Referentieklimaatjaren: de stresstest voor TO-berekeningen

Referentieklimaatjaren spelen een cruciale rol in gebouwsimulatieberekeningen, zoals TO-berekeningen. Waar toetskaders voor TO-berekeningen de te behalen prestaties vastleggen, geven referentieklimaatjaren de omstandigheden aan waaronder deze prestaties moeten worden bereikt. Hoe extremer het referentieklimaatjaar, hoe uitdagender het wordt om aan de vereiste prestaties te voldoen. Referentieklimaatjaren fungeren hierdoor als de ultieme stresstest voor toekomstbestendige utiliteitsgebouwen en klimaatinstallaties in TO-berekeningen. Wil je meer weten over de toepassing van referentieklimaatjaren in TO-berekeningen en waarom de huidige referentieklimaatjaren onvoldoende zijn om toekomstbestendige utiliteitsgebouwen en klimaatinstallaties te ontwerpen? Lees er alles over in deze blog.

Wat zijn referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen?

Referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen zijn samengestelde datasets met representatieve klimatologische gegevens, gebaseerd op data van verschillende (werkelijke) klimaatjaren, met als doel representatieve buitenomstandigheden te geven . NEN5060:2018 is de actuele norm voor referentieklimaatjaren en is gebaseerd op klimatologische gegevens van de periode 1996 tot en met 2015. De actuele norm bevat drie referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen.

NEN5060:2018 energie is het referentieklimaatjaar voor het berekenen van de energiebehoefte van gebouwen en is representatief voor het langjarig gemiddelde van de periode 1996 tot en met 2015. Dit referentiejaar bevat geen koude- of hittegolven.

NEN5060:2018 ontwerp 5% is een referentieklimaatjaar dat wordt gebruikt voor de dimensionering van klimaatinstallaties. Hierbij is er een kans van 1 op 20 dat een daadwerkelijke wintermaand kouder is of een daadwerkelijke zomermaand warmer dan in dit referentieklimaatjaar. Dit betekent dat dit referentieklimaatjaar in 95% van de gevallen representatief is voor de te verwachten buitenomstandigheden. Dit referentiejaar bevat geen koudegolven, maar wel twee hittegolven: één met een hittegolfgetal (een maat voor de intensiteit van de hittegolf) van slechts 27,8 en een andere met een hittegolfgetal van 42,2. Ter vergelijking: de meest intense hittegolf sinds 1901 vond plaats in de zomer van 1976, met een hittegolfgetal van 96,3.

NEN5060:2018 ontwerp 1% is een referentieklimaatjaar dat ook wordt gebruikt voor de dimensionering van klimaatinstallaties. Hierbij is er een kans van 1 op 100 dat een daadwerkelijke wintermaand kouder is of een daadwerkelijke zomermaand warmer dan in dit referentieklimaatjaar. Met andere woorden, dit referentieklimaatjaar is in 99% van de gevallen representatief voor de te verwachten buitenomstandigheden. Dit referentiejaar bevat twee koudegolven en drie hittegolven. Deze twee koudegolven zijn de enige die sinds 1997 zijn voorgekomen. Tijdens de koudegolven daalt de buitentemperatuur tot een minima van -15,8°C en -18,8°C.  De drie hittegolven hebben hittegolfgetallen van 31,7, 67,4 en 85,8, waarbij de meest intense hittegolf van deze drie de op een na zwaarste is sinds 1901.

De grafiek toont de gemiddelde wekelijkse buitentemperatuur van de NEN5060:2018 referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen. Het energiejaar (blauwe lijn) vertegenwoordigt het langjarige gemiddelde met minder extreme temperaturen, terwijl de ontwerpjaren (oranje en groene lijnen voor respectievelijk 5% en 1%) grotere schommelingen laten zien, met hogere pieken in de zomer en lagere dalen in de winter. 

Hoe worden referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen samengesteld?

Referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen worden samengesteld volgens de statistische methodiek beschreven in de NEN-EN-ISO 15927-reeks. Voor referentieklimaatjaren die worden gebruikt voor het berekenen van de energiebehoefte van gebouwen, worden de maanden geselecteerd op basis van gemiddelde temperatuur, luchtvochtigheid, zonnestraling en windsnelheid. Om een natuurlijke overgang tussen de geselecteerde maanden te waarborgen, worden de laatste 8 uur van een maand en de eerste 8 uur van de volgende maand kunstmatig gladgestreken.

Het laatste jaar van de reeks opeenvolgende jaren die wordt gebruikt voor de samenstelling van dit referentieklimaatjaar, moet volgens NEN-EN-ISO 15927-4 eindigen op een veelvoud van 5, zoals 2010, 2015 of 2020. Voor het meest recente referentieklimaatjaar voor het berekenen van de energiebehoefte van gebouwen met TO-berekeningen is gekozen voor een periode van 20 opeenvolgende jaren, namelijk van 1996 tot en met 2015. Dezelfde periode is gebruikt voor de samenstelling van de referentiejaren voor de dimensionering van klimaatinstallaties met TO-berekeningen. Voor de voorgaande referentieklimaatjaren werd een periode gehanteerd die 10 jaar ouder was, namelijk van 1986 tot en met 2005. Het is mogelijk dat toekomstige referentieklimaatjaren volgens NEN 5060 zullen worden gebaseerd op de periode van 2006 tot en met 2025.

Selectieperiode voor referentieklimaatjaren volgens NEN5060:2008 en NEN5060:2018 en een mogelijke selectieperiode voor toekomstige referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen

Waar de focus bij referentieklimaatjaren  voor het berekenen van de energiebehoefte van gebouwen met TO-berekeningen ligt op langjarige gemiddelden, richt de focus van referentieklimaatjaren voor de dimensionering van klimaatinstallaties met TO-berekeningen zich op de extremen tijdens de maanden van het stook- en koelseizoen. Om deze referentieklimaatjaren samen te stellen, wordt een gecombineerde selectiemethode uit de NEN-EN-ISO 15927-reeks gebruikt voor de maanden uit dezelfde selectieperiode als bij het referentieklimaatjaar voor het berekenen van de energiebehoefte van gebouwen met TO-berekeningen (1996 tot en met 2015). In de meest actuele NEN 5060 is gekozen voor een referentieklimaatjaar voor ontwerpberekeningen dat 95% representatief is voor het stook- en koelseizoen (met een 5% kans op over- of onderschrijding) en een referentieklimaatjaar voor ontwerpberekeningen dat 99% representatief is voor het stook- en koelseizoen (met een 1% kans op over- of onderschrijding). De tussenliggende maanden zijn in beide referentieklimaatjaren geselecteerd op basis van een maandgemiddeld temperatuurcriterium.

Het kiezen van het juiste referentieklimaatjaar voor TO-berekeningen

Referentieklimaatjaren zijn een integraal onderdeel van het toetskader voor TO-berekeningen. Ze beschrijven de buitencondities waaraan het utiliteitsgebouw wordt blootgesteld en vormen daarmee de omstandigheden waaronder de prestaties moeten worden behaald. Hoe kouder de maanden in het stookseizoen en hoe heter de maanden in het koelseizoen van het toegepaste referentieklimaatjaar, hoe uitdagender het is voor de klimaatinstallatie om aan de vereiste prestaties te voldoen. Hierdoor zijn referentieklimaatjaren een cruciaal onderdeel van TO-berekeningen.

Het gebruik van het juiste referentieklimaatjaar in TO-berekeningen is cruciaal om betrouwbare resultaten te waarborgen. Maar in welke situatie kies je welk referentieklimaatjaar? Volgens ISSO Publicatie 32:2010 (Uitgangspunten voor temperatuursimulatieberekeningen) levert het energiejaar van de NEN 5060 (NEN5060:2018 energie) over het algemeen voldoende betrouwbare resultaten op voor energieberekeningen, zoals het vaststellen van een basislijn voor het jaarlijkse gebouwgebonden energiegebruik. Voor utiliteitsgebouwen met seizoensopslag, zoals WKO-installaties, is een enkel referentiejaar echter te kort, en moet men rekenen met minimaal 10 aaneengesloten werkelijke klimaatjaren. In lijn met de meest actuele NEN 5060 zou hiervoor (een deel van) de klimaatjaren van 1996 tot en met 2015 gehanteerd kunnen worden.

Referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen voor het berekenen van de energiebehoefte van gebouwen met en zonder seizoensopslag

Voor ontwerpgerelateerde vraagstukken zoals de dimensionering van klimaatinstallaties zijn de ontwerpjaren van de NEN 5060 de aangewezen referentieklimaatjaren. Deze jaren bevatten voldoende lange koude en warme periodes om gebouwontwerpen grondig te testen. Het ontwerpjaar NEN 5060:2018 ontwerp 5% (dat voor 95% representatief is voor de periode 1996 tot en met 2015) is geschikt voor minder kritische vraagstukken, waarin het acceptabel is dat de berekende prestaties in 5% van de gevallen worden onder- of overschreden. Dit referentieklimaatjaar wordt bijvoorbeeld voorgeschreven voor "Thermisch modelleren" onder credit HEA04 Thermisch Comfort van het duurzaamheidslabel BREEAM-NL Nieuwbouw 2020 v1.0. Ook wordt dit referentieklimaatjaar standaard voorgeschreven voor minder kritische kantoor- en bijeenkomstfuncties in utiliteitsgebouwen van het Rijksvastgoedbedrijf (RVB).

Het gebruik van het ontwerpjaar NEN 5060:2018 ontwerp 1% (die 99% representatief is voor de periode 1996 tot en met 2015) is geschikt voor kritische vraagstukken, waarbij nagenoeg geen onder- of overschreden van de berekende prestaties zijn toegestaan. Dit referentieklimaatjaar wordt in de praktijk het meest toegepast voor TO-berekeningen en is standaard voorgeschreven voor:

• De ATG-methode volgens ISSO Publicatie 74:2014
• Programma van Eisen Frisse Scholen 2021
• Het punt "Voorbereid op klimaatverandering" van de credit HEA04 Thermisch comfort van het duurzaamheidslabel BREEAM-NL Nieuwbouw 2020 v1.0
• Kritische kantoor- en bijeenkomstfuncties in utiliteitsgebouwen van het Rijksvastgoedbedrijf (RVB).

In de praktijk worden in bestekken of technische omschrijvingen nog steeds referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen uit de in 2018 vervallen NEN 5060:2008 voorgeschreven als onderdeel van het toetskader voor TO-berekeningen. Dit is waarschijnlijk het gevolg van het automatisch overnemen van eerdere documenten, in plaats van een bewuste en doordachte keuze. Het ontwerpjaar NEN 5060:2008, ontwerp 1% (dat voor 99% representatief is voor de periode 1986 tot en met 2005) bevat namelijk twee iets mildere koudegolven (met een laagste temperatuur van -15,2°C in plaats van -18,8°C in NEN 5060:2018, ontwerp 1%) en slechts twee, in plaats van drie, aanzienlijk mildere hittegolven (met een hittegolfgetal van maximaal 35,1 in plaats van maximaal 85,8 in NEN 5060:2018, ontwerp 1%). Hierdoor worden de prestaties tijdens de zomerperiode minder streng getest bij de toepassing van de vervallen NEN 5060:2008, ontwerp 1%, in vergelijking met de actuele NEN 5060:2018, ontwerp 1%. Het gebruik van de vervallen NEN 5060:2008, ontwerp 1%, in plaats van de actuele NEN 5060:2018, ontwerp 1%, leidt in de praktijk tot kleiner gedimensioneerde koelinstallaties, waarbij te verwachten is dat de berekende prestaties in meer dan 1% van de gevallen worden overschreden.

