Design med viden

Udgivelse støttet af

Forskning støttet af

DESIGN MED VIDEN Ny forskning i bæredygtigt byggeri Redigeret af Signe Kongebro Udgivet af Henning Larsen Architects Med bidrag af Michael Jørgensen, MSc, Ph.D.-studerende Martin Vraa Nielsen, MSc, Ph.D., Sustainability Engineer Jakob Strømann-Andersen, MSc, Ph.D., Sustainability Engineer

Indhold

Forord 5 Af klima-, energi- og bygningsminister Martin Lidegaard

1.0 Introduktion 7

Af Signe Kongebro ? 11 2.0 Hvad er bæredygtighed

Af Signe Kongebro og Jakob Strømann-Andersen 3.0 Teori møder praksis 14 4.0

4.1

Geometri 21 Case : Domicil til Novo Nordisk Case : Viborg Rådhus Geometri i byen Case : Nørrebro Case : Klaksvík City Center

5.0

5.1

Komfort 43 Case : SDU – Kolding Campus Case : Klostermarksskolen Komfort i byen Case : Västra Dockan Case : King Abdullah Financial District

6.0

6.1

Programdistribution 65 Case : Kontorhus til Energinet.dk Case : Siemens HQ Programdistribution i byen Case : Thomas B. Thrigesgade Case : Carlsberg Stationsområde

7.0

7.1

Dagslys 87 Case : Umeå Arkitektskole Case : Campus Roskilde Dagslys i byen Case : Nørrebro Case : Thomas B. Thrigesgade

8.0

8.1

Materialer 109 Case : Spiegel HQ Case : Domicil til Novo Nordisk Materialer i byen Case : Nørrebro Case : King Abdullah Financial District

9.0

8.1

Nye roller, nye samarbejder 127 A+E:3D Energimål.dk Hvad med dagslys ?

Multifunktionel beton Det foranderlige hus

10.0 Energi- og helhedsrenovering 138 Af Signe Kongebro Forskningsartikler 142 Publikationsliste 143 Integrated energy design in master planning Resumé af ph.d.-afhandling af Jakob Strømann-Andersen

145

The urban canyon and building energy use : 146 Urban density versus daylight and passive solar gains Af Jakob Strømann-Andersen og Peter Andreas Sattrup Integreret energidesign af større bygninger 157 Resumé af ph.d.-afhandling af Michael Jørgensen 158 Investigation of architectural strategies in relation to daylight and integrated design Af Michael Jørgensen, Anne Iversen og Lotte Bjerregaard Jensen Integrated energy design of the building envelope Resumé af ph.d.-afhandling af Martin Vraa Nielsen Quantifying the potential of automated dynamic solar shading in office buildings through integrated simulations of energy and daylight Af Martin Vraa Nielsen, Svend Svendsen og Lotte Bjerregaard Jensen

173 174

Projektoversigt 186 Ordforklaring 190

4 | DESIGN MED VIDEN

Forord I 2020 skal Danmarks udledning af drivhusgasser være reduceret med 40 pct. Bygningsmassen står for en meget stor del af landets samlede energiforbrug, og for at nå det ambitiøse mål er det nødvendigt med et særligt fokus på byggeriet ; nye og gamle erhvervs- og beboelsesejendomme ; domiciler og parcelhuse ; offentlige og private bygninger. Vi skal hele vejen rundt.

Nybyggeriet skal være mere energieffektivt, og vi skal se på den eksisterende bygningsmasse, hvor mulighederne for at energirenovere er store. Reguleringen af hele den danske bygningsmasse, energiog klimapolitikken hænger tæt sammen. Det er et betydningsfuldt skridt i den grønne omstilling, vi har taget med denne helhedsbetragtning.

Flere investeringer i energieffektivitet og en samlet strategi for energirenovering af bygninger er på vej. Strategien skal vise, hvordan vi helt konkret kommer i mål med at reducere energiforbruget og fremtidssikre hele bygningsmassen. Det er en stor opgave, og det er vigtigt, at så mange som muligt byder ind med konkrete erfaringer og betragtninger.

Det er muligt at skabe et byggeri, hvor æstetik, energieffektivt og arkitektonisk design går op i en højere enhed. Det findes der mange danske og udenlandske eksempler på, og der er en sammenhæng.

Bæredygtighed giver byggeriet en ekstra kvalitet, fordi man ved at inddrage denne parameter tager

sin del af ansvaret for at reducere energiregningen og forbedre vores miljø.

Partnerskaber mellem offentlige og private aktører har vist sig at have en gavnlig effekt, fordi vejen fra politik til handling bliver kortere. De politiske visioner for en fremtid, hvor vi som samfund omgås naturens ressourcer med større omtanke og respekt, står langt stærkere, når de bakkes op af erhvervslivet og private initiativer.

Når politik og viden omsættes til handling, giver det gode vilkår for grøn vækst i Danmark. Investeringer i energirenovering og energieffektivitet kan gøre en markant forskel for vores økonomi og skabe jobs, fordi de understøtter vores muligheder på et stadigt voksende, globalt marked for viden om grønne løsninger.

Denne bog om „design med viden“ har som sit afsæt et forskningsarbejde mellem en erhvervsvirksomhed, Henning Larsen Architects, og en forskningsinstitution, DTU. Det er et samarbejde, der har resulteret i ikke bare ny viden, men også en række konkrete bud og eksempler, der viser, at vi kan nå klimamålene, hvis vi tænker os om og arbejder sammen på tværs af faggrænser.

Bogen her bygger netop på et samarbejde mellem den offentlige og den private sektor og slår bro mellem æstetik og nytte.

Klima-, energi- og bygningsminister Martin Lidegaard Juni 2012

DESIGN MED VIDEN |

5

Lavenergi i byggeriet opfattes alt for ofte som en ren teknologisk disciplin. Men ægte lavenergi opstår gennem et bredt, tværfagligt samarbejde mellem ingeniører og arkitekter og er tænkt ind i byggeriet helt fra starten.

6 | DESIGN MED VIDEN

Introduktion Den eksisterende bygningsmasse og nybyggeriet belaster klodens klima i et omfang, der skal være mindre. Ved at inddrage naturvidenskabelig viden om klima og energi i designprocessen får det arkitektoniske design en ny kvalitet.

I Danmark har vi en lang tradition for at bygge miljøbevidst. Alligevel står byggeriet stadig for en meget stor del af det samlede energiforbrug. Arkitektur kan i sig selv spare energi, hvis den er designet med viden. Det er ægte lavenergi.

Denne bog formidler de redskaber og metoder, der er resultatet af et unikt, tværfagligt forskningsarbejde mellem ingeniører og arkitekter.

Vi har været vant til at løse problemerne i byggeriet med dyre, tekniske løsninger. Det forskningsarbejde, der er grundlaget for denne bog, viser, at mellem 40 og 50 procent af en bygnings energiforbrug er låst i designet. Arkitekturen må derfor tage sin del af ansvaret og allerede, når de første streger slås, kvalificere designet, så det ikke bruger mere energi end nødvendigt. Det er den ressourcemæssigt mest effektive metode at minimere energiforbruget på.

ellem 40 og 50 procent af en M bygnings energiforbrug er låst i designet. Arkitekturen må derfor tage sin del af ansvaret.

I Danmark har miljøvenlige og energirigtige løsninger stået højt på dagsordenen siden 1970’erne. Det seneste årti og i årene op til klimatopmødet i København i 2009 fik dagsordenen nyt liv og tyngde.

Selvom klimakrisen for bare ti år siden blev opfattet

som en kontroversiel påstand, der var mere politisk end videnskabeligt dokumenteret, er de fleste skeptikere i dag enige om, at klimakrisen er reel.

En løsning involverer alle. Vi skal omgås naturens ressourcer med omtanke og nøje overveje, hvordan vores forbrug belaster kloden og livsbetingelserne for de kommende generationer.

Et bæredygtigt mindset er derfor blevet relevant i mange sammenhænge, og selvom bæredygtighed almindeligvis opfattes som en helhedsbetragtning, hvor miljømæssige, menneskelige og økonomiske aspekter skal gå op i en højere enhed, er investeringerne ofte sket med et alt for kort tidsperspektiv.

Det har skullet kunne betale sig, så pengene var tjent hjem i løbet af få år. Når de mest populære investeringer i bæredygtigt byggeri samtidig har været i dyre ingeniørmæssige ydelser og bekostelige, teknologiske løsninger, har helhedsbetragtningen været ude af balance. Økonomien er en del af virkeligheden, og både offentlige og private investeringer skal være udtryk for en ansvarlig prioritering.

Denne bog formidler en forskning, der interesserer sig for andre strategier for udviklingen af et bæredygtigt byggeri end dem, der været toneangivende i branchen i årtier. Der er mange paradigmer, der udfordres på de følgende sider, og det er vores håb, at udfordringen vil føre til et paradigmeskifte i byggeriet – hvor arkitekterne lukker mere viden ind i de kreative processer ; hvor ingeniørerne lærer DESIGN MED VIDEN |

7

1.0 Introduktion

af Signe Kongebro

at bidrage i designets tidlige faser ; hvor vi indser, at lavenergi ikke bare er et spørgsmål om mere teknologi ; hvor bæredygtighed handler om mere end energi og miljø, men også skaber en social forandring , og hvor økonomiske kalkuler arbejder med lidt længere perspektiver, fordi det kan betale sig.

Henning Larsen grundlagde i 1959 sin tegnestue, fordi hans engagement i arkitekturens udvikling var stort. Det har været en rød tråd i tegnestuens mere end 50 år lange historie, og er det den dag i dag. Kendskab og adgang til den nyeste viden og udvikling er afgørende for at skabe arkitektur, der forholder sig til de aktuelle udfordringer, som vi som samfund står overfor. Arkitektur skaber altid en forandring og skal derfor også give svar, der rækker ud over de funktionelle og æstetiske spørgsmål, der åbner de enkelte projekter.

øglen til smukke, behagelige og N energirigtige bygninger findes i samspillet mellem arkitektur og teknologi.

I 2008 etablerede vi en række tværfaglige samarbejder. Nogle er siden blevet afsluttet. Andre er kommet til. Forskning og innovation i dialog med andre faggrupper er blevet en del af arkitektens hverdag og har gjort det muligt at mindske afstanden mellem viden og dennes anvendelse i 8 | DESIGN MED VIDEN

byggeriet. Der er tale om både eksisterende viden og ny forskning, og den store gevinst har været at skabe en helhedsforståelse af først og fremmest de miljø- og energimæssige aspekter af byggeriet.

Et vigtigt skridt har været at bringe faggrupper sammen, der tidligere sad hver for sig.

Henning Larsen Architects er en kreativ arbejdsplads, hvor luften summer af idéer og projekter, der er midt i skabelsesprocessen. Et afgangsprojekt fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), hvor to civilingeniørstuderende arbejdede med et af tegnestuens projekter, mens det stadig var på skitseblokken, viste, at helt op til 80 % af energiforbruget var låst i designet. Denne erkendelse af, at designet selv sætter en skarp grænse for, hvor meget energi man kan spare i en bygning, satte gang i at formulere et forskningsprojekt, der tog fat på denne problemstilling.

Selvom det på grund af stramninger i lovgivningen nu kun er mellem 40 og 50 % af energiforbruget, der ikke kan ændres af designmæssige årsager, står det klart, at designets energiforbrug må simuleres og justeres, inden den kreative proces når i mål. En del af ansvaret er placeret hos arkitekten, og de arkitektoniske idéer skal have en form, der bidrager til at spare energi. I det forskningssamarbejde, der blev etableret mellem DTU og Henning Larsen Architects under erhvervs-ph.d.-ordningen, har de studerende forsket live på projekterne. Der blev iværksat tre sideløbende projekter, der samlet set giver en hel-

1.0 Introduktion

hedsbetragtning af de parametre, der har betydning for energiforbruget i en bygning.

dagslys i planlægningen af byer og betragte dagslys som en vigtig fælles ressource.

De redskaber og metoder, der er beskrevet i denne bog, er et resultat af det forskningsarbejde, der er foregået på en lang række projekter, der for de flestes vedkommende ikke er hypotetiske eller teore-tiske øvelser. Det er med enkelte undtagelser projekter, der enten er opført eller er under opførelse. Det er unikt, at forskningen på den måde allerede har haft en meget direkte indflydelse, inden forskernes afsluttende artikler er trykt. De tre ph.d.-forskningsprojekter har forskellige fokus: masterplanen, facaden og bygningens områder rumlighed.

Michael Jørgensen har forsket i sammenhængen mellem forskellige parametre i en bygning med betydning for energiforbruget. Hans forskning har undersøgt udformningen af nybyggerier og det potentiale, der findes i samspillet mellem geometri, bygningsfysik, komponenter og systemløsning-er. Den rigtige dimensionering af rumligheder, volu-mener og en optimal organisering af funktionerne i bygningen kan minimere behovet for tekniske løsninger – ventilation, køling og opvarmning – og udgør et komplekst landskab af variable, der skal afbalanceres for at energioptimere en bygning.

orskning og innovation i dialog F med andre faggrupper er blevet en del af arkitektens hverdag.

Jakob Strømann-Andersens forskning viser, at byplaner og masterplaner har langt større betydning for byer og bygningers energiforbrug, end vi har vidst før. Planernes udformning påvirker meget direkte bygningerne og har stor betydning for energiforbruget i de enkelte bygninger. Bygningsvolumenerne og deres orientering påvirker hinanden : dagslysforhold, mikroklima, vind- og støjforhold defineres delvist af bygninger, der ligger i nærområdet. Hans forskning viser bl.a., at der ligger et stort potentiale i at fokusere mere på

Martin Vraa Nielsens forskning i udformningen af facader og deres indvirkning på bygningernes energiforbrug har været et område, hvor arkitekter og ingeniører har skullet definere et modus operandi med plads til begge faggruppers kompetencer. Facaden er et væsentligt element i bygning-ens arkitektoniske udtryk og regulerer samtidig dagslyset og solens påvirkning af bygningens indeklima. Facadens åbninger, udformning og størrelsen af vinduer spiller sammen med de tekniske løsning-er : solafskærmning, klimastyring, isolering og koblingen til bygningens andre systemløsninger. Forskningen viser, at bl.a. den arkitektoniske behandling af facaden kan aktivere store energi- og komfort-mæssige potentialer.

DESIGN MED VIDEN |

9

Forskningen har beskæftiget sig med komplekse sammenhænge, som denne bog formidler i korte tekster om de vigtigste forhold i designet af bygningen og planlægningen af byen. Forskerne har arbejdet med konkrete projekter og har dermed haft direkte indflydelse på bygningernes design i en række projekter. For at give et bredt publikum adgang til konklusionerne præsenteres projekterne på en enkel, grafisk måde, der kort opsummerer de analyser og løsninger, der har været i spil på projekterne. Metoden er den samme hele vejen igennem, men de enkelte parametre varieres afhængig af projekternes målsætninger og kontekst.

Der er brug for en bredere forståelse af, hvad lavenergibyggeri egentlig er. Alt for ofte opfattes det som en ren teknologisk disciplin. Ægte lavenergi er tænkt ind i byggeriet helt fra starten. Den forældes ikke og kan ikke spares væk. Det er muligt at integrere alle funktioner og værdier i én velfungerende og æstetisk enhed. Bruger man fx dagslyset rigtigt, får man mindre energiforbrug og glade brugere. Lavenergi handler om meget mere end teknologi.

Dagslys er det stærkeste virkemiddel til at skabe en arkitektonisk oplevelse af rum. Samtidig kan det bruges til at skabe et godt indeklima og optimale dagslysforhold i en bygning.

Nøglen til smukke, behagelige og energirigtige bygninger findes i samspillet mellem arkitektur og teknologi.

10 | DESIGN MED VIDEN

Den forskningsbaserede tilgang til projekterne har gjort det muligt at præsentere en lang række konkrete, bæredygtige løsninger i byggeriet. Bogen kan læses som en enkel afrapportering af resultaterne og et katalog over konkrete – og ofte realiserede – løsninger til inspiration for andre, der interesserer sig for arkitektur. Den kan læses af alle. Bagerst i bog-en finder man lister over ph.d.’ernes publicerede artikler og tre forskningsartikler i fuld længde.

Forskningsprojektet har været et samarbejde mellem Danmarks Tekniske Universitet (DTU) og Henning Larsen Architects finansieret af erhvervsph.d.-ordningen under Ministeriet for Forskning, Innovation og Videregående Uddannelser. På DTU har særligt lektor Lotte Bjerregaard og professor Svend Svendsen været engageret i projektet og vejledt de studerende. Forskningsprojektet kunne ikke have været realiseret uden støtte fra Realdania og stor velvilje og interesse fra de bygherrer, hvis projekter er med som cases.

Tak til Jakob Strømann-Andersen, Martin Vraa Nielsen, Michael Jørgensen, Peter Andreas Sattrup og alle kollegaer, der har bidraget med viden om de cases, der er med i bogen.

God læselyst.

Hvad er bæredygtighed ?

Ordet bæredygtighed er ikke nyt, men i det seneste årti er det blevet et centralt begreb i vores samfund. I dag taler man om bæredygtige investeringer, bæredygtig politik, bæredygtig produktion – og selvfølgelig om bæredygtigt byggeri.

Bæredygtighed er blevet et obligatorisk begreb for de virksomheder og organisationer, der ønsker at signalere, at man forholder sig ansvarligt til de dagsordener om klima og miljø, der præger omverdenen. Den udbredte brug af ordet og begrebet bæredygtighed har dog betydet, at det dækker over alt og ingenting. Bæredygtighed er mere end et ord, og for at arbejde med bæredygtighed og fx integrere det som en del af sin forretning er det nødvendigt at nærme sig en bedre forståelse, der gør det lettere at håndtere og operationalisere.

æredygtighed er en præmis for B både nutid og fremtid.

Begrebet er komplekst, og vil man arbejde med bæredygtighed som et designparameter til at reducere, optimere og producere energi, må man starte med at afgrænse begrebet, så kompleksiteten reduceres. Selvom mange forskere, filosoffer og praktikere har gjort det, er der stadig et stykke vej til en konsensusopfattelse af, hvad bæredygtighed dækker over. For at starte et sted valgte Henning Larsen Architects at arbejde med bæredygtigt design, der reducerer bygningers energiforbrug i driftsfasen.

Arbejdet med bæredygtighed har en lang politisk forhistorie med rod i efterkrigstidens – og særligt 1960’ernes – alternative politiske bevægelser. FN's første globale miljømøde blev afholdt i Stockholm i

1972. Det førte til, at FN i 1983 nedsatte FN Verdenskommissionen om Miljø og Udvikling, også kendt som Brundtlandkommissionen. I 1987 udgav kommissionen Brundtlandrapporten, der lagde grunden til en bredere og mere perspektivrig forståelse af bæredygtighed. Rapporten førte til, at FN afholdt en global Konference om Miljø og Udvikling i 1992 i Rio de Janeiro. Resultatet af denne var Rio-deklarationen, der indeholder en række principper for bæredygtig udvikling og for alvor satte vores omgang med naturens ressourcer og konsekvenserne heraf øverst på dagsordenen.

Ikke kun enkeltpersoner, virksomheder og organisationer, men hele brancher er bevidste om, at de har et samfundsansvar og skal forholde sig til den måde, hvorpå de påvirker en bæredygtig udvikling. Grøn er det nye sort, som mange medier har formuleret det. I den danske byggebranche har man været hurtige til at bakke op og involvere sig. Branchen har accepteret, at bæredygtighed er en præmis for både nutid og fremtid.

Det er en udfordring for alle aktører, der har med bæredygtighed at gøre : Effekterne af bæredygtige tiltag trækker spor så langt og i så mange retninger, at det nogle gange resulterer i manglende overblik og blind navigation. Mange er blevet handlingslammede af det store ansvar, som ambitionen om bæredygtighed medfører, fordi kravene er, at det er et både-og frem for et enten-eller. At nogle har defineret snævre områder og er gået i dybden DESIGN MED VIDEN |

11

2.0 Definition

af Signe Kongebro og Jakob Strømann-Andersen

med disse har betydet, at der findes mange formulerede og mere eller mindre udforskede strategier, som man kan inddrage i sit arbejde.

Frem for at fokusere ensidigt på miljøcertificeringer, der alle har deres berettigelse, har udgangs punktet for det arbejde, der beskrives i denne bog, været en helhedsbetragtning, der trækker på de specifikke certificeringer i det omfang, det er nødvendigt.

Den forståelse af bæredygtighed, der er mest udbredt i dag, har tre ben : samfund, økonomi og miljø. De hænger sammen. Det er en stor mekanisme, der består af mange tandhjul, der drejer og bevæger de andre tandhjul. Hver lille tand på tandhjulet kan opfattes som et virkemiddel, der påvirker helheden. Hver bevægelse resulterer i en lang række afledte effekter. Fx er effekterne af en reduceret CO2-udledning så komplekse, at de ikke kan kortlægges i deres helhed. Hvor skal man afgrænse ?

Man kan tale om korte og lange kæder af afledte effekter. Processen fra årsag til effekt kan bestå af få eller af mange beslutninger om, hvilke virkemidler man vil bruge for at nå sin målsætning.

Hver eneste beslutning er et skridt, der gør det vanskeligere intuitivt at forstå sammenhængen mellem årsag og effekt. Jo flere virkemidler, desto sværere er det at begribe. Risikoen for at blive paralyseret er derfor overhængende, hvis ikke man afgrænser sit fokus.

12 | DESIGN MED VIDEN

Denne kompleksitet kan ikke ændres. I stedet må den enkelte aktør formulere strategier og tage ejerskab til ambitionen om at transformere bæredygtighed fra vision til resultat. Virkemidlerne skal give målbare resultater, og det er en balancegang at forsimple kompleksiteten. Nuancer går tabt, men forsimplingen giver til gengæld et operationelt udgangspunkt, hvor en fokuseret og motiveret søgen kan identificere mulighederne. Det er således ikke alle aspekter i helhedsforståelsen af bæredygtighed, der bliver taget hånd om, men delresultaterne bliver mere og mere kvalificerede, fordi vi lærer af arbejdet med beslutningerne i processen.

nergireduktion er en konkret, E operationel strategi, der sætter ord og handling på det komplekse felt, som bæredygtighedsbegrebet favner.

Hos Henning Larsen Architects har vi gjort bæredygtighedsbegrebet håndgribeligt ved at fokusere på energireduktion som den primære strategi. Det er sket med en tro på, at fokus på energi kan skabe kvalitet hele vejen rundt. De konkrete tandhjul, virkemidler, er blevet udviklet med en målsætning om, at de skal skabe værdi for alle tre aspekter af det generelle bæredygtighedsbegreb. Resultaterne af denne strategi bliver en kombination af energy benefits og non-energy benefits. Det er to helt forskellige værdisæt, men fælles for dem er, at de tilfører

2.0 Definition

det byggede miljø konkret værdi. Man kan sammenligne denne balancerede tilgang med en mikserpult med mange knapper, man kan skrue på, og hvor den unikke lyd fra indspilning til indspilning skabes af de mange forskellige indstillinger.

Energireduktion er en konkret, operationel strategi, der sætter ord og handling på det komplekse felt, som bæredygtighedsbegrebet favner. Det er et redskab til at forstå den direkte årsagssammenhæng mellem de afledte effekter, og det er et effektivt afsæt for at kunne kvantificere og kvalificere bæredygtighed i det byggede miljø.

DESIGN MED VIDEN |

13

3.0 Metode

Teori møder praksis En stor del af energiforbruget i en bygning er låst i designet. Derfor er det nødvendigt at arbejde med viden tidligt i den kreative proces og gøre op med rodfæstede vaner og rollefordelinger i byggebranchen.

Bæredygtighed er et komplekst og sammensat begreb. Det kan ikke reduceres til et spørgsmål om energi alene, men i det forskningssamarbejde mellem Danmarks Tekniske Universitet og Henning Larsen Architects, der er udgangspunktet for denne bog, har det været en naturlig afgrænsning. Reduktion af bygningers energiforbrug i driftsfasen er en operationel strategi. Hvor den videnskabelige metode har været solidt teoretisk funderet, har forskernes tætte samarbejde med arkitekterne også tilvejebragt en arbejdsmetode, der er mere fleksibel og kan tilpasses de enkelte projekters særlige forhold.

eduktion af bygningers energiR forbrug i driftsfasen er en operationel strategi.

I de første skitser skal reduktionen af en bygnings energiforbrug være på dagsordenen. Det er her, rammerne og forudsætningerne for bygningens energiforbrug bliver fastsat. Det kræver en bevidsthed omkring arkitekturens og æstetikkens indflydelse på energiforbruget. Det gælder højde, bredde, orienter-ing og en lang række andre forhold. Potentialet for energibesparelser begrænses, hvis mulighederne ikke har været overvejet og analyseret fra starten.

En designproces med bevidsthed om og erkendelse af, at der er en sammenhæng mellem form14 | DESIGN MED VIDEN

givning og energiforbrug, undgår at skulle indføre kostbare, tekniske løsninger sent i processen for at kompensere for grundlæggende dårlige valg.

Er bygningen „rigtigt tænkt“, giver det optimale muligheder for at udnytte de passive egenskaber i forhold til indeklima og optimere mulighederne for opvarmning, køling, ventilation, dagslys m.m. Designet er i sig selv energireducerende, da behovet er minimeret. Det er ægte lavenergi.

Bygningen kan altid senere optimeres med den til enhver tid bedste teknik, men hvis den er optimeret fra begyndelsen, vil udgangspunktet være bedre end for de bygninger, hvor det ikke har været tilfældet.

Det er med andre ord en grundlæggende kvalitet og værdi i designet – og bygningen – at den kreative proces har ladet sig vejlede og er formgivet med viden. Erfaringen viser, at det ikke er begrænsende for den kreative og intuitive udfoldelse. Derimod er det en mulighed for at gentænke arkitekturens rolle med nye mål og holdninger.

Hvor ingeniørens traditionelle rolle er at kvantificere arkitekturen, er arkitektens at kvalificere den. Det er to forskellige sprog, men de udelukker ikke hinanden. Æstetikken kvantificeres gennem energireduktion, og energireduktion kvalificeres gennem æstetikken. At ingeniørens teoretiske viden kombineres med arkitektens praktiske tilgang resulterer i bund og grund i bedre arkitektur.

Erfaringer

Ny viden

Udviklingsprojekter

Energidesign

Fx EUPD (Se side 135)

Materialer

Fx Det foranderlige hus (Se side 137)

Byplanlægning

Fx Hvad med dagslys?

(Se side 133)

Nye projekter

Konkrete projekter hos Henning Larsen Architects har været inddraget i forskningen. Den opsamlede forskningsviden er blevet afprøvet i udviklingsprojekter og har fundet vej til nye projekter.

DESIGN MED VIDEN |

15

PRODUCER

OPTIMER

REDUCER

I fremtiden skal byggeprojekter godkendes efter det danske bygningsreglement og EU's nye krav til energiforbrug og indeklima, Energy Performance Building Directive (EPBD). Der er allerede lagt op til, at de danske krav for bygningers energiforbrug bliver skærpet med ca. 25 % i 2015 og med yderligere ca. 25 % i 2020. Med en kombination af de skærpede krav og den nuværende teknik er der ingen vej udenom. Klimastyringen i en bygning kan ikke løses med ren teknik. Det vil kræve så meget energi at opfylde kravene med et traditionelt mekanisk anlæg, at lovgivningens skærpede energikrav ikke kan opfyldes. Energidesign er en nødvendig del af den kreative proces.

etodens målsætning er at fjerne M energibehovet.

Det bedste udgangspunkt for et succesrigt projekt og et godt sted at starte er at formulere en fælles målsætning for bæredygtighed. Det sikrer, at alle samarbejdspartnere har samme mål i processen og arbejder konstruktivt mod det. Det er vigtigt at skabe rammerne for en operationel og integreret designproces med målbare kriterier. Det giver en flydende og åben proces med mulighed for, at der arbejdes mere systematisk med de mest centrale kriterier og virkemidler.

Nøglen til at opnå synergieffekter er at sætte forskning og målbare kriterier på dagsordenen i den 16 | DESIGN MED VIDEN

et praktiske arbejde med bæredygtighed kan beskrives som D en pyramidestruktur, hvor virkemidler inddeles i reducerende, optimerende og producerende virkemidler.

kreative proces. Selvom Integrated Energy Design (IED) var defineret som rammen for forskningssamarbejdet, viste denne metode sig i mødet med hverdagen mindre effektiv, og i det daglige arbejde er en modificeret, enklere udgave af IED blevet arbejdsmetoden.

I IED er energiforbruget en aktiv medspiller, når designet udformes. Det målbare validerer projektets forskellige faser, og designet justeres i overensstemmelse med parametervariationer og konsekvensanalyser. Det målbare indgår ikke kun som en validering, men hver eneste simulation af et provisorisk design besvares med et designalternativ. Æstetikken udvikles af det målbare, og på den måde opnår man en kvalitetssikring af byggeriet.

Processen består af mange små skridt, hvor virkemidlerne justeres. Hver eneste justering tilfører projektet og projektgruppen ny viden og klarhed. Det endelige design søges ikke i den første skitse, men i stedet informeres designet løbende i processen.

Den forenklede arbejdsmetode overvejer en bred vifte af konkrete virkemidler. Den praktiske tilgang til bæredygtighed er en pyramide med tre niveauer, der hver især repræsenterer en måde at opnå energireduktion på.

1. REDUCER gennem et godt design.

2. OPTIMER gennem tekniske løsninger.

3. PRODUCER gennem integreret vedvarende energi.

f

et er nødvendigt at tage beslutningerne i den rigD tige rækkefølge i processen. Registrering og analyse af program, klima og kontekst er en vigtig start.

De største reduktioner i bygningens energiforbrug opnås med de passive strategier, der kun koster et godt forarbejde og en intelligent forvaltning af ressourcerne. De er effektive i hele bygningens levetid, fordi de er bygningen. Derfor er en reduktion af designets behov for energi det første, logiske skridt og pyramidens fundament. Designets lys, rum og form knyttes til bygningens performance.

reduktion. På den måde kvalificerer vi det æstetiske og det rationelle i én bevægelse.

et er vigtigt at skabe rammerne D for en operationel og integreret designproces med målbare kriterier.

Det er, når designarkitekterne og projektgrupperne arbejder med konkrete virkemidler i konkrete cases, at den genererede viden bliver foldet ud, aktiveret og videreudviklet. Denne metodiske strategi skaber en dialog mellem mange forskellige projekttyper, hvor formidling af viden hænger uløseligt sammen med opsamling og justering af denne viden.

Optimering gennem tekniske løsninger koster ekstra. Det betyder typisk, at anlægsudgifter til fx et bedre ventilationssystem er højere, og tilbagebetalingstiden er forholdsvis kort og sker i form af lavere driftsomkostninger og nedsat CO2-udledning. Sidste trin og pyramidens top er integrationen af vedvarende energiproduktion. Det er virkemidler, som tæller positivt i bygningens energibalance, men de er også omkostningstunge og har lige nu den korteste levetid. Disse virkemidler skaber kun værdi rent energimæssigt og fx ikke en øget brugsværdi af bygningen.

Grundlaget for processen er erfaringsopsamling fra tidligere projekter, som ordnes og tematiseres i forskningen. Konklusionerne bringes i spil i udviklingsprojekter, inden den nye viden kan aktiveres i nye projekter (se diagrammet på side 15).

Det er en langsom proces, hvor læringen og den konstante generering af mere ny viden er en pointe i sig selv. Samtidig skal den bundfælde sig i den skabende proces, så den bliver intuitiv.

Metodens målsætning er at fjerne energibehovet.

Dette sker i en iterativ proces, hvor teknisk specialviden føder den kreative proces, mens æstetik og rum er midlerne til at opnå en markant energiDESIGN MED VIDEN |

17

I de første skitser skal reduktionen af en bygnings energiforbrug være på dagsordenen. Det er her, rammerne og forudsætningerne for bygningens energiforbrug bliver fastlagt.

18 | DESIGN MED VIDEN

Hvordan gør vi ?

Henning Larsen Architects' bæredygtighedsafdeling forsker i dagslys, bæredygtige materialer, facader, energi og bæredygtig byudvikling. Et tværfagligt team er rygraden i afdelingen. At arbejde med alle aspekter af miljømæssig, social og økonomisk bæredygtighed er en naturlig del af alle projekter. Det er en vigtig del af projekternes kvalitet, at de forholder sig til disse spørgsmål.

Hvor ?

Bæredygtighed kan implementeres på alle niveauer – materialer, bygninger og byer.

Byområder En helhedsplan fastholder en vision for et større område. Visionen fletter de mange ønsker og drømme sammen til en fortælling, der kan kommunikeres enkelt og samtidig danne grundlag for en efterfølgende proces og dialog.

Bygninger Bygninger skal imødekomme mange forskellige – ofte modsatrettede – krav, og tendensen er, at disse krav blive større. Geometrien af en bygning er svær at ændre og skal være langtidsholdbar, men de tekniske installationer kan løbende forbedres.

Materialer Valget af materialer er en af de mest synlige grønne bygningsstrategier. Materialerne kan evalueres ud fra to kriterier: 1. Hvordan påvirker materialets udvinding, produktion, anvendelse og bortskaffelse miljøet ?

2. Hvordan påvirker materialet brugernes sundhed og velvære ? En veldefineret strategi for materialer kan skabe et sundt indeklima.

DESIGN MED VIDEN |

19

Arkitekturen formgiver bygninger. Men en bygnings design er ikke kun et ĂŚstetisk udtryk. Bygningens geometri, placering og orientering har stor betydning for det fĂŚrdige byggeris samlede energiforbrug.

20 | DESIGN MED VIDEN

4.0 Geometri

Geometri Et af arkitekturens vigtigste virkemidler er geometrien. Den arkitektoniske oplevelse skabes i formgivningen. Den ydre geometri og de indre rumligheder og rumlige forløb, der løser bygningens funktionalitet, giver bygningen dens karakter.

De grundlæggende geometrier – bygningskroppen og atrierne, rummenes proportioner og facadens design, fx vindueshullernes dimensioner og lysningsdybderne – er bygningens konfiguration og er det sværeste at forandre. Tekniske installationer kan løbende udskiftes, når bedre teknologi kommer på markedet, og brugeradfærden kan påvirkes, så den ændrer sig.

Geometrien er en vigtig del af designets passive egenskaber, der ikke har noget energiforbrug i driftsfasen. Bygningens orientering i forhold til solen og nabobygningerne, kompaktheden, rumhøjder og rumdybder har stor betydning for energiforbruget.

Det er afgørende for, hvor stort behovet for kunstigt lys og opvarmning eller køling er.

Geometrien er en vigtig del af designets passive egenskaber, der ikke har noget energiforbrug i driftsfasen.

De forskellige parametre skal indgå i en samlet vurdering. Ved at variere parametrene og simulere konsekvenserne for bygningen kan man optimere designet i forhold til de formulerede målsætninger for energiforbruget. Sammenhængene er komplekse og påvirker hinanden både positivt og negativt.

