gebouw zelf. In deze concepten wordt in feite dus een zwaarder beroep gedaan op de installatietechnische onderdelen van het gebouw. Beide concepten kunnen ook worden gecombineerd. Een toepassing van zonne-energie in combinatie met laag energievragende woning is de Stad van de Zon. Deze woningen voldoen nog niet aan de passief huis standaard.
Figuur 3. Stad van de Zon.
Blik vooruit In het bovenstaande is getracht aan te geven hoe de innovaties in de bouw verschillende oplossingsrichtingen heeft voortgebracht om een gelijksoortige doelstelling (energiebesparing met behoud van comfort) te realiseren. De overtuiging bestaat dan ook dat meerdere wegen bewandeld kunnen worden om op hetzelfde eindpunt uit te komen. Het is echter interessant om te constateren dat door de veel verdergaande energieambities voor de Gebouwde Omgeving in de steeds nabijere toekomst, zoals de overheidsdoelstelling van energieneutrale nieuwbouw in 2020, ook oorspronkelijk gescheiden oplossingsrichtingen bij elkaar kan brengen. Op het gebied van ventilatiesystemen was dit al enigszins zichtbaar met de opkomst van hybride ventilatiesystemen (mengvorm van natuurlijke en mechanische ventilatie). De jongste innovatieve ontwikkelingen, geven aan dat alle voordelen van mechanische ventilatie én die van natuurlijke ventilatie in één systeem te combineren moeten zijn: hybride ventilatiesystemen (vrijwel) zonder ventilatiedoorvoeren in de woning maar met warmteterugwinning en met veel minder onderhoud. Het eerste prototype van dit systeem wordt nu binnen Building Future vervaardigd. Waar de hoge energieambities toe kunnen leiden op gebouwniveau is recentelijk onder de aandacht gekomen via het Platform Energietransitie in de Gebouwde Omgeving (PEGO). Daar is men gaan kijken naar conceptlijnen die kunnen resulteren in gebouwconcepten die steeds hogere CO2-reducties behalen. Het gaat hierbij niet alleen om de CO2-emissies afkomstig van het gebouwgebonden energiegebruik (ruimteverwarming, ventilatie, etc.) maar ook afkomstig van het energiegebruik gerelateerd aan de zogenaamde
huishoudelijke apparatuur (wasmachines, drogers, televisies, computers, etc.). In het PEGO plan wordt hiertoe gewerkt met conceptlijnen die in 3 stappen steeds hogere CO2emissie reducties realiseren in de nieuwbouw en de bestaande bouw (woningen en utiliteit) en op het niveau van gebiedsontwikkeling. De drie stappen (45%, 60% en 80% reductie) zijn voor de gebouwconcepten met name nodig om enerzijds consortia van partijen uit de gehele sector te leren omgaan met de innovatieve processen en technieken en anderzijds om de R&D partijen de innovatiecyclus te laten sluiten. Hiermee wordt gedoeld op het afstemmen van de R&D ontwikkelingen op de innovatiebehoefte van de bouwende partijen vanuit de ervaringen in de eerdere stappen geredeneerd naar de benodigdheden voor de latere stappen. Temperatuur [grad C]
35 30 25 20 15 10 5 0
77
84
91
98
Tijd [dag]
Berekend Gemeten Buitentemperatuur
Figuur 4. Experimentele bepaling prestaties gebouwconcepten en simulaties. In het kader van het PEGO plan zijn een paar eerste conceptlijnen opgezet voor de woningbouw. Voor het laagste (maar nog altijd hoge) ambitieniveau zijn de conceptlijnen (gebaseerd op passief huis en exergie), nog duidelijk verschillend van aard. Om het hoogste ambitieniveau te halen is echter duidelijk geworden dat beide conceptlijnen elementen van elkaar zullen nodig hebben die op het laagste niveau nog niet in beide teruggevonden werden. Deze wederzijdse afhankelijkheid schetst ook de noodzaak van een gesloten cyclus in een open innovatietraject. Ook bij deze ontwikkeling kan er niet zonder meer van uit gegaan worden dat 1 en 1 tot 2 reikt, terwijl meer dan 2 wellicht nodig is. De eerste analyses laten zien dat je dan ook innovaties op gebiedsniveau moet integreren in de gehele ontwikkeling. Dit maakt het immers mogelijk dat lokale (in plaats of tijd) energieoverschotten kosteneffectief gedeeld kunnen worden met lokale tekorten. De lokale infrastructuur moet daar dan wel op aansluiten. Daar het bij het bovenstaande gaat om de realisatie van dergelijke gebouwconcepten in honderdtallen ineens (welke vervolgens opgeschaald moeten worden naar de duizendtallen en meer), is het van het grootste belang dat deze integrale (innovatieve) nieuwbouw- en renovatieconcepten in één keer goed zijn. En met goed wordt dan niet alleen energetisch goed bedoeld, maar goed in alle gebouwprestaties (gezondheid, comfort, onderhoud, etc.) en nog betaalbaar ook. Een langjarige verbintenis tussen wetenschappelijk R&D werk en de bouwpraktijk (dus ontwikkelen, monitoren en van daaruit de volgende ontwikkelstappen identificeren en oppakken) is dan ook de enige optie om dit kans van slagen te geven.
