VV02 Omslag 600
Mei 2022

De potentie van schakelende gevelsystemen

28 01

Een belangrijk deel van de energieprestaties van gebouwen wordt bepaald door de energie die nodig is om te verwarmen en koelen. Dit energiegebruik is terug te dringen door gebruik te maken van zogenaamde ‘schakelende’ gevels. Om de totale impact van deze adaptieve gevels in het Nederlandse klimaat te onderzoeken, heeft de TU/e in samenwerking met TNO en AkzoNobel een uitgebreid simulatieraamwerk opgezet. Vervolgens zijn de meest veelbelovende technologieën en materialen geselecteerd voor verdere ontwikkeling en ­toepassing in de praktijk.

Schakelende gevelsystemen veranderen hun optische eigenschappen onder invloed van omgevingsfactoren of een elektronische impuls. Zo wordt de gevel donker bij koud weer, zodat hij zonnewarmte absorbeert die vervolgens is te gebruiken om de woning te verwarmen. Omgekeerd schakelt hij op zonnige dagen naar een lichte kleur, wat de absorptie reduceert en hiermee de warmteopbouw als gevolg van zoninstraling tegengaat. Een lagere koelvraag is het resultaat. Door deze eigenschappen – die worden gerealiseerd door specifieke coatings – kunnen schakelende gevelsystemen een wezenlijke rol spelen in de energietransitie als onderdeel van een compleet pakket waarin ook isolatie en duurzame energiesystemen, zoals warmtepompen en pv-panelen, een rol spelen.
Dr.ir. Jonathan van den Ham, wetenschapper bij TNO: ‘Nader onderzoek naar schakelende gevelsystemen aan de TU Eindhoven geeft aan dat ‘hypothetisch ideaal schakelbare gevelsystemen’ tot wel 40 procent energie kunnen besparen wanneer zij zijn toegepast op slecht geïsoleerde kantoorgebouwen. Deze cijfers gelden voor toepassing in Nederland in de wintermaanden. Bij TNO zelf zijn berekeningen gedaan aan meer realistische systemen die alleen zonlicht absorberen of reflecteren. Hierbij zouden thermisch-schakelbare gevels een reductie van 8 procent warmtevraag en 90 procent koelvraag kunnen realiseren ten opzichte van een bakstenen gevel.’

Schakelende gevelsystemen

Om de totale impact van schakelbare gevels nader te onderzoeken, is een project opgestart waarin een uitgebreid simulatieraamwerk is opgezet. Hiermee is de mogelijke energiebesparing van schakelende gevels (voor rijtjeshuizen) in kaart gebracht. Dr.ir. Roel Loonen, universitair docent van de Faculteit Bouwkunde aan de TU Eindhoven: ‘Naast een uitgebreide analyse van de verschillende systemen in het eerste deel van het project, zijn we in het tweede deel verdergegaan met een selectie van de meest veelbelovende technologieën. Uiteraard met als doel om deze technologieën door te ontwikkelen en mogelijk op de markt te brengen.’

Schakelende gevelsystemen zijn beschikbaar in verschillende varianten die zich onderscheiden door onder meer de schakeltechnologie. Binnen het project zijn vier hoofdtechnologieën aan bod gekomen:

  • foto-geïnduceerd schakelen (trigger: mate van lichtinstraling),
  • thermo-geïnduceerd schakelen (trigger: temperatuur van de buitengevel),
  • humido-geïnduceerd schakelen (trigger: luchtvochtigheid),
  • elektro-geïnduceerd schakelen (trigger: elektronisch signaal).

Het zonnespectrum biedt drie potentieel te schakelende gebieden (figuur 1): UV (niet zichtbare hoogenergetische zonstraling), VIS (visueel/zichtbaar zonlicht) en NIR (nabij infrarood, niet zichtbaar licht). Al deze gebieden zijn – afhankelijk van de gekozen technologie – gezamenlijk of afzonderlijk van elkaar te schakelen. De mate van schakeling wordt uitgedrukt in TSA (total solar absorption) of TSR (total solar reflection) en is afhankelijk van de configuratie van de materialen of coatings. Loonen: ‘Het is goed om te beseffen dat de afzonderlijke technologieën op verschillende golflengten schakelen, waarbij grote verschillen bestaan tussen de totale schakelwaarden. Dit in combinatie met het mechanisme van schakelen – licht, temperatuur, luchtvochtigheid of elektronisch signaal – betekent dat de totale impact op het energieverbruik eveneens sterk zal variëren.’

