Het Earth, Wind & Fire onderzoek

Hypothese

Uitgangspunt voor het onderzoek Earth, Wind & Fire, waarbij de subconcepten van Ventecdak, Klimaatcascade en Zonneschoorsteen een integraal deel van het (Architectonisch) gebouwontwerp vormen is de volgende hypothese:

  1. Een geïntegreerde benadering tussen Architectuur/Constructies en Klimaatontwerp is in staat om de vrij beschikbare omgevingsenergie, in de vorm van aardmassa, wind en zon, aan te wenden om een gebouw op voornamelijk natuurlijke wijze te klimatiseren.
  2. De subconcepten kunnen worden gemodelleerd en gevalideerd, waardoor ze een betrouwbare ondersteuning aan praktische ontwerpprocessen kunnen bieden.”
  3. De subconcepten kunnen afzonderlijk of in combinatie een bijdrage leveren aan de energieneutraliteit van gebouwen.

     

Onderzoeksvragen

Uit de hypothese zijn de volgende onderzoeksvragen afgeleid:

  1. Wat zijn de potentiële mogelijkheden van de subconcepten van Ventecdak, Klimaatcascade en Zonneschoorsteen voor het realiseren van een natuurlijke airconditioning in gebouwen?
  2. Wat zijn de ontwerpcriteria voor het Ventecdak, de Klimaatcascade en de Zonneschoorsteen voor het realiseren van
  • De gewenste volumestromen voor een goede kwaliteit van de binnenlucht?
  • Thermische behaaglijkheid in het binnenmilieu?
  1. Wat zijn de potentiële mogelijkheden van de drie subconcepten voor actieve energieopwekking met wind en zon?
  2. In hoeverre kan het Earth, Wind & Fire concept bijdragen aan de energieneutraliteit van gebouwen?
  3. Welke betrouwbare ontwerptools en/of rekenmodellen kunnen worden ontwikkeld voor gebruik in de praktijk?
  4. Wat zijn de randvoorwaarden voor toepassing van deze strategie op bestaande gebouwen?

     

Het onderzoek

Het onderzoek Earth, Wind & Fire is uitgevoerd om de bovenstaande hypothese theoretisch en empirisch te valideren op basis van de onderzoeksvragen.

Hiervoor is het researchteam Earth, Wind & Fire geformeerd, een samenwerkingsproject van de TU Delft, de TU Eindhoven en VVKH Architecten. Hoofdonderzoeker van het project was Ing. Ben Bronsema, REHVA  Fellow, geassisteerd door wetenschappelijke medewerkers van de faculteiten Bouwkunde van de TUD en de TU/e. Verschillende specialistische werkzaamheden zijn uitbesteed. Zie onderstaande figuur.

Het onderzoek is begeleid door een klankbordgroep, samengesteld uit prominente vertegenwoordigers van de Nederlandse architectuur, de bouwwereld en de installatiesector.

Voor een gedetailleerde omschrijving van het onderzoek zie het “Projectplan Earth, Wind & Fire – Naar nieuwe concepten voor de klimaatregeling van gebouwen” (Bronsema, B. 2007).

Het onderzoek is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie; regeling Energie Onderzoek Subsidie: lange termijn (artikel 18b).

De resultaten van het onderzoek zijn in compacte vorm in het proefschrift weergegeven.

Voor een gedetailleerde verslaglegging wordt verwezen naar de volgende eindrapporten d.d. maart 2012 (online beschikbaar):

(I)        Earth, Wind & Fire – Onderzoek Zonneschoorsteen en Zonnefaçade.

(II)       Earth, Wind & Fire – Onderzoek Natuurlijke Ventilatie, Wind en Ventecdak.

(III)      Earth, Wind & Fire – Onderzoek Klimaatcascade en Geo-Klimaatconcept.

