VV02 Omslag 600
April 2022

Huizen van de ­toekomst hebben een lage ­netafhankelijkheid

Ontwerp van woningen optimaliseren op basis van simulatie

18 01

In het kader van haar promotie aan de TU/e, deed Zahra Mohammadi onderzoek naar ­­­­­­een ­rekenkundige benadering waarmee de netafhankelijkheid van huizen is te simuleren. ­Aanleiding was het toenemend aantal pv-systemen in de gebouwde omgeving dat het ­reguliere elektriciteitsnet steeds zwaarder belast, in combinatie met het toenemend aantal verbruikers in een gemiddeld huis. Met een betrouwbare simulatie van de ­energieprestaties van een woning – onder meer met betrekking tot het afstemmen van vraag en aanbod van ­­­­energie – kan de rekenkundige benadering ondersteunen bij het nemen van de juiste ­ontwerpbeslissingen.

Het aantal pv-systemen in de gebouwde omgeving neemt in relatief hoog tempo toe. Enerzijds door de beschikbare subsidies, anderzijds door de eisen die in bouwvoorschriften en energieregelgeving aan de energieprestaties van een woning worden gesteld. De verwachtingen zijn dat deze trend doorzet, waarmee pv-systemen in de (nabije) toekomst een wezenlijk onderdeel zullen uitmaken van de energievoorziening van de gebouwde omgeving.

Vraag en aanbod

Dr.ir. Zahra Mohammadi: ‘Pv-systemen die geïntegreerd zijn in de gebouwde omgeving zijn in de meeste gevallen aangesloten op het reguliere laagspanningsnet, dat hierdoor steeds zwaarder wordt belast. Woningen die over pv-systemen beschikken, hebben immers de mogelijkheid om bij overproductie de stroom ‘terug’ te leveren aan het net. Dit kan tot extreme piekbelastingen leiden. Het wordt voor netbeheerders dan ook een steeds grotere uitdaging om de kwaliteit van het net te behouden. Oplossingen hiervoor liggen enerzijds in verzwaring van het net – wat niet wenselijk is in verband met de hoge kosten – en anderzijds in het beperken van de teruglevering van energie.’
Wat dat laatste betreft, ‘scheelt’ het dat het aantal grote elektriciteitsverbruikers in een gemiddelde woning vooralsnog alleen maar toeneemt. Denk hierbij niet alleen aan huishoudelijke apparatuur en elektronica, maar vooral ook aan elektrische verwarmingssystemen (warmtepompen) door elektrificatie. Mohammadi: ‘Deze grootverbruikers verhogen niet alleen de vraag naar elektriciteit, maar veranderen ook het vraagprofiel van de gebruiker. Dit betekent dat het overschot aan energie dat pv-systemen opwekken, direct is in te zetten om de grootverbruikers te voeden en hiermee het net juist ontlasten. Hierbij worden we geholpen door regelsystemen die ervoor zorgen dat lokaal opgewekte energie zo snel mogelijk onsite wordt gebruikt, eventueel met tussentijdse opslag. Door deze ontwikkelingen spelen gebouwen een steeds belangrijkere rol waar het de belasting en ontlasting van het net betreft. Om die reden is het dus zeker zinvol om bij het ontwerpen van woningen of het renoveren ervan, expliciet rekening te houden met de bijbehorende mogelijkheden om woningen zoveel mogelijk ‘netonafhankelijk’ te maken.’

‘Gebouwen spelen een steeds belangrijkere rol bij de belasting en ontlasting van het net’

Simulatie gebouwprest aties

Om toekomstige gebouwen maximaal geschikt te maken voor hun nieuwe rol, heeft Mohammadi onderzoek gedaan naar een geschikt rekenkundig model om de prestaties van zowel afzonderlijke gebouwen als volledige wijken betrouwbaar te kunnen voorspellen. Het gaat dan onder meer om gevoeligheidsanalyses en optimalisatietechnieken, die aangeven in hoeverre een huis in staat is om zelfstandig vraag en aanbod op elkaar af te stemmen en op een goede manier te interacteren met het net. Nog specifieker moet dit model ontwerpers ondersteunen in het nemen van de vele beslissingen die nodig zijn om een huis of volledige buurt met een lage netafhankelijkheid te ontwerpen. In totaal definieerde Mohammadi een viertal onderzoeksthema’s. Zij wilde:

1. Een effectief rekenkundig model ontwikkelen waarmee woningontwerpen zijn te optimaliseren ten aanzien van netonafhankelijkheid. De optimalisaties betreffen het afstemmen van de energieproductie op de vraag en op indicatoren voor woningen en buurten ten aanzien van de interactie met het net.
2. In het model relevante onzekerheden kunnen integreren die samenhangen met het gebouwgebruik (gedrag van bewoners) of met externe factoren. Dit met het doel om tot een kant-en-klaar, robuust model te komen.
3. Door middel van casestudies aantonen op welke manier verschillende belanghebbenden op basis van het model een optimaal ontwerp kunnen kiezen. Het uitgangspunt blijf netonafhankelijkheid, maar kan zich daarnaast richten op bijvoorbeeld minimale renovatiekosten, een minimale TCO, maximaal comfort enzovoorts.
4. Beter de relatie begrijpen tussen de ontwerpparameters van de gebouwen en energiesystemen en de netafhankelijkheid in bepaalde demonstratiemodellen.