Bygningens orientering på byggegrunden er afhængig af, hvad den skal bruges til, fordi lysforholdene

skifter i løbet af dagen og året. Samtidig har den omkringliggende by eller landskabet en indflydelse.

Der er forskel på, om bygningen ligger i skygge fra en stor nabobygning, eller om den ligger i et åbent landskab.

Det er en udbredt opfattelse, at energirigtige bygninger skal være kompakte. Runde bygninger er således mere energirigtige end firkantede bygninger, da runde bygninger har et mindre overfladeareal og derfor ikke er så eksponerede mod den klimatiske og urbane kontekst. Michael Jørgensens forskning har dog vist, at kompakthed er en mindre væsentlig faktor.

Det skyldes, at faktorer som bl.a. dagslysindtag og isoleringstykkelse kan øge eller mindske facadens betydning for energiforbruget. Mange bygninger er i dag særdeles godt isolerede, og energitabet er lille.

Forskningen viser, at balancen mellem åbningerne i facaden, rummenes højde og dybde, der fordeler dagslyset inde i bygningen, er langt vigtigere parametre at arbejde med. I moderne byggeri har det en større indflydelse på det samlede energiregnskab.

Geometrien understøtter også en social interaktion.

I et atrium fordeles dagslys inde i bygningen indefra. Det er et godt eksempel på, at et virkemiddel påvirker flere aspekter af bygningens bæredygtige kvaliteter, både den sociale og den energimæssige.

Ved at optimere og kvalificere balancen styrkes denne kvalitet yderligere.

DESIGN MED VIDEN |

21

Novo Nordisks nye domicil i Bagsværd er inspireret af Arne Jacobsens plan for området. Vinduesbåndene er designet med henblik på at skabe optimale lysforhold i kontorområderne. De vandrette brøstninger reflekterer sollyset væk.

22 | DESIGN MED VIDEN

Case : Domicil til Novo Nordisk Novo Nordisks nye domicil i Bagsværd skal huse virksomhedens øverste ledelse og 1.100 administrative medarbejdere. Arkitekturen skaber optimale betingelser for husets brugere med et funktionelt og bæredygtigt design.

Domicilet er placeret i en grøn og indbydende park, som er inspireret af danske skove og landskaber. Parklandskabet sikrer en uadskillelig kontakt mellem bygningen og de grønne omgivelser og understøtter visuelt bygningens og virksomhedens grønne profil.

Den samlede bebyggelse af lavere, nye og eksisterende, polygone bygninger iscenesætter det nye samlende midtpunkt , den cirkulære hovedbygning.

Arkitekturen skal skabe levende rumligheder, hvor mennesker kan mødes og nye synergier opstå.

Den nye kontorbygning er formet som en cylinder og seks etager høj. Insulinmolekylets komplekse strukturer har inspireret til bygningens runde form og den spiralformede, indre trappe i atriet. Den cirkulære form øger dagslysindtaget med 17 % og

er på mange måder optimal i forhold til at opnå et lavt energiforbrug.

Geometrien udnyttes, sammen med bygningens fysik og energieffektive installationer, til at reducere bygningens samlede energiforbrug. Den kompakte bygningsform minimerer behovet for kunstig opvarmning, uden at dagslysniveauet forringes. Tre lysgivende indsnit i facaden sikrer et højt dagslysindtag helt ind i bygningens center.

De bæredygtige virkemidler i byggeriet indbefatter desuden grønne tage samt genanvendelse af regnvand til havevanding.

DESIGN MED VIDEN |

23

4.0 Geometri

Bagsværd, Danmark 50.200 m2 Under opførelse

REFERENCE :

95 kWh/m2/år Projektets referenceramme bygger på standarden for traditionelt byggeri, som den er beskrevet i bygningsreglementet BR08. Det svarer til 95 kWh/m2/år.

Projektets målsætning er Energiklasse 2015 svarende til ca. 42 kWh/m2/år.

REDUCER :

95 kWh/m2/år

71 kWh/m2/år

Kontekst Bygningen er placeret i en grøn park, som både medarbejdere og gæster kan have glæde af. Parken skaber en 'cool island'-effekt, hvor jordens fugtighed og kølige temperatur hjælper til at formindske differencen mellem ude- og indetemperaturerne. Det reducerer energiforbruget til køling af bygningen.

Orientering og placering Bygningen bliver en del af det eksisterende Novo Nordisk-kompleks i Bagsværd. Den er placeret i det sydøstlige hjørne af grunden, hvor den kommer til at fungere som samlende element i den overordnede struktur. Den runde bygning har ingen for- eller bagside, men orienterer sig efter solen med de tre lysgivende indsnit i bygningskroppen.

Geometri Den runde bygnings lille overfladeareal medvirker til at reducere bygningens varmetab. Rumdybderne i huset er desuden optimeret i forhold til de enkelte funktioners behov for dagslys, hvilket giver 17 % bedre adgang til dagslys i facaden. På den måde sikres mere og bedre dagslys for medarbejderne.

24 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BYGNING

Dagslys Det runde volumen er perforeret af tre indsnit, som sammen med det centrale atrium bringer dagslyset og den omkringliggende natur helt ind i kernen af bygningen. De tre indsnit er orienteret efter de primære adgange fra de omkringliggende bygninger i Novo-komplekset.

Facadedesign Facaden består af klassiske vinduesbånd med vandrette, lukkede brøstninger, som reflekterer sollyset og varmen væk fra bygningen. Det arkitektoniske udtryk er inspireret af arkitekten Arne Jacobsen, der i 1961 lavede planen for Novo Nordisk-området i Bagsværd. Vindueslysningerne er hvide og matte og sender reflekteret, diffust lys langt ind i bygningen.

Zonering Bygningen er inddelt i to forskellige indeklimazoner, som kan reguleres individuelt. I atriet varierer indeklimaet meget. Her kan man fornemme sæsonernes skiften, og der vil typisk være køligere eller varmere end i resten af huset – afhængig af årstiden. Arbejdspladserne har til gengæld et stabilt indeklima, som er yderligere inddelt i lokale, individuelt regulerbare klimazoner.

Grønt tag I forbindelse med husets kantine og auditorium forbinder to skrånende volumener med grønne tage huset med den omkringliggende park. De grønne tagflader forsinker regnvandets nedsivning og bidrager desuden til 'cool island'-effekten som omtalt under 'Kontekst'.

DESIGN MED VIDEN |

25

OPTIMER :

71 kWh/m2/år

41,8 kWh/m2/år

Glastype Der er anvendt trelagsvinduer med jernfattigt glas. Sollyset trænger lettere gennem jernfattigt glas, og dermed udnyttes dagslyset bedre.

Belysning Der er anvendt helt ny bevægelsesstyret LED-teknologi i atriet. Derudover er al belysning på grunden udført med forskellige belysningsgrader og udelukkende som „down-light“ LED-spotbelysning.

PRODUCER :

41,8 kWh/m2/år

Ingen Det var ambitionen med projektet at leve op til standarden for Energiklasse 2015 svarende til ca. 42 kWh/m2/ år. Målet er således opnået alene gennem energireducerende og -optimerende tiltag.

26 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BYGNING

Atriet er det samlende element for alle funktioner og rumligheder. Rummet er seks etager højt og defineres af organisk udformede balkoner, som åbner sig opad for at trække mest muligt lys ned og ind i bygningen. Atriet afsluttes af et finmasket ovenlys.

DESIGN MED VIDEN |

27

Bæredygtighed og god arkitektur går hånd i hånd i Viborg Rådhus. Basens grønne tage forsinker regnvandets naturlige nedsivning og fremhæver samtidig den svævende bygnings geometri. Rådhuset forankres på den måde sikkert i landskabet.

28 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BYGNING

Case : Viborg Rådhus Viborg Rådhus er Danmarks første bæredygtige rådhus. Gennem en kompakt bygningsgeometri og en helhedsorienteret dagslysstrategi opnår huset et samlet energiforbrug, som opfylder de gældende retningslinjer for Energiklasse 2015.

Viborg Kommune var den første kommune, der valgte at bygge et nyt rådhus efter strukturreformen i 2007. Det nu opførte byggeri er Danmarks første eksempel på et bæredygtigt rådhus.

Huset er placeret på et tidligere kaserneområde lidt uden for Viborgs historiske bykerne. Det er udformet som et skulpturelt volumen svævende over en base af lavere bygninger, som er nænsomt integreret i landskabet. Huset åbner sig mod rådhuspladsen mod øst og den nye grønne rådhushave mod syd og inviterer medarbejdere og besøgende ind i et indre, der er åbent, lyst og fleksibelt.

Viborg Rådhus får et samlet energiforbrug, som opfylder retningslinjerne for Energiklasse 2015. Det lave energiforbrug opnås til dels gennem passive, energireducerende tiltag, som integreres i byg-

ningens design, dels gennem energiproducerende tiltag som solceller, grundvandskøling og -opvarmning.

Projektet har desuden haft fokus på at skabe et behageligt indeklima for både ansatte og besøgende ud fra en social bæredygtig tankegang. Der er således arbejdet intenst med at udnytte dagslyset bedst muligt både i facadedesignet og i valget af materialer og farver inde i bygningen. Facadens grafiske udtryk giver desuden rådhuset en særlig identitet og accentuerer bygningens særlige betydning i byrummet.

Ifølge kommunens egne beregninger er det bæredygtige hus tjent hjem på bare otte år.

DESIGN MED VIDEN |

29

4.0 Geometri

Viborg, Danmark 19.400 m2 Opført 2011

REFERENCE :

95 kWh/m2/år Projektets referenceramme bygger på standarden for traditionelt byggeri, som den er beskrevet i bygningsreglementet BR08. Det svarer til 95 kWh/m2/år.

Projektets målsætning er Energiklasse 2015 svarende til ca. 42 kWh/m2/år.

REDUCER :

95 kWh/m2/år

71,2 kWh/m2/år

Kontekst Rådhuset er placeret på en gammel, tom kasernegrund langs med Indre Ringvej. Det ligger på et hjørne mellem et industrikvarter mod nordvest og et parcelhuskvarter mod syd. Huset rejser sig mod den hårde industri og nedskaleres og blødgøres med de begrønnede 'arme' ud mod parcellerne og deres haver.

Orientering og placering Rådhuset er en større helhed bestående af rådhusbygning, -have og -plads. Derfor er selve rådhuset placeret parallelt med grundens nordvestligste hjørne, hvor det danner kant mod ringvejen. Rådhushaven er placeret syd for huset mellem to begrønnede 'arme'.

Ankomst til huset sker fra rådhuspladsen mod øst.

Geometri Bygningen er skulpturelt udformet som en modelleret kube, der hæver sig på tre 'arme', som skaber en glidende overgang mellem bygningen og det omkringliggende landskab. Bygningens let skrånende tag giver et dynamisk udseende og et indre med særlige rumlige kvaliteter.

30 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BYGNING

Dagslys Et stort atrium med i alt tre ovenlys giver dagslyset optimale betingelser for at trænge ned i bygningen. Lyset, som vandrer over de lukkede, hvide balkonforkanter på de forskudte dæk, ændrer rummets karakter dagen igennem. Det største ovenlys er delt i to af en tagterrasse, som ligger i forbindelse med medarbejderkantinen.

Facadedesign Den mønstrede facade består af dybe kassetter med trelagsvinduer, som har både æstestiske og funktionelle egenskaber. Det dybe relief skærmer af for solen og sender samtidig lys ind i byningen ved hjælp af sin silkematte overflade. Facadedesignet bidrager sidst, men ikke mindst, til bygningens dynamiske udtryk.

Zonering Viborg Rådhus er et demokratisk hus – også rent arkitektonisk. Derfor er husets hovedrum, atriet, offentligt tilgængeligt. Alle har mulighed for at opleve og bruge dette rum og ankommer til huset her. Jo længere ud og op i bygningen man bevæger sig, desto mere private bliver funktionerne.

Grønt tag Det grønne tag reflekterer solens stråler væk fra bygningen og omdanner CO2 til ilt. Derudover hjælper det til at reducere bygningens behov for køling, hvilket giver et positivt resultat i bygningens samlede energiregnskab.

Taget forsinker desuden afledningen af regnvand på grunden.

DESIGN MED VIDEN | 31

OPTIMER :

71,2 kWh/m2/år

61 kWh/m2/år

Naturlig ventilation Hele rådhuset er naturligt ventileret bortset fra nogle enkelte større møde- og konferencerum. Ventilationsanlægget har indtag over bygningens lofter.

Belysning Bygningens belysning reguleres efter behov i forhold til dagslyset. Bevægelsesdektetorer og energibesparende lyskilder reducerer strømforbruget yderligere.

Termoaktive konstruktioner Der er indlagt varme-/køleslanger i bygningens betondæk. Dækkene blotlægges, hvor dette er muligt, for bedst muligt at kunne udnytte betonens termiske egenskaber. Dermed udjævnes store udsving i rumtemperaturerne, og indeklimaet forbedres.

PRODUCER :

61 kWh/m2/år

41 kWh/m2/år

Grundvandskøling og -opvarmning 90 meter nede i jorden hentes grundvandet op og udnyttes til opvarmning og afkølning. Tre forskellige systemer sikrer, at bygningen kan anvende den til enhver tid mest effektive metode. Der er installeret 760 kvadratmeter solceller på bygningens tag, som årligt kan levere 76.000 kWh.

32 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BYGNING

Facadens udtryk tilfører Viborg Rådhus en stærk identitet. Den særlige struktur er genereret ud fra analyser og simuleringer af dagslysets vandring gennem bygningen. Medarbejdernes kontorområder er placeret, så de ikke generes af direkte sollys.

DESIGN MED VIDEN |

33

I casen fra Nørrebro (se side 36) er etager trukket fra og lagt til i forhold til dagslysets fremkommelighed i gader og gårdrum. Ved at renovere på solens præmisser opnås mere dagslys i byen og boligen, en lavere varmeregning og et reduceret energiforbrug.

34 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BYGNING

4.1 Geometri

Geometri i byen Der er stor forskel på, om man bygger i et historisk byområde i en nordisk by eller i et nyt kvarter i en mellemøstlig ørkenby. Byggetraditionen og klimaet gør en forskel. Byens tæthed og formgivningen af de enkelte bygninger spiller også en rolle.

Moderne byer udvikler sig efter detaljerede plan-er med detaljerede retningslinjer for et væld af by- og bygningsmæssige forhold – fra valg af materialer til facader til infrastrukturer. Disse byplaner fastsætter rammen for de enkelte bygninger og deres energiforbrug. De grundlæggende betingelser for at energioptimere bygninger defineres af bl.a. forholdet til de nære omgivelser. Bygningerne påvirker mikroklimaet og dagslysforholdene i andre bygninger. Det gør en forskel, om en bygning kaster skygge på nabobygningen eller reflekterer dagslys-et ind i bygningen.

og bygninger. Samspillet mellem byens tæthed og bygningernes ydre geometri er et væsentligt energimæssigt aspekt.

En helhedsplan fastholder en vision for et større område. Det er en vision med målsætninger og ønsker for en række aspekter og er ofte den strukturelle ide, der binder bygningerne i området sammen. Planen skal have en robust struktur, der kan tåle mange variationer og senere tilpasninger i designet. I denne fleksibilitet ligger fremtidssikringen.

Dagslyset er både oplevelses- og energimæssigt en af de vigtigste faktorer i designet af den enkelte bygning. Dagslyset bør betragtes som en fælles ressource i byens planlægning, og planerne bør inddrage dette aspekt og anerkende de mulige, energimæssige synergier, der kan være i samspillet mellem byens forskellige elementer og typologier.

Dagslyset bør betragtes som en fælles ressource i byens planlægning.

Planens kontekstuelle forudsætninger er bygningernes designpræmis. Det er derfor nødvendigt at betragte byens struktur og bygningerne i en energimæssig sammenhæng. En bymæssig helhedsbetragtning, der gør det, skaber et bedre grundlag for at designe energi- og komfortoptimerede byer

Jakob Strømann-Andersens forskningsresultater tegner et dynamisk billede af forholdet mellem design og energiforbrug, fordi dagslyset er medtaget.

Effekten af byens struktur på bygningens energiforbrug er langt større end før antaget. Resultaterne indikerer, at der er en grænse for fortætningen på 200 -300 %, hvis man inddrager en energioptimeringsstrategi i helhedsplanen.

Bygninger kan skabe bedre betingelser for hinanden i forhold til sol, skygge og vind. En optimering af byens struktur er derfor en nødvendig forudsætning for at reducere de enkelte bygningers energiforbrug.

DESIGN MED VIDEN |

35

4.1 Geometri

København, Danmark 150.000 m2 Udviklingsprojekt afsluttet 2012

Case : Nørrebro I et eksisterende bykvarter kan bygningsgeometrien justeres ved nedrivning eller tilbygning og gennem omdannelse af den eksisterende bygningsmasse. Målet er at skabe bedre dagslysforhold mellem bygningerne og i selve boligerne.

Indgreb på byniveau er ikke noget man „bare gør“.

Mange aktører skal inddrages, tidshorisonten er lang, og konsekvenserne er komplekse. Derfor forholder omsætningen af viden fra teoretiske sol- og skyggestudier til konkrete virkemidler sig til et mere abstrakt niveau, nemlig det vi drømmer om.

Den by, vi drømmer om at bo i, er åben og grøn – men også så tæt, at der er et stort nok beboergrundlag til at sikre foskellige funktioner såsom skole, indkøb, butiksliv og arbejdspladser i kvarteret. I udviklingsprojektet 'Hvad med dagslys ?' undersøges dagslyset i et nøje udvalgt 'bylaboratorium' på Nørrebro i København.

Dagslyset studeres ud fra en række parametre, bl.a. geometri. Byens rumligheder og dens struktur har nemlig stor betydning for dagslysets fremkomme36 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BY

lighed i både byrum og bygninger. Geometrien har en direkte målbar betydning for kvaliteten af vores byer og boliger.

Når man arbejder med byens geometriske udformning, kan man gøre brug af følgende virkemidler : tilbygning, nedrivning og anlæg af nye veje og stier.

Tilbygninger på steder, der er nøje udvalgt efter sol- og lysforhold sikrer uændret eller øget bymæssig tæthed. Nedrivning af hele eller dele af bygninger skaber plads til, at lyset kan trænge ind i selv smalle, dybe gårde. Nye veje og stier på tværs af eksisterende færdselsårer sikrer flere og varierende ruter gennem kvarteret.

Geometri Bygningernes højde og indbyrdes afstand er afgørende for mængden og kvaliteten af dagslyset – både i selve bygningen og i gaderummet. Figuren viser, hvordan horisontvinklen mindskes. Jo højere op i etagerne, man kommer, desto mindre bliver vinklen, og mere dagslys strømmer ind.

Dagslys Dagslysets fremkommelighed i gaderummet har stor betydning for både uderummenes og boligernes kvalitet og for menneskets velvære. På Nørrebro, som har en meget tæt bygningsstruktur, fjernes hele karrésider, så gaderne kan blive bredere, og dagslyset kan trænge ned til de nederste etager.

Soldesign Ved at renovere med soldesign kan man opnå mere dagslys, bedre kontakt til uderum, lavere varmeregning og mindre energiforbrug. Eksempelvis giver de vinklede facader bedre lys i uderummet og modvirker, at de øvre altaner skygger for de underliggende boliger. Udvidelsen af netto- og bruttoareal giver desuden større brugsværdi.

Hel nedrivning

Delvis nedrivning

Ny bygning

Tilbygning

Virkemidler Nedrivning og tilbygning af hele eller dele af bygninger er de virkemidler, der kan arbejdes med, når man snakker om bæredygtigt byggeri i byen med geometrien som parameter. I projektet på Nørrebro er etager trukket fra og lagt til ift. dagslysets fremkommelighed i gader og gårdrum.

DESIGN MED VIDEN |

37

Der er arbejdet særlig strategisk med den geometriske udformning af masterplanen for det nye bycenter i Klaksvík på Færøerne. De mange nye bygninger skal bryde de dominerende vinde fra nordvest og sydøst, som skaber et uønsket, kaotisk mikroklima.

Case : Klaksvík City Center Klaksvík er en færøsk by, som ligger fordelt på to modstående fjeldsider. Byen forbindes af et lavtliggende område, hvor to fjorde mødes, og hvor en ny bykerne nu skal opføres. Komfort og mikroklima er nøgleordene i masterplanen.

Det nye, centrale byområde i Klaksvík består af et sammenhængende stisystem, der knytter tre kvarterer med hver sin særlige identitet sammen.

De tre kvarterer bygger videre på allerede eksisterende kvaliteter i Klaksvík.

Der er udviklet et grønt, rekreativt område, et urbant område med offentlige funktioner og services, og sidst, men ikke mindst, et maritimt kvarter bestående af kulturhus, søfartsmuseum, strandlagune, cafeer, butikker og boliger anlagt langs den foreslåede strandpromenade.

Projektets vision er at skabe en oplevelsesrig og levende midtby. Den centrale byplads, som ligger i det urbane kvarter, skal eksempelvis kunne tilbyde et bredt udvalg af muligheder for udfoldelse og oplevelser på alle tider af døgnet og året. Bypladsen

skal også etablere en god og naturlig forbindelse til havet og det maritime kvarter.

Forslaget til det nye bycenter er baseret på simuleringer og studier af de lokale vindforhold. De hårde vinde fra nordvestlig og sydøstlig retning nødvendiggjorde et særligt fokus på mikroklima og komfort i udviklingen af masterplanen.

I forbindelse med den indledende research til projektet viste det sig, at svaret på opgaven lå i den færøske byudviklings historie. Der er i forslaget arbejdet med brudte, forskudte volumener og gadeforløb for at sikre et roligt og behageligt mikroklima, netop som erfaringer fra stedet viser.

DESIGN MED VIDEN |

39

4.1 Geometri

Klaksvík, Færøerne 150.000 m2 Designår 2012

g

st rø

rig

rtv a

o

ik

v.

;

de

rio

pe

A al g

m

er e;

ds

pa

;s

nt re

le

;s

an g

m

v.

ng

ga

B

kø b

de

sg a

tig

ur

rh

le

el

C

v.

D

iv

ek t

;r

ng

ga

m

D

Klimaforhold Masterplanen bygger på studier af simuleringer af de lokale vindforhold. Forskudte bygningsvolumener sikrer, at den dominerende sydøstenvind og nordvestenvind i Klaksvík brydes og danner komfortable læzoner i byrummet. Rød er meget vind, og blå er mindre vind.

D

T

g

er in

er ra ss

-

B

C

ba s K e tr on tu ad cep r. iti te H o t n fo or el sk rs iso le a ky n no be d ta r s n d eu me in l k g ro d r s arr pæ ef Sa trø ée e V g n i r d s et mt og åb ke en fo er rs tik pr idig lu ne ka ce ky al iv t kk r rr til a s e s d é d i t k g r s e n t e in r og abe lys m uk n o g D of s e et d K k en fe n in de nt ti d t M O fe om fl M l i Å l i e nt bi ek ge kny i by nd LS F In r fy n k lig na sib Æ OR ru tn rum e g æ tu m si ob e tio le m ing m rø TN T i d nd itiv g e sk li fun n fu . n d e n r t e e m I e ru an t o g kt af nk N O fø i ve el t. ne I G G ga m gen il a g ø om ion ser tion le rs de d k en O E m te si vi ng fo m t s ko kr er. vic sb G N la on p g , k f bi rsk ell ab no ing Ba e-, as as ne at S E h nd tek lan TR R be yd em e m fo se e e K er t t d ti old sk st læ d isk rs n rh ru ho es h arr A GI af il d e s s l ly s ab ue gn TE D ld fy de ive e ke sk ve mm e ori ée d e tø r åle s, am et lle in t r p e a G E e de ns son ns s sis p sit ar llig ab rvs er m de s t s fo gs s la rst IE S k s r e m i v p d e m r s g t y m rum ta læ V en k, iva et adi e s r d - o en R IG ne es m er al gg uli ruk ho roc i g m ik li lt, ng g o te äs N . tid e, gh tu ld e t. te ul vi e te by m cia erv o ro ge u e , s om ig d kn tra su n og en er le e fd r k væ so ed r, dv ti h p , d D l er i s e il m for fra fo g d e i k lle å s off . O de , re l og er eo s. lig os de e gh gi k v oc at lø en rsk K tn r ko am en ve r e et v og me nat ste is b y li nd ed ver id ka m arr in for ke sa be de nt m tlig r- r fr ges e b er, he ens n a re ind be tri ur fa ti ed ée g m a s a a e e e g a e s f . u me u ns k or t rb og t u r d om yg for lt ka rbe E ræ og ns se t l n e n e e b .

F d lig h t o dv ri dg læ at n b ns in , b afl ol n jd vi va ko ing i e ye eli jde ge li orm b mr ikl ng an n d op ni nk at yg ni db ye æs rie ns er ffe ko gt r s ke gt r i b ti ng le s eb åd es af gs ge e s ål s å k d n n y ns es g m r r k m e i k s d y d es om ygg er de ly pu r d e y n e e er nde om t e nd ve an ten fo n led ru er af ko gs r i es og de st e e m r s se nk iff m in by ik a m r, e ns ta fr rt på es ru t e lse ed k t i t er nt de fo fo K m g k t a u a i b e g a o e m r r b V k g t e e n b l y K et af tu n g fo ov lah by en nt ks sig ho la a es f.e e yru ed a A kr en igt gø r i r . r e n f m k n tu n ld D t N e r y æ m u e vi enn at rg iera um na ere d K el vi p en go TI sk vin ed s. s rg o et h ve tte nd e d lle e b an r m tu s le l g arr k e r v e e m r a d i k im g o m ar k ri TA r g a s b ly røn ée et pas r a t u ka gå yde e ier, t. lig ert el og be ygg æ by list m et m va for TI lig s, ne ns s g i r ig øg siv lle de be en d fra de Sa op ika et v.) m etr ntit ak V e da eg e f sig nin sk M e e v n l s ly i g . d e . e e a r m l n g t d n r t a h n a u l e k e t t i t Å df gsl ing a o e m ge al og dr vle re str jrf ørs ge ode øjt De lem for ive vit LS be en v t ska idig a. m e or ys e m u r, ss at or m ls f ko r t b d m et Æ by sa il h be t m fo rn gi a st te e i o e h e o i y r i n g D r g u e r n . ru m lst g m åls b TN g rø rra g te øj e r ie old ljø in rho , vy n r f a d f c n e ol g. ss ef r, d v så ge ld sæ ort æb ing ikr æt ru IN ls the s kti k di Te er m G or v ed b d, r. tn niv es er okl nin gh rr es m e pu vit va br s. u e in ea væ ne im g et ed as m ug st de ha ea r b nkt ets ntit g , a v s u . e a r e u . i e er od at luk ger i b rdi dv -ti ær et -sk ak ka tiv Ka eg fo y er s. sk di n ne de i d riv tivi teg e m r ru , m s ie te ( e sæ t d o e e r en ka t g es m der vin for tt t r m ets rie åls or b gi n ig me ik d, ho er if es er vn in niv r, d æt n t, k s ld d or A ke es a e im ea e ni m e ol -

D

s; b

ar

ev

ou l

o

d; f

v

as k

fl a l i i ak + by um ue r e ng a en le ys ru gn r , t v r iv um s r i de str en o ne da m- B O ite k b er gs sik gs Te pho . ra yr fin ukt + t ld rra g å v u e u re ly i a i s s f b f b se or mm ret rer O C eb ikr r s yr ; g læn ph g ad um O vi et m es yg er + ffe old ec ere n . ed u a v a n a d m f t e lig t ko - De u d f Ak el righ e et le og fi dg ra pa rt v tiv r r ed; G ar . rk + an t o es ig ro e p s re an 4 h r t l g h a ; e o st ol ur ig p le i; lly kla gd; ge d; s an os G in tå m pl t; it d sn ss Pa enn i g a p an age ds end oo on; e rk iv e/ er gs li s l; er mg s ;i am idd pa g o an in nd idd g gs e rti g; fit e n kø ;i pl ea nde nd orm ad obj bs nde te e r m ller v. lig ge nd e;

Bevaring De vigtigste sigtelinjer fra byen og ud over havet er bevaret i den nye struktur. Disse og andre frie visuelle kig, som vurderes at bygge på en stærk lokal tradition, er også bibeholdt i selve bebyggelsen, så man hele tiden kan orientere sig i forhold til den øvrige by. rto

A

40 | DESIGN MED VIDEN | GEOMETRI | BY

B

g å ikr sly si er s by kre g- r

Kontekst De seneste 50 års byudvikling i Klaksvík har tilladt vinden at suse uhindret gennem gaderne. Projektet for den nye bykerne trækker i stedet på en meget forfinet historisk erfaring og går i dialog med det lokale klima og landskab, når der bygges. Det giver en bykerne med et behageligt mikroklima.

Forankring Den nye bykerne er en stjerneformet struktur, hvor stjernens centrum udgør den fremtidige beskyttede byplads, byens hjerte. Den takkede form sikrer en stærk forankring af det nye bycenter i den eksisterende by. Omvendt lader den også den omkringliggende kontekst, grønne områder, kanaler og strandområder, trænge ind til bypladsen.

Planen for Klaksvíks nye centrum og hjerte er udformet, så bygningerne giver læ for de barske vinde.

Et godt mikroklima i byen er første skridt på vejen til mere social interaktion.

DESIGN MED VIDEN |

41

Komfort handler om brugerens sanselige oplevelse af en bygning. Den hænger derfor i høj grad sammen med bygningens indeklima og funktionalitet. Hvis indeklimaet tænkes ind i de tidligste designfaser, giver det store økonomiske besparelser og smukkere huse.

42 | DESIGN MED VIDEN

5.0 Komfort

Komfort Mennesker lever, oplever og sanser, og menneskets oplevelse af en bygning påvirkes af bygningens komfort. Balancen mellem energiforbrug og komfort skal analyseres og afklares i samarbejde med bygherren og brugerne.

Designet af bygninger har en direkte indflydelse på, hvordan vi indretter vores hverdag og bruger de fysiske omgivelser. Forholdet mellem bruger og bygning udvikler sig hele tiden, og pejlemærkerne er brugerens oplevelse af bygningen og bygningens energiforbrug. Indeklimaet er den fællesnævner, der både kan løfte brugeroplevelsen og reducere energiforbruget.

kompensere for dårligt designede huse. Det betyder lavere til loftet og støj i hverdagen, når der skal installeres store ventilationsanlæg. Hvis byggeriets klimatiske forhold er tænkt med allerede i designfasen, kan behovet for ventilationsanlæg reduceres. Det giver store økonomiske besparelser i både anlægs- og driftsfasen – og så giver det smukkere og mere brugervenlige bygninger.

Indeklimaet bliver ofte gjort til et spørgsmål om stabile temperaturer og god luftkvalitet. Men hvis indeklimadesignet også indtænker brugerens oplevelse, kan man nå videre. Brugerens oplevelse af selvbestemmelse er afgørende for vurderingen af bygningens brugervenlighed. Muligheden for at åbne et vindue for at få frisk luft eller styre solafskærmningen er brugerens måde at interagere med bygningen på. Bygninger skal være intuitive. Forskning viser, at brugerne er parate til at acceptere udsving i temperaturer, luftkvalitet, lysstyrke etc., hvis de har selvbestemmelse og mulighed for at påvirke forholdene.

Indeklimaet kan inddeles i fem kategorier : termisk, atmosfærisk, akustisk, visuelt og mekanisk (som defineret af WHO). Særligt det termiske, det atmosfæriske og det visuelle indeklima definerer bygningens energiforbrug, så der kan hentes store besparelser ved at arbejde aktivt med de tre størrelser.

rugerens oplevelse af selvbestemB melse er afgørende for vurderingen af bygningens brugervenlighed.

Den iterative proces, hvor arkitekterne og ingeniørerne fodrer hinanden med viden om komfort ud fra forskellige parametre, er en stor del af den indledende designfase . Oplevelse og fysisk velbefindende skal gå op i en højere enhed. Når brugernes behov er kendt, kan installationer optimeres, og det giver i sidste ende markante reduktioner af energiforbruget.

Lidt forenklet kan man sige, at indeklima er lig energiforbrug, men man har ikke altid været så opmærksom på denne sammenhæng. Derfor bruges der ofte energi til at skabe et godt indeklima for at DESIGN MED VIDEN |

43

Syddansk Universitet – Kolding Campus udmærker sig ved et varieret og optimeret indeklima, hvor det store atrium hjælper med at fordele dagslyset i bygningen indefra og sørger for naturlig ventilation.

44 | DESIGN MED VIDEN

Case : SDU – Kolding Campus Syddansk Universitet (SDU) – Kolding Campus skaber med sin trekantede form et markant, nyt vartegn i Kolding. Universitetet bliver Danmarks første lavenergiuniversitet med fokus på komfort, indeklima og interaktion.

Den nye campus er placeret på Grønborggrunden i Kolding centrum tæt på havn og banegård.

Kolding Campus skaber en ny central plads ud mod det attraktive ålandskab ved Kolding Å og kommer til at indgå i fælles synergi med byens øvrige uddannelsesinstitutioner.

Bygningens form og facader skaber en stærk dialog mellem bygningens indre liv og betragteren udenfor. Facaden er en integreret del af bygningen og skaber sammen med denne et unikt og varieret udtryk. Indenfor, i det fem etager høje atrium, forskyd-er trapper og svalegange sig ind over hinanden og skaber en særlig dynamik, hvor den trekantede form gentager sit mønster i hele tiden nye positioner op gennem de forskellige etager.

Hver etage er indrettet med henblik på at skabe krydsfelter mellem lærere, forskere og studerende, samtidig med at der er områder til ro og fordybelse.

Ved at give alle brugere et ærinde på alle etager maksimeres antallet af krydsfelter, og visionen om at skabe et kraftcenter får optimale betingelser for succes. Campusens aktiviteter åbner sig op mod byen, så campuspladsen og det indre studieunivers bliver til ét sammenhængende urbant felt.

Projektet indeholder en række bæredygtige tiltag og udføres som et byggeri i Energiklasse 2015. I projekteringsfasen har arkitekter og ingeniører i tæt samarbejde optimeret designet yderligere for at holde fast i det høje ambitionsniveau for bygningens miljømæssige bæredygtighed.

DESIGN MED VIDEN |

45

5.0 Komfort

Kolding, Danmark 13.600 m2 Under opførelse

REFERENCE :

95 kWh/m2/år Projektets referenceramme bygger på standarden for traditionelt byggeri, som den er beskrevet i bygningsreglementet BR08. Det svarer til 95 kWh/m2/år.

Projektets målsætning er Energiklasse 2015 svarende til ca. 42 kWh/m2/år.

REDUCER :

95 kWh/m2/år

88,8 kWh/m2/år

Kontekst Den nye campusbygning ligger i centrum af Kolding langs Kolding Å og tæt på havnen. SDU – Kolding Campus bliver en del af et dynamisk læringsmiljø. Bygningen ligger i ummiddelbar tilknytning til Kolding Kommunes Uddannelsescenter, Designskolen og Handelsskolen.

