themaKlimaatactieve bouwelementen4200940themaKlimaatactievebouwelementenIn het denken over klimaatbeheersing en energiebesparing in gebouwen tekent zich eennieuwe richting af die de ontwikkeling in gebouwen de komende jaren nadrukkelijk zalbepalen. Gebouwen worden `intelligenter', er vindt een integratie plaats van installatiesmet het gebouw en eisen veranderen. Met klimaatactieve bouwelementen wordt gepro-beerd actief en zoveel mogelijk met de natuurlijk aanwezige omstandigheden eengoed binnenklimaat te realiseren voor de gebruiker. Dit met een zo laag mogelijkenergieverbruik.1Energiebesparing met geïntegreerde concepten40_45_1_Cauberg.indd 40 11-06-2009 16:55:43Klimaatactieve bouwelementen 42009 41Steeds vaker wordt niet langer uitgegaan van stringente enbinnen nauwe bandbreedte gedefinieerde klimaateisen. Inplaats daarvan wordt gebruikgemaakt van adaptieve criteria,waarbij ruimere en meer fluctuerende eisen worden gesteldafhankelijk van omstandigheden en de beïnvloedingsmogelijk-heden van de gebruiker. Daarnaast worden gebouwen engebouwcomponenten dynamischer en `intelligenter'. Tot slot iser een duidelijke integratie gaande van bouwkundige compo-nenten en technische installaties; er is niet langer een striktescheiding tussen bouwkunde en installatietechniek. Dezeontwikkelingen openen een wereld van mogelijkheden voornieuwe constructies, de zogeheten Klimaatactieve Bouwele-menten, of Responsive Building Elements (RBE's). In het kadervan IEA-ECBCS Annex 44 `Integrating EnvironmentallyResponsive Elements in Buildings' [1] is hier de afgelopen 4jaar onderzoek naar gedaan.Responsive Building ElementsIn een adaptief gebouw moet een optimum worden gevondentussen de soms tegenstrijdige eisen van energieverbruik,gezondheid en comfort. Vanuit energiebesparing is de laatstejaren de neiging het gebouw af te sluiten van de omgeving eneen zeer goed isolerende schil tussen het wisselende buitenkli-maat en het `stabiele en constante' binnenklimaat te realiseren.Vanuit het oogpunt van het menselijk welbevinden is echter deaanpak gebouwen `open' te maken. Naar wens van de gebruikeris hierbij (gedoseerd) toegang tot licht, lucht en warmte vanbuiten mogelijk. De overgang tussen de binnenruimte en deomgeving wordt hierbij een min of meer hybride zone,waarmee actief wordt ingespeeld op de wisselende omstandig-heden. De energiestromen worden hierin niet langer alleengeweerd, maar ook doorgelaten, opgeslagen of omgeleid (fig.2). Dit alles afhankelijk van de omstandigheden, het energiebe-sparingspotentieel en het gewenste binnenklimaat. Hierbijwordt ernaar gestreefd de energiestromen tussen buiten enbinnen zodanig te sturen dat een optimum wordt bereikttussen energieverbruik, comfort en gezondheid.RBE's worden actief gebruikt voor de overdracht en opslag vanwarmte, licht, water en lucht (fig. 3). De definitie van RBE is inhet kader van IEA Annex 44 als volgt gedefinieerd:Responsive Building Elements are building constructions thatassist to maintain an appropriate balance between optimum inte-rior conditions and environmental performance by reacting in acontrolled and holistic manner to changes in external or internalconditions and to occupant intervention.Classificatie van RBE'sDe energiestroom van buiten naar binnen en vice versa kanworden beïnvloed door in te grijpen aan het oppervlak of hetinterne van een constructie. Dit kan door energie toe te voegenof te onttrekken of door de materiaaleigenschappen te wijzigen.Dit heeft geleid tot een classificatie naar de volgende catego-rieën RBE's, waarbij sommige bouwelementen uiteraard meer-dere functies in zich kunnen hebben:­ RBE's met interventie aan het oppervlak van de constructieDoor de condities aan of langs het oppervlak van eening. Ad van der AaCauberg-Huygen RaadgevendeIngenieurs B.V.1 Het Energon in Ulm, het grootste passiefkantoorter wereld, kent een