Februari 2022

Team VIRTUe van TU/e realiseert holistisch duurzaam huis

Focus op zonne-energie bij Solar Decathlon

Op de eigen campus ontwerpt en bouwt Team VIRTUe van de TU Eindhoven een – qua energie – zelfvoorzienend huis dat optimaal past in een duurzame samenleving. Daarbij richten de studenten zich niet alleen op de bouwfysica, installatietechniek en slimme regelsystemen, maar tevens op sociale innovatie. Deze zomer wordt het demontabele huis opgebouwd in Wuppertal om deel te nemen aan de ontwerpwedstrijd Solar Decathlon.

Team VIRTUe van de TU Eindhoven werkt op de eigen campus aan het project ‘Ripple’. Een duurzaam huis dat volledig is ontwikkeld en gebouwd door studenten in het kader van de internationale bouwcompetitie Solar Decathlon. Tijdens deze ontwerpwedstrijd, die deze zomer zal plaatsvinden in Wuppertal, nemen zeventien universiteiten het wereldwijd tegen elkaar op om een bijdrage te leveren aan de verduurzaming van steden (zie kader).
VIRTUe wil met haar ontwerp van een contextueel aanpasbare ‘drop’ – een modulaire uitbreiding voor gebouwen met platte daken – vooral de enorme ecologische impact van de huidige bouwstandaard aanpakken. Daarnaast wil het team door een slim en mooi ontwerp ook de bewoner stimuleren tot het maken van duurzamere keuzes.
Het ontwerp bestaat uit een woonmodule die naar wens in grotere aantallen op een plat dak zijn te plaatsen. Voor Wuppertal is een van deze modules gebouwd, maar in de berekeningen is uitgegaan van meer modules, zodat er bepaalde schaalvoordelen mogelijk zijn.

Technische opbouw

Vanuit technisch oogpunt gezien is het huis onder meer duurzaam doordat het vrijwel volledig uit hout bestaat. Dit bouwmateriaal is een stuk duurzamer dan staal of cement, zolang het uit duurzaam beheerde bossen komt en niet illegaal uit het tropisch regenwoud wordt gehaald. Verder is het huis zo ontworpen dat de structuur eenvoudig is te demonteren en naar wens aan te passen of uit te breiden. Een kenmerk dat vooral in het thema circulariteit past. Qua installatietechniek ligt de nadruk op pv-panelen, die zowel op het dak liggen als zijn geïntegreerd in de façade. In combinatie met een zonneboiler, batterij en warmte-pomp maken deze het huis volledig energieneutraal.
In het kader van sociale innovatie en gedragsbeïnvloeding is een gemeenschappelijke ruimte ontworpen waar bewoners apparatuur, zoals een wasmachine of gereedschap, kunnen delen. Deze gemeenschappelijkheid verlaagt de kosten en de ecologische voetprint. Ook is een energiemanagementsysteem ontwikkeld, bestaande uit de Equi-regeling in combinatie met de Recapp coaching-app (zie kader). ‘We gaan bij de sociale innovatie uit van een rimpeleffect: mensen die zich binnen een huis duurzaam gedragen zullen andere mensen in het huis en in de nabije omgeving stimuleren dit ook te doen. Alsof je een voorwerp in het water gooit waarbij een rimpeling van het water ontstaat die zich steeds verder uitbreidt. Vandaar dat het project de naam ‘Ripple’ heeft,’ legt woordvoerder van team VIRTUe Joris Jorna uit.

Energieconcept

Een belangrijk element om het huis energieneutraal te maken is het energieconcept. Dit bestaat uit vier pijlers:

Zoveel mogelijk gebruikmaken van duurzame energie en daarbij zo min mogelijk afhankelijk zijn van het net. De aanduiding ‘zoveel mogelijk’ hangt samen met het feit dat de oplossing wordt ingepast bij bestaande gebouwen, waardoor de mogelijkheid bestaat dat er geen of niet voldoende duurzame energiebronnen zijn in te zetten.
Een volledig dekkende energieproductie voor het huis en het liefst overproductie.
Stimuleren van een reductie van het energieverbruik door te sturen op gedrag; hierin zit vooral de sociale innovatie.
De energie die nodig is zo efficiënt mogelijk gebruiken door verliezen te beperken en slimme (regel)systemen toe te passen.

Pv-panelen

Het ontwerp biedt ruimte voor maximaal 43 pv-panelen, maar hiermee ontstaat een dermate grote overcapaciteit dat het team zich in het uiteindelijke ontwerp heeft beperkt tot zeventien stuks. Hierbij zijn twee varianten toegepast: vijf LG 365Q1C-A5 c-SI modules (1.152 Wp) en twaalf gelamineerde c-Si Kameleon Solar Colorblast (1.825 Wp). Deze Kameleon Solar-panelen kunnen verschillende vormen en kleuren hebben, waardoor ze ook eenvoudig zijn te integreren in bijvoorbeeld een façade of andere omgevingselementen.
De hoek en oriëntatie van de pv-modules is geoptimaliseerd met het oog op een maximale energieproductie. Uitgaande van de locatie in Wuppertal zullen de zeventien aangesloten panelen rond de 2.141 kWh per jaar genereren. Dit is voldoende voor het beoogde verbruik van iets meer dan 1.600 kWh per jaar dat nodig is voor de warmtepomp, verlichting en de productie van warmwater.

