Research: The impact of solar panels on the Urban Heat Island effect (Dutch)

PV-panelen reduceren het Urban Heat Island

Een onderzoek naar het gebruik van PV-panelen voor een reductie

van het Urban Heat Island effect in Nederland.

S.W.J. Keetels

| 3

PV-panelen reduceren het Urban Heat

Island

Door

S.W.J. (Sjoerd) Keetels

in deelse vervulling van de eisen voor de graad van

Master of Science in Building Technology

bij de Delft University of Technology,

zal openbaar verdedigd worden op 2 februari, 2017 om 13:45 uur. Supervisor: dr. ir. W.J. Quist TU Delft Thesis comité: dr. G.J. Hordijk, TU Delft

dr. ir. M.M.E. Pijpers-van Esch TU Delft ir. G. de Nijs, Deerns

Deze thesis is vertrouwelijk en wordt publiekelijk beschikbaar gesteld op 2 februari, 2017.

Een elektronische versie van de thesis is beschikbaar op http://repository.tudelft.nl/.

http://repository.tudelft.nl/

| 5

Voorwoord Dit rapport omvat het onderzoek voor het Building Technology afstudeertraject aan de faculteit Bouwkunde van de TU Delft. Het afstudeeronderzoek vindt plaats op de afdeling bouwfysica en energie van het ingenieursbureau Deerns in Rijswijk van maart 2016 tot en met januari 2017. Het onderzoeksonderwerp komt voort uit een wederzijdse interesse voor stedebouwfysica en de transitie naar duurzame energie. Binnen de vele thema’s die in dit interesse kader vallen is gekozen voor de combinatie tussen het Urban Heat Island effect en het gebruik van PV-panelen bovenop daken. Gedurende het onderzoek stonden Truus Hordijk, Marjolein Pijpers-van Esch en Gilbert de Nijs altijd voor mij klaar. Zij hebben keer op keer mijn vragen beantwoord, waardoor ik verder kon met mijn onderzoek. Bij deze wil ik graag mijn begeleiders bedanken voor de uitzonderlijk prettige begeleiding en hun ondersteuning tijdens dit traject. Tevens wil ik mijn collega’s bij Deerns bedanken voor de fijne samenwerking en ontspannen werksfeer op de afdeling. In het speciaal mijn collega’s Peter van de Engel en Maikel Ritmeijer, die me hebben geholpen met het CFD-programma PHOENICS en warmteoverdracht programma VOLTRA. Ook van mijn vrienden heb ik wijze raad mogen ontvangen en kunnen sparren over mijn onderzoek. Bovendien hebben ze mij moreel weten te ondersteunen gedurende het schrijfproces en voorbereiding op de presentaties. Tot slot wil ik mijn vriendin en familie in het bijzonder bedanken. Hun geduld en motiverende woorden hebben mij geholpen deze scriptie tot een goed einde te brengen. Ik wens u veel leesplezier toe.

S.W.J. (Sjoerd) Keetels [email protected]

Delft, 17 januari 2017

| 7

Samenvatting De wereldwijde verstedelijking heeft onder andere als gevolg dat er een toename is in het

temperatuurverschil tussen het platteland en de binnenstad, ook wel het Urban Heat Island effect

genoemd. In combinatie met de toenemende opwarming van de aarde zal het Urban Heat Island effect

de komende jaren extremer worden, met onder andere als gevolg een verminderd comfort van zowel

het binnen- als buitenklimaat in de steden. Uit eerder onderzoek blijkt dat PV-panelen geschikt zijn om

het Urban Heat Island effect overdag met 0,4 °C (Salamanca et al., 2016) te reduceren, waarmee de

gemiddelde intensiteit in Nederland overdag op maximaal 2,3 °C ligt (Steeneveld et al., 2011). Het

huidige afstudeeronderzoek presenteert een rekenmodel, gekoppeld aan een beslismodel, waarmee

wordt aangetoond hoe PV-panelen ingezet kunnen worden voor het reduceren van het Urban Heat

Island effect in Nederland.

Het rekenmodel dat is ontwikkeld om de onderzoeksvraag te beantwoorden, bestaat uit zes gemodelleerde scenario’s voor de verandering van de totale en piekwarmtestroom naar de stedelijke atmosfeer. Het rekenmodel is gevalideerd met behulp van meetdata uitgevoerd op een plat dak in Amsterdam. De onderzochte scenario’s bestaan uit een platte PV-paneel opstelling, schuine oosten west PV-paneel opstelling en een schuine zuid PV-paneel opstelling. Ook is er gekeken naar een plat PV-paneel bij een minimale windsnelheid (0,2 m/s), normale windsnelheid (2,5 m/s) en maximale windsnelheid (5 m/s). Tot slot zijn + ook een plat PV-paneel met bitumendakbedekking, betonnen dakbedekking en een schuine dakpannenbedekking geanalyseerd. Uit de rekenresultaten is gebleken dat PV-panelen de totale warmtestroom het meest reduceert bij een schuine zuid PV-paneel opstelling. Daarnaast blijkt dat voor de reductie van de piekwarmtestroom een oosten west PV-paneel opstelling het meest effectief is. Daarbij kan een PV-paneel het best gebruikt worden op een betonnen dakbedekking bij een normale windsnelheid. In het beslismodel zijn de oppervlaktes van negen stadswijken in Amsterdam geselecteerd,

geanalyseerd en vergeleken. Het bedrijventerrein Sloterdijk 1 en de woonwijk Da Costabuurt hebben

de meeste potentie voor het gebruik van PV-panelen. Omdat er relatief weinig groenen wateroppervlak

aanwezig is, wat zorgt voor een hoge intensiteit van het Urban Heat Island Effect. Daarnaast bestaat

een groot percentage van de wijk uit platte daken, het meest geschikte dakoppervlak voor de plaatsing

van PV-panelen. Met behulp van de resultaten uit het rekenmodel, zijn de wijken getoetst op schaduw,

zonnestraling en windsnelheid. Op basis van bovenstaande factoren kan een keuze worden gemaakt

voor de meest geschikte daken waar PV-panelen op geplaatst dienen te worden, om zo het Urban Heat

Island effect te reduceren.

Het beslismodel met de daarin geïntegreerde rekenresultaten, geeft dus de mogelijkheid om stadswijken

te evalueren op de intensiteit van het Urban Heat Island en de potentie voor het gebruik van PV-panelen.

Hiermee draagt dit afstudeeronderzoek bij aan een mogelijke verbetering van het klimaat in de stad.

Eventueel vervolgonderzoek zou zich kunnen richten op de toepassing van het beslismodel in andere

grote steden. Gezien de potentie van het gebruik van PV-panelen boven betonnen dakbedekking, is het

interessant om onderzoek te doen naar het gebruik van PV-panelen boven andere stedelijke

oppervlaktes met veel massa zoals gevels en parkeerplaatsen. Tot slot kan het rekenmodel uitgebreid

worden, zodat het niet alleen de mogelijkheid heeft om een indicatie te geven van de invloed op het

Urban Heat Island effect, maar de directe gevolgen van PV-panelen kan modelleren.

| 9

Inhoud VOORWOORD ......................................................................................................................................... 5 SAMENVATTING ...................................................................................................................................... 7

INLEIDING ............................................................................................................................................. 11

1.1 INTRODUCTIE ............................................................................................................................ 11 1.2 PROBLEEMSTELLING EN RELEVANTIE .......................................................................................... 14 1.3 DOELSTELLING EN ONDERZOEKSVRAGEN .................................................................................... 15

1.3.1 Doelstelling ...................................................................................................................... 15 1.3.2 Onderzoeksvragen........................................................................................................... 15

THEORIE ............................................................................................................................................... 17

2.1 URBAN HEAT ISLAND EFFECT ..................................................................................................... 17 2.2 PV-PANELEN EN HET URBAN HEAT ISLAND (UHI) EFFECT ............................................................ 18 2.3 PV-PANELEN PROEFMEETOPSTELLING ........................................................................................ 23

METHODEN .......................................................................................................................................... 25

3.1 REKENMETHODE ....................................................................................................................... 25 3.1.1 Beschrijving ...................................................................................................................... 25 3.1.2 Validatie ........................................................................................................................... 26

3.2 ONTWERPMETHODE................................................................................................................... 28

RESULTATEN....................................................................................................................................... 31

4.1 REKENRESULTATEN ................................................................................................................... 31 4.2 ONTWERPRESULTATEN ......................................................FOUT! BLADWIJZER NIET GEDEFINIEERD.

4.2.1 Selectie stadswijken......................................................................................................... 36 4.2.2 Oppervlakte analyse stadswijken .................................................................................... 37 4.2.3 Oppervlakte vergelijking stadswijken ............................................................................... 39 4.2.4 Stedebouwkundig plan .................................................................................................... 40

EVALUATIE .......................................................................................................................................... 47

5.1 CONCLUSIE ............................................................................................................................... 47 5.2 DISCUSSIE ................................................................................................................................ 48

5.2.1 Validatie ........................................................................................................................... 48 5.2.2 Beperkingen ..................................................................................................................... 48 5.2.3 Aanbevelingen ................................................................................................................. 49

REFERENTIES...................................................................................................................................... 51

BIBLIOGRAFIE ....................................................................................................................................... 51

| 11

1 Inleiding

1.1 Introductie Het stedelijk klimaat wordt voor een groot deel bepaald door gemaakte keuzes in de realisatie van zijn eigen gebouwde omgeving, die het duidelijk van het klimaat van het omliggend land laat verschillen. De impact van gebouwen en bestrating zorgen voor hogere luchttemperaturen, zowel overdag als ’s nachts (Heusinkveld, Steeneveld, Hove, Jacobs, & Holtslag, 2014). De windsnelheid is vaak lager of hoger op specifieke plekken, dit is afhankelijk van de dichtheid en hoogte van de bebouwing. Het stedelijk klimaat is onderverdeeld in verschillende wijktypologieën, die ieder een uniek microklimaat bevatten. Dit wordt veroorzaakt door bijvoorbeeld plaatselijke geografie, begroeiing, windrichting, bestrating en bebouwing. De mensheid bescherming bieden tegen de natuurlijke elementen is een van de hoofdredenen dat men is begonnen met het ontwikkelen van gebouwen. Passieve bouwtechnieken werden ontwikkeld om de negatieve microklimaateffecten te verzachten en de positieve te versterken. Rond de evenaar zorgden grote overkappingen voor schaduw. Vijvers en begroeiing verkoelden de beschaduwde plekken extra. Echter, in koudere gebieden werd de zonnestraling juist zo goed mogelijk benut en de koude wind werd geblokkeerd. Deze geleidelijke ontwikkeling vond plaats vanaf de prehistorie tot de industriële revolutie (zie figuur 1.1) (Pijpers-van Esch, 2015).

Figuur 1.1: Monumentale gebouwen verspreid over de wereld (Bjrake Ingels Group, 2015) Door de introductie van de binnenklimaatsystemen na de Tweede Wereldoorlog is de noodzaak voor ontwerpingrepen afhankelijk van het buitenklimaat niet meer aanwezig. Een gebouw in Zwitserland bestaat uit dezelfde opbouw als een gebouw in Amerika en Zuid-Afrika ondanks de totaal verschillende buitenklimaat typologieën. We zijn voornamelijk bezig met het beter, mooier en/of effectiever maken van

| 12

de complexe en actieve gebouwinstallaties. De prikkel voor het klimaatafhankelijk ontwerpen is door de technologische ontwikkelingen bijna volledig verdwenen (zie figuur 1.2).

Figuur 1.2: Wolkenkrabbers verspreid over de wereld (Bjrake Ingels Group, 2015). Het negeren van het buitenklimaat bij het ontwerpen van gebouwen heeft negatieve gevolgen voor het comfort in het stedelijk microklimaat. Een concreet voorbeeld is het Urban Heat Island (UHI) effect. Bij dit bewezen effect is de stedelijke lucht- en oppervlaktetemperatuur hoger dan het omliggende landelijke landschap (Erell, Pearlmutter, & Williamson, 2011). Dit verschil wordt veroorzaakt door stedelijke ontwikkeling en menselijke activiteiten. Luke Howard (Britse meteoroloog) was de eerste persoon die met bewijs kwam dat de luchttemperatuur in steden vaak hoger is dan het omliggende landelijke landschap (Oke, 1982). De ontwikkeling van gebouwinstallaties maakt deze negatieve gevolgen alleen maar groter. Binnenklimaat controlesystemen blazen restwarmte, broeikasgassen en andere vervuilingen in de buitenlucht. Hierdoor zijn ze voor een gedeelte de oorzaak van de globale temperatuurstijging (Metz & Intergovernmental Panel on Climate, 2007). Na verder onderzoek is gebleken dat een slecht comfort in het stedelijk microklimaat resulteert in een stijging van sterfte- en ziektegevallen met name bij de kwetsbare groepen: kinderen en ouderen. In de zomer van 2006 werden door de hittegolf ongeveer 1000 hittestress gerelateerde sterftegevallen geregistreerd in Nederland. Het was de op vier na grootste natuurramp van dat jaar (Hoyois, 2007). Bovendien vermindert de leefbaarheid van de stad, waardoor toerisme en de productiviteit van het werk in de stad achteruitgaan. Meerdere onderzoekers hebben deze problemen erkend en leveren met hun onderzoek een bijdrage aan positieve ontwikkelingen. De stedebouwkundige onderzoekers Marjolein Pijpers-van Esch en Laura Kleerekoper van de TU Delft hebben onderzoek gedaan naar ontwerpoplossingen op het gebied van zonnestraling, daglicht, wind, luchtkwaliteit, stedelijk geluid en warmteonttrekking door verdamping. Atelier ‘Pro architecten’ heeft afgelopen zomer onderzoek gedaan naar passieve ontwerpoplossingen rond een gebouw. Onderzoekers van de TU Delft, TU Eindhoven doen onderzoek naar actieve luchtfiltering met behulp van ionisatie systemen. Onderzoekers van TU Eindhoven zijn bezig met het verbeteren van CFD-simulatie modellen voor een voorspelling van het comfort in het stedelijk microklimaat. Deze onderzoeken hebben op dit gebied voornamelijk bewustwording van het probleem gecreëerd bij gemeentes en de regering. Daarnaast heeft de stedebouwkundige onderzoekster Marjolein Pijpers- van Esch een tool ontwikkeld waarmee ontwerpers zich kunnen inlezen in de mogelijke oplossingen voor de problematiek van het stedelijk klimaat (www.urbanclimate.nl/tool). De onderzoekster Sandra Lenzholzer heeft een boek, ‘Het weer in de stad’, uitgebracht waarin informatie en ontwerpoplossingen voor een brede doelgroep inzichtelijk gemaakt worden over het stadsklimaat. De stedebouwkundige onderzoeken benaderen het probleem ‘top-down’, waarbij gekeken wordt naar oplossingen voor een vermindering van het Urban Heat Island probleem op stedelijk niveau. Maar het is ook wenselijk om het probleem te benaderen vanuit een ‘bottom up’ benadering.

