Mei 2023
Koelen zonder airco
Door toenemende klimaatverandering zullen de temperaturen ’s zomers verder stijgen. Met meer en heviger hittegolven tot gevolg. Vooral ’s avonds en ’s nachts zorgen die voor hittestress. Vaak wordt dan een airco ingeschakeld, maar dat is een energieslurper van jewelste. Welke mogelijkheden zijn beschikbaar om in de gebouwde omgeving met weinig tot geen energiegebruik het hoofd te bieden aan de hitte?
Klimaatverandering begint steeds meer sporen in onze leefomgeving achter te laten, zowel in de natuur (verlies van biodiversiteit) als in de huizen en kantoren waarin we wonen en werken (hittestress). Het KNMI heeft laten zien dat de temperatuur in Nederland de laatste drie decennia met gemiddeld 1,1 °C is toegenomen, ruim twee keer zoveel als de stijging van de gemiddelde wereldtemperatuur in dezelfde periode. Die stijging hangt volgens het weerinstituut steeds meer samen met extreem weer; heviger neerslag, maar vooral droogte en hittegolven. Een hittegolf wordt gedefinieerd bij tenminste vijf zomerse dagen (≥ 25 °C) waarvan er minimaal drie tropische dagen (≥ 30 °C) zijn. Hittegolven komen steeds vaker voor. Zo was er in Nederland tussen 1948 en 1976 geen enkele hittegolf, sinds 2018 zijn er al zes geweest.
Dat heeft grote gevolgen voor de gebouwde omgeving. In plaats van onze woningen, kantoren en andere gebouwen op kou in te richten – zoals tot eind vorige eeuw werd gedaan – zullen we nu maatregelen moeten nemen om hittestress zoveel mogelijk te voorkomen. Hittestress zorgt voor een lagere arbeidsproductiviteit, lichamelijke klachten, ziekenhuisopnames en meer doden, vooral bij kwetsbare groepen zoals ouderen en mensen met COPD (bijvoorbeeld astma). Hittestress speelt overigens meer in de stad (urban heat effect) dan op het platteland, waar woningen verder uit elkaar staan en er ook minder steen en asfalt in de gebouwde omgeving is.
De buitenkant en directe omgeving van het gebouw is van invloed op het voorkomen van hittestress.
Passief koelen
Tegengaan van hittestress begint bij de bouwschil. In zuidelijk Europa en (semi)tropische gebieden hebben gebouwen daarom dikke muren die de warmte vertragen. Denk maar eens aan kerken die toch koel blijven als de temperatuur buiten tot ver boven de 30 °C stijgt. De thermische massa leidt ertoe dat de warmte tijdens snikhete dagen minder snel naar binnen kan dringen, terwijl die ’s avonds en ’s nachts, als de temperatuur is gedaald, juist wordt vastgehouden. Installatiebedrijven en -adviseurs hebben daar weinig tot geen invloed op (tenzij ze nauw samenwerken met architecten en al vanaf het begin bij de bouw zijn betrokken).
Anders wordt het met isolatie. Net als dikke muren is dit een van de beste manieren om een woning, kantoor of ander gebouw tijdens een hittegolf koel te houden. Daarvoor staat een scala mogelijkheden open, variërend van glas- en steenwol, PIR en PUR-schuim en EPS-parels, tot natuurlijke materialen als vlas, hennep, cellulose en stro. Weliswaar halen minerale soorten (glas- en steenwol) en polystyreen (PUR-schuim en EPS) vaak een hogere Rc-waarde, maar vanuit milieuoogpunt zijn natuurlijke materialen aan te bevelen. Zowel tijdens winning en toepassing als bij sloop treden er geen negatieve effecten voor de mens en omgeving op. Ook reguleren ze warmte aanzienlijk beter dan minerale soorten, PIR en polystyreen.
Een airco verbruikt meer dan een koelkast
De buitenkant en directe omgeving van het gebouw is tevens van invloed op het voorkomen van hittestress. Een volwassen boom haalt circa 22 kilo CO2 per jaar uit de atmosfeer en zorgt, dankzij het bladerdak, voor schaduw en welbevinden van de gebruikers. Die boom dient dan niet aan de oostkant maar aan de zuidkant of westkant te staan: voor de zuidkant binnen een straal van twaalf meter, voor de westkant binnen een straal van achttien meter, anders is het koelend effect verwaarloosbaar.
Ook een groene tuin vermindert hittestress. De beroemde architect Frank Lloyd Wright (1867–1959) zei het in 1931 al in een lezing voor het Art Institute van Chicago: ‘een arts kan zijn fouten begraven, een architect kan alleen klimop planten om zijn fouten te corrigeren.’
