VV02 Omslag 600
April 2023

Verduurzamen portiekflats als solide alternatief voor nieuwbouw

Studenten TU Delft bouwen prototype voor Solar Decathlon Europe

42 01

Het studententeam SUM - Symbiotic Urban Movement - van de TU Delft ontwikkelde in het kader van de wedstrijd ‘Solar Decathlon Europe’ een oplossing voor het verduurzamen van bestaande portiekflats. Deze oplossing bestaat uit een module die de flat energieneutraal maakt, maar tevens twee nieuwe lagen toevoegt als deeloplossing voor de woningnood. Het prototype won in Wuppertal de derde prijs.

Zeker in Europa wonen steeds meer mensen in dichtbevolkte, stedelijke gebieden. Daarbij groeit de bevolking nog altijd, waardoor er steeds meer behoefte is aan meer woningen. En dat terwijl niet alleen Europa, maar de hele wereld op dit moment worstelt met klimaatverandering en de noodzaak om de gebouwde omgeving vergaand te verduurzamen.

Bestaande bouw

Om hiervoor oplossingen te vinden, werd in 2002 in de Verenigde Staten de eerste Solar Decathlon georganiseerd. De wedstrijd daagt universiteiten wereldwijd uit om een zelfvoorzienend huis te ontwerpen, te bouwen en te monitoren. De huizen zijn uitgerust met geavanceerde technologieën en ontworpen volgens de hoogste normen op het gebied van duurzaamheid. Inmiddels is het concept ook overgewaaid naar Europa waar de editie van 2022 in Wuppertal werd georganiseerd. Hier is de focus gelegd op het verduurzamen van de bestaande bouw, omdat hier eenvoudig veel mogelijkheden liggen voor verduurzaming.
In Nederland ging een tweetal studententeams met het thema aan de slag. In Eindhoven richtte team VIRTUe zich op het ontwerp van het project Ripple, een duurzaam en zelfvoorzienend huis, terwijl team SUM van de TU Delft zich richtte op een oplossing voor de directe omgeving. Annemiek Braunius, indertijd verantwoordelijk voor de communicatie vanuit SUM: ‘SUM staat voor Symbiotic Urban Movement. We hebben voor deze naam gekozen omdat we als team een voorstel doen waar renovatie en nieuwbouw elkaar in een symbiose versterken. Daarnaast wilden we een nieuwe omgeving creëren waar mensen, planten en dieren goed kunnen gedijen en met elkaar kunnen samenleven.’

42 03

Portiekflats

Deze visie vertalen naar het verduurzamen van de bestaande bouw in het kader van de Solar Decathlon deed het team door zich te richten op de 847.000 portiekflats die Nederland rijk is. Bouwkundig is er weinig mis met deze woningen, maar qua duurzaamheid zijn ze zodanig slecht dat veel van deze flats op de lijst staan om te slopen. Braunius: ‘Slopen is een verkwisting van grondstoffen. Wij zien meer in het renoveren en verduurzamen van deze woningen, zodat ze passen in de huidige en toekomstige samenleving. Daarbij niet allen kijkend naar technische oplossingen, maar ook naar de woonomgeving die bewoners stimuleert de oplossingen op de juiste manier toe te passen.’
En SUM ging nog een stapje verder door het ontwerp niet als los project te zien, maar als daadwerkelijk inpasbaar in de directe omgeving. Hiervoor zijn samenwerkingsverbanden aangegaan met woningcorporaties en de gemeente Den Haag. De praktische invulling wordt verder versterkt door uiteenlopende leveranciers, die bereid zijn gevonden met hun producten een concrete bijdrage aan de Nederlandse woningmarkt te leveren. Braunius: ‘We kijken niet alleen naar verduurzaming en toepasbaarheid, maar ook naar het toevoegen van woningen om de groeiende woningnood tegen te gaan.’

‘Niet alleen verduurzaming en toepasbaarheid, maar ook toevoegen van woningen’

Top-module

De oplossing waarmee SUM aan de gang ging, is een ‘energiepositieve optopping’. Dit betref een module die twee nieuwe lagen woningen op een portiekflat creëert en het totaal energieneutraal maakt, passend bij de eisen van een passief woning. De optopping fungeert hierbij als een soort batterij die het gebouw voedt met zonne-energie en regenwater. Verder vervangt het team de portieken door rolstoelvriendelijke galerijen en voegt beneden publieke functies toe. Daarbij worden de woningen zodanig flexibel ontworpen dat ze ruimte bieden aan verschillende gezinssamenstellingen. Door te kiezen voor lichtgewicht houten constructies voor de extra woonlagen, ontstaat de mogelijkheid om rendabel liften aan te leggen waarmee de flats toegankelijk worden voor een grotere doelgroep.
Braunius. ‘In het kader van financiële haalbaarheid is het noodzakelijk om meer dan één gebouw aan te passen. Woningcorporaties hebben vaak echter meer gebouwen in beheer wat betekent dat ze ervoor zouden kunnen kiezen om een hele wijk aan te pakken. Uiteraard zijn wij gestart met een prototype die de afkorting HDU, ofwel House Demonstration Unit, draagt.’

