De tijd dat energie overvloedig en voor wei-nig geld verkrijgbaar was, is voorbij; ditheeftinvloed op praktisch alle terreinen van be-drijvigheid. Ook de bouwtechniek zal moe-ten veranderen opdat, tijdens produktie envooral tijdens gebruik van gebouwen, effi-ci?ntermetenergie kan worden omgespron-gen.Toepassing van zonne-energie speelt daarineen belangrijke rol. Ruwweg gesproken ont-vangt het grondvlak van een 'denkbeeldige',gemiddelde Nederlandse woning voldoendezonne-energie voor de totale jaarlijkse ener-giebehoefte van het huishouden, nl.40000 kWh. Voor het benutten van dezeenergie worden in dit artikel idee?n gepre-senteerdvoorspeciale bouwconstructies opbasis van prefab-beton. Reden voor het cen-traal stellen van de toepassing van beton isgelegen in de voordelige combinatie vanconstructieve en warmtetechnische eigen-schappen.Dit artikel vormt een bewerking van een inPCI-Journal (1980 maart-april)gepubliceerdartikel van A.H.Mattock, Ch.Mattock,R.Bryenton en K.Cooper, getiteld 'EnergySaving Precast Concrete Buildinqs'.Cement XXXII (1980) nr. 12Passievesystemen voor hetgebruik van zonne-energie ingebouwenEnergiebesparend bouwen metprefab-betonelementen*InleidingBij het ontwerpen van bouwconstructies kunnen besparingen worden verkregen d.m.V.isolatie van vloeren, wanden en daken maar ook door het benutten van de invallendezonne-energie. Er lopen thans kostbare programma's voor onderzoek naar het gebruik vanzon ne-energie voorhet op groteschaal opwekken van elektriciteit. Gezien de vele daarbij nogop te lossen technologische problemen is het niet te verwachten dat deze vorm van gebruikvan zonne-energie op korte termijn beschikbaar is voor het verwarmen en koelen vangebouwen.Een onmiddellijkbruikbare methodevoor gebruikvan zonne-energie, die bovendien thermo-dynamisch gezien effici?nter is, is het 'terplaatse' opvangen en gebruiken van zonnestraling.Elektriciteit is nl. een zeer hoogwaardigevorm van energiedie, in plaats van voorgebruikvoorverwarming van gebouwen, meer geschikt is voor hoogwaardige toepassing (hoogwaardigdan natuurlijk alleen bezien vanuit energie-intensiteit). Analoog met het woordgebruik in debetontechniek zullen we deze alternatieve vorm van energiegebruik aanduiden als 'terplaatse gewonnen' zonne-energie.Actief of passiefDe methoden voor het benutten van 'ter plaatse gewonnen' zonne-energie kunnen wordenonderscheiden in een actief en een passief systeem. Bij het actieve systeem wordt d.m.V.zonnestraling een collector verwarmd waar een vloeistof (bijv. water) of lucht door stroomt.De verwarmde vloeistof wordt naar een warmtewisselaar gepompt waar de warmte wordtovergedragen aan een reservoir. Bij het passieve systeem functioneren alle of enkelegebouwdelen als collector ?n reservoir. Warmteoverdracht geschiedt daarbij door con-vectie, conductie en radiatie; daarvoor zijn geen pompen of ventilatoren nodig.Over het algemeen wordt zonne-energie nog ge?dentificeerd met het actieve systeem metgrote zon ne-panelen op het dak van een gebouw. Er wordt echter in toenemende mateingezien dat het passieve systeem of het hybride systeem (een combinatie van actief enpassief) de meest economische methode is voor het benutten van zonne-energie (althansvoor nieuwe gebouwen). Dit heeft vooral te maken metdedubbel-functiediewordttoegekendaan de constructiedelen. Geprefabriceerde betonelementen (mits goed ontworpen) zijnbijzonder geschikt voor dit doel, met name vanwege de dichtheid van beton.De directe methodeDe eenvoudigstevorm van een passief systeem isde 'directe methode', waarbij zonnestralingdoor op het zuiden geprojecteerde glasgevels direct invalt op wanden en vloeren. Een grootdeel van de invallende straling wordt geabsorbeerd door de massa van vloeren, wanden enplafonds, zodatoververhitting van de ruimte wordtvoorkomen (fig. 1).Detemperatuurvandieconstructiedelen kan daarbij oplopen totongeveer29?C. Als de ruimtetemperatuuronder 