Een CASA voor de toekomst

Door een tekort aan sociale huurwoningen is er een grote vraag naar nieuwbouw. Tegelijkertijd kampen we met een fors stikstofprobleem waardoor een groot deel van de bouw stil komt te liggen. De bouwsector schreeuwt om verandering. Verduurzaming is een vereiste, maar om dit toe te passen in de sociale woningbouw moet dit gepaard gaan met betaalbaarheid en moet de kwaliteit van wonen gewaarborgd worden.

Team CASA is een team van studenten van de TU Eindhoven dat innoveert door het ontwerpen van een comfortabel, betaalbaar en duurzaam alternatief voor sociale woningbouw in Nederland. Wij doen dit door verschillende innovatieve technologieën te combineren in één gebouw. Het eerste project, CASA 1.0. zal eind 2020 gerealiseerd worden in Brandevoort in Helmond. CASA staat voor een Comfortable, Affordable, Sustainable Alternative voor de huidige woningbouw.

De energietransitie in de gebouwde omgeving

De bouwsector is op dit moment een van de meest vervuilende sectoren, maar langzaam komt de energietransitie op gang. Nieuwbouwwoningen hebben tegenwoordig vaak zonnepanelen op het dak en zijn losgekoppeld van het gas. Dit is echter niet genoeg. De hoeveelheid opgewekte energie van zonnepanelen piekt enorm in de zomer, terwijl er juist meer vraag naar energie is in de winter. De opwekking van energie moet dus gepaard gaan met opslag. Echter is het gebruik van een batterij niet altijd even duurzaam en kost het een hoop geld. Een integrale aanpak is daarom een vereiste. Op het gebied van energie, maar ook op het gebied van materiaalgebruik en ontwerp.

Het energiesysteem

CASA 1.0 is uitgerust met het energiedak. Dit is een dak waarbij zowel thermische als elektrische energie wordt opgewekt. Wanneer je deze energie opslaat en kan gebruiken in de winter benut je de opgewekte energie optimaal. In CASA 1.0 werkt het als volgt. Het water wordt door de zon verwarmd in het energiedak. Dit verwarmde water (de directe thermische energie) wordt vervolgens

gebruikt om het water in de ondergrondse wateropslag op te warmen tot ongeveer 80 graden Celsius. Er wordt ook elektrische energie opgewekt voor gebruik in de woning. Als er meer energie wordt opgewekt dan verbruikt kan worden, wordt het water in de opslag nóg verder verwarmd door middel van een warmtepomp. Doordat de wateropslag, die zich onder het huis bevind, zo goed geïsoleerd is kan deze warmte worden behouden gedurende de winter. Dit betekent dat het overschot aan energie van de zomer, in de winter gebruikt kan worden. Omdat water een niet-vervuilend, goedkoop en overvloedig materiaal is, is het een veel duurzamer en goedkoper alternatief dan een batterij. Door het gebruik van dit systeem wordt er in de winter ongeveer 50 keer minder energie verbruikt voor verwarming dan wanneer er een standaard warmtepomp wordt gebruikt.

“ Wat kun je doen om duurzaamheid toegankelijk te maken voor iedereen?”

Duurzaam, maar niet duur

Het eerste project, CASA 1.0, is een gebouw met 3 appartementen. Het is echter ontworpen met de visie om het gebouw in de toekomst op te schalen naar een groter geheel. Opschaling is mogelijk wanneer het betaalbaar is. Maar hoe zorg je hiervoor? Duurzaamheid wordt vaak gezien als duur, maar wat kun je doen om de kosten te drukken en duurzaamheid toegankelijk te maken voor iedereen? 1. Een doordacht ontwerp Het ontwerp van de CASA woning is bouwkundig zo gemaakt dat de structuur gestapeld en gekoppeld kan worden. Dat drukt de kosten

Eerste ontwerp CASA 1.0

doordat er relatief minder gevels per vierkante meter vloeroppervlakte zijn. Ook is er daardoor relatief minder warmteverlies. 2. Samen sterker Door installaties zoals de warmteopslag, zonnepanelen en warmtepompen te delen met meerdere appartementen bespaar je op investeringskosten. Je kunt het zien als een soort kleinschalige stadsverwarming die gebruikt wordt door een serie aan CASA woningen. 3. Voorkomen beter dan genezen Door slimme meettechniek kan er preventief onderhoud gepleegd worden, zowel voor de installaties als bouwkundige elementen.