(IV)     Earth, Wind & Fire – Binnenmilieu: Symbiose van Architectuur en Klimaattechniek

De deelrapporten (I) t/m (III) geven een gedetailleerd verslag van de drie deelonderzoeken en richtlijnen voor het ontwerp van de responsieve bouwdelen, respectievelijk (I) de Zonneschoorsteen of Zonnefaçade, (II) het Ventecdak en (III) de Klimaatcascade.

Deel (IV) gaat in op de noodzakelijke interactie tussen architectuur en klimaattechniek, en geeft de hoofdlijnen weer van de delen (I) t/m (III). In dit deel wordt tevens een case study gepresenteerd. De vier delen zijn zelfstandige eenheden en afzonderlijk te lezen.

 Organisatiestructuur onderzoeksproject Earth, Wind & Fire

Organisatiestructuur onderzoeksproject Earth, Wind & Fire

 

 

Modelleren, Simuleren en Valideren

Het onderzoek en de ontwikkeling van het Ventecdak, de Klimaatcascade en de Zonneschoorsteen of Zonnefaçade zijn ontwikkeld volgens de methode modelleren, simuleren en valideren, zie onderstaande figuur.

 Modelleren en Simuleren_tr

 Modelleren en Simuleren

Een van de doelstellingen van het onderzoek “Earth, Wind & Fire” is klimaatingenieurs en architecten te kunnen voorzien van betrouwbare ontwerpgegevens voor dit innovatieve concept van klimaatregeling. Pas als deze beschikbaar zijn zullen opdrachtgevers en ontwerpers bereid kunnen worden gevonden het concept in concrete bouwwerken tot uitvoering te brengen. Deze doelstelling kan met behulp van gevalideerde simulaties worden verwezenlijkt.

“Simulatie is het proces van het maken van een vereenvoudigd model van een complex systeem en het gebruik van dit model om het gedrag van het werkelijke systeem te analyseren en te voorspellen”  (Hensen, J. 2003).

Verschillende studies hebben uitgewezen dat gebouwsimulatie meer is dan alleen maar software.Het dient als een “kunde” worden beschouwd waarvoor twee essentiële vaardigheden vereist zijn

(1) De kennis en kunde om het complexe systeem met bijbehorende interrelaties te begrijpen, ofwel voldoende domeinkennis;

(2) De bekwaamheid om dit begrip te vertalen in een voor de simulatiesoftware geschikte, logische representatie.

Domeinkennis  (1) was in de persoon van de hoofdonderzoeker ruimschoots aanwezig.  Computersimulaties (2) zijn uitgevoerd door experts  die over de bovengenoemde vaardigheden beschikken.

 

Basale modellering [1]

Bij de ontwikkeling van de verschillende concepten is begonnen met het maken van eenvoudige rekenmodellen, die een eerste indruk gaven van de haalbaarheid en de potenties van het betreffende concept. Dergelijke modellen staan dicht bij de ingenieurspraktijk en maken een snelle evaluatie van alternatieven mogelijk, mede op basis van ervaring en intuïtie. Met behulp van wetenschappelijke en technische gegevens uit het repertoire van de klimaatingenieur zijn wiskundige beschrijvingen gegeven van de warmteoverdracht en stromingen op macroniveau. Hierbij is gebruik gemaakt van het Handboek Installatietechniek (ISSO 2002), het Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik van Recknagel, Sprenger en Schramer (Oldenburg Industrieverlag 2010), de ASHRAE Handbooks Fundamentals (ASHRAE 2001) en HVAC Systems and Equipment (ASHRAE 2000). Voor enkele onderwerpen zijn wetenschappelijke publicaties geraadpleegd.

De gebruikte formules hebben uiteraard betrekking op stationaire omstandigheden, maar door discretisering konden de processen met behulp van MS Excel quasi dynamisch worden gesimuleerd. Deze werkwijze leverde niet alleen een goed inzicht op in de onderliggende verschijnselen van warmteoverdracht en stroming en de koppeling van beide. Er kwamen ook vele onzekerheden aan het licht, die de noodzaak aantoonden van verdere simulaties met een hoger resolutieniveau.

