Casestudy: Impact van houtskeletbouw op klimaatinstallaties in Frisse Scholen

De toepassing van houtskeletbouw in Frisse Scholen kan een milieuvriendelijker alternatief bieden voor traditionele bouwmaterialen zoals beton en steen. Hout is niet alleen herbruikbaar en duurzaam (mits het afkomstig is uit duurzaam beheerde bossen), maar het vereist ook minder energie voor verwerking en transport. De invloed van houtskeletbouw, en de daarmee gepaard gaande lage thermische massa, op het ontwerp en de exploitatie van klimaatinstallaties blijft echter vaak onderbelicht. Dit is opvallend, aangezien klimaatinstallaties een steeds groter deel van de investeringskosten uitmaken en grotendeels verantwoordelijk zijn voor het energiegebruik en de CO2-uitstoot tijdens de exploitatiefase.

Om de impact van houtskeletbouw (HSB) op klimaatinstallaties inzichtelijk te maken, is deze casestudy uitgevoerd met behulp van een temperatuuroverschrijdingsberekening (TO-berekening). Hierbij is ingezoomd op de aspecten dimensionering, energiegebruik en CO2-uitstoot van klimaatinstallaties. Twee varianten van standaard Frisse Scholen klasse B klaslokalen zijn onderzocht: traditioneel gebouwd met beton en steen (veel thermische massa) en gebouwd met HSB (weinig thermische massa). De resultaten zijn verrassend en werpen nieuw licht op de toepassing van houtskeletbouw als milieuvriendelijker alternatief voor traditionele bouwmaterialen.

Thermische massa

Thermische massa wordt gedefinieerd als "de capaciteit van een gebouw om warmte op te slaan en af te geven" en wordt bepaald door het product van de massa en de soortelijke warmte van de gebruikte bouwmaterialen. Materialen zoals beton en steen hebben een hoge thermische massa, terwijl hout een lage thermische massa heeft. Hoe hoger de thermische massa van een gebouw, hoe meer warmtepieken het kan bufferen en hoe langzamer de temperatuur in het gebouw zal stijgen en dalen onder invloed van het buitenklimaat en het gebruik van het gebouw, waardoor er over het algemeen minder verwarmings- en koelvermogen nodig is. Warmte die overdag wordt opgeslagen, wordt 's nachts weer aan het gebouw afgegeven, waardoor minder verwarmingsenergie nodig is om het gebouw tijdens nachtverlaging op temperatuur te houden, en overtollige warmte eenvoudig kan worden afgevoerd door middel van zomernachtventilatie.

Warmte wat overdag door de thermische massa wordt opgeslagen wordt 's nachts weer vrijgegeven.

Een Frisse Scholen klasse B klaslokaal

Voor deze casestudy zijn twaalf klaslokalen gemodelleerd, verdeeld over drie bouwlagen. In deze opzet is elk klaslokaal per definitie een hoekvertrek in het horizontale vlak, wat in de praktijk kritischer is dan een tussenvertrek. Daarnaast wordt door deze opzet het effect van verschillende oriëntaties meegenomen. De klaslokalen hebben een vloeroppervlak van circa 50 m² en zijn voorzien van een verlaagd plafond op 2,8 meter hoogte. Er is uitgegaan van ongeveer 45% glas in één van de twee gevels van de klaslokalen, waarbij de west-, zuid- en oostgevels zijn uitgerust met automatisch geregelde buitenzonwering.

Impressie rekenmodel klaslokalen Frisse School

Tijdens gebruikstijd worden de klaslokalen bezet door 31 personen, waarbij iedereen gebruikmaakt van een laptop. Daarnaast is er één digibord aanwezig. De verlichting is daglichtgeregeld en heeft een vermogen van 5 W/m², wat neerkomt op 2,9 kW aan interne warmtelasten per klaslokaal. Wanneer de ruimtetemperatuur boven de 22°C stijgt, worden de ramen geopend voor spuiventilatie. Er wordt uitgegaan van 100% bezetting tussen 8.00 en 16.00 uur, van maandag tot en met vrijdag.

