Ontwerpen met de zon


Inleiding


De energie van de zon is gratis. Dus waarom zou je er geen gebruik van maken? Helemaal als er geen ingewikkelde, technische installaties aan te pas komen is het een goedkope manier van energie besparen. Alleen al door slim te ontwerpen kun je de gratis energie van de zon zonder veel extra kosten gebruiken om woningen te verwarmen. Passieve systemen zijn geen voorzienende systemen voor alle energie die nodig is om een woning of gebouw te verwarmen. Het zijn energiebesparers, die bijdragen aan een lager energieverbruik.
Vooral in de jaren 70 en 80 van de vorige eeuw is veel geexperimenteerd met passieve zonne-energie. Vooral in Frankrijk, Oostenrijk en Duitsland zijn de meeste toepassingen te vinden. Tegenwoordig is vooral Duitsland erg vooruitstrevend met passieve systemen. In Nederland wordt de laatste jaren ook wel meer gebruik gemaakt van passieve systemen, maar vergeleken met Duitsland zijn deze technieken nog niet zo ver ontwikkeld.
Op deze pagina worden de principes van het ontwerpen met passieve zonne-energie uitgelegd en worden verschillende typen oplossingen aangedragen. De verschillende types worden verder uitgeled aan de hand van een voorbeeldproject. Klik op de link onderaan het type om het voorbeeldproject te zien.

Kathelijne Bouw
b1273906

Ontwerpprincipes passieve zonne-energie


Bij elk passief systeem dat gebruikt maakt van zonne-energie zijn altijd drie componenten nodig:
• collector
• opslag
• transport

Principes:
• thermische massa
• stroming straling en geleiding
• orientatie

Er zijn vijf soorten systemen:
• indirecte systemen
• directe systemen
• semi-directe systemen
• geisoleerde systemen
• hybride systemen

Directe systemen laten zonlicht direct toe in de woning door ramen en andere glazen vlakken. De zon verwarmt de massa van vloeren en wanden en geeft de warmte later weer af door middel van straling.
Bij indirecte systemen wordt de zonne-warmte eerst opgevangen in een collector(ruimte). Die geeft de warmte af aan de massa van de wanden. Die geven de warmte dan weer door middel van straling af aan de ruimte.
Semi-directe systemen werkt ook met glazen openingen, maar nu zijn het twee glazen lagen waartussen de lucht gevangen en opgewarmd wordt alvorens het naar de ruimte getransporteed wordt. Net zoals bij directe systemen verwarmt de zon de massa van vloeren en wanden en wordt de thermische massa gebruikt om de ruimte te verwarmen.
Geisoleerde systemen hebben een collector die thermisch los staat van de rest van het huis. De lucht die in de collector wordt opwarmd wordt door stroming naar de rest van het huis getransporteerd waar het huis opgewarmd wordt.
Hybride systemen maken gebruik van passieve zonne-energie, maar kunnen niet helemaal los van mechanische systemen functioneren. Een goed voorbeeld zijn de zonnespouwwoningen.

Ontwerpoplossingen


semi-direct gain sunspace
indirect gain sunspace
thermosyphon sunspace
mass wall
water wall
Trombe wall
Barra-Constantini systeem
shed-dak
roof pond
shading
green shading

semi-direct.jpg

De semi-directe sunspace (serre) bestaat uit twee lagen van dubbel glas. De zon kan diep in de woning doordringen en de ruimte verwarmen door de warmte op te slaan in de thermische massa van de binnenvlakken (wanden, vloeren, plafonds) en deze warmte weer vrij te geven door middel van straling. Hierbij is het wel belangrijk dat het huis voldoende thermische massa heeft. Dit kan bijvoorbeeld door steenachtige materialen te kiezen voor wanden en vloeren. De serre functioneert als een bufferzone. De zonne-warmte wordt verzameld in de serre op zonnige dagen en wordt naar de woonruimte getransporteerd door stroming. In de winter en 's nachts vermindert de serre warmteverliezen naar buiten toe.
Zonne-straling kan de serre en de woonruimtes makkelijk oververhitten. Dit kan gebeuren op zonnige dagen tussen de seizoenen (herfst en lente). Oververhitting moet voorkomen worden door voldoende ventilatie en wanneer nodig, door de serre gedeeltelijk te bedekken.