 

Numerieke stromingsmodellering met CFD [2]

De met de Excel rekenmodellen geanalyseerde concepten zijn met behulp van CFD numerieke stromingsmodellen uitgewerkt tot virtuele prototypes, die inzicht gaven in de warmteoverdracht en stromingspatronen op microniveau. Hierdoor konden de fysische effecten nader worden geanalyseerd en werd met behulp van simulatietechnieken nagegaan of en in hoeverre modellen konden worden opgeschaald naar bouwdelen op ware grootte.

CFD analyse geeft snel inzicht in de werking van nieuwe concepten, die moeilijk op een andere manier kan worden verkregen. Dit is een groot voordeel bij de ontwikkeling van responsieve bouwdelen omdat het bouwen van fysieke prototypes hiervoor erg kostbaar is.

Met behulp van CFD analyse konden de prestaties van verschillende concepten snel worden doorgerekend en geoptimaliseerd.  Op basis van geoptimaliseerde virtuele prototypes zijn fysieke prototypes gemaakt, waardoor tijd en geld werd bespaard.

 “De grootste nadelen van CFD zijn de complexiteit en de gevoeligheid van de resultaten voor de te kiezen modelparameters. De gebruiker moet vele keuzes maken bij het uitvoeren van een simulatie, en deze kunnen sterk de nauwkeurigheid van de resultaten beïnvloeden. Als veilig uitgangspunt durven we te stellen dat voor CFD-resultaten niet de veronderstelling van onschuld geldt, integendeel: “CFD resultaten zijn fout, tot het tegendeel bewezen is”. Verificatie en validatie van CFD simulaties zijn essentieel. Voor de validatie zijn dan weer nauwkeurige metingen nodig”. (Blocken, B. 2010)

Voor het onderzoek Earth, Wind & Fire zijn met behulp van CFD virtuele prototypes gemaakt van de Klimaatcascade, het Ventecdak en de Zonneschoorsteen en zijn de prestaties hiervan geanalyseerd en geoptimaliseerd. Op basis van de virtuele prototypes zijn van deze responsieve bouwelementen fysieke schaalmodellen gebouwd voor experimenteel onderzoek. Met behulp hiervan konden de CFD simulaties worden gevalideerd. De fysieke schaalmodellen zijn op hun beurt ook weer prototypes voor de in de werkelijke bouwpraktijk te realiseren bouwdelen. Met behulp van CFD is nagegaan of de geteste schaalmodellen representatief zijn voor de modellen op ware grootte

Door beperkingen in computercapaciteit heeft CFD (nog) niet het niveau bereikt dat nodig is voor gekoppelde dynamische jaarberekeningen . Hiervoor is het dynamische gebouwsimulatiemodel ESP-r gebruikt, dat is gekalibreerd en gevalideerd op basis van de meetgegevens aan experimentele onderzoek modellen.

De uitvoering van CFD simulaties, opstelling van het analytisch model, bepaling van het raster, discretisering van het stromingsveld en het simulatieproces inclusief visualisatie en analyse van de gegevens is een gecompliceerd proces. Kennis van het betreffende vaktechnische domein is onontbeerlijk, maar ook kennis van numerieke rekentechnieken. CFD simulaties voor het onderzoek Earth, Wind & Fire zijn dan ook onder auspiciën van de onderzoeker uitgevoerd door erkende externe specialisten. Zie de hoofdstukken 2, 3 en 4 voor respectievelijk het Ventecdak, de Klimaatcascade en de Zonneschoorsteen.

 

Dynamische simulering met ESP-r [3]

Het Excel rekenmodel en het CFD simulatiemodel zijn gebruikt als instrument voor de berekening en het ontwerp van Klimaatcascade en Zonneschoorsteen onder stationaire omstandigheden. Voor de bestudering van het dynamisch gedrag en ramingen van de jaarlijkse energieprestatie van deze responsieve bouwdelen is het dynamische simulatiemodel ESP-r gebruikt. Dit model biedt aan ontwerpers de mogelijkheid om de complexe relaties te bestuderen tussen het buiten- en binnenklimaat van een gebouw op basis van architectuur, bouwmassa, luchtstromingen en de klimaatvoorzieningen inclusief regelsysteem. Het is flexibel en krachtig, en daardoor zeer geschikt voor het simuleren van innovatieve technieken.