Placering og orientering SDU – Kolding Campus er placeret i grundens nordøstlige hjørne i tæt kontakt med åen. Bygningen er roteret sådan, at der opstår en solrig central plads mellem campus og åen. Det betyder samtidig, at en direkte nordvendt facade uden solindfald undgås.

Geometri Bygningens trekantede form sikrer en optimal arealudnyttelse. Det store, roterede atrium giver dagslys og udsyn til alle verdenshjørner. Samtidig bruges atriet til supplerende naturlig ventilation og nattekøling.

46 | DESIGN MED VIDEN | KOMFORT | BYGNING

Dagslys Dagslyset i bygningen er en balancekunst mellem store glasarealer og afskærmning af vinduer. Bygningens ovenlys er orienteret og designet, så de skærmer for direkte sollys, eftersom for meget lys kan have negative konsekvenser i form af øgede krav til køling og ventilation. Atriet sikrer optimale dagslysforhold i centrum af bygningen.

Programdistribution Ved at arbejde med forskellige indeklimaer opnår man et godt og differentieret læringsmiljø. I Kolding Campus er der derfor arbejdet med to klimazoner. Undervisningslokaler og administrationen ligger i zonen tættest på facaden, som har et stabilt indeklima. I atriet kan sæsonernes skiften fornemmes. Her er klimaet mere fluktuerende.

Facadedesign Som en del af dagslysstrategien er der udviklet en dynamisk, mobil solafskærmning til facaden. Facaden består af en let konstruktion af bevægelige trekantede elementer, der kan regulere lysindfaldet, og en tungere, højisoleret konstruktion. Facaden har en åbningsgrad på ca. 50 %.

Tunge konstruktioner Kolding Campus er en del af et udviklingsprojekt (se side 135), der undersøger, hvordan betons termiske egenskaber kan forøges, og energiforbruget til opvarmning og køling dermed formindskes. For bedst muligt at kunne udnytte betonens termiske egenskaber blotlægges dækkene, hvor dette er muligt. Dermed udjævnes store udsving i rumtemperaturerne, og indeklimaet forbedres.

DESIGN MED VIDEN |

47

OPTIMER :

88,8 kWh/m2/år

57,9 kWh/m2/år

Belysning Kolding Campus er indrettet med behovsstyret belysning i relation til dagslyset. Der er anvendt energieffektiv LED-belysning i bygningen.

Mekanisk ventilation Der er installeret et mekanisk, behovsstyret VAVventilationsanlæg (Variable Air Volume) med høj nyttevirkning i bygningen. Anlægget er optimeret i forhold til udnyttelse af de termoaktive konstruktioner.

Diffusionsåbne lofter sikrer et lavt tryktab og sparer rørføring og armaturer.

PRODUCER :

57,9 kWh/m2/år

38,4 kWh/m2/år

ATES Et kombineret varme- og kølepumpesystem, der bruger grundvand til at regulere temperaturen i bygningen, er fuldt integreret, så det arbejder sammen med bygningens andre muligheder for fx at bruge udeluften til køling.

Solcelleanlæg Et solceleanlæg på taget producerer elektricitet.

48 | DESIGN MED VIDEN | KOMFORT | BYGNING

I det fem etager høje atrium forskyder trapper og svalegange sig ind over hinanden og skaber en sÌrlig dynamik. Det trekantede motiv gentages i nye kompositioner op gennem de forskellige etager og skaber en stÌrk dialog mellem ude og inde.

DESIGN MED VIDEN |

49

Henning Larsen tegnede oprindeligt Klostermarksskolen i 1960. 50 år senere er skolen blevet renoveret. En ny fremrykket klimaskærm af glas skaber et forbedret indeklima og øget komfort for lærere og elever.

50 | DESIGN MED VIDEN

Case : Klostermarksskolen Klostermarksskolen – et af tegnestuens tidligste projekter og indviet i 1965 – trængte efter 50 års brug til en kærlig hånd. En ny klimaskærm, som er forankret i skolens udtryk, hjælper til at mindske bygningernes energiforbrug.

Som et af sine første projekter vandt Henning Larsen konkurrencen om Klostermarksskolen i 1960.

Efter næsten 50 års brug trængte skolen til at blive renoveret.

Hovedformålet med renoveringen af skolen var at reducere energiforbruget og samtidig opnå et forbedret indeklima, øget velvære og produktivitet blandt lærere og elever. Projektets hovedidé er en ny fremrykket klimaskærm af glas, som udføres, så bygningerne fremstår som svævende volumener og understreger skolens arkitektoniske greb.

Derudover er der designet en overdækning af et fælles gårdrum mellem de to fagfløje, også af glas.

Her er etableret siddetrapper til ophold og adgang til fløjenes undervisningsrum. Glasoverdækningen bidrager til at hæve temperaturen i fagfløjene om

vinteren og forlænger muligheden for udeundervisning forår og efterår.

Energirenoveringen omfatter derudover en udvendig efterisolering af tagene. I den forbindelse er der installeret et nyt, tidssvarende ventilationsanlæg og etableret nye ovenlysvinduer, akustiklofter og dagslysstyret belysning.

Henning Larsens oprindelige projekt fik ros for sit stærke arkitektoniske udtryk, hvis høje kvalitet fastholdes og videreføres i den ny klimaskærm, som danner en både æstetisk og tidssvarende ramme om skolen.

DESIGN MED VIDEN |

51

5.0 Komfort

Roskilde, Danmark 1.000 m2 Gennemført 2012

REFERENCE : Klostermarksskolen var stort set uisoleret, før renoveringen blev gennemført. Beregninger viser, at de enkelte nye bygningsdele hver især overholder de eksisterende krav for bygningernes energibehov, og der er således sket en markant reduktion i bygningens samlede energiforbrug.

REDUCER : Kontekst Klostermarksskolen ligger i et blandet boligkvarter i Roskilde. Skolen blev oprindeligt tegnet af Henning Larsen i 1960 og opført i 1965. Byggeriet, der er opført som industrialiseret montagebyggeri af præfabrikerede betonelementer, består af en særklassefløj mod nordøst og normalklasselænger mod sydvest adskilt af gårdhaver i flere niveauer.

Orientering Den eksisterende bygning er struktureret omkring en vandrehal med undervisningslokaler til den ene side og fagfløje til kreative produktionsfag såsom billedkunst, sløjd, hjemkundskab m.v. til den anden. Bygningen er orienteret diagonalt på verdenshjørnerne.

Geometri Den oprindelige bygningsgeometri, som indgår i ombygningen, består af to undervisningsfløje med et fælles gårdrum mellem sig. Bygningerne havde oprindeligt udkragninger over vinduerne, var minimalt isolerede og opvarmede med et utidssvarende system.

52 | DESIGN MED VIDEN | KOMFORT | BYGNING

Glasoverdækning Der etableres en glasoverdækning af gårdrummet mellem de to undervisningsfløje. Det overdækkede gårdrum holder på bygningernes varmetab gennem vinterhalvåret, og indeklimaet i både bygninger og gårdrum optimeres.

Dagslys Etableringen af glasoverdækningen mellem de to bygninger sikrer en naturlig dagslysmængde i 'uderummet'.

Nye ovenlys og den øgede glasandel i den nye klimaskærm forøger dagslysniveauet i undervisningsfløjene markant.

Ny klimaskærm Den nye, fremrykkede klimaskærm eliminerer kuldebroer ved den eksisterende, eksponerede betonkonstruktion.

Gamle vinduer udskiftes med nye trelags energiruder, hvorved der opnås en væsentlig forbedring af u-værdien.

Efterisolering Tage, gavle og ventilationshuse er blevet efterisoleret op til nutidig standard. Efterisoleringen minimerer bygningernes varmetab og reducerer udgifter til opvarmning.

Ved at flytte selve ventilationsmekanikken til kælderen, hvor der er en konstant temperatur, reduceres også strømforbruget til ventilation.

DESIGN MED VIDEN |

53

OPTIMER : Belysning Der er etableret ny, dagslysstyret belysning i undervisningsfløjene, som sammen med det forøgede dagslysniveau vil nedbringe behovet for elektrisk belysning og forbedre indeklimaet.

Radiatorer I forbindelse med fremrykningen af facaden er der opsat nye radiatorer. Deres placering og dimensionering mindsker kuldenedfald og optimerer opblandingen af luften.

Naturlig ventilation Der er installeret naturlig ventilation med genvinding i det overdækkede uderum. På varme sommerdage kan glasset i tagkonstruktionen åbnes og den varme luft stige til vejrs ud af bygningen. Undertrykket vil så trække frisk, kølig luft fra et skyggelagt område ind i atriet og skabe et behageligt indeklima.

PRODUCER : Vinter

54 | DESIGN MED VIDEN | KOMFORT | BYGNING

Varmefordeling Ved overdækning af gårdrummet er det ved Bsimberegning eftervist, at der opnås et varmetilskud til undervisningslokalerne i vinterhalvåret. Desuden opvarmes rummet mellem bygningerne til en temperatur, som muliggør 'udendørs' undervisning hele året.

Nye ovenlys i en glasoverdækning mellem to bygninger på Klostermarksskolen er med til at forøge dagslysniveauet i undervisningsfløjene markant.

DESIGN MED VIDEN |

55

De offentlige byrum i masterplanen for Västra Dockan i Malmø er placeret og designet på baggrund af studier af mikroklimaet i det gamle industriområde. I baggrunden skimtes planens rygsøjle – et grønt parkforløb, som forbinder byen og havnen.

56 | DESIGN MED VIDEN

5.1 Komfort

Komfort i byen Komforten i byrummet har en meget direkte indflydelse på den måde, en by udvikler sig på. Vind, sol, skygge og dagslys er de markører, der opridser byrummets potentiale som centrum for det levede liv.

Byer konkurrerer om at tiltrække de bedste hjerner og virksomheder og skabe den bedste kulturelle udvikling for at være på forkant med fremtiden. I fremtiden vil ægte metropoler være bæredygtige byer.

en grundig kortlægning af de lokale klimaforhold et nødvendigt udgangspunkt for at kunne modellere byen optimalt og skabe den bedst mulige komfort under de specifikke forhold.

Som for bygninger er klimaforhold et af de grundlæggende præmisser. Klimaet er afgørende for byers udfromning og udvikling. I byen er det især interessant, hvad der sker i mellemrummene mellem bygninger : de tilbageværende zoner, hvor klimaet får plads til at udfolde sig.

Ønsket om komfort betyder, at bygningsmassen skal udformes, så den bruger de givne, lokale klimaforhold som en medspiller. En byplanlægningsstrategi, som tager sit afsæt i sol-, skygge-, vind og dagslysanalyser, skaber optimale komfortforhold. De naturlige ressourcer dirigeres til fordel for byrummet, som med få og enkle virkemidler kan gentænkes.

Det urbane mikroklima kan ikke kontrolleres mekanisk som indeklimaet. Bygningsvolumenerne dikterer de lokale klimazoner, og derfor har planlæggeren et stort ansvar, når der skal laves nye byplaner eller byfornyelse i eksisterende områder. Succeskriteriet for en god plan er gode byrum, og her spiller klimaforhold en hovedrolle.

Brugernes oplevelse, behov og ønsker er omdrejningspunktet for byrummets succes og afgørende parametre for udviklingen af byens identitet. Energiforbruget og byudviklingen er afhængig af brugernes adfærd, og komfortoplevelsen af byrummet afgør byens bæredygtige potentiale.

Brugerens behov og ønsker er omdrejningspunktet for byrummets succes.

Det gode og attraktive byrum går hånd i hånd med komforten. I Nordeuropa er mørke og fugtige kroge bylivets største fjende, mens sol og kontrollerede vindforhold er en magnet for aktivitet. I varme egne, fx Mellemøsten, er skygge og vindens naturlige evne til at ventilere en forudsætning for at kunne færdes udenfor i de varmeste måneder. Derfor er DESIGN MED VIDEN |

57

5.1 Komfort

Malmø, Sverige 80.000 m2 Designår 2008

Case : Västra Dockan Hvordan transformerer man et eksisterende havne- og industriområde til en levende, tæt by med blandede funktioner ? I forslaget til Västra Dockan tog svaret udgangspunkt i en begrønning og kvalificeret aktivering af byrummet.

Projektet for Västra Dockan introducerer en plan, hvor bygningsvolumenerne danner gadeforløb og pladser som i en varieret by i lighed med det centrale Malmø. Udviklingen af området har udgangspunkt i stedets historie, hvor de tætte stræder og store haller inddrages i samspil med et moderne, urbant havnerum med kontorer, butikker, boliger og rekreative arealer.

Planen er udarbejdet med udgangspunkt i en kvantitativ målsætning, som tager forbehold for forskellige designparametre i de mikroklimatiske forhold i byrummet, fx vind og dagslys.

Den kvantitative målsætning struktureres ud fra fire aktivitetskategorier, der er defineret med udgangspunkt i aktivitetsniveauer i byrummet :

58 | DESIGN MED VIDEN | KOMFORT | BY

A – Ophold af længere varighed B – Ophold af kort varighed C – Aktivt ophold D – Gennemgang Västra Dockan arbejder således med et videnskabeligt helhedssyn på byrum og bygninger, som giver helt nye komfort- og energimæssige muligheder. På denne måde kan effekten fra fx skygge fra omgivende bygninger tages med i de mikroklimatiske beregninger, og konsekvensen af vindog dagslysforhold fra de varierende bylandskabelige udformninger kan klarlægges.

Det har i byplanen resulteret i mange forskellige opholdsmuligheder med hvert sit mikroklima.

D

C

B

Gangsti; indgangsparti; indkøbsgade mv.

Gennemgang; objektiv gang; rask eller hurtig gang Parkeringsplads; boulevard; fortov mv.

+ -

-

-

Offentlige parker; legepladser; indkøbsstrøg mv.

+

Aktivt ophold; magelig og normal gang; slentre; spadsere;

Ophold at kort varighed; stående/siddende i kortvarig periode;

-

+

Ophold af længere varighed; rolig position; siddende eller liggende; Terrasse; gadecafe eller restaurant; pool; amfiteater mv.

+

B

Karréens gavle terrasseres mod det grønne indre strøg. Terrasserne skaber lys, ly og mangfoldighed i en menneskelig skala.

A

Kategori for aktivitet i byrummet.

D

C

Den kvantitative målsætning struktureres ud fra 4 aktivitets kategorier, der er defineret med udgangspunkt aktivitetsniveauer i byrummet. De fire klasser be-skriver minimums krav for vind- og sollysniveauet i det givne byrum.

KVANTITATIV MÅLSÆTNING Kategori for aktivitet i byrummet.

Den kvantitative målsætning værdisætter designparametre for de mikroklima-tiske forhold i rummet mellem bygningerne, dvs. (vind, sollys, dagslys mv.). Der tilstræbes værdier, der ikke alene sikrer et højt komfortniveau i byrummet, men også sikrer gode forudsætninger for design af lavenergibebyggelser.

Formålet er, at gøre det udendørs miljø så behageligt som muligt under alle vejrforhold ved udelukkende at benytte passive strategier, dvs. strategier der ikke kræver et øget ressourceforbrug.

B

Karréens længer differentieres vertikalt med udgangspunkt i en naturlig optimering af lyset i byrummet. Samtidigt udvikles der skalahierarkier, der skaber områder med overgange fra lav til høj bebyggelse for at bryde den ensartethed, som et en gennemgående bebyggelsesstruktur ville skabe.

Karréens længer forskydes og vinkles horisontalt, udfra en bearbejdning af byens rumlige forløb samt en optimering af de mikroklimatiske forhold i byrummet.

Den fleksible funktionsbase rummer en kombination af service-, erhvervs- og offentlige funktioner. Basen skaber derved en kobling omkring forskellige sociale, fysiske og økonomiske paradigmer, der er med til at skabe diversitet i byen. Overgangen mellem det private og offentlige rum forskydes fysisk, men på samme gang bibeholdes den visuelle kontakt.

teknisk videnskabeligt syn på byrum og bygninger, der giver helt nye komfort og energimæssige muligheder, fordi effekten fra f.eks. skygge fra omgivende bygninger kan tages med i beregningerne, ligesom konsekvensen af vind- og dagslysforhold fra de varierende bylandskabelige udformninger.

A + Ophold af længere varighed, rolig position, siddende eller liggende

- T errasse, gadecafe eller restaurant, pool, amfiteater mv.

+ Ophold af kort varighed, stående/siddende i kortvarig periode

- Offentlige parker, legepladser, indkøbsstrøg mv.

+ Aktivt ophold, magelig og normal gang slentre, spadsere

- Gangsti, indgangsparti, indkøbsgade mv.

C D

A

Arealanvendelse Den nye bebyggelse er organiseret med udgangspunkt i en kvantitativ målsætning, som omhandler designparametre for de mikroklimatiske forhold i byrummet, fx vind og dagslys. I projektet tilstræbes værdier, der ikke alene sikrer et højt komfortniveau i byrummet, men også gode forudsætninger for design af lavenergibebyggelser.

D + Gennemgang, objektiv gang, rask eller hurtig gang

- Parkeringsplads, boulevard, fortov mv.

Grønt forløb Udgangspunktet for bebyggelsesstrukturen i Västra Dockan er et nyt grønt forløb, som skærer gennem området og forbinder området med de omkringliggende bebyggelser. Adgangen til det grønne skaber økonomisk værdi for bebyggelsen og stor social og sundhedsmæssig værdi for de mennesker, der bor i den.

Typologi Projektet tager udgangspunkt i den nordeuropæiske karréstruktur, som tilpasses bygningens ønskede funktion, sol-/skyggeforhold, m.m. Karréen er valgt, fordi dens gårdrum har et behageligt mikroklima, og fordi den er nem at tilpasse ønsket om at designe med lavenergi.

Tilpasning Karréerne løftes op på en gennemgående base og åbnes op mod det centrale parkforløb, så deres gårdrum visuelt smelter sammen med det grønne i strukturen. Service- og butiksfunktioner placeres i basen og boliger i de øvre etager, hvor der er masser af dagslys. Dagslyset sikres gennem en justering af højderne på karréens 'arme' og en terrassering ind mod parken.

DESIGN MED VIDEN |

59

Riyadh ligger midt i den saudiske ørken, og kravene til byens mikroklima er høje. Det kommende finansdistrikt, King Abdullah Financial District, opføres her, og bydelens geometriske udformning har stor betydning for den gode komfort mellem bygningerne.

60 | DESIGN MED VIDEN

Case : King Abdullah Financial District I et ørkenklima er det en vanskelig udfordring at skabe et komfortabelt mikroklima. Temperaturerne er ekstreme. I det nye finansdistrikt i Saudi-Arabiens hovedstad, Riyadh, er byen optimeret, så temperaturen sænkes mellem bygningerne.

King Abdullah Financial District er den traditionelle arabiske by forenet med en moderne storbymetropol. Hjertet i finansdistriktet er en transformeret imitation af den saudiske wadi, som er et lavtliggende område i ørkenen, der bliver grønt efter regnskyl. I King Abdullah Financial District bliver wadien et evigt grønt, skyggefuldt og rekreativt område med butikker, restauranter og sportsanlæg.

Når det handler om komfort i byen, er Mellemøstens største udfordring at skabe tilpas meget skygge for den bagende sol. Designmæssige tiltag kan hjælpe til at sænke temperaturen i byen.

Finansdistriktet bliver et grønt område med masser af vegetation og vand, der medvirker til at sænke temperaturen.

Gennem en optimering af bygningernes proportioner og ved brug af lette facadematerialer, der holder på fugtigheden, kan den udendørs temperatur sænkes med helt op til 6-8 grader.

Persontransporten foregår i dag udelukkende i egen bil, hvor airconditionen sikrer en behagelig temperatur. Projektet introducerer derfor bl.a. SaudiArabiens første letbane og lukkede gangbroer mellem bygningerne.

Der er udarbejdet en bæredygtig guide for alle byggerier i området, som alle skal energi-certificeres efter LEED-standarden. Der er givet specifikke og detaljerede retningslinjer for bl.a. bygningernes forbrug af vand, energiforbrug, indeklima, påvirkning af mikroklima, materialer og affaldshåndtering.

DESIGN MED VIDEN |

61

5.1 Komfort

Riyadh, Saudi-Arabien 1.600.000 m2 Under opførelse

2.13

2.10 1.10

Arealanvendelse Riyadh ligger i den saudiske ørken, hvor det er så varmt, at indbyggerne foretrækker at køre i bil i stedet for at færdes til fods. Masterplanen tager derfor udgangspunkt i et eksisterende vådområde, hvis kølige mikroklima udnyttes til rekreative arealer og gangzoner.

Mikroklima Byens struktur planlægges med udgangspunkt i det grønne vådområde og formes i en profil, som er højest mod midten og lavest langs kanten. På den måde ledes varme vinde og deraf afledte sandstorme hen over og uden om byen. Det gør byen rar at færdes i og mindsker skader på bydelens bygninger og infrastruktur.

Fortætning Byen er tættest omkring centrum og mindre tæt langs periferien. Den tætte struktur giver masser af skygge og skaber et behageligt mikroklima. Bygningernes geometri sikres ved specifikke retningslinjer for designet på hver enkelt matrikel.

2.13

2.10 1.10

62 | DESIGN MED VIDEN | KOMFORT | BY

Infrastruktur Fortætningen omkring centrum reducerer behovet for biltransport. Saudi-Arabiens første letbane og omkring 100 overdækkede skywalks sikrer en effektiv infrastruktur og reducerer bydelens samlede CO2-forbrug.

Den tætte bystruktur i centrum af finansdistriktet giver masser af skygge og skaber et behageligt mikroklima med god komfort. I dag foregår stort set al persontransport i bil.

DESIGN MED VIDEN |

63

Facaderne på Energinet.dk's nye kontorhus i Ballerup har en lodret og profileret fast solafskærmning, så gener fra direkte solindfald og overtemperaturer i udsatte rum undgås.

64 | DESIGN MED VIDEN

6.0 Programdistribution

Programdistribution Placeringen af bygningens funktioner er en af arkitektens vigtige opgaver. Med nogle få bæredygtige værktøjer er det muligt at skabe et design, der tager højde for såvel flow og indeklima som energieffektivitet og arkitektonisk identitet.

For at forstå det byggede miljøs potentiale skifter designeren fra skala til skala i en iterativ proces. Et af de virkemidler, som breder sig over flere skalaer er programdistributionen, dvs. placeringen af forskellige funktioner i en bygning. Intelligente planløsninger, hvor funktionerne samles i enheder og sammensættes med øje for behov og ressourcer, er nøglen til at sikre værdien af en bygning.

Kunsten består i at finde en balance mellem en flydende og en låst programdistribution. En veldefineret fordeling af funktionerne giver en række fordele, som er afgørende for et energioptimeret design. En effektiv strategi til at opnå begge dele er zonering. Zoneringen samler funktionerne i mindre enheder og placerer dem, så synergien er optimal.

Bygningen skal fungere både i zoner og som helhed.

Et godt hus er tænkt indefra, hvilket giver glade brugere.

En robust grunddisponering af funktionerne sikrer en effektiv udnyttelse af kvadratmetrene. Spildplads undgås, og det kommer både brugermønstre og energiforbrug til gode. Det er både et økonomisk og et miljømæssigt incitament, fordi bygherren sparer penge til materialer og energi. Hvis funktionerne organiseres i en matrix af enheder, kan man opnå en fleksibilitet, der forlænger bygningens levetid. En fleksibel programdistribution

fremtidssikrer byggeriet, fordi det så er født med et potentiale til at favne nye brugere.

Hvis distributionen af funktionerne ikke er tænkt grundigt igennem, kan det skabe store problemer for indeklimaet og energiforbruget. Hvis funktionerne placeres uden tanke for fx solvarme, risikerer man overophedede rum. De høje temperaturer og risikoen for blænding nedsætter velbefindende og effektivitet blandt husets brugere og koster både energi og penge at regulere mekanisk ved hjælp af ventilation, køling og fordyrende automatiske solafskærmninger, der ruller ned, når solen skinner, og brugeren ønsker at kigge ud.

Zoneringen giver mulighed for at tilpasse installationer til de forskellige funktioners behov, og på den måde er programdistributionen ikke kun et spørgsmål om fleksibilitet, men også et middel til at optimere komfortforholdene. Program-distributionens evne til at dække flere skalaer påvirker bygningens overordnede flow og langsigtede tilpasningsevne.

Programdistributionen er en vigtig pointe i husets identitet. Et godt hus udnytter konteksten til at skabe bl.a. et godt indeklima.

DESIGN MED VIDEN |

65

Selvom Energinet.dk's kontorhus i Ballerup er et kompakt kontorbyggeri, strømmer dagslyset uhindret ind i bygningens midte. Der er arbejdet med øgede rumhøjder og bygningens selvskygge for at sikre optimale dagslys-, sol- og skyggeforhold.

66 | DESIGN MED VIDEN

Case : Kontorhus til Energinet.dk Kontorhuset til Energinet.dk’s medarbejdere i Ballerup er et ægte lavenergihus, der udelukkende ved hjælp af design og optimering af husets geometri opfylder den ønskede målsætning om et lavt energiforbrug.

Bygningen er på 4.000 m2, og et enkelt arkitektonisk greb gør huset fleksibelt og let at overskue. Det består kort og godt af tre elementer : møde-faciliteter, atrium og arbejdspladser. Mødefaciliteterne er placeret i det nederste plan med uhindret kig ud i landskabet. Det er også her, medarbejdere og gæster ankommer til huset.

Atriet er husets åbne og aktive samlingspunkt. Herfra kan man via den store, centrale trappe komme op til arbejdspladserne på første sal.

Bygningen har grønt tag, der tjener flere bæredygtige formål. Det grønne tag reducerer gennem forsinkelse og fordampning belastningen på det offentlige kloaksystem. Derudover benyttes det opsamlede regnvand til toiletskyl og havevanding,

hvilket er med til at nedsætte det samlede køleforbrug.

En del af den miljømæssige målsætning for projektet har været at sikre en høj grad af fleksibilitet i indretningen. Det åbne plan på første sal, de lette vægge og enkle og genanvendelige elementer gør, at det vil være nemt og problemfrit at ændre indretningen i fremtiden.

Da bygningen blev designet, blev den laveste energiklasse nået alene gennem en optimering af designet.

DESIGN MED VIDEN |

67

6.0 Programdistribution

Ballerup, Danmark 4.000 m2 Opført 2011

Reference :

95 kWh/m2/år Projektets referenceramme bygger på standarden for traditionelt byggeri, som den er beskrevet i bygningsreglementet BR08. Det svarer til 95 kWh/m2/år.

Projektets målsætning svarer til energikravene, som de er beskrevet i BR08, altså ca. 52 kWh/m2/år.

REDUCER :

95 kWh/m2/år

62,9 kWh/m2/år

Kontekst Bygningen ligger ugeneret på en bakketop i et industrikvarter med spredt bebyggelse. Det har givet ultimativ frihed i forhold til placering, orientering og geometri.

Orientering og placering Bygningen er placeret sydligt på grunden. Den er roteret, så den ligger diagonalt på verdenshjørnerne. På den måde undgås det, at hele facader vender stik øst eller syd, som er de særligt udsatte retninger i forhold til direkte sollys.

Geometri Bygningens kompakte geometri minimerer både varmetab og materialeforbrug. Etagernes rumhøjde er øget i forhold til gennemsnittet, hvilket gør det lettere for sollyset at trænge helt ind i bygningen.

68 | DESIGN MED VIDEN | PROGRAMDISTRIBUTION | BYGNING

Dagslys Bygningen oplyses af dagslys fra de store glasfacader såvel som af ovenlyset og atriet. Bygningens øverste etage har en udkragning, så den nederste etage ligger i selvskygge i sommerhalvåret, og energiforbruget til køling reduceres.

Programdistribution Funktioner, som ikke kræver længerevarende ophold, såsom mødelokaler, bibliotek etc., er placeret mod syd og øst. De faste arbejdspladser er placeret mod nordvest og -øst. På den måde skabes mindre forskel mellem interne og eksterne temperaturer, og behovet for mekanisk køling mindskes.

Facadedesign Bygningens tætte facader har en lodret og profileret fast solafskærmning, så gener fra direkte solindfald og overtemperaturer i udsatte rum undgås. Afskærmningen er designet efter solen. Den er dybest foroven, hvor solen står højst – mod syd og øst – og smallest, hvor lyset skal have optimale muligheder for at finde ind i bygningen.

Tunge konstruktioner Ved at udnytte betonens evne til at optage varme og kulde fra omgivelserne udjævnes store udsving i rumtemperaturerne. På den måde forbedres indeklimaet og energibalancen.

DESIGN MED VIDEN |

69

OPTIMER :

62,9 kWh/m2/år

48,6 kWh/m2/år

Mekanisk ventilation Der er installeret et mekanisk ventilationsanlæg med høj nyttevirkning i bygningen. Det bidrager til en konstant indetemperatur på 21-22 ºC hele året. Anlægget er symmetrisk og har overdimensionerede rørstørrelser, hvilket mindsker tryktabet betragteligt.

Opvarmning/nedkøling Der er udgravet kanaler i jorden under bygningen til udnyttelse af jordens naturlige temperatur til henholdsvis opvarmning og nedkøling af frisk luft.

PRODUCER :

48,6 kWh/m2/år

Ingen Det var ambitionen med projektet at leve op til standarden for BR08 svarende til ca. 52 kWh/m2/år. Målet er således opnået alene gennem energireducerende og -optimerende tiltag.

70 | DESIGN MED VIDEN | PROGRAMDISTRIBUTION | BYGNING

Kontorhuset til Energinet.dk oplyses af dagslys fra facaden, mindre ovenlys og atriets store ovenlys.

Funktioner, der ikke fordrer lÌngerevarende ophold som eksempelvis mødelokaler, er placeret langs facaderne, hvor udsvinget i rumtemperaturen er størst.

DESIGN MED VIDEN |

71

Det nye globale hovedsæde for Siemens i München er disponeret omkring en vertikal rygrad, som binder hele strukturen sammen. Bygningen fungerer i tæt interaktion med byen og skaber en række offentligt tilgængelige byrum i gadeplan.

72 | DESIGN MED VIDEN

Case : Siemens HQ Siemens’ nye hovedsæde er en urban komposition af pladser, gårdrum og stræder, der i et genkendeligt forløb digter videre på byens topografi og skaber et helt nyt, levende kvarter i byen, som er tilgængeligt for alle.

I det banebrydende kontorbyggeri forenes virksomheden Siemens og München i en harmonisk helhed. Hvor kontorbyggerier de seneste årtier har haft tendens til at isolere sig uden for byerne, placerer Siemens sig i forlængelse af byens historiske del og åbner som konsekvens gadeplanet for lokalsamfundet. Den offentlige adgang skaber et kontinuerligt flow af gæster og passerende gennem bygningen, der signalerer, at det 21. århundredes hovedsæde er gæstfrit og vedkommende.

Bygningen består af seks rektangulære, afrundede former, som er forbundet af en central, vertikal ryg, der løber gennem hele bygningskroppen. Strukturen skaber seks offentligt tilgængelige gårdrum, der er direkte forbundet med den omkringliggende by og kan udforskes af gående.

Hjertet i Siemens’ nye hovedsæde er atriet, der er placeret midt i bygningen, med adgang fra all sider.

Atriet er Siemens’ hovedindgang.

Siemens har med designet af deres nye hovedsæde ønsket at markere sig med et spydspidsprojekt for bæredygtigt design i en urban kontekst. Projektet sigter mod at overgå kendte standarder inden for grønt byggeri som DGNB Gold og LEED Platinum.

Bygningen anvender den nyeste energi- og klimateknologi produceret af Siemens og er således også en demonstration af virksomhedens produkter.

DESIGN MED VIDEN |

73

6.0 Programdistribution

München, Tyskland 45.000 m2 Under opførelse

REFERENCE :

128,8 kWh/m2/år Projektet tager udgangspunkt i tyske standarder for traditionelt byggeri. Det svarer til 128,8 kWh/m2/år.

Projektet sigter mod at overgå certificeringerne for grønt byggeri , DGNB Gold og LEED Platinum.

REDUCER :

128,8 kWh/m2/år

96,1 kWh/m2/år

Kontekst Siemens' nye hovedkvarter ligger på kanten af den gamle bykerne i München. En stor del af en eksisterende karré rives ned og giver plads til det nye hus, som med sin offentlige forbindelse på tværs af bygningen skal skabe sammenhæng mellem museumskvarteret mod nordvest og den gamle bykerne mod øst og sydøst.

Placering og orientering Siemens-projektet bevarer to af den eksisterende karrés bygninger, hvoraf én er fredet. De to bygninger, der tilsammen former et hjørne på en af byens pladser, renoveres og integreres fuldstændigt i det nye design.

Det er bevægelsen fra pladsen og diagonalt gennem bygningen, der ønskes styrket.

Geometri Byggeriets geometri er defineret af grundens størrelse og form. Grundet funktionskrav og bygningens totale dybde opstår der nogle særlige rumforhold i bygningsmassen.

Dagslysstrategien redegør derfor for, hvordan bygningsdybderne på op til 18 meter og de smalle gårdrum kan kompenseres i forhold til dagslys.

74 | DESIGN MED VIDEN | PROGRAMDISTRIBUTION | BYGNING

Dagslys Som kompensation for de dybe bygningsdybder og de smalle gårdrum er facaderne i gårdene vinklet med 5o, så solens stråler bedre kan trænge ned til bygningens nederste etager. Den lyse og matte facadebelædning hjælper til at disitribuere dagslyset i bygningen.

Facadedesign Facadedesignet har, foruden sin æstetiske funktion, en hovedrolle i bygningens samlede dagslysstrategi.

Dens specialdesignede lameller (helostater) reflekterer dagslyset ind i kontorarealerne og reducerer energiforbruget til kunstig belysning. Indvendig solafskærmning modvirker blænding ved skærmarbejde, hvor dette er nødvendigt.

Zonering For at München skal blive en del af Siemens og Siemens en del af München, er der etableret offentlig adgang til de fleste rum både ude og inde i gadeniveau, ligesom der er etableret en offentlig gangforbindelse tværs gennem bygningen. Den traditionelle medarbejderkantine gentænkes i projektet som en offentligt tilgængelig restaurant.

Termoaktive konstruktioner I Siemens' hovedkvarter udnyttes ikke bare betonens evne til at lagre varme eller kulde. Vandførende slanger, som kobles på et geotermisk anlæg, støbes ind i betondækkene og reducerer energiforbruget til opvarmning og køling yderligere.