| 13

Daarom werd in de beginfase van dit onderzoek gezocht naar een oplossing op gebouwniveau. Verschillende oplossingen werden gevonden en er is gekozen voor het plaatsen van PV-systemen in de stad. Uit recent onderzoek is gebleken dat PV-panelen kunnen zorgen voor een vermindering van het Urban Heat Island effect in steden. (Masson, Bonhomme, Salagnac, Briottet, & Lemonsu, 2014; Salamanca, Mahalov, Moustaoui, Georgescu, & Martilli, 2016; Scherba, Sailor, Rosenstiel, & Wamser, 2011; Taha, 2013) Daarnaast winnen deze installatiesystemen de laatste jaren aan populariteit, doordat de prijzen voor duurzame elektrische energie steeds concurrerender worden met de door fossiele brandstof opgewekte elektrische energie. Het vermogen aan zonnestroom in Nederland maakt vanaf 2011 een stormachtige ontwikkeling door. In drie jaar tijd is het opgestelde vermogen van zonnecellen verachtvoudigd, door een aanpassing in de subsidie is het bijgeplaatste vermogen iets teruggenomen in 2014. Dit is echter nog steeds een aanzienlijke stijging ten op zichtte van voorgaande jaren. Figuur 1.3 illustreert de stijging in bijgeplaatst vermogen zonnestroom in Nederland.

Figuur 1.3: Bijgeplaatst vermogen PV-panelen (CBS, 2014) Door bovenstaande potenties ligt de focus binnen het onderzoek op het gebruik van PV-panelen. Door de onderbelichte kanten van PV-panelen te onderzoeken kan een gebruik geadviseerd worden, dat een vermindering van het Urban Heat Island effect tot gevolg heeft. Hiermee kan een bijdrage geleverd worden aan de verbetering van het stedelijk microklimaat.

| 14

1.2 Probleemstelling en Relevantie Het Urban Heat Island effect is een problematisch gevolg van de sterk groeiende verstedelijking in Nederland. Het effect wordt veroorzaakt door een combinatie van meerdere negatieve invloeden op het stedelijk microklimaat. De hogere lucht- en oppervlaktetemperaturen veroorzaken een achteruitgang van de menselijke gezondheid en een verhoogd gebruik van actieve koeling. In Nederland wordt echter nog weinig rekening gehouden met de mogelijke gevolgen voor het comfort in het stedelijk microklimaat en daarmee ook mogelijk negatieve gevolgen van het Urban Heat Island(UHI) effect. Om toekomstige toenamen van deze problemen te voorkomen, moeten adviserende ingenieurs een probleem integraal benaderen, waarbij ze samenwerken met opdrachtgevers, stedelijke ontwikkelaars en architecten. Een concrete stap kan gezet worden door te kijken naar het Urban Heat Island effect in combinatie met de PV-panelen. Het aantal bijgeplaatste PV-panelen is de afgelopen jaren flink toegenomen (zie figuur 1.3) en kan door de prijsdaling, veroorzaakt door de goedkopere productie van panelen en een hogere energieproductie per paneel, de komende decennia verder toenemen. Echter, het effect van UHI is een relatief nieuw onderwerp, waardoor nog geen (of weinig) bewezen oplossingen zijn op gebouwniveau. Bovendien is er nog geen onderzoek gedaan naar de invloed van veranderende parameters en de keuze voor het type dak voor het gebruik van PV-panelen voor een vermindering van het UHI-effect. Simulaties kunnen gebruikt worden om het gevolg van zonnestroomsystemen op het UHI-effect te onderzoeken. Met behulp van de verzamelde literatuurstudie kan gekeken worden of er al bestaande bewezen handvaten bestaan voor de gevonden gevolgen. De effectiviteit van de deze handvatten kan berekend worden met behulp van handberekeningen en/of computersimulaties met data uit praktische metingen en/of literatuur. Het KNMI heeft vier verschillende scenario’s voorspeld voor de temperatuurwaardes in Nederland in 2050. Uit alle scenario’s komen dezelfde conclusies naar voren (Döpp, 2011): - De zomertemperatuur zal stijgen. - Het aantal hittegolven zal toenemen. - Het aantal dagen met tropische temperaturen (maximale temperatuur boven de 30°C) zal toenemen. In Nederland worden hittegolven gedefinieerd als een periode van vijf opeenvolgende dagen met een maximale luchttemperaturen van boven de 25 graden Celsius, waarvan drie dagen maximum luchttemperaturen van minimaal 30 graden Celsius zijn gehaald (KNMI). Daarnaast is onderzocht dat 60% van de wereldpopulatie in 2020 in stedelijke gebieden zal wonen, ter vergelijking waren dat 49% in 2005 (Kim & Baik, 2004). In Nederland wordt ook verwacht dat de verstedelijking blijft groeien (Nijs & Rijksinstituut voor Volksgezondheid en, 2002). Het gevolg is dat Urban Heat Island effect zal groeien en in de toekomst prominenter op de actielijst van regeringen en gemeentes komt te staan. Hieruit blijk dat het zeer noodzakelijk is om het UHI-effect in Nederland te onderzoeken en maatregelen te bedenken. Het onderzoek bouwt voort op het werk van onderzoekers, die het bewijs van de relatief verkoelende werking van PV-panelen geleverd hebben. Ook Nederlandse stedebouwkundige onderzoekers noemen PV-panelen als een van de mitigatie strategieën voor Nederlandse steden. Maar er is nog niet specifiek onderzocht wat de relatief verkoelende werking van PV-panelen in Nederland is. Aangezien de bouwfysische onderzoeken locatie afhankelijk zijn is het relevant om dit eerst uit te zoeken. De stedebouwkundige onderzoekers hebben erg breed gekeken naar kwetsbaarheidskaarten en mogelijk mitigatie strategieën, dit onderzoek levert een stedebouwkundige bijdrage door een verdieping met behulp van PV-panelen.

| 15

1.3 Doelstelling en onderzoeksvragen

1.3.1 Doelstelling Het doel van het onderzoek is begrijpen hoeveel energie van de stedelijke energiebalans onttrokken kan worden door PV-panelen, zodat ze een bijdrage leveren aan de reductie van het Urban Heat Island effect en vervolgens hoe het gebruik van PV-panelen geoptimaliseerd kan worden. Binnen het onderzoek zal de stad Amsterdam onderzocht worden, omdat hier de meeste data van beschikbaar is. Master Building Technology Voor dit onderzoek wordt gekeken naar de bouwfysische- en stedebouwkundige discipline. Door deze aanpak kan het onderzoek een beeld geven over twee punten: 1. Welke meetbare bijdrage kan geleverd worden door PV-panelen aan het verminderen van het

Urban Heat Island effect? 2. Hoe kan de geleverde bijdrage door PV-panelen gebruikt worden op de daken van de stadswijken? Bouwfysisch doel Vanuit bouwfysica is het doel om te begrijpen wat de plaatsing van een PV-paneel verandert aan de warmteoverdracht tussen het bestaand dakoppervlak en de nabije buitenlucht. Daarbij dient verandering bepaald te worden aan de hand van berekeningen en/ of simulaties. Stedebouwkundig doel Het stedebouwkundig doel is om te begrijpen welke indicatoren een rol zouden kunnen spelen bij het gebruik van PV-panelen. Door een analyse en clustering van de indicatoren is het mogelijk om ontwerprichtlijnen te formuleren voor kwetsbare buurten waar betrokken partijen binnen de Nederlandse steden naar zouden kunnen kijken.

1.3.2 Onderzoeksvragen Gedurende het onderzoek zullen de deelvragen beantwoord worden, waarmee uiteindelijk ook de hoofdvraag beantwoord kan worden. De achtergrondvragen ondersteunen de literatuurstudie en zullen niet afzonderlijk beantwoord worden. Onderzoek hoofdvraag Hoe kunnen PV-panelen gebruikt worden voor het reduceren van het Urban Heat Island effect in Nederland? Achtergrondvragen Deelvraag: Wat is het Urban Heat Island effect? Waar wordt het door veroorzaakt? Wat zijn de

gevolgen voor het klimaat en mensen? Wat is de invloed van het Urban Heat Island effect voor Nederland?

Deelvraag: Wat is de invloed van PV-panelen op het Urban Heat Island effect? Welke parameters veroorzaken de invloed die PV-panelen op het Urban Heat Island effect heeft?

Bouwfysische deelvragen Deelvraag: Hoe ziet de dag energiebalans van een PV-paneel (geplaatst op een dak) eruit? Deelvraag: Hoe groot is het aandeel per parameter van de energiebalans? Wat zijn de belangrijkste

parameters? Hoe kun je de parameters beïnvloeden, zodat ze de reductie van het Urban Heat Island verder vergroten?

Stedebouwkundige deelvragen Deelvraag: Welke stedebouwkundige indicatoren spelen een rol bij het gebruik van PV-systemen

als reductie voor het Urban Heat Island effect? Deelvraag: Welke mogelijkheden per stedelijke typologie kunnen geadviseerd worden voor het

gebruik van PV-systemen bij de reductie van het Urban Heat Island effect? Deelvraag: Bij welke Nederlandse wijktypologieën reduceren PV-systemen het Urban Heat Island

effect het meest effectief? Het onderzoek kent de volgende beperkingen/aannames:

- De mitigatie strategie wordt toegepast op bestaande platte daken in een stedelijke omgeving.

| 16

- Bij de simulaties wordt gekeken naar een PV-paneel montage op een gebruikelijke bitumen dakopbouw.

- Er wordt uitgegaan van een maximale PV-panelen bezetting boven het dak. - Het bouwfysisch- en stedebouwkundig onderzoek wordt uitgevoerd voor de stad Amsterdam.

| 17

2 Theorie

2.1 Urban Heat Island effect Definitie De weergegevens van landen over de hele wereld tonen aanzienlijk lagere temperaturen in de plattelandsgebieden ten opzichte van de stedelijke gebieden en dan met name de binnenstad. Dit duidelijk waarneembare effect heet het Urban Heat Island (UHI), waarbij ervanuit wordt gegaan dat steden warmte accumuleren en daardoor overdag en ´s nachts warmer dan hun landelijke omgeving zijn (Oke, 1982). Door de warmteopslag van de bouwmaterialen in de stad zal de UHI-intensiteit ´s nachts op het maximale niveau komen (Tan et al., 2010). Types UHI’s zouden kunnen worden waargenomen in de buurt van het oppervlak; We noemen ze Surface Heat Islands (SHI). Maar ze zouden ook kunnen worden waargenomen in de atmosfeer in en boven de stad. Deze worden Atmosferic Heat Islands (AHI) genoemd. Het SHI kan worden waargenomen, wanneer de temperatuur van stedelijke oppervlakken hoger is dan die van omringende platteland (meestal natuurlijke) oppervlakken. Het SHI wordt algemeen gevonden waar de droge ondoordringbare oppervlakken van de stad zijn omgeven door vochtige bodems of met vegetatie begroeide gebieden. Het kan worden waargenomen met behulp van satelliet infraroodcamera’s, die het mogelijk maken om de oppervlaktetemperatuur van de grond te meten. Meestal is er een duidelijk verband tussen de luchttemperatuur en de oppervlaktetemperaturen. Daarom is de SHI een betrouwbare indicator van het AHI. De AHI in de stad kan worden onderverdeeld in twee luchtlagen. De Urban Canopy Layer (UCL) en de Urban Boundary Layer (UBL) (zie figuur 2.1). De types verschillen van elkaar in intensiteit, dynamisch gedrag, ruimtelijke vorm en mate van homogeniteit.