De Zonneschoorsteen en de Klimaatcascade zijn in ESP-r gemodelleerd met behulp van een thermisch- en een stromingsnetwerk, opgebouwd uit knooppunten, waarmee onderling gekoppelde warmte- en massastromen worden gesimuleerd. Het thermische- en het stromingsnetwerk zijn inter-gerelateerd: In de Zonneschoorsteen induceert de temperatuurstijging van de lucht een opwaartse thermische trek die een stroming tot stand brengt. In de Klimaatcascade induceert temperatuurdaling van de lucht een neerwaartse thermische trek die tezamen met de aerodynamische en hydraulische trek een stroming tot stand brengt. De omvang van de stroming bepaalt op zijn beurt weer de temperatuur van de lucht.

Het thermisch netwerk en het stromingsnetwerk kan in principe in het ESP-r model van een gebouw worden geïntegreerd. Enerzijds maakt dit een flexibel gebruik van het gebouwmodel mogelijk, maar anderzijds is het lastig en omslachtig in de toepassing. In het onderzoek is het ESP-r model daarom gebruikt voor het simuleren van de prestaties van de Zonneschoorsteen en de Klimaatcascade als stand-alone installatie-elementen.

Voor de berekening van de jaarlijkse energieprestaties is in het onderzoek het referentiejaar NEN 5060:2008 gebruikt.

Voor het werken met ESP-r zijn geoefende gebruikers nodig met een grondige kennis van de te simuleren fysische processen. De ESP-r modellen en de simulaties zijn ontworpen en uitgevoerd door specialisten van de unit Building Physics and Systems van de TU Eindhoven. De simulaties zijn gekalibreerd en gevalideerd op basis van metingen in de fysieke modellen waardoor ze voldoende betrouwbaar zijn.  

 

Validatie door metingen in een fysiek onderzoek model [4]

Op basis van de basale modellering in EXCEL en de bestudering, verificatie en detaillering hiervan met behulp van CFD simulaties zijn fysieke modellen gemaakt van de Zonneschoorsteen, de Klimaatcascade en het Ventecdak. Met behulp hiervan zijn onder verschillende condities en in real-time de in werkelijkheid optredende fenomenen van warmteoverdracht en stromingen gemeten. Uiteraard gaat het hier om schaalmodellen, maar met zodanige afmetingen dat de processen betrouwbaar konden worden gemonitord en geregistreerd.

Op basis van de meetgegevens uit de fysieke testopstellingen zijn in een terugkoppeling het Excel rekenmodel en de CFD en ESP-r simulatiemodellen gekalibreerd en gevalideerd

Het functionele ontwerp en de hoofdafmetingen van de fysieke modellen zijn bepaald door de hoofdonderzoeker. Ontwerp, engineering, en uitvoering is door Peutz gerealiseerd. Met het oog op het kalibreren en valideren van de ESP-r simulatiemodellen is de instrumentatie onder auspiciën van het onderzoeksteam ontworpen door de TU Eindhoven en door Peutz gematerialiseerd en geïnstalleerd.

 

Rekenmodel voor de praktijk [5]

Een rekenmodel voor de praktijk, gebaseerd op de onderzoeksresultaten, geeft aan architecten en ingenieurs de mogelijkheid om de concepten voor concrete bouwprojecten globaal uit te werken en te dimensioneren. Voor de Zonneschoorsteen, een dominant architectonisch bouwdeel, is in het kader van het onderzoek een gebruiksvriendelijk rekenmodel ontwikkeld. In de conceptuele fase van het gebouwontwerp kan de architect met dit model de afmetingen van een zonneschoorsteen variëren, en direct de hierbij behorende prestaties aflezen.