DESIGN MED VIDEN |

75

OPTIMER :

96,1 kWh/m2/år

66,5 kWh/m2/år

Automatisering Elektriske installationer som lys og ventilation er automatiserede og behovsstyrede. På denne måde undgår man at bruge unødige ressourcer på opvarmning og minimerer risikoen for fejlagtig brug.,

Mekanisk ventilation Der er installeret et mekanisk VAV-ventilationsanlæg (Variable Air Volume) med den nyeste teknologi og højeste nyttevirkning i bygningen. Anlægget varierer luftstrømmen efter det aktuelle behov og styres ved hjælp af trykfølere i hovedkanalerne for henholdvis indblæsning og udsugning.

PRODUCER :

66,5 kWh/m2/år

46,1 kWh/m2/år

Solcelleanlæg Der er installeret et state-of-the-art solcelleanlæg på taget af bygningen fra Siemens' eget produktkatalog.

Solcellerne bidrager at reducere det samlede energiforbrug.

76 | DESIGN MED VIDEN | PROGRAMDISTRIBUTION | BYGNING

Siemens' nye hovedsæde ligger i centrum af München. Stort set hele bygningens stueetage er åben for offentligheden, og dens mange gårdrum indrettes som en opfordring til ophold og social interaktion mellem medarbejdere og besøgende.

DESIGN MED VIDEN |

77

Den sociale bæredygtighed er højt vægtet i Thomas B. Thriges Gade-forslaget. Her sikrer fokus på planlægning af byens offentlige rum og bebyggelser, og at lokalt borgerengagement, sundhed og mobilitet blandt stedets brugere tilgodeses.

78 | DESIGN MED VIDEN

6.1 Programdistribution

Programdistribution i byen Et godt byrum tiltrækker indbyggere og turister og giver et solidt afsæt for byens udvikling. Programdistribution er derfor en vigtig strategi til at opnå den urbane dynamik, som er et vigtigt led i den økonomiske og sociale bæredygtighed.

Vi er i disse år vidne til en historisk stor urbanisering. Byerne vokser ekspansivt. Én af faktorerne er byens mange tilbud, hvor jobmuligheder kombineres med en bred vifte af kulturelle institutioner og udfoldelsesmuligheder. Byens dynamik sikres ved en bevidst programdistribution, hvor eksisterende forhold afstemmes med nye behov.

Det handler om at give byen identitet – både udadtil og indadtil. Udadtil skal byen udmærke sig i forhold til andre byer, mens den indadtil skal sikre en mangefacetteret identitet, der skaber dynamik. Derfor skal infrastruktur, grønne områder og funktioner fordeles i overensstemmelse med indbyggernes brug af byen.

Ethvert projekt er unikt, fordi rammen – byens andre kvarterer og etablerede infrastruktur – er givet på forhånd. Hvis funktionerne placeres med øje for brugermønstrene, kan nye bydele ændre hele byens dynamik.

ninger, men man kan med fordel tænke på, hvilke segmenter, der allerede bruger byen, og med det in mente implementere funktioner, som finder brugere i de eksisterende segmenter.

Fordelingen af funktioner er en vigtig faktor, når det drejer sig om at udnytte de klimatiske funktioner. Dagslys, vind og solvarme er med til at definere, hvor funktionerne skal ligge. På den måde kan energiforbruget reduceres markant i de bygninger, der danner byens gader og pladser, idet eksempelvis passiv solvarme kan bruges til opvarmning af boliger. Byens identitet og klimaforhold kan altså aflæses i programdistributionen.

I byen er bygningernes hovedgeometri ofte låst i lokal- og kommuneplaner. Derfor er det ikke altid muligt at skabe det optimale energidesign for en bygning. Ved at planlægge områder med øje for de enkelte bygningers funktion, fremtidigt energiforbrug og byens rum kan man opnå et både-og frem for et enten-eller.

E thvert projekt er unikt, fordi rammen – byens kvarterer og etablerede infrastruktur – er givet på forhånd.

Synergien mellem de forskellige funktioner skal udnyttes optimalt. Det kan enten være som kontrast eller som nuancering af den samme funktionstype.

Kontorer og caféer er ikke nødvendigvis modsætDESIGN MED VIDEN |

79

6.1 Programdistribution

Odense, Danmark 50.000 m2 Designår 2011

Case : Thomas B. Thriges Gade Projektet for Thomas B. Thriges Gade i Odense har en enkel vision om at lade et rum, der er designet til biler, blive til nye rum til mennesker. En vision, der forbinder byen på tværs og genskaber et sammenhængende bycenter i Odense.

Konkurrenceforslaget bygger på fem nye forbindelser, der skal binde Odense centrum sammen på tværs af den gamle hovedfærdselsåre. De fem forbindelser har hver et byrum, som understøtter forbindelsens karakter og funktion. Byrummene skal hver især definere begivenheder og rekreative kvaliteter i det nye byområde og fungere som en bærende fælles identitet for fremtidens centrale Odense.

Projektet byder på byoplevelser på flere niveauer.

Der er arbejdet med cirkler på alle pladserne, så der skabes dynamik, identitet og genkendelighed i designet. De runde former er hver især forskellige ; nogle er huller, bakker eller flade elementer, der kan bruges til at sidde og ligge på eller stå op af, og andre skaber oplevelsesmæssige kig op eller ned til andre niveauer.

80 | DESIGN MED VIDEN | PROGRAMDISTRIBUTION | BY

Inspireret af brugen af tegl i mange af Odenses andre offentlige uderum bruger alle byrum forskellige typer, farver og mønstre af teglklinker som grundbelægning.

Persontransport er nøgleordet i projektets bæredygtighedsstrategi. Eftersom udgangspunktet for masterplanen er en nul-biltrafik-politik, anlægges der en helt ny infrastruktur med alternative befordringstilbud. En letbane, en eksprescykelsti, et cykel-loop og en minibus er nogle af de tiltag, der skal få bilerne væk fra centrum og atter sætte den menneskelige aktivitet i fokus.

Den opdelte by Anlæggelsen af Thomas B. Thriges Gade i 1960'erne medførte, at mange af Odenses funktioner og attraktioner blev separeret. Byens centrum forsvandt, og pladser som Albani Torv – hvorfra byen oprindeligt voksede – gik fra at være en attraktiv plads til at blive et rent trafikrum, som ikke tager hensyn til det enkelte menneske.

>>

Odense centrum med vigtige offentlige bygninger i dag opdelt af Thomas B. Thriges Gade.

Byen forbindes, så de to dele bliver éen.

Parkstrøget

Fem forbindelser De fem integrerede ruter i projektforslaget er hver især tematiseret omkring de kulturfunktioner og attraktorer, der allerede findes i byen, og som de nye forløb binder sammen. Hvor der er krydsende gader, opstår der nu forbindelser med forskellige typer af aktiviteter og muligheder for tilfældige møder.

Kulturforbindelsen Torveforbindelsen Strøgforbindelsen Kirkeforbindelsen

TEMAER

de to dele bliver éen.

De fem forbindelser tematiseres.

De fem forbindelser tematiseres.

Letbanestop Letbane Stationær udvikling Eksprescykelsti Citybus Cykelrute

Banegårdsplads

Infrastruktur Med Thomas B. Thriges Gade-projektet bliver Odenses centrum givet tilbage til fodgængerne. Den nye infrastruktur med letbane, eksprescykelsti, cykelloop og minibus forbinder Odense centrum med de omkringliggende områder og skaber grundlag for en bæredygtig infrastruktur.

Den Røde Løber

Kongens Have

H.C. Andersens Torv

Sortebrødre Torv

H.C. Andersens Plads

e

ad

erg

Ov

ade

de

erg

Ov

Fisketorvet

rga

Ove

I. Vilh. Werners Plads

Gråbrødre Plads

e

de rga ste VeFlakhaven

ad

terg

s Ve

ade

erg

st Ve

Albani Torv

Klingenberg

Banegårdsplads

01. INTEGREREDE RUTER Den Røde Løber Kongens Have

H.C. Andersens Torv

De fem byrum De fem forbindelser Primær pladsdannelse 02. MANGFOLDIGE BYRUM Sekundær pladsdannelse Landskab Mangfoldighed Vigtige bygninger

Sortebrødre Torv

H.C. Andersens Plads

de

ga

UTER

ade

rga

Ove

Fisketorvet I. Vilh. Werners Plads

Gråbrødre Plads

de rga ste VeFlakhaven

ade

erg

Albani Torv

Klingenberg

02. MANGFOLDIGE BYRUM

Rummene mellem bygningerne indbefatter en blanding af byfunktioner, kulturelle aktiviteter og attraktive byrum, boligtyper, størrelser og ejertyper spredt ud over området samt integration af offentlige og udadvendte stueetager placeret centrale steder i planen. De mange forskellige, programmer skaber grundlag for et mangfoldigt byliv. de

erg

Ov

03. RUMDANNENDE BEBYGGELSE

st Ve

03. RUMDANNENDE BEBYGGELSE

DESIGN MED VIDEN |

81

Tårnbygningen i forslaget til det nye stationsområde i Carlsbergbyen er udformet, så vinden ledes væk fra gang- og opholdszoner. Den facetterede facade fanger lyset på forskellige måder, så de enkelte tårnboliger har dagslys i længere tid end normalt.

82 | DESIGN MED VIDEN

Case : Carlsberg Stationsområde Det nye stationsområde i Carlsbergbyen skal omdannes fra industrielt område til et nyt og levende bykvarter i København. Konkurrenceprojektet omfatter ud over en helhedsplan også undervisningsbyggeri, boliger og butikker, caféer og erhverv.

Opgaven for det nye stationsområde i Carlsbergbyen går på at distribuere nogle funktioner i et allerede givent bygningsvolumen. Heriblandt proffesionshøjskolen UCC, boliger, butikker, caféer og erhverv. Dagslys er en vigtig faktor i planlægningen af området, så alle programmer tilgodeses med optimale betingelser for god komfort.

Rundt langs bydelens pladser er de nederste bygningsetager udført i mørke farver, der holder på varmen fra sollyset. De øvre facader er lyse, så de åbner byrummet og reflekterer sollyset ned i byrummet og over til bygningerne overfor.

De enkelte bygninger og byrum får deres egen selvstændige karakter og forbindes af gader, der løber som fortættede passager mellem pladserne.

Tårnbygningen, der vil stå som et vartegn for området, er udformet, så vinden omkring tårnet ledes væk fra gang- og opholdszoner. Facaden er facetteret og fanger lyset på forskellige måder, så de enkelte tårnboliger har dagslys i længere tid end normalt.

Det overordnede koncept har været at skabe et bykvarter i menneskelig skala, hvor der lægges vægt på gode opholdszoner, lys, stoflighed og oplevelse.

Ved at arbejde med ’forskydninger’ i både plan og snit skabes en levende organisme, der varierer bygningernes skala og dimensioner og byder på en rig variation af nyt og gammelt, højt og lavt, dybt og smalt, mørkt og lyst, åbent og fortættet.

DESIGN MED VIDEN |

83

6.1 Programdistribution

København, Danmark 80.000 m2 Designår 2011

Nedbrydning af volumen har direkte påvirkning af varme/ solstråling på Campuspladsen

Udgangspunkt for Masterplanen

Bearbejdet Masterplanen

>>

>> >>

Udgangspunkt for Masterplanen

Insolation Analysis

Wh 1540+

1410 1280 1150 1020

>>

>>

Avg. Daily Radiation Contour Range: 240 - 1540 Wh In Steps of: 130 Wh

Bearbejdet Masterplanen Wh 1540+

1410 1280 1150 1020

890

890

760

760

630

630

500

500

370

370

240

240

1025 Wh

Solindstråling, kl. 08-18, gen. dagsværdier

Insolation Analysis

Wh

Wh

1540+

1540+

Avg. Daily Radiation

1410

1410

Contour Range: 240 - 1540 Wh In Steps of: 130 Wh

1280

1280

1150

1150

1020

1020

890

890

760

760

630

630

500

500

370

370

240

240

10 Average Value: 538.60 Wh Visible Nodes: 3082

Solindstråling, kl. 08-18, gen. dagsværdier

Geometri Projektet tager udgangspunkt i en given masse, som den er planlagt i den oprindelige masterplan for Carlsberg. Bygningsmassen gennemskæres og åbnes op, så dagslyset får optimale betingelser for at trænge ned i bebyggelsen. Forskydninger i højden skaber en levende og dynamisk bydel.

1025 Wh

10 Average Value: 538.60 Wh Visible Nodes: 3082

Programmering Den oprindelige masterplan er kendetegnet ved en gruppering af vertikale, forskudte volumener. Men i stedet for at inddele karréen i vertikale funktionsenheder, planlægges de øvrige funktioner omkring professionshøjskolen UCC, som anlægges i førstesals niveau som en horisontal loggia, der formidler overgangen til og fra byens pladser. Det skaber mere dynamik i karréen dagen igennem.

Dagslys Den geometriske forskydning af bygningsvolumenerne sikrer, at vinduerne i bebyggelsen har størst muligt himmeludsnit og dermed uhindret dagslysadgang. De vinklede og brudte facader bryder endvidere lyset og giver et tidsmæssigt og oplevelsesrigt spil. Som led i energioptimeringen arbejdes der med vinduernes størrelse og orientering.

Materialer Facaderne i bebyggelsen bruges aktivt til at reflektere og fordele lyset til omgivelserne. Alle facaderne har derfor en mørk base, som bliver lysere opefter. De lyse materialer reflekterer mest muligt lys ned i gaderummet. De mørke materialer absorberer varmen fra lyset og skaber et komfortabelt mikroklima mellem bygningerne.

84 | DESIGN MED VIDEN | PROGRAMDISTRIBUTION | BY

Forslaget til Carlsberg Stationsområde baserer sig på den nyeste forskning i bæredygtighed på både bygnings- og masterplanniveau. Den vidensbaserede tilgang har været styrende for hele planens design.

DESIGN MED VIDEN |

85

Dagslyset er en gratis ressource, som kan skabe værdi både økonomisk og arkitektonisk. Det er derfor et eksempel på et virkemiddel, der favner både den sansede oplevelse og de hårde facts.

86 | DESIGN MED VIDEN

7.0 Dagslys

Dagslys Dagslys er en grundpræmis. Arkitektur er balancen mellem rum og lys, og dagslyset er det stærkeste virkemiddel til at skabe værdi for arkitekturen. Det har stor betydning for vores sundhed og trivsel – og for energiforbruget.

Når man arbejder med lys i en arkitektonisk kontekst, er man nødt til at skelne mellem sollyset og dagslyset. Sollyset er den simple faktor i regnestykket.

Solstrålingen, der rammer jordens overflade, kan opdeles i den direkte solstråling fra solen og den diffuse himmelstråling. Den høje intensitet i sollyset skaber store kontraster og et livligt lys på rummets flader, men kan også give anledning til generende blænding og overtemperaturer.

Den diffuse himmelstråling er det lys, der kan registreres ved en overskyet himmel. Det består af lys fra himmelhvælvingen og det reflekterede lys fra overflader i det fri. Luminansfordelingen for en overskyet himmel er fuldstændig ensartet, hvorfor dagslyset for en overskyet himmel ofte bruges som mål for lyskvaliteten i en bygning. Det diffuse lys er ikke afhængigt af bygningens orientering.

Den reflekterede stråling kan stamme fra både sollyset og dagslyset. Alle flader, der rammes af lys, vil kaste en vis del tilbage. Det tilbagekastede lys afhænger af fladens vinkel ift. lysindfaldet, og hvor blank og lys fladen er.

ikke alene geografisk, over døgnet og årstiden, men også fra det ene øjeblik til det andet, både lokalt på himlen og lokalt i rummet.

Forskningen viser klart, at dagslysets potentiale er stort. Hvis det tænkes med rent energimæssigt og udnyttes med omtanke og viden kan det give store gevinster for trivsel, sundhed, energi og økonomi.

Investeringer i dagslys giver et stort afkast i form af markante reduktioner på energiforbrug og CO2udledning.

Dagslyset bliver ofte beskrevet som en blød kvalitet og forudsætning for god arkitektur. Men det har flere facetter.

Energiforbruget til kunstig belysning reduceres ved gode dagslysforhold. Brugsarealet kan udvides, hvis dagslyset er fordelt ordentligt i bygningen.

Dagslyset er en gratis ressource, som kan skabe værdi på mange parametre. Det er et virkemiddel, der favner både den sansede oplevelse og energibesparelser.

Dagslyset er en mere kompliceret størrelse. Det er sammensat af de tre bidrag : direkte stråling fra solen, diffus himmelstråling og reflekteret stråling fra jord og omgivelser. Dagslyset er altså en kompleks og meget dynamisk størrelse. Det varierer DESIGN MED VIDEN |

87

Umeå Arkitektskole har et enkelt og smukt ydre og et dynamisk og varieret indre. Facadens tre hulstørrelser sikrer stor variation i dagslysets styrke og retning og gør, at huset fremstår lyst og venligt.

88 | DESIGN MED VIDEN

Case : Umeå Arkitektskole Umeå Arkitektskole er unikt placeret ved Umeå-elvens bred i det nordlige Sverige – kun få kilometer fra polarcirklen. Med sit indre landskab af åbne planer og skulpturelt udformede trapper emmer huset af kreativitet og kunstnerisk leg.

Som væksthus for fremtidens arkitektur skal Arkitektskolen i Umeå sætte rammerne for inspiration og innovation. Udefra fremstår bygningen kubisk med facader af lærketræ og kvadratiske vinduer i et varieret, rytmisk forløb på alle sider. Bygningens indre er udformet som et dynamisk forløb af trapper og forskudte, åbne planer, hvor abstrakte, hvide bokse hænger frit ned fra loftet og filtrerer lyset fra de høje ovenlys.

Det har været et centralt fokus på at skabe et lyst og åbent studiemiljø, hvor alle bliver en del af det samme rum – dog adskilt af de forskudte niveauer og undervisningsrummenes glasvægge. Hermed understøttes mulighederne for gensidig inspiration og for, at de studerende kan udvikle viden og idéer i tæt kontakt med hinanden.

I kontrast til det dynamiske atrium fremstår tegnesalene enkle og rationelle. Disse er fordelt langs husets facader i et stramt og ensartet forløb af søjler og bjælker. Det afvekslende mønster af vindueshuller skaber en stærk visuel effekt og lader generøst lyset bevæge sig langt ind i bygningen samtidig med, at der tilbydes berigende kig ud på den forbipasserende elv.

Bygningen har et meget transparent udtryk, trods sin lave åbningsgrad på kun 30 %. Det skyldes de tre vinduesstørrelser og deres fordeling over facaden, som skaber det bedst mulige dagslys.

DESIGN MED VIDEN |

89

7.0 Dagslys

Umeå, Sverige 5.000 m2 Opført 2011

Reference :

160 kWh/m2/år

Projektet tager udgangspunkt i svenske standarder for traditionelt byggeri. Det svarer til 160 kWh/m2/år.

REDUCER :

160 kWh/m2/år

110 kWh/m2/år

Kontekst Umeå Arkitektskole ligger i en bynær kontekst på kanten af Umeå-elven. Umeå ligger lige syd for polarcirklen. Det betyder store temperaturforskelle og forskelle i dagslysniveauet afhængig af, om det er sommer eller vinter.

Placering og orientering Arkitektskolen er orienteret parallelt med byens struktur, som består af ortogonale tern. Den er placeret frit på grunden i samspil med et nyt kunstmuseum og en designhøjskole.

Geometri Det kvadrate, præcise volumen er kompakt med en glat yderside. Geometrien undersøger og udfordrer, hvor enkelt facaden kan udføres, samtidig med at et varieret bygningsinteriør bevares.

90 | DESIGN MED VIDEN | DAGSLYS | BYGNING

Dagslys Bygningens atrium og den øgede etagehøjde på 3,6 meter i frihøjde sikrer, at bygningen kan gennemlyses af dagslys. Bygningens atrium står i skarp kontrast til den ydre facade og fremstår som et lysarmatur i sig selv. Bygningen har en gennemsnitlig dagslysfaktor (DF) på 3 %.

Facadedesign Der er arbejdet med tre hulstørrelser i facadedesignet.

Facaden perforeres med 30 % fordelt over tre vinduesbånd pr. etage. De tre hulstørrelser skaber stor variation såvel nede som i midten og øverst på hver etage.

Tunge konstruktioner I Umeå Arkitektskole blotlægges betondækkene, hvor dette er muligt, for bedst muligt at kunne udnytte betonens evne til at lagre varme eller kulde. Det udjævner store udsving i rumtemperaturerne og forbedrer dermed indeklimaet.

Materialer Råhuset og facaden er hovedsageligt fremstillet af præfabrikerede elementer, hvilket forkorter og forenkler byggefasen. Der er anvendt bæredygtige materialer i form af robuste og vedligeholdelsesfrie produkter, der patinerer naturligt i hele bygningen.

DESIGN MED VIDEN |

91

OPTIMER :

110 kWh/m2/år

100 kWh/m2/år

Ventilation Der er installeret et mekanisk ventilationsanlæg med høj nyttevirkning, højeffektive varmevekslere og varmegenvinding i huset. Anlægget er placeret centralt, hvilket resulterer i korte føringsveje og færre rørmeter.

PRODUCER :

100 kWh/m2/år

Ingen Det var projektets ambition at skabe et bæredygtigt institutionsbyggeri med lokale materialer med lang levetid, et minimum af overfladebehandling og et minimeret materialeforbrug. Målet blev nået alene gennem energireducerende og -optimerende tiltag.

92 | DESIGN MED VIDEN | DAGSLYS | BYGNING

Den åbne plan gør, at studerende og undervisere på Umeå Arkitektskole befinder sig i samme rum kun adskilt af forskudte niveauer. De åbne rumligheder bruges som inspiration i undervisningen.

DESIGN MED VIDEN |

93

Campus Roskilde består af fire kvadratiske bygninger, der er roteret let i forhold til hinanden, så de danner en bue. Bygningernes forskudte placering er med til at optimere det samlede energiforbrug og gør byggeriet fleksibelt ift. mulige fremtidige udvidelser.

94 | DESIGN MED VIDEN

Case : Campus Roskilde Med Campus Roskilde samler University College Sjælland sine professionsbacheloruddannelser, der spænder fra de pædagog- og socialfaglige til sundheds- og lærerfaglige områder.

Den nye campus, som ligger i umiddelbar tilknytning til Roskildes Universitet (RUC), vil fremme dialogen og give de studerende fra de forskellige fagområder oplevelsen af at være del af et samlet og mangfoldigt universitetsmiljø, der slår med en fælles puls.

Campus Roskilde består af fire kvadratiske bygninger på i alt 20.000 m2. De fire bygninger er roteret let i forhold til hinanden, så de danner en bue. På indersiden af buen, som vender ind mod RUC, er der skabt en overdækket torveplads, der skaber liv og samling blandt de studerende.

cering er med til at optimere det samlede energiforbrug og gøre byggeriet fleksibelt i forhold til eventuelle fremtidige udvidelser.

Campus Roskilde sætter på flere måder dagsordenen for fremtidens uddannelsesmiljøer, bl.a. i kraft af sin fleksibilitet og sine muligheder for flerfaglige arktiviteter.

Bygningerne åbner sig samtidig mod solen, så de på forskellige tidspunkter af dagen får mest mulig glæde af dagslyset. Samtidig skærmer de også mod støjen fra motorvejen. Bygningernes forskudte plaDESIGN MED VIDEN |

95

7.0 Dagslys

Roskilde, Danmark 20.000 m2 Første etape indviet 2012

Reference :

95 kWh/m2/år Projektets referenceramme bygger på standarden for traditionelt byggeri, som den er beskrevet i bygningsreglementet BR08. Det svarer til 95 kWh/m2/år.

Projektets målsætning svarer til energikravene, som de er beskrevet i BR08, altså ca. 52 kWh/m2/år.

REDUCER :

95 kWh/m2/år

61,0 kWh/m2/år

Kontekst Sammenspillet med Trekroner-området og RUC er essentielt for Campus Roskilde nu og i fremtiden. Derfor anlægges den nye bygning i helhedsplanens retvinklede geometri, og indgangen til det nye bygningskompleks gøres synlig fra porten til RUC og den grønne allé.

Placering og orientering RUC’s store skala og lange gader har brug for mere mangfoldighed og flere intime gaderum. De nye bygninger placeres op til grundgrænsen mod nord for at skabe et mere intimt gaderum i samspil med et nyt kollegium og en eventuel fremtidig tilbygning. Hver etape i Campus Roskilde består af en enkelt byggesten, der låner sin grundgeometri fra en af RUC’s arketyper, kvadratet.

Geometri Første etape er den største af de fire bygningskroppe og dermed det vigtigste kvadrat. Ved at rotere de tre andre bygninger bruges geometrien til at danne et effektivt skjold mod støjen fra motorvejen og skaber samtidig unikke byrum mod RUC, der kan bruges til ophold.

96 | DESIGN MED VIDEN | DAGSLYS | BYGNING

Dagslys Alle etager i den første etape gennemlyses fra atrium til facade, så der skabes transparens og variation i lyset gennem dagen. Ved hjælp af høje etager og med glas foran undervisningslokaler og kontorer trækkes dagslyset langt ind på etagerne. Atriet udformes med de største reflekterende flader øverst, så dagslyset nede på torvet forstærkes. Om aftenen vil Campus Roskilde fremstå med lys i atriet.

Facadedesign Samspillet med omgivelserne samt de høje krav til dagslys har været vigtige faktorer i udformningen af facaden på Campus Roskilde. Bygningen er derfor designet med en teglfacade mod syd og en glasfacade mod nord. Den sydvendte, tunge facade har overvejende dybtliggende vinduer, som giver selvskygge i bygningen samt reducerer støjgener. Nordfacaden er designet ud fra et ønske om at åbne så meget som muligt op mod RUC.

Ventilation Det generelle ventilationskoncept baserer sig på mekanisk ventilation i det meste af bygningen suppleret med naturlig ventilation i atriet. I alle rum er ventilation-en behovsstyret, hvilket minimerer driften af ventilationen og dermed energiforbruget. Der er arbejdet med højeffektive ventilationsanlæg med roterende vekslere i så vid udstrækning som muligt. Dermed sikres det, at varmen bliver i bygningen, når der er brug for den.

Tunge konstruktioner I Campus Roskilde har man valgt at arbejde med et råhus af beton. Mod syd er der etableret yderligere, tunge facader, hvilket sikrer en bygning med meget stor termisk masse. Det er med til at dæmpe temperaturudsvingene i bygningen og minimerer risikoen for overtemperaturer. Desuden reduceres både opvarmnings- og kølebehovet markant.

DESIGN MED VIDEN |

97

OPTIMER :

61,0 kWh/m2/år

48,7 kWh/m2/år

Mekanisk ventilation Der er anvendt et velkendt ventilationskoncept, som sikrer et optimalt indeklima med meget få timer over toleranceværdierne. Det viser undersøgelser af bl.a. et hårdt belastet undervisningslokale mod syd. Undersøgelserne viser, at undervisningslokalets temperatur kun overstiger 25 °C i 8 timer om året, i brugstiden og aldrig 26 °C. Dette er markant bedre end normalt.

Belysning Der er valgt højeffektiv lavenergibelysning med dagslysstyring til byggeriet, hvilket sikrer, at der altid er 350 lux i alle rum. Belysningen kan holdes på 10 W/m² på trods af den høje lux-værdi. På denne måde sikres et meget lavt elforbrug til belysning.

PRODUCER :

48,7 kWh/m2/år

Ingen Det var ambitionen med projektet at leve op til standarden for BR08 svarende til ca. 52 kWh/m2/år. Målet er således opnået alene gennem energireducerende og -optimerende tiltag.

98 | DESIGN MED VIDEN | DAGSLYS | BYGNING

Atriet er udformet, så dagslyset nede på torvet forstærkes. Ved hjælp af høje etager og med glas foran undervisningslokaler og kontorer trækkes dagslyset langt ind på etagerne.

DESIGN MED VIDEN |

99

Reflektans er et af de virkemidler, man kan benytte, hvis man gerne vil øge mængden og kvaliteten af dagslys i byen. Med en mat overflade bliver lyset reflekteret diffust og fordelt til omgivelserne. På en blank facade spejles lyset kun i et enkelt punkt.

100 | DESIGN MED VIDEN

7.1 Dagslys

Dagslys i byen Dagslys har en stor indflydelse på vores sundhed og velvære. Hvor stor en gevinst i bæredygtighedsregnskabet kan vi opnå ved at bruge dagslyset som eneste virkemiddel til at revitalisere byen, bygningen og boligen ?

Byen transformeres langsomt, men de enkelte bygninger ændres i hurtigere tempo. Derfor får de beslutninger, der træffes om byen, betydning i flere generationer. Byplanlæggere sidder med én af nøglerne til den bæredygtige by.

Den spredte by giver et meget højt energiforbrug til transport. Den tætte by er væsentligt mere ressourceffektiv, men den har til gengæld en udfordring i forhold til at skabe mijø- og oplevelsesmæssige kvaliteter, soladgang og dagslys for byens brugere og beboere.

Høj bymæssig tæthed og bedre fordeling af sol og dagslys er to modsatrettede behov, som skal afbalanceres. Byens form, dens tæthed og bymønstre har stor betydning for adgangen til sol- og dagslys. Den enkelte bygnings energiforbrug påvirkes direkte af disse forhold. Fx bestemmer gadernes orientering hvornår og hvor meget sollys, der når ned til gadeniveau og ind i de enkelte rum. Byrummet er derfor første led i en række af beslutninger, der skal give den bedst mulige fordeling af sol- og dagslys i byen.

Gadernes orientering i forhold til verdenshjørnerne har betydning for fordelingen af dagslys og solenergi. Et gadenet, der er orienteret stik nord-syd, vil være kendetegnet af, at halvdelen af gaderne har sol det meste af dagen, mens den anden halvdel ligger hen i skygge.

I bystrukturer, der er orienteret diagonalt i forhold til verdenshjørnerne, vil sollyset trænge længere ned i byrummet og dermed ramme flere rum i årets mørkere måneder. Sollyset vil fx i højere grad kunne nå dybere ind i lavtliggende lejligheder i den periode af døgnet, hvor der er mest aktivitet i boliger – om morgenen og om aftenen.

Høj bymæssig tæthed og bedre fordeling af sol- og dagslys er to modsatrettede behov, som skal afbalanceres. Byens form, dens tæthed og bymønstre har stor betydning for adgangen til sol og dagslys.

Dagslyset er både oplevelses- og energimæssigt en af de vigtigste faktorer i designet af den enkelte bygning og bør betragtes som en fælles ressource i byens planlægning. Man bør inddrage dette aspekt og anerkende de mulige, energimæssige synergier, der kan være i samspillet mellem byens forskellige elementer og typologier.

Bygninger kan skabe bedre betingelser for hinanden i forhold til sol, skygge og vind. Optimering af byens struktur er derfor en nødvendig forudsætning for at reducere de enkelte bygningers energiforbrug.

DESIGN MED VIDEN |

101

7.1 Dagslys

København, Danmark 150.000 m2 Udviklingsprojekt afsluttet 2012

Case : Nørrebro Et udviklingsprojekt med udgangspunkt i Stefansgadekvarteret på Nørrebro skal inspirere til bedre byer og boliger gennem en optimering af de eksisterende dagslysforhold.

Dagslys er det stærkeste virkemiddel, når det kommer til renovering, modernisering og transformering af vores byer og bygninger. Dagslyset er skalerbart og en forudsætning for arkitektur og byggeri.

Man kan og bør arbejde med dagslys i alle typer af byggede projekter alle steder i verden.

eller renses. Derfor er bygningen andet led efter byens struktur i dagslysrenoveringen. Boligen er det, der ændres hurtigst. Bygningernes rum ændres i takt med nye beboere og nye tiders ændrede behov.

Boligen og arbejdspladsen er de rum, vi lever vores liv i – og derfor slutmålet for arkitekturen.

Planlægningen af byrummet er første led i en kæde af beslutninger, der kan optimere fordelingen af sol- og dagslys i byen. Byens form, dens tæthed og bymønstre påvirker adgangen til lyset og har betydning for den enkelte bygnings energiforbrug.

Med udviklingsprojektet er dagslyset blevet isoleret som parameter i forsøget på at gøre den eksisterende viden om dagslys og arkitektur anvendelig. Projektet har resulteret i en manual, en slags værktøjskasse, som samler forskellige virkemidler, der alle skaber værdi i det store bæredygtighedsregnskab.

Men den enkelte bygning ændrer sig hurtigere end byen. Nogle bygninger står længe, andre rives helt eller delvist ned, når de ikke længere vurderes at være tilstrækkeligt værdifulde. Facaderne modificeres jævnligt over tid, og overflader males, pudses 102 | DESIGN MED VIDEN | DAGSLYS | BY

D

ys sl ag er r kr e si sikr gå by gs e

A B

Dagslys i byen Bystrukturen i Stefansgadekvarteret på Nørrebro er orienteret diagonalt i forhold til verdenshjørnerne.

Det betyder, at solen kan trænge forholdsvis dybt ned i gaderne og være et aktivt tilskud til bylivet i udesæsonen.Solstudier kan fortælle noget om både kvaliteten af kvarterets byrum og potentialet i at udnytte solen som energikilde.

A

at ligger

es de og forrhold gn vil uelle

B

tisk ninger, e muomgivrne, hold ger.

C

D

ehageelukategier

A A B B

Dagslys i karréen Størstedelen af lejlighederne i en udvalgt karré i Stefansgadekvarteret har adgang til direkte sol.

Soldiagrammet her viser, hvordan de øverste etager får den største andel af dagslyset, mens de nederste etager får en noget mindre del. Det skyldes primært skygge fra de modstående bygninger.

C

D

C

at ligger signumdagslys es de sikrer og å sikrer forbebygrhold gn vil uelle fra 4 dgange klasstisk lysnivninger, e muomgivrne, hold ller liggende; v.ger.

ehageeriode; elukategier

re;

D A B

signumdagslys sikrer å sikrer bebyg-

fra 4 dgange klasslysniv-

Dagslys i bygningen Arbejder man med selve bygningens geometri, kan form og refleksion medvirke til at optimere dagslyset i forhold til de enkelte boligers brugsmønstre.

Fx kan reflekteret dagslys fra en vinklet facade udnyttes til at skabe et øget dagslysniveau i morgeneller aftentimerne, hvor dette er ønsket.

ller liggende;

C

v.

eriode;

re;

D

Dagslys i boligen Med større vinduer med mere energieffektive ruder, og uden at udføre efterisolering, kan energiforbruget nedsættes, samtidigt med at dagslyset øges. Det giver 34 % mere dagslys i lejligheden og reducerer energiforbruget med 37 %.

DESIGN MED VIDEN |

103

Thomas B. Thriges Gade-projektet bygger på fem nye byrum struktureret omkring hver sin forbindelse. En grøn, landskabelig rute, en ’kulturel’ gade, en torveog markedspassage, en strøgforbindelse og en genopretning af Albani Torv som byens centrale plads.

