Een passiefhuis is een gebouw dat door een uitgekiend ontwerp verwarmd en gekoeld kan worden zonder het gebruik van fossiele brandstoffen. In plaats daarvan worden de warmte van de zon en de verkoeling van de wind optimaal aangewend.
Architecten hebben wereldwijd het nut aangetoond van passiefhuizen, maar de vraag die tot nu toe nauwelijks werd gesteld, is hoe we die methode kunnen veralgemenen naar een stedelijke omgeving. Nochtans is dat essentiëel als we willen dat het passiefhuis meer wordt dan een curiositeit.
Een dichtbevolkte stad ontwerpen waar elk gebouw wordt verwarmd en gekoeld door middel van natuurlijke energiebronnen is een veel grotere uitdaging dan het ontwerpen van een individueel, vaak vrijstaand passiefhuis. Maar hedendaags onderzoek, dat eeuwenoude kennis combineert met krachtige computertechnieken, laat zien dat passiefsteden met een hoge bevolkingsdichtheid wel degelijk mogelijk zijn.
Illustratie door Diego Marmolejo.
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
——————————————————————————————————–
Gedurende het grootste deel van de menselijke geschiedenis werden gebouwen steeds aangepast aan de lokale omstandigheden, het klimaat voorop. Dat gebeurde door het kiezen van een geschikte bouwlocatie, door de oriëntatie en vorm van het gebouw, en door het gebruik van gepaste bouwmaterialen. Deze aanpak resulteerde in heel veel verschillende, traditionele bouwstijlen. Daarentegen zijn moderne gebouwen vrijwel identiek, waar ter wereld ze zich ook bevinden. Ze worden gemaakt van dezelfde materialen, hun vorm wordt eerder door de mode dan door het lokale klimaat bepaald, en ze zijn meestal willekeurig georiënteerd, onverschillig tegenover de baan van de zon of de heersende windomstandigheden.
Moderne gebouwen zijn afhankelijk van goedkope fossiele brandstoffen voor verwarming, koeling en verlichting tijdens de dag. Neem die toevoer van goedkope fossiele brandstoffen weg, en de meeste steden worden compleet onbewoonbaar tijdens het grootste deel van het jaar: te warm, te koud, te donker.
De reden voor deze radicale ommezwaai in de architectuur was niet alleen de komst van goedkope energiebronnen, maar ook de verstedelijking die daarvan het gevolg was. De Industriële Revolutie bracht miljoenen mensen van het platteland naar de steden, op zoek naar een job in een fabriek.
Toen de meesten van ons woonden en werkten op boerderijen of in kleine dorpjes, was het redelijk makkelijk om een huis op het Zuiden te richten. In een verstedelijkte omgeving is dat niet zo eenvoudig. De oriëntatie van een gebouw wordt bepaald door de oriëntatie van de straat, en omdat huizen veel dichter op elkaar staan kunnen ze elkaar makkelijk overschaduwen. De komst van hoogbouw — een stedelijk verschijnsel — stelde dat probleem nog scherper.
Van passiefhuis naar passiefstad
Dat betekent niet dat het concept van het passiefhuis niet kan worden toegepast op een volledige stad — het vraagt alleen een meer gesofistikeerde planning. De toegang tot zonne-energie (“solar access”) wordt in het geval van een individueel gebouw bepaald door slechts vier factoren: de breedtegraad (de afstand noord of zuid van de evenaar), de helling van het terrein, de vorm van het gebouw en de oriëntatie van het gebouw.
De toegang tot zonne-energie in een stad (of eender welke andere verstedelijkte omgeving) wordt bepaald door zeven factoren: de vier eerder genoemde, plus de hoogte van de gebouwen, de breedte van de straat, en de oriëntatie van de straat.