Figuur 2.1. Illustratie van de Urban Boundary Layer (UBL) en de Urban Canopy Layer (UCL) (Oke, 1987)

| 18

De UBL vormt een koepel van warmere lucht die zich wind afwaarts van de stad uitstrekt. Het UBL is mogelijk een kilometer of meer in dikte overdag en krimpend naar honderden meter of minder 's nachts. Wind verandert vaak de UBL in een pluimvormige koepel De UCL wordt waargenomen in de luchtlaag vlak boven het oppervlak in steden. De grens bevindt zich ongeveer vanaf de gemiddelde bouwhoogte naar boven. Het warmte-eiland wordt meestal ’s nachts waargenomen in stabiele atmosferische omstandigheden met weinig of geen wolken en/of wind. Het UCL-effect is overdag zwakker of niet aanwezig. Aanwezigheid De stedelijke SHI’s zijn het grootst overdag, vooral in zonnige omstandigheden met weinig wind, en zijn over het algemeen kleiner 's nachts. Door de weeromstandigheden in Nederland is het SHI-effect veel intenser tijdens de zomerperiode dan in de winter. De effecten van de AHI’s zijn klein of afwezig tijdens de dag en het meest intens tijdens de nacht of net vóór zonsopgang. Hierdoor is de intensiteit van de AHI hoger tijdens de winterperiode, omdat er dan een hoger temperatuurverschil tussen de stedelijke en landelijke omgeving is (Erell et al., 2011). Intensiteit in Nederland Sinds de jaren zeventig zijn er meerdere metingen van het UHI-effect in Nederland bestudeerd. Het eerste UHI-onderzoek gepubliceerd door Conrads (1975) bevat metingen in Utrecht van 1970 tot 1971. Verschillende stedelijk luchttemperaturen zijn vergeleken met metingen van het landelijke weerstation de Bilt. De gemiddelde minimale dagtemperatuur was 1,7 °C in de winter en 2,7 °C in de zomer. Minimale nachttemperatuur verschillen werden gemeten tot een maximum van 8 °C. Nieuwe metingen van Utrecht zijn uitgevoerd door Heusinkveld (2014) en zijn team. Met behulp van een mobiel bio meteorologisch station gemonteerd op een bakfiets zijn op een typische zomerdag in juli 2012 onafgebroken metingen uitgevoerd van een gekozen fietsroute door de stad. Luchttemperatuurverschillen van 5,3 °C in de avond en 3,3 °C tijdens de hoogste dag temperatuur van 30,3 °C zijn gemeten. In Rotterdam hebben Heusinkveld & Holtslag (2010) na zonsondergang een maximaal luchttemperatuur verschil van 8 ℃ gemeten tussen het stadscentrum en het omliggende landschap. Tot slot is er nog een onderzoek is uitgevoerd door Steeneveld et al. (2011), waarbij gebruik is gemaakt van 19 amateur weerstations verspreid over de Nederlandse steden. De resultaten laten zien dat gedurende de dag de gemiddelde maximale UHI-intensiteit in Nederlandse steden op 2,3 °C ligt. Atmosferische modellen Urban Heat Island effecten kunnen ingeschat worden met atmosferische modellen, waarmee weerinvloeden voorspeld kunnen worden. Dergelijke modellen kunnen verschillende weerprocessen voorspellen. Een onderverdeling kan gemaakt worden op drie schaalniveaus (micro, meso en syntopic). Het Urban Heat Island vindt plaats in de meso schaal, wat een bereik heeft van 1 km tot 1000 km. Verticaal heeft de meso schaal een bereik van het aardoppervlak tot de UBL. Een model heeft een simulatietijd van een paar uur tot een aantal weken (Palmer & Hagedorn, 2006).

2.2 PV-panelen en het Urban Heat Island (UHI) effect Recente studies hebben aangetoond dat de grootschalige inzet van PV-panelen op daken niet alleen helpt bij een vermindering van de opwarming van de aarde (minder verbranding van fossiele brandstoffen), maar ook bij de vermindering van het UHI-effect. Door de combinatie van energieomzetting en bovenstaande gevolgen vormt het gebruik van PV-panelen een enorm potentieel voor de ontwikkeling van Nederlandse steden. De gevonden literatuur maakt gebruik van verschillende natuurkundige modellen om de invloed van PV-panelen op het UHI te evalueren. Het schaalniveau van de toegepaste modellen is sterk afhankelijk van het doel van de verschillende onderzoeken.

| 19

Onderzoek Scherba et al. (2011) Het onderzoek speelt zich af op gebouwniveau en heeft als doel om de invloed van verschillende duurzame daksystemen op de gevoelige warmtestroom naar de atmosfeer in kaar te brengen. De focus ligt op een verlaging van het Urban Heat Island effect in de zomer. De onderzochte daksystemen bestaan uit een bitumen dak (controle variant), een sterk reflecterend (koel) dak, een groen dak en PV-panelen geplaatst bovenop de drie dak varianten. De zes energiebalans modellen zijn ontwikkeld met het gebouw energieprogramma EnergyPlus. De modellen zijn gevalideerd met experimentele veldmetingen uitgevoerd in Portland. Een gebruikt om de gevoelige warmtestroom van het dak naar de stedelijke omgeving te benaderen voor zes klimaatzones in de Verenigde Staten. De toevoeging van PV-panelen op een bitumen dak levert gemiddeld een verlaging van 11% op de totale warmtestroom op. De vervanging van een bitumen dak door een koel dak levert een gemiddelde totale verlaging van ongeveer 80% op. Worden er vervolgens ook PV-panelen toegevoegd aan het koel dak, dan zakt de verlaging naar 55% ten opzichte van een zwart dak. De vervanging van een zwart dak door een groen dak levert een totale verlaging van 52% op en bij de toevoeging van PV-panelen zakt de verlaging naar 42% (zie figuur 2.2).

Figuur 2.2. Gemiddelde (a) piek- en (b) totale warmtestroom reductie percentages van verschillende daktypes ten opzichte van een zwart (bitumen) dak (Scherba et al., 2011).

De groene daken geven gedurende de dag meer warmte af aan de omgeving dan koele daken. De thermische dakmassa voorkomt dat de oppervlaktetemperatuur van groene daken gedurende de nacht onder de luchttemperatuur komt te liggen. Daardoor is de warmtestroom van daken doorgaans positief en die van bitumen- en koele daken negatief, wat zorgt voor een hogere totale warmtestroom gedurende de dag. De studie levert het bewijs dat de toevoeging van PV-panelen boven een bitumen dak een gevoelige warmtestroom reductie naar de stedelijke omgeving oplevert. De toevoeging van PV-panelen aan koele en groene daken zorgt voor een toename van de gevoelige warmtestroom, maar is nog steeds lager dan de gevoelige warmtestroom van een zwart bitumen dak. De ontwikkelde methode geeft de mogelijkheid om verschillende daksystemen met elkaar te vergelijken, maar het is nog niet mogelijk om de warmtestromen te koppelen aan het Urban Heat Island (UHI). Voor een koppeling met het UHI dienen alle gebouwen van de totale stad meegenomen te worden. De onderzoekers doen de aanbeveling dat

| 20

het een belangrijke vervolg stap is om de gevolgen van een dakontwerp te kunnen koppelen aan het stedelijke klimaat.

Onderzoek Taha (2013) Doel van dit onderzoek is het bestuderen van de invloed van het grootschalig gebruik van PV-panelen op het totale stedelijke gebied. De onderzoeker maakt gebruik van een versimpelde benadering van een effectieve albedo, die rekening houdt met zowel de reflectiewaarde als de efficiënte energieomzetting van het PV-paneel. Een stedelijk meso meteorologisch model (uMM5) is ontwikkeld voor de stad Los Angeles. De tijdsduur van deze programma’s wordt uitgevoerd binnen een half uur tot enkele dagen en het gebied is minimaal enkele kilometers tot honderden kilometers groot. Het model houdt rekening met hoogteverschillen van het gebied en op kleinere schaal van daken. Onderscheid tussen de stedelijke oppervlaktes wordt gemaakt door de oppervlakte albedo-waarden. De maand juli uit 2005 is gemodelleerd, vanwege de hittegolf in die periode. Figuur 2.3 laat de uitwerking van drie verschillende scenario’s uitgewerkt voor de stad Los Angeles zien. Het meest realistische scenario is de plaatsing van een redelijk grote hoeveelheid PV-panelen. Het scenario heeft geen opwarming van de luchttemperatuur tot gevolg. Bij een energieomzetting efficiëntie van 20% treedt er koeling van 0,05 ℃ in de luchttemperatuur op en bij 30% loopt de koeling op tot 0,15 ℃. Bij het toekomstig scenario van ‘koele’ steden (hoog reflecterende daken en wegdek) met de plaatsing van een redelijk grote hoeveelheid PV-panelen wordt ook geen relatieve opwarming van de luchttemperatuur waargenomen. Bij dit scenario zorgt een energieomzetting efficiëntie van 30% voor een lichte koeling van 0,05 ℃. In het laatste toekomstige scenario wordt uitgegaan van ‘koele’ steden met de plaatsing van een grote hoeveelheid PV-panelen. In dit scenario zorgt een energieomzetting efficiëntie van 10% voor een opwarming tot 0,1 ℃ van de luchttemperatuur. Het ‘break-even’ punt wordt

bereikt bij 20% en bij 25% verandert het effect in een koeling van 0,15 ℃. Het koelende effect bereikt

een maximum van 0,2 ℃ bij 30%. Tot slot, is uit het model af te lezen dat een albedo dakoppervlak stijging van 0,05 en de toename van PV-paneel efficiënt van 10% naar 20% een vergelijkbare impact hebben op de luchttemperatuur.

Figuur 2.3. Grootste veranderingen in regionale luchttemperatuur in Los Angels voor verschillende energieomzetting efficiëntie en de drie geëvalueerde scenario’s (Taha, 2013).

De studie laat zien dat PV-panelen naar alle waarschijnlijkheid geen negatieve gevolgen hebben voor het Urban Heat Island effect. Het model geeft de mogelijkheid om de impact van PV-panelen op het Urban Heat Island effect in verschillende steden en scenario’s te analyseren. Deze methode houdt echter geen rekening met de interactie van het PV-paneel met de onderliggende stedelijke bebouwing. De koeling door PV-panelen wordt namelijk ook beïnvloed door de onderliggende dakbedekking.

| 21

Onderzoek Masson et al. (2014) Het onderzoek heeft als doel een schatting te kunnen maken op de invloed van zonnepanelen (thermisch en fotovoltaïsch) op de stedelijk atmosfeer. De methode koppelt de ruimtelijke schalen (gebouw en stad). De energiebalans van een PV-paneel is geïntegreerd in het Town Energy Balance (TEB) model, waardoor rekening wordt gehouden met de energieomzetting van PV-panelen, hun invloed op de onderliggende gebouwmassa en de terugkoppeling naar de stedelijke omgeving door middel van straling- en convectie energiestromen. De totale energiebalans van het zonnepaneel is geïntegreerd in het TEB-model (zie figuur 2.4a), zodat bepaald kan worden wat het zonnepaneel uitwisselt met zijn omgeving. Vervolgens is het TEB-model gekoppeld aan het vegetatie model ISBA en het atmosferisch systeem MesoNH in het softwareprogramma SURFEX. De methode is toegepast op de stad Parijs, heeft een simulatie domein van 100 km bij 100 km en een resolutie van 1 km. De simulatietijd bestaat uit 1 jaar. Geometrische data uit het jaar 2003 is gekozen om het effect van de hittegolf in Parijs mee te kunnen nemen. Verder zijn vergelijkbare aannames voor het scenario “redelijk grote hoeveelheid PV-panelen” uit het onderzoek van Taha (2013) gebruikt in het model. Tot slot is een controle simulatie van de stad Parijs zonder zonnepanelen gesimuleerd om het relatieve effect te evalueren.

Figuur 2.4. (a) TEB-model illustratie. (b) Het maandelijks gemiddelde verschil in minimale en maximale luchttemperatuur tussen simulatie met en zonder zonnepanelen. Het grid is in kilometers (Masson et al., 2014).

Figuur 2.4 laat de gemodelleerde resultaten zien. In de winter is de invloed van zonnepanelen laag, door de beperkte energieomzetting. Gedurende de maand januari wordt het Urban Heat Island effect overdag met 0,1 ℃ verlaagd in Parijs en de omliggende grote voorsteden. In de maand augustus 2003

(hittegolf) zou de invloed van zonnepanelen de luchttemperatuur met 0,2 ℃ hebben verlaagd. Het model laat ook een daling gedurende de nacht zien van maximaal 0,3 ℃ (zie figuur 2.4b). De zonnepanelen hebben voornamelijk invloed op de warmteoverdracht processen gedurende de dag. Door absorptie en energieomzetting van zonnestraling naar thermische of elektrische energie. Echter, zorgt deze invloed voor een reductie van de onderliggende gebouwen energetica (warmteopslag). Daardoor wordt er ’s nachts minder warmte afgegeven aan de atmosfeer. Het effect ‘s nachts is vervolgens groter dan overdag, doordat de UBL ’s nachts enkele honderden meters dunner is (zie figuur 2.1). De studie laat voor het eerst de directe impact op het Urban Heat Island effect zien, waarbij de energiebalans van het PV-paneel gekoppeld is aan de stedelijk energiebalans en een meso meteorologisch model. Het model geeft de mogelijkheid om de invloed van zonnepanelen op stedelijk niveau te evalueren. De resultaten hebben een grotere invloed op het Urban Heat Island effect dan de resultaten uit het onderzoek van Taha (2013). Het verschil kan verklaard worden door de gedetailleerdere rekenmethode, het gebruik van thermische panelen (zijn efficiënter dan PV-panelen) en de geografische positie van Parijs (wordt niet beïnvloed door de zee) ten opzichte van Los Angeles.