Het onderzoek startte met het bepalen van de eisen die aan een dergelijk rekenkundig model worden gesteld. Hiervoor is gekeken naar bestaande studies waarin gebruik is gemaakt van verschillende benaderingen en metrieken. Mohammadi trok hieruit de conclusie dat het model rekening moest houden met de interactie tussen energieopwekking en vraag in de tijd en in een multi-domein omgeving. Zowel met betrekking tot de elektrische als de thermische aspecten. Ook stelde ze vast dat het belangrijk is om naar de benodigde complexiteit van het model te kijken: hoe klein moeten de tijdsintervallen worden genomen om een betrouwbare simulatie uit te voeren? Ook relevant zijn de onzekerheden die de energieprestaties beïnvloeden; hiertoe behoren de energieproductie en -vraag en de uitwisseling tussen beide.

18 021. De jaarlijkse toename van geïnstalleerde pv-capaciteit in de verschillende sectoren in Nederland (Renewables, 2020).

Opbouw model

Op basis van de literatuurstudie heeft Mohammadi het onderzoek opgebouwd uit drie delen. Met elk deel verkrijgt de ontwerper een deel van de informatie die nodig is om een woning te ontwerpen met een lage netonafhankelijkheid, dat voldoet aan de wensen van de opdrachtgever. Het eerste deel identificeert wie de beslissers zijn en welke voorkeuren zij hebben. Op basis hiervan bepaalt het model de ontwerpruimte en prestatie-indicatoren (PI’s), waaronder ook de PI’s die de netonafhankelijkheid van een woning of van een groep woningen beschrijven. Tot slot worden de meest invloedrijke parameters vastgelegd die nodig zijn om toekomstige scenario’s te definiëren.
In het tweede deel van het onderzoek zijn modellen ontwikkeld waarmee de energieprestaties van afzonderlijke gebouwen en volledige wijken zijn te simuleren. Deze modellen voorspellen hiertoe de uitwisseling tussen vraag en aanbod bij de eerder opgestelde eisen. Voor de losse woningen is gebruikgemaakt van bestaande oplossingen; voor simulatie op buurtniveau zijn nieuwe oplossingen ontwikkeld. Beide typen oplossingen zijn gebruikt om het benodigde complexiteitsniveau ten aanzien van bewonersgedrag te bepalen. De ontwerpruimte voor toekomstige scenario’s is tot slot bepaald door gebruik te maken van gebouwprestatie simulatiemodellen met meervoudige ­­Pi’s en relevante netafhankelijke indicatoren.
Het derde en laatste deel van de ontwikkelde rekenkundige benadering richt zich op de specifieke eisen en wensen van de beslissers. Investeerders hebben nu eenmaal andere wensen dan particulieren of projectontwikkelaars. Dit onderdeel voorziet in de informatie die deze groep nodig heeft om te kunnen beslissen of zij wil investeren in bijvoorbeeld het verbeteren van de isolatie van woningen of in HVAC-systemen met aanvullende ontwerpopties, zoals energieopwekking en opslagsystemen. Daarnaast kunnen beslissers ontwerpopties kiezen die specifiek passen bij de prestatie-indicatoren waar hun voorkeur ligt.
Mohammadi: ‘De invloed van alle onzekerheden waarmee je te maken krijgt in de vorm van bijvoorbeeld gebruikersgedrag, prestaties van de buren of andere externe factoren, worden meegenomen in het schrijven van toekomstscenario’s. In de ontwerpfase is de waarschijnlijkheid van de scenario’s nog onbekend. Daarom wordt deze waarschijnlijkheid voor alle scenario’s geschat en op basis hiervan de robuustheid van het model bepaald. Dit heb ik voor alle scenario’s gedaan. Voor het bepalen van de prestatierobuustheid van de hele ontwerp-ruimte – gericht op de gewenste prestaties – is gebruikgemaakt van de ‘minimax regret methode’. Hieruit volgt de zogenaamde robuustheidsindicator, die ook in optimalisatietrajecten als secundaire indicator is te gebruiken. Uiteindelijk leidt deze bandering tot de oplossing die het beste presteert en de beslissers informeert over de verschillen in robuustheid tussen de uiteenlopende oplossingen.’