——————————————————————————————————–
De toegang tot zonne-energie in een stad wordt bepaald door zeven factoren: breedtegraad en helling van het terrein, vorm, oriëntatie en hoogte van de gebouwen, en de breedte en oriëntatie van de straten
——————————————————————————————————–
Hoewel het meeste studiewerk naar passieve zonne-energie tijdens de jaren 1970 gericht was op individuele gebouwen, startte één man veertig jaar onderzoek naar passiefsteden: Ralph Knowles, nu professor emeritus aan de USC School of Architecture in de VS en auteur van drie fascinerende boeken over het onderwerp (1974
Knowles ontwikkelde en verfijnde een methode die een optimaal evenwicht bereikt tussen woningdichtheid en toegang tot zonne-energie: de “Solar Envelope” of “zonne-enveloppe”. Het gaat om een geheel van denkbeeldige grenzen, bepaald door de bewegingen van de zon, die een bouwplaats omsluiten.
Gebouwen binnen deze denkbeeldige enveloppe overschaduwen naburige gebouwen niet tijdens de periodes dat zonne-energie essentieel is voor het passiefhuis-concept. Tezelfdertijd garanderen deze grenzen uiteraard ook voldoende zon voor zonnepanelen of zonneboilers. Langs de ene kant biedt de zonne-enveloppe architecten de garantie dat ze een passiefhuis kunnen ontwerpen zonder de angst dat een toekomstig gebouw hun inspanning teniet doet door het werpen van een schaduw. Langs de andere kant erkent de zonne-enveloppe de nood aan dichte bebouwing en hoge bevolkingsdichtheden, door het berekenen van het grootst mogelijke bouwvolume dat geen schaduwen werpt op de omgeving.
Oriëntatie
In feite is de zonne-enveloppe een relatief eenvoudige aanpassing van bestaande bouwvoorschriften, die ook denkbeeldige grenzen rond een bouwplaats vastleggen door het bepalen van de maximum hoogte, breedte en diepte van een bouwvolume. Vaak wordt een maximum bouwhoogte vastgelegd in meters, aantal verdiepingen of een combinatie van beide.
Een andere conventionele benadering legt een limiet vast op basis van de ratio tussen de oppervlakte van de bouwgrond en de vloeroppervlakte binnen het gebouw. Bijvoorbeeld een “floor-to-area ratio” (FAR) van 6 betekent dat een architect zes keer de oppervlakte van de bouwgrond kan ontwikkelen. Hij of zij kan dan, bijvoorbeeld, de gehele oppervlakte bebouwen met een gebouw van 6 verdiepingen, of slechts de helft van de bouwgrond met een gebouw van 12 verdiepingen.
Hoewel deze conventionele bouwvoorschriften een zekere mate van zonne-energie garanderen in een stad, zijn ze verre van optimaal. Het belangrijkste probleem is dat ze geen controle uitoefenen over de oriëntatie van een gebouw, terwijl die evenveel invloed kan hebben als de bouwhoogte. Bijvoorbeeld een kantoorgebouw dat met zijn brede kanten naar het westen en het oosten is gericht, zal een relatief kleine schaduw produceren, terwijl een even hoog gebouw dat met zijn brede kanten naar het zuiden en het noorden is gericht, een veel grotere schaduw produceert (zie de illustratie hierboven). Als de oriëntatie van een gebouw mee zou worden opgenomen in de bouwvoorschriften, zouden we dus de hoeveelheid beschikbare zonne-energie in de stad kunnen verhogen zonder de woningdichtheid negatief te beïnvloeden.
De geometrie van de zonne-enveloppe
In vergelijking met conventionele bouwvoorschriften produceert de zonne-enveloppe een verschillende geometrie, omdat de grenzen van de denkbeeldige container worden bepaald door de positie van de zon. Terwijl de nu geldende bouwvoorschriften denkbeeldige enveloppes opleveren met de vorm van een rechthoekige doos, heeft de zonne-enveloppe zowel verticale als schuin aflopende zijden.
De gebouwen en huizenblokken die deze enveloppes vullen, hebben unieke vormen. De ene kant van een gebouw ziet er heel anders uit dan de andere kant, net zoals de elke kant van de straat er heel anders uitziet. Bebouwing is lager aan de zuidkant van de straat dan aan de noordkant zodat de noordkant niet wordt afgsneden van blootstelling aan het zuiden. Straten hebben een directioneel karakter dat de oriëntatie van de stad ten opzichte van de zon duidelijk herkenbaar maakt.