Volledige pv-systeem inclusief opslagmogelijkheden voor elektriciteit en warmte.

Pv-gevels

Als aanvulling op de pv-panelen op het dak heeft VIRTUe tevens een pv-gevel ontwikkeld in het kader van renovatie. In het specifieke geval waarin het huis in Wuppertal wordt opgebouwd, is de bijdrage van deze gevel niet groot aangezien deze in de schaduw ligt van andere gebouwen. Anderzijds verdienen de gevelpanelen zich terug binnen de levensduur van het systeem, waarmee ze toch een bijdrage leveren aan de efficiëntie van het totale energiesysteem.
Jorna: ‘Andere duurzame energiebronnen in de vorm van windturbines en waterkracht bleken in dit concept niet haalbaar. Ten eerste zouden windturbines evenveel plaats in beslag nemen als pv-panelen, maar daarbij veel extra geluid geven. Voor waterkracht bood de nabijgelegen rivier onvoldoende capaciteit.’

Verwarming

De zonne-energie wordt niet alleen gebruikt voor het opwekken van elektrische energie, maar via twee systemen ook voor verwarming. Het eerste systeem bestaat uit een aantal zonnecollectoren (Atag Solar Collector II met een oppervlak van 1,6 m²). Deze vlakke plaat-collectoren zijn op het dak geplaatst en verwarmen het koude water voor de warmtepomp voor.
Een tweede systeem is gekoppeld aan de pv-panelen. Dit PVT-systeem bestaat uit een lange leiding die achter de zonnepanelen is geplaatst, omdat hier warmere lucht beschikbaar is. Hierdoor ontstaat er tevens een extra voordeel: doordat de zonnecollectoren warmte opnemen, koelen ze de omringende lucht. Dit komt de omgeving van de pv-panelen – en daarmee het rendement – ten goede. Alle warmte die op deze manier in het water wordt gebracht, hoeft niet meer elektrisch te worden opgewekt met de opbrengst van de pv-panelen.
Nadat het water is verwarmd, wordt het naar de water-water warmtepomp (Nibe F1255) getransporteerd. Vanaf de warmtepomp wordt het vervolgens gebruikt voor warm tapwater, vloerverwarming en voor de vaatwasser en wasmachine; de zogenaamde hotfills.

Naast pv-panelen op het dak heeft VIRTUe een pv-gevel ontwikkeld voor renovatie

Elektrische aansluiting

Het huis heeft een 3-fase aansluiting om de warmtepomp te kunnen voeden. Verder zijn verbruikers zoveel mogelijk individueel aangesloten, waardoor het verbruik van elektrische energie per verbruiker is te monitoren. Om de installatie en de gebruiker te beschermen tegen overstroom en elektrische schokken is gekozen voor beschermingscomponenten van Attema, EMAT en Gacia; de stopcontacten zijn beschikbaar gesteld door Jung.
Team VIRTUe heeft er verder voor gekozen om gedeelde systemen te centraliseren. Dat betekent dat al deze systemen zich in één technische ruimte bevinden en hier hun onderhoud en service kunnen ontvangen. Het centraliseren van de gemeenschappelijke systemen heeft een positieve invloed op de efficiëntie van het totale systeem.
Voor de verlichting is gekozen voor Philips Hue-verlichting waarvan de kleur en intensiteit per lamp afzonderlijk draadloos zijn in te stellen.

