0

Wilt u deze kennis delen met collega's? Klik dan hier om uw collega's uit te nodigen.

1 Comfort

1 Comfort

1.1 Bioklimatisch ontwerpen

De basis van bioklimatisch ontwerpen: gebruikmaken van de natuurlijke elementen zon, wind en water, om op die manier zo passief mogelijk te ontwerpen. Het uiteindelijk gebruik maken van mechanische installaties voor het creëren van een comfortabel binnenklimaat wordt hierbij zoveel mogelijk vermeden. De natuurlijke elementen moeten op een slimme manier gehanteerd worden binnen het ontwerp van de orientatie en vorm van een gebouw. De natuurkundige- en bouwfysische verschijnselen die hieruit ontstaan, zoals warmte, vocht en luchtstromen, kunnen worden ingezet om een comfortabel thermisch binnenklimaat zone en een gezonde luchtkwaliteit te bereiken zoals in grafiek 1 wordt weergegeven. Daarnaast is een juiste indeling van de verblijfsruimte een goede manier om efficiënt om te gaan met de energievraag van de woning.

Grafiek 1: De horizontale as geeft de tijd weer. De getekende cyclus is zowel toepasbaar op een etmaal van 24 uur (dag/nacht), als op een heel jaar (zomer/winter). De verticale as geeft de variërende klimatologische omstandigheden weer.

De grootst gebruikte, natuurlijke bron bij passief ontwerpen is de zon [Praktijkboek Passiefhuis, 2015]. Dit begint met het optimaal oriënteren en vormgeven van het gebouw in verhouding tot de zon. Door openingen in de gevel slim te ontwerpen, kan de zon het gebouw opwarmen door middel van zon instraling. Nadat het bioklimatisch ontwerpen maximaal toegepast is, op een zo passief mogelijk wijze kan het aangevuld worden met installaties om prestaties verder te verhogen.

Om een zo goed mogelijk bioklimatisch ontwerp te kunnen realiseren, is het essentieel om het toe te passen gedurende het schetsontwerp. Zo is bij Active ReUse House grondig onderzoek gedaan naar de oriëntatie, vorm en indeling van de woning. Daarnaast zijn aparte studies verricht naar effecten van daglicht en thermisch comfort met de Barra Constatini gedachten.

Oriëntatie gebouw
De oriëntatie van de woning heeft effect op de toegang tot direct zonlicht. In de ideale situatie heeft een woning zo veel mogelijk direct zonlicht. De langste gevels zijn dan richting het zuiden/zuidwesten georiënteerd. In het ontwerp kunnen openingen en bijvoorbeeld klimaatzones vervolgens passief gebruik maken van de opwarming door de zon. Ook de indeling van de woning moet worden aangepast op deze oriëntatie. Zo is het goed om vertrekken met een hogere warmte-eis aan de warme kant te positioneren. Daarnaast is het belangrijk om bij het oriënteren van het ontwerp, op de omgeving en eventueel belemmerende oppervlakken te letten.

Figuur 2: Oriëntatie gebouw

Vorm
Bij het ontwerp van de vorm van een gebouw is de compactheid belangrijk. Een compacte vorm heeft minder geveloppervlak, en daarmee minder energieverlies. De compactheid is een zo min mogelijk vierkante meters geveloppervlak ten opzichte van het volume. Een bol of een kubus zouden vanuit dit uitgangspunt de ideale vorm zijn. In de praktijk wordt vooral gewerkt met het BVO (bruto vloer oppervlak) en verdiepingshoogte, die samen het volume maken. Een bol, maar ook een kubus, is met de aanvullende parameter vloeroppervlak niet de ideale vorm. In het overzicht van figuur 4 is te zien hoe de vervorming van een basiswoningvorm vervormt en wat dit doet met de compactheid. Een kubus kan alleen gemaakt worden wanneer het veelvoud van verdiepingshoogte ook de lengte en breedte van de woning is, en dan nog het juiste aantal vierkante woonmeters heeft. Zodra meerdere woningen, grenzend aan het maaiveld, geschakeld worden, ontstaat een conflict. Het gehele volume is dan veel minder compact, het energieverliezende geveloppervlak per woning is hierdoor lager. Een geschakelde woning is daardoor gunstiger dan een vrijstaande woning. Hoe meer woningen geschakeld worden, hoe smaller de woningen zouden moeten zijn om dit effect te versterken