Een Frisse Scholen klasse B klimaatinstallatie

Omdat Frisse Scholen per definitie worden geventileerd met grote hoeveelheden lucht om te voldoen aan het Programma van Eisen Frisse Scholen, ligt het voor de hand om deze ventilatielucht ook te gebruiken voor ruimteverwarming en -koeling, wat in de praktijk vaak gebeurt. Daarom is in deze casestudy gekozen voor een all-air systeem. Een centrale luchtbehandelingskast (LBK) met warmtewiel, verwarmer en koeler conditioneert de ventilatielucht. Elk klaslokaal is uitgerust met een kanaalverwarmer (gedimensioneerd op een ΔT van 10K) en een VAV-klep voor temperatuur- en CO2-regeling, met een maximale terugregelbaarheid tot 50%. Daarnaast wordt gebruikgemaakt van zomernachtventilatie.

Alle koeling wordt centraal gerealiseerd door de ventilatielucht in de LBK te koelen. Hierdoor heeft de ventilatielucht naar alle klaslokalen dezelfde temperatuur. Klaslokalen waarvoor dit koelvermogen te groot is, kunnen hun kanaalverwarmer inschakelen om de ventilatielucht weer op te warmen. Zo is er altijd voldoende koelvermogen beschikbaar zonder dat klaslokalen te koud worden. Dit kan echter leiden tot verspilling, wat inherent is aan dit klimaatconcept.

De basis van deze casestudy is gebaseerd op de uitgangspunten van Frisse Scholen klasse B versie 2021, waaronder een ventilatiedebiet van 30,6 m³/h per persoon (950 m³/h per klaslokaal). Vanwege de aanwezigheid van lokaal regelbare actieve koeling is uitgegaan van de zogenaamde beta-bovengrens, waarbij de maximale operatieve temperatuur varieert van 24°C in het tussenseizoen tot maximaal 26°C in de zomer. Deze meeglijdende maximale operatieve temperatuur is van toepassing voor 95% van de gebruikstijd. Dit betekent dat er gedurende 5% van de gebruikstijd temperatuuronder- en overschrijdingen zijn toegestaan, wat neerkomt op ongeveer 2,5 weken per jaar. Hierbij is geen rekening gehouden met vakantieperiodes.

Frisse Scholen klasse B (niet-passief)

Dimensionering verwarming en koeling

De grootte van de klimaatinstallaties, oftewel de dimensionering, bepaalt in grote mate de benodigde investeringskosten. Hoe groter de installatie, hoe hoger de investeringskosten zullen zijn. Bij de bouw van Frisse Scholen zijn deze kosten een belangrijk thema. Bovendien leidt een grotere installatie vaak tot hogere onderhoudskosten. Voor de dimensionering van de verwarming en koeling is gebruikgemaakt van het referentieklimaatjaar RA2018T1 volgens NEN 5060:2018.

Bij het gekozen klimaatconcept wordt de ruimteverwarming op ruimteniveau gerealiseerd door kanaalverwarmers. In beide varianten blijkt het uitgangspunt voor het verwarmingsvermogen voldoende om in alle 12 klaslokalen temperatuuronderschrijdingen te vermijden, zelfs met de toegepaste nachtverlaging naar 18°C. De verwarmingsinstallatie is echter niet verder geoptimaliseerd voor extra temperatuurregeling.

De koeling in de LBK is daarentegen voor beide varianten wel geoptimaliseerd. Een traditioneel gebouwd klaslokaal van beton en steen heeft het minste koelvermogen nodig om te voldoen aan Frisse Scholen klasse B, namelijk gemiddeld 2,1 kW per klaslokaal. Een klaslokaal gebouwd met HSB heeft gemiddeld 4,7 kW per klaslokaal nodig, wat een factor 2,3 hoger is dan het gemiddelde koelvermogen van een traditioneel gebouwd klaslokaal.

