OPLEIDING
Install Magazine 962 – augustus 2019
Met de Mobble naar de Solar Decathlon
Inzending van UGent voor internationale wedstrijd voor architectuur en energie
Het basisconcept van de HVAC-installatie was om een zuinige werking te bereiken door een snelreagerend systeem.
Het regelschema voor sanitair warm water.
Het regelschema voor verwarming en koeling.
De wedstrijd vindt plaats in Hongarije. Het koelsysteem moet dus opgewassen zijn tegen een Hongaarse zomerdag.
Het paviljoen werd eerst opgebouwd op de stadscampus van UGent.
De Solar Decathlon is een internationale wedstrijd voor studenten en kennisinstellingen rond energie en architectuur. De eerste editie werd in 2002 gehouden in Washington DC op initiatief van het ministerie van energie van de Verenigde Staten. Sinds 2010 heeft de wedstrijd een internationale dimensie en vindt ze op diverse plekken ter wereld plaats. De editie 2019 wordt georganiseerd in Hongarije, meer bepaald in Szentendre, een stad ongeveer 20 km ten noorden van Boedapest. Er nemen 11 teams aan deel, die 29 universiteiten uit 9 landen vertegenwoordigen. Een daarvan is een team van UGent, met het modulaire woonconcept de Mobble
Concepten toetsen aan de praktijk
Het basisidee van de Solar Decathlon is om totaaloplossingen te bevorderen en innoverende technieken voor energiezuinige gebouwen te testen in de praktijk. Daartoe bouwen de teams een functionele woning, die dan gedurende enkele dagen zal beoordeeld worden op tien verschillende criteria. Daarom werd de naam decathlon gekozen, naar analogie van de tienkamp in de atletiek: het gaat niet om uitblinken in een bepaald aspect, maar om de beste allrounder te zijn. Zo schenkt de jury uiteraard aandacht aan technische aspecten, maar ook architectuur, duurzaamheid, communicatie en sensibilisering worden meegenomen in de score. Wat deze wedstrijd onderscheidt van vele andere, is dat er geen concepten, simulaties of schaalmodellen bekeken worden, maar de gemeten prestaties van een functionele wooneenheid die voor de gelegenheid op ware grote wordt gebouwd. De enige beperkingen op de functionaliteit van de systemen hebben te maken met de praktische aspecten van de wedstrijd; zo mogen er bijvoorbeeld geen graaf- of grondwerken worden uitgevoerd op de wedstrijdsite.
Een modulair concept voor renovatie
Een van de aandachtspunten voor de editie 2019 is renovatie. Het Belgische team vertrok daarbij van de eigen context, namelijk de talrijke flatgebouwen uit de jaren 1950 tot 1970 die her en der in onze steden verspreid staan. Destijds boden deze flats een efficiënt antwoord op de woonbehoefte met modern comfort voor de periode. Ondertussen voldoen ze al lang niet meer aan de stand van de techniek. Deze gebouwen hebben echter dikwijls een interessante ligging, terwijl sloop en heropbouw niet evident is. Grondige renovatie is dan een oplossing.
Het uitgangspunt van het team van UGent was een project van ontwikkelaar Etrimo, namelijk het Breugelpark in Zellik. Het paviljoen voor de Solar Decathlon heeft dus de typische kenmerken van een Etrimo-appartement, met 72 m2 oppervlakte, een beglaasde gevel aan een kant en een duidelijke scheiding tussen het woongedeelte en het technische gedeelte. Typisch voor het Gentse concept is de modulaire opbouw: het paviljoen bestaat uit zogenoemde ‘mobbles’. Een mobble, kort voor ‘modular building block’ is een module van 2,4 m breed, 6 m lang en 3,1 m hoog, opgebouwd uit 2 frames en 10 panelen. Door verschillende mobbles aan elkaar te plaatsen, komt men tot een wooneenheid. Het paviljoen voor Szentendre bestaat uit 5 modules en vormt een prefab-oplossing voor de renovatie van een Etrimo-appartement. Bij de materiaalkeuze en constructie wordt zoveel mogelijk gekeken naar milieu-impact en recycleerbaarheid.
De modulaire opbouw moet het ook mogelijk maken om woningen te bouwen in functie van de behoeften van de bewoners. Traditioneel kiezen bouwers voor de afmetingen en inrichting die passen bij een bepaalde levensfase, doorgaans die van een jong gezin. Als later de kinderen het huis uit zijn, blijkt de woning in vele gevallen dan te groot.