Onderzoeksstrategie

Om inzicht te krijgen in de potentiële impact van technologieën, is binnen het project gekozen voor een strategie die simulaties combineert met experimentele gegevens. Hierbij zijn drie stappen gemaakt:
1. Inschatten van mogelijk potentieel door middel van simulaties en technologiespecifieke berekeningen. De resultaten omvatten het totaal potentieel van de verschillende soorten schakelende gevels.
2. Literatuur- en octrooionderzoek naar bestaande technologieën op basis waarvan een technologieoverzicht is gemaakt. Hierin zijn relevante aspecten opgenomen, zoals schakelwaarde, drempelwaarde, kosten en levensduur. Op basis van deze lijst is een top-5 van de meest potentiële technologieën samengesteld die de basis vormt voor een verdere experimentele screening.
3. Technologisch ontwikkelen van een concept op basis van (aangepaste) commerciële technologieën. Hierbij zal worden uitgegaan van de uitkomsten van simulaties en experimentele data uit de eerste twee stappen.

28 02Zonnespectrum op aardoppervlakte (bron: Wikipedia-Degreen).

Simulaties

Om een inschatting te kunnen maken van het energiebesparingspotentieel is gebruik gemaakt van dynamische gebouwprestatiesimulaties in EnergyPlus. Hierbij is uitgegaan van een typische rijtjeswoning met verschillende isolatiewaarden volgens de kenmerken die beschreven zijn in de voorbeeldwoningen van RVO. Veel tijd is besteed aan het opzetten en implementeren van een zogenaamd ‘multi-objective optimalisatie-framework’. Met dit framework zijn de effecten van schakelbare gebouwschileigenschappen door te rekenen op basis van eenvoudige en complexe regelstrategieën (figuur 2). Met behulp van dit framework is vervolgens het theoretisch maximale besparingspotentieel van de adaptieve gevelsystemen bepaald. Hierbij is uitgegaan van een hypothetisch systeem met een maximaal schakelbereik in materiaaleigenschappen en een perfecte regeling. Naast een indicatie van de te behalen prestaties geeft deze werkwijze ook goede inzichten in de praktische regelstrategieën met de meeste potentie. Bovendien verkregen onderzoekers hiermee een beeld van de combinaties van dynamische materiaaleigenschappen die verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van de winst. Loonen: ‘Op basis van deze kennis zijn vervolgens verschillende parametrische studies gedaan met realistische coatings en praktisch uitvoerbare regelingen. Daarin hebben we niet alleen energiebesparing, maar ook thermisch comfort meegenomen. Tot slot is een techno-economische analyse uitgevoerd, die laat zien bij welke kosten het schakelbaar maken van de optische eigenschappen van de gebouwschil ook financieel gezien een haalbare optie is.’

Geschikte technologieën

Een overzicht van schakelbare technologieën is gemaakt op basis van uitgebreide literatuurstudie en onderzoek onder bestaande octrooien. Voor technologieën met voldoende ontwikkelniveau zijn de volgende aspecten beschreven:

  • mechanisme,
  • materialen,
  • uiterlijk en kleur,
  • wijze van schakelen,
  • levensduur,
  • toepasbaarheid,
  • gebruikerservaring,
  • kosten,
  • intellectueel eigendom,
  • demonstraties.

Van den Ham: ‘Uiteindelijk zijn er vijf interessante technologieën naar voren gekomen, waarvan we er twee verder willen ontwikkelen met industriële partners. Bij dit vervolgproject – het zogenaamde Ezra-project – zetten we vooral in op elektronisch schakelbare technologieën om de impact te maximaliseren. Uit simulaties blijkt namelijk dat schakelen onafhankelijk van omgevingsfactoren het meest effectief is. De geselecteerde technologieën zijn deels gebaseerd op smart glass en technologie die wordt gebruikt in e-readers. De uitdaging is om kosteneffectief zo hoog mogelijke schakelwaarden te halen.’