Door op tijd signalen te krijgen kan er eerder gehandeld worden, wat onderhoudskosten bespaart. Wanneer een probleem snel wordt aangepakt zal de schade beperkt blijven.

De bovengenoemde punten zorgen er samen voor dat de woning meer waarde heeft en tegelijkertijd worden de totale kosten lager over de lange termijn. Door deze woningen te verhuren zorg je ervoor dat deelname aan de energietransitie voor een grote groep aantrekkelijk is en iedereen een kans heeft om te wonen in een toekomstbestendige woning.

CASA 1.0 in de wijk

Het gebouw is ontworpen met een brede visie. We kijken niet alleen naar het gebouw an sich, maar ook naar zijn invloed op grotere schaal. Zoals eerder genoemd, wordt de energie in een CASA huis opgeslagen. Op deze manier wordt effi ciënt omgegaan met de energie en wordt het elektriciteitsnetwerk minder belast. Als bijvoorbeeld op een zonnige dag veel energie wordt geproduceerd willen mensen hun energie terugleveren aan het net. In gewone huizen is immers geen ruimte om de over-geproduceerde energie op te slaan. Als iedereen op hetzelfde moment energie wil terugleveren wordt het net overbelast, waardoor mensen soms geen stroom kunnen terugleveren. Dit zorgt ervoor dat een zonnepaneel minder oplevert. Wanneer je nieuwe woningen bouwt, moet je er dus voor zorgen dat je niet bijdraagt aan dit probleem. CASA biedt hiervoor de oplossing: doordat met de CASA woning de stroom wordt opgeslagen, kan iemand anders blijven terugleveren en wordt de energie van de zon optimaal gebruikt.

CASA als voorbeeld

Ten slotte is CASA een voorbeeld voor de woningbouw. We laten zien dat duurzaam bouwen betaalbaar is, door de integratie van verschillende technologieën zoals de warmteopslag. Dit is een betaalbaarder en duurzamer alternatief dan de batterij, en het zorgt ervoor dat je veel meer waarde uit de opgewekte energie van je zonnepanelen haalt. Uiteindelijk zorgt dit ervoor dat kosten laag blijven. Door de woning eind dit jaar te bouwen in Brandevoort in Helmond hopen wij de hele sector te inspireren om de talloze innovatieve ideeën daadwerkelijk te implementeren.

“Dit project wordt mede mogelijk gemaakt door het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling, de provincie Noord-Brabant en een Topsector Energiesubsidie van het Ministerie van Economische Zaken.”

Vele mogelijkheden voor energietransitie op wijkniveau

Stel, je werkt bij een gemeente en bent een van de uitverkorene die de taak krijgt om mee te werken aan de enorme opgaven van het Klimaatakkoord dat op 28 juni jl. verscheen. Hierin staan maatregelen om de Nederlandse CO 2 -uitstoot in 2030 met ten minste 49 procent terug te dringen. Voor de gebouwde omgeving geldt dat ruim 7 miljoen huizen getransformeerd moeten worden naar goed geïsoleerde woningen die met duurzame warmte verwarmd worden. Je bent natuurlijk ontzettend vereerd dat je mee mag werken aan zo een belangrijk landelijke uitdaging. Er is echter een probleem, je hebt geen flauw idee hoe te beginnen.

Het enige wat je weet is de wijk waar jij verantwoordelijk voor bent. Hoe krijg je de benodigde informatie over de verschillende mogelijkheden voor alternatieve warmtevoorzieningen op wijkniveau en h un financiële en technische haalbaarheid? Tijdens mijn afstuderen heb ik me beziggehouden met dit vraagstuk. Ik heb een QuickScan tool, een rekenmodel inclusief stappenplan, ontwikkeld die inzicht geeft in de mogelijkheden en technische haalbaarheid van alterna tieve warmtesystemen.