Bij de seriematige bouw, zoals destijds bij Etrimo, ging men ook uit van een strak raster van identieke appartementen in grote hoeveelheden. Door woningen op te bouwen in modules, kan men echter een grotere flexibiliteit in afmetingen en inrichting bieden. Tevens is er ook de mogelijkheid om meer of minder modules in gebruik te nemen, naargelang de situatie verandert.
De performance gap overwinnen met snelreagerende systemen
In de ontwikkeling van het HVAC-concept wilde men een antwoord bieden op de ‘Performance Gap’. Dat is de vaststelling dat energiezuinige woningen meestal meer verbruiken dan voorspeld, terwijl minder energiezuinige woningen daarentegen beter scoren dan hun theoretisch verbruik. Anders gezegd, het werkelijke verbruik van beide types ligt veel minder ver uiteen dan de score volgens het EPB of EPC laat vermoeden. De redenen daarvoor zijn complex. Een aspect daarvan zijn de technische keuzes: moderne woningen maken meestal gebruik van lage-temperatuurverwarming (typisch vloerverwarming), in combinatie met een condensatieketel of een warmtepomp, allebei toestellen die voordeel hebben bij lange looptijden. Het resultaat is dan ook een traag reagerend systeem, met beperkte regelmogelijkheden. De gebruikers zijn dan geneigd om de woning constant op temperatuur te houden, ongeacht de bezetting. Dat leidt uiteraard tot energieverspilling.
Voor Mobble gooide het team het over een radicaal andere boeg. Men koos voor een bouwwijze met lage inertie, dat verwarmd en gekoeld werd met een snelreagerend systeem. De wooneenheid kan op 20 minuten opgewarmd worden van 15°C naar een comforttemperatuur van 22°C. De Mobble is uitgerust met een lucht-lucht warmtepomp, die de verschillende ruimtes bedient via luchtkanalen, verbonden aan een centraal plenum. Dit luchttechnisch systeem staat volledig los van de hygiënische ventilatie. De bedoeling is om alleen te verwarmen of koelen als er ook daadwerkelijk een behoefte is. Naarmate het internet der dingen vordert, is het denkbaar dat er geofencing gegevens zullen gebruikt worden om de installatie te sturen in functie van de verwachte gebruikstijden.
Dimensioneren voor België en Hongarije
Het paviljoen was wel ontwikkeld in een Belgische context, maar omdat het moest functioneren in Hongarije en daar ook beoordeeld zou worden, moest het HVAC-systeem gedimensioneerd worden voor Hongaarse omstandigheden. Dat betekende dat men moest uitgaan van buitentemperaturen van 35°C in de zomer en -15°C in de winter. De keuze viel op een Daikin lucht-luchtwarmtepomp met een koelvermogen van 6,02 kW. De berekende koellast kwam uit op 4,3 kW voor Hongarije. De installatie is dus in staat om zomercomfort te leveren in Szentendre, wat zeker moet volstaan voor een Belgische zomer.
Met een verwarmingsvermogen van 3,58 kW bij -15°C buitentemperatuur voor 20°C comforttemperatuur, viel het toestel echter wat krap uit voor de berekende warmteverliezen van 5,3 kW. Een warmtepomp met een groter verwarmingsvermogen zou echter tot bijkomende investeringen leiden, terwijl het extra vermogen slechts nodig zou zijn op bepaalde piekmomenten, zeker als men uitgaat van Belgische winters. Bovendien zal een deel van de warmtebehoefte nog gedekt worden door interne winsten. Daarom besloot het team om de warmtepomp te dimensioneren voor zomercomfort, en de piekbehoefte in verwarming op te vangen met aanvullende elektrische verwarmingsbatterijen van 1,8 kW.