Figuur 3: Vorm gebouw

Zonering en compartimentering
Zoals bij oriëntatie en vorm al aangegeven, speelt ook de indeling een belangrijke rol bij het bioklimatisch ontwerp. Niet alleen de oriëntatie van ruimten op de zon is van belang, ook de interne warmte en koude verdeling en het gebruik van ruimten bepalen het uiteindelijk comfort. Zo kan een plattegrond flexibel worden ontworpen, zodat in de zomer aan de koelere zijde gewoond word en in de winter aan de warmere zijde. Een ander model is boven wonen en beneden slapen, omdat het boven in de woning over het algemeen warmer is.

1.2 Daglicht

Gebouwen met (procentueel) weinig toegang tot daglicht liggen vaak minder goed in de markt. Tijdens het ontwerp is het daarom belangrijk dat de architect en de bouwfysicus nauw samenwerken. Zo kan een optimaal percentage aan daglicht over het gehele jaar behaald worden, zonder dat daar veel energiekosten voor nodig zijn. Dit kan op verschillende wijzen behaald worden, het is belangrijk dat er rekening gehouden wordt met de balans en verschillen tussen zomer en winter. Zon intreding is directe warmte door het glas, een warmte die gewenst is in de winter en juist geweerd moet worden in de zomer. Tegelijkertijd gaat de meeste energie nog door het glazen oppervlak verloren. Dit algemeen bekende ‘probleem’ blijft een uitdaging en belangrijk aandachtspunt, ook bij Active ReUse House.

Om in de winter genoeg daglicht binnen te krijgen, zonder al te veel warmte te verliezen, kan men kiezen voor ramen met een hoge isolatiewaarde. Dit wordt vaak toegepast in koude klimaten. In Nederland betekent dat, dat het type beglazing een lage U-waarde en hoge g-factor moet dragen. Deze verhouding berust zich op de reële warmtedoorgangscoëfficiënt (U-waarde) in de betreffende glasopbouw, uitgedrukt in W/(m2.K). Naarmate het glas beter isoleert, laat dit - afhankelijk van het aantal lagen glas en het type coating - minder zonnewarmte en daglicht toe. Deze eigenschappen komen tot uiting in respectievelijk de zontoetredingsfactor (ZTA- of g-factor) en de lichttoetredingsfactor (LTA-of TL-waarde). Voor beter isolerende beglazing gebruikt men de klasse-aanduidingen HR, HR+, HR++ of HR+++.

Figuur 4: De effecten van temperatuurovergangen met verschillende glasopbouwen en U-waarden. (Lente akkoord, 2014)

Naarmate meerdere lagen glas worden toegepast, neemt, afhankelijk van de toegepaste coatings, de isolerende werking toe en de U-waarde dus af. Hierbij speelt wel dat iedere extra laag een extra belemmering vormt voor zontoetreding. Drievoudig glas zal daarom minder licht (TL-waarde) en zonnewarmte (g-factor) toelaten dan dubbel glas. Middels coatings kan dit effect verminderd of vermeerderd worden, afhankelijk van waar behoefte aan is. Voor meer kennis over de waarden van glas, zie het infoblad Isolatieglas selecteren, situeren en monteren van SBRCURnet.

Daarnaast is er gekozen om in de zomer als oplossingen externe zonweringen, neggen en overstekken toe te passen. Dit soort passieve en actieve ontwerpmogelijkheden kunnen er tijdens de zomer dan voor zorgen dat er minder warmte de woning binnen treedt. Doordat directe zoninstraling wordt geweerd.