Aangrenzende gebouwen zouden overlopen in elkaar, niet via de abrupte hoogteverschillen die nu tussen verschillende eigendommen te zien zijn. Hoge gebouwen zouden te vinden zijn aan de zuidwestelijke kant van een huizenblok, gebouwen met een gemiddelde hoogte aan de noordoostelijke kant, en de laagste gebouwen in het midden. Gebouwen op de hoeken van een huizenblok kunnen hoger zijn omdat ze hun schaduw over de straat in twee in plaats van slechts een richting kunnen werpen.
Ondanks deze variëteit aan vormen duiken er binnen de zonne-enveloppe bepaalde architectonische elementen met grote regelmaat op. Dakterassen verschijnen waar de schuin aflopende hellingen van de zonne-enveloppe de rechtlijninge geometrie van gebouwen kruisen. Binnenplaatsen brengen zonlicht in het midden van grotere gebouwen en van huizenblokken. Zonneschermen en veranda’s houden de zon buiten tijdens de zomer.
Keuzes maken
De grenzen van de zonne-enveloppe wordt niet enkel bepaald door het pad van de zon, maar ook door bepaalde parameters, gekozen door de ontwerper. Deze parameters bepalen mee de balans tussen de toegang tot zonne-energie en de woningdichtheid. De belangrijkste is de definitie van het aantal uren dat er zonne-energie wordt gegarandeerd voor de naburige gebouwen – Knowles noemt dat de ‘cut-off times’. Hoe langer die periode, hoe kleiner het bouwvolume dat binnen de enveloppe kan worden ontwikkeld. Afhankelijk van het klimaat is een minimum van vier tot zes uur zonne-energie nodig.
Een andere parameter die door de ontwerper gekozen moet worden is wat Knowles de ‘shadow-fence’ noemt. Die schrijft de minimum hoogte voor waarop zonne-energie wordt verzekerd; bijvoorbeeld nul, drie of zes meter boven straatniveau. Dat geeft de mogelijkheid om er bijvoorbeeld voor te kiezen garages of winkels te overschaduwen in ruil voor een hogere bouwdichtheid.
Wat met bestaande gebouwen?
Een zonne-enveloppe kan ontwikkeld worden voor een individueel gebouw of voor een groep huizen, een buurt, een district of een hele stad. Dat is een relatief eenvoudig proces als het terrein van de grond af wordt ontwikkeld, maar in de praktijk zullen bestaande gebouwen het ontwerp van een zonne-enveloppe bemoeilijken. In dat geval zal nieuwe bebouwing steeds gevormd en geproportioneerd zijn met betrekking tot de bestaande bebouwing. Elke nieuwe fase in de ontwikkeling van de bouwplaats verandert de omgeving en dus ook de context waarin de volgende enveloppe wordt ontwikkeld.
De zonne-enveloppe beschermt alleen naburige gebouwen. Het is de architect die schaduw moet proberen te vermijden binnen de enveloppe zelf. Voor grotere bouwgronden zal het volume van de zonne-enveloppe daarom een stuk groter zijn dan het volume van de gebouwen die er in passen – tenminste als alle woningen binnen de enveloppe evenveel recht hebben op een minimum aan zonlicht.
Passiefsteden in de Oudheid
Ralph Knowles baseert zich op eeuwenoude kennis, met name de op de zon gerichte steden in het Oude Griekenland en in het Zuidwesten van de Verenigde Staten. De Oude Grieken bouwden een aantal steden die volledig gepland waren met het oog op een optimale toegang tot zonne-energie. De Grieken schakelden over op passiefhuizen en passiefsteden toen ze geconfronteerd werden met een steeds groter wordende houtschaarste.