18?21 oe komt, of als er personen of objecten met een lagere temperatuur in de ruimte zijn,beginnen de vloeren, wanden en plafonds tewerken als grote radiatoren (fig. 2). Verreweg hetgrootste deel van de warmte wordt overgedragen door radiatie, wat de meest effici?nte encomfortabele methode is. Er is daarbij nl. een minder hoge luchttemperatuur nodig dan bijconvectie of geforceerde luchtstroming.Zowel bij het actieve als het passieve systeem moeteen dagelijkse temperatuurschommelingin de ruimte-temperatuurworden geaccepteerd. Dezeschommelingis noodzakelijk opdatdeconstructie afwisselend warmte kan opslaan en afgeven. In een goed ontworpen gebouw, meteen goede afstemming van glasoppervlak t.o.v.opslagmassa (opslagcapaciteit) kan demaximale temperatuurschommeling worden beperkt tot 6 8 ?C. De vereiste verhoudingglasoppervlak/opslagmassa is afhankelijk van het gebouwtype (bestemming), van de isola-tiewaarden van het gebouwen andere factoren. In het algemeen zal het noodzakelijk zijn deramen te voorzien van isolatiegordijnen of -luiken ten einde het warmteverlies 's nachts tebeperken.769verplaatsbaar isolatieschermdubbelglas.. .. . :. massa vooropslagvan thermische energie .:.dubbelglasdakoverstek voorschaduw inde . glas (diffuus)zomerpe- " ". h din nel I..... oogwaar Ig geISOeerd dak-'. . ..::: .... en gevelelementenzonnestralen . ' ...";"'. . .:"1Directe methode voor het benutten vaninvallende zonnestraling, dags?tuatie2Directe methode, avond- c.q. nachtsituatie..'3Indirecte methode voor het benutten vanzonne-energie, dagsituatieBijwoongebouwen zal het (op hetzuiden gelegen) glasoppervlak tussen de 20en 30% van hettotale vloeroppervlak moeten liggen. Het gezamenlijke oppervlak van de vloeren, wanden enandere elementen die een bijdrage leveren aan de thermische opslagcapaciteit moet min-stens 5 x zo groot zijn als het glasoppervlak. Gedeeltelijke toepassi ng van diffuusglas heefttotresultaat dat de invallende straling wordt verspreid over vloeren, wanden en plafonds.Afhankelijk van de ligging van het gebouw kan worden besloten tot toepassing van eendakoverstek ten einde de hoeveelheid invallendezonnestraling in de zomertebeperken.lndewinter zal de laagstaande zon een maximale hoeveelheid energie in de ruimte brengen.Vele gangbare prefab-betonelementen voor binnenwanden en vloeren zijn bruikbaar alsconstructieve elementen in het directe systeem. Voor de buitenwanden zullen sandwich-panelen moeten worden ontwikkeld met zoveel mogelijk massa aan de binnenzijde en eenbijzonder hoge isolatiewaarde aan de buitenzijde, veel hoger dan nu gebruikelijk (R-waardeongeveer 4 m2K/W - afhankelijk van gebouwgrootte, gebruik en klimaatomstandigheden).Ook voor daken zullen elementen met veel grotere isolatiewaarden dan tot nu toegebruikelijkmoeten worden ontwikkeld (tot ongeveer R = 6 m2K/W).De indirecte methodeTot zover enkele beschouwingen over 'directe methode'. Het passieve systeem voorzonne-energie kan ook volgens een 'indirecte methode' worden toegepast. Kenmerkendvoor de indirecte methode is de plaatsing van een massa-element (voor de opslag vanthermische energie) direct achterop het zuiden gelegen ramen (fig. 3). Dethermische massakan bestaan uit water in metalen buizen of een betonnen wand en wordt 'Trombe-wand'genoemd, naar dr.Felix Trombe, destijds directeur van het Frans Nationaal Laboratoriumvoor Zonne-energie in Ideillo(Pyrenee?n), die dit idee heeft ontwikkeld en daarover in detweede helft van de jaren zestig heeft gepubliceerd. De Trombe-wand wordt geschilderd ineen donkere, warmteabsorberende kleur en is onder- en bovenin voorzien van afsluitbareopeningen. Het glas v??r de Trombe-wand zorgt voor een soort broeikas-effect. Behalve dewand wordt ook de lucht tussen glas en wand verwarmd. Door opstijging van deze warmelucht, die door de bovenste ventilatieopeningen de binnenruimte bereikt en hetterugkomenvan afgekoelde luchtdoor de onderste