Groen kan tegen de gevel, maar met name ook op dakbedekking worden toegepast. Tijdens een hittegolf kan de temperatuur op zwarte bitumen of EPDM-dakbedekking soms wel oplopen tot ver boven de 70 °C. Alle zonne-energie wordt dan geabsorbeerd en geleid naar de constructie eronder. Bij planten gaat dat anders. Die geleiden slechts 60 procent van de zonne-energie en geven minder dan 15 procent van de energie af aan de lagen eronder. Ook reflecteren planten 27 procent van de zonne-energie. Die warmte komt dus niet langer in het gebouw. Uit verreweg de meeste onderzoeken blijkt dat een groendak een Rc-waarde van 0,3 of nog hoger heeft, afhankelijk van de vochtigheid op het dak.
In het kader van efficiënt materiaalgebruik en hernieuwbare materialen is hout- of houtskeletbouw al enige jaren in opmars. Daaraan kleeft wel een nadeel: vergeleken met steen heeft houtbouw een kleinere thermische massa. Dat maakt de kans op oververhitting groter. Een hellend dak op een houten gebouw zal je dus moeten beschouwen als een regulier plat dak en beter moeten isoleren dan een stenen gebouw, bijvoorbeeld met natuurlijke isolatiematerialen die, eventueel, onder een groendak liggen. Mocht een groendak niet tot de mogelijkheden behoren, dan zijn witte daken of witte platen op een plat dak een goedkopere oplossing (niet zonder reden zijn huizen in zuidelijke landen wit geschilderd).
Ramen en deuren tegenover elkaar openzetten helpt alleen als het ’s nachts en vroeg in de ochtend koeler is.
Isoleren en ventileren
Een gebouw bestaat uit vloeren, deuren, ramen en het dak van waaruit verreweg de meeste warmte weglekt. Ruwweg kan worden gesteld dat zonder isolatie circa 30 procent van de warmte via het dak verloren gaat, 20 procent via de muren en 15 procent via de ramen. Dak- en spouwmuurisolatie hebben dus het meeste effect. Voor renovatie gelden lagere isolatie-eisen dan voor nieuwbouw. Nieuwe woningen moeten aan de BENG-norm voldoen: Rc-waarden van minimaal 6,3 voor het dak, 4,7 voor de gevel en 3,7 voor de vloeren. Bij renovatie zijn deze Rc-waarden respectievelijk 2,0 (dak), 1,3 (gevel) en 2,5 (vloer).
Met dak- en spouwmuurisolatie ben je er echter nog niet. Wie naar het aanbod Nederlandse huizen op een willekeurige website kijkt, ziet in één oogopslag dat ze bijna allemaal veel en grote ramen hebben. Dat is fijn in de winter, maar een ellende tijdens een hittegolf, omdat warmte via glas niet naar buiten kan. Een airco ligt voor de hand, maar is juist de slechtst denkbare oplossing. Volgens Milieu Centraal, de voorlichtingsorganisatie die pas informatie publiceert als die door een onafhankelijke raad van advies is gecontroleerd, verbruikt een airco jaarlijks 160 tot 430 kWh. Dat is meer dan een koelkast die het hele jaar aanstaat.
De straling van de zon van buitenaf weren is veel beter. Dat kan met een parasol, een schaduwdoek of buitenzonwering. Rolgordijnen, luxaflex of lamellen aan de binnenkant werken echter amper. De straling van de zon is dan al door de ruiten naar binnen gekomen, net als de warmte die veel minder snel de ruimte verlaat (het principe achter een serre of oranjerie). Buitenzonwering kan goed gecombineerd worden met HR++-glas of triple glas dat circa 80 procent van de warmte tegenhoudt. Als er gordijnen, luxaflex of lamellen hangen, is het wel zaak die minstens vijf centimeter van het raam te houden en volledig te sluiten, anders bestaat de kans dat het glas door de grote temperatuurverschillen gaat barsten.
Eeuwenoude manieren tegen oververhitting blijken vaak het beste te werken
Eeuwenoude manieren om oververhitting van de woning tegen te gaan, blijken vaak het beste te werken. In zuidelijke landen houdt men bij hete zomers de luiken dicht, de deuren gesloten. Ramen en deuren tegenover elkaar open zetten helpt alleen als het ’s nachts en vroeg in de ochtend weer koeler is. Metingen in 2019 door onderzoekers van de Hogeschool van Amsterdam lieten zien dat dit een temperatuurverlaging van ruim 5 °C oplevert, vergeleken met alles dag en nacht dichthouden.