Voordelen:
- serre als thermische buffer
- extra woonruimte op zonnige winterdagen en tussen de seizoenen
- glazen gevel geeft een ongestoord uitzicht


Aandachtspunten:

- De serre raakt op zonnige dagen snel oververhit en moet daarom goed geventileerd kunnen worden en eventueel
moet zonwering toegepast worden.
- thermische massa nodig


Voorbeeldproject: Solarhaus II, Bio Solar Haus

TOP


indirect.jpg

In tegenstelling tot de semi-direct sunspace is de binnenste gevel een massieve wand. Er komt geen direct zonlicht in het huis zelf, maar de zonne-warmte wordt opgeslagen in de thermische massa van de wand. De warmte wordt met een tijdsvertraging weer vrijgegeven aan de woonruimte door straling. Dit systeem werkt vooral goed in de winter, terwijl in de zomer de thermische massa niet genoeg is om al de warmte op te slaan. Oververhitting wordt dan snel een probleem.
Voordelen:
- serre als collector
- extra woonruimte op zonnige winterdagen en tussen de seizoenen
- het systeem werkt in de winter het beste wanneer de warmteverliezen het grootst zijn

Aandachtspunten:
- om oververhitting te voorkomen is zonwering mogelijk nodig
- dubbele beglazing nodig om grote warmteverliezen te voorkomen
- op koude winterdagen kunnen isolerende panelen nodig zijn om grote warmteverliezen te voorkomen
- warmte kan niet direct gebruikte worden om het huis te verwarmen, het effect komt pas uren later


TOP

termosyphon.jpg

De thermosyphon sunspace is een geisoleerd systeem. De serre is thermisch geisoleerd van de rest van het huis en werkt ook alleen op deze manier. De serre functioneert als een bufferzone and als een collector. De zonne-warmte wordt verzameld in de serre. De temperatuur in de serre stijgt snel door het enkele glas, maar raakt deze warmte ook snel weer kwijt. Warmteverliezen naar buiten tijdens de nachten zijn een stuk groter dan bij de andere type serres. Maar omdat de serre geisoleerd is van het huis, raakt het huis zelf zijn warmte daarmee niet kwijt. De opgewarmde lucht wordt naar de woonruimte de transporteerd door stroming. De warme lucht stijgt op en stroomt door openingen en kanalen in de gevel het huis in. Tegelijkertijd wordt koude lucht van onderaf in de serre gezogen waar het weer wordt opgewarmd en weer door de woning circuleerd op dezelfde manier.

Voordelen:
- serre als thermische buffer
- materialen van de gevel achter de serre hoeven niet geverfd te worden of waterproof
- extra woonruimte op zonnige winterdagen en tussen de seizoenen
- constructie en materialen voor de serre zijn goedkoop (enkel glas)
- lucht kan snel opgewarmd worden en het huis verwarmen
Aandachtspunten:
- dubbele beglazing
- goede isolatie
- hoogte en juiste positionering van de ventilatie-openingen zijn cruciaal om oververhitting tegen te gaan
- warmteverliezen 's nachts zijn groter


Voorbeeldprojecten: Kaswoningen Culemborg, Integer millenium house

TOP

mass_wall.jpg

De massieve wand is een indirect systeem dat gebruikt maakt van thermische massa om de woonruimte op te warmen door middel van straling. De gevel bestaat uit een laag glas dat de warmteverliezen naar buiten toe reduceert, een isolerende laag lucht en de massieve wand. Gedurende de dag warmt de zon de wand op. De massieve wand absorbeert de zonne-warmte en slaat het op in de thermische massa. en geeft het weer vrij aan de achterliggende ruimte met een tijdsinterval van enkele uren. Hoeveel warmte er vrij komt en met welk tijdsinterval, hangt af van de dikte van de wand en de thermische eigenschappen. De thermische massa kan bestaan uit metselwerk, beton, leem of andere steenachtige materialen. Als de wand donker gekleurd is kan het nog meer warmte opslaan en is het dus effectiever.