D e tool biedt nuttige basisinformatie om de energietransitie op wijkniveau vorm te geven. Met de tool doorloop je vijf stappen: 1) Het verzamelen van data om de warmtevraag van de woningen in de wijk te bepalen, 2) Het verzamelen van data om de warmtepotentie van de verschillende warmtevoorzieningen in de wijk te bepalen, 3) Het opzetten van scenario’s, 4) het doorrekenen van de scenario’s met behulp van het rekenmodel en 5) het analyseren van de uitkomsten uit het rekenmodel. In dit artikel zal ik vooral ingaan op de eerste drie stappen.

Warmtevraag

Hoeveel warmte een wijk nodig heeft is afhankelijk van verschillende eigenschappen van de woning. Ten eerste bepaalt de staat van een woning of deze middels een hoge aanvoertemperatuur (>70°C) of lage aanvoertemperatuur (<40°C) verwarmd kan worden. Natuurlijk zou het het beste zijn om alle woningen in eerste instantie zo goed mogelijk te isoleren en te renoveren zodat ze met een lage aanvoer temperatuur verwarmd kunnen worden. Het is echter niet realistisch om alle woningen te verduurzamen vanwege de verouderde staat van sommige woningen. Woningcorporaties zijn verbonden aan hun meer jaren onderhoudsplan en kunnen niet zomaar grote renovaties inplannen zonder grote verliezen te leiden. Daarnaast hebben particulieren s impelweg niet genoeg geld om nu hun woningen te renoveren. Niet alleen de staat van de woning, maar ook het aantal inwoners en het bouwjaar bepalen wat de warmtevraag van een woning is.

“Het aantal inwoners, het bouwjaar en de staat van een woning bepalen de warmtevraag.”

De eerste stap bestaat uit vijf deelstappen waarmee informatie verza meld wordt om de uurlijkse warmtevraag van de woningen in de wijk t e bepalen. De eerste deelstap is het bepalen van het huidige energielabel, bouwjaar en eigenaarschap van woningen. Via online-tools a ls PICO.geodan of de warmteatlas is het mogelijk om een eerste

beeld te krijgen van de huidige situatie in de wijk. De tweede deelstap is het verzamelen van de jaarlijkse warmtevraag van de woningen middels online-data van netbeheerders. Of liever nog een uurlijkse warmtevraag van een woning voor een heel jaar, zodat je duidelijk kunt zien wanneer een woning nu precies warmte vraagt. Om de uur lijkse warmtevraag te produceren moet er eerst in beeld worden g ebracht wat voor type woningen er in de wijk staan. Dat is de derde deelstap. Zijn het vooral hoge flatgebouwen of voornamelijk laag bouw? De woningen in een wijk zijn vaak onder te delen in type woningen aan de hand van het aantal bouwlagen en het bouwjaar. Het b ouwjaar geeft ook informatie over de isolatiewaardes van de gebouwschil (zie bijvoorbeeld ‘Voorbeeldwoningen 2011 bestaande bouw’ van RVO voor standaard isolatiewaardes per standaard type woningen). Vervolgens is het mogelijk om als vierde deelstap een uur lijkse warmtevraag per type woning te modeleren met behulp van een B uilding Energy Simulation model. In mijn onderzoek heb ik een simpel steady-state model gebruikt dat de warmtevraag per type woning m odelleert door te berekenen wat de uurlijkse transmissie-, infiltratieen ventilatieverliezen zijn, hoeveel warmte via de zon in een woning komt en hoeveel warmte door bijvoorbeeld licht, personen en appara ten per uur gegenereerd wordt. Vervolgens heb je dus voor elk type w oning een gesimuleerde warmtevraag per uur. De laatste deelstap is om de gesimuleerde warmtevraag te kalibreren met de werkelijke warmtevraag die in de tweede deelstap verzameld is.

Na het volgen van deze deelstappen is voor elke woning in de wijk een uurlijkse warmtevraagpatroon gemodelleerd en is duidelijk welke woningen met een laag aanvoertemperatuur en welke met een hoog aanvoertemperatuur verwarmd kunnen worden. Een logische vervolg stap is om te bekijken wat de mogelijke warmtepotenties van verschillende warmtetechnieken in de wijk zijn. Dit is de tweede stap van het s tappenplan.