Decentrale ventilatie
De hygiënische ventilatie gebeurt door middel van een D-Flow expert decentraal vraaggestuurd systeem van Jaga. Dat bestaat uit twee toevoerboxen met geveldoorvoer (telkens 150m3/h)en een centrale afvoerbox met luchtkanalen (250 m3/h). De vraagsturing is dubbel: de inblaas in de woonruimtes wordt gestuurd op basis van CO2 gehalte, de afvoer in de natte ruimtes wordt bepaald door de relatieve vochtigheid. De centrale regeling stemt de debieten van de toevoer- en afvoerboxen op elkaar af, in functie van de meestvragende box: toevoer of afvoer. In een renovatiecontext hebben decentrale toevoerboxen het voordeel dat er geen kanalen moeten worden aangelegd van en naar een technische ruimte, wat moeilijk te realiseren is in appartementen. De toevoerboxen hebben alleen een geveldoorvoer nodig. Met dit systeem is er wel geen warmteterugwinning mogelijk. In de praktijk maakt het ontbreken van warmteterugwinning echter minder uit dan dikwijls wordt aangenomen. Met een gangbare systeem D balansventilatie-unit is er altijd een minimum debiet nodig, en dus ook een constant verbruik van de ventilatoren. Door de geavanceerde vraagsturing heeft de D-Flow expert echter geen minimumdebiet, zodat de ventilator kan stilgelegd worden als er niemand thuis is. Bovendien vallen de drukverliezen door de luchtkanalen en de warmtewisselaar weg.
Passieve koeling met maanpanelen
Op het dak komen er 18 zonnepanelen van 280 Wp elk, verbonden aan een batterij. Het gaat hier om PVT-panelen, met andere woorden PV-panelen die voorzien zijn van watervoerende leidingen zodat ze zowel elektriciteit als warmte produceren. De elektriciteit van de PV-panelen dient om het verbruik van de woning te dekken in combinatie met een batterij voor nachtoverbrugging, om zo te komen tot een nulenergiewoning. De warmte uit de panelen wordt opgeslagen in een buffervat en gebruikt als voorverwarming voor de warmtepompboiler voor het sanitair warm water. Om de installatie zo compact mogelijk te houden, is dat buffervat gedeeltelijk gevuld met Phase Changing Materials (PCM) met een smeltpunt van 51°C. Daardoor kan men volstaan met een volume van 800 l. De PVT-panelen zijn niet geïsoleerd, en hebben een stagnatietemperatuur van 70°C, ruim voldoende voor SWW.
De keuze voor niet-geïsoleerde PVT-panelen heeft te maken met een specifieke eis van het wedstrijdreglement: het paviljoen moet twee dagen lang een comforttemperatuur kunnen bereiken, zonder actieve koeling met een Carnot-cyclus. Omdat er geen grondwerken mochten worden uitgevoerd, waren bodem-warmtewisselaars voor passieve koeling uitgesloten. Het team van UGent besloot dan om de zonnepanelen ’s nachts te benutten voor passieve koeling, waarbij warmte door straling wordt afgegeven aan de nachthemel. De zonnepanelen worden dan als het ware ‘maanpanelen’. In koelmodus zijn de PVT-panelen verbonden met een tweede buffervat voor koudeopslag. Dit heeft een volume van 3.000 l en bevat 200 kg PCM met een smeltpunt van 18°C om de opslagcapaciteit te vergroten. Verwacht wordt dat buffertemperaturen tot 10°C bereikt kunnen worden. Het koude buffervat is verbonden met een warmtewisselaar om de inblaaslucht van het HVAC-systeem voor te koelen. Tijdens normaal bedrijf kan dit element ook gebruikt worden om pieklasten in koeling op te vangen.
Sanitair warm water
Voor sanitair warm water is er een Daikin EKHH2E-PAV33 warmtepompboiler met een inhoud van 260 l. Zoals gezegd is deze boiler hydraulisch verbonden met de PVT-panelen, maar het toestel kan ook gebruik maken van zowel de binnenlucht als de buitenlucht als warmtebron, waarbij de keuze bepaald wordt door de koelbehoefte van de woning op dat ogenblik.
De boilertemperatuur wordt op 45°C gehouden vanuit het oogpunt van energiebesparing. Die temperatuur houdt uiteraard een risico op Legionella in. Daarom is de regeling voorzien van een predictief systeem, waar we al eerder over berichtten. Als het systeem bepaalt dat er gevaar ontstaat voor Legionellagroei , gaat de temperatuur naar 65°C. Het alarmpeil is daarbij vrij laag ingesteld, namelijk 800 KVE/l, waar zorginstellingen bijvoorbeeld werken met een ondergrens van 1.000 KVE/l. De kans op besmetting is daardoor verwaarloosbaar.
Door Alex Baumans
Illustraties: UGent
