6 1 2014 BOUWFYSICA WWW.NVBV.ORG

ir. arch. L. (Liesje) Van Gelder, KU Leuven, afdeling Bouwfysica

prof. dr. ir. arch. G.F. (Staf) Roels, KU Leuven, afdeling Bouwfysica

prof. dr. ir. arch. G.R.M.W. (Griet) Verbeeck, UHasselt, Onderzoeks-groep ARCK

ir. L.H.F. (Liesbeth) Staepels, KU Leuven, afdeling Bouwfysica

INLEIDINGOm de klimaatverandering te beperken worden steeds strengere eisen gesteld aan onder meer het energiegebruik van woningen [1]. Daartoe wordt het theoretisch energie-gebruik nauwgezet berekend. Toch blijkt uit veelvuldig onderzoek dat de werkelijke prestatie van deze woningen sterk kan afwijken en in realiteit dus vaak minder ener-giezuinige woningen worden gerealiseerd.

In het kader van onderzoeksproject IWT TETRA BEP2020 werd een meetcampagne uitgevoerd om het werkelijke energiegebruik en binnencomfort van recente woningen te bestuderen. Daarnaast werden ook simulaties gebruikt om diverse woningconcepten door te rekenen en daaruit robuuste energiezuinige concepten voor te stellen. In dit artikel ligt de focus op een beknopte voorstelling van dat laatste aspect. De overige onderzoeksresultaten kunnen worden teruggevonden op de site http://bep2020.pxl.be.

In dit artikel wordt eerst beschreven welke factoren de netto energiebehoefte en de maximale zomertemperatuur van energiezuinige woningen het meest beïnvloeden. Ver-volgens worden woningconcepten voorgesteld waarvan het energiegebruik en bijgevolg ook hun totaal geactuali-seerde kost op 30 jaar het meest robuust en gebruikers-onafhankelijk zijn. Deze concepten zijn immers het meest interessant om de energiebehoefte van woningen te redu-ceren aan een zo laag mogelijke kost over de levensduur van de woning.

INVLOEDRIJKE FACTORENNaast diverse ontwerpkeuzes (isolatiediktes, type ventila-tiesysteem, etc.) kunnen ook verschillende gebruikonze-kerheden, zoals bijvoorbeeld de insteltemperatuur en het ventilatiedebiet, het berekende energiegebruik sterk beïn-vloeden. Daarom werd er in de simulaties gewerkt met een probabilistische berekeningsmethodiek, waarbij kans-

verdelingen van de inputparameters worden vertaald naar kansverdelingen voor de outputparameters [2].

De invloed van zowel de ontwerpparameters als de gebruikonzekerheden werd onderzocht met behulp van dynamische simulaties voor vijf uiteenlopende woning-geometrieën. Deze simulaties werden uitgevoerd met een aan de KU Leuven ontwikkelde tool in Modelica [2]. Aangezien voor elk van deze woningen gelijkaardige resultaten worden bekomen, wordt hier slechts één van hen besproken. Het gaat om een halfopen bebouwing met een compactheid van 1,57 m, een volume van 600 m³ en 22% beglazing (ten opzichte van de gevelopper-vlakte), zie figuur 1. Er zijn enkele luifels als zonwering aanwezig.

Zowel de warmtebehoefte als de maximale temperatuur wordt bestudeerd om warmte- en koelbehoefte onder con-trole te houden.

INPUTPARAMETERS Talrijke bouwfysische ontwerpkeuzes werden meegeno-men in de studie: het type ventilatiesysteem (met of zon-der warmteterugwinning en met of zonder variabel debiet), luchtdichtheid en thermische capaciteit van het gebouw, U-waarden van dak, vloer en wanden, type beglazing en type zonwering. Voor elk van de ontwerp-keuzes werd een range van ontwerpwaarden gekozen zoals we terugvinden bij recente woningen met een theo-retisch laag tot zeer laag energiegebruik.

Om gebruikersgedrag mee te nemen in de studie wordt de verwarming in de simulatie gestuurd op basis van een aantal gebruikersprofielen voor dag en nacht en instel-temperaturen uit de meetcampagne [3]. Daarnaast is ook een range van interne winsten en ventilatiedebieten ver-ondersteld.

In het kader van onderzoeksproject IWT TETRA BEP2020 werd gezocht naar robuuste energiezuini-ge woningconcepten. Op basis hiervan worden aanbevelingen gedaan om op de meest efficiënte manier en aan de laagste kosten comfortabele woningen te bouwen die bovendien het minst beïn-vloed worden door stijgende energieprijzen en verschillen in gebruikersgedrag. Uit de studie blijkt dat, vanaf een goed isolatiepeil, vooral aandacht moet besteed worden aan luchtdichtheid en het ventilatiesysteem. Eens een goede U-waarde wordt toegepast, heeft een verdere verhoging van de isolatiedikte relatief weinig invloed. Bovendien blijkt dat de gebruiker zelf een zeer grote invloed heeft op het energiegebruik van zijn woning.