104 | DESIGN MED VIDEN

Case : Thomas B. Thriges Gade Konkurrenceforslaget til Thomas B. Thriges Gade i Odense skaber en ny og åndbar bymidte i den fynske hovedstad. Bydelen bliver et mønstereksempel på fremtidig bæredygtig byudvikling gennem CO2-neutralitet og integreret energidesign.

Siden 1970 har en firesporet vej delt Odenses bymidte i to. Udgangspunktet for konkurrencen om Thomas B. Thriges Gade er en omdirigering af biltrafikken, så skåret gennem byen atter kan lukkes og et samlet centrum tage form. Med en ny letbane og en ringvej rundt om byen bliver byens centrum tømt for biler, og den menneskelige aktivitet kommer i fokus.

gaderne en gennemsnitlig bredde på 10-15 meter, hvilket svarer nogenlunde til forholdet 1:1. Dette princip udnyttes i fortætningen af Thomas B. Thriges Gade og skaber udgangspunktet for den nye bebyggelsesstruktur. For at opnå den ønskede tæthed fortættes bebyggelsen yderligere, og dagslys bliver en væsentlig faktor i forsøget på at skabe gode, sunde bygninger og indbydende byrum.

Programmet for konkurrencen foreskrev en særlig høj tæthed i bygningsmassen på den strækning, der i dag udgør Thomas B. Thriges Gade. Projektets succes afhang altså af en forøgelse på 50-70.000 m2 i bygningsmassen.

Bydelen vil udmærke sig ved at blive et mønstereksempel på fremtidig, bæredygtig byudvikling gennem CO2-neutralitet. Løsningsforslaget bygger på en helhedstilgang til bæredygtighed, hvor menneskets livskvalitet er gennemgående som den vigtigste præmis.

Studier af Thomas B. Thriges Gades nærmeste kontekst, og Odense som by, viser, at bygningerne gennemsnitligt har en højde på 3-5 etager og

DESIGN MED VIDEN |

105

7.1 Dagslys

Odense, Danmark 50.000 m2 Designår 2011

1

1

Fortætning Konkurrencen for Thomas B. Thriges Gades formål var at fortætte gaden med 50.000 m2. Analyser af den eksisterende bebyggelsestæthed i Odense inspirerede til at designe bystrukturen ud fra en 1:1-strategi, hvor højden på én bygning svarer til afstanden til næste bygning. Det sikrer, at dagslyset i alle eksisterende boliger reduceres med maks.

20 %.

ØST

Yderligere fortætning Det var ikke muligt at opnå den ønskede bebyggelsesprocent inden for 1 :1-strategiens præmisser.

Bebyggelsen blev derfor fortættet yderligere med tårne mod nordvest, så skyggen på eksisterende og ny bebyggelse mindskedes mest muligt.

>>

Gade

U=0,1 U=0,9 tlægpassiv

VENTILATION - Behovstyret ventilation med varmegenvinding (90%) og høj nyttevirkning (SEL=1,0)

Byrumsdesign Masterplanens primære byrum er orienteret afhængigt af solen og deres tiltænkte funktion. På den måde sikres præmisserne for et optimalt klima i de enkelte uderum. På H.C. Andersens Plads, som er velbesøgt af turister i formiddagstimerne, åbner pladsen derfor op mod sydøst.

Programdistribution Den rigtige fordeling af de forskellige programmer i masterplanen er også et led i den bæredygtige strategi. Erhvervslokaler placeres, så de eksponeres mindst muligt for sollys, da de som regel bruger meget energi på køling for at opnå et behageligt indeklima. Til gengæld placeres boliger, så de så vidt muligt er disponeret for dagslys i eftermiddags- og aftentimerne.

og

f gen

FUNKTIONSDISPONERING - Optimal placering af funktioner VIDEN og arbejdspladser 106 | DESIGN MED | DAGSLYS | BY i forhold til orientering - Smart grid bygning - intel-

FACADEDESIGN - Maks. vinduesprocent 30-50% (erhverv) - Maks. vinduesprocent 20-40% (bolig)

I den nye masterplan foregår al parkering under jorden. Det sker for at udnytte overfladearealets kvadratmetre bedst muligt. De underjordiske parkeringsanlæg kommer alle til at fremstå lyse og indbydende med masser af dagslys og grøn beplantning.

DESIGN MED VIDEN |

107

Der er anvendt tysk natursten i hele stueetagen i Spiegels nye hovedsæde i Hamborg. Både gulve og vægge til første sals højde er beklædt med det lokale materiale, hvis lyse farve står i skarp kontrast til den mørke udendørs belægning.

108 | DESIGN MED VIDEN

8.0 Materialer

Materialer Materialevalget er med til at definere indeklima og komfort. Men materialerne rækker også ud over bygningens egen levetid og har en social, økonomisk og miljømæssig betydning.

Bygninger ånder ligesom mennesker. En bygning kan sammenlignes med en lunge, hvor materialerne udgør vævet. I bygningens levetid er materialerne med til at definere kvaliteten af indeklimaet. Vi opholder os indenfor i langt den største del af døgnet, og derfor er det vigtigt, at de valgte materialer bidrager positivt til indeklimaet – og dermed vores velbefindende.

ende føre til luftvejssygdomme og allergiske reaktioner.

vis indeklimaet er dårligt, daler H produktiviteten.

Risikoen for brand er direkte forbundet med materialevalget. Det gælder ikke kun overfladematerialerne, men også konstruktionsmaterialer og installationer. Materialer skal vurderes ud fra både risikoen for selvantændelse, brandudvikling og røgudvikling.

Indeklimaet er et vigtigt punkt på dagsordenen, når der skal planlægges og projekteres. Ved at vælge de rigtige materialer kan man tage højde for både luftkvalitet og akustik og forebygge brand.

Samtidig er drift og vedligehold et vigtigt aspekt af hensyn til bygningens økonomi. Det skal være nemt at træffe det sunde valg.

Luftkvaliteten i en bygning er en af de faktorer, der påvirker vores brug af bygningen mest direkte. Hvis den ikke er i orden, kan det resultere i hovedpine, utilpashed og nedsat effektivitet.

Der forskes der i indeklimaets betydning for : arbejdseffektiviteten, og resultaterne er klare Hvis indeklimaet er dårligt, daler produktiviteten.

En af årsagerne er afgasning fra materialer.

Hvis der vælges dårlige materialer, hvor afgasning overstiger anbefalingerne, forringes det atmosfæriske indeklima, og det kan i sidste

Det akustiske indeklima har også stor betydning for det generelle velbefindende. Med materialevalget kan akustikken reguleres, så selv store rum ikke bliver akustiske fælder, men opleves som velfungerende og indbydende.

Materialevalget handler om at give den arkitektoniske idé krop, og visionen kan udtrykkes i detaljen og den håndværksmæssige udførelse. Helhedsoplevelsen skabes netop, når man som bruger af en bygning oplever, at der er en idé med tingene, og at de hænger sammen fra det største til det mindste.

Materialevalget er et meget konkret og tydeligt signal om bygningens og bygherrens indstilling til bæredygtighed, og en nøje udvælgelse af materialer giver både sunde bygninger og sunde brugere.

DESIGN MED VIDEN |

109

8.0 Materialer

Hamborg, Tyskland 50.000 m2 Opført 2011

Case : Spiegel HQ Spiegel-koncernens nye hovedsæde i Hamborg samler virksomhedens forskellige medier . Huset lever op til Tysklands strengeste krav om bæredygtighed i byggeriet og er blevet certificeret.

Bygningskomplekset består af to store glasvolumener placeret på en fælles, skulpturelt formet, base af tegl. Basen munder ud i en bred plint mod havnen og danner en stor offentlig plads mellem bygningerne. De store glasfacader åbner sig mod en ny park mod syd og Hamborgs hovedbanegård mod nord.

I bygningens store centrale vindue skabes en aktiv dialog mellem mediekoncernens pulserende aktiviteter og byens liv. Særligt markant står den tre etager høje café-lounge samt de 13 gangbroer i atriet, der skaber en lodret forbindelse mellem 3. og 12. etage.

I udvælgelsen af materialer og interiør til hele bygningen har der har været en minutiøs gennemgang af alle anvendte produkter og materialer.

110 | DESIGN MED VIDEN | MATERIALER | BYGNING

Materialer, der indeholder pvc eller andre blacklistede stoffer, er blevet udelukket. Produkter er blevet vurderet på deres performance i forhold til at skabe et godt indeklima, og der er taget hensyn til allergikere gennem test af de forskellige løsningers rengøringsvenlighed.

Dette er, sammen med en række andre initiativer, baggrunden for, at byggeriet i juni 2012 blev certificeret med miljømærket 'Gold' i 'HafenCity Umweltzeichen'. HafenCity Umweltzeichen er en lokal certificeringsordning, der er med til at give det nyudviklede havneområde, HafenCity, identitet og samtidig tjener som spydspids for udviklingen af bæredygtige projekter i Tyskland.

Certificering Spiegels hovedsæde er Henning Larsen Architects' første certificerede projekt i Tyskland. Der er arbejdet intenst på at leve op til de strenge miljø- og sundhedskrav, som Hafencity-certificeringen foreskriver, og som bl.a. omhandler akustik, indeklima og miljøvenlig drift. Drift og vedligeholdelse er derfor ligeledes tænkt ind i materialevalget.

Kontraster Spiegel-bygningen lever gennem kontraster. Den farvede udendørs belægning møder ved indgangen det lyse interiør og skaber en spænding mellem det mørke og rå og det lyse og glatte. Det overordnede farvekoncept dyrker det skandinaviske udtryk med lyse valører i de store rum og arbejder som kontrast hertil punktvis med farver.

Materialer Der er udelukkende anvendt FSC-certificeret træ i bygningen. Træet har et varmt udtryk og skaber en forbindelse til naturen og husets overordnede grønne hensigter. Der er anvendt tysk egetræ og tysk natursten i interiøret for at minimere ressourceforbruget til transport og for at styrke den lokale forankring.

Transparens Spiegel-bygningen repræsenterer et åbent og moderne mediehus. Huset er meget transparent, og det er en væsentlig pointe i konceptet, at Spiegels medarbejdere har direkte visuel kontakt med byen og den verden, de skriver om. Omvendt kan byen kigge ind i flere af lokalerne i det store mediehus.

DESIGN MED VIDEN |

111

Spiegels nye hovedkontor er designet som et transparent volumen, der svÌver elegant over en solid base af røde tegl. Valget af materialer inde i bygningen er bl.a. sket pü baggrund af viden om materialernes performance i forhold til at skabe et godt indeklima.

112 | DESIGN MED VIDEN

DESIGN MED VIDEN |

113

Sunde materialer med lang levetid har haft et særligt fokus i implementeringen af bæredygtige tiltag i Novo Nordisk. Bæredygtighedsstrategien er baseret på virksomhedens egne principper for miljøvenlighed, økonomisk rentabilitet og social ansvarlighed.

114 | DESIGN MED VIDEN

Case : Domicil til Novo Nordisk Det er ambitionen med Novo Nordisks nye domicil at udføre et byggeri, som er så skånsomt som muligt i forhold til miljøet og de mennesker, der har bygningen som arbejdsplads under og efter byggeriet.

Novo Nordisks nye domicil i Bagsværd skal huse virksomhedens øverste ledelse og 1.100 administrative medarbejdere. Arkitekturen har et enkelt udtryk og skaber optimale betingelser for husets brugere med et funktionelt og bæredygtigt design.

For at undgå lange transportveje er materialerne i Novo Nordisk udvalgt med særlig forkærlighed for de nordiske og nordeuropæiske materialer. Der er kun specificeret ressourceeffektive materialer med lav miljøpåvirkning, og der er, så vidt det har været muligt, ikke brugt materaier, som er giftige for miljøet under fremstillingsprocessen eller i brug.

Huset opnår på den måde et højt niveau i forhold til Dansk Indeklimastandard (DS15251) svarende til den næstbedste kategori 'materialer med lav forurening'.

Som noget helt nyt i Danmark er der indendørs anvendt en silikatmaling, som mindsker afgasning i huset. Der er desuden, i tæt samarbejde mellem arkitekter og ingeniører, udviklet en særlig type loft til huset, som understøtter en ny ventilationsløsning, der kaldes fortrængningsventilation. Lofterne består af lameller, som lader frisk luft sive langsomt ned over hele rummet. Herved opnås et særligt godt luftskifte, og træk fra ventilationsskakterne undgås.

Der er i udvælgelsesprocessen taget hensyn til sociale, økonomiske og miljømæssige spørgsmål i forhold til produktionen af materialerne, således at materialevalget understøtter Novo Nordisks 'Triple Bottom Line'- tilgang som en del af organisationens strategi for Corporate Social Responsibility (CSR).

DESIGN MED VIDEN |

115

8.0 Materialer

Bagsværd, Danmark 50.000 m2 Under opførelse

Indeklima Materialerne i Novo Nordisk spiller en stor rolle i forhold til bygningens indeklima, og huset opnår et højt niveau i ift. dansk indeklimastandard. Der er på alle vægge og overflader anvendt en silikatmaling, som mindsker afgasning i bygningen. Den type maling har ikke tidligere været anvendt indendørs i større byggerier i Danmark.

Akustik Bygningens cirkulære geometri brydes af mange rum og nicher, som giver en god lydspredning. Dermed undgås den fokusering af lyden, som ofte opleves i cirkulære rum. Alle anvendte lofter har gode akustiske egenskaber, og balkonforkanterne er beklædt med akustisk puds. I storrumskontorerne er der lydabsorberende vægge udført i perforeret gips.

Lofter Der er udviklet et særligt loft til Novo Nordisk, som understøtter en ny ventilationsløsning i Danmark.

Fortrængningsventilationen er optimeret i forhold til træk og minimerer behovet for ventilationskanaler. Fordelen ved dette er et ekstraordinært lavt energiforbrug til ventilation, lave anlægningsomkostninger og godt luftskifte.

Gulv På grund af den hårde akustik i storrumskontorer er der hovedsagligt anvendt tæpper som gulvbelægning i bygningen. Alle tæpper er indeklimamærkede. På en enkelt etage er der anvendt trægulv, som giver et nordisk udtryk. På terrasserne og i parken er der anvendt FSC- og PEFC-certificeret, keboniseret fyrretræ.

116 | DESIGN MED VIDEN | MATERIALER | BYGNING

Materialevalget i Novo Nordisk er med til at skabe et særdeles godt indeklima i bygningen. Bla. minimerer en specialudviklet loft- og ventilationsløsning træk og bidrager til en stabil rumtemperatur.

DESIGN MED VIDEN |

117

Det reflekterede lys er en interessant parameter i såvel by- som karré- og boligskala, eftersom enhver flade reflekterer en vis andel af det lys, der rammer den. Derfor er der et potentiale i at kigge på overfladematerialer ift. at optimere dagslysets kvalitet.

118 | DESIGN MED VIDEN

8.1 Materialer

Materialer i byen Et urbant mikroklima defineres allerede i designfasen, hvor facadematerialerne udvælges. Mængden af dagslys beror på overfladernes reflektans og den mængde lys, de giver til byrum og andre bygninger.

Materialestrategien er ikke kun et spørgsmål om tilfredshed hos brugerne af bygningen. Også byrummets mange brugere bliver direkte en del af historien om materialepaletten. Bygningernes facader interagerer med klimaforholdene og er med til at skabe lokale klimatiske zoner med varmere og mere konstante temperaturforhold.

For at få så optimale zoner som muligt skal facadematerialerne vælges med omhu. Materialerne er en aktiv medspiller, når der skal skabes gode dagslysforhold og gode termiske forhold. Materialerne har en vital betydning, hvis man fx vil undgå , at temperaturen i byen bliver højere, end den er uden for byen.

Hvis materialer vælges ud fra deres evne til at reflektere lys, kan man sikre et godt dagslys selv i tætte byområder.

Dagslyset i byskala er en balanceakt med kompaktheden af bygningsmassen. Ønsket om en kompakt by er opstået ud fra ønsket om at reducere energiforbruget, men det kan ske på bekostning af dagslysforholdene. Materialevalget kan være en af de faktorer, som kan få dagslys og kompakthed til at samarbejde frem for at modarbejde hinanden.

Hvis materialer vælges ud fra deres evne til at reflektere lys, kan man sikre et godt dagslys selv i tætte byområder, og det er en gevinst for mikro-

klimaet. Bygningerne bliver altså til dagslysarmaturer for byrummet. Jakob Strømann-Andersens forskning viser, at man kan øge dagslyset i byrummet med 30 % ved at pudse murstensfacader med lys puds.

Forudsætningen for gode byrum på vores breddegrader er god luftkvalitet : Varme solpletter foretrækkes frem for fugtige kroge. Mørke materialer med ru overflade holder på varmen, selv når solen er væk. På den måde forlænges brugstiden af byrummet.

Varmeabsorption er et generelt problem. Byerne akkumulerer varme, som skal ventileres væk. Man taler derfor om fænomenet urban heat island, hvor byen bliver overophedet. Lyse materialers evne til at reflektere solvarmen kan bruges som en aktiv strategi til at undgå varmeakkumulation og er derfor en nøgle til at reducere effekten.

På samme måde kan man bruge træer og planter til at skabe en cool island-effekt. Beplantningen holder på fugten og skaber skygge og ilt – alt sammen vigtige bidrag til et godt og stabilt mikroklima. Variationerne er særligt udtalte i nærheden af pladser og parker, hvor temperaturen i visse tilfælde reduceres med op til tre grader alene på grund af vegetationen.

DESIGN MED VIDEN |

119

8.1 Materialer

København, Danmark 150.000 m2 Udviklingsprojekt afsluttet 2012

Case : Nørrebro Dagslyset i et indendørs rum eller et gaderum afhænger ikke kun af det direkte tilgængelige dagslys. Det påvirkes også af det lys, der reflekteres i rummets flader. Reflektans er nøgleordet, når man taler dagslys i bæredygtigt byggeri.

Dagslyset er en kompleks størrelse med mange faktorer, der tilsammen giver en fantastisk virkning.

Når man taler lys, må man altså skelne mellem kvantitet og kvalitet. Hvor meget – eller hvordan ?

medregnes sollyset som faktor, kan genskinnet fra de lyse facader give et væsentligt bidrag til en forøgelse af dagslyset. Det giver en særligt stor gevinst for de nederste etager i en boligkarré.

Udviklingsprojektet 'Hvad med dagslys?' undersøger i en lokal kontekst, på Nørrebro i København, dagslysets betydning for bydelens kvalitet – på by-, bygnings- og boligniveau.

Det reflekterede lys er altså en interessant parameter i såvel by- som karré- og boligskala : Hvordan bevæger lyset sig i byrum og inderum afhængigt af den urbane geometri og materialer ? Er der et potentiale i at kigge på overfladematerialer i forhold til at optimere dagslysets kvalitet ?

Enhver flade reflekterer en vis andel af det lys, som rammer den. Derfor er reflektansen af fladerne omkring vinduet samt omgivelserne, fx i form af modstående facader, vigtig for dagslyskvaliteten i en etagebolig. Ligeledes kan lyse facader med deres højere reflektans medvirke til at øge dagslyset i tætte bystrukturer. Dagslysfaktoren i sig selv viser i disse studier ikke den store variation, men 120 | DESIGN MED VIDEN | MATERIALER | BY

Studier fra Hong Kong viser, at reflekteret dagslys kan fungere som hovedkilden til naturligt lys i byområder med høj bebyggelses- og befolkningstæthed.

Sollys Himmellys

Dagslysindfald Mængden af dagslys i en bygning eller et byrum afhænger af overfladematerialernes reflektans, lysets indfaldsvinkel i forhold til fladen og fladens egen vinkel. Dagslysfaktoren beskriver forholdet mellem dagslys indenfor og udenfor og anvendes i spørgsmål om dagslysbehovet i en bygning.

Reflektion

Dagslys og varmeudledning

Reflekteret dagslys Enhver flade reflekterer en vis andel af det lys, som rammer den. Derfor er reflektansen af fladerne omkring et vindue og dets omgivelser, fx i form af modstående facader, vigtig for den samlede dagslysmængde.

Reflektans Dagslyset er sammensat af direkte stråling fra solen, diffus himmelstråling og reflekteret stråling fra jord og omgivelser. Den reflekterede stråling kan stamme fra både sollyset og dagslyset selv.

Det tilbagekastede lys afhænger af fladens vinkel ift. lysindfaldet, og hvor blank og lys den er.

+ Reflekteret lys

Overfladebehandling En overflades evne til at reflektere lyset afhænger af dens forarbejdning. En blank overflade genspejler mere lys end en mat. Men fordi genspejlingen i en blank overflade foregår i ét punkt, bliver lyset også kun sendt tilbage i ét punkt i samme vinkel, som det kom ind. Med en mat overflade bliver lyset genspejlet diffust og fordeles. Det giver mere lys til omgivelserne.

DESIGN MED VIDEN |

121

8.1 Materialer

Riyadh, Saudi-Arabien 1.600.000 m2 Under opførelse

Case : King Abdullah Financial District Facaden giver det første indtryk af en bygnings individuelle kvaliteter såvel som dens betydning i byens samlede hele. I King Abdullah Financial District i Riyadh sikrer en manual for design og bæredygtighed den nye bydels kvalitet.

Målet med den 1,6 km2 store nye bydel i Riyadh i Saudi-Aribien har været at skabe grundlaget for en bæredygtig, varieret bebyggelse, hvor funktion, tilgængelighed og arkitektonisk udformning går op i en højere enhed.

Det vil tage mange år, før hele det nye finansdistrikt står færdigt. Der er derfor udviklet en design- og materialemanual, som supplerer masterplanen og sikrer en mangfoldig byudvikling af høj arkitektonisk kvalitet og med et ambitiøst fokus på bæredygtighed.

Manualen arbejder med fire forskellige virkemidler i facadedesignet : Materialer, farver, transparens og skyggeeffekt. Ved at bruge materialer af høj kvalitet og med lyse farver opstår der en intern harmoni mellem bygningerne i finansdistriktet. Lyse over122 | DESIGN MED VIDEN | MATERIALER | BY

flader absorberer mindre sollys og mindsker dermed risikoen for overophedning inde i bygningerne.

Transparens har betydning for en bygnings dagslysniveau og er desuden et særligt vigtigt virkemiddel, hvis man ønsker at skabe en levende og dynamisk by.

Facaderne skal som udgangspunkt udformes, så de skygger for solen i forsøget på at reducere problemer med overophedning af indeklimaet. Det skal tilstræbes, at skyggeforhold indtænkes i de tidlige designfaser og på den måde integreres i bygningsdesignet.

10

F

ALL

PARCEL ALL P

AREA

A

VISION FACADES

C

2.1

A

K

D

A

E

F

D

S

The use and special requirements for each building will influence the architecture of the facades. The DMG takes into careful consideration how public and retail areas impact the facades. The DMG describes special requirements for the transparency of the facades in areas where facades should be open and welcoming in order to create a vibrant city.

Materials and colours are naturally integrated parts of the facade architecture. As each facade contributes to the overall context the DMG suggests creating a balance between colours and materials.

The facades should all be treated different from one another. Some should even be treated differently in both shape and materials.

Architectural treatment of buildings includes form, materials, colours, transparency and shading and should be varied in respect to orientation to enhance energy saving opportunities. The DMG provides information on these issues.

A sustainable design approach towards ecological balances and green architecture is encouraged.

Facades give you the first impression of a building. The facades expose the unique of the particular building as well as being part of a larger context with the neighbouring building facades in the cityscape. You are able to see the facades from a plane or helicopter, passing by in high speed in a car or arriving by foot. All scales should be taken into careful consideration in the architectural process in order to create an impressive and well-functioning city.

2.1 VISION FACADES

LOWER LEVEL

Materialer Lyse materialer bør anvendes i områder, hvor risikoen for overophedning er særligt stor. Særligt reflekterende facader, såsom spejl- og glasfacader, skal undgås, så bygningerne ikke blænder. Der bør i størst muligt omfang anvendes lokale kvalitetsmaterialer.

Fig. 02.01 | Facade partiton elevation

FACADE PARTITON ELEVATION

LEVEL -1 WADI LEVEL OR LOWER RINGROAD

GROUND LEVEL

LEVEL 1

LEVEL 2

ABOVE LEVEL +2

-7m

0m

5m

10m

15m

Xm

During the planning, realisation and construction each new building in KAFD should contribute to this vision.

As the facades shape the perceptions of the building and its context they also serve the crucial function of a building providing shelter from weather and climate. The specific geographic conditions in Riyadh require special consideration in order to make shade on the facades and when selecting materials for the facades. The DMG describes several recommended options to obtain sustainable solutions.

Facade | Cul de Sac

Facade | Street

Facade | Ring Road

Facade | Access Road

Facade | Square

Facade | Attractor

Facade | Wadi

Facade | Financial Plaza

Fig. 02.02 | Plan | All facades

Kategorier Bygningernes facader er i designmanualen inddelt i otte forskellige kategorier afhængig af bygningens placering i planen. Der er retningslinjer for valget af materialer, farver, transparens og skyggeforhold til hver kategori. Den samme bygnings forskellige facader kan godt optræde i flere kategorier.

Transparens Transparente facader i gadeniveau bør anvendes, hvor de bidrager til at skabe tryghed og styrker bylivet positivt. Facadens transparens over gadeniveau skal tilpasses bygningens funktion og facadens orientering i forhold til solen. Her kan translucente materialer være tilstrækkelige.

Skyggende facader Facaderne udformes med effektiv solafskærmning.

Udendørs solafskærmning skal tilpasses og skal kunne modstå lokale vind- og vejrforhold, og vedligehold af tekniske løsninger skal tænkes igennem.

For at sikre et godt indeklima i alle bygninger skal sol-afskærmning integreres i hver enkelt bygning.

DESIGN MED VIDEN |

123

I et ørkenklima som i King Abdullah Financial District hvor solen er på sin højeste intensitet i dagtimerne, er det vigtigt at udnytte materialernes evne til at køle og skygge, så der opstår et behageligt mikroklima i byens rum.

124 | DESIGN MED VIDEN

DESIGN MED VIDEN |

125

For at mindske afstanden mellem forskningen og hverdagen er formidlingen af den nye viden vigtig, fx på kurser, i forelæsninger eller tværfaglige udviklings- og forskningsprojekter.

126 | DESIGN MED VIDEN

9.0 Nye roller

Nye roller, nye opgaver Ny viden giver nye muligheder for at ændre på fastgroede vaner og vanetænkning.

Arkitekter arbejder i dag allerede sammen med en vifte af andre fagligheder, når projekterne udvikles, og dette tværfaglige samarbejde skal udvikles yderligere.

Traditionelt arbejder arkitekten alene i de tidlige faser af designprocessen. De første streger på skitseblokken sætter arkitekten uden indblanding fra andre. Først langt henne i processen, når det kreative koncept er ved at være på plads, bliver ingeniører involveret i løsningen af konkrete problemstillinger.

skal proaktivt bringes i spil i hverdagen. Den skal ud på tegnebordene, hvor formgivningen finder sted.

Den skal formidles, og medarbejderne i bæredygtighedsafdelingen hos Henning Larsen Architects underviser, taler på konferencer, skriver artikler og deltager i udviklingsarbejde, tænketanke og andre tilsvarende aktiviteter.

Når præmisserne for en bygnings energiforbrug er defineret dels af den urbane eller landskabelige kontekst og dels af formgivningens grundlæggende parametre, som det er blevet beskrevet i de tidligere kapitler, er den logiske konsekvens, at arkitekter og ingeniører skal arbejde tættere sammen tidligt i designprocessen.

Forskningsresultater kan ikke som selvfølge bruges ubearbejdede i det daglige arbejde. De skal bearbejdes og transformeres til et format, der gør dem mere brugbare. En mulighed er at koble resultaterne med mere snævert fokuserede udviklingsprojekter, hvor ny og gammel viden finder sammen med en anvendelsesorienteret målsætning. Fokus kan være et enkeltstående projekt, hvor en række bæredygtige målsætninger formuleres, og det kan være tværfaglige samarbejder om udviklingen af et byggemateriale, en typologi eller et digitalt redskab. Det er på den måde, der skabes innovation.

et er derfor også naturligt, at D arkitekter bidrager til at samle ny viden og gøre denne viden aktiv.

Erkendelsen af, at de bedste resultater for et bæredygtigt byggeri kan opnås, når designet i sig selv forholder sig til en naturvidenskabelig viden, kvalificerer arbejdet med bæredygtig arkitektur. Arkitekter skal arbejde i åbne processer, og ingeniører skal være villige til at indgå i kreative processer, der ikke er så stramt metodiske, som de er vant til.

Forskningsviden skal anvendes for at opnå værdi.

Afstanden mellem forskernes arbejde og forskningens praktiske betydning og anvendelse skal være kort. På de følgende sider er et udvalg af de udviklingsprojekter, som Henning Larsen Architects er engageret i, præsenteret.

Det er derfor også naturligt, at arkitekter bidrager til at samle ny viden og gøre denne viden aktiv i de sammenhænge, hvor den er relevant. Forskningen DESIGN MED VIDEN |

127

128 | DESIGN MED VIDEN | NYE ROLLER | A+E:3D

9.0 Nye roller

A+E:3D A+E:3D er et værktøj, som gør det enkelt for arkitekter at lave energiberegninger på forskellige formstudier tidligt i designprocessen. Beregningerne er et godt udgangspunkt for en dialog om energioptimering med bygherre og ingeniører.

A+E:3D er et analyse- og dialogværktøj, der kan håndtere forskellige parametre med betydning for energiforbruget i forhold til bygningsgeometrier i de indledende skitseringsfaser. Programmet hjælper med at udvikle løsningsmodeller for energioptimeret nybygning og ombygning.

A+E:3D er udviklet til arkitekter med henblik på at de, i samarbejde med ingeniører og bygherre, hurtigt og i dialog kan foretage interaktive, 3D-grafiske energiberegninger af forskellige arkitektoniske, geometriske og formmæssige løsningsmodeller, som et led i en strategisk energioptimering fra meget tidligt i formgivningsforløbet.

Efterspørgslen på et digitalt værktøj er meget stor og akut, da de eksisterende programmer på dette felt overvejende er udviklet for ingeniører og anvendes i detaljeringsfasen, dvs. sent i formgivningsforløbet.

Det nyskabende i A+E:3D er, at brugeren kan teste komplekse volumenmodeller i forhold til BE10 – gældende dansk lovgivning – på et meget tidligt tidspunkt i skitseringsfasen. Det er ikke muligt i lignende værktøjer.

ed dette værktøj sikres det, at arkitektonisk kvaM litet og lavt energiforbrug hænger sammen i det tidlige bygningskoncept.

A+E:3D kan downloades på www.apluse.dk.

ed dette værktøj sikres det, at M arkitektonisk kvalitet og lavt energiforbrug hænger sammen i det tidlige bygningskoncept.

Udviklingsteam VGLCPH Statens Byggeforskningsinsititut Henning Larsen Architects Esbensen Rådgivende Ingeniører Interactive Lab production Projektet er støttet af Elforsk (Dansk Energi).

Brugerfladen er intuitiv og visuel. Beregningsparametrene er forenklede, så der angives et fast sæt værdier. Der kan fx vælges mellem dagslysoptimerede, typiske og sol-afskærmede vinduer.

DESIGN MED VIDEN |

129

130 | DESIGN MED VIDEN | NYE ROLLER | ENERGIMÅL.DK

9.0 Nye roller

Energimål.dk Energimål.dk er et digitalt værktøj, der fungerer som en udvidet lommeregner.

Det giver konkrete forslag til renoveringer af store kontorejendomme ved automatisk at trække på offentligt tilgængelige data.

Energimål.dk er et online værktøj, der tilbyder viden om og forslag til energirenovering af kontorbygninger. Brugeren får hurtigt og nemt anbefalinger til, hvordan man får mest energioptimering for pengene – og anbefalingerne tager udgangspunkt i brugerens konkrete bygninger. Energimål.dk giver brugeren viden om arkitektur, økonomi og tekniske løsninger til at spare på energien, så det bliver nemmere at indgå et samarbejde med fagfolk om at energirenovere bygningen.

ed dette værktøj optimeres den M sagsgang, der går forud for en beslutning om at renovere.

Der er i dag mangel på overblik og viden om tekniske løsninger til at nedbringe energiforbruget og C02-udslippet for eksisterende bygninger, som samtidig tager hensyn til bygningens arkitektur og er økonomisk realistiske. Energimål.dk har som hovedformål at koble den tekniske viden om energioptimerede løsninger med beregninger af den økonomiske rentabilitet af anlægsinvesteringen og de efterfølgende besparelser på driften. Som endeligt resultat heraf fremsættes der konkrete gennemførselsforslag til løsningen af denne opgave.

besparelser i et projekt, som egentlig bare var tænkt som almindeligt vedligeholdelsesarbejde.

Energimål.dk trækker på reelle data om ejendommene fra Energistyrelsens energimærkningsdatabase.

Energimål.dk blev lanceret juni 2012.

Projektejere Bygningsstyrelsen Albertslund Kommune DATEA A/S Projektrådgivere Esbensen Rådgivende Ingeniører Henning Larsen Architects NHL Data ApS Værktøjet er støttet af Realdania

ed dette værktøj optimeres den sagsgang, der M går forud for en beslutning om at renovere. Beregneren vil desuden kunne spotte mulige energiDESIGN MED VIDEN |

131

132 | DESIGN MED VIDEN | NYE ROLLER | HVAD MED DAGSLYS?

9.0 Nye roller

Hvad med dagslys ?

Udviklingsprojektet 'Hvad med dagslys ?' undersøger dagslyset som isoleret parameter i renoveringsopgaver. Projektet beskriver lysets historie og værdi og indeholder konkrete strategier for, hvordan dagslys optimeres i en tæt by.

Alle er vilde med dagslys. Men viden om dagslys er kompliceret at arbejde med, fordi lyset vurderes både kvantitativt og kvalitativt. 'Hvad med dagslys ?' skaber et udgangspunkt for at omsætte fagspecifik viden om dagslys fra ingeniørberegninger og arkitekturpoesi til et lettilgængeligt sprog med lødigt indhold.

Bygningsværdi handler om meget andet end tek-niske konstruktioner, materialer og energi. Det handler også om resultatet af den aktivitet, der foregår i bygningen, om relationer mellem folk og om tryghed. Det handler om markedspriser og arkitektonisk kvalitet. Når vi snakker om værdi, er helheden mere end summen af delene.

Lyset har ingen størrelse. Det kan bearbejdes i byens komplekse kontekst, i en konkret bygning eller i den enkelte bolig.

tur er velkendt ikke bare i Skandinavien, men i hele Europa.

Men selv om man ikke bor i en etageejendom i København, kan man sagtens bruge manualens viden til sine egne projekter. Lyset har ingen størrelse. Det kan bearbejdes i byens komplekse kontekst, i en konkret bygning eller i den enkelte bolig.

Læs mere på www.dagslysrenovering.dk.

Udviklingsteam Henning Larsen Architects Charlotte Algreen, Algreen Arkitekter Peter Andreas Sattrup, lektor, DTU Byg Projektet er støttet af Realdania.