‘Een hoge onafhankelijkheid is het beste te -bereiken met kleinere pv-systemen gekoppeld aan grote -energieopslagsystemen’

Testen en valideren

Een belangrijk deel van het onderzoek betrof tot slot het valideren van het model door middel van verschillende casestudies. Mohammadi betrok het model op zowel een typisch Nederlandse woning als op een complete wijk. Daarbij werden verschillende ontwerpvragen voor uiteenlopende toekomstige scenario’s uitgediept. ‘Op basis van vele simulaties en berekeningen mag ik concluderen dat de ontwikkelde rekenkundige benadering inderdaad onzekerheden van zowel interne als externe bronnen kan integreren. Hiermee biedt hij een betrouwbare mogelijkheid om een optimaal evenwicht te vinden tussen het realiseren van de gewenste bouwprestaties en de robuustheid van de oplossing. Bovendien blijkt het model in staat te zijn een keuze te maken uit de verschillende opties, gebaseerd op de eisen en wensen die de beslisser vooraf kenbaar heeft gemaakt. Dit betekent dus dat de benadering een goed hulpmiddel kan zijn bij het nemen van beslissingen, wanneer verschillende beslissers – met elk hun eigen eisen en wensen – bij een project zijn betrokken. De validatieprocessen en de casestudy tonen tevens aan dat met deze methode beslissingen gefundeerder zijn te nemen dan mogelijk is met andere traditionele modellen.’

Nieuwe inzichten

Naast het vaststellen van de bruikbaarheid van het rekenkundige model, heeft het uitgebreide onderzoek – inclusief casestudies – ook veel nieuwe inzichten opgeleverd over veelbelovende ontwerpstrategieën voor huizen en buurten met een lage netafhankelijkheid. Zo blijkt dat de invloed van het gedrag van de bewoner – zowel bij losse woningen als op buurtniveau – per ontwerp verschilt. Deze variatie was vooral relevant voor de verschillende typen energie­systemen, zoals cv-ketel en warmtepomp en de kwaliteit van de gebouwschil. De grootte van een pv-systeem of de capaciteit van een opslagsysteem vertoonden dit effect niet.
Mohammadi: ‘De resultaten van de casestudies gaven verder aan dat het bereiken van een hoge netonafhankelijkheid – of het bereiken van een goed evenwicht tussen energieproductie en gebruik – afhankelijk is van de energievraag van het gebouw en de grootte van de energieopslag. Dit staat lijnrecht tegenover de algemene aanname dat grotere lokale energieproductie-systemen leiden tot een effectiever gebruik van hernieuwbare energie. De studie toont juist aan dat een hoge onafhankelijkheid het beste is te bereiken met kleinere pv-systemen gekoppeld aan grote energieopslagsystemen. Dit resultaat is te verklaren door de kleinere hoeveelheid geëxporteerde energie als gevolg van het kleinere pv-systeem, en de grote opslagcapaciteit die het overschot eenvoudig kan bewaren voor een latere vraag.’

18 035. De investeringskosten en CO2-emissies voor het totale energieverbruik van alle wijk ontwerpoplossingen. De gemarkeerde punten met rode stippellijn geven een voorbeeld van twee wijkontwerpen met een gelijke netonafhankelijkheid (0,8), verschillende CO2-emissies en verschillende additionele investe