Onderzoek Salamanca et al. (2016) Het doel van het onderzoek is om op een stedelijke schaal de invloed van PV-panelen en ‘koele’ daken op de luchttemperatuur te kunnen beoordelen. De methode bestaat uit een gekoppeld modellering systeem bestaande uit een meso meteorologisch (WRF) model en een meer laags gebouw energy (BEP+BEM) systeem. Het WRF-model beschrijft de

(a) (b)

| 22

dagelijkse situatie in de Urban Boundary Layer. Het BEP+BEM-systeem beschrijft de dagelijkse situatie in de Urban Canopy Layer, waarbinnen de luchttemperatuur refereert naar 2 meter boven grondniveau. Het gekoppeld modelering systeem houdt rekening met de energieomzetting van PV-panelen, hun invloed op het onderliggende dakoppervlak en de antropogene warmte uit gestoten door koelinstallatie. De energiebalans van het BEP-model is gebaseerd op de aannames uit het onderzoek van Masson et al. (2014). Het Noah landoppervlakte model is gebruikt voor de grid cellen met natuurlijke begroeiing. De methode is toegepast op de steden Tuscan en Phoenix. Het heeft een simulatie domein van 100 km bij 100 km en een resolutie van 1 km. De simulatietijd bestaat uit de periode van 10 juli tot 19 juli 2009, gedurende deze periode was het extreem warm weer met een heldere lucht. De resultaten met en zonder ‘koele’ daken en PV-panelen zijn met elkaar vergeleken. Variabele hoeveelheden van PV-panelen zijn gesimuleerd. Ter validatie van het gekoppeld modellering systeem zijn de resultaten vergeleken met zes Arizona meteorologische netwerk weerstations (AZMET).

Figuur 2.5. BEP+BEM systeem schema (Salamanca et al., 2016).

Een beknopt overzicht van de gemiddelde resultaten uit beide steden zijn te vinden in tabel 2.1. De kolommen laten de bezettingsgraad van de twee maatregelen, de bandbreedte van de koeling overdag/ ’s nachts en het percentage koeling gedurende de 24 uur cyclus zien. Tabel 2.1. Temperatuurverschillen van het onderzoek van de gemodelleerde in de buurt van luchttemperatuur

(Salamanca et al., 2016).

Beide onderzochte maatregelen dragen bij aan een bestrijding van het Urban Heat Island effect. De ‘koele’ daken hebben een grotere invloed gedurende de dag, maar PV-panelen hebben een grotere invloed op het nachtelijk Urban Heat Island. De grootste gevolgen worden veroorzaakt door het nachtelijk Urban Heat Island, dus PV-panelen pakken het probleem directer aan.

Bezettingsgraad Dag (℃) Nacht (℃) Percentage koeling

PV-panelen (100%) 0,2 - 0,4 0,4 - 0,8 69%

PV-panelen (75%) 0,1 - 0,3 0.1 - 0,4 61%

PV-panelen (50%) 0,1 - 0,3 0 - 0,2 57%

PV-panelen (25%) 0,1 - 0,2 0 - 0,1 56%

‘Koele’ daken (100%) 0,4 - 0,8 0,1 - 0,4 71%

‘Koele’ daken (75%) 0 - 0,5 0,1 - 0,2 68%

‘Koele’ daken (50%) 0 - 0,4 0 - 0,1 65%

‘Koele’ daken (25%) 0 - 0,2 0 - 0,1 58%

PV-panelen (25%) en ‘koele’ daken (75%)

0 - 0,6 0 - 0,2 71%


0 - 0,5 0 - 0,2 66%


0 - 0,4 0 - 0,2 62%

| 23

De laatste studie laat de directe invloed van ‘koele’ daken en PV-panelen op het Urban Heat Island zien. De energiebalans op gebouwniveau is gekoppeld aan een meso meteorologisch model. Het model geeft de mogelijkheid om het gebruik van verschillende reductie strategieën op stedelijk niveau te evalueren. De resultaten van de bezettingsgraad van 75% met alleen PV-panelen komen overeen met de resultaten uit het onderzoek van Masson et al. (2014). Verder zorgt de studie voor een realistischer scenario door de uitstoot van airco installaties van gebouwen te integreren in het gebouw energiemodel.

2.3 PV-panelen proefmeetopstelling Op het dak van het bedrijf ZinCO BeNeLux in Amsterdam is een PV-panelen proefopstelling geplaatst (zie figuur 2.5). De oppervlakte-, luchttemperaturen, relatieve luchtvochtigheid, (zonne) straling en windsnelheid worden gemeten met behulp meetapparatuur (zie figuur 2.6). De resultaten van de metingen zijn te vinden in appendix J (Abraham-Reynolds & Shadmanfar, 2014).

Figuur 2.5. Meetopstelling bedrijf ZinCO BeNeLux (Abraham-Reynolds & Shadmanfar, 2014)

Figuur 2.6. Illustratie van de gebruikte meetapparatuur (Abraham-Reynolds & Shadmanfar, 2014).

| 25

Iteratie

berekening

3 Methoden

Het methoden hoofdstuk is opgesplitst in twee onderdelen. Het eerste deel beschrijft de rekenmethode en validatie van de rekenmethode. De rekenmethode is bedoeld om te kunnen achterhalen wat de invloed van PV-paneel dakontwerpen op het Urban Heat Island is. Het tweede deel beschrijft de beslismodel methode. Het beslismodel is ontwikkeld om te kunnen evalueren welke stadswijken de meeste potentie hebben voor het gebruik van PV-panelen en vervolgens op welke daken binnen een stadswijk PV-panelen het beste gebruikt kunnen worden voor een bestrijding van het Urban Heat Island.

3.1 Rekenmethode

3.1.1 Beschrijving Voor de invloed van PV-paneel dak ontwerpen wordt gekeken naar de geometrische opstelling (oriëntatie en hoek), de windsnelheid en dakafwerking. Daarnaast wordt een zwart bitumen plat dak als referentie model gebruikt. De rekenmethode is samengevat in onderstaande tekst. Een uitgebreidere beschrijving samen met de invoerdata voor de modellen kunnen gevonden worden in Appendix B, C en D. De zes energiebalans modellen zijn uitgewerkt met behulp van zeven stappen:

1. Simulatie warmteoverdrachtcoëfficiënten van de convectie in PHOENICS. 2. Simulatie oppervlaktetemperatuur bestaand dak

zonder PV-paneelopstelling in VOLTRA. 3. Simulatie oppervlaktetemperatuur PV-paneel in VOLTRA. 4. Berekening energieomzetting. 5. Simulatie oppervlaktetemperatuur bestaand dak

onder PV-paneelopstelling in VOLTRA. 6. Berekenen totale- en piekwarmtestromen. 7. Vergelijken totale- en piekwarmtestromen.

De oppervlaktetemperaturen van de PV-panelen, het dak, en de buitenlucht worden voorspeld in het beschikbare simulatieprogramma VOLTRA. De buitenluchttemperatuur is vereenvoudigd naar een sinusfunctie om ongewenste effecten zoals bewolking uit te kunnen sluiten. Door het omzetten van zonnestralingsenergie naar elektrische energie, onttrekt een PV-paneel energie aan de energiebalans. In het VOLTRA-model kan een vermogen-functie (X-as tijd in dagen, Y-as in W/m2) worden ingevoerd om de invloed van de onttrokken energie weer te geven. De data voor de vermogen-functie worden met de hand berekend en zijn afhankelijk van de oppervlaktetemperatuur van een PV-paneel. Omdat zowel het VOLTRA-model als de handberekening een onbekende oppervlaktetemperatuur bevatten wordt een iteratieproces uitgevoerd. De afstemming tussen de simulatie en de handmatige berekening wordt geïtereerd tot twee decimalen achter de komma. In de VOLTRA-simulatie wordt als volgt met de warmteoverdrachtcoëfficiënten omgegaan: a. De warmteoverdrachtcoëfficiënt van de convectie wordt beïnvloed door variabele windsnelheden langs de oppervlakken. Met behulp van het computational fluid dynamics (CFD) simulatieprogramma PHOENIX worden warmteoverdrachtcoëfficiënten van de variabele convectie gesimuleerd. b. De warmteoverdrachtcoëfficiënt van de straling wordt beïnvloed door de emissiewaarde van de stedelijke materialen.

| 26

c. De warmteoverdrachtcoëfficiënt van de geleiding speelt bij een PV-paneel boven een oppervlak een verwaarloosbare rol, door het beperkte contact tussen het PV-paneel en het dak. Om deze reden wordt geleiding niet meegenomen in de simulatie. Deze zal verder in dit onderzoek niet aan de orde komen. De berekening van de totale- en piekwarmtestromen wordt ondersteund door de formule voor convectie energiestroom. 𝑄 = 𝛼𝑐 ∗ (𝑇𝑜𝑝𝑝. − 𝑇𝑙) (3.1)

Waarin: Q = warmtestroom [W/m2] of [W-u/m2] 𝛼𝑐= convectie warmteoverdracht coëfficiënt [W/m2*K]

𝑇𝑜𝑝𝑝. = oppervlaktetemperatuur [K] of [°C]

𝑇𝑙 = luchttemperatuur [K] of [°C]

3.1.2 Validatie De data van een meetopstelling in Amsterdam tijdens een meetperiode van twee augustus tot vier augustus 2013 wordt gebruikt voor de validatie van het rekenmodel (zie appendix J). De resultaten van het model zullen vergeleken worden met de gemeten waarden van drie augustus. Op deze dag was geen bewolking aanwezig en de ontwikkelde rekenmethode houdt geen rekening met bewolking. De gemiddelde windsnelheid op de dag van de berekening was 2 m/s en aan het model wordt een grindlaag van 50 mm toegevoegd. De invoerdata kunnen gevonden worden in appendix B, C en D. Tabel 3.1 convectie warmteoverdracht resultaten in PHOENICS

Voor de validatie van het rekenkundig model zijn de bovenstaande gemiddelde 𝛼𝑐-waarden gesimuleerd. De waarden zijn redelijk laag en verschillen nauwelijks van de waarden bij een windsnelheid van 2,5 m/s. Tabel 3.2: Referentie metingen en oppervlaktetemperatuur resultaten in VOLTRA.

Type opstelling Windsnelheid [m/s]

𝜶𝒄; bovenkant [W/mK]

𝜶𝒄; onderkant [W/mK]

Zuid PV-paneel 2,0 6,83 7.91

Type methoden

Datum Wind- Snelheid [m/s]

Tijd [uren]

Lucht temperatuur [℃]

Oppervlakte-temperatuur Onderkant [℃]

Oppervlakte-temperatuur Bovenkant [℃]

Referentie meting PV-paneel

3 aug. ‘variabel’ 13:00 ~22 45,5

Referentie Meting dak

3 aug. ‘variabel’ 13:00 ~22 26,21

Model PV-paneel

3 aug. 2,0 13:00 22 51,19

Model dak 3 aug. 2,0 13:00 22 25,66

| 27

De gemodelleerde oppervlaktetemperaturen van het PV-paneel liggen hoger dan de gemeten referentiewaarden (zie grafiek 3.1). Het verschil ligt gemiddeld tussen de vier graden Celsius. Midden op de dag is dit verschil ongeveer vijf graden °C (zie tabel 3.2). De gemodelleerde oppervlaktetemperatuur van het dak zit onder de gemeten referentiewaarden (zie grafiek 3.2). Het verschil ligt gemiddeld rond de twee graden °C. De piektemperatuur van het model begint twee uur later dan de gemeten referentiewaarden. Ook is de piektemperatuur minder hoog. Het verschil is 10 graden °C.

Figuur 3.1. Vergelijking oppervlaktetemperaturen PV-paneel. Figuur 3.2. Vergelijking oppervlaktetemperaturen dak.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Tem

pera

tuur

(◦C

)

Tijd (uren)

Gemeten waarden (◦C) Gesimuleerde waarden (◦C)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Tem

pera

tuur

(◦C

)

Tijd (uren)

Gemeten waarden (◦C) Gesimuleerde waarden (◦C)

| 28

3.2 Beslismodel methode Voor de invloed van PV-paneel dakontwerpen in de stedelijk omgeving is het doel om te kunnen

evalueren wat de invloed per stadswijk is. De methode wordt uitgewerkt aan de hand van vier stappen:

1. Selectie stadswijken 2. Oppervlakte analyses stadswijken 3. Oppervlakte vergelijking stadswijken 4. Opstellen stedebouwkundig plan