intelligent ventilatieconcept2 Energiestromen worden geweerd, doorgelaten,opgeslagen of omgeleid3 Klimaatactieve bouwelementen (RBE's) wordenactief gebruikt voor de overdracht en opslag vanwarmte, licht, water en luchtwarmtestroomventilatieenergieopslaglichtstroom2340_45_1_Cauberg.indd 41 11-06-2009 16:55:45themaKlimaatactieve bouwelementen42009424 Classificatie van Responsive Building Elements naarrespons en bouwcomponent5 Een geïntegreerd gebouwconcept wordt gevormddoor de integratie van het architectonische gebouw-concept, het constructieve gebouwconcept en hetenergetische gebouwconcept6 De Trias Energetica, uitgebreid met de technologieëndie kunnen worden toegepast afhankelijk van de ont-werpfase waarin men zich bevindtte voegen, te onttrekken of op te slaan. De inmiddels al opredelijke schaal toegepaste betonkernactivering is daar eengoed voorbeeld van. Er zijn echter meer toepassingen denk-baar waarbij wordt geïntervenieerd in de energiehuishoudingvan een constructie.­ Warmtefluxgerelateerde RBE'sWarmtefluxgerelateerde RBE's hebben een dynamische ofvariabele isolatie, afhankelijk van de omstandigheden diezich voordoen. Voorbeelden zijn gevels met een dubbele huiden variabele isolatie.constructie te wijzigen verandert het fysische gedrag van deconstructie. Mogelijkheden hiertoe zijn bijvoorbeeld hetafschermen of isoleren van een constructie met een (isole-rend) paneel waarmee een betere isolatie wordt gerealiseerd,door een medium (water of lucht) langs het constructie-oppervlak te laten stromen of door een absorberende ofreflecterende laag toe te voegen aan het oppervlak. Uiteraardwordt deze actie uitgevoerd in respons op de wisselendeomstandigheden. Hierbij kan worden gedacht aan luikenvoor ramen te sluiten in die perioden dat geen uitzicht nood-zakelijk of gewenst is (`s nachts). Dit om de warmte-isolatievan het raam te vergroten.­ RBE's met een interventie in de constructieBij een interne interventie wordt ingegrepen in de energie-stromen in de constructie door aan de constructie energie toeRBEinterventie aanhet oppervlakinterventie inde constructiefysisch gedragcomponent element geleiding opslaglichtdoor-latendheidluchtdoor-latendheidgebouwschilwanddakplafondvensterhoofddraagcon-structiekolom/balkdragende wanddragende vloerdraagconstructiepalenfunderingsbalkenfunderingscon-structiebodemwarmte-wisselaarsafwerkingenscheidingswandvloerplafond440_45_1_Cauberg.indd 42 11-06-2009 16:55:56Klimaatactieve bouwelementen 42009 43Dit betekent ook voor het ontwerpen van gebouwen van detoekomst dat in toenemende mate sprake moet zijn van eennauwe samenwerking en integratie van de verschillendeontwerpdisciplines vanuit architectuur, constructie, installatiesen bouwfysica.Het geïntegreerde ontwerpprocesHet traditionele ontwerpHet ontwerpproces, dat eerst plaatsvond door één architect diealle ontwerpdisciplines onder zijn hoede had, heeft zichontwikkeld tot een versnipperd en sequentieel proces dat wordtuitgevoerd door een aantal afzonderlijke specialisten, iederwerkend vanuit zijn eigen discipline.Deze manier van werken leidt vaak tot oplossingen die gerichtzijn op het aanpassen en corrigeren van `ontwerpfouten' van hetarchitectonisch ontwerp. Vandaag de dag staat de bouwnijver-heid aan het begin van een opgave om het ontwerpprocesopnieuw uit te vinden dat in gebruik was voordat de klimaatin-stallatie werd geïntroduceerd. Daarom is een geïntegreerde engestructureerde aanpak met meer interactie en samenwerking,­ Lichtflux gerelateerde RBE'sLichtflux gerelateerde RBE's hebben een variabele (adaptieve)lichtdoorlatendheid. Voorbeelden zijn elektro-chromatischebeglazing, die onder invloed van een elektrische spanning vankleur verandert en daarmee het licht meer of minder doorlaat.