Robuust ?n energiezuinig 38 Artikel Robuust ?n energiezuinig Annemarie Weersink en Henk Wapperom ir. Annemarie Weersink is werkzaam bij Nieman Consultancy B.V. en ing. Henk Wapperom bij Cement&BetonCentrum Er zijn veel technieken die bijdragen aan een duurzame ontwikkeling van een gebouw. E?n van die technieken is beton- kernactivering, waarbij een thermisch actieve betonconstructie ? meestal een vloer ? gecombineerd wordt met warmte- koudeopslag. Het concept is robuust, energiezuinig, heeft een korte terugverdien- tijd, en het levert door stralingsverwarming en -koeling via het betonoppervlak een behaaglijk binnenklimaat. Inmiddels is de techniek in vele gebouwen toegepast, waardoor de techniek de afgelopen jaren steeds verder uitgekristalliseerd is en er veel varianten op de markt zijn van vooral vloerconstructies met betonkernactivering. In kantoren, scholen en gebouwen in de gezondheidszorg is de techniek inmiddels bewezen succesvol. Een opmars in de woningbouw is gaande. Robuust ?n energiezuinig 39 Artikel Complex BKA is bij uitstek een concept waarbij in de vroegste ontwerpfase actieve inbreng van diverse adviseurs en experts nodig is. Omdat adviseurs van verschillende disciplines wensen hebben ten aanzien van elementen die in het beton moeten worden opgenomen, is het beter te spreken van een thermisch actieve betonconstructie dan van thermisch actief beton. Het goed toepassen van BKA is een complexe opgave. We noemen een aantal belangrijke punten. Stel dat het verlaagde plafond grotendeels ont- breekt. Dan rijzen er vragen over de waarborging van een goede ruimtea- koestiek en verlichting. Als voor algemene verlichting wordt gekozen, zul- len leidingen in het betonplafond moeten worden ingestort. Een alternatief is indirecte verlichting, eventueel in combinatie met een algemene verlich- ting. Een ander vraagstuk is het al dan niet wegwerken van (ventilatie)lei- dingen, nu het verlaagde plafond ontbreekt. Onontbeerlijk is een goede afstemming tussen de adviseurs technische installaties en constructie om al die extra techniek in de vloer op te nemen, met inachtneming van de constructieve (on)mogelijkheden. Tel daar het streven naar minimaal mate- riaalgebruik bij op en je hebt een complex optimaliseringsvraagstuk waar- bij alle ontwerpdisciplines betrokken zijn. Verscheidenheid Er zijn veel soorten BKA-vloeren. Ze vari?ren van geheel in het werk ge- stort tot geheel prefab. Bij de eerste BKA-vloeren werden de leidingenre- gisters met water voor verwarming/koeling in het hart van de vloer gelegd. Inmiddels is daarin een grote verscheidenheid. Is er meer koeling nodig, Om optimaal duurzaam resultaat te bereiken is het integraal doordenken van een ontwerp en het maken van bewuste keuzes daarbij, in alle fasen van het (ontwerp)proces noodzakelijk. Het ontwikkelen van een duurzaam gebouw is meer dan alleen een energiezuinig gebouw of een gebouw dat door zijn materiaalgebruik, zonnepanelen of een groen grasdak een groe- ne uitstraling heeft. Betaalbaarheid, comfort en toekomstwaarde zijn even- eens belangrijke beslispunten. Bouwkundige en installatietechnische maatregelen moeten goed op el- kaar worden afgestemd en in lijn liggen met de functionele eisen die de gebruiker aan het gebouw stelt. Met hoge interne warmtelasten en hoge zonbelasting, liggen systemen met water als drager van warmte/koude voor de hand vanwege het koelvermogen om een behaaglijk binnenkli- maat te krijgen. Energie-effici?ntie speelt ook een rol. In