In de vijfde eeuw voor Christus werd er een nieuwe buurt voor 2500 mensen gebouwd in de stad Olynthus. De straten werden loodrecht op elkaar aangelegd, met de langste straten oost-west gericht, zodat alle huizen (vijf aan elke kant van de straat) op het zuiden waren gericht. Elk huis werd consistent rond een op het zuiden gerichte binnenplaats gebouwd.
De huizen waarvan de zuidkant aan de kant van de straat lag, hadden hun ingang aan de straat, waarlangs je meteen de binnenplaats op kon. De huizen waarvan de noordkant aan de straat lag, werden betreden door een doorgang die van de straat door het huis naar de binnenplaats leidde, waarlangs dan alle andere ruimtes betreden konden worden.
De bouwhoogte van de huizen was strikt beperkt zodat elke binnenplaats een even grote hoeveelheid zonneschijn ontving – helemaal in lijn met het democratische ethos uit die tijd. Een ander voorbeeld van een Griekse passiefstad was Priene, heropgebouwd in 350 voor Christus. De stad had ongeveer 4000 inwoners in 400 huizen. De gebouwen en het stratenplan van Priene waren gelijkaardig aan die van Olynthus, maar omdat de stad op een steile heuvel was gebouwd, waren velen van de korte straten (die noord-zuid liepen) in feite trappen. De zeven lange straten lagen oost-west gericht op verschillende niveau’s.
Amerikaanse Indianen
De Amerikaansee Indianen bouwden een aantal op de zon gerichte gemeenschappen tijdens de elfde en twaalfde eeuw na Christus, in wat vandaag de Zuidwestelijke Verenigde Staten zijn. De bouwstijl verschilt van die van de Grieken. De Indianen bouwden terrasvormige huizen tot drie verdiepingen hoog — gebouwen die perfect in een zonne-enveloppe met schuin aflopende randen zouden passen. Acoma Pueblo is een voorbeeld: het dorp bestaat uit drie rijen huizen gebouwd langs straten die oost-west lopen, zodat elk gebouw naar het zuiden is gericht. De straten die tussen de huizen zijn precies zo breed liggen dat de schaduw in de winter tot aan de rand van het huis aan de overkant komt, maar niet verder.
Knowles combineert de beste elementen van deze historische ontwerpen en verzoent ze met moderne technologie die het ontwerp van een zonne-enveloppe aanzienlijk vergemakkelijkt. De heliodon, uitgevonden in 1930, is een apparaat dat een geometrische relatie creëert tussen een architecturaal schaalmodel en een representatie van de zon. Recenter hebben software-versies van de heliodon het mogelijk gemaakt om snel erg complexe zonne-enveloppes te produceren. Vooral op grotere bouwplaatsen, en wanneer bestaande gebouwen de generatie van een zonne-enveloppe bemoeilijken, bespaart de nu beschikbare software tijd en kan ze resulteren in meer bouwvolume.
Woningdichtheid
Een passiefhuis heeft evenveel zin in de Benelux als in Spanje. Ook al is er bij ons minder zon, toch is het ook hier mogelijk om een huis grotendeels met zonne-energie te verwarmen. Het gebruik van betere thermische isolatie en grotere ramen kan de geringere hoeveelheid zonne-energie compenseren. En zelfs als er extra bijstook nodig is (of thermisch ondergoed) kan er via een passiefhuis evengoed veel energie worden bespaard.
Als we echter naar passiefsteden in plaats van naar passiefhuizen kijken, dan is onze lokatie op een hogere breedtegraad wel degelijk nadelig. Hoe hoger de breedtegraad, noord of zuid van de evenaar, hoe lager de zon tijdens de winter aan de hemel staat, en hoe kleiner de zonne-enveloppe — en dus ook het bouwvolume — zal zijn.
Knowles deed zijn onderzoek in Los Angeles en behaalde daar – met schaalmodellen en heliodons – indrukwekkende dichtheden voor huizenblokken van 247 woningen per hectare, ongeveer twintig keer hoger dan de woningdichtheid in de gemiddelde Amerikaanse stad. Ook in vergelijking met Europese steden scoort de zonne-enveloppe erg goed: de woningdichtheid ligt ongeveer even hoog als in Parijs en Barcelona, de dichtstbevolkte (grote) steden in Europa.