Selectie stadswijken Een vertegenwoordiging van de meest voorkomende Nederlandse stadswijken wordt gevalideerd door te gebruik te maken van de wijktypologieën opgesteld door Kleerekoper (2016). Kleerekoper (2016) legt in haar onderzoek een verband tussen wijktypologieën uit de literatuur en drie onderscheidende microklimaat eigenschappen (gebouwhoogte, footprint en groen/water oppervlak). Waardoor met heldere en onderbouwde argumenten de verschillende stadwijken geselecteerd kunnen worden. Meer informatie over deze koppeling is samengevat in appendix A7. Met behulp van deze microklimaat eigenschappen kan een selectie gemaakt worden van de stadswijken in de stad Amsterdam. De microklimaat eigenschappen per stadswijk worden grotendeels geanalyseerd met behulp van de TOP10NL-kaarten(Middel, 2002). Waar nodig kunnen de stedebouwkundige analyses aangevuld worden met informatie uit Google Earth, Google Street view en beschikbare data van de gemeente. De gemiddelde gebouwhoogte wordt inschat met behulp van Google earth en/of streetview. De vorm van de footprint is gevisualiseerd in de TOP10NL-kaarten. De publieke vegetatie- en wateroppervlakken worden ingeschat door een combinatie van Google earth en TOP10NL-kaarten informatie. In Google earth wordt gecontroleerd of de TOP10NL-kaarten nog actueel genoeg zijn en of het relevant is om een inschatting te maken van particuliere vegetatieoppervlakte die niet gevisualiseerd is in TOP10NL-kaarten. Mocht er nog enige twijfel ontstaan over de geselecteerde stadswijken, dan kunnen ze vergeleken worden met de geselecteerde stadswijken uit het onderzoek van Kleerekoper (2016). Oppervlakte analyses stadswijken De oppervlaktes worden nauwkeurig berekend met behulp van GIS-data in het programma Arcmap. De data is afkomstig van de TOP10NL-kaarten (Middel, 2002). Eerder is al genoemd dat deze kaarten vaak niet helemaal overheen komen met de huidige situatie. Daarom worden de labels toegekend aan de stedelijke massa indien nodig gecorrigeerd met behulp van satellietbeelden en foto’s uit Google Maps. Vervolgens worden de oppervlakken van de verschillende massa berekend. Het geveloppervlak wordt afzonderlijk berekend door de omtrek van de footprint van de aanwezige bebouwing te vermenigvuldigen met de gebouwhoogte. Uiteindelijk worden alle oppervlaktes verwerkt in taartdiagrammen. Hierdoor wordt het aandeel per type oppervlakte als percentage van het totaal aanwezige stedelijke oppervlakte zichtbaar. Oppervlakte vergelijking stadswijken Door het vergelijken van de stadswijk oppervlaktes kan de potentie voor het gebruik van PV-panelen ingeschat worden. De oppervlakte percentages van de geselecteerde stadswijken worden vergeleken door een positief- of negatief gewicht toe te kennen. De gewichten zijn onderverdeeld in vijf categorieën: sterke toename (+2), toename (+1), neutraal (0), afname (-1) en sterke afname (-2). De oppervlakte percentages van de geselecteerde stadswijken worden getoetst in drie categorieën: stedelijke massa, beschikbaar dakoppervlak en windsnelheid. De samenstelling van de stedelijk massa is een indicatie voor de intensiteit van het Urban Heat Island effect. Binnen dit onderzoek ligt de interesse op de stadswijken met een relatief hoge intensiteit. Een beoordeling over het beschikbaar dakoppervlak geeft aan hoeveel potentiële vierkante meters aan PV-panelen gebruikt kunnen worden voor een reductie van het Urban Heat Island. Tot slot geeft de indicatie van de oppervlakte ruwheid de mate aan waarin de windsnelheid in het gebied kan afnemen, waardoor het aantal potentiële vierkante meters weer kan afnemen. De keuze voor het toekennen van een gewicht aan een oppervlakte percentage in de categorie stedelijk massa is gebaseerd op het onderzoek ‘Amsterwarm’ (Van der Hoeven & Wandl, 2013), waarin een verband wordt gelegd tussen oppervlaktetemperatuur en type stedelijke massa. De keuze voor het toekennen van een gewicht aan een oppervlakte percentage in de categorie windsnelheid is gebaseerd op het onderzoek ‘improving comfort in dutch neigbourhoods’ (Kleerekoper,

| 29

2016) en het boek ‘het weer in de stad’ (Lenzholzer & Lahr, 2013), waarin een verband wordt beschreven tussen stedelijke obstakels en de windsnelheid. Uiteindelijk wordt een rangschikking toegekend aan de potentie van de stadswijken voor het gebruik van PV-panelen, door een optelsom van de resultaten uit de drie categorieën. Opstellen stedebouwkundig plan Uit de totale rangschikking van de stadswijken wordt het meest geschikte bedrijventerrein en de meest geschikte woonwijk gekozen voor de uitwerking van het stedebouwkundig plan. Voor de uitwerking van het stedebouwkundig plan wordt eerst de geschiktheid van het beschikbaar dakoppervlak voor het gebruik van PV-panelen getoetst met behulp van het platform Zonatlas. Het platform stelt GIS-data beschikbaar voor Arcmap. De GIS-data is ontwikkeld met behulp van de analyse van de zonnestraling en schaduw op het beschikbaar dakoppervlak in de Nederland. Vervolgens zal gekeken worden naar de oppervlakte ruwheid van het gebied, waarmee de windsnelheid op daken beoordeelt kan worden. Hiervoor wordt gebruikt gemaakt van de vuistregel voor windsnelheid rondom gebouwen (zie appendix A9). De rekenresultaten zullen meebepalen welke windzone meer geschikt is voor het gebruik van PV-panelen. De analyseresultaten van de geschiktheid van het dakoppervlak en de oppervlakte ruwheid worden samengevoegd om de potentie van de beschikbare daken in de stadswijk te selecteren. De rekenresultaten zullen meebepalen welk type PV-paneel opstelling geschikt is om toe te passen op het geselecteerd dakoppervlak.

| 31

4 Resultaten

De resultaten zijn net zoals in de methoden opgesplitst in twee onderdelen. Eerst zullen de

rekenresultaten besproken worden, waar de resultaten van de totale- en piekwarmtestromen

geanalyseerd zijn. Tussenresultaten van de rekenmodellen (warmteoverdracht coëfficiënten,

oppervlaktetemperaturen, energieomzetting etc.) zijn te vinden in appendix B, C en D.

In het tweede deel worden de resultaten van het beslismodel besproken. Waarin de selectie,

gebundelde oppervlakte analyses, oppervlakte vergelijking en het stedebouwkundig plan van

stadswijken in Amsterdam gepresenteerd wordt. De oppervlakte analyse per stadswijk kan gevonden

worden in appendix F. De toetsing van de drie categorieën (stedelijke massa, windsnelheid en

beschikbaar dak) voor de vergelijking van de stadwijken kan gevonden worden in appendix G.

4.1 Rekenresultaten Figuur 4.1a laat het temperatuurverloop van een dak met en zonder PV-paneel over 24 uur zien. Resultaten worden weergeven van een gemodelleerde tropische zomerdag in Amsterdam. De oppervlaktetemperaturen zijn voor en na zonsondergang gelijk. Op het midden van de dag is de luchttemperatuur 35 °C. Het niet beschaduwde bitumen dak is dan ongeveer 68 °C, terwijl het beschaduwde bitumen dak en het PV-paneel dan piektemperaturen bereiken van 36 °C en 58 °C. Figuur 4.1b laat het warmtestroom verloop gedurende deze dag zien. Een reductie van de totale en piekwarmtestroom is waarneembaar na het gebruik van een PV-paneel. De verandering in warmtestroom is een gevolg van lagere oppervlaktetemperaturen en windsnelheden langs de oppervlakten.

Figuur 4.1. Oppervlaktetemperaturen (a) en warmtestroom (b) verloop van een bitumen dak met en zonder plat PV-

paneel op een tropische zomerdag in Amsterdam.

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 4 8 12 16 20 24

Warm

testr

oo

m (

W/m

2)

Tijd (uren)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 4 8 12 16 20 24

Tem

pera

tuu

r (C

)

Tijd (uren)(a) (b)

| 32

In de volgende vergelijkingen zijn de resultaten gepresenteerd met behulp van de totale en piekwarmtestromen, waarmee getoetst kan worden hoe groot de invloed van een bepaald scenario is op de stedelijke atmosfeer en daarmee het Urban Heat Island.

PV-paneel opstellingen Figuur 4.2a en Figuur 4.2b laten de totale en piekwarmtestroom van een bitumen dak met en zonder verschillende PV-paneel opstellingen zien. Bij alle drie de opstellingen zorgt het gebruik van PV-panelen voor een reductie van de totale warmtestromen van ongeveer 4850 naar 4000 W-u/m2. De piekwarmtestromen laten een vergelijkbare reductie zien van ongeveer 470 naar 390 W/m2.Daarentegen zorgt de zuid PV-paneel opstelling voor een stijging naar 600 W/m2. De stijging is het gevolg van de ochtendzon die bij deze opstelling onder en op het PV-paneel straalt. Om een helder onderscheid te maken is in figuur 4.2c en figuur 4.2b de reductie in percentages uitgezet ten opzichte van de waarden van een bitumen dak. De platte PV-paneel opstelling zorgt voor de laagste reductie van 13% op de totale en piekwarmtestroom. De oost en west PV-paneel opstelling zorgt voor een reductie van 18% op de totale en 23% op de piekwarmtestroom. De zuid PV-paneel opstelling zorgt voor een reductie van 22% op de totale warmtestroom. De hogere piekwarmtestroom zorgt voor een verhoging van 29%. Hierdoor versterkt deze opstelling het Urban Heat Island voor een korte periode in de ochtend.

Figuur 4.2. Zomerse totale- (a) en piek (b) warmtestromen van verschillende PV-paneel opstellingen op een bitumen dak. Reductie totale- (c) en piek (d) warmtestromen van verschillende PV-paneel opstellingen ten opzichte van een bitumen dak. Totale warmtestroom is uitgedrukt in W-u/m2 en de piekwarmtestroom is uitgedrukt in W/m2.

Windsnelheden Figuur 4.3a en figuur 4.3b laten de totale en piekwarmtestromen van het bitumen dak met en zonder een plat PV-paneel zien. De laagste snelheid (0,2 m/s) zorgt voor een beperkte toename van de totale warmtestroom van 3310 naar 3390 W-u/m2. Bij de normale- (2,5 m/s) en hoge (5 m/s) windsnelheid vindt een reductie plaats van ongeveer 4850 naar 4200 W-u/m2 en van 5570 naar 5240 W-u/m2. Bij een lage windsnelheid wordt minder energie omgezet door de hoge temperatuur van een PV-paneel, waardoor de energieomzetting niet kan compenseren voor een extra toevoeging van een los element

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

Plat Oost & West Zuid

Red

ucti

e p

iek

warm

testr

oo

m (

%)

Paneelopstelling

0

100

200

300

400

500

600

700

Plat Oost &West

Zuid

Pie

kw

arm

testr

oo

m

(W/m

2)

Paneelopstelling

Dak

PV dak

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Plat Oost &West

Zuid

To

tale

warm

testr

oo

m

(W-u

/m2)

Paneelopstelling

Dak

PV dak

0%

5%

10%

15%

20%

25%

Plat Oost & West Zuid

Red

ucti

e t

ota

le

warm

testr

oo

m (

%)

Paneelopstelling(a)

(b)

(c)

(d)

| 33

op het dak. Aan de andere kant zorgen de hogere windsnelheden voor een kleinere verandering van de oppervlaktetemperaturen, waardoor de verandering in reductie niet heel sterk afneemt. De piekwarmtestromen laten evenredige resultaten zien. Figuur 4.3c en d laten de reductie bij de verschillende windsnelheden ten opzichte van een bitumen dak zien. Bij normale windsnelheden kan de hoogste reductie van 13% gehaald worden. Bij de hoogste windsnelheden wordt de reductie verlaagd naar 4%. Bij de laagste windsnelheden neemt de totale en piekwarmtestroom toe met 2% en 4%.

Figuur 4.3 Zomerse totale- (a) en piek (b) warmtestromen van verschillende windsnelheden op een bitumen dak met en zonder een plat PV-paneel. Reductie totale- (c) en piek (d) warmtestromen van verschillende windsnelheden met een plat PV-paneel ten opzichte van een bitumen dak. Totale warmtestroom is uitgedrukt in W-u/m2 en de piekwarmtestroom is uitgedrukt in W/m2.

Dakbedekking Figuur 4.4a, figuur 4.4b, figuur 4.4c en figuur 4.4d laten de totale en piekwarmtestromen zien van een bitumen, betonnen of dakpannen dakbedekking met en zonder plat PV-paneel. Bij alle drie de dakbedekkingen zorgt het gebruik van PV-panelen voor een reductie van de warmtestroom. De bitumendakbedekking is al besproken bij de normale windsnelheid (2,5 m/s). De betonnen dakbedekking heeft een reductie van 5000 naar 2540 W-u/m2. Voor schuine op het zuiden georiënteerde dakpannen geldt een reductie van 4240 naar 3930 W-u/m2. De reductie in de piekwarmtestroom van een betonnen dakbedekking gaat van 366 naar 275 W/m2 en bij een dakpannen dakbedekking van 467 naar 465 W/m2. Figuur 4.4e en figuur 4.4f laten de reductie van een totale en piekwarmtestroom van dakbedekkingen met PV-panelen ten opzichte van dakbedekkingen zonder PV-panelen zien. De reductie van een totale warmtestroom bij een betonnen dakbedekking is bijna 50%. De reductie van een totale warmtestroom bij een dakpannen dakbedekking is 7%. De piekwarmtestroom reductie is 25% bij een betonnen dakbedekking en 0% bij een dakpannen dakbedekking.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0,2 2,5 5,0

To

tale

warm

testr

oo

m

(W-u

/m2)

Windsnelheid (m/s)

Dak

PV dak

0

100

200

300

400

500

600

0,2 2,5 5,0

Pie

kw

arm

testr

oo

m

(W/m

2)

Windsnelheid (m/s)

Dak

PV dak

-4%

-2%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

0,2 2,5 5,0

Red

ucti

e t

ota

le

warm

testr

oo

m (

%)

Windsnelheid (m/s)

-4%

-2%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

0,2 2,5 5,0

Red

ucti

e p

iek

warm

testr

oo

m (

%)

Windsnelheid (m/s)

(a)

(b)

(c)

(d)

| 34

Figuur 4.4. Zomerse totale- (a, b) en piek (c, d) warmtestromen van verschillende dakbedekkingen met en zonder een plat PV-paneel. Reductie totale- (f) en piek (e) warmtestromen van verschillende windsnelheden met een plat PV-paneel ten opzichte van een bitumen dak. Totale warmtestroom is uitgedrukt in W-u/m2 en de piekwarmtestroom is uitgedrukt in W/m2.