het bijzonder zijn systemen met lagetemperatuurverwarming en hogetemperatuurkoeling ? waarbij slechts een verschil van enkele graden met de gewenste tempera- tuur moet worden overbrugd ? energetisch gunstig, zeker in combinatie met een effici?nt opwekkingssysteem als warmtepompen. Fluctueert in een gebouw de interne warmtelast sterk door steeds wijzigende bezet- tingsgraden aan personen, dan ligt een snel reagerend klimaatsysteem met luchtkoeling en hogetemperatuurverwarming en luchtverwarming voor de hand. Bij een stabiele interne warmtelast zijn trager werkende systemen adequaat; de inzet van betonkernactivering (BKA) is dan een goede optie. Toepassing betonkernactive- ring vraagt om specifieke oplossingen voor verlichting en akoestiek, door het ontbreken van een standaard verlaagd plafond. Tabel 1 Overzicht van vloertypen ? deel van een tabel. Vloertype BKA Overige installaties in het werk aan te brengen a In het werk gestort Naar wens in dikte en zonering Geen beperking b In het werk gestort, schuimbetontussenlaag Naar wens in dikte en zonering Geen beperking c Staalplaatbetonvloer Naar wens in dikte en zonering Geen beperking d Breedplaatvloer In de prefab schil, zonering per 2,4 of 3 m Geringe beperking e Breedplaatvloer Op de prefab schil, zonering naar wens Geringe beperking f Breedplaat met gewichtbesparende maatregelen In de prefab schil, zonering per 2,4 of 3 m Beperking t.p.v. `luchtkasten' g Breedplaat met gewichtbesparende maatregelen Op de prefab schil , zonering naar wens Beperking t.p.v. `luchtkasten' h Vleugelplaatvloer In het prefab element, zonering per 1,2 m t.p.v. vleugels en plaateinden i Kanaalplaatvloer In het prefab element, zonering per 1,2 m t.p.v. gespaarde sleuven in langsrichting en plaateinden j Sandwichbreedplaatvloer In het prefab element, zonering per 2,4 m Vanaf bovenzijde tussen platen in k Volle-diktevloer In het prefab element, zonering per 2,4 m Volledig ge?ngineerd en ingestort l Staalbalkbetonplaatvloer In het prefab element, zonering per 2,4 m Geringe beperking Bron: Thermisch Actieve Gebouwen, ?neas, 2011 Robuust ?n energiezuinig 40 Artikel vloerafwerking F - breedplaatvloer met gewichtsbesparende maatregelen leidingregisters BKA in de prefabschil zonering per 2,4 of 3 m1 vloerafwerking G - breedplaatvloer met gewichtsbesparende maatregelen BKA in de druklaag zonering naar wens leidingregisters vloerafwerking F - breedplaatvloer met gewichtsbesparende maatregelen leidingregisters BKA in de prefabschil zonering per 2,4 of 3 m1 vloerafwerking G - breedplaatvloer met gewichtsbesparende maatregelen BKA in de druklaag zonering naar wens leidingregisters dan zijn leidingen meer aan de plafondzijde gewenst (koude lucht daalt) en bij een grote warmtebehoefte juist bovenin het vloerpakket (warme lucht stijgt). Te veel thermische (beton)massa kan echter leiden tot (te) trage re- actietijd bij gewenste temperatuurverandering, bijvoorbeeld bij het verwar- men van een afgekoeld vertrek. Anderzijds is het juist deze massa die voor de stabiliteit van het binnenklimaat zorgt. Als veel (beton)massa niet nodig of wenselijk is, zijn vloeren met voorzieningen die zorgen voor massare- ductie, een goede optie. Speciale `luchtkasten' of holtes zorgen voor ge- wichtsbeperking. Hierdoor reduceert de CO2-milieubelasting en dat is goed voor het milieu. In de publicatie Thermisch Actieve Gebouwen (?neas, 2011) wordt uitgebreid ingegaan op de verschillende soorten vloertypen die beschikbaar zijn. Besparing De