Voordelen:
- een groot deel van de zonne-straling wordt geabsorbeerd en opgeslagen
- de binnentemperatuur is constanter gedurende de dag
- ruimtes die verwarmd worden door straling voelen doorgaans prettiger aan dan door circulerende lucht

Aandachtspunten:
- tijdsinterval van thermische massa voordat de warmte afgegeven wordt
- de wand neemt kostbare ruimte van de woning in
- het is duurder dan directe systemen
- voordelen liggen meer in de avond dan overdag
- aan de binnenkant van de muur kan niks tegenaan gezet worden
- moeilijker om warmteverliezen gedurende de nacht te verminderen
- ontwerpvoorwaarden voor uitzicht en toegankelijkheid zijn met de massieve wand moeilijker te combineren


TOP
water_wall.jpg

De waterwand is een variatie op de massieve wand, alleen is hier thermische massa vervangen door water. Water heeft een grotere thermische capaciteit dan beton of baksteen. Het werkt bijna net zoals een Trombe wand. Het heeft openingen op hoge en lagere levels zodat de lucht door de woning kan circuleren en de woning zo kan opwarmen. Water is bijna een isothermische warmte-opslag: de lucht tussen het water en het glas verspreiden de geabsorbeerde energie snel door de ruimte, het tijdsinterval van de thermische massa wordt voorkomen. Dit oppervlaktetemperatuur van de behuizing van het water is lager en zo worden zowel warmteverliezen als oververhitting voorkomen. Met metaal om het water in op te slaan, werkt de waterwand bijna als een centraal verwarmingssysteem. Ook glasvezel buizen worden vaak gebruikt om het water in op te slaan.

Voordelen:
- water heeft een grotere thermische capaciteit dan steen of beton en is dus efficienter
- er is minder materiaal nodig dan bij steenachtige materialen, de wand kan dus dunner
- ruimte wordt sneller verwarmd, er is geen tijdsinterval
- een groot deel van de zonne-straling wordt geabsorbeerd en opgeslagen
- de binnentemperatuur is constanter gedurende de dag


Aandachtspunten:
- controleren van luchtvochtigheid
- het opslaan/behuizen van het water
- architectonische kwaliteit van de gevel staat mogelijk in contrast met de waterwand
- duurder en minder efficient dan directe systemen
- oververhitting in de zomer moet voorkomen worden

- te grote warmteverliezen 's nachts moeten voorkomen worden

TOP
trombe_wall.jpg

De Trombe wand is eigenlijk een variatie op de massieve wand. Het is uitgevonden en ontwikkeld door de Franse ingenieurs Jaques Michel en Felix Trombe. In tegenstelling tot de massieve wand die helemaal dicht is heeft de Trombe wand controlleerbare openingen op hogere en lagere niveaus om de opstijgende warmte door het huis te laten circuleren. Met de Trombe wand kan het huis dus ook gedurende de dag opgewarmd worden door middel van stroming. De openingen hebben kleppen die een kant op gaan zodat de warmte overdag in het huis kan stromen, maar 's nachts niet meer terug kan. Dit systeem is een geisoleerde, passieve thermische collector. In de zomer zijn de kleppen gesloten zodat er geen warme lucht de woning in kan stromen.

Voordelen:
- een groot deel van de zonne-straling wordt geabsorbeerd en opgeslagen
- de binnentemperatuur is constanter gedurende de dag
- ruimtes die verwarmd worden door straling voelen doorgaans prettiger aan dan door circulerende lucht

- door kleppen kan de opgewarmde lucht de woning snel opwarmen
- overdag verwarming door stromende lucht, 's avonds door straling vanuit de thermische massa
- een Trombe wand kan uitstekend gecombineerd worden met andere passieve systemen

Aandachtspunten:
- tijdsinterval van thermische massa voordat de warmte afgegeven wordt
- de wand neemt kostbare ruimte van de woning in
- het is duurder dan directe systemen
- aan de binnenkant van de muur kan niks tegenaan gezet worden
- moeilijker om warmteverliezen gedurende de nacht te verminderen
- ontwerpvoorwaarden voor uitzicht en toegankelijkheid zijn met de massieve wand moeilijker te combineren