Warmtevoorziening

Er bestaan verschillende warmtetechnieken om woningen te verwarmen. In mijn onderzoek ben ik ervan uitgegaan dat er alleen gekeken w ordt naar de potentie van duurzame energie binnen de wijkgrenzen. Het idee hierachter is dat je geen energie ‘inpikt’ die nodig zou kunnen zijn voor woningen in andere wijken. Door het invullen van gebiedsaf hankelijke parameters wordt per wijk de mogelijke warmtepotentie van g eothermische, biochemische, zonne- en restwarmte per uur berekend.

Wanneer de warmtepotentie berekend is, kan deze gekoppeld worden aan de warmtevraag. Zo wordt inzichtelijk gemaakt of er voldoende

warmte aanwezig is voor de woningen. Het is belangrijk zelf na te denken of er een match tussen bepaalde woningen en een mogelijke warmtetechniek gemaakt kan worden. Zo kan een warmtetechniek waarbij een hoge aanvoertemperatuur geproduceerd wordt niet gematcht worden met een woning die een lage aanvoertemperatuur vraagt. Het is verspilling van de energieproductie wanneer een hoge aanvoertemperatuur gebruikt wordt voor woningen die dit eigenlijk helemaal niet nodig hebben. Daarnaast is het ook mogelijk om zelf te bepalen welke warmtevoorziening gekoppeld wordt met welke woningen. Zo kun je verschillende scenario’s opzetten (stap drie van het stappenplan).

“ Het toepassen van diepe geothermie is niet altijd haalbaar en ook niet altijd even duurzaam.”

Daarnaast moet er ook onderscheid gemaakt worden tussen individueel verwarmde woningen en collectief verwarmde woningen. Individueel verwarmde woningen krijgen een eigen warmteoplossing, meestal in de vorm van een luchtwarmtepomp of een bodemwarmtepomp. Collectief verwarmde woningen zijn aangesloten op een warmtenet. Dit kan een hoog of laagtemperatuurnet zijn, afhankelijk van wat de woningen nodig hebben.

Wanneer deze drie stappen doorlopen zijn, is het mogelijk om de gevonden parameters in het rekenmodel te implementeren en de gewenste scenario’s door te berekenen (stap vier). Het rekenmodel

vergelijkt de warmtevraag van de geselecteerde woningen (dit kan per scenario verschillen) met de warmtepotentie van de geselecteerde warmtevoorzieningen. Doordat per uur gekeken wordt naar de match van zowel de energievraag als het -aanbod krijg je inzicht in de overcapaciteit (en dus de vraag voor opslag) en tijdelijk tekorten (en dus de vraag naar aanvullende energiebronnen). Op deze manier kan een eerste inschatting gemaakt worden van mogelijke alternatieve warmtevoorzieningen in een wijk (stap vijf).

Studiecase: Mariahoeve

Voor mijn onderzoek heb ik het ontwikkelde stappenplan en het rekenmodel toegepast op een bestaande wijk in Den Haag; Mariahoeve. Deze wijk bestaat uit ongeveer 8.700 woningen, grotendeels hoogbouw, waarbij 40% van de woningen energie label E heeft en 86% van de woningen voor 1965 gebouwd is. Uit eerder onderzoek kwam naar voren dat het grootste deel van de wijk middels een collectieve warmtevoorziening verwarmd kan worden en een klein gedeelte (13% van het totale aantal woningen) individueel. Zoals eerder genoemd zijn mogelijke individuele oplossingen het toepassen van een bodemwarmtepomp of een luchtwarmtepomp.

Interessanter is om te kijken welke collectieve warmtevoorziening toegepast kunnen worden. Uit het rekenmodel kwam naar voren dat de meeste warmtepotentie gehaald kan worden uit diepe geothermie (aardwarmte). Warmte geproduceerd uit zonnecollectoren kan ook een hoge potentie realiseren en ten slotte is het ook nog mogelijk om een klein beetje warmte te produceren via bioafval. Naast de techni-

sche potentie is ook globaal in beeld gebracht wat de mogelijke bijbehorende kosten zijn. Hieruit bleek dat de beste oplossing het toepassen van een diepe geothermiebron zou zijn. Echter, in het onderzoek is a lleen gekeken naar technische en financiële haalbaarheden en niet naar mogelijke andere nadelen. Het toepassen van diepe geothermie is namelijk lang niet altijd haalbaar door ruimtegebrek en ook niet altijd even duurzaam door het gebruik van schadelijke chemicaliën.