Figuur 5: Het ontwerp van externe zonwering (bedacht met niet flexibele zonwering).

Daglichttoetreding
In de Active House Specificaties is daglichttoetreding een belangrijk aspect. De daglichttoetreding wordt aan de hand van daglichtfactoren en de directe zonuren tijdens het winterseizoen gekwantificeerd. Hiervoor zijn verschillende daglichtprogramma’s beschikbaar, die berekenen in welke mate het daglicht de woning in kan treden. Overzichtelijke visualisaties, zoals onderstaande figuren, laten dit zien.

In de Active House Radar wordt de daglichtscore op basis van de daglichtfactor en de directe zonlichttoetreding weergegeven. Onderstaande figuren geven de variatie van de daglichtfactor in de diverse ruimten van het Active ReUse House weer.

Figuur 7: Daglichttoetreding van het Active ReUse House.

Per verblijfsruimte (VR) is in figuur 8 aangegeven wat de over de ruimte gemiddelde daglichtfactor is, die uiteraard verschilt per ruimte. In de Radar wordt het gemiddelde van de VR als totaalscore genomen. Dit resulteert in de op één na laagste niveau (niveau 3 [met een daglichtfactor > 2% als gemiddelde]. Alleen door de ramen in de slaapkamer groter te maken, en zo hoog mogelijk te plaatsen, kan het consortium dit resultaat verbeteren. De overige VR van Active ReUse House zitten gemiddeld ruim in niveau 3.

Figuur 8: Daglichttoetreding (%) van het Active ReUse House. (Let op: dit was niet het laatste model). Na deze studie is het ontwerp verder ontwikkeld voor hogere scores. De verdiepingshoogte is aangepast (3.0 m i.p.v. 2,6 m) en de hoeveelheid glas in gevels is verhoogd. Het uiteindelijke resultaat: een daglichttoetreding van 4 tot 5%.

1.3 Thermisch comfort

Thermisch comfort is een belangrijk aspect bij gebouwen. Dit omdat het direct invloed heeft op de behagelijkheid van het gebouw en de gezondheid van bewoners. Deze ideale thermische omgeving is niet te koppelen aan één vaste temperatuur. Het verschilt per seizoen wat de bewoner behaaglijk vindt en ook onder de bewoners zelf kan hier verschil in zitten. Dit maakt het een uitdaging om gebouwen thermisch goed te ontwerpen en vraagt daarom veel onderzoek. Gebouwen moeten zo ontworpen worden dat positionering, vorm en energievraag van het gebouw volledig met elkaar in balans zijn.

Figuur 9: De verschillende ontwerpideeën voor de basis van het Active ReUse House die voor onderzoek door het consortium in aanmerking kwamen.

Vooronderzoek
Om deze uitdaging aan te gaan bij het Active ReUse House is er zowel ruimtelijk als energetisch onderzoek gedaan naar potentiële manieren om de woning thermisch te verwarmen. De volgende potentiële ontwerpen weergegeven in figuur 10 zijn hierbij onderzocht; Barra Constantini, Zwarte zolder en Klimaatzone kas (Steen in Kas).

Het ontwerpteam zag de meeste potentie in de Barra Constantini, ook al bleek dit niet het meest ideale ontwerp uit het destijds uitgevoerde onderzoek te zijn. Het team wilde verder gaan met Barra Constantini, omdat dit in Nederland nog nooit eerder werd toegepast in de seriematige woningbouw. Het kon zorgen voor een nieuwe soort toepassing. De Zwarte zolder en Klimaatzone kas waren daarentegen reeds bekende, in de praktijk toegepaste en bewezen concepten. Deze twee concepten vielen af, beide ontwerpen nemen veel ruimte in beslag, en ruimte zal in de nabije toekomst niet altijd even gemakkelijk beschikbaar zijn in en rondom steden.