NAAR ROBUUSTE EN GEBRUIKERS-ONAFHANKELIJKE ENERGIEZUINIGE WONINGEN

20146915_BF01.indb 6 13-03-14 09:06

7BOUWFYSICA 1 2014ENERGIE EN MILIEU�

Deze inputvariaties leiden tot een brede range van zowel warmtebehoefte als maximale temperatuur [2]. Beide variabelen zijn dus sterk afhankelijk van zowel ontwerp-keuzes als gebruikonzekerheden. Welke parameters de grootste invloed uitoefenen wordt hieronder aangegeven.

WarmtebehoefteFiguur 2 en 3 tonen als voorbeeld twee spreidingsgrafi e-ken van de gesimuleerde warmtebehoefte in functie van telkens een inputparameter. De rode punten zijn de medi-anen voor de verschillende waardes van de inputparame-ter.

Figuur 2 toont de invloed van de insteltemperatuur op de warmtebehoefte. Deze insteltemperatuur heeft een zeer grote invloed en een klein verschil in deze temperatuur kan dus leiden tot een groot verschil in energiegebruik. Daarnaast toont fi guur 3 een blijkbaar minder belangrijke ontwerpkeuze: de U-waarde van de gevel. Belangrijk is wel hierbij op te merken dat enkel goed tot zeer goed geïsoleerde gevels bestudeerd zijn. Eens een goede U-waarde wordt toegepast voor de scheidingscomponen-ten, namelijk kleiner dan 0,3 W/m²K, heeft een verdere verbetering vrijwel geen invloed meer.

Op deze manier werden alle parameters onderzocht. Hier-uit bleek dat de meest invloedrijke ontwerpkeuzes voor warmtebehoefte het ventilatiesysteem (met warmteterug-winning) en de luchtdichtheid zijn. De U-waarde van de ramen heeft in mindere mate ook nog een signifi cante invloed. De insteltemperaturen, het ventilatievoud en de interne winsten blijken daarnaast de meest invloedrijke gebruikonzekerheden. Vaak zijn deze zelfs belangrijker dan de ontwerpparameters.

Maximale temperatuurAnaloog aan de warmtebehoefte toont fi guur 4 een sprei-dingsgrafi ek van de gesimuleerde maximale temperatuur ten opzichte van een inputparameter, hier de constructie-

wijze. De maximale temperatuur in een houtskeletbouw-woning blijkt vaak hoger te zijn dan in een massief-woning. Aangename temperaturen zijn uiteraard ook mogelijk in een houtskeletbouw woning, maar dan moet er zeker voldoende aandacht worden besteed aan het voorkomen van oververhitting. Verder blijken de zonwe-ring en de g-waarde van de ramen invloedrijke ontwerp-keuzes. De interne winsten zijn ook hier van grote invloed.

ROBUUSTE OPLOSSINGENUit de hierboven beschreven resultaten blijkt dat bij een goed geïsoleerde woning kiezen voor een goede lucht-dichtheid en warmteterugwinning voor het ventilatiesys-teem de netto energiebehoefte voor verwarming sterker

1a

2

1b

3

4

Woningmodel

Spreidingsgrafi ek warmtebehoefte in functie van insteltempera-tuur in de leefzone

Woningmodel

Spreidingsgrafi ek warmtebehoefte in functie van U-waarde gevel

Spreidingsgrafi ek maximale temperatuur in functie van construc-tiewijze

20146915_BF01.indb 7 13-03-14 09:06

8 1 2014 BOUWFYSICA WWW.NVBV.ORG

De rode optie heeft een lagere netto energiebehoefte dan de blauwe en is ook robuuster, aangezien de spreiding kleiner is. Doorgaans heeft de rode optie ook een lagere kost, en is ook die robuuster. Verder blijkt dat de blauwe optie een te warm binnenklimaat zal veroorzaken. Daar-om wordt deze uitgesloten als zinvolle keuze.

ResultatenUit figuren 5, 6 en 7 blijkt dat sommige ontwerpopties lagere energiebehoeftes en lagere kosten met zich meebren-gen dan andere en dat ook de spreidingen sterk verschil-len. Er werd dus onderzocht welke opties leiden tot die lage netto energiebehoeftes en totale geactualiseerde kos-ten met een kleine spreiding en een comfortabel binnenkli-maat. Deze opties zijn immers het meest interessant om toe te passen om enerzijds de energiebehoefte te doen dalen aan een zo laag mogelijke kost en daarnaast ook meer zekerheid te hebben over wat deze kost zal zijn.

