Earth, Wind & Fire staat metaforisch voor zwaartekracht en de omgevingsenergie van aardmassa, wind en zon . Hieraan zou, in navolging van Empedokles ( “aarde, lucht, water en vuur – de elementen van alles”), water aan toe kunnen worden gevoegd. In het Earth, Wind & Fire concept is water weliswaar een essentieel medium, maar geen energiebron als zodanig en derhalve niet in de trits opgenomen.
In een jarenlange samenwerking met architectuur- en bouwkundestudenten ontstonden verschillende intuïtieve ideeën over de mogelijkheden klimaattechniek en energieaspecten te koppelen aan architectuur. In eerste instantie zijn deze ideeën analytisch en rekenkundig uitgewerkt, waarna een keuze is gemaakt uit de meest belovende concepten. Deze omvatten drie responsieve architecturale elementen, het Ventecdak, de Klimaatcascade, en de Zonneschoorsteen of Zonnefaçade. Deze elementen zijn in eerste instantie afzonderlijk ontwikkeld, geoptimaliseerd en geëvalueerd, maar ze vormen uiteindelijk in totaalconcept van klimaatregeling een symbiose met de architectuur van een gebouw – zie onderstaande figuur.
Ventecdak[1]
Het Ventecdak gebruikt positieve winddrukken om ventilatielucht via de overdrukruimte (1) en de Klimaatcascade aan het gebouw toe te voeren. Negatieve winddrukken worden gebruikt om het gebouw via de Zonneschoorsteen en de Venturi-ejector (6) af te zuigen. Met dit concept wordt gebruik gemaakt van de relatief goede luchtkwaliteit op grotere hoogte. Verder wordt door de horizontale scheiding tussen toevoerlucht en afvoerlucht kortsluiting tussen beide luchtstromingen voorkomen.
Het Ventecdak kan in principe ook worden benut voor het opwekken van wind- en zonne-energie, waarmee wordt voldaan aan de tweede voorwaarde van de EPBD Recast.
In de overdrukruimte kunnen windturbines worden aangebracht (niet in de tekening aangegeven), waarmee in principe hoge vermogenscoëfficiënten kunnen worden gerealiseerd. Potentiële geluidsproblemen zijn door de inpandige situering gemakkelijk oplosbaar zijn, en het onderhoud kan binnen het gebouw worden uitgevoerd. Als onderdeel van de technische gebouwinstallaties is voor deze windturbines geen omgevingsvergunning vereist..
Op het bovendak wordt als dakbedekking dunne film PV folie aangebracht dat ondanks een lager rendement een betere kosteneffectiviteit heeft dan zonnepanelen. Anno 2011 is hiermee in het referentiejaar NEN 5060:2008 een jaarlijkse energieopbrengst van ca. 100 kWh.m-2 bereikbaar 5.
Klimaatcascade
Kern van het klimaatsysteem is de Klimaatcascade, een door zwaartekracht geactiveerde warmtewisselaar voor de conditionering van ventilatielucht, uitgevoerd als bouwkundige schacht.
In de Klimaatcascade wordt de ventilatielucht al naar behoefte gekoeld of verwarmd, gedroogd of bevochtigd. Aan de top wordt zomer en winter via sproeiers water van ca. 130C toegevoerd, waarbij door impulsoverdracht van druppels op lucht de neerwaartse luchtbeweging vanuit de overdrukruimte wordt versterkt. Deze aerodynamische druk maakt tezamen met de hydraulische druk en de neerwaartse thermische trek ventilatoren overbodig. De benodigde koude wordt aan de bodem onttrokken, en warmte wordt direct of indirect door de zonneschoorsteen geleverd.
Door de hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt van de vallende druppels en het grote actieve oppervlak van het miljoenen druppels tellende sproeispectrum werkt de Klimaatcascade met een zeer klein temperatuurverschil tussen lucht en water.
Principes Earth, Wind & Fire concept
Zonneschoorsteen of Zonnefaçade
Ventilatie lucht wordt afgezogen via de Zonneschoorsteen of Zonnefaçade –zie hoofdstuk 4- waarin tevens zonne-energie wordt geoogst, die wordt gebruikt voor verwarming van het gebouw in het stookseizoen. Met behulp van een warmtewisselaar aan de top van de zonneschoorsteen wordt de zonnewarmte overgedragen op circulerend water en in de bodem onder het gebouw opgeslagen. Deze techniek wordt in de tuinbouw toegepast voor het koelen en verwarmen van kassen. De Venturi-ejector in het Ventecdak dient mede om het drukverlies van de warmtewisselaar te compenseren.
De thermische prestatie van een zonneschoorsteen, die bij een bepaalde gebouwhoogte hoofdzakelijk wordt bepaald door de breedte, wordt minimaal afgestemd op het af te zuigen luchtdebiet bij referentiecondities. Deze zijn arbitrair vastgesteld op 200C buitentemperatuur bij een stralingsflux van 400 W.m-2.
Bij toepassing van een goede glassoort ligt het te behalen jaarrendement in de orde van 60%. De totale straling op een zuid georiënteerd vlak bedraagt in het referentiejaar NEN 5060:2008 ca. 860 kWh.m-2 waardoor per m2 zonneschoorsteen een opbrengst van ca. 500 kWh.m-2 kan worden verwacht.
Voor de morfologie van een zonneschoorsteen zijn vele varianten denkbaar, waarbij de gevel bedekkende Zonnefaçade de grootste energieprestatie levert.
Toepassing van het Earth, Wind & Fire concept
De luchtstromingen voor de toevoer van ventilatielucht via de Klimaatcascade en de afvoer hiervan via de Zonneschoorsteen of Zonnefaçade, worden veroorzaakt door drukverschillen. Deze komen tot stand door dichtheidsverschillen tussen koudere en warmere lucht en zijn evenredig met de hoogte van Klimaatcascade en Zonneschoorsteen of Zonnefaçade. Omdat het om relatief kleine temperatuur- en drukverschillen gaat is een bepaalde minimum hoogte van het gebouw noodzakelijk. Het onderzoek gaat uit van gebouwen van minimaal 4 bouwlagen à 3,5 meter[2].
Het ontwikkelde Earth, Wind & Fire concept moet worden beschouwd als een centrale voorziening voor luchtbehandeling van gebouwen dat 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.
Hoewel niet bedoeld voor toepassing in woningen zijn verschillende elementen ook bruikbaar voor gestapelde woningbouw.
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 –zie hoofdstuk 6.
Dit aspect kan mede een rol spelen bij de keuze tussen afbraak of renovatie van bestaande gebouwen. Veelal wordt intuïtief gekozen voor renovatie, maar onderzoek wijst uit dat dit met betrekking tot milieuprestaties niet altijd vanzelfsprekend hoeft te zijn (Verbeeck, Griet et al 2011).