­ Ventilatiegerelateerde RBE'sVentilatiegerelateerde RBE's hebben een variabele (adaptieve)luchtdoorlaatbaarheid (permeabiliteit). Voorbeelden zijngeventileerde gevels en zogenoemde dynamische isolatie,waarbij lucht met een heel lage snelheid door poreus isolatie-materiaal het gebouw binnenstroomt.­ Energie(warmte)opslag gerelateerde RBE'sEnergieopslag gerelateerde RBE's hebben een capaciteit voorhet opslaan van (thermische) energie in perioden met over-tollige warmte of koude en om deze energie weer af te gevenin periodes met een verwarmings- of koudevraag. Voorbeel-den zijn bodemopslagsystemen, thermische-massa-active-ring, en grondbuisventilatie, waarbij de ventilatielucht doorbuizen die in de grond zijn gelegen, wordt voorverwarmd ofvoorgekoeld (foto 1).In het kader van IEA Annex 44 is gewerkt aan een classificatie-tabel waardoor inzicht ontstaat in bouwconstructieonderdelenen hun potentie als klimaatactief bouwelement (fig. 4). Hierinis door middel van een pictogram een suggestie gedaan van eenmogelijke actie. Daar waar geen pictogram is ingevuld lijkt eenresponsieve actie voor het betreffende constructieonderdeelniet nuttig. Zo zal de variatie van de transparantie van defundering van een gebouw weinig zinvol zijn, maar in de gevelwel. Het aantal mogelijkheden is beduidend groter dan alleende suggestie die door het pictogram per bouwelement wordtaangegeven. Met de figuur wordt echter wel een richting aange-geven voor mogelijk te ontwikkelen RBE's.Het ontwerpen van gebouwen met klimaatactievebouwelementenHet feit dat gebouwen in toenemende mate energiezuinigerworden, betekent dat zaken niet meer los van elkaar kunnenworden ontworpen, maar sprake is van integrale concepten. Ditbetekent ook een steeds verdergaande integratie van bouw-kunde en installatietechniek. Nu heeft iedere discipline in hetontwerpproces zo zijn eigen definitie van een integraal concept.Een geïntegreerd gebouwconcept omvat niet alleen het energe-tische aspect maar alle bouwtechnische aspecten (architectuur,gevels, structuur, functie, brand, akoestiek, materialen, energie-gebruik, binnenklimaatkwaliteit etc.) en wordt gevormd doorde integratie van (fig. 5):­ het architectonische gebouwconcept;­ het constructieve gebouwconcept;­ het energetisch en klimaat gebouwconcept.constructiefgebouwconceptenergetischgebouwconceptarchitectonischgebouwconceptIBCgebruikeindige energiebronneneciëntgebruik pasduurzame energiebronnenbeperk energievraagconven-tionele schil-constructieslaag-exergetischetoepassingenklimaatactievebouwelementenconventionele schilconstructiesdesignstrategietechnologie5640_45_1_Cauberg.indd 43 11-06-2009 16:55:56themaKlimaatactieve bouwelementen4200944I LiterAtuur1 IEA-ECBCS Annex 44`Integrating EnvironmentallyResponsive Elements in Buildings'2 Brownell, B, Transmaterial 2:`A catalog of materials thatredefine our physical environment'. Princeton Archi-tectural Pressduidelijke doelstellingen en kwaliteitcontrole nodig om hetontwerpproces tot een succesvol einde te brengen. Alleen eenvroege interactie tussen alle betrokken ontwerpdisciplines leidttot een gebouw met een laag energiegebruik en met een goedbinnenklimaat bij het toepassen van de architectonische enconstructieconcepten.Het geïntegreerde ontwerpBij het geïntegreerde ontwerp worden ontwerpteams gevormd,met zowel architecten als ingenieurs, en ontwikkelt het bouw-proces zich in een iteratief proces van conceptuele ontwerp-ideeën tot aan het definitieve eindontwerp. Het energiegebruiken hoeveelheid benodigde klimaatinstallaties kunnen in eenmodern gebouw niet meer worden teruggebracht zondertoepassing van geavanceerde technologieën en alleen met eeneffectieve integratie van het architectonisch en klimaatontwerp.In het geïntegreerde ontwerpproces is de deskundigheid van deingenieurs vanaf het begin van het voorontwerp beschikbaarwaardoor de architectonische en klimaatontwerpen op hetzelfde moment kunnen worden ontwikkeld als de concept-ontwerpideeën.Doordat de deelnemers hun