42 04De portieken worden vervangen door rolstoelvriendelijke galerijen.

Energieconcept

Installatietechniek als onderdeel van het energieconcept speelt een belangrijke rol in de verduurzaming van de portiekflats. De klimaatsystemen in de HDU realiseren een gezond en comfortabel binnenklimaat waarbij een symbiose wordt gerealiseerd tussen het modulaire Top-up appartement, de gerenoveerde begane grond en het trappenhuis waarin de meeste installaties zijn ondergebracht. De systemen zijn ontworpen volgens de getrapte strategie waarbij een focus ligt op respectievelijk het zoveel mogelijk reduceren van de energievraag, het zoveel mogelijk hergebruiken van energie en tot slot het duurzaam opwekken ervan. In deze laatste stap fungeert het Top-up appartement als energiehub die alle elektriciteit voor de HDU produceert.
Braunius: ‘Daarbij ligt voor ons een sterke focus op de symbiose tussen technische systemen en de gebruiker. Natuurlijk is techniek belangrijk, maar als deze niet wordt gebruikt zoals beoogd, schiet je je doel voorbij. Wanneer bewoners begrijpen hoe de technische systemen werken en deze op de juiste manier kunnen gebruiken, worden ze efficiënter en toekomstbestendiger. Daarom hebben we in het GBS maatregelen genomen die de gebruiker kunnen helpen bij het aanpassen van zijn gewoontes om zo tot een duurzame leefstijl te komen. Onder andere door visueel inzicht te geven in het energiegebruik en advies uit te brengen.’
Dankzij de Passiefhuisstandaard (die door berekeningen is gevalideerd) is er zeer weinig actieve ruimteverwarming nodig om thermisch comfort te bereiken. Het grootste deel van de verwarmingslast zal worden gedekt door gebruik te maken van zonnewarmte, warmte die intern wordt opgewekt door mensen en apparaten en de warmte die wordt teruggewonnen uit de ventilatielucht. Voor de Top-up verwarmt een ventilatiesysteem de woning actief tijdens de koudste winterdagen. De Zehnder ComfoPost fungeert als warmtewisselaar en is aangesloten op de Panasonic Aquarea R32-warmtepomp. Deze warmtepomp voedt tevens de radiatoren op de begane grond.

Koeling

Door passieve koeling wordt oververhitting voorkomen. Deze koeling is een combinatie van buitenzonwering, het aanbrengen van beplanting rond de gevels en op het dak, en actieve ventilatie. Verder is een PCM-batterij gepland die de woning van extra thermische massa voorziet en ’s nachts oplaadt met koude buitenlucht.
De Aquarea R32-warmtepomp van Panasonic wordt gebruikt voor de productie van warm tapwater. In de douche wordt de warmte uit het douchewater teruggewonnen met een rendement van 80 procent.
Ventilatie is het belangrijkste actieve klimaatsysteem in de HDU en verantwoordelijk voor een comfortabel binnenklimaat door regeling van temperatuur, vochtigheid en luchtkwaliteit. De Top-up is voorzien van een centraal balansventilatiesysteem, CO2-gestuurd, met warmte- en vochtterugwinning. De Energy Recovery Ventilation (ERV) unit van Zehnder heeft een enthalpiewisselaar en minimaliseert – in combinatie met de dikke isolatielaag – de warmtevraag.
Voor de opwekking van energie zijn twee oplossingen bedacht die zonne-energie omzetten in elektriciteit en warmte. Op het dak komen zogenaamde pvt-panelen die zowel elektriciteit (pv) als warmte (t) produceren. Deze combipanelen verbeteren het rendement van het pv-deel en voorkomen tevens de noodzaak van luidruchtige lucht/water-warmtepompen op het dak. Naast pvt-dakpanelen zijn de zuidgevel en het trappenhuis van het gebouw omwikkeld met printbare Kameleon Solar pv-panelen. Deze varianten produceren uitsluitend elektriciteit vanuit zonlicht en dragen zo bij aan het verhogen van de energieproductie, het verminderen van dagelijkse pieken en een stabielere elektriciteitsopwekking gedurende de dag.
Het team gaat bij een nominaal vermogen van 380 Wp uit van een opbrengst van 200 kWh/m2/jaar voor de pvt-panelen. Voor de totale elektriciteitsopwekking, zonder rekening te houden met de balans van systeemverliezen, is ongeveer 120,1 MWh per jaar uit 330 pvt panelen te realiseren. Voor de Kameleon-panelen is uitgegaan van een opbrengst van ongeveer 10,8 MWh per jaar op de zuidgevel en een extra opwekking van 176,2 MWh voor het trappenhuis.
Het gebouw zal afhankelijk zijn van intermitterende energiebronnen (zon) en maakt daarom gebruik van een 500 kWh Lithium-ion batterij voor de opslag van elektrische energie. De accu is ook te gebruiken voor peakshave en draagt zo bij aan een lagere netaansluiting.

42 05De optopping fungeert als een soort batterij die het gebouw voedt met zonne-energie en regenwater.