Een andere manier zijn natte doeken voor deuren en ramen. Dat zorgt voor verkoeling tijdens de hitte, een techniek die de oude Egyptenaren al toepasten. Grote kleipotten gevuld met water in huis, zijn daarop een bijna even oude variant. Omdat die enigszins poreus zijn, sijpelt er water door de wand dat aan de buitenzijde verdampt. Dat kost energie. De energie daarvoor zit alleen in de pot en in het water: hoe sneller dat verdampt, des te koeler de pot wordt.
In zuidelijke landen houdt men bij hete zomers de luiken dicht.
Koelen met installaties
Moderne woningen hebben tegenwoordig steeds vaker een LT (lage temperatuur) verwarmingssysteem die door een warmtepomp wordt gevoed, vaak in combinatie met balansventilatie of warmteterugwinning via het ventilatiesysteem. Natuurlijk kun je ’s nachts de ventilatie hoger zetten voor het inbrengen van koele nachtlucht, net zoals je manueel ’s nachts en ’s ochtends tocht door de woning laat gaan. Ook kun je koelen door in het afvoersysteem van de ventilatie, vóór de warmtewisselaar, een watervernevelaar in te bouwen. Het principe – adiabatische koeling – is hetzelfde als dat van de oude Egyptenaren: water koelt de aangevoerde buitenlucht af. Wil je dat toepassen, dan moet die via de warmtewisselaar lopen en het systeem niet op de zomerbypass staan.
In sommige gevallen kun je de werking van een warmtepomp omdraaien, dat wil zeggen dat je vloerverwarming als koeling gebruikt. Dat kan op twee manieren: actieve koeling of passieve koeling. De eerste manier – via een lucht/lucht-warmtepomp – valt te vergelijken met de werking van een airco, maar dan veel uitgebreider: in plaats van dat koeling in één of meerdere vertrekken plaatsvindt, wordt het hele huis gekoeld. Met behulp van compressoren voert het systeem de warme lucht in de woning naar buiten af. De koelvloeistof stroomt in een andere richting. De verdamper fungeert dan als een condensor. Een lucht/water-warmtepomp is een goede tweede mogelijkheid. In beide gevallen krijg je de woning snel en efficiënt op de gewenste, koude temperatuur. Actief koelen met een warmtepomp kost echter behoorlijk veel stroom. Bovendien kun je niet te ver koelen, omdat anders condensvorming in de koude vertrekken optreedt.
Dat is anders bij passieve koeling met een geothermische warmtepomp. Daarvoor moet wel de bodem of het grondwater geschikt zijn. Ook gaat deze optie met graafwerkzaamheden en met aanzienlijk hogere kosten gepaard. Een geothermische warmtepomp onttrekt niet alleen warmte aan de bodem – of het grondwater – maar moet dat ’s zomers ook voor koude doen. ’s Winters is de woning door de bron opgewarmd, wat ervoor heeft gezorgd dat de bron sterk is afgekoeld. ’s Zomers wordt dat omgedraaid om de bron op temperatuur te brengen. De warmtepomp laat ’s zomers water bij 15 tot 18 °C door het LT-systeem stromen. Dat kost bijna niets, omdat alleen het water hoeft te circuleren. Wel verloopt het proces trager – met minder grote temperatuurverschillen – en ligt het beschikbare vermogen aan het eind van de zomer ook wat lager, omdat de bron dan is opgewarmd.
Koelen met zout
Een nieuwe uitvinding, ontwikkeld door de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), gaat vanuit milieuoogpunt een aantal stappen verder. Meer dan water, zonlicht en zout is er niet voor nodig. Het koelsysteem maakt gebruik van het phase-change fenomeen: wanneer zout aan warm water wordt toegevoegd, wordt het water snel koeler. Het team onder leiding van professor Peng Wang van KAUST kwam erachter dat ammoniumnitraat, een vrij veel voorkomende kunstmest, zeer goed in water oplost. Eenmaal toegevoegd aan water daalt de temperatuur van circa 25 °C binnen twintig minuten naar 3,5 °C en blijft voor 15 uur onder de 15 °C. Dat water kun je vervolgens met zonnewarmte laten verdampen en opvangen, net als de zoutkristallen, voor een nieuw koelproces. Het ‘proof of principle’ is inmiddels op labschaal aangetoond, de volgende stap is een pilot en demonstratiesysteem.
Tekst: Tseard Zoethout
Fotografie: iStock