Voor elke woning werden de mediaanwaarden bestudeerd zoals in figuur 8. Elk van de 172.800 ontwerpopties wordt hierin voorgesteld door een punt dat de mediaan van de netto energiebehoefte en de totale geactualiseerde kost aanduidt. Er is dus 50% kans op een waarde lager in deze figuur en 50% kans op een waarde hoger. De grijze punten zijn die punten waarvoor er in figuur 7 de kans bestaat dat 28°C wordt overschreden, wat we veronderstellen als grens om koeling te vermijden. Deze grijze ontwerpopties zijn dus zeker geen optimale ontwerpkeuze. Van de overblij-vende ontwerpopties kan het Paretofront worden berekend, wat wordt aangeduid door de rode punten. Een Paretofront bevat in deze context alle comfortabele ontwerpopties met een lage netto energiebehoefte en een lage totaal geactuali-seerde kost. Daarnaast werd ook de spreiding op deze opti-male resultaten bekeken. De spreiding daalt bij dalende netto energiebehoefte of dalende totale geactualiseerde kost. De rode punten zijn dus de meest robuuste oplossin-gen, omdat deze waarden zo laag mogelijk zijn en ook een grotere betrouwbaarheid hebben.

Wanneer wordt bestudeerd welke ontwerpwaarden dit front bevat, blijkt vooral het type ventilatiesysteem (geba-lanceerd met maximale warmteterugwinning en indien mogelijk variabel debiet) belangrijk om de netto energie-behoefte voor verwarming en ventilatoren te doen dalen en de constructiewijze (massiefbouw) om de kost te beperken.

zal doen dalen dan kiezen voor extra isolatie. Een massieve constructie en zonwering zullen bijdragen tot een aangenaam binnenklimaat.

Om dit verder te ondersteunen werd onderzoek gedaan naar robuuste kostenefficiënte oplossingen die dus zo min mogelijk invloed ondervinden van de verschillende gebruikonzekerheden. Er werd dus concreet gezocht naar die ontwerpkeuzes die een optimaal resultaat geven qua netto energiebehoefte voor verwarming en ventilatoren en totaal geactualiseerde kost en waarbij de spreiding hierop ook beperkt is. Daarbij moet oververhitting ook worden vermeden om de koelbehoefte te beperken. Daarnaast werd onderzocht welke optimale oplossingen robuust zijn naar gebruikersgedrag en economische toekomstscena-rio’s. De geselecteerde maatregelen moeten immers voor elke bewoner en voor elk toekomstscenario optimaal zijn, aangezien deze tijdens de levensduur van de woning kun-nen veranderen.

Voor elk van de bestudeerde woningen, worden dezelfde richtlijnen bekomen. De resultaten worden dus ook hier enkel voorgesteld voor de eerder besproken woning.

OptimalisatieOm tot richtlijnen te komen werden 172.800 ontwerp-opties per woninggeometrie met elkaar vergeleken. De ontwerpparameters die hierbij werden gebruikt, zijn eer-der beschreven.

Elk van deze ontwerpopties is onderworpen aan variaties op het ventilatiedebiet en de uitvoeringskwaliteit van iso-latie, luchtdichtheid en warmteterugwinning om zo de invloed van verschillende mogelijke fysische waardes voor deze gebruikonzekerheden mee te nemen. Daarnaast worden drie energieprijsstijgingen en drie gebruikers- profielen beschouwd.

Dit laat toe om voor elke ontwerpoptie onder invloed van de variaties, potentiële gebruikers en potentiële prijsstij-gingen een spreiding op netto energiebehoefte, totale geactualiseerde kost en maximale temperatuur te bereke-nen [4], zoals getoond in figuur 5, 6 en 7. Elke lijn stelt hierbij een ontwerpoptie voor. In het rood en blauw wor-den twee willekeurig gekozen ontwerpopties aangeduid.