Gebouwbeheersysteem

Het GBS biedt een realtime computergebaseerd platform dat de werking van de mechanische en elektrische apparatuur bewaakt en intelligent optimaliseert. Dit wordt bereikt door individuele componenten en aanvullende diensten te koppelen tot een volledig geïntegreerd systeem. Het GBS bevat sensoren, meters, schakelaars en volledige subsystemen, zoals het HVAC-, pv- en energieopslagsysteem. Daarnaast bewaken elektriciteits- en watermeters het respectievelijke verbruik. Het GBS in het ontwerp van het gebouw zal verdere componenten en diensten omvatten, zoals weerinstrumenten, daglicht- en aanwezigheidssensoren en brand-/nood-, toegang-, zonwering-, lift- en lichtmanagement.
Braunius: ‘Naast communicatie tussen verschillende componenten, geeft het platform ook feedback aan gebruikers en stelt hen in staat om met het systeem te communiceren. In onze HDU wordt gebruik gemaakt van een GBS dat is opgebouwd uit twee delen bestemd voor respectievelijk de gebouwbeheerder of woningbouwcorporatie, en de eindgebruiker. In het eerste geval levert het GBS informatie over de prestaties van de gebouwsystemen waarmee eventuele problemen vroegtijdig zijn vast te stellen en onderhoud tijdig in gang is te zetten. In samenwerking met Enervalis en Victron Energy worden gegevens van het ventilatiesysteem, verwarmingssystemen en elektrische systeem verzameld, opgeslagen in de cloud en gevisualiseerd via een app of dashboard.
Het deel voor bewoners biedt intuïtieve en realtime feedback in de vorm van berichten en driekleurige verlichting. Het display laat op een eenvoudige en intuïtieve manier zien of de hoeveelheid gebruikte energie lager is dan (groen licht) of hoger dan (rood licht) de geproduceerde hoeveelheid energie. Dit verhoogt het bewustzijn en stimuleert duurzaam gedrag.’

‘Sterke focus op de symbiose tussen technische systemen en de gebruiker’

Energieanalyse

Om een uitgebreide energieanalyse van het gebouwontwerp en het prototype te maken, zijn verschillende gebouwsimulatietools gebruikt. Voor beide toepassingen is gekozen voor ‘DesignBuilder v7.0’. Deze software gebruikt de EnergyPlus dynamische simulatie-engine om energieprestatiegegevens voor diverse zones te genereren met een gespecificeerde temporele resolutie. Voor de analyse van SUM zijn de gegevens minstens elk uur geëvalueerd. Om tot een betrouwbaar model in DesignBuilder (DB) te komen, zijn er verschillende stappen uitgevoerd:
• modelleren van de gehele gebouwgeometrie in DB met behulp van de bouwkundige tekeningensets inclusief fysieke kenmerken,
• opdelen van het gebouw in blokken en zones naar gebruik en functie,
• toekennen van correcte bouweigenschappen, activiteit-, openingen-, verlichtings-, rooster- en HVAC-gegevens aan elke zone,
• implementatie van pv/pvt en opslag voor opwekking en opslag van energie op locatie,
• uitvoeren van dynamische jaarsimulaties op uurbasis,
• exporteren / beoordelen van de simulatiegegevens.

De belangrijkste tool voor de uiteindelijke energiesimulaties betreft SimRoom. Dit is een semi-dynamische modelleringstool met één zone. Vanwege de eenzone benadering is de HDU opgedeeld in twee zones: de begane grond en de bovenste verdieping. Voor beide zones is een aparte simulatiestudie uitgevoerd. Tot slot is gebruik gemaakt van de officiële Passive House Planning Package (PHPP) software om de naleving van de Passive House Standards te controleren.

Resultaten

Braunius: ‘De energieprestatiewaarden van SimRoom zijn vergelijkbaar met de resultaten van de PHPP-software op basis waarvan we kort kunnen zeggen dat de woning voldoet aan de passiefhuisnorm. Uiteraard zijn er vele kanttekeningen te maken en conclusies uit de simulatie te trekken. Een belangrijke is dat een relatief groot deel van de elektriciteit gerelateerd is aan verwarmingsdoeleinden met een COP van de warmtepomp gelijk aan 2,72. Dit benadrukt het belang van alle maatregelen die bijdragen aan het reduceren van de warmtevraag.’

Toekomst

Het prototype van de woning is afgelopen jaar opgebouwd in Wuppertal en heeft daar de derde prijs in de wacht gesleept. Braunius: Vervolgens heeft SUM een transitie doorgemaakt van studententeam naar een groep young professionals die als adviesgroep stedelijke transformaties rondom het SUM-concept aanjaagt. Dit doen wij onder meer door verschillende werksessies aan te bieden, zoals inspiratiesessies en workshops, maar ook presentaties. Onze kennis en ervaringen van de afgelopen drie jaar mogen niet verloren gaan en daarom willen wij ons verhaal breed uitdragen en bedrijven en overheden inspireren om ook een soortgelijk transformatieproces te starten. Alleen samen kunnen we de bestaande woningvoorraad duurzaam renoveren.’

Informatie
www.tudelft.nl/solarurban/research/projects/sum

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

Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.