'Hvad med dagslys ?' ser på dagslyset som helhedsrenoveringens „nye“ parameter, både kvalitativt og kvantitativt. Målet er, at dagslysets dynamiske og livgivende egenskaber skal fungere som bindeled mellem renoveringens mål, midler og resultater. Den stærke relation og synergi mellem dagslys, sundhed, energi og arkitektur danner rygrad for projektet.

Undersøgelserne tager udgangspunkt i den tætte by, fordi det er der, dagslyset har de dårligste præmisser, og fordi brokvarterernes karréstrukDESIGN MED VIDEN |

133

134 | DESIGN MED VIDEN | NYE ROLLER | MULTIFUNKTIONEL BETON

9.0 Nye roller

Multifunktionel beton Udviklingsprojektet 'Multifunktionelle betonkonstruktioner til nybyggeri og renovering' har til formål at udvikle teknologier, som forbedrer den termiske lagring i betonkonstruktioner, betons evne til at holde på varme eller kulde.

Det tværfaglige udviklingsprojekt har siden 2009 beskæftiget sig med bæredygtige materialer med særligt fokus på beton. Projektet har undersøgt mulighederne for at udnytte betons termiske potentiale med intentionen om at skabe et godt og mere stabilt indeklima, både termisk og akustisk, og opnå en energireduktion og deraf formindsket CO2-forbrug i både byggeriets anlægs- og driftsfase.

Et centralt element i projektet har været laboratorieforsøg, hvor forskellige betontyper med optimeret varmelagringsevne er blevet fremstillet. I forsøgene er der bl.a. arbejdet med at udvikle densitetsforøgede (rho+) betoner, dvs. betoner med en øget massefylde, og betoner med høj varmeledningsevne (lambda+).

rojektet har undersøgt mulighedP erne for at udnytte betons termiske potentiale med intentionen om at skabe et godt og stabilt indeklima.

De forskellige betontyper er først blevet testet i EnergyFlexHouse hos Teknologisk Institut i Taastrup. EnergyFlexHouse er et multifleksibelt udviklings- og demonstrationsbyggeri tegnet af Henning Larsen Architects. Her kan man afprøve og teste energioptimerende byggetekniske løsninger og komponenter.

Siden er de multifunktionelle betonkonstruktioner anvendt i tre demonstrationsrum på SDU's Kolding Campus (se side 45).

Den optimerede beton vil fremover komme til at indgå som en aktiv del af nye og eksisterende bygningers energisystemer. Der vil desuden blive udviklet en beregningsmetodik som input til energiberegningsværktøjet BE10, som kan dokumentere energibesparelsen i bygningens termiske masse.

Projektets resultater vil især blive rettet mod leverandører af betonkonstruktioner og mod projekterende arkitekter og ingeniører. Projektet forventes afsluttet i løbet af 2012.

Projektparter Henning Larsen Architects Aalborg Universitet Teknologisk institut, Betoncentret Orbicon Bygningsstyrelsen Projektet er støttet af EUDP-midler.

DESIGN MED VIDEN |

135

NO IS

E

HEAT

LIGHT

AIR

CE AC

ER

UT

SS

MM CO

ME HO ICE F OF

SEE

FACADE

TEC FLOOR

HEAR

RETIRED

GREEN

PERMANENT WALL

SLIDING WALL

PLAY

K

R WO

INTERNAL PATITIONS

DI

VO RC E

EXTENSION

T

Y IL M FA SS LO

ES

VE MO

S

SENIOR

BABY

RE NT

GU

The Adaptable House Copenhagen 22.05.2012

Udgangspunktet for Det Foranderlige Hus er de omskiftelige omstændigheder, som gør, at vores hjem er i konstant forandring livet igennem. De mange parametre er inddelt i forskellige kategorier, som har deres egen betydning for husets fysiske udformning.

136 | DESIGN MED VIDEN | NYE ROLLER | DET FORANDERLIGE HUS

SKE TCH PROPOSAL Collaboration between

innovation

9.0 Nye roller

Det Foranderlige Hus Projektet 'Det Foranderlige Hus' tager udgangspunkt i vores foranderlige liv. Huset er ét af seks forsøgsbyggerier, som alle har til formål at reducere CO2-udledning enten i bygningens tilblivelsesproces eller i den daglige drift.

Menneskets behov og ønsker for boligen ændrer sig livet igennem. I dag kræver det både tid og ressourcer at få tilpasset sit hus til disse behov.

Det vil 'Det Foranderlige Hus' forsøge at ændre på.

Projektet skal afdække mulighederne for at skabe et enfamiliehus, som er tilpasningsdygtigt over for ændringer i æstetik, funktionelle behov og teknologisk udvikling.

'Det Foranderlige Hus' er et initiativ af Realdania Byg og skal afdække mulighederne for at skabe et enfamiliehus, som er tilpasningsdygtigt over for ændringer i æstetik, funktionelle behov og teknologisk udvikling.

Projektets resultat bliver en bygget bolig på 142 m2. Boligen skal kunne skilles ad i komponenter uden destruktion, men samtidig overholde kravene til tæthed, som de er beskrevet i 2015-standarden.

Den skal kunne indoptage rumlige forandringer og have en høj forandringshastighed. Det skal vurderes, hvordan de udskiftede dele kan genanvendes og indgå i nye kredsløb. Boligen skal udføres med tilgængelige komponenter, og der sigtes mod æstetiske og teknologiske modulløsninger.

driver er knyttet nogle forskellige scenarier, som igen er knyttet til forskellige grader af foranderlighed. Huset forsøger at rumme alle drivere og scenarier. Boligen skal kunne håndtere mange forandringer, når fx børn kommer til eller flytter hjemmefra. Hvis man kan undgå at bygge om eller til, belaster forandringen ikke miljøet på grund af byggematerialer og byggeaffald.

Det foranderlige hus er ét af seks eksperimenterende boligprojekter, som alle har til formål at belyse forskellige aspekter af ressourceforbrug og heraf afledt CO2-udledning samt at undersøge forskellige muligheder for begrænsning af CO2-udledning i byggeprocessen. Husene skal opføres inden for rammerne af et enfamiliehus til en almindelig anlægsøkonomi. Projektet er finansieret af Realdania Byg, og huset står færdigt i 2013.

Projektparter : GXN Henning Larsen Architects Bygherre: Realdania Byg

Projektet arbejder med fem drivere : komfort, privathed, funktion, demografi og livsstil. Til hver DESIGN MED VIDEN |

137

10.0 Renovering

af Signe Kongebro

Energi- og helhedsrenovering Problemstillinger og virkemidler er de samme for nybyggerier og den eksisterende bygningsmasse. Potentialet for at renovere er meget stort. Det kan booste den bæredygtige udvikling over alt.

Nybyggeriet i Danmark svarer til under 1 % af den samlede bygningsmasse. Byggeri er en langsom proces. Der går år, fra tegningerne til en bygning er afleveret, til det færdige byggeri kan tages i brug.

Vores viden om bæredygtigt byggeri vil derfor altid være større og mere udviklet, end det kommer til udtryk i de bygninger, der skyder op netop nu. I det seneste årti, hvor bæredygtighed har stået højt på samfundets dagsorden, er afstanden blevet større, fordi der har været gode muligheder for at finansiere forsknings- og udviklingsprojekter. I forhold til ældre bygninger er gabet endnu større, og mange eksisterende bygninger lever ikke op til de mest almindelige standarder i dag – hverken de energi- og funktionsmæssige.

Gabet mellem vores viden om mulighederne og virkeligheden stiller et krav om at aktivere og anvende viden i praksis. Der er stort behov for at renovere. Det er her, den nyeste viden kan gøre den største forskel, og uden en stor og samlet indsats i de kommende år for at renovere den eksisterende bygningsmasse får Danmark svært ved at nå sine ambitiøse klimamål.

Bæredygtighedsbegrebet er komplekst, når man dykker ned i det. Holdningerne, nuancerne og virkemidlerne er mange og indbyrdes afhængige.

Det samme er tilfældet med renoveringsprojekter, hvor kompleksiteten også er vokset. En renovering er mere end en løsning på et konkret problem, fx et hul i taget. Perspektiverne er blevet større. Fra 138 | DESIGN MED VIDEN | ENERGI- og HELHEDSRENOVERING

at være et begrænset kvalitetsløft af noget eksisterende er renovering blevet et vigtigt element i en større global vision for bæredygtighed, som Danmark med sit energiforlig i foråret 2012 hævede barren for.

et drejer sig om at skabe kvalitet D på alle områder : større sundhed og trivsel, bedre arkitektur, øget energiog miljøhensyn og en fornuftig økonomi.

Det er ikke nok at lappe hullet i taget. I stedet skal renoveringsprojekter bidrage til en værdiforøgelse i alle de aspekter, som bæredygtighedsbegrebet omfatter. De store visioner for udviklingen af vores byer og bygningsmasse har hidtil kun rettet sig mod nybyggerier, men med det ændrede perspektiv på den eksisterende bygningsmasse vil renoveringer være et af de vigtigste initiativer i de kommende år. Ingen bæredygtig samfundsudvikling er mulig uden renovering.

Ved en traditionel bygningsrenovering øges brugsværdien, mens energiforbruget fastholdes. Det konkrete problem, fx hullet i taget, tvinger bygningens ejer til at renovere. I den forbindelse opstår der ofte spørgsmål om bygningens energiforbrug og den lovpligtige energimærkningsordning. Derfor er begrebet energirenovering allerede blevet en fast del af sproget i byggebranchen. Det er en kendt

Ved en traditionel renovering løser man enkeltstående problemer, fx et utæt tag. Ved en helhedsrenovering forholder de konkrete løsninger sig til en vision, der giver renoveringen et kvalitativt løft. Illustrationen viser Klostermarkskolen i Roskilde, der blev renoveret med en ambition om bl.a. at skabe et bedre indeklima og dermed bedre undervisningsforhold for elever og lærere. Ved at overdække et uderum har man skabt bedre forhold i de eksisterende bygninger, bedre dagslysforhold og naturlig ventilation. Se mere om projektet på side 48ff.

øvelse, der ofte ender med at være en delorienteret løsning – fx skiftes taget , der efterisoleres , eller der installeres et mekanisk ventilationssystem.

For brugeren kan det betyde tykkere vægge, lavere til loftet eller støj i hverdagen fra ventilationsanlægget. Samtidig forhøjer renoveringsarbejdet og driften af det nye ventilationsanlæg huslejen.

Den gevinst, som energirenoveringen giver, bliver altså betalt med dårligere kvalitet i bygningens rum.

I stedet for en konventionel energirenovering kan man iværksætte helhedsrenovering. Begrebet dækker over renoveringsprojekter, hvor der fokuseres på såvel energi og arkitektur som på sundhed, trivsel og økonomi.

I stedet for en konventionel energirenovering kan man iværksætte helhedsrenovering. Begrebet dækker over renoveringsprojekter, hvor der fokuseres på såvel arkitektur og energi som på sundhed, trivsel og økonomi. Udgangspunktet er, at alle fem aspekter har en synergi, og at de gensidigt forstærker hinanden. Ved en helhedsrenovering opnås den optimale forøgelse af bygningens totalværdi. Indledningsvis skal potentialet kortlægges ved en grundig screening af tekniske installationer, bygningsfysikken og bygningens anvendelse.

Flere hensyn i et renoveringsprojekt gør det også mere kompliceret, og en helhedsrenovering har flere udfordringer. Initiativet til renoveringsprojekter ligger ofte hos planlæggere i det offentlige, politikere eller fagfolk, som alle har langsigtede strategier for øje. De tænker gerne i tidsperspektiver på flere årtier og accepterer, at renoveringen er dyr til at starte med, men i løbet af nogle år tjener sig selv ind i form af energibesparelser og øget kvalitet. Kommer initiativet fra private bolig- eller bygningsejere, er tidshorisonten kortere. De tænker ofte i her-og-nu-effekter og stiller udgiften til renovering ift. det økonomiske udbytte ved lavere energiudgifter. Investeringen skal give et positivt afkast i løbet af nogle få år, da privatejede bygninger skifter hænder med jævne mellemrum.

Problemet er tidligere blevet adresseret af bl.a. den grønne tænketank Concito, som kalder det „paradoksproblemet“. Udgiften til energirenovering komme ofte ikke investoren til gode, fordi tilbagebetalingstiden i form af energibesparelser er forholdsvis lang.

Renoveringsprojekter bliver altså ofte droppet, fordi beslutningen skal tages på meget forskellige præmisser. Politikere og planlæggere kigger på „det store billede“, mens bygningens ejere søger en kortere vej fra årsag til effekt.

Helhedsrenoveringer er ikke kun et spørgsmål om at skabe lavere energiudgifter. Det drejer sig om DESIGN MED VIDEN |

139

at skabe kvalitet på alle områder : større sundhed og trivsel, bedre arkitektur, øget energi- og miljøhensyn og en fornuftig økonomi. Vi har brug for at renovere. Det er sikkert og vist. Det er derfor nødvendigt at finde et fælles fodslag. Beslutningstagere skal mødes i en forståelse af de muligheder, som en renovering rummer.

ed en helhedsrenovering opnås V den optimale forøgelse af bygningens totalværdi.

Ved at skærpe iagttagelsesevnen og bruge mere krudt på analysen af de eksisterende forhold kan vi finde en balance mellem modernisering, renovering og revitalisering. Virkemidlerne er de samme, uanset om der er tale om renovering eller nybyggeri : dagslys, geometri, materialer etc. Forskellen er, at ved en renovering er nogle af parametrene er givet på forhånd. Helhedsrenoveringer evner at se og udfolde potentialerne i de givne forhold.

Brugernes ejerskab er afgørende for at skabe tilfredshed, når det drejer sig om komfort og indklima.

Derfor vil inddragelse af brugere og interessenter i driftsfasen være et vigtigt kriterium for projektets succes. Det kan ske ved løbende at indsamle data om både energiforbrug og indeklima-forhold og på den baggrund lave en samlet vurder-ing af, hvor der er mulighed for at lave yderligere tiltag eller styring og optimering af de eksisterende forhold. Det er 140 | DESIGN MED VIDEN | ENERGI- og HELHEDSRENOVERING

en langtidsholdbar, bæredygtig og dynamisk proces, der sikrer konstant udvikling og forbedring af bygningsmassens energiforbrug.

Den samme teknologiplatform kan anvendes til at indsamle data i driftsfasen, så man på en overskuelig måde løbende kan dokumentere de opnåede effekter. Detaljeringsgraden vil modsvare bygningens energipotentiale, fx elforbrug til henholdsvis belysning, ventilation eller enkelte bygningsområder. Detaljeringsgraden kan fastlægges i samråd med ejere, brugere og interessenter for på den måde at anskueliggøre, hvordan indsatsen kan optimeres yderligere på specifikke områder.

ange eksisterende bygninger lever M ikke op til de mest almindelige standarder i dag.

Renoveringer med det rette perspektiv forudsætter evnen til at zoome ind og ud. De konkrete problemer skal løses, og løsningen skal være i tråd med visionerne for bæredygtighed.

Den forskning, som er formidlet i denne bog, har beskæftiget sig med komplekse sammenhænge.

Ved at formidle problemstillingerne i korte og letforståelige tekster og konkrete løsninger i grafiske gennemgange af de mange cases er de vigtigste forhold i designet af bygningen og planlægningen af byen blevet gennemgået. Denne

10.0 Renovering

Energimærke G

Bygninger med stort potentiale

F

IN

G

Traditionel renovering med fokus på brugsværdi

HE

D Bygninger med lille potentiale

C

Energirenovering med fokus på energi

LH E

DS

RE

NO VE R

E

B

Traditionel renovering er en konkret problemstilling med en konkret løsning, mens helhedsrenovering løftes op på et abstrakt visionsplan, inden der findes en konkret løsning.

A Lav investering pr. m2

Middel

Høj

forenkling bringer forskningens resultater ind i hverdagen.

Bæredygtigt byggeri er mere end en ren teknologisk disciplin. Ægte lavenergi er tænkt ind i byggeriet helt fra starten, og løsningerne er integreret i en velfungerende arkitektur, som de ikke kan løsrives fra. Løsninger, der arbejder med dagslys, geometri, programdistribution, materialer og komfort i en veldefineret og afgrænset energimæssig problemstilling, er blivende.

Nøglen til smukke, behagelige og energirigtige bygninger findes i samspillet mellem arkitektur og teknologi. Design med viden giver indsigten til at formulere og fastholde en overordnet, bæredygtig vision .

DESIGN MED VIDEN |

141

Forskningsartikler

Forskningsartikler På de følgende sider er der mulighed for at stifte bekendtskab med et mindre udvalg af forskningsartikler om bæredygtigt byggeri. For at få forskningens pointer bredere ud har den i det foregående været forenklet.

Jakob Strømann-Andersen og Michael Jørgensen arbejdede i 2007 på deres kandidatafhandling på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) med et konkret projekt, der var på tegnebordet hos Henning Larsen Architects : et kontorhus i Amsterdam, hvor ambitionen var at skabe et lavenergihus. Afhandlingen viste, at der var et stort potentiale i at energioptimere designet ved at simulere energiforbruget allerede meget tidligt i den kreative proces. Det affødte to ph.d.-forskningsprojekter, der siden blev suppleret med Martin Vraa Nielsens. De tre forskningsprojekter supplerer – og beriger – hinanden og giver i dag et samlet billede af de energimæssige problemstillinger, der har betydning for et bæredygtigt byggeri.

Jakob Strømann-Andersens forskning viser, at byplaner og masterplaner har langt større betydning for byer og bygningers energiforbrug, end vi har vidst før. Planernes udformning påvirker meget direkte bygningerne og har stor betydning for energiforbruget i de enkelte bygninger. Bygningsvolumenerne og deres orientering påvirker hinanden : dagslysforhold, mikroklima, vind- og støjforhold defineres delvist af bygninger, der ligger i nærområdet. Hans forskning viser bl.a., at der ligger et stort potentiale i at fokusere mere på dagslys i planlægningen af byer og betragte dagslys som en vigtig fælles ressource.

Michael Jørgensen har forsket i sammenhængen mellem forskellige parametre i en bygning med betydning for energiforbruget. Hans forskning 142 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

har undersøgt udformningen af nybyggerier og det dynamiske potentiale, der findes i samspillet mellem geometri, bygningsfysik, komponenter og systemløsninger. Den rigtige dimensionering af rumligheder, volumener og en optimal organisering af funktionerne i bygningen kan minimere behovet for tekniske løsninger – ventilation, køling og opvarmning – og udgør et komplekst landskab af variable, der skal afbalanceres for at energioptimere en bygning.

Martin Vraa Nielsens forskning i udformningen af facader, deres dynamiske potentiale og indvirkning på bygningernes energiforbrug har været et område, hvor arkitekter og ingeniører har skullet definere et modus operandi med plads til begge faggruppers kompetencer. Facaden er et væsentligt element i bygningens arkitektoniske udtryk og regulerer samtidig dagslyset og solens påvirkning af bygningens indeklima. Facadens åbninger, udformning og størrelsen af vinduer spiller sammen med de tekniske løsninger : solafskærmning, klimastyring, isolering og koblingen til bygningens andre systemløsninger.

Forskningen har resulteret i mange publicerede artikler, og i de følgende er resuméet og en enkelt forskningsartikel fra hvert ph.d.-projekt genoptrykt. Det giver en mulighed for at komme flere spadestik dybere og stifte bekendtskab med den kompleksitet, som forskningen er præget af.

Publikationsliste Jakob Strømann-Andersen, Michael Jørgensen og Martin Vraa Nielsen har formidlet deres forskning i bæredygtigt byggeri på konferencer og i en række internationale, videnskabelige tidsskrifter.

The urban canyon and building energy use : Urban density versus daylight and passive solar gains J. Strømann-Andersen, P. A. Sattrup Publiceret i : Energy and Buildings, 43, Issue 8, August (2011) 2011-2020 Building Typologies in Northern European Cities – Daylight, Solar Access and Building Energy Use J. Strømann-Andersen, P. A. Sattrup Accepteret til publicering : Journal of Architectural and Planning Research, November 2011 Urban Daylighting : the impact of urban geometry, façade reflectance and window to wall ratios on daylight availability inside buildings A. Iversen, J. Strømann-Andersen, P. A. Sattrup Indsendt til : Building and Environment, December 2011 Urban design and pedestrian wind comfort – a case study of King Abdullah Financial District in Riyadh J. Strømann-Andersen, J. C. Bennetsen Accepteret til publicering : Environment and Planning B: Planning and Design, 2011 Integrated Design – paradigm for the design of low-energy office buildings M. Jørgensen, M. V. Nielsen, J. Strømann-Andersen Indsendt til : ASHRAE Winter Conference, 2011, Las Vegas, Nevada

A methodological study of environmental simulation in architecture and engineering – Integrating daylight and thermal performance across the urban and building scales P. A. Sattrup, J. Strømann-Andersen Indsendt til : Symposium on Simulation for Architecture and Urban Design, 2011, Boston, MA, USA Sustainable Cities – Density versus solar access ; A Study of Digital Design tools in Architectural Design P. A. Sattrup, J. Strømann-Andersen Indsendt til : ISES Solar World Congress, 2009, Johannesburg, South Africa Energy Design : Message to Staff on Spaceship Earth J. Strømann-Andersen Publiceret i : ArkitekturM , Vol 1. No 5. 2009. Arkitektens Forlag Climatic Diversity in the City J. Strømann-Andersen Publiceret i : Byplan, No. 3 september 2010/62. årgang Thermal Observatory – Installation proposal P. A. Sattrup, J. Strømann-Andersen Forslag til : Charlottenborg, Spring Exhibition 2010 and 24/7

DESIGN MED VIDEN |

143

Investigation of Architectural Strategies in Relation to Daylight and Integrated Design M. Jørgensen, A. Iversen, L. Bjerregaard Jensen Publiceret i : Journal of Green Building, Vol : 7. issue : 1, side : 40-54, 2012 Quantifying the potential of automated dynamic solar shading in office buildings through integrated simulations of energy and daylight M. V. Nielsen, S. Svendsen, L. Bjerregaard Jensen Publiceret i : Solar Energy, vol : 85, issue : 5, side : 757768, 2011 Energy renovation of listed buildings L. Bjerregaard Jensen, M. V. Nielsen Del af : Proceedings of ISES Solar World Congress 2011

144 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

Resumé

Integrated energy design in master planning Resumé af ph.d.-afhandling af Jakob Strømann-Andersen Ph.d.-afhandlingen betragter byens struktur og bygningen i en energimæssig sammenhæng og bruger denne viden til at designe energi- og komfortoptimerede byer og bygninger. Paramenterne er : naturens struktur, byen og landskabet, geometri og indbyrdes forhold, muligheder og begrænsninger mellem lys, skygge sol og vind.

Målet er trefoldigt : (1) at udbrede forholdet mellem byens tæthed, typologier, stoflighed og bygningens energiforbrug ; (2) at analysere hvordan teknisk videnskabelig viden kan integreres i de tidlige planlægnings- og designbeslutninger (IED) ; (3) at illustrere arkitektens ansvar og muligheder for at gentænke den arkitektoniske rolle ud fra nye mål og viden.

programmet. Det er her strukturen og forudsætningerne for byens og bygningens ydeevne bliver fastsat. Argumenteret på den måde vil en optimering af rumlige egenskaber (byens tæthed, typologier og stoflighed) have en højere energimæssig prioritet sammenlignet med en optimering af de tekniske systemer. Dette betyder, at i en designproces vægter arkitektens ansvar højere end ingeniørens.

Forskningsresultaterne viser, at effekten af byens struktur på bygningens energiforbrug er meget større end før antaget, mere præcist beskrevet og mere dynamisk i sin karakter, fordi dagslys er taget med i betragtning. Dertil indikerer resultaterne, at der er en grænse for fortætning (200 -300 %) som konsekvens af en energioptimeringsstrategi.

Potentialet for solenergi og dagslys skal betragtes eller endda beskyttes som en fælles ressource i byens planlægning.

Den vigtigste kvalitative iagttagelse er, at det første step i en energioptimering sker ved arkitektens første streg på papiret, fordi designet allerede her er nødt til at forholde sig til konteksten og byggeDESIGN MED VIDEN |

145

Journal Identification = ENB

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

Contents lists available at ScienceDirect

Energy and Buildings journal homepage: www.elsevier.com/locate/enbuild

The urban canyon and building energy use: Urban density versus daylight and passive solar gains J. Strømann-Andersen a,∗ , P.A. Sattrup b a b

Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark, Brovej Building 118, 2800 Kgs. Lyngby, Denmark Institute of Building Technology, Royal Danish Academy of Fine Arts School of Architecture, Philip de Langes Allé 10, 1435 Copenhagen K, Denmark

a r t i c l e

i n f o

Article history: Received 8 September 2010 Received in revised form 30 March 2011 Accepted 10 April 2011 Keywords: Urban density Energy use Daylight Solar radiation Integrated design

a b s t r a c t The link between urban density and building energy use is a complex balance between climatic factors and the spatial, material and use patterns of urban spaces and the buildings that constitute them. This study uses the concept of the urban canyon to investigate the ways that the energy performance of low-energy buildings in a north-European setting is affected by their context.

This study uses a comprehensive suite of climate-based dynamic thermal and daylight simulations to describe how these primary factors in the passive energy properties of buildings are affected by increases in urban density.

It was found that the geometry of urban canyons has an impact on total energy consumption in the range of up to +30% for offices and +19% for housing, which shows that the geometry of urban canyons is a key factor in energy use in buildings. It was demonstrated how the reflectivity of urban canyons plays an important, previously underestimated role, which needs to be taken into account when designing lowenergy buildings in dense cities. Energy optimization of urban and building design requires a detailed understanding of the complex interplay between the temporal and spatial phenomena taking place, merging qualitative and quantitative considerations. © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction One of the most basic and fundamental questions in urban master planning and building regulations is how to secure common access to sun, light and fresh air, but for the owners of individual properties, it is often a question of getting the most of what is available. There is potential for repetitively recurring conflict between public and private interest. Solar access and the right to light remain contested territory in any society, vital as they are to health, comfort and pleasure.

Traditional urban planning has sought to control the proportions of the streets, because the basic geometry of building heights and distances between buildings regulates access to light and solar heat. Zoning laws and building regulations usually establish heightto-distance ratios that limit the overshadowing that buildings may cause for public spaces and other buildings. A similar geometric abstraction of urban space – the urban canyon [1] – has been used in urban climatology, to describe the way that urban spaces create special environmental conditions. It is a spatial archetype that allows us to integrate knowledge from several different specialized

∗ Corresponding author. Tel.: +45 4525 1868; fax: +45 4525 1700; mobile: +45 6170 7016.

E-mail address: jasta@byg.dtu.dk (J. Strømann-Andersen).

0378-7788/$ – see front matter © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved. doi:10.1016/j.enbuild.2011.04.007

146 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

fields of research. In geometric terms, the urban canyon is described as the height/width ratio of the space between adjacent buildings.

Cities develop over time, and the proportions of urban canyons have long lasting impacts on the future energy consumption for the heating, cooling and lighting of the buildings that define them and the environmental qualities of the streets, squares, courtyards or gardens that comprise them. Urban development is a rather slow process in most industrialized societies, but the impact of site conditions on building energy use multiply over the years – more than other processes that affect a buildings performance over its lifetime.

So, considering that one of the main challenges to architects and engineers in the next decades will be how to improve the energy performance of our buildings and cities, we need to improve our knowledge of both urban and building design through research on the dynamic interplay between climate, context and building energy use. The passive properties of buildings are likely to play a much more important role in the total energy consumption, as winter heat losses are reduced with better insulation, glazing and air tightness.

Urban densification is one strategy for sustainable development, focusing on energy savings through efficient transport systems, shared infrastructures and minimizing heat gains and losses that dominate energy budgets. It has been established that densification is a balancing act between these opportunities on the one hand, and ensuring solar access for low-energy buildings and urban

Journal Identification = ENB

2012

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

comfort on the other. Yet, the intricate connections between urban climate, urban form and energy use of buildings remain a subject that requires further research [2]. In the already built cities of northern Europe, urban density is of particular concern, because the high latitudes and the associated low solar inclinations mean that the urban geometry affects solar access much more here than in other urban centres around the world. Overshadowing is an obvious problem. The relative scarcity of light, particularly during the long winter season, is increased by the overcast skies that dominate the region throughout the year, creating special conditions for the region’s architecture and planning to deal with.

Recent developments in computation, such as Geographic Information Systems (GIS), Building Information Models (BIM), and detailed climate-based thermal, shading and lighting simulation software, offer new insights into the dynamic relationship and specificities of climatic conditions and the individual building’s use and properties, helping us identify the balancing points of solar gains and daylight conditions resulting from urban geometry. These insights can serve as an improved basis for energy-optimized urban planning and building design. The building design process often has the urban scale as one of its very first concerns, so knowledge of the relative impacts of urban geometry is an important asset for energy-optimized architecture, because energy savings from design choices on the urban scale are very long-term, and lessen the need for advanced technical measures, such as shading systems, ventilation systems and active systems like PVs on the building scale, that have high investment costs and short useful lifetimes. A serious deficiency in the energy calculations that are now mandatory in many countries is that they focus on the performance of the individual building, and neglect the interplay between the building and context due to overshadowing. As will be demonstrated in this paper, buildings in dense urban settings can not only make positive contributions to the energy and comfort performance of neighbouring buildings through their reflectance of daylight, but may gain qualities themselves in doing so.

The analysis focuses on north-European cities, with the climate of Copenhagen (55.40◦ N 12.35◦ E) used as reference, but both the methodology applied and the findings are relevant for urban development and building design globally. In Denmark, low-energy buildings will be the new standard by 2015. Primary energy use levels of ≈35 kWh/m2 /year for housing and ≈50 kWh/m2 /year for office buildings will be the minimum for compliance for new buildings, with further increases in energy efficiency being aimed at in the near future. Incentives and regulations to improve the performance of the existing building mass are being discussed for implementation [3].

The key questions of this study are: 1 How do the height/width ratios of urban canyons affect building energy use for lighting, heating and cooling?

2 How big is the relative impact of the height/width ratio on the total energy use compared to unobstructed solar access?

The first question aims at understanding the physical and temporal phenomena of energy exchanges, and their interdependencies. This requires an in-depth investigation of the urban canyon to study the differences in energy potential available to apartments or office subdivisions on the various levels of a building.

The second question allows for a quantitative comparison of the impact of the energy distribution of solar radiation and daylight in the urban canyon building requirements for heating, cooling and artificial lighting. The relative impact on these requirements is necessary and useful information when discussing, or indeed designing for, the energy optimization of buildings and urban spaces in the effort to improve cities and buildings.

2. Background The urban canyon has been used in urban climatology as a principal concept for describing the basic pattern of urban space defined by two adjacent buildings and the ground plane. Apart from its metaphorical beauty, the key quality of the term is the simplicity it offers in describing a repeated pattern in the otherwise complex field of urban spaces and building forms. While the impact of urban geometry on the urban microclimate is well established, studies have tended to focus on problems of overheating in warm climates, the urban heat island effect, and urban comfort. The distribution of air movement and temperature in urban canyons and its potential for energy savings related to ventilation has been the subject of a number of studies [4,5], connecting urban canyons to the field of building energy use, but their impact on the full range of energy uses in buildings has not been thoroughly investigated.

At the other end of the building-urban space divide, energy models and simulation techniques have been developed to study and describe the energy performance of buildings in relation to the surrounding climate. However, these models are generally intended for use by building designers and tend to consider buildings as self-defined entities, either neglecting or grossly simplifying the importance of phenomena that occur on the urban scale. Nevertheless, there have been some investigations, e.g. Littlefair [6], of the link between the urban geometry and the individual building’s energy performance. Ratti et al. [7] document an effect of almost 10% in the relationship between urban morphology and the annual per-metre energy consumption of non-domestic buildings. They demonstrate the effect using a calculation that compares the DEM (Digital Elevation Model) with the LT method (Lighting and Thermal) developed by Baker and Steemers [8]. The most detailed and complete investigations of urban obstruction affecting energy use are presented by Baker and Steemers [9]. Using the LT method, they derived a correction factor to modify the specific energy consumption for non-domestic buildings. The LT method is a tool for strategic energy design and it should not be regarded as a precision energy model. Li et al. [10], in their study of vertical daylight factor (VDF) calculations, demonstrate that daylight is significantly reduced in a heavily obstructed environment. A study of VDF predicted by RADIANCE simulation demonstrates that an upper obstruction (˛U ) at 60◦ and a lower obstruction (˛L ) at 10◦ reduce the daylight level by up to 85%. The results also indicate that the reflection of the obstructive buildings can be significant in heavily obstructed environments, such as rooms on lower floor levels facing high-rise buildings. Few, if any studies have investigated the results of a combined and fully integrated dynamic energy simulation. An earlier study by Sattrup and Strømann-Andersen showed how the precision of energy simulation for various types of building in context improves dramatically, when developed in a multilayered, climate-based, dynamic simulation [11]. New tools like IES-Virtual Environment 6.0.2/RADIANCE offer multilayered analysis of thermal and lighting performance integrated with Building Information Models (BIM), and they can handle the modelling and dynamic simulation of complex urban geometry.

3. Method The research was done using a quantitative study of the simulated energy performance of digital models of buildings lining a series of variously proportioned urban canyons as the basis for a qualitative discussion. The research was conducted through the design of models based on types of urban space, building and user pattern. The type is a key concept to describe generic patterns associated with buildings. While generic models obviously lack a lot of the variation and diversity that could make them architecturally

DESIGN MED VIDEN |

147

Journal Identification = ENB

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

2013

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020 Table 1 Urban canyon and urban density guideline.

Street width Height/width ratio (H/W) Plot ratio (%) guideline (5-storey uniform pattern)

∞ ∞

30 m 0.5 200

20 m 0.75 250

15 m 1.0 285

10 m 1.5 335

7.5 m 2.0 365

5m 3.0 400

Fig. 1. Contemporary urban (re)developments. (A) Offices. Kampmannsgade, Copenhagen. H/W ratio 0.8. (B) Housing. Viborggade, Copenhagen, H/W ratio 1.25.

appealing, they have the abstract quality of identifying key parameters which can be varied and studied for their relative impact on overall performance.

Building types or typologies have been discussed throughout the history of architecture, and have influenced recent architectural thinking. As Eisenman notes in his introduction to Rossi [12], type refers to both object and process, and thus offers a basis for invention because it describes an essence of design to be investigated through research. Types are used in several studies of buildings, environment and energy. As Hawkes [13] says: “Type offers the possibility of translating the results of technically-based research into a form that renders them accessible to designers”.

In this study, types are used on three levels: • The urban canyon is a type, which is itself an abstraction of other types: the street, the square, the courtyard, the garden, etc.