0

1000

2000

3000

4000

5000

Bitumen Beton

To

tale

warm

testr

oo

m

(W-u

/m2)

Dakbedekking

Dak

PV dak

0

100

200

300

400

500

Bitumen Beton

Pie

kw

arm

testr

oo

m

(W/m

2)

Dakbedekking

Dak

PV dak

0%

10%

20%

30%

40%

50%

Bitumen Beton Dakpannen

Red

ucti

e t

ota

le

warm

testr

oo

m (

%)

Dakbedekking

0%

10%

20%

30%

40%

50%

Bitumen Beton Dakpannen

Red

ucti

e p

iek

warm

testr

oo

m (

%)

Dakbedekking

0

1000

2000

3000

4000

5000

Dakpannen

To

tale

warm

testr

oo

m

(W-u

/m2)

Dakbedekking

Dak

PV dak

0

100

200

300

400

500

Dakpannen

Pie

kw

arm

testr

oo

m

(W/m

2)

Dakbedekking

Dak

PV dak

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) (f)

| 35

Ter verheldering van de enorme reductie bij betonnen dakbedekking, wordt in figuur 4.5a het temperatuurverloop van een betonnen dakbedekking vergeleken met een bitumendakbedekking (waar een laag isolatie onder zit) en de luchttemperatuur op een tropische zomerdag. In figuur 4.5b is een PV-paneel toegevoegd boven de dakbedekking. De massatraagheid van een betonnen dakbedekking zorgt voor een beperkte stijging en daling van de oppervlaktetemperatuur. Na gebruik van een plat PV-paneel zorgt de schaduw van het paneel voor een constante lage temperatuur bij de betonnen dakbedekking, waardoor overdag een negatieve warmtestroom afgegeven wordt. De negatieve warmtestroom stimuleert de reductie van een PV-paneel in totale en piekwarmtestroom naar de stedelijke atmosfeer.

Figuur 4.5. (a) Lucht- en oppervlaktetemperaturen van twee dakbedekkingen zonder PV-panelen. (b) Lucht- en oppervlaktetemperaturen van twee dakbedekkingen met PV-panelen.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Tem

pera

tuu

r (℃

)

Tijd (uren)

Luchttemperatuur Betonnen daktemperatuur Bitumen daktemperatuur

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Tem

pera

tuu

r (℃

)

Tijd (uren)

Luchttemperatuur Betonnen daktemperatuur Bitumen daktemperatuur

(a)

(b)

Stijging door

zonnestraling

onder en op

PV-paneel

| 36

4.2 Beslismodel resultaten

4.2.1 Selectie stadswijken Tabel 4.1 laat de geselecteerde stadswijken in Amsterdam met behulp van de drie microklimaat eigenschappen zien. Voor iedere wijktypologie is een representatieve stadswijk geselecteerd. Tabel 4.1: Selectie stadswijken Amsterdam.

Stedelijke Typologieën

Microklimaat categorie Amsterdam

Wijktypen Periode Gebouw-hoogte

Footprint Groen/ wateroppervlak

Wijken

Historische binnenstad & vooroorlogs bouwblok

Voor 1910 1910 - 1930

Midden hoog

Gesloten bouwblok

Weinig (0-10%)

Da costabuurt

Tuindorp 1910 - 1930

Laag Gesloten/ open bouwblok

Gematigd (10-30%)

Nieuwendam

Volkswijk 1930 - 1940

Laag Gesloten bouwblok

Weinig - gematigd (5-30%)

Hoofdorpplein buurt

Naoorlogse tuinstad laagbouw

1945 - 1955

Laag Open bouwblok

Veel (30-50%)

Slotermeer Couperusbuurt

Naoorlogse tuinstad hoogbouw

1950 - 1960

Midden hoog- hoog

Open bouwblok

Gematigd (10-30%)

Bijlmer

Naoorlogs Bedrijven-terrein*

1960 - huidig

Laag

Lintbebouwing/ Gesloten stedelijk blok

Weinig (0-10%)

Sloterdijk |

Bloemkoolwijk – Woonerf

1975 - 1980

Laag Lintbebouwing/ Open stedelijk blok

Gematigd – veel (10-50%)

Geuzenveld

Hoogbouw stadscentra

1960 -huidig

Hoog Verspreide bebouwing

Weinig (0-10%)

Zuid-as

Sub-urbane uitbreiding Vinex

1990 - 2005

Laag Lintbebouwing/ Gesloten stedelijk blok

Gematigd (10-30%)

De Aker

*Het wijktype Naoorlogse bedrijventerrein is toegevoegd, omdat dit soort wijken niet vertegenwoordigd zijn in de

stedelijke typologieën, maar wel extra gevoelig zijn voor het Urban Heat Island effect.

| 37

Figuur 4.6 geeft een indicatie van de locatie van verschillende stadswijken. Amsterdam is meer naar het westen toe uitgebreid, waardoor een grotere diversiteit aan stadswijken te vinden is in dit deel van Amsterdam.

Figuur 4.6 locatie indicatie geselecteerde stadswijken Amsterdam.

4.2.2 Oppervlakteanalyse stadswijken Met de oppervlakteresultaten kan ingeschat worden hoe groot de intensiteit van het Urban Heat Island is in de diverse stadswijken van Amsterdam en waar de potentie voor het gebruik van PV-panelen het grootst is. De stadswijken met weinig groen en wateroppervlak, veel verhard en bebouwd oppervlak zijn het meest kwetsbaar voor het Urban Heat Island effect. De beperkte openbare ruimte zorgt voor een hogere noodzaak van het gebruik van PV-panelen. De stadswijken met de hoogste potentie voor het gebruik van PV-panelen staan bovenaan in de figuren. De stedelijke materiaaleigenschappen per stadswijk zijn gebundeld in drie groepen: het verkoelende groen en wateroppervlak, het verwarmende verhard en bebouwd oppervlak Een uitgebreidere analyse van de oppervlakten per stadswijk kan gevonden worden in appendix F.

Groen en (verkoelend)wateroppervlak In figuur 4.7 zijn de groen en wateroppervlaktes van de geselecteerde wijken als percentage van de totale stedelijke massa samengevat. De stadswijken bestaan voor minimaal 10% tot maximaal 45% uit groen en/ of wateroppervlak. De stadswijken (op Hoofddorpplein buurt na) met lage tot gemiddelde percentages bevatten voornamelijk openbaar groenen wateroppervlak. De gemiddelde en hoge percentages aan groen en wateroppervlak liggen dicht bij elkaar, waardoor het onderscheid tussen deze stadswijken niet groot is. De stadswijken met lage percentages onderscheiden zich wel van de andere wijken. Voornamelijk in de stadswijken met een hoog percentage aan groen en wateroppervlak bestaat een groot deel uit private groen tuinoppervlak. Het toekomst percentage van deze stadswijken is daardoor mogelijk lastig in te schatten. Tot slot bevat de stadswijk Geuzenveld een extreem hoog percentage aan Loofbos oppervlak van 24% in vergelijking met de andere wijken.

| 38

Figuur 4.7. Groen/ water oppervlak geselecteerde stadswijken als percentage van de totale stedelijke massa.

Verhard oppervlak In Figuur 4.8 zijn de verharde oppervlakken van de geselecteerde stadswijken als percentage van de

totale stedelijke massa gepresenteerd. De stadswijken bestaan voor minimaal 13% tot maximaal 41%

uit verharde materialen. Het grootste gedeelte van het verharde oppervlak bestaat uit autowegen,

fietspaden en voetpaden. De stadswijken Geuzenveld en Couperusbuurt bevatten private verharde

tuinen, waardoor het percentage mogelijk in de toekomst kan veranderen. Het verhard oppervlak is de

grootste veroorzaker van het Urban Heat Island, door de zware materiaal massa en relatief kleine sky

view factor.

Figuur 4.8. Verhard oppervlak geselecteerde stadswijken als percentage van de totale stedelijke massa.

Bebouwd oppervlak In figuur 4.9 is het bebouwde oppervlak van de geselecteerde wijken als percentage van de totale stedelijke massa beschreven. De stadswijken bestaan voor minimaal 32% tot maximaal 54% uit bebouwd oppervlak. Daardoor is het onderscheid tussen het totale percentage aan bebouwd oppervlak in de stadswijken relatief klein. Een groot deel van het bebouwde oppervlak zorgt voor een versterking van het Urban Heat Island effect, maar de noordkant daarentegen zorgt voor een vermindering. De noordkant ligt in de schaduw, waardoor de oppervlaktetemperatuur van het dak en/ of de gevel in de zomer onder de luchttemperatuur ligt. De stadswijken onderscheiden zich wel in dichtheid en type bebouwing. Voornamelijk het tuindorp en de tuinsteden bestaan uit relatief minder bebouwing. Tot slot komt hoge bebouwing niet veel voor in de stadswijken.

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Nieuwendam

De aker

Da costabuurt

Geuzenveld

Couperusbuurt

Bijlmer centrum

Hoofddorpplein buurt

Sloterdijk 1

Zuidas

Percentage van de totale stedelijke massa (%)

Gesele

cte

erd

e s

tad

sw

ijken

Loofbos oppervlak

Gras oppervlak

Water oppervlak

Tuin oppervlak

0% 10% 20% 30% 40% 50%

De aker


Nieuwendam

Bijlmer centrum

Da costabuurt

Couperusbuurt

Geuzenveld

Sloterdijk 1

Zuidas


Gesele

cte

erd

e s

tad

sw

ijken

Tuin oppervlak

Verhard oppervlak

Infra oppervlak

| 39

Figuur 4.9. Bebouwd oppervlak geselecteerde stadswijken als percentage van de totale stedelijke massa.

4.2.3 Oppervlakte vergelijking stadswijken Figuur 4.10 laat de rangschikking van de gebundelde oppervlakte vergelijking van de drie geanalyseerde categorieën zien.

Figuur 4.10. Gebundelde oppervlakte vergelijking van de drie geanalyseerde categorieën.

Met behulp van de rangschikking wordt een totale onderverdeling gemaakt voor het gebruik van PV-panelen tussen de drie stadswijken met de hoogste potentie, de drie stadswijken met een redelijke potentie en de drie stadswijken met de laagste potentie.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Couperusbuurt

Geuzenveld

Nieuwendam

Bijlmer centrum

De aker

Da costabuurt

Sloterdijk 1

Zuidas



Gesele

cte

erd

e s

tad

sw

ijken

Noordkant dak oppervlak laagbouw

Footprint laagbouw

Noordkant gevel oppervlak laagbouw

Gevel oppervlak laagbouw

Footprint hoogbouw

Noordkant gevel oppervlak hoogbouw

Gevel oppervlak hoogbouw

| 40

De eerste drie stadswijken hebben de hoogste prioriteit voor het gebruik van PV-panelen:

- De hoogste prioriteit ligt bij het bedrijventerrein Sloterdijk 1. Dit is voornamelijk te wijten aan de hoeveelheid bruikbaar dakoppervlak, maar ook door de verharde stedelijke massa. Echter, zorgt de hoogbouw aan de westkant voor een paar grote windstille gebieden.

- Da Costabuurt heeft een hoge prioriteit, door de hoge dichtheid en platte daken is er veel bruikbaar dakoppervlak. Er zijn veel oppervlaktes die zorgen voor kleine windstille gebieden. Dit zijn voornamelijk bomen in de tuinen en de schuine daken dwars op de windrichting. Als laatste is er redelijk wat verharde stedelijke massa aanwezig

- De stadswijk Hoofdorppleinbuurt heeft een hoge prioriteit, door veel verharde stedelijke bebouwing, veel bruikbaar dakoppervlak en lage obstakels die voor windstille gebieden zorgen. De groene private tuinen compenseren een deel van de verharde stedelijke materialen.

De volgende drie stadswijken hebben een redelijke prioriteit voor het gebruik van PV-panelen:

- De VINEX-wijk de Akker heeft veel privaat groen tuinoppervlak, waardoor het gebied relatief minder stedelijk massa heeft. De bomen en schuine daken belasten de windsnelheid in minder mate, waardoor de windsnelheid in het gebied vaak normaal is. Echter, bestaat de wijk uit schuine dakpannen daken. Hierdoor valt de bruikbare hoeveelheid dakoppervlak tegen.

- Het zakendistrict de Zuidas heeft relatief veel verhard oppervlak en bebouwd oppervlak. Het bebouwd oppervlak bestaat voor groot deel uit gevel oppervlak, waardoor er relatief minder dakoppervlak bruikbaar is. De windsnelheid in het gebied wordt versterkt en vertraagd door de hoge bebouwing, waardoor het beschikbaar dakoppervlak belemmerd kan worden.

- De arbeiderswijk Couperustbuurt heeft nog redelijk wat verharde stedelijke massa. De schuine daken zorgen echter voor een redelijke beperking van het beschikbare dakoppervlak. Er zijn nauwelijks windstille gebieden, doordat de schuine daken niet loodrecht op de westelijke windrichting staan en de open opzet van de wijk een lage ruwheid tot gevolg heeft.

De laatste drie stadswijken hebben de laagste prioriteit voor het gebruik van PV-panelen:

- De arbeiderswijk het Geuzenveld wordt voornamelijk gekenmerkt door de vele bomen, die zorgen voor veel windstille gebieden. Er is relatief weinig verharde stedelijk massa, door de grasvelden. Doordat veel schuine daken op het zuiden georiënteerd zijn is er relatief weinig dakoppervlakte bruikbaar voor PV-panelen.

- De woonwijk Bijlmercentrum heeft redelijk wat verharde stedelijke massa, door de hoeveelheid geveloppervlak van de woonflats. De platte daken zijn redelijk geschikt om PV-panelen te gebruiken, doordat de laagbouw veel schaduw van de hoogbouw ontvangt. Het aantal windstille gebieden is beperkt door de open opzet van de wijk. Daarbij staan de flats parallel aan de westelijk windrichting.