ventilatiesleuven ontstaat een natuurlijke circulatiewaarmee de binnenruimtewordt verwarmd (convectie).'s Nachts moeten de ventilatiesleuven in de Trombe-wand worden gesloten en een isolerendgordijn of paneel worden aangebracht tussen de wand en het glas (fig. 4). In deze situatiewordt de ruimte behalve door convectie vooral ook door straling van de wand verwarmd. Dedikte van de wand dient zo te worden gekozen dat de maximale stralingswarmte 's avondsbeschikbaar is; d.W.Z. een faseverschuiving of naijling van buitentemperatuurverloop metongeveer 8 uur (maximale buitentemperatuur om 12.00-14.00 uur leidt dan tot maximalestralingscapaciteit om 20.00-22.00 uur) (fig. 5). In een vorige uitgavevan Cement(1980 nr. 10)werd in het artikel 'Energiebesparing doorwarmteopsiagin het skelet van een gebouw' vaning.M.G.P.Nelissen een interessante maat voor de dagelijkse temperatuurschommelingge?ntroduceerd, de tijdsconstantet = RC, C = thermische massa, R = warmteweerstand).Figuur 5 geeft het temperatuurverloop weer in een 30 cm dikke wand op verschillendeafstanden van hetbuitenoppervlak. Volgens onderzoekingen diewerden geleid doorTrombezou de optimale dikte van de wand liggen tussen 40en 45 cm. ComputersimulatiestudiesdoorBalcomb e.a. voor verschillende locaties in de VS leidden tot de conclusie dat een wanddiktevan 30 cm de grootste bijdrage zou kunnen leveren aan de jaarlijks benodigde verwarmings-energie. Deze dikte correspondeert met een thermische opslagcapaciteit van 613 kj pergraad Celsius per m2 glasoppervlak......... ," .... :::.gesloten ventilatieopeningendubbel glasverplaatsbaarisolatieschermhoogwaardig g?isoleerdeen gevelelementenzonne- [geen hoge eisen aanenergie .:dubbelglas .ei __Trombe-wand4Indirecte methode, avond- c.q. nachtsituatieEen massieve Trombe-wand van minstens 30 cm dikte zou te zwaar kunnen zijn om prefabri-cage aantrekkelijktemaken. Daarom zou de wand kunnenworden samengesteld uitbijv. twee15 cm dikke wanden die tegen elkaar worden geplaatst. In dat geval is het noodzakelijk een zovolledig mogelijk contact tussen de beide oppervlakken te realiseren. Dit kan worden bereiktCement XXXII (1980) nr. 12 77024124 febr.24197865600 0605040403020"20 0 ..afstand...10 -180 12 24 12 24 0 123 jan. 1978 4 jan. 3 febr.5Temperatuurverloop in de Ttombe-wen?, opverschillende afstanden van hetdoordezonbestraalde oppervlak6Temperatuurverloop in een Trombe-wand,opgebouwd uit twee lagen beton,waartussen een watermassadoor de beide elementen bijv. op elkaar te storten zoals bij het Iift-slabsysteem. Een anderemogelijkheid is tussen de elementen een kleine spouw te laten en die op te vullen met eenexpanderendegrout.Er zijn diverse varianten denkbaar op een massieve Trombe-wand. Er is ge?xperimenteerdmet een systeem van twee betonwanden waartussen een watermassa was gebracht, waar-door werd getracht de voordelen van de watermassa (grotere thermische opslagcapaciteit)met de voordelen van de betonwand (grotere faseverschuiving in temperatuurverloop) tecombineren (fig. 6). Er is behoefte aan verder onderzoek om de technische en economischeoptima te vinden. Een betontechnologisch aspect dat nader onderzoek verdient is devoortdurend wisselende temperatuurgradi?nt in de wand, waarbij gemakkelijk een verschilvan 33?C kan optreden.Bij deze methode van het indirect benutten van zonne-energie (behorende tot het passievesysteem) moet worden bedacht dat in tegenstelling tot de directe methode de 'thermischemassa' van de overige wanden in het gebouw van minderbelang is. Wel moeten de bu itenwan-den evenals bij de directe methode een hoge thermische isolatiewaardehebben. Daarbij kanworden gedacht aan lichtbetonnen gevelelementen met een R-waarde van ongeveer4 m2K/ W.Het passieve Trombe-wand-systeem kan behalve voorverwarming ook worden gebruikt voorkoeling van gebouwen. Een bespreking daarvan wordt hier achterwege gelaten. Volstaanwordt met twee figuren waarin de dag- en nachtsituatie in beeld wordt gebracht (fig. 7en 8).7Indirecte methode met Trombe-wend,gebruikt voor koeling; avond- c.q.nachtsituatie8Indirecte methode, gebruikt voor koeling;dagsituatiehoogwaardig ge?soleerde dak-en gevelelementenoverstek voor schaduw in de zomerI wand absorbeert warmte geproduceerdin interieurhoogwaardig geisoleerde:.'