Voor het conceptueel ontwerp van een Ventecdak en een Klimaatcascade zijn globale ontwerpgegevens opgenomen. De klimaatingenieur blijft uiteraard verantwoordelijk voor de dimensionering van deze elementen in het definitief ontwerp.

 

Verband tussen de modellen

Het verband tussen de verschillende modellen is weergegeven in bovenstaande figuur. Elk model heeft zijn eigen toepassingsgebied en door gegevensuitwisseling tussen de modellen en verificatie met de fysieke modelmetingen kan in principe een hoge mate van betrouwbaarheid worden gerealiseerd.

Voor het Earth, Wind & Fire concept zou het ideaal zijn de processen van warmteoverdracht en stroming in de Klimaatcascade en de Zonneschoorsteen gelijktijdig te kunnen modelleren en simuleren met één model binnen hetzelfde computerdomein. Door beperkingen in computercapaciteit heeft CFD echter (nog) niet het niveau bereikt dat nodig is voor de gewenste dynamische real-time berekeningen. Daarom is hiervoor het gebouwsimulatiemodel ESP-r gebruikt.

Voor het Ventecdak is koppeling van de luchtstromingen buiten het gebouw en binnen het gebouw geen realistische optie door het grote verschil in de geometrische schaal van de stedenbouwkundige omgeving (1 – 5 km) en die van de ventilatieopeningen in het gebouw (0,01 – 1 m). Dit zou een zeer omvangrijk grid met hoge resolutie noodzakelijk maken met prohibitief hoge computerkosten.

 

Het onderzoeksproces

De gevolgde procedure van basaal modelleren → gedetailleerd modelleren → simuleren → valideren heeft goed gewerkt, en leverde ook een vruchtbare samenwerking op tussen de ingenieurspraktijk en de wetenschappelijke benadering.

De basale analytische modellering, gebaseerd op het repertoire van de klimaatingenieur, geeft inzicht in de thermodynamische processen waardoor de intuïtieve “ongeveerkunde”[1] (Verheijen, A.P.J.M. 2002) wordt getraind. Hierdoor kan richting worden gegeven en tegengewicht geboden aan de gedetailleerde, maar voor de klimaatingenieur minder toegankelijke wetenschappelijke modelbenadering, die hierdoor in sommige gevallen ook moest worden aangepast. Anderzijds werden soms intuïtieve en schijnbaar logische veronderstellingen op verrassende wijze gelogenstraft door de uitkomsten van het onderzoek.

De kennismaking met de geavanceerde CFD modellen, die voor het Ventecdak en de Klimaatcascade voortreffelijke simulatieresultaten opleverden, was voor de hoofdonderzoeker een leerrijke ervaring. Dit geldt eveneens voor de dynamische simulaties met het ESP-r model die met de basale statische benadering niet mogelijk zouden zijn geweest. Het was bijzonder vreugdevol dat de basale analytische en de gedetailleerde modellen van de Klimaatcascade en de Zonneschoorsteen gelijkwaardige resultaten opleverden. Het kan een les voor klimaatingenieurs zijn niet te snel naar geavanceerde computermodellen te grijpen, maar eerst de “ongeveerkunde” te bedrijven op basis van de hem/haar vertrouwde basiskennis van de warmte- en stromingsleer.

 

Samenvatting

Bouwstenen van het concept zijn fundamentele fysica, technologische kennis, ontwerpende creativiteit en inzicht in praktische toepasbaarheid.  Door de werkwijze van modelleren, simuleren en valideren is het Earth, Wind & Fire concept wetenschappelijk relevant.

Omdat de gevalideerde modellen en formules beschikbaar komen voor praktische toepassing, en hiermee een bijdrage kunnen leveren aan de doelstellingen van energieneutraliteit en onafhankelijkheid van fossiele energiebronnen, is het Earth, Wind & Fire concept ook maatschappelijk relevant.