Ongelijktijdigheid Doordat de warmtevraag en warmtepotentie per uur berekend is, is het mogelijk om te zien hoeveel energie er nu daadwerkelijk direct gebruikt kan worden uit een duurzame warmtebron. Wanneer je de warmtevraag van een wijk in een jaargrafiek weergeeft, ziet deze eruit als een badkuip. In de wintermaanden is de warmtevraag hoog en gedurende de zomer heel laag. Het warmtepotentie patroon ziet er per techniek verschillend uit. Zo geeft een geothermie bron gedurende het hele jaar een constante energieopbrengst, maar zal een zonnecol lector vooral gedurende de zomer veel energie opleveren, juist wanneer de woningen het eigenlijk niet nodig hebben. Doordat alles op u ur-niveau berekend is, wordt duidelijk hoe belangrijk het is om te investeren in seizoensopslag. Zelfs wanneer er vijf diepe geothermie bronnen gerealiseerd worden, wat financieel en ruimtelijk gezien o nhaalbaar is, blijven er gedurende de winter pieken in de warmtevraag ontstaan die niet door de bron geleverd kunnen worden. In de z omer heb je dan zo’n grote hoeveelheid aan warmte dat deze heel moeilijk opgeslagen kan worden.

Conclusie

De studiecase laat zien dat je met behulp van het gemaakte stappenplan en het rekenmodel een eerste quick scan analyse uit kunt voeren. W anneer we weer terugkeren naar de gemeenteambtenaar, die als uitverkorene verantwoordelijk is voor het aardgasvrij maken van zijn w ijk, kan dit stappenplan en rekenmodel inzicht geven in zijn wijk en de mogelijke alternatieve warmtevoorzieningen. Het is echter alleen maar een eerste globale indruk van de mogelijkheden.

De nadruk hierbij ligt echt op een beginbeeld. De benodigde warmte vraag per woning is grotendeels gebaseerd op aannames en uitkomsten van modellen. Een vervolgstap is om per woning te kijken hoe d eze verwarmd kan worden, hoeveel warmte er op dit moment verbruikt wordt en wat de toekomstplannen zijn. Daarnaast is in mijn o nderzoek vooral gekeken naar de huidige warmtevraag van woningen. Wanneer de woningen in de toekomst beter geïsoleerd worden, z al ook de koelvraag steeds belangrijker worden.

Het is al zo vaak geroepen, maar technisch gezien is het haalbaar om woningen van het gas af te krijgen. De grote uitdaging zit hem echter in de financiële en sociale kant. Het is heel belangrijk om in een vroeg stadium bewoners en andere stakeholders te betrekken bij het vraag stuk. Een eerlijke en open samenwerking kan ervoor zorgen dat de m eest financieel-technisch gunstigste oplossing bedacht wordt voor

Een geothermie bron geeft gedurende het hele jaar een constante energieopbrengst.

de wijk. Breng duidelijk naar voren waarom u de energietransitie belangrijk is en laat zien dat het vele voordelen met zich mee kan brengen. Een beter geïsoleerde woning geeft een lagere energierekening en kan ook comfort verhogend werken. Ik heb ooit iemand horen zeggen: “In Nederland bouwen we de huizen niet zo goed als we kunnen, m aar zo slecht als we mogen.” Laten we daar tijdens deze energietransitie eens een verandering in brengen!

Onderzoek

Het onderzoek van Kirsten Neels, getiteld ‘Transition to sustainable heating at neighbourhood level’ Research in technical, environmental and financial feasibility and development of a process guide for municipalities’ is te downloaden via http://resolver.tudelft.nl/uuid:ba1695fa-9434-4073-9c2e-06554b7bccee