. '.': . dak- en gevele!e-. rnentenProf.Dr.-lng.F.C.A.Haferland heeft in Cement 1979 nr. 11 en 1980 nr. 2 over de mogelijkhedenvan geventileerde bouwconstructies t.b.v. koeling van gebouwen duidelijke idee?n gepubli-ceerd. Ook zijn voorstellen kunnen worden gerekend tot de passieve systemen voor hetbenutten van zonne-energie.Voorbeeldprojecten met passieve en hybride zonne-energiesystemenIn toenemende mate worden nieuwe gebouwen ontworpen met actieve zonne-energ iesyste-men als aanvulling op conventionele verwarmings- en/of warmwaterinstallaties. Passievezonne-energiesystemen zijn tot nu 'toe slechts op zeer beperkte schaal toegepast. In deonderstaande voorbeelden daarvan is niet in alle gevallen prefab-beton toegepast; tochworden ze naar voren gebracht omdat ze representatief zijn voor gebouwtypen die in detoekomst in prefab-beton kunnen worden gebouwd,Cement XXXII (1980) nr. 12 771': slaapkamerverstrooiingzonnestralendoor geribd glasisolerendeblindenTrombewand eetkamerslaapkamerwoonkamer entree9St. George School Build?ng, Engeland;dwarsdoorsnedeerchiteot: E.A.Morgan10Eengez?nswon?ngen in Vancouver, BritsCotumbie; dwarsdoorsnedeerchiteot: Klaus Schmidt11.Zuidgevel een?ezinswonin?en teVancouver, Brits Columbie;de Trombe-wand (achter de glasgevel)draagt tegeHjkertijd aanz?enlijk bij in deetsctierminq van het verkeerslawaaiSt. George School Build?ng, Wallasey, EngelandIn figuur 9 is een dwarsdoorsnede van dit gebouw weergegeven. De zuidgevel is eengordijngevel van 70 m lang 8 m hoog en bestaat uit dubbelglas, met een 60cm brede spouwtussen beide glasoppervlakken. Het buitenste glas is helder, het binnenste is diffuus enbovendien voorzien van een geribbeld oppervlak, waardoor de zonnestralen worden ver-strooid. Zodoende kan een veel groter oppervlak van de constructie worden benut voorabsorptie dan bij normaal glas. De massa voor opslag van thermische energie bevindt zich inde vloeren, achterwand en het dak. Het gebouw is gerealiseerd in 1962. Van januari 1969 totjul i 1970 is de energiehuishouding van het gebouw nauwkeurig geregistreerd. Daaruit bleekdat over een periode van een jaar70% van de warmte werd geleverd doorde zon, 22% doordeverl ichting en 8% door de gebruikers. De bij de bouw in 1962 aangebrachte verwarmingsin-stallatie was tot 1970 nog nimmer gebruikt.Hierbij moetworden bedacht dat het gebouw is gelegen op 53,4?Nbr, waarin dewinterperiodeslechts enkele uren directe zonnestraling kan worden opgevangen. Het diffuse zonlichtdraagt kennelijk ook bij aan de verwarming van het gebouw.Complex van 8 eens?ezinswoninqen in Vancouver, BrtteColumbiaIn dit project zijn directeen ind irecte systemen voor zon ne-energie ge?ntegreerd. In figu ur 10is een typerende dwarsdoorsnede te zien. De dragende wanden staan 4 m h.o.h. en zijnopgetrokken van betonblokken meteen dikte van 20cm. Devloeren zijn van ter plaatse gestortbeton, 15cm dik. Dezuidgevel bestaat uiteen terplaatsegestorteTrombe-wand metdaarv??rramen van dubbel glas (foto 11). Deze Trombe-wand verwarmt (c.q, koelt) de ruimten op debegane grond d.m.v. convectie en radiatie; de ruimte op de eerste verdieping wordt alleendoor radiatie verwarmd.Cement XXXII (1980)nr. 12 772Tussen de Trombe-wand en het glas kan een isolerend scherm worden neergelaten datbestaat uit 4 met aluminiumfolie bedekte nylonlagen, die in neergelaten toestand doorluchtlagen worden gescheiden. De Trombe-wand draagt ook aanzienlijk bij in de afscher-ming van het geluid van de drukke verkeersweg vlak voor de woningen. De door eenachterover hellend raam op de eerste verdieping