werking van BKA is gebaseerd op stralingswarmte. Hierdoor kan met een lagere luchttemperatuur worden volstaan. Dit geeft minder warmtever- lies. Omdat tevens van een lagere watertemperatuur gebruikgemaakt wordt voor verwarming, en een hogere temperatuur voor koeling, wordt een gun- stig systeemrendement voor de installatie bereikt: minimaal 10 procent gunstiger dan conventionele systemen met radiatoren. Daarnaast wordt minimaal geventileerd. Het is door de combinatie van het warmtepompsys- teem en de warmtekoudeopslag, en de inzet van (zeer) lagetemperatuur- verwarming en (zeer) hogetemperatuurkoeling, dat deze forse besparings- percentages haalbaar zijn in combinatie met BKA. 50 Procent tot zelfs 80 procent besparing op koelenergie is mogelijk. Op het totale energiegebruik voor verwarming en koeling is dit 30 tot 50 procent ten opzichte van een gebouw met een HR-ketel en een compressiekoelmachine. Mileubelasting Met BKA kan een zeer gunstige CO2-footprint voor een woning worden verkregen. In een studie die Nieman Consultancy samen met Intron uit- voerde in opdracht van het Betonplatform, werd de CO2-milieubelasting gedurende de gehele levenscyclus van een referentie rij/hoekwoning van SenterNovem onderzocht. Vier verschillende bouwconcepten (stapel- bouw, houtskeletbouw, gietbouw en prefab beton) werden bestudeerd en gecombineerd met acht pakketten met energiebesparende maatregelen, die leidden tot een EPC vari?rend van 0,4 tot 0,8. Voor deze woningen werd een LCA (Levenscyclusanalyse) uitgevoerd om de milieubelasting van materialen te bepalen. De milieubelasting door het gebouwgebonden energiegebruik is bepaald op basis van de energieprestatienorm NEN BKA-systeem in breedplaat met gewichtsbesparende maatregelen (Bron: Thermisch Actieve Gebouwen, ?neas, 2011) Thermisch Actieve Gebouwen (2011), een publicatie van ?neas met veel informatie over betonkernactivering. Robuust ?n energiezuinig 41 Artikel vloerafwerking H - vleugelplaatvloer BKA in het prefab element zonering per 1,2 of 2,4m1 leidingregisters Jaargemiddelde milieubelasting door gebouwgebonden energiegebruik en EPC 0,8 0,67 0,6 0,5 0,45 0,4 0,4 0,37 0 500 1000 1500 2000 2500 EPC Milieubelasting(kgCO2/jaar) gebouwgebonden energiegebruik materiaal EPCx1000 (wit) gebruiksgebonden energiegebruik energieconcept a energieconcept b energieconcept c energieconcept d energieconcept e energieconcept f energieconcept g energieconcept h 5128 over een periode van 75 jaar. Het gebruiksgebonden gedeelte is daarbij niet meegenomen. De milieubelasting is uitgedrukt als equivalente CO2-uitstoot. Conclusie van het onderzoek was, dat het aandeel van de materialisatie op de totale CO2-uitstoot van een woning veel minder groot was dan de CO2-uitstoot als gevolg van het jaarlijks terugkerende energiegebruik. Hoe beter de EPC, hoe lager het energiegebruik, hoe gunstiger de CO2-footprint. Van de onderzochte systemen kwam BKA en vloerverwarming in combinatie met warmtepompen en warmteoudeopslag en zeer energie-effici?nte ven- tilatie met weinig materiaalgebruik (CO2-gestuurde ventilatie, systeem h), als gunstigste systeem naar voren. Overigens waren tussen de bouwsys- temen de verschillen in milieubelasting niet groot, omdat rekening werd gehouden met compenserende maatregelen zoals airco om oververhitting tegen te gaan. Deze benaderingswijze is conform de systematiek uit de energieprestatienorm NEN 5128. Ook kwam uit het onderzoek naar voren dat voor veel woningen met een lagere EPC de