Benodigd koelvermogen voor Frisse Scholen klasse B klaslokalen per bouwlaag en oriëntatie

Het valt op dat er verschillen zijn in de koelvermogens van de klaslokalen die met HSB zijn gebouwd. Dit kan worden verklaard door de noodzaak om het ventilatiedebiet in deze lokalen te verhogen. Voor de met HSB gebouwde klaslokalen is het benodigde koelvermogen in vrijwel alle gevallen namelijk zo groot dat het minimale ventilatiedebiet van 950 m³/h per klaslokaal, gecombineerd met een vaste inblaastemperatuur van 18°C, niet altijd voldoende is om het vereiste koelvermogen te transporteren. Om de koelcapaciteit van het ventilatiedebiet te maximaliseren, is de vaste inblaastemperatuur voor deze lokalen daarom verlaagd naar 16°C, en is het ventilatiedebiet aangepast op basis van de koellast, tot maximaal 1.100 m³/h per klaslokaal.

Benodigd ventilatiedebiet voor Frisse Scholen klasse B klaslokalen per bouwlaag en oriëntatie

Het significante verschil in benodigd koelvermogen tussen de traditioneel gebouwde klaslokalen en de met HSB gebouwde klaslokalen kan worden toegeschreven aan het verschil in thermische massa, de onderscheidende factor tussen beide bouwmethoden. Traditioneel gebouwde klaslokalen hebben veel thermische massa, terwijl de met HSB gebouwde klaslokalen juist weinig thermische massa hebben.

Het is opmerkelijk dat de noordelijk georiënteerde klaslokalen in de HSB-variant het meest kritisch blijken te zijn, aangezien deze oriëntatie de minste directe zonnestraling ontvangt en daardoor de minste externe warmte last door zonnestraling ondervindt. De oorzaak hiervan ligt echter in de indirecte zonnestraling (diffuus en reflecterend), die grotendeels wordt geblokkeerd door de automatische zonwering aan de westelijke, oostelijke en zuidelijke kant zodra de zonwering in werking treedt. In de noordelijk georiënteerde klaslokalen wordt deze indirecte zonnestraling echter niet geblokkeerd door het ontbreken van zonwering, wat leidt tot een constante warmtelast op zonnige zomerdagen. Vanwege de lage thermische massa resulteert dit vrijwel direct in een verhoging van de ruimtetemperatuur, wat een grotere koelbehoefte veroorzaakt en ervoor zorgt dat juist de noordelijk georiënteerde klaslokalen het meest kritisch zijn in de HSB-variant. Dit dempende effect van thermische massa tijdens het koelseizoen wordt weergegeven in de onderstaande grafiek.

Daguitvoer van een traditioneel gebouwd klaslokaal (getrokken lijnen) en een met HSB gebouwd klaslokaal (gestreepte lijnen) op een zomerdag waaruit het dempende effect van thermische massa goed tot uiting komt, (buitentemperatuur = zwarte lijn, ruimtetemperatuur = rode lijnen en geleverde koeling = blauwe lijnen

De ruimtetemperatuur in de klaslokalen tijdens gebruikstijd is in beide varianten vrijwel gelijk, maar het traditioneel gebouwde klaslokaal vereist aanzienlijk minder koelvermogen omdat bij deze bouwmethode meer warmtelasten worden gebufferd in de thermische massa. Buiten gebruikstijd blijft de ruimtetemperatuur in het traditioneel gebouwde klaslokaal stabiel, terwijl de temperatuur in het HSB-gebouwde klaslokaal direct stijgt zodra de klimaatinstallatie om 16:00 uur overschakelt naar nachtdrijf. Dit verschil wordt verklaard door de geringere thermische massa van de HSB-gebouwde klaslokalen, die minder demping biedt op de ruimtetemperatuur. Tussen 22:00 en 01:00 wordt zomernachtventilatie toegepast om overtollige warmte in het HSB-gebouwde klaslokaal af te voeren, iets wat in het traditioneel gebouwde klaslokaal niet nodig is.