 

Toepassing  van  het Earth, Wind & Fire concept

Het ontwikkelde Earth, Wind & Fire concept moet worden beschouwd als een centrale voorziening voor luchtbehandeling van gebouwen die de centrale mechanische luchtbehandeling van een gebouw kan vervangen. Decentrale voorzieningen voor verwarming en koeling op werkplekniveau, zoals klimaatplafonds, ventilatorconvectoren, radiatoren e.d. kunnen uitstekend met het concept worden gecombineerd.

Het Earth, Wind & Fire concept is een totaalconcept. Dit houdt niet in dat de responsieve bouwdelen die in het onderzoek ontwikkeld zijn alleen in combinatie kunnen worden toegepast. Een stand alone toepassing van een Zonneschoorsteen of Zonnefaçade, een Ventecdak of een Klimaatcascadein kantoorgebouwen is goed mogelijk.

Het Earth, Wind & Fire concept kan in elke architectuurstijl worden toegepast, klassiek, modern, internationaal, postmodern, bioklimatisch etc. Het is de architect die vorm geeft aan de uitwerking van het gebouw als klimaatmachine”. 

Nieuwbouw kan uiteraard volledig op het Earth, Wind & Fire concept worden ontworpen. Bij grote renovaties van bestaande gebouwen kan het concept echter eveneens worden toegepast, zowel gedeeltelijk als in zijn geheel. Een Ventecdak en een  Zonneschoorsteen zijn mogelijke toevoegingen aan een gebouw. Bestaande gevels kunnen worden omgebouwd tot Zonnefaçades. Bestaande installatieschachten kunnen worden omgebouwd tot Klimaatcascade. De uitgevoerde case-study geeft hiervan een voorbeeld.

 

De stedenbouwkundige context

Randvoorwaarde voor een optimale werking van de Natuurlijke Airconditioning volgens het Earth, Wind & Fire concept is dat de invloed van wind en zon op het betreffende gebouw niet substantieel door de omliggende bebouwing wordt belemmerd. Idealiter moet de wind vrij spel hebben om het Ventecdak en moet de Zonneschoorsteen niet in de schaduw liggen van andere gebouwen.

Voor de werking van het Ventecdak hebben hoogteverschillen tussen gebouwen de meeste invloed. Voor de zonneschoorsteen zijn laterale tussenafstanden meer bepalend voor de stedenbouwkundige omgeving. Mede door de grote potentiële bijdrage van een Zonneschoorsteen aan het warmteverbruik van gebouwen hebben de stedenbouwkundige randvoorwaarden voor de Zonneschoorsteen dan ook prioriteit. Geconcludeerd wordt dat optimale bezonning mogelijk is bij normaal te achten stedenbouwkundige randvoorwaarden  

De beschouwingen hebben een globaal en algemeen karakter. Voor specifieke situaties wordt aanbevolen gebruik te maken van windtunnelonderzoek en/of  bezonningssoftware al dan niet in combinatie met onderzoek in een zonnesimulator.

 

Case Study

De jaarlijkse nieuwbouw van kantoorgebouwen in Nederland omvat maar een klein percentage van de aanwezige voorraad. Toepassing van het Earth, Wind & Fire concept is daarom vooral van belang bij grote renovaties van bestaande gebouwen. Om de mogelijkheid hiervan te onderzoeken is een case study gemaakt waarbij een bestaand kantoorgebouw virtueel wordt uitgevoerd met Natuurlijke Airconditioning volgens Earth, Wind & Fire concept. De case study diende enerzijds als ontwerpoefening, anderzijds om de energieprestaties van het concept in een reëel gebouw te evalueren. Uitgangspunt hierbij was dat architectonisch, bouwkundig en installatietechnisch het ontwerp niet alleen virtueel maar ook reëel zou moeten kunnen worden gerealiseerd. Het ontwerp is daarom uitgewerkt op VO (Voorlopig Ontwerp) niveau.

Uit de ontwerpoefening blijkt dat toepassing van het Earth, Wind & Fire concept in het onderhavige kantoorgebouw zeer goed mogelijk is.