- De woonwijk Nieuwendam is omgeven door groen en water. Veel groen bevindt zich in de ruim opgezette private voor- en achtertuinen, waardoor er relatief weinig verharde stedelijke massa aanwezig is. Het aantal windstille gebieden door de tuinen is redelijk, maar door de open opzet is dit effect beperkt. Het beschikbare dakoppervlak is relatief aan de lage kant, omdat het gebied volledig bestaat uit schuinen daken. De zuidgeoriënteerde daken kunnen maar aan één kant van het dak gebruikt worden voor PV-panelen.

4.2.4 Stedebouwkundig plan De rekenresultaten (dak massa, windsnelheid en PV-opstelling) en de stedebouwkundige analyses ondersteunen de vergelijking van de stadswijken. Uit de vergelijking zijn het meest geschikte bedrijventerrein en de woonwijk uitgewerkt in het stedebouwkundig plan. De geschiktheid van de daken wordt geanalyseerd met behulp van Zonatlas data. Voor ieder dak toont Zonatlas de geschiktheid voor energieomzetting. Door de combinatie van weerdata, invallende zonnestraling, hellingshoek van de daken (schuine daken) en de schaduwsituatie kan een en zeer nauwkeurige indicatie gegeven worden. Zo wordt ook een onderscheid in dak massa meegenomen tussen platte bitumen daken en schuine dakpannen daken, want schuine daken ontvangen minder zonnestraling. Daarnaast wordt er ook gekeken naar daken met een lagere windsnelheid. Dit wordt gedaan door de ruwheid op dak hoogte te analyseren, zoals hoger gelegen daken (platte of schuine daken) en bomen. De recirculatie gebieden zijn geselecteerd met behulp van de vuistregel voor wind rondom een gebouw, die gevonden kan worden in appendix A9.

| 41

Uiteindelijk zijn de oppervlakte analyses met elkaar vergeleken, waarmee geschikte gebieden zijn gerangschikt op basis van potentie. Bij de hoogste en redelijke potentie wordt een keuze gemaakt voor het gebruik van een type PV-paneel opstelling.

Het bedrijventerrein Sloterdijk 1 Het bedrijventerrein Sloterdijk 1 bestaat voornamelijk uit platte laagbouw daken, waarvan sommige bestaan uit ‘shed’ daken. Aan de westkant van het gebied staat hoogbouw en in het midden ligt een weg met vier bomenrijen. De analyse van het beschikbare dakoppervlak laat zien dat voor een aantal daken onvoldoende data beschikbaar was om een betrouwbare indicatie te geven (zie figuur 4.11). Daarnaast liggen een aantal daken voor het grootste deel van de dag in de schaduw door de nabij gelegen hoogbouw. Deze daken zijn gemarkeerd als ongeschikt voor het gebruik van PV-panelen. Door de beperkte directe zonnestraling zal de oppervlaktetemperatuur van de ongeschikte daken ook niet ver boven de luchttemperatuur komen. De ongeschikte daken bevinden zich voornamelijk aan de westkant van de stadswijk, omdat die uit een combinatie van hoog- en laagbouw bestaat. De daken gemarkeerd als geschikt liggen verspreid over het gebied en ontvangen iets minder directe zonnestraling door obstructie van bomen en/ of nabijgelegen hoogbouw. De ‘shed’ daken zijn ook gemarkeerd als geschikt, doordat minder bruikbaar dakoppervlak beschikbaar is. Het grootst deel van de daken valt in de categorie zeer geschikt. Het merendeel van de zeer geschikte daken ligt in het midden en aan de oostkant van het gebied. Dit zijn platte daken, die niet of nauwelijks beïnvloed worden door omliggende bebouwing en/ of bomen.

Figuur 4.11: Analyse beschikbare dakoppervlak op het bedrijventerrein Sloterdijk 1, Amsterdam. De analyse van de oppervlakte ruwheid (zie figuur 4.12) in het gebied laat zien dat de wind (richting westzuidwest) voornamelijk schuin over de stedelijke massa heen gaat. Verder wordt de windsnelheid het meest beïnvloed door de hogere bebouwing aan de westkant. De wind wordt verder nog geblokkeerd door een aantal uitstekende lage gebouwen en de bomen rijen in het midden van het gebied. Echter kan verwacht worden dat de windsnelheid over het algemeen niet heel erg af zal nemen door de laagbouw en de bomen. De recirculatie windzones zijn met rood gemarkeerd. Uit de rekenresultaten kan afgeleid worden, dat lage windsnelheiden leiden tot een toename van de warmtestroom. Daarom is het gebruik van PV-panelen binnen de recirculatie windzones niet wenselijk. Zoals verwacht bevinden de recirculatie (windstille) gebieden zich voornamelijk aan de westkant van het gebied.

| 42

Figuur 4.12: Analyse oppervlakte ruwheid in wijk Sloterdijk 1, Amsterdam. Na het samenvoegen van de zonnestraling en de oppervlakte ruwheid analyses is de selectie van de daken uitgewerkt waar het gebruik van PV-panelen gewenst is (zie figuur 4.13). De groene daken hebben veel potentie. Ze worden gekenmerkt door veel zonnestraling, weinig schaduw en een normale windsnelheid. De gele daken hebben voldoende potentie, ondanks dat sommige eigenschappen iets minder voordelig zijn. De rode daken hebben weinig tot geen potentie, doordat de meeste eigenschappen niet voordelig zijn. Tot slot is voor de grijze daken onvoldoende data beschikbaar om een juiste indicatie te geven.

Figuur 4.13: Analyse potentie dakoppervlakte in wijk Sloterdijk 1, Amsterdam.

| 43

In het stedebouwkundig plan worden de daken met voldoende- en veel potentie gebruikt voor PV-

panelen (zie figuur 4.14). Verder is er gekozen voor de oost en west PV-paneel opstelling. Uit de

rekenresultaten is af te leiden, dat deze opstelling een lagere totale warmtestroom reductie heeft dan

de zuid PV-paneel opstelling. Echter, zou de piekwarmtestroom belasting van de zuid PV-paneel

opstelling zorgen voor een belemmering van de werkzaamheden overdag. De geschikte daken zijn

gemarkeerd in het zwart en de ongeschikte daken in het grijs.

Figuur 4.14: Gebruik type PV-paneel opstelling in wijk Sloterdijk 1, Amsterdam.

De woonwijk Da Costabuurt De woonwijk Da Costabuurt bestaat voornamelijk uit platte daken. Aan de zuidkant van het gebied zijn de meeste schuine daken te vinden. De bomen zijn verspreid over het gebied en staan in de private tuinen en aan de noordkant van het gebied.

Figuur 4.15: Analyse beschikbare dakoppervlak in wijk Da Costabuurt, Amsterdam.

| 44

De analyse van het beschikbare dakoppervlak (zie figuur 4.15) laat zien dat bij deze wijk ook voor een aantal daken onvoldoende data beschikbaar was om een betrouwbare indicatie te geven. Daarnaast liggen de meeste woonbootdaken voor het grootste deel van de dag in de schaduw door de nabij gelegen bebouwing. Deze daken zijn gemarkeerd als ongeschikt voor het gebruik van PV-panelen. De daken gemarkeerd als geschikt bevinden zich voornamelijk aan de zuidkant van het gebied, doordat schuine daken minder directe zonnestraling ontvangen en bestaan uit dakpannen (de rekenresultaten modelleren een lagere reductie van de warmtestromen bij dakpannen). De overige geschikte platte daken krijgen iets minder directe zonnestraling door schaduw van omliggende bebouwing en/of bomen. Het grootst deel van de daken valt in de categorie zeer geschikt en ligt verspreid over het gebied. De analyse van de oppervlakte ruwheid (zie figuur 4.16) in het gebied laat zien dat de wind (richting westzuidwest) voornamelijk loodrecht over de stedelijke massa heen gaat. De meeste ruwheid bevindt zich aan de zuidkant van het gebied, waar de schuine daken loodrecht op de windrichting zijn georiënteerd. Verder zorgen de bomen in de tuinen verspreid over het gebied voor een ruwheid van het oppervlak. De bootdaken in het midden van het gebied liggen volledig in een recirculatie windzone, door de omliggende bebouwing. Het gebied bevat geen extreem grote obstakels, zoals bij het bedrijventerrein Sloterdijk 1 wel het geval is. De recirculatie windzones (windstil) zijn met rood gemarkeerd.

Figuur 4.16: Analyse oppervlakte ruwheid in wijk Da Costabuurt, Amsterdam.

Na het samen voegen van de zonnestraling en de oppervlakte ruwheid analyses is de selectie van de daken uitgewerkt waar het gebruik van PV-panelen gewenst is (zie figuur 4.17). De groene daken hebben veel potentie. Ze worden gekenmerkt door veel zonnestraling, weinig schaduw en een normale windsnelheid. De gele daken hebben voldoende potentie, ondanks dat sommige eigenschappen iets minder voordelig zijn. De rode daken hebben weinig tot geen potentie, doordat de meeste eigenschappen niet voordelig zijn. Voor de grijze daken is onvoldoende data beschikbaar om een juiste indicatie te geven. Tot slot worden door de vertraging van de windsnelheid, minder zonnestraling en dakpannen dakbedekking de schuine daken als ongeschikt beoordeeld.

| 45

Figuur 4.17: Analyse potentie dakoppervlakte in wijk Da Costabuurt, Amsterdam. In het stedebouwkundig plan (zie figuur 4.18) is gekozen voor de zuid PV-paneel opstelling, deze

opstelling heeft de hoogste totale warmtestroom reductie (zie rekenresultaten). Echter, zorgt de

piekwarmtestroom voor een tijdelijke verhoging in de ochtend. De belemmering van deze

piekwarmtestroom wordt op minimaal geschat, omdat het om een woonwijk gaat waar de meest

bewoners vroeg in de ochtend en in de avond aanwezig zijn. De geschikte daken zijn gemarkeerd met

zwarte strepen in zuidelijke richting en de ongeschikte daken in het grijs.

Figuur 4.18: Gebruik type PV-paneel opstelling in wijk Da Costabuurt, Amsterdam.

| 47

5 Evaluatie

5.1 Conclusie In deze alinea wordt antwoord geven op de geformuleerde onderzoek vraag uit de inleiding: Hoe kunnen PV-panelen gebruikt worden voor het reduceren van het Urban Heat Island effect in Nederland? De onderzoeksvraag is gericht op het gebruik van PV-panelen om het verminderen van het Urban Heat Island effect zo optimaal mogelijk te verkleinen en of het mogelijk is dit met PV-panelen te realiseren. De ontwikkelde rekenmethode heeft als doel het modeleren van PV-paneel opstelling op het dak voor een tropische zomerdag op de langste dag van het jaar (21 juni). Met de rekenmethode zijn zes verschillende scenario’s gemodelleerd. Wanneer een PV-paneel toegevoegd wordt aan een niet beschaduwde bitumendakbedekking. Treed een verlaging van de warmteoverdrachtcoëfficiënten en oppervlaktetemperaturen op. Dit leidt tot een reductie van de totale en piek (gevoelige) warmtestroom naar de stedelijke atmosfeer en daarmee ook het Urban Heat Island. De verandering bij de warmtestromen is toe te wijzen aan de hogere reflectiewaarde (lagere 𝛼-waarde kortgolvige straling), de energie omzetting en de schaduwwerking op de onderliggende dakbedekking na het gebruik van een PV-paneel in vergelijking met bitumen. Wanneer de niet beschaduwde dakbedekking als vergelijking wordt gebruik, wordt de hoogste totale warmtestroom reductie (49%) gehaald bij het gebruik van een plat PV-paneel boven een betonnen dakbedekking. Daarbij wordt een piekwarmtestroom reductie van 25% gehaald. Bij een bitumendakbedekking is de reductie voor beide warmtestromen 13% en voor een schuine dakpannen bedekking is de reductie 7% en 0% (zie figuur 4.4). Verder zorgt een minimale windsnelheid van 0,2 m/s bij het gebruik van een plat PV-paneel voor een totale wamtestroomverhoging van 2% en een piekwarmestroomverhoging van 4%. De normale windsnelheid van 2,5 m/s zorgt voor een reductie van 13% op beide warmtestroomtypen. De maximale windsnelheid zorgt voor een reductie van 4% op beide warmtestroomtypen (zie figuur 4.3). Tot slot geeft een oost en west PV-paneel opstelling boven een bitumen dak voor een totale warmtestroom reductie van 18% en piekwarmtestroom van 22%. Een zuid PV-paneel opstelling levert een reductie van 22% op de totale warmtestroom. Echter, heeft de piekwarmtestroom een verhoging van 29% in de ochtend (zie figuur 4.2). Vervolgens zijn met het ontwikkelde beslismodel negen stadswijken geanalyseerd, waarvan een bedrijventerrein en woonwijk met de hoogste potentie voor het gebruik van PV-panelen gedetailleerder zijn uitgewerkt. De voorwaarden voor deze potentie bestaan uit de intensiteit van het Urban Heat Island, de oppervlakte ruwheid en de hoeveelheid bruikbaar dakoppervlak. Alle stadswijken bestaan voor meer dan de helft uit verwarmende stedelijke massa, waardoor ze een bijdrage leveren aan het Urban Heat Island effect. Meer dan de helft van de stadswijken bestaat helemaal of voor een deel uit schuine dakpannen daken, wat het gebruik van PV-panelen een stuk minder aantrekkelijk maakt. Bij de meeste stadwijken zorgen bomen en schuine daken voor de een beperkte oppervlakte ruwheid op dak hoogte, maar bij sommigen stadswijken heeft hoogbouw een grote invloed op de geschiktheid van het dakoppervlak. De stadswijken Sloterdijk 1, Da Costabuurt en Hoofddorpplein buurt hebben de hoogste potentie voor het gebruik van PV-panelen, omdat een groot percentage aan platte daken beschikbaar is en er relatief weinig groen en wateroppervlak aanwezig is. Daarnaast hebben de stadswijken de Aker, Zuidas en Couperusbuurt een redelijke potentie voor het gebruik van PV-panelen. Voor deze wijken is minder bruikbaar dakoppervlak beschikbaar en meer groen en wateroppervlak aanwezig. De stadswijken

| 48

Geuzenveld, Bijlmercentrum en Nieuwendam hebben de laagste potentie voor het gebruik van PV-panelen. Ze bestaan voor een groot deel uit groen en wateroppervlak en hebben een beperkte hoeveelheid aan bruikbaar dakoppervlak. Tot slot laten de uitgewerkte stadswijken met behulp van het beslismodel positieve resultaten zien voor een reductie van het Urban Heat Island met PV-panelen. Doordat na een evaluatie van de zonnestraling, schaduw en oppervlakte ruwheid het merendeel van de daken in de uitgewerkte stadswijken gebruikt kunnen worden voor reducerende PV-panelen.