ideeën en hun technische kenniszeer vroeg en collectief delen worden de energie- en materiaal-concepten niet meer ontworpen als aanvulling op de architec-tuur, maar als een integraal deel van het gebouw.OntwerpstrategieOm tot een geïntegreerd technisch ontwerp en de ontwikkelingvan een Energie en Klimaat Gebouwconcept te komen is hetnoodzakelijk eerst de juiste ontwerpstrategie vast te stellen entoe te passen.In de eerder genoemde Annex 44 is de ontwerpstrategie geba-seerd op de 3-stappenbenadering volgens de Trias Energetica.De Trias Energetica is overigens verder uitgebreid met de tech-nologieën die kunnen worden toegepast afhankelijk van deontwerpfase waarin men zich bevindt (fig. 6). De linkerkantvan de piramide illustreert de ontwerpstrategieën volgens deTrias Energetica. Aan de rechterkant geeft de figuur een over-zicht van de technische oplossingen in elk van de stappen.Hierbij wordt duidelijk dat in de ontwerpbenadering volgensde Trias Energetica allereerst wordt begonnen met het toepas-sen van conventionele vraagbeperking en dat als tweede stapklimaatactieve bouwelementen worden toegepast. Die vallenechter zowel in de eerste stap `vermindering van de energiebe-hoefte' als in de tweede stap `toepassing van duurzame energie-bronnen'.Klimaatactieve bouwelementen in beton?Duidelijk is dat er de komende jaren een ambitieuze opgaveligt om echte stappen te zetten in het energiezuiniger makenvan de gebouwde omgeving. Aan deze opgave moeten alledisciplines een bijdrage leveren: de ontwerpende partijen, deuitvoerende partijen en de toeleveringsindustrie. De traditio-nele manier van het treffen van energiebesparingsmaatregelenkent daarbij zijn begrenzingen. Door de ontwikkeling vannieuwe technieken kan een volgende stap worden gemaakt.Ook voor betonconstructies ligt er op dit gebied nog eenwereld open en zijn er nog genoeg uitdagingen. Is het bijvoor-beeld mogelijk door de toevoeging van bepaalde hulpstoffenaan het beton, de eigenschappen ervan zodanig te veranderendat de constructie eigenschappen krijgt die nuttig kunnenworden ingezet bij energiebesparing? Hierbij kan wordengedacht aan het veel verder verhogen van de thermische capa-citeit, het beïnvloeden van de warmtestroom of de doorlaat-baarheid. Is het mogelijk de poreusheid van beton gecontro-leerd te benutten en betonconstructies in te zetten als dynami-sche isolatie? Ook in dit opzicht ligt er nog een wereld aannieuwe mogelijkheden open. Degenen die zich daartoe aange-trokken voelen kunnen zich laten inspireren door ontwikke-lingen zoals lichtdoorlatend beton, luchtreinigend, geluidab-sorberend beton die worden beschreven in [2].De toepassing van betonkernactivering is in een toenemendaantal projecten een optie en wordt vooral in de utiliteitsbouwregelmatig toegepast. Het aantal toepassingsmogelijkheden isechter ruimer en ook op dat vlak valt nog het nodige teontwikkelen. Zo zijn diverse leveranciers van prefab-beton-vloeren bezig hun systeem verder te optimaliseren, zodat ookslagen worden gemaakt in de productiekosten en de montage-tijd. Daarnaast zijn er in het buitenland ontwikkelingengaande waar we van kunnen leren, zoals de toepassing vangrondbuiskanalen die in de bodem zijn gelegd en waardoorlucht wordt geleid om voorgekoeld of voorverwarmd teworden. Een toepassing die in Nederland nog niet of nauwe-lijks zijn intrede heeft gedaan. Al met al voldoende kansen enuitdagingen.Tot slotDuidelijk is dat ook het ontwerpproces van de komende tijdvraagt om een verdere integratie van disciplines en benaderin-gen om te komen tot werkelijke stappen naar verdergaandeenergiezuinige concepten. Het realiseren van een energiezui-nig gebouw met een goed binnenklimaat is zeker niet alleende opgave van de klimaatadviseur, maar vraagt betrokkenheiden bijdrage van alle disciplines in het ontwerpproces. )40_45_1_Cauberg.indd 44 11-06-2009 16:55:56