Holistische benadering

Een ander inzicht betrof het belang van een holistische benadering van een gebouwontwerp. De demonstratie van het ontwikkelde rekenkundige model bij een enkelvoudige woning toonde aan dat een netonafhankelijkheid van maximaal 60 procent is te halen bij het nemen van de volgende maatregelen: een betere isolatie (Rc van 4,5 - 8 m2K/W voor de muur), een warmtepomp, vijf pv-panelen op het dak en een opslag voor elektrische energie van 7,5 – 15 kWh. Mohammadi: ‘Dit betekent dat een dergelijk ontwerp voor 60 procent van de tijd onafhankelijk werkt van het reguliere elektriciteitsnet; ongeacht of het gaat om het afnemen of leveren van energie. Wel is het belangrijk te beseffen dat deze ontwerpen gepaard gaan met relatief hoge investeringen.’
Daarnaast noemt zij de mogelijkheid die een wijk – of een groep gebouwen – biedt om een lage netonafhankelijkheid te creëren. Zo gaf de casestudy op wijkniveau aan hoe lucratief het kan zijn wanneer huizen onderling energie kunnen uitwisselen; zeker in vergelijking met losse woningen. Het testen van verschillende energiemanagementstrategieën geeft aan dat alleen al de mogelijkheid tot het uitwisselen van energie tussen woningen – dus zonder extra maatregelen, zoals energieopslag of renovaties – de netonafhankelijkheid met 25 procent kan verbeteren. ‘Uit de casestudy bleek dat wijken met gebouwen die een lage of gemiddelde isolatie hebben en worden verwarmd met cv-ketels, de kleinste pieken vertonen en een relatief hoge energie-onafhankelijkheid van het net hebben. Vooral in combinatie met pv- en EES-systemen (EES: opslagsysteem voor elektrische energie). Juist deze gebouwen, waarvan er in een gemiddelde Nederlandse wijk veel zijn te vinden, vergen geen hoge extra investeringskosten. Een nadeel is wel dat zij niet in staat zijn om de CO2-uitstoot te verminderen.’
‘Verder toont de casestudy aan dat de wijkontwerpen met de huidige Nederlandse standaard-gebouwschil en HHP-energiesystemen, een hoge energie-onafhankelijkheid in de ontwerpen vertonen in combinatie met gedeelde en individuele EES. Dat terwijl de CO2-uitstoot van deze ontwerpen beduidend lager is dan de ontwerpen waarin cv-ketels zijn toegepast; deze ontwerpen resulteren echter in uitwisselingspieken tussen woningen die de nominale capaciteit van een traditioneel bemeten systeem overtreffen en vereisen derhalve hogere extra investeringskosten.’
Gedurende het onderzoek zijn uiteraard verschillende beslissingen genomen die invloed hebben op de resultaten. Daarbij wil Mohammadi graag opmerken dat elke beslissing altijd is genomen met het oog op het verbeteren van de betrouwbaarheid en toepasbaarheid van de ontwikkelde rekenkundige benadering. ‘Het is natuurlijk niet altijd mogelijk om na te gaan of de beslissingen inderdaad leiden tot het maximale resultaat. Zo is gebruikgemaakt van bestaande modelleerstrategieën die het gebruikersgedrag beschrijven, terwijl je niet zeker weet of deze kloppen. We hebben het effect ervan zoveel mogelijk geminimaliseerd door – waar mogelijk – gebruik te maken van ‘echte’ gegevens. Verder hebben we in de casestudies geen stadsverwarming of seizoensopslag meegenomen en zijn ook slimme regelstrategieën achterwege gelaten. Strategieën die waarschijnlijk een extra bijdrage kunnen leveren waar het gaat om netonafhankelijkheid.’

Toekomst

Dr.ir. Zahra Mohammadi promoveerde in november 2021 op haar onderzoek en ziet nog vele mogelijkheden om aanvullend onderzoek te doen. ‘We zijn nu uitgegaan van een wijk die alleen uit woningen bestaat. In veel gevallen gaat het echter om een mix van gebouwen, waardoor je ook een ander patroon van vraag en aanbod krijgt. Ik ga ervan uit dat deze verschillende vraag- en aanbodpatronen de overkoepelende belasting van het net verlagen, omdat ze nu eenmaal een verschillende vraagcurve hebben waarmee je pieken kunt afvlakken. Een eenvoudig voorbeeld is dat bedrijven vooral overdag energie gebruiken en woningen juist buiten kantooruren. De optimalisatie van dit soort typen gemixte wijken is zeker nog de moeite waard om in de toekomst te onderzoeken.’
‘Ook zie ik nog mogelijkheden in het meenemen van het zogenaamde warmte-eiland-effect die de thermische interactie beschrijft tussen gebouwen in een stedelijke omgeving. En tot slot ben ik benieuwd wat er gebeurt wanneer je data over de weersomstandigheden zou meenemen in het ontwerp. Interessante materie!’

18 04

Dr.ir. Zahra Mohammadi

Zahra Mohammadi (1990) voltooide haar BSc in Werktuigbouwkunde aan de Sharif Technische Universiteit in Iran. In 2013 verhuisde zij naar Turijn (I) om daar haar MSc graad te halen. Haar afstudeeropdracht betrof onderzoek naar de impact van thermische inertie van gebouwen op regelstrategieën voor warmtepompsystemen binnen de energieafdeling van KTH, Stockholm. Tijdens haar studie ontwikkelde ze een interesse voor bouwfysica en bouwkundige prestatiesimulatie. Om die reden volgde ze na haar afstuderen een PhD-programma bij de Unit Building Physics and Services van de TU/e in de simulatiegroep gebouwprestaties. Haar promotieonderzoek is uitgevoerd onder begeleiding van prof.dr. Jan Hensen en dr.ir. Pieter-Jan Hoes. Gerelateerd aan haar PhD-onderwerp publiceerde zij in verschillende conferentie- en tijdschriftartikelen. Vanaf april 2021 is Mohammadi data scientist bij ABT, Delft.

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