Een basale analyse van de energieprestatie wijst uit dat het totale gebouwgebonden primaire jaarlijkse energiegebruik in de referentiesituatie van ca. 120kWh.m-2 na deze virtuele interventie tot minder dan de helft wordt teruggebracht. Door de energieopbrengst van het Ventecdak wordt het gebouw energieneutraal. Een gedetailleerde dynamische analyse met ESP-r geeft een nog gunstiger beeld.

 

Conclusies:

Ventecdak

Het Ventecdak is een dominant architecturaal element en een typerende expressie van Klimaat Responsieve Architectuur. Als geïntegreerde benadering tussen Architectuur / Constructies en Klimaatontwerp kan het een belangrijke bijdrage leveren aan een Natuurlijke Airconditioning en aan de energieneutraliteit van gebouwen. Voor het ontwerp zijn gevalideerde ontwerptools en rekenmodellen beschikbaar. De hypothese is voor dit deel van het Earth, Wind & Fire concept dan ook bewezen.

Het Ventecdak is verder een intrinsiek veilig concept om kortsluiting tussen verse en gebruikte ventilatielucht te voorkomen.

De aerodynamische prestaties van het Ventecdak zijn afhankelijk van de windsnelheid op dakhoogte, die in hoofdzaak wordt bepaald door de hoogte van het gebouw en door de omliggende bebouwing. Met behulp van windtunnelonderzoek  zijn randvoorwaarden geformuleerd voor optimalisering van het Ventecdak in een stedenbouwkundige context.

In een case study is aangetoond dat het aanbrengen van een Ventecdak op bestaande gebouwen een reële optie is.

 

Klimaatcascade

De Klimaatcascade is een architecturaal onopvallend element, tenzij toegepast voor de koeling van atria. Voor de binnenklimaatcondities daarentegen is de Klimaatcascade een essentieel bouwdeel, niet alleen voor de conditionering van de ventilatielucht maar ook voor het opwekken van positieve drukken ten behoeve van de luchtdistributie.

Het onderzoek was aanvankelijk alleen gericht op het gebruik van de Klimaatcascade voor koeling van de ventilatielucht in de zomerperiode. Gaandeweg zijn ook de andere seizoenen in het onderzoek betrokken, waardoor tevens gedurende het hele jaar de aerodynamische prestaties kunnen worden benut. Essentieel voor het onderzoek was de fysieke testopstelling waarin de psychometrische prestaties ook onder extreme zomer- en wintercondities konden worden gemeten. Hiermee werd het bewijs geleverd dat een Klimaatcascade een robuust en universeel bouwdeel kan zijn voor koeling/droging en verwarming/bevochtiging van ventilatielucht  in gebouwen in alle jaargetijden.

Het basale rekenmodel en het numerieke simulatiemodel zijn beide in de fysieke testopstelling gevalideerd. Beide modellen blijken de psychometrische en aerodynamische prestaties van een Klimaatcascade met een hoge mate van nauwkeurigheid te kunnen voorspellen.

De koudefactor (COP) van een Klimaatcascade is afhankelijk van de water/luchtfactor en van de hoogte van het gebouw en kan variëren van 50 →15 bij gebouwen van 4 →20 verdiepingen. Een voor de hand liggende variant op het concept is de uitvoering van de Klimaatcascade in meerdere gestapelde secties. Dit maakt bij een gebouw van 20 verdiepingen een COP in de orde van 100 mogelijk, hetgeen de energiezuinigheid van het concept onderstreept. Deze variant is overigens niet uitgewerkt.

Enkele risicofactoren die het gebruik van een Klimaatcascade met zich zou kunnen brengen zijn onderzocht. Voor de ontwikkeling van legionellabacterie en andere ziektekiemen is de Klimaatcascade door de lage watertemperaturen intrinsiek veilig. Condensrisico op uitwendige scheidingsconstructies  is bij een correcte uitvoering van thermische bruggen uitgesloten.