Doordat de Klimaatzone kas veel ruimte vereist op het zuidelijke georiënteerd, stijgt de prijs van de grond aanzienlijk(ideale positionering). In de praktijk is totale beschikbaarheid van dit soort kavels 25% - 30%. De Zwarte zolder vangt de warme lucht in de woning op, om dit merkbaar en zinvol te maken, moet dit vrij groot uitgevoerd worden. Dit resulteert in onbruikbaar dakoppervlak.

De Barra Constantini is even gevoelig voor oriëntatie op de zon als de andere twee ontwerpen, maar kost relatief weinig extra ruimte. Derhalve is er groot voordeel in de ontwerpvrijheid van de dakvorm, wat grote invoering kan zijn voor het verwarmen en vangen van zonlicht in de spouw. De enige extra ruimte die nodig is, is de spouw zelf. Maar de meeste woningen in Nederland worden gebouwd met spouw. De volgende paragraaf belicht het onderzoek in het perspectief van het Barra Constantini-ontwerp. Dit is ook de uiteindelijke keuze geworden van het consortium. De hierboven genoemde argumenten gelden voor deze keuze. Aanvullende zou dit concept ook een premium van Barra Constantini ontwerpen worden op Nederland bodem.

Om de koelte- en verwarmingsbehoefte in kaart te brengen, zijn voor alle drie de referentiewoningen zijn digitale mockups op schaal gemodelleerd. De temperatuur werd in de winter op 20 graden gehouden en de koelvraag in de zomer op 24 graden. Vervolgens zijn alle drie de woningen getest en is de warmte- en koudevraag bepaald doormiddel van simulaties. Een aantal variabelen is geanalyseerd om te kijken welke geoptimaliseerd konden worden. Om de robuustheid van de concepten te bepalen, is de beste variant vervolgens voor drie oriëntaties (zuid, zuidwest en west) berekend.

De breedte van de spouw zou bepaald worden aan de hand van onderzoeken voor optimale luchtverplaatsing. Door de warmte door de spouw te transporteren, verwarm je de kernwanden met warme lucht. Deze staan vervolgens weer warmte af (middels convectie en straling) aan de woning. De invloed van de thermische massa voorziet dat de wisseling in temperatuur (dag/nacht) afgevlakt wordt. De piek- en daltemperaturen worden dan intern minder voelbaar. Dit verhoogt het comfort voor de bewoners en reduceert het energieverbruik.
Barra Constantini zou hier een goede kans voor maken, doordat met de volgende variabelen gespeeld kon worden:

  • Breedte van de spouw
  • Gebouwmassa (%)
  • Glas naar de spouw (%)

Figuur 10: De toetreding van daglicht in de maand maart in het ontwerp van Active ReUse House.

Het onderzoek begon met een spouwbreedte van 500 mm., naar 150 mm. of dunner leek gunstiger te zijn. Op de zuidkant daalt de warmtevraag voor verschillende configuraties met 8,6%, op zuidwest met 7,6% en op west met 5,3%. De gebouwmassa wordt tijdens het ontwerp gerealiseerd met beton in de wanden. De openingen van glas zijn een variabele die tijdens de ontwerpfase meegenomen kan worden.

Barra Constantini - theorie vs. praktijk
Uitgaand van een vrijstaand ontwerpvariant, bleek de Barra Constantini een energiebesparing van 10,4% op te leveren. Vertaald naar de praktijk (rijwoning en gering geveloppervlak), werd de besparing aanzienlijk lager: 1,7% besparing ten opzichte van de eerste proef (10,4%). Hierdoor was de verwachting dat de rijwoning niet rendabel is.

De tweede constatering is dat de hoogte van de woning een probleem zal zijn. De natuurlijke thermiek is niet voldoende, waardoor te weinig luchtstroom in de spouw in beweging komt. Dit was een tegenslag voor het consortium, want wat tijdens de ontwerpfase bedoeld was als een passieve oplossing, is nu veranderd in een doorluchtingsvraagstuk wat mechanische oplossing vereist.