Voorbeeldproject: Kawanda Muna House

TOP

barra-constantini.jpg

Het Barra-Constantini-systeem is een geisoleerd systeem. In een collecter die geisoleerd is van de rest van het huis wordt lucht opgewarmd door zonne-warmte. De opgewarmde lucht wordt via kanalen door het gebouw gecirculeerd door natuurlijke convectie. De lucht verwacht de massa van vloeren, wanden en plafonds. Net zoals ieder termosyphon systeem (zoals de Trombe wand en de thermosyphon serre) wordt de lucht rond gecirculeerd in een thermosyphonische kringloop: de lucht wordt verwarmd in de collector, wordt lichter en stijgt op en trekt tegelijkertijd koude lucht van onderen aan, de warme lucht wordt geabsobeerd door de massa waardoor het zijn warmte kwijtraakt en weer naar beneden zakt. Vanaf hier herhaalt de kringloop zich weer op dezelfde manier zolang de collector de lucht voldoende kan verwarmen. De energie overdracht is een natuurlijk, niet-mechanisch systeem dat gebaseerd is op de regels bam stroming en straling. Het systeem kent vele toepassingen en vele variaties. De collector kan in de gevel zijn opgenomen of op het dak. Waar de kanalen liggen bepaalt welke ruitmes verwarmd kunnen worden. Hoewel het systeem gebaseerd is op een natuurlijk proces, wordt het vaak gecombineerd toegepast met mechanische voorzieningen. Een voorbeeld hiervan zijn de zonnespouwwoningen van Jon Kristinsson. De collector is op het dak geplaatst waardoor de lucht met behulp van een pomp eerst naar beneden gebracht moet worden. Klik hier voor meer informatie over de zonnespouwwoningen.

Voordelen:
- stromings kringlopen zijn een van de goedkoopste manieren om op een passieve manier zonne-energie te gebruiken
- warmteverliezen zijn klein omdat de collector geisoleerd is van de woning

Aandachtspunten:
- het is een kwetsbaar systeem dat goe ontworpen moet worden om het goed te laten functioneren
- als de collector boven het absorbtievlak is geplaatst is een pomp nodig om de lucht naar beneden te halen
- het systeem is minder effectief in Noord-Europese klimaten dan in Zuid-Europese klimaten
- het is moeilijker om warmte uit lucht op te slaan, dan warmte van directe zonne-straling


Voorbeeldproject: Zonnespouwoningen, Jon Kristinsson

TOP
shed-dak.jpg

Het shed-dak of 'clerestor' is een direct systeem. Zonlicht kan diep in de woning doordringen door de hoge ramen en zo de massa van wanden en vloeren verwarmen. De warmte wordt ook direct door de zonne-straling verwarmd en na zonsondergang wordt de warmte vrijgegeven aan de ruimte met een tijdsinterval. Het dak is altijd zo ontworpen met een overstek om de hoge zomerzon tegen te houden en oververhitting te voorkomen terwijl het de lagere winterzon niet belemmerd. Het systeem kan ook toegepast worden als een gecombineerd verwarmings-koelingssyteem wanneer er aan de onderkant van de tegenoverliggende wand ramen worden aangebracht die het mogelijk maken om koude lucht aan te trekken. Door crossventilation wordt de ruimte op een natuurlijke manier verwarmd. Dit kan vooral in warmere klimaten een groot voordeel zijn en een aanzienlijke energie-besparing opleveren.
Voordelen:
- directe systemen zijn een goedkopere oplossing dan indirecte of geisoleerde systemen
- overstek voorkomt oververhitting in de zomer
- thermische massa helpt oververhitting te voorkomen en de binnentemperatuur is meer constant gedurende de dag

Aandachtspunten:
- slechts klein energiebesparingen kunnen worden gerealiseerd
- ramen zijn moeilijk te openen vanwege de hoogte
- voldoende thermische massa nodig