milieubelasting toenam als gevolg van meer materiaalge- bruik. Extra isolatie betekent niet alleen meer isolatiemateriaal, maar ook een bredere fundering. Ook meer installatietechniek, zoals PV-cellen, zon- neboilers en ventilatiekanalen voor luchttoe- en afvoer zorgen voor extra milieubelasting (systemen e en f). Door verzwaring van de EPC-eis van woningen zal de milieubelasting voor de energiecomponent gemiddeld af- nemen, maar toenemen voor de materiaalcomponent. Robuust BKA wordt veel toegepast in gezondheidszorg, scholen en kantoren, maar steeds vaker ook in woningen. De keuze valt op BKA vanwege het com- fortabele klimaat in de winter en zomer dat met het systeem kan worden bereikt. In opdracht van Agentschap NL voerde Nieman Consultancy een onderzoek uit naar de robuustheid van verschillende klimaatsystemen. Een installatiesysteem is robuuster naarmate het een beter vermogen heeft om klimaatsveranderingen op te kunnen vangen. Als in de toekomst het klimaat wijzigt, is het wenselijk dat een klimaatsysteem ook dan nog effectief kan verwarmen en koelen. In de modelstudie werd een vergelij- king gemaakt hoe behaaglijk het in een vertrek zou worden bij dezelfde bouwkundige en installatietechnische uitgangspunten, maar bij twee ver- schillende klimaatjaren: een standaard referentiejaar (De Bilt, 1964) en een toekomstig klimaatjaar (W-2020, samengesteld door het KNMI). Deze ver- gelijking voor verschillende installatiesystemen, doorgerekend met de kli- maatjaren, geeft een beeld van de mate van robuustheid. Een belangrijke conclusie is dat bij nieuwe gebouwen het best kan worden geanticipeerd door niet op de momenteel gangbare grenswaarden van de behaaglijkheid een gebouw te ontwikkelen (150 gewogen temperatuur- overschrijdingsuren), maar strengere eisen te hanteren (50 gewogen tem- peratuuroverschrijdingsuren). Met systemen die zijn gebaseerd op water als drager van de koude (onder andere BKA, maar ook koelplafonds), zal het aantal klachten in een gebouw beperkt blijven. BKA komt van de on- BKA-systeem in vleugelplaatvloer. Tussen de vleugelplaten is ruimte voor installatiekanalen (Bron: Thermisch Actieve Gebouwen, ?neas, 2011) Tabel 2 Overzicht van energieconcepten die zijn betrokken in de CO2-footprint studie Concept Installaties Rc gevel/dak/vloer EPC a HR ketel, zelfregelende ventilatieroosters 3,5/4,0/3,5 0,8 b HR ketel, gebalanceerde ventilatie met wtw (rendement 95%) 3,0/3,0/3,0 0,67 c HR ketel, CO2-gestuurde ventilatie 4,0/4,5/3,5 0,6 d HR ketel, gebalanceerde ventilatie met wtw (rendement 95%) 10/10/6,5 0,5 e HR ketel, gebalanceerde ventilatie met wtw (rendement 95%), zonneboilercombi 10/10/6,5 0,45 f warmtepomp, betonkernactivering/vloerverwar- ming, zonneboilercombi, gebalanceerde ventilatie met wtw (rendement 95%) 5,0/6,0/4,0 0,4 g warmtepomp, betonkernactivering / vloerverwar- ming, lage COP installaties, gebalanceerde ventilatie met wtw (rendement 95%) 5,0/6,0/4,0 0,4 h warmtepomp, betonkernactivering/ vloerverwar- ming, douche-wtw, vraaggestuurde ventilatie 5,0/6,0/4,0 0,37 Robuust ?n energiezuinig 42 Artikel derzochte klimaatsystemen als meest robuuste concept naar voren, dat wil zeggen, het beste binnenklimaat bij hogere buitentemperaturen, zon- der wijzigingen in de installatie. De extra koelende betonmassa van het systeem die thermisch kan worden `geladen' en `ontladen', draagt daar in positieve zin aan bij. Uitgekiend Inmiddels zijn al veel gebouwen voorzien van verschillende soorten BKA. De publicatie