5 6

Cumulatieve distributiefuncties voor netto energiebehoefte voor verwarming en ventilatoren voor 172.800 ontwerpkeuzes

Cumulatieve distributiefuncties voor totale geactualiseerde kost voor 172.800 ontwerpkeuzes

20146915_BF01.indb 8 13-03-14 09:06

9BOUWFYSICA 1 2014ENERGIE EN MILIEU•

7 8

Cumulatieve distributiefuncties voor maximale temperatuur voor 172.800 ontwerpkeuzes

Paretofront medianen netto energiebehoefte en totaal geactuali-seerde kost met in het grijs de ontwerpopties aangeduid die mogelijk leiden naar binnentemperaturen boven 28°C

Deze ontwerpwaarden zijn tevens optimaal voor de ver-schillende gebruikersprofielen en energieprijsstijgingen. Aangezien zowel energiegebruik als bijhorende kost wordt geminimaliseerd, zal uiteraard de invloed van de gebruiker of de kostprijs minder belangrijk zijn.

AANBEVELINGENUit de beschreven resultaten blijkt dat de meest robuuste en gebruikersonafhankelijke lage energiewoningen kun-nen worden bereikt met de volgende ontwerpwaarden:– een goede luchtdichtheid met een n50-waarde van 0,6

tot 1 vol/h– ventilatiesysteem D met maximale warmteterugwinning

en indien mogelijk met variabel debiet zoals CO2-stu-ring

– massieve constructie– lage U-waarden voor dak en gevel in de grootteorde

van 0,15 à 0,20 W/m²K– U-waarden vloer rond de 0,3 W/m²K– sterk isolerend glas of passief raam – zonwering om oververhitting in de zomer te vermijden

Specifieke aandacht moet daarbij vooral besteed worden aan de luchtdichtheid en het ventilatiesysteem. De U-waarden van de verliesoppervlakken bereiken hun opti-mum rond 0,2 W/m²K. Bij grotere oppervlakten wordt die U-waarde natuurlijk iets belangrijker.

Ook met andere ventilatiesystemen kunnen goede lage energiewoningen worden bekomen, zoals ook is gebleken uit de meetcampagne [5]. Het al dan niet gebruik van groene energie voor de ventilatoren, het nodige ventilatie-debiet en geluidsoverlast zijn daarbij enkele factoren die in de studie niet werden bestudeerd, maar die wel tot andere optimale ventilatiesystemen kunnen leiden.

Verder is uit de studie overduidelijk gebleken dat de gebruiker zelf een grote invloed heeft op de energiezui-nigheid van zijn woning. De thermostaat enkele graden lager zetten en uitschakelen bij afwezigheid zal dus een grote invloed hebben op de energiefactuur! De resultaten ontkrachten de mythe dat het geen nut heeft om de tem-peratuur ’s nachts of bij afwezigheid te verlagen, dat het terug opwarmen evenveel, of meer, energie kost dan een constante temperatuur aan te houden. Nacht-, of beter afwezigheidsverlaging, heeft wel degelijk zin en hoe lager de temperatuur ingesteld wordt, zowel bij aan- als afwe-

zigheid, hoe lager het energiegebruik zal zijn. Sensibilise-ring en automatisering zijn belangrijke pistes om daarop in te grijpen.

FINANCIERINGDit onderzoek werd uitgevoerd door de onderzoeksgroep Arck van het departement Architectuur van de PHL (sinds 1/10/2013 Universiteit Hasselt) en de afdeling Bouwfysica van het departement Burgerlijke Bouwkunde van de KU Leuven, gefinancierd binnen het IWT-TETRA programma.

Meer resultaten, een uitgebreid onderzoeksverslag en informatie over de partners zijn terug te vinden op de website: http://bep2020.pxl.be. n

BRONNEN [1] EPB, Besluit van de Vlaamse Regering houdende algemene bepalingen over het energiebeleid, Bijlage V Bepalingsmethode van het peil van primair energiever-bruik van woongebouwen, Belgisch Staatsblad, 8 decem-ber 2010 [2] Van Gelder, L., Janssen, H., Roels, S., Verbeeck, G., Staepels, L., Effective and robust measures for energy efficient dwellings – probabilistic determination, 13th International Building Simulation Conference, 25-28 augustus 2013, Chambéry, Frankrijk [3] Staepels, L., Verbeeck, G., Roels, S., Van Gelder, L., Bauwens, G., Evaluation of Indoor Climate in Low Energy Houses, Symposium on Simulation for Architecture and Urban Design, 7-10 april 2013, San Diego, USA [4] Van Gelder, L., Janssen, H., Roels, S., Meta- modelling in robust low-energy dwelling design, 2nd Central European Symposium on Building Physics, 9-11 september 2013, Wenen, Oostenrijk [5] Staepels, L., Verbeeck, G., Roels, S., Van Gelder, L., Bauwens, G., Energy performance labels for dwellings versus real energy consumption, 13th International Building Simulation Conference, 25-28 augustus 2013, Chambéry, Frankrijk

20146915_BF01.indb 9 13-03-14 09:06