TOP
roof_pond.jpg

De dakvijver is een gecombineerd systeem dat zowel voor koeling als voor verwarming kan zorgen. Boven het water worden verplaatsbare isolatieplaten geplaatst die 's nachts en overdag verplaatst worden. Overdag verwarmt de zon het water. 's Nachts wordt de vijver afgedekt met de isolerende platen om warmteverliezen naar buiten te voorkomen en geeft het zijn warmte af naar de ruimtes van het huis. De massa van de wanden fungeren hier als een tweede thermische massa die de warmte opslaat en later afgeeft aan de ruimte. Op een warme zomerdag werkt het systeem andersom. De vijver wordt over dag afgedekt zodat het huis niet door de zon verwarmd kan worden. 's Nachts worden de platen er weer afgehaald zodat het water gekoeld wordt door de koude buitenlucht. Overdag zorgt het gekoelde water voor de koeling van het huis.
Dit systeem heeft vooral veel voordelen voor warmere klimaten waar koeling nodig is. In onze Noord-Europese klimaten is het systeem veel minder relevant. Koeling is slechts enkele dagen per jaar een probleem. Bovendien staat de zon in de winter te laag om het horizontaal vlak te kunnen verwarmen. Eigenlijk heeft het in Nederland alleen nut tussen de seizoenen door.

Voordelen:
- zowel koeling als verwarming
- water heeft een grote thermische capaciteit
- goedkope materialen: (regen)water, plastic

Aandachtspunten:
- tijdsinterval waarmee verwarmt kan worden
- platen moeten constant verplaatst worden, dus veel onderhoud
- werkt vooral goed in warmere klimaten
- algen en stankoverlast van het (stilstaande) water
- grote massa en belasting van het dak

TOP
shading_summer.jpgshading_winter.jpg

Externe zonwering is efficienter dan binnenzonwering omdat externe zonwering zonlicht en dus ook zonne-warmte voorkomt om in de woning te komen terwijl binnenzonwering wel de zonnestraling, maar niet alle warmte tegenhoudt. De warmte kan niet terug gereflecteerd worden naar buiten en wordt dus opgeslagen in de ruimte.
Met een mechanisch systeem kunnen de zonweringen geopend en gesloten worden waardoor het makkelijk is in het gebruik. Door externe zonwering op te nemen in het ontwerp kan een goede slag gemaakt worden om passieve zonne-energie te gebruiken. Als de zonwering naar beneden is, fungeert de glazen gevel daarachter als een direct winsysteem.
Voordelen:
- externe zonwering is zo'n 30 % efficienter dan binnenzonwering
- als de zonwering naar beneden is is de gevel een direct systeem
- zonwering voorkomt oververhitting in de zomer

Precautions:
- external shading is more expensive than internal shading
- het houdt geen warmte verliezen door de glasvlakken tegen

Voorbeeldproject: House with the shades, Achenbach architekten+designer


TOP

green_shading_summer.jpggreen_shading_winter.jpg

Groene zonwering werkt ongeveer op dezelfde manier als niet-groene zonwering. Het verschil is dat groene zonwering een stuk moeilijker te reguleren. In tegenstelling tot gewone zonwering is groene zonwering seizoensgebonden en kan niet aangepast worden van dag tot dag. Ook op bewolkte zomerdagen wordt het zonlicht gereflecteerd, net zoals op zonnige dagen. De planten kunnen een permanente reductie van zonlicht veroorzaken waardoor de woning in het geheel donkerder en koeler wordt.

Voordelen:
- externe zonwering is zo'n 30 % efficienter dan binnenzonwering
- als de zonwering naar beneden is is de gevel een direct systeem
- zonwering voorkomt oververhitting in de zomer
- een groene gevel kan ook een isolerende functie hebben
- ook vanuit ecologisch oogpunte is groene zonwering een goede oplossing

Aandachtspunten:
- vegetatie moet met zorg gekozen worden om een beperkt zonlicht in de winter te voorkomen
- veel vegetatie veroorzaakt een permanente reductie van zonlicht
- zonwering is seizoensgebonden en kan niet elke dag aangepast worden
- planten hebben verzorging nodig


Voorbeeldproject: Lost in Paris, R&Sie architects


TOP

Kathelijne Bouw/ 20.10.2009