5.2 Discussie De thesis sluit af met een discussie en aanbevelingen voor toekomstig onderzoek.

5.2.1 Validatie Het validatie model berekent een overeenkomstig temperatuurverloop als de referentie metingen (zie figuur 3.1 en 3.2). De waarneembare verschillen zijn: - Hogere PV-paneel oppervlaktetemperatuurverloop - Lagere dak oppervlaktetemperatuurverloop - Lagere piek oppervlaktetemperatuur dak De hogere oppervlaktetemperaturen van het PV-paneel kan het gevolg zijn van de te lage warmteoverdracht coëfficiënten. Daarbij gaat het gemodelleerde model uit van een gemiddelde constante windsnelheid uit het westen. Bij de metingen is de windsnelheid variabel en komt uit verschillende windrichtingen. De lagere oppervlaktetemperaturen van het dak en de vertraging van de piektemperatuur aan het einde van de dag kan veroorzaakt worden door beperkte informatie over de precieze dakopbouw van de gemeten locatie. De massa opbouw van het gemodelleerde dak zorgt voor een grotere massatraagheid dan de bij de gemeten situatie. In het onderzoek van Scherba et al. (2011) levert het gebruik van schuine op het zuiden georiënteerde PV-panelen op een bitumen dak een totale warmtestroom reductie van 11% op gedurende een warme zomerdag. De gemodelleerde resultaten uit dit onderzoek hebben hogere reductie percentages. Een plat PV-paneel resulteert in een reductie van 13% wat wel in de buurt ligt van het percentage uit het onderzoek van Scherba et al. (2011). Echter, resulteren een schuin zuid georiënteerd PV-paneel (22%) en schuine op het oosten en westen georiënteerde PV-panelen (18%) in hogere percentages. Los van het verschil in zonnestraling tussen de locatie van dit onderzoek en de onderzochte locatie van Scherba et al. (2011)is dit hoogstwaarschijnlijk ook een gevolg van de opbouw van een schuine geometrie in het simulatieprogramma VOLTRA. Door versimpeling van een schuine geometrie opgesplitst in blokken ontvangt de geometrie mogelijk minder straling, waardoor de oppervlaktetemperaturen (en daarmee ook de warmtestromen) lager uitvallen. Deze observatie wordt versterkt, doordat het model van een plat PV-paneel dichter bij de resultaten uit het andere onderzoek komt. De groen en wateroppervlak percentages van de geselecteerde stadswijken liggen gemiddeld gezien hoger dan de gegeneraliseerde eigenschappen van de wijktypologieën, dit komt waarschijnlijk doordat het oppervlak van private tuinen ook meegenomen is in de beoordeling van de geselecteerde stadswijken. Verder hebben de stadswijken in Amsterdam waarschijnlijk een hoger percentage aan wateroppervlak in vergelijking met andere Nederlandse steden.

5.2.2 Beperkingen Het onderzoek focust zich op het berekenen van gevoelige warmtestromen van zes verschillende dak

scenario’s naar de atmosfeerwaarbij gekeken is naar de invloed op een tropische zomerdag in juni. De

rekenmethode is ontwikkeld voor vergelijkingen tussen de zes verschillende dak scenario’s, waarbij het

niet mogelijk is om de directe invloed op de stedelijk luchttemperatuur te voorspellen. Daarvoor moeten

de warmstromen meegenomen worden in een atmosferisch rekenmodel op meso schaal, die vervolgens

de invloed op de luchttemperatuur in de UBL modelleert. Een nauwkeurige analyse van de invloed op

het Urban Heat Island effect was een doel van het onderzoek, maar het is niet realistisch gebleken om

het doel binnen dit onderzoek te realiseren. Het paste niet binnen het tijdsframe en de beschikbare

kennis tijdens het onderzoek.

| 49

Het onderzoek focust zich op het gebruik van PV-panelen voor een reductie van het Urban Heat Island effect en vergelijkt de oplossing niet met andere oplossingen (groene/ witte daken). Uit het onderzoek van Scherba et al. (2011) blijkt dat PV-panelen niet het meest effectieve bestrijdingsmiddel tegen het Urban Heat Island effect zijn. Echter, geeft het onderzoek van Salamanca et al. (2016) juist een voorkeur aan PV-panelen in vergelijking met de reductie van witte daken. PV-panelen zouden het Urban Heat Island sterker reduceren gedurende de nacht, wanneer de gevolgen het extreemst zijn. Binnen het onderzoek is gekeken naar PV-panelen op de daken, omdat ze in de huidige situatie het meest gebruikt worden op daken. Wanneer de PV-panelen boven stedelijke materialen met zwaarder massa’s komen te hangen kan mogelijk een veel grotere reductie bereikt worden. De geraadpleegde GIS-data (top10NL, Zonatlas) komt vaak niet helemaal overheen met de werkelijk situatie in de geanalyseerde wijken. Bomen op de stoep worden daarnaast in de GIS-data niet meegenomen, waardoor de invloed hiervan niet meegenomen is bij de stedebouwkundige analyses. Door het multidisciplinaire onderzoek (stedebouw en bouwfysica) is de keuze gemaakt om alleen de stad Amsterdam te analyseren. Het analyseren van meer steden zou een tijd intensieve taak zijn, waardoor afronden van het onderzoek binnen het afstudeertraject in gevaar zou komen. Voor een nauwkeurigere generalisatie van de ontwerprichtlijnen zou het goed zijn om het beslismodel toe te passen op andere wijken in Nederlandse steden. Bij de analyse van de oppervlakte ruwheid van het gebied is gebruik gemaakt van een vuistregel voor de windsnelheid (Bottema, 1993), waardoor het recirculatie (windstille) gebied een grove schatting is van de werkelijkheid.

5.2.3 Aanbevelingen Een gewenste vervolg stap voor de rekenmethode is het koppelen van het gebouwenergiemodel aan een meso meteorologisch model, waarmee de directe invloeden op het Urban Heat Island kunnen worden onderzocht. Succesvolle koppelingen kunnen gevonden worden in het onderzoek van Masson et al. (2014) en Salamanca et al. (2016). Het gebruik van drie rekenprogramma’s (VOLTRA, PHOENICS en EXCEL) vertraagt de simulatie snelheid van de rekenmethode. Bij toekomstig onderzoek kan gekeken worden naar alternatieve rekenprogramma’s. Een mogelijke uitkomst is het programma COMSOL en/ of volledige modellering in het programma PHOENICS. Binnen het geraadpleegde energiebalans programma (VOLTRA) is het niet mogelijk om schuine geometrie te modelleren, waardoor gebruik is gemaakt van een vereenvoudigd oppervlak bestaande uit blokken.

Figuur 5.9: Illustratie nauwkeurigheid schuine geometrie PV-paneel opstellingen.

De rekenresultaten, worden waarschijnlijk nauwkeuriger wanneer het grid van de schuine panelen nog verder verdeeld wordt in kleinere blokken (zie figuur 5.9). Binnen dit onderzoek is hier niet voor gekozen, omdat het een erg tijd intensieve methode is. Het is aan te raden om bij toekomstig onderzoek na te gaan of er nauwkeurigere GIS-data beschikbaar is.

| 50

Voor een generalisatie van de ontwerprichtlijnen is het aan te raden om het onderzoeksgebied uit te breiden naar andere Nederlandse steden. Voor een nauwkeurigere benadering van de oppervlakte ruwheid is het aan te raden om de wijken te simuleren in een CFD-simulatie programma, mits daar voldoende tijd voor beschikbaar is. Tot slot is binnen het onderzoek is gekeken naar PV-panelen op de daken, omdat ze in de huidige

situatie het meest gebruikt worden op daken. Er zijn echter nog veel meer mogelijkheden waar panelen

toegepast kunnen worden. Door de grote massa opslageigenschappen van bestrating en bakstenen

gevels heeft het gebruik van PV-panelen boven andere stedelijke oppervlakte veel potentie.

| 51

Referenties Bibliografie Abraham-Reynolds, S. K. O., & Shadmanfar, D. (2014). Green roof integrated photovoltaic system

versus conventional photovoltaic system. . (BSc.), Hogeschool Rotterdam, Rotterdam.

Bjrake Ingels Group, B. (2015). Hot to cold. Denmark: Taschen.

Bottema, M. (1993). Wind climate and urban geometry. s.n.], [S.l. :. WorldCat.org database.

Döpp, S. (2011). Kennismontage: Hitte en Klimaat in de Stad. Retrieved from TNO-publicatie:

Erell, E., Pearlmutter, D., & Williamson, T. J. (2011). Urban microclimate : designing the spaces between buildings Retrieved from WorldCat.org database Retrieved from Ebook Library http://public.eblib.com/choice/publicfullrecord.aspx?p=624253 Retrieved from Ebook Library http://public.eblib.com/choice/publicfullrecord.aspx?p=624253

Heusinkveld, B. G., Steeneveld, G. J., Hove, L. W. A., Jacobs, C. M. J., & Holtslag, A. A. M. (2014). Spatial variability of the Rotterdam urban heat island as influenced by urban land use. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 119(2), 677-692.

Hoyois, P., Scheuren, J.M., Below R., Guha-Sapir, D. (2007). Annual disaster statistical review: numbers and trends 2006. Retrieved from

Kim, Y. H., & Baik, J. J. (2004). Daily maximum urban heat island intensity in large cities of Korea. Theoretical and Applied Climatology, 79(3-4), 151-164.

Kleerekoper, L. (2016). Urban Climate Design: Improving thermal comfort in Dutch neighbourhoods.

Lenzholzer, S., & Lahr, M. (2013). Het weer in de stad : hoe ontwerp het stadsklimaat bepaalt. Rotterdam :: nai010 uitgevers.

Masson, V. r., Bonhomme, M., Salagnac, J.-L., Briottet, X., & Lemonsu, A. (2014). Solar panels reduce both global warming and urban heat island. Frontiers in Environmental Science, 2.

Metz, B., & Intergovernmental Panel on Climate, C. (2007). Climate change 2007 mitigation of climate change : contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Retrieved from WorldCat.org database

Middel, G. (2002). TOP 10 data set P1661. Topografische-Dienstafische-Dienst, Data Archiving and Networked Services.

Nijs, T. d., & Rijksinstituut voor Volksgezondheid en, M. (2002). Vier scenario's van het landgebruik in 2030 : achtergronddocument bij de nationale natuurverkenning 2, 2000-2030. Bilthoven :: RIVM.

Oke, T. R. (1982). The energetic basis of the urban heat island. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 108(455), 1-24.

Oke, T. R. (1987). Boundary layer climates (2nd ed. ed.). London ;: Methuen.

Palmer, T., & Hagedorn, R. (2006). Predictability of weather and climate Retrieved from WorldCat.org database

Pijpers-van Esch, M. M. E. (2015). Designing the Urban Microclimate: A framework for a design-decision tool for the dissemination of knowledge on the urban microclimate to the urban design process. Retrieved from Item Resolution URL http://resolver.tudelft.nl/uuid:db37f8c4-c32d-42d7-8462-b2208a342184 WorldCat.org database.

Salamanca, F., Mahalov, A., Moustaoui, M., Georgescu, M., & Martilli, A. (2016). Citywide Impacts of Cool Roof and Rooftop Solar Photovoltaic Deployment on Near-Surface Air Temperature and Cooling Energy Demand. Boundary-Layer Meteorology, 1-19.

| 52

Scherba, A., Sailor, D. J., Rosenstiel, T. N., & Wamser, C. C. (2011). Modeling impacts of roof reflectivity, integrated photovoltaic panels and green roof systems on sensible heat flux into the urban environment. Building and Environment, 46(12), 2542-2551.

Taha, H. (2013). The potential for air-temperature impact from large-scale deployment of solar photovoltaic arrays in urban areas. Solar Energy, 91, 358-367.

Tan, J., Zheng, Y., Tang, X., Guo, C., Li, L., Song, G., . . . Li, F. (2010). The urban heat island and its impact on heat waves and human health in Shanghai. International journal of biometeorology, 54(1), 75-84.

Van der Hoeven, F. D., & Wandl, A. (2013). Amsterwarm: Gebiedstypologie warmte-eiland Amsterdam. Retrieved from WorldCat.org database. Delft University of Technology, Faculty of Architecture.

Research: The impact of solar panels on the Urban Heat Island effect (Dutch)

Environment

Transcript of Research: The impact of solar panels on the Urban Heat Island effect (Dutch)