Energiegebruik klimaatinstallaties

Het energiegebruik van de klimaatinstallaties is een belangrijk onderdeel van de exploitatiekosten. Hoe hoger dit energiegebruik, hoe hoger de exploitatiekosten zullen zijn. Een traditioneel gebouwd klaslokaal van beton en steen heeft de laagste gemiddelde jaarlijkse behoefte aan verwarmings- en koelenergie om te voldoen aan Frisse Scholen klasse B, namelijk 2.738 kWh(th) per klaslokaal. Een klaslokaal dat is gebouwd met HSB heeft gemiddeld 4.969 kWh(th) per klaslokaal nodig, wat 1,8 keer hoger is dan de gemiddelde jaarlijkse verwarmings- en koelenergie van een traditioneel gebouwd klaslokaal.

Gemiddelde jaarlijkse behoefte aan verwarmings- en koelenergie van Frisse Scholen klasse B klaslokalen

Uitgaande van een omkeerbare lucht/water-warmtepomp voor de opwekking van warmte en koude, met een COP van 4 voor verwarming en een COP van 3 voor koeling, is het gemiddelde elektraverbruik voor een met HSB gebouwd klaslokaal gemiddeld 1,9 keer hoger dan het gemiddelde elektraverbruik voor een traditioneel gebouwd klaslokaal.

Gemiddelde jaarlijkse elektraverbruik van Frisse Scholen klasse B klaslokalen bij toepassing van een omkeerbare lucht/water-warmtepomp

Het verschil in de gemiddelde jaarlijkse koelenergie is een direct gevolg van het verschil in benodigd koelvermogen, zoals eerder toegelicht. Het verschil in de gemiddelde jaarlijkse verwarmingsenergie is grotendeels toe te schrijven aan de grotere verwarmingsbehoefte van de met HSB gebouwde klaslokalen buiten gebruikstijd, zoals tijdens avonden, nachten en weekenden. Dit verschil kan worden verklaard door de lagere thermische massa, waarbij warmte overdag wordt opgeslagen en 's nachts weer aan het gebouw wordt afgegeven.

Dit dempende effect van de thermische massa buiten gebruikstijd tijdens het stookseizoen is gevisualiseerd in de onderstaande grafiek. Het verschil in geleverde verwarming tussen de traditioneel gebouwde klaslokalen en de met HSB gebouwde klaslokalen wordt naarmate de tijd verstrijkt steeds kleiner, omdat de opgeslagen warmte in de thermische massa van de traditioneel gebouwde klaslokalen afneemt en er steeds meer actieve verwarming nodig is.

Daguitvoer van een traditioneel gebouwd klaslokaal (getrokken lijnen) en een HSB-klaslokaal (gestreepte lijnen) buiten gebruikstijd op een winterdag. De grafiek toont het dempende effect van thermische massa: buitentemperatuur (zwarte lijn), ruimtetemperatuur (rode lijnen) en geleverde verwarming (bruingele lijnen)

CO2-uitstoot klimaatinstallaties

De hoeveelheid CO2-uitstoot is een maatstaf voor de milieuprestatie van de klimaatinstallatie. Hoe lager de CO2-uitstoot van de klimaatinstallatie, hoe kleiner de milieubelasting. De materiaalgebonden CO2-uitstoot van het gebouw en de installaties is buiten beschouwing gelaten. Bij gebruik van de eerder beschreven omkeerbare lucht/water-warmtepomp, en een CO2-uitstoot van 0,27 kg CO2 per geproduceerde kWh (bron: CBS), bedraagt de totale CO2-uitstoot over een technische levensduur van 15 jaar respectievelijk 3,0 ton en 5,5 ton voor de traditioneel gebouwde klaslokalen en de met HSB gebouwde klaslokalen. Dit komt, net als bij het jaarlijkse elektraverbruik, overeen met een verschil van een factor 1,9.