Het derde probleem: er zijn als risicovol beschouwde, bouwkundige oplossingen nodig, zoals het andersom toepassen van isolatie, een zelfdragend buitenblad en een woningscheidende spouw met daartussenin een isolatielaag t.b.v. akoestische eisen, die tegelijkertijd de mogelijkheid moet bieden om warme lucht te transporteren. Dit kon het consortium in eerste instantie oplossen, maar de aannemer gaf aan dat het project hierdoor financieel gezien minder haalbaar zou worden.

Figuur 11: Dwarsdoorsnede woning scheidende wand Active ReUse House.

Tot slot waren de onderzoeken van daglicht en betonmassa niet toereikend genoeg om de bedachte resultaten te kunnen behalen. Naarmate het consortium vorderde in de detaillering van het gebouw, bleken de specialisten het unaniem eens te worden door adviezen van onderaannemers tijdens de bouwvergadering: het verwarmen en koelen via betonkernactivering was niet toereikend genoeg om de basisprincipes (natuurlijke thermiek) van Barra Constantini te verwezenlijken. Ook de uitvoering van deze techniek maakt het hergebruik van betonelementen complexer dan nodig. Hierdoor kon het team niet anders dan de basis van Barra Constantini loslaten. Ze kozen voor verwarmingselementen aan de binnenkant van de woning. Deze werden droog geplaatst, zodat bij de elementen bij aanpassing van de woning gemakkelijk te ontkoppelen zijn en mee zouden kunnen groeien.

Uiteindelijk is gekozen om door te gaan met het idee achter het concept Barra Constantini; via opwarming van de constructie (de kernactivering van het beton) de ruimteverwarming plaats laten vinden. In plaats van de constructie met lucht te verwarmen, wordt nu water gebruikt. De bijkomende voordelen van water ten opzichte van lucht:

  • Traditionele spouwopbouw
  • Hoger rendement met transmissie (water naar beton)
  • Ontwerp voldoet nu aan combinatie van aantal bewezen systemen
  • Reductie van faalrisico

Gepaard met dit interne watersysteem, koos het team ook voor het opslaan van warmte en koelte in de bodem in combinatie met een warmtepomp. Dit waterpompsysteem wordt veel toegepast en is bekend in Nederland. Het combineert een extreem laag energieverbruik met een hoog comfortniveau.

Figuur 12: Visualisatie van het de warmte koude opslag en het opwekken van de zonnewarmte en het warmte systeem.

Zonneboiler
Een zonneboiler is onderdeel van het warmtesysteem van de woning. Dit systeem bestaat grofweg uit drie belangrijke componenten: een zonneboiler, zonnecollector en een warmtepomp die het vervolgens doorpompt naar het dichte opslagsysteem in de grond. Daarnaast maken ook het leidingwerk, een pomp en een naverwarmer deel uit van het systeem. Voor een gezin met twee kinderen is een boiler met een inhoud van ongeveer 150-200 liter nodig. Een zonneboilersysteem heeft voor warm water een oppervlakte van 5 m2 en voor ruimteverwarming (afhankelijk van het afgiftesysteem) een oppervlakte van ±30 m2 nodig. Bij het Barra Constantini-principe was het afgiftesysteem de betonmassa geweest waar de leidingen het water door de wanden heen transporteren.

Zonnecollector
De zonnecollector bestaat in verschillende uitvoeringen, waarvan de twee bekendste de vlakkeplaatcollector en de vacuümbuiscollector zijn. De vlakkeplaatcollector bestaat uit een geïsoleerde bak (90 x 180 cm). Bovenin de isolatie ligt een aantal buizen van goed geleidend materiaal met daarin stromend water. Direct op de buizen ligt een zwarte vlakke plaat. Die zwarte plaat wordt warm door instraling van de zon. De warmte wordt afgegeven aan de buizen onder de zwarte plaat, die op hun beurt de warmte weer aan het water afgeven. Vervolgens wordt het water wordt in de boiler gepompt.