6. Mogelijkheden met gekleurde pv op de gevel.

Energieopslag

Om zo onafhankelijk mogelijk van het net te zijn, is energieopslag een belangrijk element in het energiesysteem. Deze opslag is te verdelen in de opslag van elektrische energie afkomstig van de pv-systemen en de opslag van warmte. Jorna: ‘Voor beide gevallen hebben we gekeken naar zowel korte- als langetermijn opties. Voor kortstondige opslag van elektrische energie zijn batterijen of kinetische energie te gebruiken. Voor een langduriger opslag is het beter om de elektriciteit om te zetten in gas of waterstof. Dit zijn vormen van energie die gedurende de tijd niet vergaan, in tegenstelling tot batterijen die over een langere periode leeglopen of vliegwielen die uiteindelijk door wrijving komen stil te staan.’
Voor de opslag van elektrische energie is voor de korte termijn gekozen voor de implementatie van lithium-ion batterijen in combinatie met een nieuwe technologie in de vorm van ‘vloeibaar metaal-batterijen’. Deze batterijen kunnen zowel diep laden als diep ontladen zonder capaciteitsverlies door de tijd (iets wat bij Li-ion-batterijen wel aan de orde is). Hierdoor zijn ze bij uitstek geschikt voor de infrastructuur van hernieuwbare energie en kunnen onder andere ondersteunen in het opvangen van zowel vraag- als aanbodpieken.
In tegenstelling tot traditionele batterijen hoeven deze exemplaren niet te worden beschermd tegen oververhitting, maar worden daarentegen op een temperatuur van 500 °C gehouden. Omdat dit voor een losse unit niet praktisch is, wordt deze batterij alleen toegepast in het grotere ontwerp en niet daadwerkelijk gebruikt in Wuppertal. Een deel van de verloren warmte is op te vangen voor verwarmingsdoeleinden.
Om de warmte die het gebouw produceert op te slaan, is een zouthydraat-batterij toegepast. De thermochemische warmteopslag maakt gebruik van kaliumcarbonaat. Wanneer warmte aan het systeem wordt toegevoerd, zal het zouthydraat verdampen en hiermee de energie opslaan (endotherm). Door het toevoeren van waterdamp wordt de warmte weer vrijgegeven (exotherm). Zouthydraat-batterijen kennen geen verliezen en slaan warmte onafhankelijk van het seizoen op. Daarbij hebben ze een hogere dichtheid dan water of PCM’s. De batterij is naar wens op te laden met een warmtepomp, een zonnecollector of elektriciteit, wat het een multifunctionele manier maakt om alle vormen van energieoverschot op te slaan.

Warmteterugwinning

Qua energiebesparing is een wtw-systeem geïnstalleerd in de muur van de badkamer achter de douche. Volgens de leverancier heeft dit systeem een efficiëntie van 72,5 procent. Het douchewater (grijs water) wordt nadat het in het afvoerputje is gelopen afgevangen en vervolgens naar het wtw-systeem gepompt. Hier wordt de warmte van het afvalwater overgedragen aan de koudwatertoevoer van de douche, waarmee er uiteindelijk minder warmte in het riool verdwijnt.
Warmteterugwinning is ook te vinden in het mechanische ventilatiesysteem (Zehnder ComfoAir Q600 ST) waarmee het gebouw is uitgerust. Hiermee vermindert VIRTUe de temperatuurschommelingen als gevolg van de ventilatie en beperkt daarmee ook de warmte- en koellast gedurende het gehele jaar. De werking berust op het preconditioneren van de buitenlucht die tijdens het koude seizoen – waarin de warmtevraag hoger is – onder de warme pv-panelen vandaan wordt gehaald. Wanneer het warm is en de koeltevraag juist hoger, wordt de lucht onttrokken aan de koele noordkant van het huis. In de nacht van het warme seizoen gebeurt dit juist weer vanachter de pv-panelen, omdat deze gedurende de nacht significant afkoelen door stralingskoeling van de lucht.
Tevens is passieve koeling toegepast door begroeiing op het dak: deze fungeert als isolatielaag in koude tijden, waarmee de warmte zoveel mogelijk in het huis blijft. In de zomer absorbeert de begroeiing de warmte, waardoor deze niet direct door wordt gelaten in het huis. Daarnaast bieden groene daken het voordeel dat ze tijdens hevige regenbuien het water tijdelijk kunnen bufferen, waarmee de kans op overstromingen afneemt. Het verdampen van het water in de zomer draagt weer bij aan extra koeling.
Joris Jorna: ‘Het is mooi om te zien dat de verschillende maatregelen op papier hebben geleid tot een energieneutraal huis dat zelfs energie kan produceren. De praktijk zal straks leren in hoeverre de berekeningen en aannames kloppen en wat de invloed is van het gedrag van de bewoners. Tevens is het interessant om in een later stadium te kijken in hoeverre je kunt samenwerking met andere huizen in de buurt, zodat je een volledige wijk energieneutraal kunt maken in combinatie met een lage net-afhankelijkheid. Maar eerst gaan we het huis opbouwen in Wuppertal en kijken hoever we komen in de Solar Decathlon.'

Via de display op de wand is de energieproductie en het gebruik af te lezen waarmee de bewoners zich voortdurend bewust zijn van hun eigen gedrag.

Energiemanagementsysteem

Om het bewonersgedrag maximaal te sturen op een duurzaam gebruik van het huis, ontwikkelde studententeam VIRTUe de regeling Equi en de ‘coaching app’ Recapp. Het energiemanagementsysteem draagt bij aan de energieflexibiliteit door te adviseren over de beste momenten om bijvoorbeeld de wasmachine te laten draaien. Door vraag en aanbod goed op elkaar af te stemmen, worden pieken en dalen voorkomen. De energieproductie en het gebruik is af te lezen van de display op de wand.
Teamwoordvoerder Joris Jorna: ‘De coaching app Recapp is een social platform waarop bewoners beloningen ontvangen voor duurzame acties. Bijvoorbeeld korter of minder douchen of duurzaam te eten. Een beetje vergelijkbaar met The Sims en een manier van gamificatie om mensen te stimuleren duurzaam te leven.’

Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: Team VIRTUe

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