• The building is a type. In this instance the building is of the infill type, forming part of a larger array of buildings facing an urban canyon, as is usual in urban blocks, or building slabs. To achieve detail the building is subdivided in spatial units, such as apartments or office subdivisions, each unit facing in only one direction. This allows differentiated results for 4 orientations. The building type has two variations: housing and office linked to the types of user patterns for homes and workplaces.

• The use pattern is a type. The two user patterns studied are for homes and workplaces, the main difference being their complementary daily and weekly occupation patterns.

historical development of the city, and the societal and technological forces that guided it. Nevertheless, the patterns persist and are repeated in contemporary urban (re)developments (Fig. 2).

Each canyon was defined for a 5-storey building with a height of 15 m, allowing easy comparison and individuation of the resulting energy performance. Lower H/W ratios exist, of course, in the suburbs, but were not the subject of study here.

The relative ‘fit’ of the urban canyon concept to real urban patterns is scale-dependent. Because the urban canyon concept is an abstraction of the spatial complexities of real cities, its relation to density is somewhat simplified too. The extra solar access at street intersections and the lateral shading occurring at building angles are ignored. But if an ideal urban pattern consisting solely of uniformly distributed building slabs or terraced houses is presupposed, in which every second canyon is for access and traffic and the other a semiprivate communal space, like a courtyard or garden forming part of the building’s plot, density can be described using a rough plot ratio indicator (Table 1).

Since the aim in this study is to highlight the effects of urban density upon building energy consumption, default values are assigned to all variables except those that relate to urban geometry. Simulation was done on two levels: that of the radiative environment of the urban canyon itself, including the dispersion of daylight, and that of the energy performance of the buildings in the urban canyon.

3.1. Urban canyon types, height/width ratios The urban patterns of Copenhagen was taken as reference, and defined six different canyons by their height/width ratio (H/W) ranging from 3.0 to 0.5 (Table 1). The highest H/W ratio spaces are found mostly in the medieval parts of the city, such as passages and very narrow courtyards, and the lowest ratio reflects conditions found in urban squares, boulevards and more spatially generous courtyards (Fig. 1). The densities are closely associated with the

148 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

Fig. 2. Typical urban patterns and proportions of urban canyons in Copenhagen.

Journal Identification = ENB

2014

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020 Table 2 List of energy factors as stated in the Danish building regulation [25] and how they are used in the simulation.

Fig. 3. Validated units. (A) Office unit (window-to-wall ratio 40%). (B) Housing unit (window-to-wall ratio 20%).

3.2. Urban-canyon simulation, radiative and daylight environment The radiative environment was studied using Autodesk Ecotect Analysis 2010. Ecotect is a highly visual architectural design and analysis tool that links a comprehensive 3D modeller with a wide range of performance analysis functions [14]. For solar radiation calculations, ECOTECT uses hourly recorded direct and diffuse radiation data from the weather file (*epw). In addition to standard graph and table-based reports, analysis results can be mapped over building surfaces or displayed directly in the spaces. This includes visualization of volumetric and spatial analysis results.

In this study, the RADIANCE-based simulation environment DAYSIM was used for all dynamic simulations of outdoor and indoor illuminance due to daylight. DAYSIM applies the Perez sky luminance model [15] to simulate indoor illuminance in arbitrary sky conditions. It merges the backward ray tracer RADIANCE (Ward and Shakespeare, 1998. G. Ward and R. Shakespeare Rendering with RADIANCE. The Art and Science of Lighting Visualization, Morgan Kaufmann Publishers (1998)) with a daylight coefficient approach and permits reliable and fast dynamic illuminance simulations [16].

DAYSIM allows the simulation of an annual illuminance data set for any specified point and orientation in a given environment. It uses data interpolation from the (*epw) weather file. More detail on the underlying simulation algorithm of DAYSIM can be found in [17,18]. Daylight factors have been used in many previous studies as a simple method of predicting ‘worst case’ scenarios using CIE-standardized skies, but these ignore dynamic weather conditions since they do not incorporate actual climate data, which vary a lot depending on the real-world location. Advances in computing power now allow a detailed hourly analysis and relatively fast calculation of daylight levels using metrics, such as the Daylight Autonomy metric, in which available daylight is quantified combining both direct and diffuse radiation [19,20].

Street canyon surface reflectance variables are: Ground (Albedo) = 0.20 and external wall = 0.45/window = 0.15. Surface reflectance thus depends on the glazing ratios of the adjacent buildings, 20% glazing for housing and 40% for offices.

3.3. Building and user pattern types for offices and housing On either side of the canyons in our model, buildings are defined by 5 storeys of 50 m2 spatial units, each with a 3 m floor to floor height, 5 m room depth and glazing ratios of 20% for housing and 40% for offices (Fig. 3). The proportions of the units are associated with apartments or office rental units commonly found in central Copenhagen. Taken together, 2 spatial units facing opposite directions would constitute a generic 100 m2 apartment or office subdivision, a size that is commonly found, and close to the national average of 110 m2 per dwelling [21]. The room depth falls well into the category of ‘potentially passive’ space [22] in which daylight and solar gains can play a significant role. The model, while generic, is thus linked to the most important geometric factors that regulate the development of the urban fabric over time.

Energy source

Factor

Simulation

Gas and oil District heating Electricity

1.0 0.8 2.5

Heating and DHW Heating and DHW Cooling, Mech. Vent. and Art. Light.

The user patterns are reflected in the different occupation hours and activity levels of the system settings, basically following the working week and the daily rhythm. The user patterns are designated so as to achieve the European standards of indoor environment [23] and reflect differences in requirements for housing and offices. These are not discussed as such (see Appendix A).

3.4. Building types energy simulation The energy calculations were performed using the simulation tool IES-Virtual Environment 6.0.2, ApacheSim/RADIANCE, which creates a fully integrated thermal and daylight simulation with detailed hourly output of the electrical energy consumption for lighting, mechanical ventilation, heating load, cooling load, and indoor operative temperature. The IES-Virtual Environment is an integrated suite of applications linked by a common user interface and a single integrated data model. It qualifies as a dynamic model in the Chartered Institution of Building Services Engineers’ [24] system of model classification. IES-Virtual Environment 6.0.2/ApacheCalc (thermal simulation) does not take the effect of the local microclimate into account. To accurately determine the local wind speed and thereby convective heat transfer on both internal and external boundary surfaces is extremely difficult and could only be done by means of careful measurements or advanced computer simulation. For these reasons, the variation of the surface heat transfer coefficient has been ignored.

The glazing ratios used are related to sizes typically found in traditional housing and modern office buildings. The model buildings are very well insulated heavy constructions. Wall U-values are 0.2 W/m2 K. Glazing U-values are 1.5 W/m2 K, g-values are 0.62. See Appendix A for details of default settings and generic user patterns for housing and offices.

The lighting system in the rooms is controlled by the illuminance at a reference point. Reference points are placed 0.85 m above the floor and 1 m from the back wall. In offices, lighting is dimmed between full power when no daylight is available and minimum power when the illuminance from daylight in the reference point is above 200 lx. A linear control is assumed. For housing, a manual on/off control is assumed, which means that the lighting is always at maximum power, when daylight in the reference point is under 200 lx. Since not every room in the house is always active, a switched-on-profile of 20% is added. As in the urban canyon simulation, the design simulation weather data is used for the full year simulation. The system settings for the model reflect a building that allows for a certain degree of user adaptation and control over the environment, so as to highlight the impact of geometries and material properties of both building and urban space, not the building technology as such.

Energy use is measured in primary energy using primary energy factors corresponding to the Danish building regulations [25] (Table 2). In principle, primary energy use is the total weighted energy. It can be calculated from the unit’s estimated net consumption.

The total net energy consumption is divided into five primary needs: (1) Domestic Hot Water (DHW), (2) artificial lighting, (3) mechanical ventilation, (4) cooling load, and (5) heating load.

DESIGN MED VIDEN |

149

Journal Identification = ENB

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

Energy use for electric appliances other than these is not considered in this study.

Of the five needs, three vary as a function of the urban density. DHW and mechanical ventilation are simulated as constant.

In the simulation, it is assumed that the refrigeration system has a COP value (COP = Coefficient of Performance) of 2.5, which means that electricity consumption for cooling counted by a factor 1 to 1 (refrigeration kWh equals electricity kWh). Since the analysis operates in an urban context, it is assumed that the building is equipped with district heating. The heating supply is therefore regarded as having an efficiency of 1 to 0.8.

4. Results and discussion The analysis of the environments of the canyons is presented and discussed first in terms of radiation and daylight, comparing daylight factor and daylight autonomy metrics, and then in comparison with the energy consumption of electricity for artificial lighting in offices, because this is where the greatest impact and the widest diversity of results are found. The total energy consumption of offices is then presented and discussed, followed by an analysis of the energy consumption of housing.

4.1. Urban canyon radiative environment and daylight In Copenhagen, the solar inclination is rather low, particularly in winter, 11◦ at midday winter solstice, 58◦ in summer (compared to 15◦ /62◦ in London), which means that direct solar radiation only grazes the top storeys and roofs of dense urban districts in winter.

Overshadowing is an obvious problem.

Fig. 4 shows how the average daily distribution of radiation in urban canyons defined by north/south-facing buildings is calculated combining direct and diffuse radiation climate data on an annual basis. It is assumed that diffuse radiation is evenly distributed across the sky dome. The distribution of the radiation level curves is influenced by the sun angle, the climate-based mix of direct and diffuse radiation, and the reflectivity of the building surfaces.

When the radiation levels are converted to daylight levels and subjected to a daylight autonomy analysis, it can be seen how the asymmetry of the daylight distribution in the canyons varies greatly between high illuminance levels (>10,000 lx) (Fig. 5) and low illuminance (<500 lx) (Fig. 6). While the low level distribution is relatively even and resembles that of overcast skies, it is nevertheless slightly asymmetrical because it does include direct light that comes in at low angles at times of the day when the light is not intense. The high illuminance levels are pronouncedly asymmetrical, yet not more so than to include a significant proportion of diffuse and reflected light. An interesting point is to note how the intersection of the 10–15% daylight autonomy curve at the north-facing fac¸ade seems to follow the inclination of reflected light from the top of the opposing fac¸ade coming in at low angles.

The reflectance of the urban canyon affects the daylight distribution inside the spatial units significantly. Fig. 7 shows how the daylight distribution of an urban canyon with high wall reflectance (0.75), compared to one with low wall reflectance (0.45), is significantly better and more evenly distributed at the bottom of the canyon and deep inside the spatial units themselves. In the low reflectance canyon, the 80% daylight autonomy curve is almost identical to the sky-dome cut-off angles that are defined by the opposing building, making the daylight almost exclusively dependent on the view of the sky. In the high reflectance canyon, reflected light shows a remarkable capacity to penetrate laterally through multiple reflections and achieve reasonable daylight autonomy lev-

150 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

2015

els of 50% even deep inside the spatial units at the bottom of narrow (10 m, H/W ratio 1.5) canyons. If we consider the light quality experienced by a person working away from the window on the ground floor, in the first case, the person might be almost totally dependent on artificial light, while in the second, the person might have much more of the variation and quality associated with daylight, even though filtered by the urban context.

It becomes clear that overshadowing is not the only way buildings affect the energy use of their neighbours. The reflectivity of their surfaces also significantly affects the availability and distribution of daylight, and the associated energy use for artificial lighting of their surroundings. This simple fact, which nevertheless holds enormous design potential for architects and engineers, should lead to design guideline developments in urban planning and zoning regulations, because the urban geometry can be considered a daylight and energy distributing armature proper. The light and energy of the sun, exploited and redistributed through a careful mediation of its temporal, spatial and atmospheric characteristics.

4.2. Energy consumption for offices Fig. 8 shows a general increase in energy consumption as a result of increased density as expressed by the H/W ratio. Because the results are balanced by a 2.5 primary energy conversion factor for electricity use compared to heating and cooling, artificial lighting becomes both the dominant factor in energy use at very high densities and the factor most susceptible to changes in density. Cooling demand decreases with density due to overshadowing, while the reduction in solar gains due to the very low solar altitude during the heating season results in increased use of energy for heating (Fig. 10). Artificial lighting has the largest variability of the individual energy needs. Energy use for artificial lighting is doubled even at the lowest density (H/W 1.0) compared to an unobstructed context, and increases more than six times at the highest density (H/W 3.0) (south 2.8–17.2 kWh/m2 /year).

Thus, comparing north/south-facing buildings to east/westfacing ones, it is interesting to note that an unobstructed context favours north/south-oriented office buildings while the opposite is true in dense urban canyons, with H/W ratios above 1.0. For east/west-facing buildings in unobstructed environments, the heat gains from the early morning and late afternoon sun would lead to overheating in summer, but this is partially blocked by the urban context and mostly affects just the upper levels. Instead, reflected light contributes positively to daylight in the lower levels of the buildings on the other side of the canyon. As the sun nears its maximum, its lateral angle towards the fac¸ade means that the area of east/west-facing windows towards the sun diminishes and receives less heat. At this point of the day, the direct radiation penetrates the length of the urban canyon at all times of the year, unless laterally obstructed, and contributes to raising the daylight levels at the bottom of the urban canyon through reflection.

Another interesting observation is that a north-facing building needs less energy for artificial lighting than a south-facing one at the highest density in this study (Fig. 11). It was found to be mainly due to the fact that the proportions of the urban canyon allows direct light to be reflected off the opposing fac¸ade and into the lower north-facing offices.

Fig. 9 shows the relative variation in the total energy consumption from free horizon to a height/width ratio of 3 varies from between +2.1% and +30.2% for offices depending on the geographic orientation. The greatest relative variation was found with the south/north building orientation. The south-oriented units in particular stand out by having a large relative influence even with large canyon widths. For example, the relative influence is +10% for a street width of 20 m (H/W 0.5). This means that the relative variation at is 2–3 times greater than with other orientations. The largest

Journal Identification = ENB

2016

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

Fig. 4. Average daily solar radiation in street canyon. Calculated in ECOTECT (working hours 08–17, contour range 500–2500 Wh in steps of 200 Wh). Weather data, Copenhagen (*epw).

Fig. 5. Annual illuminance > 10,000 lx in street canyon. Calculated in RADIANCE/DAYSIM (working hours 08–17, contour range 0–50% in steps of 5%). Weather data, Copenhagen (*epw).

Fig. 6. Annual illuminance > 500 lx in street canyon. Performed in RADIANCE/DAYSIM (working hours 08–17, contour range 85–95% in steps of 1%). Weather data, Copenhagen (*epw)

Fig. 7. Annual illuminance > 200 lx in street canyon with surface reflectance variables, Ground (Albedo) = 0.20. Calculated in RADIANCE/DAYSIM, (working hours 08–17, contour range 0–100% in steps of 10%). Weather data, Copenhagen (*epw). (A) Reflectance external wall = 0.45. (B) Reflectance external wall = 0.75.

relative variation is the need for cooling. Here the energy consumption is reduced almost exponentially with the increase in H/W ratio.

For example, the need for cooling is reduced by an average of −150% with a H/W ratio of 1.5 (canyon width 10 m) compared to free hori-

zon. With very narrow canyons, H/W higher than 1.5, the need for cooling is reduced to insignificant amounts.

Energy consumption not only varies as a function of the street width, but also for the individual building units. Each unit has a

Fig. 8. Total primary energy consumption (kWh/m2 /year) for a 5-storey office building as a function of urban density.

DESIGN MED VIDEN |

151

Journal = ENB Article Identification = 3187 May 10:31 21, 2011 cation = ENBIdentification Article Identification = 3187 Date: May 21, 2011Date: Time: am Journal Identification = ENB Article Identification = 3187 Date: May 21, 2011

Journal Identification = ENB

Time: 10:31 am Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, / Energy and 2011–2020 Buildings 43 (2011) 2011–2020 J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / EnergyP.A. andSattrup Buildings 43 (2011)

J. Strømann-Andersen, Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020 Article Identification = 3187 Date: May 21,P.A. 2011 Time: 10:31 am

2017

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

Journal Identification = ENB

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

2017 2017

2017

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

2017

Fig. 9. (%) Relative deviation (%) of energy consumption a 5-storey office building as adensity function of urbanto density compared to free horizon.

Fig. 9. Relative deviation of energy consumption for a 5-storey officefor building as a function of urban compared free horizon.

Fig. 9. Relative deviation (%) of energy consumption for a 5-storey office building as a function of urban density compared to free horizon.

Journal Identification = ENB

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

Fig. 9. Relative deviation (%) of energy consumption for a 5-storey office building as a function of urban density compared to free horizon.

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020 Journal Identification = ENB

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

2017

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

2017

Fig. 9. Relative deviation (%) of energy consumption for a 5-storey office building as a function of urban density compared to free horizon.

Fig. 9. Relative deviation (%) of energy consumption for a 5-storey office building as a function of urban density compared to free horizon.

2 Fig. 10. 2Solar (kWh/m /year) a 5-storey office building (north/south) as adensity. function of urban density.

Fig. 10. Solar gain (kWh/m /year)gain for a 5-storey officefor building (north/south) as a function of urban Fig. 10. Solar gain (kWh/m2 /year) for a 5-storey office building (north/south) as a function of urban density.

as anwhole example, the whole suffers summer overheating, energy consumption depending on the floor onas which the an example, the building suffersbuilding summer overheating, fic energy specific consumption depending on the floor on which the Fig. 9. Relative deviation (%) of energy consumption a 5-storey building as a function urban density compared to free horizon. overheating, an example, theof whole building suffers summer specific energy consumption depending on the floor on for which the officeas Fig. 10.energy Solar gain (kWh/m2the /year) increases forwhich a 5-storey office building (north/south) asunits aby function urbancooling, density. which our model dealof with by increasing cooling, but only is located.

Generally the consumption the our model units deal with increasing but only is located. unit Generally the energy consumption increases which our model units deal with by increasing cooling, but only unit is located. Generally the energy consumption increases the thegain top level gainoffrom the heat of direct radiation and enjoy narrower and unit the closer gets to the theground. top level units from units the heat direct radiation and enjoy ower the canyon andthe thecanyon closer the gets tothe theunit ground. thean topexample, level units frombuilding the heatsuffers of direct radiation and enjoy narrower the canyon and thedepending closer theon unit the ground. as thegain whole summer specific energy consumption thegets floortoon which the most of the occasional savings forthat artificial light thatoverheating, comes with However, the various and do canyon widths domost not show of the occasional savings for artificial light comes with ever, the various orientations andorientations canyon widths not show most ofour themodel occasional for by artificial light cooling, that comes However, the various orientations and consumption canyon widthsincreases do not show which units savings deal with increasing but with only unit is located.

Generally the energy the sunshine winter day.

As winters are verywith often overcast with the same the relative energyofperformance of the sunshine on a winter day.on Asa winters are very often overcast ame distribution of distribution the relative of energy performance the 2 sunshine on aunits winter day.

As winters aredirect very radiation often overcast with the same the distribution of Fig. the relative energy of the the top level from heat of and enjoy narrower canyon and the closer the unit performance gets tofor the ground.

10.

Solar gain (kWh/m /year) a 5-storey office building (north/south) as gain a function ofthe urban density. light levels well below 2000 lx, the sky dome does not contribute units.

Within the overall pattern of higher energy use at the botlight levels wellmost below lx, the skysavings dome doesartificial not contribute . Within the overall the pattern of higher energyand usecanyon at the widths botof 2000 thewell occasional light that with However, various orientations light levels below 2000 lx, for the sky dome does notcomes contribute units. Within the overall pattern of higher energy usedo atnot theshow botas an example, the whole building summer overheating, specific energy consumption on the floorbuildings onmuch, whichtend the much, quantitatively, to establishing indoor lighting levels above tom same of canyons, the narrowest canyons, north/south-facing quantitatively, to establishing indoor lightingsuffers levels above of the narrowest north/south-facing buildings tend sunshine on a winter day.

As winters are very often overcast with the distribution of the depending relative energy performance oftend the much, quantitatively, todeal establishing indoor lighting levels above tom of the narrowest canyons, north/south-facing buildings which our model units with by cooling, but only unit islevels, located.

Generally the consumption increases the 200 which isvalue the threshold value ofincreasing this model. to favour thewhich upper levels, which perform a lot than the islight 200 lx,botwhich the lx, threshold of this model. vour the upper perform a energy lotofbetter than thebetter levels well below 2000 lx, the sky dome does not contribute units.

Within overall pattern higher energy use at the 200top lx, which is the threshold value ofof this model. to favour the the upper levels, which perform a gets lot better the the level units gain from the heat direct radiation and enjoy narrower the canyon and the closer the unit to thethan ground. lower levels, to such a degree as to increase the overall perforr levels, totom such a degree as to increase the overall performuch, tosavings establishing indoorlight lighting oflevels, thethe narrowest buildings tend Fig. 10. north/south-facing Solar (kWh/m /year) for 5-storey office building as a function of urban most (north/south) ofquantitatively, the occasional for density. artificial that levels comesabove with However, various and canyon widths doa not show lower to such orientations acanyons, degree as togain increase the overall performance significantly. show a more evenly 200 which the threshold value ofare thisvery model. to favour the upperEast/west-facing levels, a performance lot better than the ce significantly.

East/west-facing buildings showperform abuildings more evenly 4.3. lx, Energy forAshousing 4.3.

Energy for housing sunshine onconsumption ais winter day. winters often overcast with the same distribution of thewhich relative energy of the consumption as an example, the whole suffers summer overheating, specific energy consumption depending on theshow floor aon which the mance significantly.

East/west-facing buildings more evenly 4.3.

Energy consumption forbuilding housing light levels well below 2000 lx, theby sky dome does not contribute units. the overall pattern of energy use at the botlower levels, to such degree as tohigher increase the overall perfordistributed increase inaenergy use along with increases the H/W buted increase in energy use along with increases in the H/W which our model deal increasing cooling, but only unit isWithin located.

Generally the energy consumption the Fig. 10.

Solar gain (kWh/m /year) increases forin a 5-storey office building (north/south) asunits a function of with urban density. distributed increase inand energy use along with increases in the H/W much, quantitatively, tofrom establishing indoor lighting levels tom of significantly. thethe narrowest canyons, north/south-facing buildings tend the top levelconsumption units gain the heat of direct radiation and above enjoy narrower canyon the closer the unit gets the ground. mance East/west-facing buildings showto a more evenly Energy for housing ratio and the position of the units closer to the bottom of the canyon. and the position of the units closer to the bottom of the canyon.

12 and 13 show that the relative impact of increased denFigs.

12 and 4.3.

13 Figs. show that the relative impact ofartificial increased denas example, the whole building suffers summer overheating, specific consumption depending on floor on which the most theand occasional savings for light that comes with However, the various orientations and canyon widths do not show 200an lx,of which is 13 the threshold value of this model. to favour the upper levels, which perform a lot better than the ratio andenergy the position of thethe units closer towith thethe bottom of the canyon.

Figs.

12 show that the relative impact of increased dendistributed increase in energy use along increases in the H/W which our model units deal with by are increasing cooling, but with only unit is located.

Generally energy consumption increases the sunshine on a winter day.

As winters very often overcast the same distribution of the relative energy performance of the The explanation is in the seasonal changes that happen through he explanation is in the seasonal changes that happen through sity on energy consumption is more moderate for housing than for sity on energy consumption is more moderate for housing than for lower levels, such a the degree as tochanges increase thehappen overall perforthe top level units gain fromis the heat of direct for radiation and enjoy narrower the to canyon and the closer the unitthat gets to the through ground.

The explanation isof in seasonal sity on energy consumption more moderate housing than for light levels well below 2000 lx, the sky dome does not contribute units.

Within the overall pattern of higher energy use at the botratio and the position the units closer to the bottom of the canyon.

Figs.

12 and 13 showsavings that thefor impact of increased denmost ofThe the occasional artificial light that comes with However, orientations and canyon widths not show mance significantly. buildings show a do more evenly 4.3.

Energy consumption for housing the year.

Ifthe wevarious take East/west-facing the south-facing units the H/W 1.5 canyon ear. If we take the south-facing units in the H/W 1.5 in canyon offices. largest single need inrelative housing ismeans heating.

This means offices.

The largest single need in housing is heating.

This much, quantitatively, to establishing indoor lighting levels above tomyear. of the narrowest canyons, north/south-facing buildings the If we take the south-facing units in the H/W 1.5 canyon sunshine onlargest a winter day. need As winters are very often overcast with the same distribution of the relative energy performance oftend the offices.

The single in housing is heating.

This means The explanation is in the seasonal changes that happen through sity on energy consumption is more moderate for housing than for distributed increase in energy use along with increases in the H/W 2

2

to favour the the upper levels, which a lot better the units.

Within overall pattern ofperform higher energy use at than the bot-

the If narrowest we the south-facing inbottom the 1.5 canyon. canyon ratioyear. and the position of the unitsnorth/south-facing closer to the of the lower levels, totake such a degree as to units increase theH/W overall perfortom of the canyons, buildings tend mance East/west-facing buildings show a more evenly to favour the upper levels, which perform athat lot happen better than the The significantly. explanation is in the seasonal changes through lower levels, to such degree as along to increase the overall perfordistributed increase inaenergy use with increases in the H/W the year.

If we take East/west-facing the south-facing units in the H/Wmore 1.5 canyon mance significantly. buildings show a evenly ratio and the position of the units closer to the bottom of the canyon. distributed increaseis in energy use along with increases in the H/W The explanation in the seasonal changes that happen through ratio and the position of the units closer to the bottom of the canyon. the year. If we take the south-facing units in the H/W 1.5 canyon The explanation is in the seasonal changes that happen through the year. If we take the south-facing units in the H/W 1.5 canyon

200 lx, which is the threshold value of this model. light levels well below 2000 lx, the sky dome does not contribute

offices.

The largest single need housing is lighting heating.

This means Figs.quantitatively, 12 and 13 show thein relative impact of increased denmuch, to that establishing indoor levels above 200 which is the threshold this model.

4.3.

Energy consumption for housing sity lx, on energy consumption is value more of moderate for housing

than for offices.

The largest single need in housing is heating. This means 4.3. Energy consumption for housing

Figs. 12 and 13 show that the relative impact of increased density on energy consumption is more moderate for housing than for Figs. 12 and 13 show that the relative impact of increased denoffices. The largest single need in housing is heating. This means sity on energy consumption is more moderate for housing than for offices. The largest single need in housing is heating. This means

Fig. 11. Primary energy consumption for artificial light (kWh/m2 /year) for a 5-storey office building (north/south) as a function of urban density.

Fig. 11. Primary energy consumption for artificial light (kWh/m2 /year) for a 5-storey office building (north/south) as a function of urban density.

Fig. 11. Primary energy consumption for artificial light (kWh/m2 /year) for a 5-storey office building (north/south) as a function of urban density.

2 2 Fig. 11.

Primary energy consumption for artificial light (kWh/m /year) a 5-storey office building (north/south) as adensity. function of urban density.

Fig. 11. Primary energy consumption for artificial light (kWh/m /year) for a 5-storey officefor building (north/south) as a function of urban Fig. 11. Primary energy consumption for artificial light (kWh/m2 /year) for a 5-storey office building (north/south) as a function of urban density.

152 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

Journal Identification = ENB

2018

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

Fig. 12. Total primary energy consumption (kWh/m2 /year) for housing as a function of urban density (note: energy consumption for artificial light is not included in total primary energy consumption for housing [25]).

that the heating contribution from solar radiation is an essential element for housing – unlike for offices, in which illumination level is the most important parameter. For example, the energy consumption varies by 11.2 kWh/m2 /year, from a north to a south orientation for a free horizon, due to variations in solar access (Fig. 12). However, the denser the city becomes the smaller the variation in passive solar gains.

The relative deviation of the total energy consumption from free horizon to a height/width ratio at 3 varies from between +2% and +19% for housing (Fig. 13). The relative development of individual needs for heating and cooling is approximately the same for housing as for offices.

The energy consumption for lighting is also more uniform across the city’s density. This is due to the consumer pattern, where the number of hours with a need for lighting in housing falls in the periods with a global illuminance level less than 200 lx. During winter, the most active hours of a housing unit occur in the morning and evening while it is still dark and artificial light is turned on.

The energy variation over the individual floors is more uniform for housing than for offices. This is partly due to the relatively smaller variation in overall energy consumption. The north-oriented deviates from the other orientations by having a maximum variation of 4.5%. This rather low variation is due to the limited amount of solar radiation the units receive. Furthermore, the energy consumption for lighting is not part of the variation.

What becomes apparent is the way that consumption is more dependent on use patterns and material and geometrical patterns other than urban density. Since the model design for this study

reflects a ‘9 to 5’ working life for the occupants, with apartments not being occupied in the daytime on weekdays, the hours where there is most activity are when the influence of solar radiation and daylight on the energy budget is minimal.

Because heating is the dominating parameter on the energy budget for housing, should future housing be developed using the passive strategy of large south-facing windows to make the most of solar gains? Should heating be the dominant object for design of housing in general?

At high latitudes as in northern Europe, solar gains are only available for the top storey in dense urban areas in the winter season, and even for the top storey it is drastically reduced compared to unobstructed solar access as shown in Fig. 10. This traditional passive solar design seems to have limited potential as a design strategy under these conditions, but because solar gains nevertheless play a discernible but minor role for lower storeys facing east, west and south, diffuse radiation reflected off opposing fac¸ades and the sky can be identified as the energy issue to design for. Overshadowing in dense cities is close to inevitable at these latitudes, but light redistribution through the reflectivity patterns of fac¸ades seems an interesting design possibility. One can imagine and indeed observe how temporal patterns of reflected light and heat can be redirected by fac¸ade sections at oblique angles to the sun.

Heating is easily produced and maintained at a quality that satisfies bodily needs regardless of the combination of radiation, convection and conduction measures used. There is plenty of design potential, both technically and metaphorically, in addressing the human need for thermal stimulation. Light is much more difficult to

Fig. 13. Relative deviation (%) of energy consumption for a 5-storey housing building as a function of urban density compared to free horizon.

DESIGN MED VIDEN |

153

Journal Identification = ENB

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

2019

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

reproduce in qualities and quantities that are anywhere near that of daylight, though artificial lighting offers interesting design opportunities. With this point in mind, and remembering that access to daylight and environmental variety affect human comfort and health in multiple ways, it is suggested that rich and varied daylight remains the main design priority in housing, though its direct contribution to the energy budget is smaller than heating.

5. Conclusions The study has given a detailed analysis of the distribution of solar radiation and daylight in a range of urban canyons reflecting different urban densities and demonstrated how this distribution affects the total energy use for heating, cooling and artificial lighting on different storeys of low-energy buildings facing the urban canyon, depending on orientation.

It was found that the geometry of urban canyons has a relative impact on total energy consumption, compared to unobstructed sites, in the range of up to +30% for offices and +19% for housing, indicating that urban geometry is a key factor in energy use in buildings. From the given specifications of the building layout, it is possible on a free horizon to design a low-energy office building with an energy consumption of around 50 kWh/m2 /year. If the context around the building over time transforms into a dense urban area, the energy consumption will increase proportionally to approximately 70 kWh/m2 /year, resulting in a relative increase in energy consumption of up to 30% depending on orientation.

As a consequence any building project in the making, whether new-build or refurbishment, would be advised to integrate not only a detailed simulation of the energy impact of the context as it is, but also an estimate based on the maximum density allowed on neighbouring sites. In urban master planning, it becomes critical to define ways to control solar access as a common good, not least for the effect it has on the experiential qualities of public spaces.

New developments should be carefully screened for their impacts on neighbouring buildings and the public spaces they participate in creating. As the relative impact of urban density varies with both height and width of the urban canyon, it can be argued that the design of future energy optimized fac¸ades should be able to respond in a differentiated way to the issues posed by the distribution patterns of radiation in the urban canyon.

Our investigation showed that reflected light makes an important contribution to the energy consumption of buildings, and is indeed the greatest fraction of daylight available to housing and offices on the lowest floors in high urban densities. The distribution of daylight in the urban canyon is more complex than previous studies have indicated, and the way that not only light, but also the heat carried with it, is distributed is very dependent on the reflectivity of building fac¸ades. What this highlights is that in northern Europe, building fac¸ades should not only be considered as selective devices so as to create optimum internal environments, but also in terms of their contribution to creating good and varied daylight conditions for neighbouring buildings.

As Oke [26] says, there are “almost infinite combinations of different climatic contexts, urban geometries, climate variables and design objectives. Obviously there is no single solution, i.e. no universally optimum geometry”. Nevertheless, there are optimum ranges of geometric conditions in urban design – if we want to design energy efficient cities, urban spaces, workplaces and dwellings that have an intimate connection to the qualities of the natural environment.

The artificial environments generated by energy use are something else, not necessarily worse or without design appeal, but something else, and these environments become dominant with the increase in urban density, and the influence of the natural environment diminishes. But what is optimal, or just “what is good”, is at heart a qualitative question, a question of values.

154 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

Appendix A. Office Construction Exterior walls U-value Roof U-value Ground-contact/exposed floor U-value Internal walls U-value Internal ceilings/floor U-value Window U-value g-Value Visible light normal properties Use of the building Service, occupants Internal gains People Internal heat gain Lighting Lighting level Maximum power Installed power density Luminous efficacy Variation profile Switched-on-percentage Dimming profile Miscellaneous Maximum sensible gain Variation profile Air exchanges Infiltration Min flow Variation profile

Housing

0.2 W/m2 K 2

0.2 W/m2 K

0.15 W/m K

0.15 W/m2 K

0.15 W/m2 K

0.15 W/m2 K

2

0.35 W/m2 K

2

0.32 W/m K

0.32 W/m2 K

1.5 W/m2 K 0.62 0.68

1.5 W/m2 K 0.62 0.68

8 am–5 pm, M-F

On continuously

4 W/m2

1.5 W/m2

200 lx 4 W/m2 2 W/m2 /100 lx 50 lm/W 8 am–5 pm, M-F

200 lx 8 W/m2 4 W/m2 /100 lx 25 lm/W 6 am–9 am and 3 pm–10 pm 20% Manuel/on-off (200 lx)

0.35 W/m K

100% Dimming, (200 lx)

6 W/m2 8 am–5 pm, M-F

3.5 W/m2 On continuously

Day, 0.13 l/s m2 Night, 0.09 l/s m2 Day, am–5pm, M-F Night, outside working hours

0.13 l/s m2 – – –

Mechanical ventilation Min flow 0.9 l/(s m2 ) Variation Profile 8 am–5 pm M-F System specific fan 2.1 W/(l/s) power (SFP) Vent. heat recovery 65% effectiveness Cooling efficiency COP = 2.5 Natural ventilation Max flow – Variation profile – Heating and cooling Winter season (timed, week 01–18 and 38–53) Heating set point 20 ◦ C (working hours) 16 ◦ C (outside working hours) Cooling set point 24 ◦ C (working hours) Off (outside working hours) Summer season (timed, week 19–37) Heating set point 23 ◦ C (working hours) 16 ◦ C (outside working hours) Cooling set point 25 ◦ C (working hours) Off (outside working hours) Hot water consumption 100 l/m2 /year

0.3 l/(s m2 ) On continuously 1.0 W/(l/s) – COP = 2.5 0.9 l/s m2 , t > 25 ◦ C Weeks 19–37

20 ◦ C (on continuously) – 25 ◦ C (on continuously) –

23 ◦ C (on continuously) – 26 ◦ C (on continuously) –

250 l/m2 /year

Journal Identification = ENB

2020

Article Identification = 3187

Date: May 21, 2011

Time: 10:31 am

J. Strømann-Andersen, P.A. Sattrup / Energy and Buildings 43 (2011) 2011–2020

References [1] T.R. Oke, Boundary Layer Climates, Routledge, 1978.