Er is ook over nagedacht om de restwarmte (die ontstaat tijdens de warmteoverdracht) te gebruiken om de spouw op te warmen. Dit zou alleen wel inhouden dat de bakken niet van isolatie voorzien worden.

Lucht
De binnenluchtkwaliteit moet worden ontworpen vanuit een focus op gezondheid en comfort. Een volwassen persoon verbruikt per dag zo’n 2 à 3 liter vloeistof en 2 kg voedsel. Dit is niets in vergelijking met 15 kg lucht die de mens per dag inademt, toch krijgt gezond voedsel veel meer aandacht dan de kwaliteit van lucht in de woning. Mensen denken vaak dat vervuiling van lucht buiten plaatsvindt, in werkelijkheid is de vervuiling van lucht binnenshuis vaak hoger dan buiten de woning.

Het is niet in elk seizoen ideaal om lucht van buiten direct te gebruiken voor de binnen ventilatie. Grote temperatuurverschillen tussen binnen en buiten (vooral op de koudere dagen) kunnen resulteren in hogere energiekosten. Het blijft de essentie van ventilatie dat er een royaal aanbod is van verse lucht in de woning die van buiten word toegevoerd en op de plaats waar het nodig is toestroomt. Daarom is het essentieel om bij het ontwerpen van een woning goed na te denken over het uit te voeren balansventilatiesysteem, de bijbehorende warmtewisselaars die zowel de koude als warme lucht beheerst kan gebruikt worden om de binnentemperatuur constant(aangenaam) te houden. Zo kan alle verse lucht van buiten voorverwarmd of gekoeld worden voordat het de woning binnen komt.

Om een goede luchtkwaliteit te realiseren en tegelijkertijd de temperatuur in stand te houden, is er bij ReUse House gekozen voor een gebalanceerd ventilatiesysteem dat lucht mechanisch toe- en afvoert. Dit systeem is het gehele jaar actief, in de zomernachten kan men gebruik maken van natuurlijke ventilatie. Door een natuurlijke trek in de woning wil de warme lucht naar buiten via de bovenkant van de woning. Deze trek zorgt voor onderdruk, die koude zomerlucht via de gevelopeningen naar binnen trekt. Deze passieve vorm van ventileren bespaart energie en bevredigt de behoefte van bewoners die ‘s zomers liever een raam open zetten wat tegelijkertijd bijdraagt aan de natuurlijk ventilatie.

Figuur 13: Visualisatie van de ventilatietechniek in de zomer (boven) en in de winter.

Het is belangrijk dat de luchtkwaliteit van de verblijfsruimtes te allen tijde wordt gewaarborgd. Dit moet gepaard gaan met een accuraat ventilatiesysteem dat carbondioxide (C02), luchtvochtigheid en radon controleert en hierdoor gestuurd ventileert.

Om de hoeveelheid inkomende en uitgaande lucht goed te kunnen controleren, is het van belang dat er geen verliezen ontstaan via kieren en naden. Dit vraagt om een goede waarborging van luchtdoorlatendheid van de woning.

Het ventilatiesysteem bepaalt wat de kwaliteit van de lucht is, en zal verder worden toegelicht bij paragraaf ventilatie (2.2). Omdat deze paper niet in gaat op product gerelateerde informatie, wordt alleen een algemene omschrijving gegeven van het ontwerp en de prestatie-eisen. Natuurlijk is de kwaliteit alleen te waarborgen met een goed systeem dat adequaat is afgestemd op de woning en gebruikers/bewoners. De visie van het consortium op gebied van domotica wordt verder toegelicht bij de paragraaf gebouwvoorziening (2.3).