Resultaten

Voorafgaande aan het onderzoek naar de schakelbare gevels, is eerst gekeken naar de invloed van statische coatings door middel van simulaties op gebouwniveau. Een statische coating is in deze een coating die niet kan schakelen, maar óf een reflecterende óf een absorberende werking heeft. Deze invloed is berekend voor verschillende gevels (R0 - R10). Hieruit blijkt dat een donkere kleur (absorptie 1) ten aanzien van het energiegebruik het meest gunstig is voor het Nederlandse klimaat over een heel jaar gerekend. Dit impliceert direct dat gebouwen met een donkere kleur netto beter af zijn, ondanks de verhoogde koelvraag in de zomer die eventueel gepaard gaat met een lager comfort. Vergeleken met bakstenen (waarbij sprake is van ongeveer 0,7 absorptie) is er dus winst te behalen tijdens koude periodes (met hogere absorptie) en koeltevraag (met lagere absorptie, dat wil zeggen: hogere reflectie). Daarnaast geven de simulaties duidelijk aan dat het effect afneemt met een hoger isolatieniveau. Uit een analyse van de energiebalans van de rijtjeswoning met verschillende isolatiediktes, blijkt de optimale aansturing van de schakelbare gebouwschil te ontstaan door het verhogen van de absorptiefactor (α) en het verlagen van de emissiviteit (ε) in de winter en het verlagen van de absorptiefactor en het verhogen van de emissiviteit in de zomer. Op deze manier zijn de thermische interacties tussen het gebouw en de omgeving optimaal te beïnvloeden met als doel de totale energievraag te verminderen.
De optimalisatiestudie is uitgevoerd voor twee varianten van de thermo-optische coating:
een hypothetisch optimale coating met de mogelijkheid om zowel de absorptiefactor als de emissiviteit te schakelen tussen de maximale limieten (αlow = 0, αhigh = 1 en εlow = 0, εhigh = 1), en een State-of-the-art (sota) elektro-chroom coating met een schakelbereik van 80 procent (αlow = 0,2, αhigh = 1) en constante emissiviteit.

28 03Overzicht van het simulatieframework.

Aansturingsstrategieën

De resultaten van deze optimalisatiestudie worden besproken in twee delen. In deel A is allereerst een simulatieframework ontwikkeld om twee aansturingsstrategieën te kunnen testen:
1. modelgebaseerde regeling (MP-regeling, ook wel bekend als ‘model predictive control’),
2. conditionele regeling (gebaseerd op ‘als-dan’ logica).

De MP-regeling van de theoretische coating is in staat de zonnewarmtewinsten en thermische stralingsverliezen van de woning te reguleren door dynamisch te schakelen tussen hoge en lage waarden van de absorptiefactor en emissiviteit. Dit resulteert in een jaarlijkse besparing op verwarming en koeling die varieert van 803 tot 6.133 kWh (9 - 36 procent) voor respectievelijk R6- en R0-geïsoleerde rijtjeshuizen. De toepassing van MP-aangestuurde theoretische coatings elimineert de noodzaak van hoge isolatie in de gebouwschil. Een dergelijke coating in combinatie met R2-isolatieniveaus levert namelijk een hogere energiebesparing op dan een hoogwaardig geïsoleerde R6 woning (figuur 4).
Bij de ontwikkeling van dynamische coatings, die alleen de absorptiefactor of emissiviteit kunnen schakelen, is het van belang dat de statische coatingeigenschappen weloverwogen worden gekozen om het dominante type energievraag te verminderen. Vanwege de hoge warmtevraag in Nederland is het verstandig om dynamische zon-reflecterende coatings te koppelen aan een lage constante emissiviteit, terwijl coatings met aanpasbare emissiviteit gepaard zouden moeten gaan met een hoge constante absorptiefactor.
Door het meest gunstige schakelprofiel te destilleren uit de MP-regeling, is een conditionele regeling geïmplementeerd die optische eigenschappen aanstuurt op basis van de buitentemperatuur. Zodra de buitentemperatuur boven een drempelwaarde komt, schakelt de coating tussen lage en hoge waarden. Loonen: ‘Met deze vereenvoudigde aansturing van de theoretische coatings slagen we erin om in veel situaties een vergelijkbare energiebesparing te bewerkstelligen als voor de vele malen complexere MP-regeling met een jaarlijkse besparing op verwarming en koeling tussen 693 - 5.438 kWh ofwel 8 - 32 procent, voor respectievelijk R6- en R0-geïsoleerde rijtjeshuizen.’
Een dergelijke regeling is eveneens toe te passen in combinatie met State-of-the-art (sota) elektroschakelbare coatings. Door het schakelbereik van 80 procent en het ontbreken van een emissiviteitsregeling, levert een elektroschakelbare coating met MP-regeling een besparing op voor verwarming en koeling van respectievelijk 411 en 3.905 kWh (5 - 23 procent). Voor een temperatuur-geregelde elektroschakelbare coating geldt een jaarlijkse besparing voor verwarming en koeling van 377 en 2.918 kWh (4 - 17 procent) voor respectievelijk R6- en R0-geïsoleerde rijtjeshuizen (figuur 5).
Het energiebesparingspotentieel van de onderzochte elektrisch aangestuurde dynamische thermo- coatings neemt af bij hogere isolatieniveaus. Daar staat tegenover dat het adaptieve karakter van deze coatings ook een bijdrage levert aan de flexibiliteit en robuustheid in het kader van klimaatverandering. Deze coatings verminderen zowel de vraag naar verwarming als koeling in de loop van het jaar. Hier tegenover staan hogere isolatieniveaus die alleen de warmtevraag reduceren en hiermee de kans op oververhitting in de zomer vergroten.