Hittegolven tijdens de warme zomerperiode van de NEN5060:2008 en NEN5060:2018 referentieklimaatjaren ontwerp 1% 

Uitdagingen en toekomstperspectieven van referentiejaren voor TO-berekeningen

De introductie van referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen op basis van langjarige klimatologische gegevens volgens NEN5060 was een enorme stap voorwaarts ten opzichte van het gebruik van individuele klimaatjaren, zoals 1964-1965, 1995 of 1998, wat tot de introductie van de NEN5060 in 2008 de praktijk was. De herijking van deze norm in 2018, waarbij de 20-jarige horizon aan klimatologische gegevens verschoof van 1986-2005 naar 1996-2015, gaf deels antwoord op het veranderende (zomer-)klimaat in de periode 2005-2015 waarmee ook de één na intenste hittegolf sinds 1901 werd opgenomen in het extreemste referentieklimaatjaar.

Het is echter de vraag in hoeverre het gebruik van historische klimatologische gegevens een geschikt uitgangspunt is voor TO-berekeningen van toekomstbestendige utiliteitsgebouwen die bestand zijn tegen toekomstige weersextremen. De meest recente klimaatscenario's van het KNMI laten namelijk een duidelijk beeld zien: opwarming is een zekerheid, de grootte van de opwarming is afhankelijk van de mate waarin de CO2-uitstoot blijft stijgen. In het meest extreme scenario stijgt het aantal tropische dagen (dagen met maximumtemperatuur van 30 °C of hoger) in het jaar 2100 van gemiddeld 5 naar maarliefst 30 dagen, waarbij een buitentemperatuur van 40°C jaarlijks voorkomt. Ter vergelijking: de meest intense hittegolf sinds 1901 bestond uit 10 tropische dagen met een maximumtemperatuur van 34,9°C.

Utiliteitsgebouwen hebben een economische levensduur van 30 tot 40 jaar. Dit betekent dat utiliteitsgebouwen die vandaag worden ontworpen en rond 2026 in gebruik worden genomen, tot ongeveer 2060 zonder grootschalige aanpassingen zouden moeten kunnen functioneren. Het is daarom opmerkelijk dat utiliteitsgebouwen worden ontworpen op basis van een TO-berekening met een referentieklimaatjaar uit het verleden, dat tijdens de gebruiksfase van het utiliteitsgebouw steeds minder representatief is voor het werkelijke buitenklimaat.

In dit licht zouden TO-berekeningen van toekomstbestendige utiliteitsgebouwen die vandaag de dag worden opgesteld, niet gebaseerd moeten zijn op een referentieklimaatjaar uit het recente verleden, maar op verschillende klimaatscenario's die rekening houden met variaties en onzekerheden in het toekomstige klimaat, zoals uiteengezet in dit artikel van Bouwtotaal. Een utiliteitsgebouw dat met deze toekomstgerichte aanpak wordt ontworpen, zal tijdens zijn levensduur functioneler en kostenefficiënter zijn (en dus waardevoller) dan een utiliteitsgebouw dat is ontworpen op basis van klimaatdata uit het verleden, en dat mogelijk al na 10 of 20 jaar ingrijpend moet worden gerenoveerd om het binnenklimaat comfortabel te houden. Binnenkort wordt het mogelijk om deze aanpak in de praktijk te brengen met de introductie van referentieklimaatjaren voor 2050 en 2080, gebaseerd op de meest actuele klimaatscenario's van het KNMI.

Conclusie

Referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen spelen een cruciale rol bij het bepalen van de prestaties van utiliteitsgebouwen en hun klimaatinstallaties . De huidige referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen, gebaseerd op historische data van 1996 tot 2015, hebben echter beperkingen voor het ontwerpen van toekomstbestendige utiliteitsgebouwen. Aangezien klimaatverandering onvermijdelijk is, en de extremen toenemen, is het essentieel om TO-berekeningen van toekomstige utiliteitsgebouwen te baseren op verschillende klimaatscenario's voor de toekomst, in plaats van op referentieklimaatjaren uit het verleden. Dit zal resulteren in utiliteitsgebouwen die functioneler, kostenefficiënter en duurzamer zijn gedurende hun hele levensduur, zonder de noodzaak van vroege en ingrijpende renovaties. De introductie van nieuwe referentieklimaatjaren voor TO-berekeningen voor 2050 en 2080 biedt de kans om deze toekomstgerichte aanpak te realiseren en te zorgen voor een gebouwde omgeving die voorbereid is op de uitdagingen van morgen.