VENTILATIE EN KLIMATISATIE
Install Magazine 981 – februari 2022
Regenwatergebruik als element in klimaatbestendige architectuur
Stralingsbalans van het aardoppervlak per dag van een gemiddelde vierkante meter. De balans wordt bepaald door verdamping en condensatie.
Lokale neerslag wordt veroorzaakt door de kleine waterkringloop: verdamping op het land met ook neerslag op het land.
Vergelijking van de werkingskosten van drie koudegeneratoren, op basis van de meetgegevens van de Humboldt Universiteit Berlijn.
Schema van het regenwatergebruik aan het Institut für Physik van de Humboldt Universiteit Berlijn in Berlijn-Adlershof
Behoefte aan primaire energie van een groep zuidgerichte kantoren aan de Humboldt Universiteit Berlijn.
DESY Hamburg: zo moet Halle 36 er over enkele jaren uitzien. De begroening werd in mei 2021 aangeplant.
Het geplande nulemissiegebouw HafenCity Hamburg van architect Heinle Wischer und Partner, Berlijn
De klimaatverandering is ook in onze streken voelbaar. We kunnen ons aanpassen aan de effecten ervan, met behulp van een aantal eenvoudige technieken, bijvoorbeeld door de koeling van gebouwen met regenwater. Het Institut für Physik aan de Humboldt Universiteit in Berlijn Adlershof voert al 20 jaar onderzoek naar verschillende varianten van deze techniek. Een aantal daarvan werden al succesvol in de praktijk toegepast.
Iedereen herinnert zich de felle regens van afgelopen juli, terwijl we in 2018 en 2019 net regen tekort kwamen. Dergelijke extreme weersfenomenen komen steeds meer voor. Door het klimaatprobleem te reduceren tot CO2-uitstoot, wordt het belang van water in de globale en lokale klimaatprocessen miskend. Op wereldschaal gaat ongeveer de helft van de zonne-instraling op aan het verdampen van water. Het wijzigende landgebruik en een algemeen verlies van een begroeide oppervlakte a rato van 800 km2 per dag wereldwijd, heeft gevolgen voor de waterkringloop op aarde. Het lokale klimaat wordt hoofdzakelijk bepaald door waterverdamping. Plaatselijke droogteperiodes hebben vaak ook plaatselijke oorzaken. Blijft het maandenlang droog, dan stijgen ook de temperaturen. Volgens studies zou 42-45% van de totale zonnestraling worden opgebruikt door de verdamping van water.
Lowtech klimaatbescherming
Het komt er dus op aan om het lokale klimaat te beschermen door de waterkringloop te herstellen. Alleen een druppel die natuurlijk kan verdampen, zal weer tot regen worden om zo de omgeving af te koelen. Belangrijke lokale methodes zijn dus het hergebruik van afvalwater voor besproeiing, naast recyclage van grijswater en regenwatergebruik. Bij nieuwbouw en ingrijpende renovatie moet men met deze aspecten rekening houden. Als er bijvoorbeeld geen tweede leidingnet voor regenwater al van bij het begin gepland is, dan wordt het erg moeilijk tot onmogelijk dat nog recht te zetten bij een eventuele renovatie.
Na enkele minder geslaagde ervaringen met hightech systemen, staan lowtech oplossingen meer in de belangstelling: groengevels in plaats van conventionele zonwering, en koeling met regenwater in plaats van met behulp van een compressorcyclus. Decentrale systemen verlichten de belasting op energienetwerken en zijn klimaatbestendiger dan gecentraliseerde systemen.
Gebouwkoeling met regenwater
Een van de meest omvangrijke onderzoeken naar decentraal regenwatergebruik voor een energie-efficiënte gebouwkoeling gebeurt in het gebouw van het Institut für Physik van de Humboldt universiteit in Berlijn Adlershof. Sinds dit gebouw in 2003 in gebruik werd genomen, onderzoekt de TU Berlijn er het rendement van drie verschillende koelmachines. Tevens wordt het effect van 450 klimplanten nagegaan in vergelijking met een traditionele zonwering. Ook de werkingskosten worden in de beoordeling meegenomen.
Conventionele koelinstallaties zijn doorgaans gebaseerd op een compressorcyclus en verbruiken dus elektriciteit. Aan de buitenlucht wordt er meer warmte afgegeven dan er koude geproduceerd wordt: elke verbruikte kWh elektriciteit betekent meteen ook een kWh warmteproductie. Dat versterkt de lokale opwarming en leidt tot het zogenaamde hitte-eiland effect. Adiabatische koeling van de afvoerlucht werkt heel anders. Hierbij wordt water in de afvoerlucht gesproeid terwijl de lucht zich nog in het gebouw bevindt. De aldus gekoelde lucht komt dan in de warmtewisselaar die in de winter gebruikt wordt om de toevoerlucht op te warmen maar waarin nu de toevoerlucht wordt afgekoeld. Een andere variant is het gebruik van koelmachines met een absorptie-cyclus. Die kunnen in de zomer bijvoorbeeld de afvalwarmte van WKK’s benutten om zo koude te genereren.