Maar Knowles haalde die resultaten wel op een breedtegraad van 34 graden. Ze zijn ook geldig voor alle andere steden die op die breedtegraad liggen (zoals Buenos Aires, Osaka, Sydney of Montevideo), maar in Barcelona (41 graden), Parijs (48 graden), Brussel (50 graden) of Amsterdam (52 graden) zal de woningdichtheid een stuk lager liggen. Verder onderzoek moet uitwijzen of passiefsteden ook bij ons een realistische optie zijn, maar de kans is groot. De gemiddelde woningdichtheden van huizenblokken in Belgische en Nederlandse steden zijn niet zo veel hoger dan in de Verenigde Staten.
Kris De Decker
Er staat een langere versie van dit artikel op de Engelstalige blog. Het eerste deel is hierboven grotendeels vertaald. Het tweede deel gaat dieper in op het belang van de oriëntatie van het stratenplan en bespreekt de hernieuwde interesse in passiefsteden tijdens de tweede helft van de negentiende eeuw (met als opmerkelijkste resultaat de “Eixample” in Barcelona). Het derde deel brengt meer informatie over de projecten die Knowles en zijn studenten ontwikkelden in Los Angeles.
Illustratie door Diego Marmolejo.
Bronnen:
- “Ritual House: Drawing on Nature’s Rhythms for Architecture and Urban Design
“, Ralph L. Knowles, 2006.
- “Sun Rhythm Form
- “Energy and Form: An Ecological Approach to Urban Growth
- “A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology
“, Ken Butti and John Perlin, 1981.
- “The Density Atlas“, MIT (website)
- “Visualizing density” (PDF)
Verwante artikels:
- De Chinese zonnekas: een alternatief voor de glastuinbouw?
- Draait de industrie straks op geconcentreerd zonlicht?
- Open source energie-productie: de Solar Fire P32
- Duizend jaar fossiele brandstoffen: de vergeten geschiedenis van turf en steenkool
- Tegels als een alternatief voor staal: het tamboerijngewelf
- Bouwen met volledige bomen: voorbij de blokhut
- Moderne architectuur uit afvalmateriaal : eerst grondstoffen zoeken, dan ontwerpen
——————————————————————————————————–
Stralingsverwarming: gezonde warmte met minder energie
“Het klimaat in Nederland en België noodzaakt om woonhuizen, kantoren, werkplaatsen en openbare gebouwen voor een deel van het jaar te verwarmen. Verwarmen kan op vele manieren: met blazers of radiatoren, met tegelkachels of infraroodpanelen. De verschillende warmtebronnen produceren verschillende soorten warmte, en deze warmte wordt door iedereen weer anders ervaren. Verwarming heeft een grote invloed op het comfort, de gezondheid, en op de productiviteit.”
“Met het boek Stralingsverwarming houdt auteur Kris De Decker niet alleen een pleidooi voor een efficiëntere verwarmingstechniek. In eenvoudige bewoordingen geeft hij een overzicht van de huidige wetenschap van verwarming. Hij belicht objectief de voordelen en nadelen van de bestaande en nieuwe technieken. Volgens hem wordt de optimale verwarming bereikt door een mix van convectie- en stralingswarmte, een combinatie die zowel schoon en zuinig, als gemakkelijk in praktijk te brengen is. Een uitstekende gids voor iedereen die wil weten hoe warmte werkt.”
Stralingsverwarming: gezonde warmte met minder energie (ISBN: 9789059729537) is te bestellen bij uitgeverij Eburon, telt 176 pagina en kost 19,95 euro. De verzendingskosten bij Eburon bedragen 1,95 euro voor Nederland en 11 euro voor België. Het boek kan ook in de boekhandel worden besteld, zonder bijkomende verzendingskosten.
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
www.lowtechmagazine.be 
Geef een reactie op Koen Vandewalle Reactie annuleren