direct invallende zonnestraling wordtgeabsorbeerd door de betonnen wanden en vloeren. De in die vertrekken verwarmde luchtwordt met een ventilator naar de ruimten aan de koele noordgevel gevoerd. Op het bovenstedakschild zijn zonnepanelen aangebrachtwaarin waterwordt verwarmd t.b.v. dewarrnwater-voorziening. Op grond van de eerste ervaringen is de verwachting uitgesproken dat debenutte zonne-energie voor 70% zal voorzien in de voor ruimteverwarming en warmwater-voorziening benodigde energie.Fabrieksgebouw in Santa Clara, CaliforniaBij dit fabrieksgebouw, dat een oppervlakte heeft van 4460 m2, isvoor de verwarming van delangs de gevels van het gebouw gelegen vertrekken zonne-energie gebruikt, middels eenactief en een passief systeem (fig. 12). Vanuit het oogpunt van mogelijke toepassing vanprefab-beton is vooral het passieve systeem met een Trombe-wand van belang. Vanwege degebruiksbestemming is met name de situatie overdag interessant. Dit betekent dat defaseverschuiving van de temperatuurschommeling niet zoals bij woningen 6 ? 8 uur moetbedragen, maar zo kort mogelijk moet zijn. De toegepaste wanddikte bedraagt derhalvedakoverstek"12Fabrieksgebouw, Santa Clara, Californi?;schematische isometrische projectie endwarsdoorsnede van de zuidgevelluchtkanaalyventilatie-(variabel)dubbelglas5 cm spouwglaspanelen13North Campus, DenverCommunityCollege;architect: J.D.Anderson & Ass.;goed voorbeeld van een hybride systeem:een goed doordacht ontwerp inprefab-beton beperkt de benodigdehoeveelheid verwarmingsenergie, dievolledig kan worden verkregen uitzonne-collectoren plus een warmtepompCement XXXII (1980) nr. 12slechts 14 cm. Aan de buitenzijde van de wand zijn op 5 cm afstand panelen met dubbel glasaangebracht; het gedeelte van de wand achter de panelen is donker geschilderd om dewarmte-absorptie te verbeteren. Een dakoverstek van 2 mzorgt voorschaduw op de panelenin de zomerperiode.Door middel van variabele ventilatie-openingen in de wand kan de doorstroming wordengeregeld van de verwarmde lucht, die rechtstreeks in een kanaal van de luchtverwarmingsin-stallatie wordt gebracht. De temperatuur van de aldus ingebrachte lucht kan reeds kort nadehoogste zonnestand ongeveer 45?C bedragen. DeTrombe-wand draagt natuurlijk ook bij totverwarming van de langs de gevel gelegen vertrekken (door radiatie).Universiteitsgebouw, Denver, ColoradoIn sommige gevallen zullen hybride systemen (combinaties van actieve en passieve zon ne-energiesystemen) voor verwarming en koeling de meest economische oplossing zijn. Eenvoorbeeld daarvan is de North Campus van de Denver Community College (foto 13). Hetgebouw, met een oppervlakte van 26200 m2 , wordt verwarmd door een combinatie vanzonnecollectoren (dubbelglas?panelen met een opp. 3250 m2) en een warmtepomp. Deconstructie bestaat geheel uit prefab-betonelementen met een grote thermische massa. In denoordgevel zijn zo weinig mogelijk ramen aangebracht. Alle belangrijke toegangen zijn aande zuidzijde gesitueerd. De onderste twee verdiepingen zijn gedeeltelijk in een hellinggegraven, zodatgebruik wo rdt gemaaktvan de vri jwel constantetem peratuurvan de bodem.BesluitDe energiebehoefte van gebouwen (ongeacht of het nu gaat om woningen, kantoren ofutiliteitsgebouwen) kan voor een belangrijk deel worden vervuld door zonne-energie tebenutten. In deze bijdrage zijn idee?n gepresenteerd voor de praktische uitvoerbaarheiddaarvan, ondersteund door (in het buitenland) gerealiseerde voorbeeldprojecten. Het zalduidelijk zijn dathet optimaal benutten vanzonne-energie nietmogelijk is doorsimpel enkeleinstallaties toe te voegen aan de bestaande bouwtechniek. De bouwkundige ontwerpen voorop het gebruik van zonne-energie gerichte constructies vereisen een fundamenteel anderebenadering. In die ontwerpen zal beton vanwege de combinatie van gunstige thermische enconstructieve eigenschappen een voorname plaats kunnen innemen.ing.J.H.K?hne773