Samenvattend kan worden geconcludeerd dat de Klimaatcascade  als geïntegreerde benadering tussen Architectuur / Constructies en Klimaatontwerp een belangrijke bijdrage kan leveren aan een Natuurlijke Airconditioning en aan de energieneutraliteit van gebouwen. Voor het ontwerp zijn gevalideerde ontwerptools en rekenmodellen beschikbaar. De hypothese is voor dit deel van het Earth, Wind & Fire concept dan ook bewezen.

In een case study is aangetoond dat het aanbrengen van een Klimaatcascade in bestaande gebouwen een reële optie is. 

 

Zonneschoorsteen

De Zonneschoorsteen is evenals het Ventecdak, een typerende expressie van Klimaat Responsieve Architectuur. Door gebruik te maken van de zon als drijvende kracht voor het afzuigen van ventilatielucht, kan een essentiële bijdrage worden geleverd aan een Natuurlijke Airconditioning van gebouwen. Van groter belang is echter de functie van de Zonneschoorsteen als absorber van zonne-energie die kan worden benut voor de verwarming van gebouwen. Hiermee kan een belangrijke bijdrage worden geleverd aan de energieneutraliteit van gebouwen.

In een fysieke testopstelling zijn gedurende vier seizoenen metingen uitgevoerd van temperaturen en luchtsnelheden als functie van de stralingsflux van de zon en de buitentemperatuur. De metingen gaven een goed beeld van de gecompliceerde thermodynamische processen in een zonneschoorsteen.

Het basale thermische model en stromingsmodel zijn gevalideerd aan de hand van metingen in de testopstelling, en blijken nauwkeurig genoeg te zijn om als basis te dienen voor een rekenmodel voor de praktijk. Een dynamisch simulatiemodel in ESP-r werd gekalibreerd en gevalideerd op basis van de meetresultaten in de fysieke testopstelling.

Het is de architect die in de conceptuele fase de basis legt voor een succesvolle architectonische integratie van een zonneschoorsteen in een gebouw. Voor deze intuïtieve en interactieve ontwerpfase is op basis van de basale modellering een eenvoudig en gebruiksvriendelijk rekenmodel ontwikkeld, dat met een muisklik architectonische varianten en de energetische consequenties daarvan in beeld brengt.

Het thermisch rendement van een zonneschoorsteen, gedefinieerd als de verhouding van de aan de lucht afgegeven warmte en de opvallende zonnestraling wordt hoofdzakelijk bepaald door de eigenschappen van de glaswand. Bij een goede keuze mag een gemiddeld jaarrendement van rond 60% worden verwacht.

De hoogste energieprestatie wordt geleverd door een Zonnefaçade, een gevelbedekkende Zonneschoorsteen. Deze is toegepast in de case study, waarmee tevens is aangetoond dat toepassing van het concept bij bestaande gebouwen een reële optie is. 

In voorjaar en najaar kan zonnewarmte voor een deel rechtstreeks of via korte termijn warmteopslag voor de verwarming van gebouwen worden benut. Voor de zomermaanden is een lange termijn opslag nodig om de warmte in het stookseizoen te kunnen gebruiken. Enkele systemen voor warmteopslag worden summier conceptueel toegelicht.

Aangetoond wordt dat met een Zonneschoorsteen een substantieel deel van de jaarlijkse warmtebehoefte van een gebouw kan worden gedekt, en dat met een Zonnefaçade in principe in de gehele warmtebehoefte kan worden voorzien. Dit geldt voor energiezuinige gebouwen met een jaarlijks warmteverbruik van ca. 50 kWh.m-2.

Samenvattend kan worden geconcludeerd dat een Zonneschoorsteen  als geïntegreerde benadering tussen Architectuur / Constructies en Klimaatontwerp een belangrijke bijdrage kan leveren aan een Natuurlijke Airconditioning en aan de energieneutraliteit van gebouwen. Voor het ontwerp zijn gevalideerde ontwerptools en rekenmodellen beschikbaar. De hypothese is voor dit deel van het Earth, Wind & Fire concept dan ook bewezen.



[1] “Omgaan met twijfel”