Vergelijkt men de werkingskosten van conventionele koelsystemen, dan is adiabatische koeling met regenwater onverslaanbaar: er hoeven alleen enkele circulatiepompen te draaien. Zelfs als men drinkwater gebruikt in plaats van -gratis- regenwater vallen de extra kosten voor het waterverbruik nog erg goed mee. Een installatie met een compressorcyclus heeft een veel hoger stroomverbruik per kWh, en bij absorptiekoeling, waarvan er eveneens een voorbeeld onderzocht wordt in de site van Adlershof, liggen de kosten nog aanzienlijk hoger dan bij een compressor. Bij de bepaling van de werkingskosten wordt het rendement nauwkeurig gemeten, en afgezet tegen de werkelijke kosten voor stroom, water en het warmtenet. Onderhoud en eventuele reparaties blijven in deze studie buiten beschouwing.
Systemen voor adiabatische koeling van de afvoerlucht zijn beschikbaar bij alle grote leveranciers van luchttechniek. Ze kunnen ook worden ingezet in kleinere gebouwen. Om de hygiëne te garanderen, zijn er een aantal maatregelen nodig. Zo moeten er de juiste drukverschillen in de warmtewisselaar zijn: de verse lucht moet in overdruk staan ten opzichte van de afvoerlucht. Een andere mogelijkheid zijn indirecte systemen met een apart warmtevoerend circuit tussen de toevoerlucht en de afvoerlucht met telkens aparte warmtewisselaars. Deze manier van koelen zal worden toegepast in het universitair ziekenhuis van Frankfurt, om de hoge interne warmtewinsten in de zomer efficiënt af te voeren.
Verdampingskoeling door groengevels
In het Institut für Physik werd ook het effect van groengevels bekeken. De klimplanten groeien zowel natuurlijk in de bodem, als in 150 plantenbakken aan de gevel, met een besproeiingssysteem met regenwater. Bij dit systeem kan men het exacte waterverbruik per dag nagaan. In de zomermaanden ontstaat er per gevel een koeleffect van gemiddeld 280 kWh per dag. Uit het onderzoek bleek dat dit niet alleen voor een beter microklimaat in de onmiddellijke omgeving zorgt, maar ook 25% aan primaire energie bespaart en de nood voor conventionele koeling halveert. Bovendien zijn de investerings- en werkingskosten aanzienlijk lager. Gemiddeld betaalt de universiteit Berlijn ongeveer 16.525 euro per jaar voor reparatie en onderhoud van een conventionele zonwering. Bij groengevels bedragen de kosten slechts 1.300 euro voor besproeien, bemesten en snoeien.
Door de hoge prestaties en geringe investering is dit een duidelijke win-win oplossing. Toch blijft de techniek nog eerder onbekend. Zo moeten de prestaties van groengevels op het vlak van energiebesparing ook gevaloriseerd kunnen worden in de energieprestatieregels.
Figuur 5 toont een vergelijking voor verwarming en koeling van een zuidgericht kantoorcomplex, op basis van metingen en simulaties. De eerste drie staafdiagrammen zijn het resultaat van een simulatie in TRNSYS voor het gebouw met of zonder zonwering. Staafdiagrammen 4 en 5 tonen echter de gemeten beschaduwing van het gebouw in Adlershof. De resultaten van de automatisch gestuurde zonwering komen algemeen overeen met de gemeten waarden. Opvallend is de onverwacht goede score van de groengevel in vergelijking met de conventionele zonwering (staafdiagram 5)
Projecten in Hamburg
Met een steunprogramma voor groendaken en groengevels is Hamburg een pionier in Duitsland. Er zijn nu twee interessante projecten in voorbereiding of net opgestart. Op de onderzoekscampus DESY werd de groene Hal 36 feestelijk in gebruik genomen in mei 2021. Voor de Hafencity is een nul-uitstootgebouw in ontwerp. Beide projecten combineren regenwatergebruik voor de besproeiing van een groengevel, die niet alleen het gebouw zelf koelt, maar ook een aangenaam microklimaat in de omgeving creëert.
Referenties
BBSR 2020: Lowtech im Gebäudebereich. Fachsymposium TU Berlin am 17.05.2019. Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung; 120 S. ISBN: 978-3-87994-300-5; www.bbsr.bund.de/BBSR/DE/veroeffentlichungen/zukunft-bauen-fp/2020/band-21.html
BUKEA 2021: Behörde für Umwelt, Energie, Klima und Agrarwirtschaft (Hamburg), www.hamburg.de/gruendach/15087716/pilotprojekt-vorher-nachher/ (c) BUKEA, L+ Landschaftsarchitektur, Visualisierung: luminousfields (ZIP, 31,3 MB), Desy Halle 36, Download DESY Halle 36: Vision 2
Kravčík, M.; J. Pokorný, J. Kohutiar, M. Kováč, E. Tóth (2007): “Water for the Recovery of the Climate – A New Water Paradigm”. Publisher Municipalia. http://www.waterparadigm.org/
Matzinger, A. et. al. 2017: KURAS-Leitfaden der zielorientierten Planung von Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung. 142 S.; www.kuras-projekt.de
SenStadt 2010: Konzepte der Regenwasserbewirtschaftung – Gebäudebegrünung, Gebäudekühlung. Leitfaden für Planung, Bau, Betrieb und Wartung. 72 S. Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, www.stadtentwicklung.berlin.de/bauen/oekologisches_bauen
Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, J. Kiehl (2009): Earth’s global energy budget. Bulletin American Meteorological Society, 90, No. 3, S. 311-324.
TU Berlin 2014: HighTech-LowEx: Energieeffizienz Berlin Adlershof 2020 - Abschlussbericht Teil 8 Energieeffiziente Gebäude. BMWi EnEff: Stadt, Förderkennzeichen 03ET1038A und B. 258 S.
Door: Marco Schmidt (TU Berlin)