Gemiddelde CO2-uitstoot voor de opwekking van warmte en koude van een Frisse Scholen klasse B klaslokaal over de technische levensduur van 15 jaren

Conclusie

In deze casestudy is de impact van HSB in Frisse Scholen met een all-air-systeem op de dimensionering, het energiegebruik en de CO2-uitstoot onderzocht met behulp van een TO-berekening. Twee varianten van standaard Frisse Scholen klasse B-klaslokalen zijn onderzocht: traditioneel gebouwde klaslokalen van beton en steen (met veel thermische massa) en met HSB gebouwde klaslokalen (met weinig thermische massa). De toepassing van HSB als primair bouwmateriaal voor Frisse Scholen klasse B-klaslokalen, in vergelijking met de traditionele zware bouw met beton en steen, leidt tot:

• Een gemiddelde verhoging van het koelvermogen met circa 130% en een verhoging van het ventilatiedebiet met maximaal 150 m³/h (afhankelijk van de oriëntatie) om dit koelvermogen te kunnen transporteren.
• Een verhoging van de gemiddelde jaarlijkse verwarmings- en koelenergiebehoefte met circa 80%.
• Een verhoging van het gemiddelde jaarlijkse elektriciteitsverbruik en de CO2-uitstoot door de opwekking van warmte en koude met circa 90%.

De toepassing van een volledig HSB-constructie, in vergelijking met een traditionele bouwmethode met beton en steen, leidt dus tot een significante verhoging van het benodigde koelvermogen, het energiegebruik en de CO2-uitstoot door de warmte- en koudeopwekking. Hoewel hout een milieuvriendelijker alternatief kan zijn voor traditionele bouwmaterialen zoals beton en steen, mogen de negatieve gevolgen voor de dimensionering, het energiegebruik en de CO2-uitstoot van klimaatinstallaties niet worden onderschat.

Discussie

1. Is in deze casestudy ook gekeken naar het effect van faseverschuiving? 

Ja, in deze casestudy is ook gekeken naar het effect van faseverschuiving, maar dit bleek geen rol te spelen. Dit is getest door ook een HSB-variant met biobased houtvezelisolatie te onderzoeken, waarvan de constructies een grote theoretische faseverschuiving veroorzaken. Hoewel de HSB-variant met biobased houtvezelisolatie circa 5% beter presteerde op het gebied van dimensionering, energiegebruik en CO2-uitstoot ten opzichte van de HSB-variant met minerale wol, traden de warmtepieken in beide HSB-varianten op hetzelfde moment op. Hieruit kon worden geconcludeerd dat de verbetering niet door faseverschuiving werd veroorzaakt, maar door de iets grotere thermische massa van de HSB-variant met biobased houtvezelisolatie.

2. Wat is de impact van een gemiddelde persoonsbezetting van 50% in de klaslokalen (in plaats van 100%) op het energiegebruik en de CO2-uitstoot?

In dat scenario daalt de interne warmtelast door personen, waardoor de gemiddelde jaarlijkse koelenergiebehoefte van beide varianten afneemt en de gemiddelde jaarlijkse verwarmingsenergiebehoefte toeneemt. Ook buiten gebruikstijd is er meer verwarmingsenergie nodig, omdat er tijdens gebruikstijd minder warmte wordt gebufferd die later vrijkomt.

De toename van de gemiddelde jaarlijkse verwarmings- en koelenergiebehoefte van een HSB-klaslokaal in vergelijking met een traditioneel gebouwd klaslokaal neemt in dat scenario af van circa 80% naar circa 40%. Ook de toename van het gemiddelde jaarlijkse elektriciteitsverbruik en de CO2-uitstoot door de opwekking van warmte en koude daalt van circa 90% naar circa 40%. Een verlaging van de persoonsbezetting heeft overigens geen impact op de dimensionering, omdat daarbij altijd wordt uitgegaan van 100% bezetting.

3. Wat is de impact van een water/water-warmtepomp met een WKO (in plaats van een lucht/water-warmtepomp) op het energiegebruik en de CO2-uitstoot?

Bij gebruik van een water/water-warmtepomp met een WKO, waarbij de koeling rechtstreeks uit de koude bron wordt geleverd, en met een COP van 4,5 voor verwarming en een COP van 12 voor koeling, daalt de toename van het gemiddelde elektriciteitsverbruik voor een met HSB gebouwd klaslokaal van 90% naar 70% bij 100% bezetting en van 40% naar 30% bij 50% bezetting, ten opzichte van het gemiddelde elektriciteitsverbruik voor een traditioneel gebouwd klaslokaal.