‘De uitdaging is om kosteneffectief zo hoog mogelijke schakelwaarden te halen’

Kansrijk

In deel B van het simulatieonderzoek is het simulatie-framework uitgebreid naar een bi-level nested optimalisatie-aanpak. Dit maakt het mogelijk om verschillende combinaties van gebouwparameters en elektroschakelbare coatings te vergelijken in een techno-economische analyse voor woningverduurzaming in de Nederlandse residentiële sector. Deze simulaties laten zien dat het aanbrengen van coatings op de zuidgevel het meest kostenefficiënt is en hebben tevens een kansrijke propositie geïdentificeerd.
De resultaten laten zien dat door de combinatie van elektroschakelbare coatings en beperkte verbetering van de gebouwschilisolatie, scenario’s zijn uit te werken met een energiebesparing die vergelijkbaar is met sterk geïsoleerde voorzetgevels. Dit geldt voor niet-geïsoleerde woningen. Het aanbrengen van elektroschakelbare coatings op de zuid- en noordgevel en het upgraden van de muren van R0 naar R1 en het dak van R0 naar R4, kan leiden tot 90 procent energiebesparing voor verwarming van een compleet tot R4-geisoleerd rijtjeshuis. Het dynamische karakter van de elektroschakelbare coatings reduceert de koelvraag verder, waarmee de kans op oververhitting in de zomer afneemt. De dunne opbouw en snelle toepasbaarheid van deze coatings kunnen het tempo van de renovatieopgave versnellen, waardoor flexibele en robuuste woningen zijn te realiseren die in staat zijn zich aan te passen aan de veranderende eisen van de toekomst.

Verdere ontwikkeling

In stap twee is op basis van literatuur- en octrooionderzoek uit de vier hoofdtechnologieën een top-5 van technologieën gedefinieerd. Voor thermo-geïnduceerde schakelende coatings zijn dit: gelamineerde folies op basis van organische chemie, anorganische coatings en thermotropische folies. Voor elektro-geïnduceerde schakelende coatings zijn dit: elektroforetische coatings en elektrochroom coatings.
Van den Ham: ‘Vier van de vijf technologieën – op de anorganische coatings na – zijn experimenteel onderzocht op basis van commercieel verkrijgbare materialen. Dit gaf belangrijke inzichten voor de vervolgontwikkeling. Gekoppeld aan de genoemde simulaties kwamen we tot de conclusie dat verdere ontwikkeling van schakelbare coatings georiënteerd moet zijn op hoge schakelwaardes en omgevingsonafhankelijke schakelmethodieken, zoals elektro-schakelende coatings, om maximaal rendement te halen.’
‘We zijn nu hard aan het werk om bestaande technologie om te buigen en zodoende geschikt te maken voor toepassing op gevels. Daarnaast proberen we het maximaal schakelbaar vermogen te vergroten, aangezien bestaande technologieën hierin nog te kort schieten. Daarnaast proberen we in een vroeg stadium de vraag wat betreft opschaling meteen te adresseren. Adaptieve geveltechnologie is immers alleen interessant bij een grote, snelle uitrol. Hierin nemen we zeker mee dat het uiteindelijke product ook eenvoudig en snel moet zijn toe te passen.’

Informatie

- bit.ly/VVplus-repository-tno
- bit.ly/VVplus-zonregulerende-gevelafwerking

Inbedding in programma IEBB

Onder de naam ‘Integrale energietransitie bestaande bouw’ – kortweg IEBB – is een consortium opgericht met de ambitie: ‘het haalbaar, betaalbaar en opschaalbaar maken van de energietransitie in de bestaande (woning)bouw’. Het samenwerkingsverband is geïnitieerd door het Bouw en Techniek Innovatiecentrum (BTIC) en bestaat uit ruim 125 deelnemende partijen.
De projecten richten zich specifiek op de opschaling naar 200.000 renovaties per jaar vóór het jaar 2030. In het kader van de Meerjarige Missiegedreven Innovatieprogramma’s (MMIP’s) wordt gewerkt aan integrale innovaties die zich richten op verschillende facetten van de energietransitie: de industrialisatie van renovatieconcepten, het transitieproces en warmtetechnologie. Het onderzoek van TNO naar de mogelijkheden van een regulerende gebouwschil past in het eerste thema (renovatieconcepten). Samenhang met andere project is te maken door middel van warmtenetwerken, waarbij adaptieve gevels met relatief lage kosten een gebouw op gewenste energiegebruik en bijpassend energielabel kan brengen.

Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: iStock, TNO