Thermisch Actieve Gebouwen toont een breed palet aan gebouwen waar de verschillende systemen zijn toegepast. De goede voorbeelden hebben een laag energiegebruik, een comfortabel binnenkli- maat en een gunstige CO2-footprint. Want een uitgekiend ontwerp levert ook nog eens een beperkte materiaalbelasting. Om dit alles te bereiken is vanaf het eerste ontwerpstadium een goede afstemming tussen ontwer- pende en adviserende partijen nodig. Het achterwege kunnen blijven van verlaagde plafonds levert beperking van bouwhoogte en dus bouwkosten op. Neem daarbij de forse energiebesparing als BKA wordt gecombineerd met een warmtepomp, en dit thermisch actieve systeem kan binnen een termijn van 2 tot 7 jaar worden terugverdiend. Energiezuinige toekomst De overheid heeft vergaande duurzaamheidsambities. In 2020 moet in Nederland in het kader van de Europese klimaatdoelstellingen 20 procent CO2-reductie ten op- zichte van 1990 worden bereikt, waarvan een groot deel in de gebouwde omgeving. Met gangbare energiebesparingstechnieken zal deze beleidsdoelstelling niet worden gehaald. Het vergt de inzet van zeer energie-effici?nte en duurzame technieken. Innovatie is daarbij het sleutelbegrip. Verdere aanscherping van EPC-eisen draagt daaraan bij. Waar de stap van EPC 0,8 naar 0,6 per 1 januari 2011 nog redelijk eenvoudig ging met gangbare technieken en gedetailleerder rekenen, is de inzet van innovatieve technieken bij nog zwaardere eisen noodzakelijk. De overheid heeft voor woningbouw een aanscherping naar EPC 0,4 voor 2015 aangekondigd. In 2020 moet woningbouw energieneutraal zijn. Nieuwbouw van utiliteitsgebouwen moet in 2017 50 procent energiezuiniger zijn ten opzichte van de huidige eisen. Ook dit bevordert de inzet van innovatieve energie-effici?nte bouw- en installatietechnieken. Dit vergt meer dan ooit een goede afstemming tussen bouwkundige en installatie- technische maatregelen. Deze innovatieve technieken zijn doorgaans kostbaarder, maar de prijs ervan zal dalen bij een grotere marktomzet. Ook worden minder kost- bare nieuwe technieken ontwikkeld. Een goed voorbeeld hiervan is de fors gedaalde prijs van warmtepompen, vanwege de gestegen omzet de afgelopen jaren. Betonkernactivering (BKA) Betonkernactivering is het principe waarbij door middel van een in de betoncon- structie ingestort leidingsysteem de betonmassa wordt verwarmd of gekoeld, ofte- wel thermisch wordt geactiveerd. De watervoerende leidingen liggen niet aan de oppervlakte, maar dieper in de betonconstructie. Doordat de totale betonmassa hierdoor wordt opgewarmd of gekoeld, vindt afgifte van warmte en koude plaats aan beide zijden van het oppervlak. De hoeveelheid warmte- en koudeafgifte per zijde is afhankelijk van de plaats van de leidingenregisters in het beton, de leidingdia- meters en de onderlinge afstand van de leidingen. Literatuur 1) CO2-Footprint Woningbouw ? CO2-belasting van woningen van productie tot sloop, A.M.S. Weersink, H. Valk, M. Dunnink en J. Meijer. Rapport Nieman Consultancy & Intron, in opdracht van Betonplatform*, 1 juni 2010. 2) Robuustheid van klimaatsystemen bij klimaatverandering ? een verkenning, A.M.S. Weersink, J.E.J. Evers en E.A. Ansems. Rapport c09003 Nieman Consultancy en Adviesburo Nieman, opgesteld in opdracht van Agentschap NL, februari 2010. 3) Thermisch Actieve Gebouwen, Uigeverij ?neas, 2011. * In het Betonplatform zijn vertegenwoordigd de brancheorganisaties in de betonsector: BFBN, Cascade, Cement&BetonCentrum, VHB en VOBN.