[2] K. Steemers, Energy and the city: density, buildings and transport, Energy and Buildings 35 (2003) 3–14.

[3] Erhvervs- og Byggestyrelsen, Strategi for reduktion af energiforbruget i bygninger, (n.d.).

[4] V. Geros, M. Santamouris, S. Karatasou, A. Tsangrassoulis, N. Papanikolaou, On the cooling potential of night ventilation techniques in the urban environment, Energy and Buildings 37 (2005) 243–257.

[5] C. Georgakis, M. Santamouris, Experimental investigation of air flow and temperature distribution in deep urban canyons for natural ventilation purposes, Energy and Buildings 38 (2006) 367–376.

[6] P. Littlefair, Daylight, sunlight and solar gain in the urban environment, Solar Energy 70 (2001) 177–185.

[7] C. Ratti, N. Baker, K. Steemers, Energy consumption and urban texture, Energy and Buildings 37 (2005) 762–776.

[8] N. Baker, K. Steemers, LT method 3.0 – a strategic energy-design tool for Southern Europe, Energy and Buildings 23 (1996) 251–256.

[9] N. Baker, K. Steemers, Energy and Environment in Architecture, 1st ed., Taylor & Francis, 1999.

[10] D.H. Li, G.H. Cheung, K. Cheung, J.C. Lam, Simple method for determining daylight illuminance in a heavily obstructed environment, Building and Environment 44 (2009) 1074–1080.

[11] P.A. Sattrup, J. Strømann-Andersen, Sustainable cities: density versus solar access? A study of digital design tools in architectural design, in: ISES Solar World Congress 2009 Proceedings, Johannesburg, South Africa, ISES, 2009.

[12] A. Rossi, The Architecture of the City, The MIT Press, 1984.

[13] D. Hawkes, The Environmental Tradition: Studies in the Architecture of Environment, 1st ed., Taylor & Francis, 1995.

[14] D.B. Crawley, J.W. Hand, M. Kummert, B.T. Griffith, Contrasting the capabilities of building energy performance simulation programs, Building and Environment 43 (2008) 661–673.

[15] G.W. Larson, R. Shakespeare, Rendering with Radiance, Morgan Kaufmann, 1998.

[16] C. Reinhart, P.F. Breton, Experimental validation of Autodesk (R) 3ds Max (R) Design 2009 and Daysim 3.0, Leukos 2009 (2009) 7–35.

[17] C.F. Reinhart, O. Walkenhorst, Validation of dynamic RADIANCE-based daylight simulations for a test office with external blinds, Energy and Buildings 33 (2001) 683–697.

[18] C.F. Reinhart, S. Herkel, The simulation of annual daylight illuminance distributions – a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods, Energy and Buildings 32 (2000) 167–187.

[19] A. Nabil, J. Mardaljevic, Useful daylight illuminances: a replacement for daylight factors, Energy and Buildings 38 (2006) 905–913.

[20] C. Reinhart, J. Mardaljevic, Z. Rogers, Dynamic daylight performance metrics for sustainable building design, Leukos (2006).

[21] Danmarks Statistik/Statistics Denmark, Statistisk Årbog 2009, 2009.

[22] C. Ratti, D. Raydan, K. Steemers, Building form and environmental performance: archetypes, analysis and an arid climate, Energy and Buildings 35 (2003) 49–59.

[23] EN 15251. Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics, 2007.

[24] CIBSE Guide A, Environmental Design, 1999.

[25] EBST, Bygningsreglemet for erhvervs- og etagebyggeri, National Agency for Enterprise and Construction, Copenhagen, Denmark, 2010.

[26] T. Oke, Street design and urban canopy layer climate, Energy and Buildings 11 (1988) 103–113.

DESIGN MED VIDEN |

155

156 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

Resumé

Integreret energidesign af større bygninger Resumé af ph.d.-afhandling af Michael Jørgensen Det er projektets hypotese, at de arkitektoniske designvalg som fx geometri, orientering og organisering, som træffes i den tidlige konceptuelle designfase, har stor betydning for bygningens energiforbrug, indeklima og økonomi.

Formålet med denne ph.d.-afhandling er derfor at undersøge bygningsgeometriens betydning for det samlede energiforbrug og indeklima samt at undersøge metoder til at integrere viden om bygningsfysik i de tidlige stadier af den arkitektoniske konceptuelle designproces.

Afhandlingen rapporterer tre års forskning, hvor fokus har været på det tidlige samarbejde i de første par uger i den konceptuelle designfase – hvor designbeslutninger som volumen, orientering og materialevalg er centrale emner. Projektet bygger på erkendelsen af, at for at kunne anvende bygningens energimæssige ydeevne som et aktivt designværktøj er der behov for nye metoder, strategier og teknologier, som kan understøtte og vejlede arkitekten til løsninger, der reducerer energibehovet i bygninger uden at gå på kompromis med komfort, pris eller æstetik. I afhandlingen dokumenters dels de ingeniørmæssige erfaringer indsamlet gennem flere arkitekturprojekter, hvor ingeniørfaglig viden på forskellige måder er forsøgt implementeret i den arkitektoniske designproces, og dels den viden som er blevet oparbejdet gennem simuleringsstudier af geometriforhold dagslysforhold i større bygninger.

Bygningens geometri har stor betydning for bygningens samlede energiforbrug. Geometriforholdene har indvirkning på, hvor stor en mængde solenergi, der rammer bygningen. Ved at optimere bygningens geometri i forhold til funktionen og solen, viser studiet, at det er muligt at reducere bygningers energiforbrug med 30-50 %.

Studiet viser, at dagslysstrategier formuleret af arkitekter og ingeniører i starten af designprocessen svarede til brugernes oplevelse i de tre bygninger, og at dagslysstrategier, som tog udgangspunkt i rumlige overvejelser, fik flere positive evalueringer.

Studiet viste ydermere, at strategier, der sigtede efter 200 lux, fik en lavere evaluering.

Konklusionen på studiet er, at simuleringsværktøjer kan give en vigtig og detaljeret information omkring dagslysmængde, og de kan bruges til at vurdere forskellige løsninger, men at simuleringer først bør påbegyndes, efter at der er formuleret en arkitektonisk strategi for anvendelsen af lys. I denne sammenhæng er det vigtigt, at ingeniøren kan forstå og arbejde med de rumlige kvaliteter, der eksisterer i dagslyset.

DESIGN MED VIDEN |

157

INDUSTRY CORNER

INVESTIGATION OF ARCHITECTURAL STRATEGIES IN RELATION TO DAYLIGHT AND INTEGRATED DESIGN— A CASE STUDY OF THREE LIBRARIES IN DENMARK Michael Jørgensen,1 Anne Iversen,2 Lotte Bjerregaard Jensen3

INTRODUCTION This paper investigates the use of daylight in three architecturally successful buildings.

The aim is to discuss the challenges and opportunities of architectural daylight strategies in relation to integrated design. All these buildings were designed with the focus on a strategy of using daylight to create well-lit, exciting spaces and spatial sequences. The original ideas, thoughts, and decisions behind the designs and daylight strategy are compared with answers in questionnaires from test subjects who have experienced the space and lighting conditions created. The results indicate that the architectural daylight strategies formulated by the architects and engineers at the beginning of the design process are actually experienced by the “users” in the existing buildings. The architectural daylight strategy was different in each of the three libraries, and analysis of the results shows that daylight strategies that include spatial considerations received more positive evaluations. Furthermore, the study showed that designs aimed at achieving an even distribution of daylight with an illuminance target of 200 lx did not result in higher evaluation of the daylight design.

KEYWORDS daylight, integrated design, work methods

DAYLIGHT STRATEGIES IN RELATION TO INTEGRATED DESIGN A good daylight design can create dynamic and interesting interiors that enhance spatial awareness, productivity, and well-being, while a poor daylight design can cause discomfort and require excessive use of energy. A good daylight design depends on finding a balance between the need for light, the local climatic conditions, and the architectural vision and idea.

In connection with integrated design, the use of daylight is a central element and plays an important role in realizing high-performance buildings in which the quality and amount of daylight is directly related to user satisfaction and the energy used for lighting, heating, cooling, and ventilation (Leslie, R. P. 2003).

1

Phd student, Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark, Brovej, Building 118, DK-2800 Kgs, Lyngby, Denmark. Phone: +45 45251934; fax: +45 45931755; e-mail: mijo@byg.dtu.dk 2 Author information.

3 Author information.

40

158 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 40

Journal of Green Building

3/20/12 10:51 AM

Several studies have shown that the energy use for lighting accounts for approximately 10–50% of the total energy consumption of a residential or office building. We can assume that the energy consumption for lighting is probably larger in the case of cultural buildings with longer opening hours. Crucial decisions in relation to reducing a building’s energy consumption are also taken in the earliest design stages—which are typically managed by architects (Baker, N. 2000). In the early stages of the design process, the architectural idea is conceived and formulated. The functional layout of the rooms, orientation, the overall geometry of the building, and finally the glazing area, shape, and position, are all determined based on this idea.

It is also in the early stages of the design process that architects usually consider the amenity value of daylight. Scandinavian architecture has a strong tradition of less formalistic design in comparison with other traditions, which means designing from the inside and out. An architect educated in the Scandinavian tradition often considers daylight from the first sketch. Alvar Aalto’s Villa Mairea (1930) is a prominent example, where the light that exists between the slim trees of a pine forest was the very first inspiration for the architectural design and was maintained in the design of the foyer area and a number of other places in the building.

The main objective of integrated design is to improve the overall quality of buildings, in terms of energy demand, indoor environment, economics, and user satisfaction (Intelligent Energy, 2006). To this end, the application of simulation tools has become increasingly important in the analysis and evaluation of various parameters and how they affect the daylight conditions and energy demand for the space and building being considered. The application of these advanced tools is typically handled by the engineer, while spatial considerations are typically handled by the architect, so there is a risk that daylight strategies are considered solely in terms of either aesthetic purposes or functional requirements (Baker, N. and Steemers, K. 2002). But if integrated design is defined as a process informed by interdisciplinary knowledge, the formulation and application of daylight strategies must include both spatial aesthetics and considerations concerning energy reductions and indoor environment. This implies that working with daylight is a field where there is great potential for architects and engineers to work together to achieve synergy and positive effects.

The overall aim of this article is to discuss the challenges and opportunities of architectural daylight strategies in relation to integrated design. The article revolves around three buildings, each of which was designed with the focus on a strategy of using daylight to create well-lit, exciting spaces and spatial sequences. The original ideas, thoughts, and decisions behind the designs and daylight strategy are compared with answers in questionnaires from test subjects who have experienced the spaces created. We measured the lighting conditions with the aim of investigating the architectural strategy and the correlation between the strategy and how it is perceived.

Library buildings are the focal point in this paper. Libraries have strict functional requirements with regard to illuminance levels so people can find and read books and the building can function as a place of work and study. Secondly, libraries play a special cultural role in society and are typically seen as an important priority for local authorities, not only as a place to acquire knowledge and experience, but also as an arena for culture in its broadest sense. Libraries provide a social meeting place comprising many facets and opportunities, and because of this multifaceted role, architects have always seen libraries as an opportunity to create a special spatial experience for their visitors and users. The three libraries presented in this paper were designed over a period of almost 30 years, and they are characterized by the way

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 41

Volume 7, Number 1

41

DESIGN MED VIDEN | 3/20/12 159

10:51 AM

they were designed at the time. They are all considered to have a high-quality architectural daylight design—making it possible to investigate the design process in relation to daylight.

METHOD A shift is currently taking place in the lighting research community from traditional quantitative approaches toward a more human-oriented approach, which is beginning to combine various scientific approaches to widen our understanding of the potential daylight has for us humans (Wang, N. 2011), (Parpairi, et al. 2002). This study explores that trend, gathering information from several different approaches. It consists of three parts: 1. The architectural daylight design was investigated and described through the original drawings and competition documents from the time of the design and through semi-structured interviews (Yin, R. K., 2009) with the architect responsible for the architectural design.

2. We carried out a survey of 35 engineering students that visited all three buildings on November 5, 2010, to obtain their subjective evaluation of the lighting conditions.

Our focus for the investigation was on the light conditions in the space, both electric and daylight. The students were asked to enter the room, walk around, and after ten minutes fill out a questionnaire. The questionnaire contained eight questions on the brightness of the room, the variation between light and dark areas, and various openended questions about the architecture and the use of space.

3. At the same time, luminance measurements were taken to quantify the overall lighting conditions. High dynamic range (HDR) photography (Inanici, M.N. 2006) was used to capture luminance data in various directions. An Olympus E-510 D-SLR digital camera fitted with an EZ-1442 14-42mm 1:3.5-5.6 lens on a tripod was used to capture images with multiple exposures ranging from –5 to +5 EV. These images were combined into the HDR images using Photosphere software (Ward, G., 2011).

The advantage of this technique is the achievement of a luminance mapping of the entire view within a couple of minutes. For each luminous scene, a calibration factor was determined by dividing the pixel digits of a given area assessed by using the HDR technique by the monitored luminance value measured by Hagner. This approach has been reported to provide accurate results in scenes with large luminance contrasts (Borisuit, A 2010). Illuminance measurements were taken at specific locations in the space, combined with continuous measurements of outdoor illuminance to calculate the daylight factor and monitor the changing sky conditions. During the measurements, the sky conditions varied from sunny to cloudy.

INVESTIGATION OF ARCHITECTURAL DAYLIGHT STRATEGIES Gentofte Library The central library in Gentofte is the oldest of the three buildings and was designed and inaugurated in 1985. It was designed by the famous Danish architect Henning Larsen (HL) (1925) and is considered an example of the Scandinavian modernist tradition. The library has two main entrances, one to the south and one facing the nearby park to the north. The building has a total gross floor area of 7300 m2 divided between three levels: ground floor (3000 m2), first floor (1900 m2), and basement (2400 m2).

42

160 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 42

Journal of Green Building

3/20/12 10:51 AM

FIGURE 1. Three pictures showing the form and interior space of Gentofte Central Library.

The library has a flat roof and is basically square. The south façade is relatively closed, with small window bands on each floor. The north façade is open and consists mainly of glass facing the adjacent park. In the centre of the building, there is a large double-height atrium.

Here the daylight penetrates through nine large circular skylights and through a hidden vertical window band along the edge of the atrium ceiling. The atrium acts as a daylight-lit semipublic square (Figure 1). The first floor is designed as a balcony around the central space, from where there is also access to the enclosed reading rooms, staff canteen, and administration.

The architect responsible for the design, Henning Larsen, has distinguished himself both in Denmark and abroad as a visionary architect, especially recognized for the Foreign Affairs building in Riyadh. During his long professional life, he always said that daylight was the main inspiration for his architectural creations. He emphasized that he always considered daylight from the very first instant, even during the programming phase, and that his design process mainly revolved around a series of small cardboard models of spaces. He explains how he modelled the daylight architecturally by ‘dreaming’ daylight, working at the drawing table, and that the investigation of daylight was done through cardboard models and an adjustable drawing table lamp. In Henning’s view, human beings have both intellect and senses and should design accordingly. In his own words: “The architect constantly imagines how it will be perceived by people walking from one space to another. The architect tries to sharpen his senses, feel with his body while designing. If you build a cardboard model, you involve your hands, eyes, ears— all your senses. It is a holistic experience to build a soft mock-up. Computer programs do not involve your body and all your senses. We have always worked with models. It has been the main design tool of architects for thousands of years. They do not have to be nice models.”

Architectural daylight design Henning Larsen explains that the daylight design in Gentofte library was not subjected to any daylight calculations during the design process. The design was made purely by intuition and experience. He never felt uncertainty or any need to know more precisely how much light would enter a room—and he never received any complaints about the daylight—on the contrary. When asked whether he placed the large glazed area in Gentofte library facing north to avoid overheating during the summer, he explains that he synthesized several different considerations, but it was not explicitly to avoid overheating. The view of the park, the sense of ‘street’ leading out into the open, etc., were more important to him.

HL explains that daylight has always interested him more than walls and floors and the like, because daylight is what controls how people move through spaces. Daylight is what makes the space unfold and makes you feel at ease in it. Daylight intensity establishes a kind

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 43

Volume 7, Number 1

43

DESIGN MED VIDEN | 3/20/12 161

10:51 AM

of hierarchy reflecting the importance and function of a space. He wanted to create certain atmospheres, special places within the library by means of differences in daylight intensity.

Questioned about what sort of ideas inspired the daylight design and architecture of Gentofte Library, Henning Larsen hesitates, but goes on to explain that it is difficult to talk about where these things really come from. His initial sketches involved some skylights, because the site is completely flat and the building regulations limited the large building to two stories above ground. What was mainly on HL’s mind at the beginning of that project was the organization of the space in the library. For him, the focus was on creating a large central space with skylights in the geometrical shape of a square. The square should attract all attention by having intensive daylight—not only from the skylights but also from apertures along an elevated part of the roof over the double-height space. This space should contain all the books. The other functions in the library were located more ad hoc with small office spaces, etc., towards the periphery of the atrium room.

What was important to HL was that the diffuse light from a north-facing aperture should not compete with the direct sunlight in the central atrium. He explained that he did not think in terms of a complete daylight strategy, and that a project is like one big package that you slowly unwrap—daylight, functions, organization. It evolves gradually and builds on experience from previous projects. From our interview and from our investigation of the original drawings and documents from the time of design, we can argue that the main daylight strategy of the library was that users should be attracted by the intensity of light. The light should be an attractor. At Gentofte library, you enter through a dark enclosed space and are attracted by the large daylight-lit atrium with the books. Another example of an attractor is the large glazed area facing north to the park. His main goal was to achieve a multiplicity of nuances in daylight.

Evaluation of lighting conditions With the electric lights turned on, the questionnaire tells us that the central atrium space is perceived as bright with a weighted mean of 0.46 on a scale from 0 (bright) to 1 (dark) and that the distribution of light throughout the space is perceived as even with a weighted mean of 0.38 on a scale from 0 (even) to 1 (uneven). To the open-ended questions, we received comments like “the skylight surrounding the atrium helps define the large room” and “the oval skylights in the centre of the room work really well to guide people to the information and reception area as well as providing a comfortable lighting level”.

If we compare the illuminance measurements in the two situations, measured at the same location, the light levels drop from 646 lx to 355 lx when the electric lights are turned off. But when we compare the results from two questionnaires, one with the electric lights turned on and the other with them off, it is noticeable that there were no significant differences in the responses when the subjects were asked whether they perceived the space as bright or dark on a scale from 0 (bright) to 1 (dark).

However, when the electric light was turned off, the distribution of light in the space changed and was now perceived as more uneven with a weighted mean of 0.5 on a scale from 0 (even) to 1 (uneven) compared to 0.38 when the electric light was on. This is supported by the comments received when subjects were asked open-ended questions about the use of the space, and how the lighting design supports the architecture. Comments included: “In the double-height space, the daylight works well. The great contrast to the sides, where it is darker, makes the central space more prominent” and “there are no great differences between the lighting levels in the centre of the space, but when the electric lights are turned off, the 44

162 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 44

Journal of Green Building

3/20/12 10:51 AM

FIGURE 2. False colour images showing the luminance difference, Cd/m2.

Electric lights On

Electric light Off

areas below the balconies are now clearly darker.â&#x20AC;? Luminance measurements taken at the time support the subjective evaluation, showing reduced luminance below the balcony, while the luminance levels on the floor in the atrium remained the same (Figure 2). During the investigation, the outdoor illuminance was stable at around 6000 lx.

Conclusion, Gentofte During our interview, HL explained that the architectural approach to the use of daylight was to create lighting experiences that would attract users, for example, to stay in specific areas or to move through the building in a certain way. He described how he worked with cardboard models and intuition to create two distinct attractors, a strong top-lit central atrium space, and a large glazing area to the north in close connection to the nearby park. These two elements together were to provide a general interior overview and create a transparency along walk lines, walls, and between the bookshelves, and ensure that you would not feel enclosed.

We can conclude from our measurements and answers to the questionnaire that the architectural daylight strategy was realized and experienced by the subjects. From a quantitative point of view, the illuminance levels are sufficient for the function of the library, and when the electric light is turned off, the illuminance levels stay above 300 lx with no significant difference in the subjective evaluationâ&#x20AC;&#x201D;indicating that the atrium space functions without any additional electric lighting. We can conclude that HL was able to achieve a nuanced daylight design using only cardboard models, his intuition and experience, indicating that it is possible to achieve a good daylight design without the use of simulation tools or calculation of daylight levels.

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 45

Volume 7, Number 1

45

DESIGN MED VIDEN | 3/20/12 163

10:51 AM

FIGURE 3. Three pictures showing the interior space and exterior of Albertslund Library.

Albertslund Library Albertslund Library was originally designed by the Danish architectural company, Fællestegnestuen, and was a part of a large urban master plan that comprised the library, the local authority administration, a cinema, and a music venue. The original library was a typical Danish building from the seventies with a flat roof, small windows, and visible technical installations. After several years of use, it had a number of big constructional problems. In fact, the building was in such a bad shape that it was necessary to undertake a complete reconstruction. The library owner, Albertslund Town Council, had high requirements with regard to energy efficiency and sustainability for the “new” library. Henning Larsen Architects chose early on to enter into a partnership with Esbensen Consulting Engineers due to their experience of integrated design and collaboration with the architect from the first sketch. The new library is roughly the same size as the original one, with a total floor area of 3000 m 2. The building is a large rectangular volume with large window areas facing south and north. With a minor extension to the southwest, a protruding lower part of the south façade including a balcony and distinctive transverse serrated skylights, the new library achieved its own unique architectural expression (Figure 3). Today, the library is regarded as one of the first examples of integrated energy design in Denmark, where the design team focused throughout the design process on using simulation tools to optimize daylight conditions and design for natural ventilation and a good thermal environment (Nielsen, B. et al. 2006).

Architectural daylight design Esbensen Consulting Engineers had already taken part in a European research project about integrated design and had chosen Albertslund as a case study to apply and test the integrated design method. When we looked at the original design documents and interviewed the engineer and architect responsible, it was clear that quantitative objectives were formulated in relation to illuminance levels, thermal indoor environment and energy efficiency, in accordance with the guidelines prescribed for integrated design (Löhnert G. et al. 2003).

The quantitative daylight aim was to obtain a high level of illuminance exceeding 200 lx in most of the library space under CIE overcast sky conditions and achieve an even daylight distribution without glare problems and thus save energy for lighting and cooling. In our interview with the architect responsible, Frans Drewniak (FD), he confirmed that evenly distributed daylight was conceived by the designers as a quality, because it made the daylight-lit space flexible with regard to function, and that several window solutions had been investigated with a view to achieving this goal. The final solution was a skylight design evenly spaced over the entire length of the library. The skylight was an elevated box-shape with windows 46

164 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 46

Journal of Green Building

3/20/12 10:51 AM

FIGURE 4. Graphic illustration showing the final skylight design (Henning Larsen Architects).

to the sides and a closed roof (Figure 4). The design was thoroughly analysed in a series of daylight and thermal simulations, based on which integrated constructive solar shading in the box-shaped skylight was developed and implemented.

Although the evenly daylight distribution was conceived as a desirable quality, FD feared that the uniformly distributed daylight might be perceived as cold and monotonous, so he designed several features to counteract this possibility. Firstly, the skylights were optimized to allow a streak of direct sunlight to penetrate through the windows and blinds, thus bringing life and rhythm to the room. Again simulation tools were used to optimize the “streak of direct sunlight” so as not to affect the indoor thermal environment and cooling demand. Secondly, they chose a reddish, warm colour for the floor covering and dark grey book shelves to avoid the space being perceived as cold.

Evaluation of lighting conditions The architectural daylight strategy in Albertslund Library focused on a quantitative goal—to achieve a certain illuminance level and distribution of daylight throughout the length of the rectangular library space. When we analysed the results from the questionnaire, the lighting conditions with electric lights turned on were evaluated as bright with a weighted mean of 0.4 on a scale from 0 (bright) to 1 (dark). When subjects were asked whether they perceived the lighting conditions as even or uneven, they gave a similar result with a weighted mean of 0.4.

Illuminance measurements with the electric lighting on show the average illuminance in the area is 396 lx—indicating that, when electric light is turned on, the light levels are more than sufficient to read and work and that the light levels are certainly high enough to provide good vision. When subjects were asked whether the lighting design supported the architecture, we received comments like: “It could be solved in many different ways, but I do not know if it actually supports the architecture. But the interior is adapted to the skylight” other comment were: “The light somehow looks uniform in the room, so it is hard to say how much the skylight gives compared to the artificial light” and “I think there is good uniform light all over, especially by the bookshelves, so you can easily find what you are looking for” and “The lighting design does not highlight anything; it is very similar in the whole area”. When subjects were asked if the lighting design supported the use of the space, we received comments like: “The daylight distribution is very even and there is no direct sunlight in the main part of the library. The reading area close to the windows is better lit and “invites” reading. The colour of the floor makes the room seem warm”.

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 47

Volume 7, Number 1

47

DESIGN MED VIDEN | 3/20/12 165

10:51 AM

FIGURE 5. False colour images showing the luminance difference, Cd/m2.

Electric lights On

Electric light Off

When the electric lights were turned off, subjects perceived the space as darker, with a weighted mean of 0.7 on a scale from 0 (bright) to 1 (dark). The lighting conditions were perceived as uneven with a weighted mean of 0.6 on a scale from 0 (even) to 1 (uneven). When subjects were asked whether the variation in light levels was too great or too little, the result was a weighted mean of 0.4 on a scale from 0 (too great) to 1 (too little). It should be noted that at the time the electric light was turned off, the outdoor illuminance had dropped significantly from 6000 lx to 3000 lx. This reduction in illuminance can explain why the room was perceived as dark when comparing the two situations. When subjects were asked again whether they thought the lighting design supported the use of the space, we received comments like: “It’s a bit dark everywhere” and “the dark book shelves and wall, together with the grey colour of the ceiling makes the room darker.”

The results showed that in general the subjects gave answers in the middle of the range. Illuminance measurement taken while the electric lights were turned off, showed that although the illuminance level was reduced from 396 lx to 196 lx and the outdoor illuminance was only 3000 lx, much lower than CIE overcast condition, used in the daylight simulation tool and as basis for the design and optimization, the illuminance level still met the quantitative aim of 200 lx.

Conclusion, Albertslund From a purely design point of view, it is clear that the design and placement of windows were influenced by the quantitative strategy of achieving a certain illuminance level that could replace electric light with daylight, while minimizing the passive solar heat gain from the 48

166 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 48

Journal of Green Building

3/20/12 10:52 AM

increased window area in the roof. The design documents and our interview with the architect and engineer support the conclusion that Albertslund really was a project conceived in an integrated design process and that the design process was informed by energy and daylight simulations.

During the design process, there was no particular focus on using the daylight as an attractor or to apply focus to a particular area as was the case in Gentofte. From our measurements, we can conclude that the design team achieved their goal of supplying enough daylight, even under a severely overcast sky. But the test subjects perceived the space as dark and uneven when the electric lights were turned off, even though there was plenty of daylight from a quantitative point of view. Their comments indicate that they could see and understand that the strategy behind the evenly distributed skylights was to provide an even distribution of daylight, but that the light conditions were perceived as uniform, with no clear distinction between daylight and electric light. We can conclude that the subjective evaluation of the lighting conditions at Albertslund showed no improvement over Gentofte.

Frederiksberg Library Frederiksberg Library consists of two buildings. The old library and a new expansion located below ground level. The expansion was inaugurated in 2004 and was a part of the first-prize proposal for an urban development and master plan for the centre of Frederiksberg won by Henning Larsen Architects in 2000. Access to the underground library is through the original main entrance and the extension is connected by a large stairway in the hall of the old library.

This stairway leads down to a large open space that contains a reading area situated on a plateau in the centre and a children’s library organized around it, connected by a ramp. Above the reading area, there is a large rectangular skylight matching the dimensions of the plateau (Figure 6). The colour of the walls and ceilings is white and the floor is a bright grey.

The geometry of the library is defined by what was possible at the complicated site, which is penetrated by ductwork, etc. We selected this project because of its profound dependence on lighting and daylight. The local authority had to ‘sell’ the idea of an underground library at this site to the public, and access to daylight plays an essential role as the guarantee against associations with ‘dark’ cellars, etc.

Architectural daylight design The architect responsible for the project was Ulrik Raysse (UR) from Henning Larsen Architects. In the interview, he described himself as a classical skilled architect, working in the Henning Larsen tradition. In his own words, his interest is the “old-school daylight quality and FIGURE 6. Three pictures showing the interior space and exterior of Frederiksberg Library.

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 49

Volume 7, Number 1

49

DESIGN MED VIDEN | 3/20/12 167

10:52 AM

experience”, and he is inspired by the solid tradition for this approach in Danish architecture as manifested particularly thirty to forty years ago. He believes that daylight and spatial qualities are the pivotal points in the design process.

UR does not use the diagrammatic approach which influenced the design process for Albertslund Library. He works with cardboard models early in the design process and regards them as an advanced and nuanced design tool. To him, the primary task of daylight is to create spaces. With daylight, the architect creates places where people can meet—social meeting places. As an example of how he works architecturally with daylight, he describes how he thinks of daylight as something that excavates the mass of the building and exposes a specific spatial quality. Daylight makes holes in the mass—i.e., social meeting places.

Because of its difficult location below ground level, with the inherent risk of negative associations with “dark” cellars, it was decided early on to add large skylights to the library. From the design documents, we can see that the skylight was always located in relation to the reading area, but the number, position, and size of the skylights changed many times during the design process. The intention behind having a large top light over the reading area was to give an impression of openness towards the sky, inducing a feeling of sitting outside and reading in the open air, as opposed to sitting in a cellar with no view of the sky.

To further nuance and soften the basic daylight strategy, several dim daylight areas were created in the spaces adjoining the central reading area. But still, the architects chose not to establish secondary daylight atriums, because they did not want to spoil the effect of the central skylight. UR describes the library as having a touch of being a staged experience, with daylight as the medium for the orchestration and used as a medium for creating a scenography. UR felt it was also important that the entire library be experienced at one glance when entering—“that all things ‘breathed’ the same light and air,” as he put it during the interview. This strategy was manifested in the strong effect of the centrally placed skylight over the reading area that became the final solution. The skylight is perhaps, in the architect’s own words, a bit too large in scale, but this was necessary to satisfy the architectural intentions described above. The skylight, and therefore also daylight, is the connecting and gathering architectural element. To stress this effect and to avoid competition with the skylight effect, the space itself is very low-key in terms of tectonics. For instance, the ceiling seems without details and as solid and simple as possible.

This aim created a lot of extra work in integrating the necessary installations.

FIGURE 7. Illustration showing a section of Frederiksberg Central Library (located below ground level) (Author).

50

168 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 50

Journal of Green Building

3/20/12 10:52 AM

Evaluation of lighting conditions When we evaluated the use of daylight in this room, it was with particular focus on the plateau and the effect the skylight creates. However, it should be noted that electric lighting plays an important role in this library and it is clear that while the use of electric light is secondary, it was conceived simultaneously. So the electrical lights were on during the evaluation of the use of light in order to insure a fair discussion of the architectural daylight strategy. During the investigation, the subjects were all located on the plateau, looking in various directions.Our analysis of the results from the questionnaire showed that the test subjects perceived the ‘room’ as ‘bright’ with a weighted mean of 0.2 on a scale from 0 (bright) to 1(dark). When subjects were asked whether the lighting design supported the use of the space, we received comments like: “Yes, you do not feel that you are sitting underground. The feeling of claustrophobia is minimal, because the room is very bright” and “The skylight highlights the study-area in the centre of the room and therefore gives a stronger expression to this area. It is very suitable for study and reading.” Furthermore, with the electric light on, the test subjects perceived the distribution of light as even with a weighted mean of 0.3 on a scale from 0 (even) to 1 (uneven), which was further supported by a secondary question about the variation of light in the space.

When the electrical lights were turned off, the test subjects no longer perceived the distribution of light as even. When asked whether the variation was too high too low, they replied that the variation in light was too high with a weighted mean of 0.2 from 0 (too high) to 1 (too low). Illuminance measurements were performed on the plateau in a rectangular pattern with the electrical lights turned on. The average illuminance on the plateau was calculated

FIGURE 8. False colour images showing the luminance difference, Cd/m2.

Electric lights On

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 51

Electric light Off

Volume 7, Number 1

51

DESIGN MED VIDEN | 3/20/12 169

10:52 AM

to 1156 lx. It should be noted that during these measurements the outdoor sky conditions varied from partially cloudy to fully overcast, with an average outdoor illuminance measured at 6645 lx. The measurements support the questionnaire and show that light levels on the plateau were high even though the sky condition was overcast.

Conclusion, Frederiksberg During the interview we asked UR if he believed that the idea behind the use of daylight was successful. He replied that during the summer, parasols are positioned on the reading platform—“giving a sense of being outdoors and protecting the readers from the strong direct sunlight that penetrates the skylight.” The purely architectural daylight strategy—which is more or less the only architectural idea in the project—carries the project through. The space is perceived positively by the users despite the less advantageous starting point of a location below ground level. From a quantitative perspective, the daylight is distributed too unevenly, with dramatic differences between the various areas in the library. This is soothed or ‘repaired’ by means of the electric lighting design. The space would not function without permanent electric lighting, and in this sense no attempt was made to replace electric light with natural daylight, nor has it been done, although it might have been possible in spite of the location below ground level.

The interview exposed other severe problems that were not addressed in the daylight design. Considerations about the effect of artificial light and direct sunlight on the thermal indoor environment were clearly not part of the design process. The example of the parasols can be viewed from two positions: one that it supports the architectural idea, inducing a feeling of sitting outside and reading in the open air, or alternatively that the parasols are just temporary solutions to a severe problem in the daylight design that would probably have been exposed in an integrated design process and have resulted in the implementation of external shading. In spite of the shortcomings of the daylight design from a quantitative and integrated design point of view, the architectural daylight design is successful in framing and defining a central, semi-public indoor space.

Conclusion In this study, we have examined some of the challenges and opportunities of architectural daylight strategies in relation to integrated design. From our questionnaire, interviews, and investigation of design documents, we found that the architectural daylight strategies formulated by the architects and engineers at the beginning of the design process were experienced by the “users” in the existing building. The architectural daylight strategy was different in each of the three libraries and analysis of the results shows that daylight strategies that include spatial considerations received more positive evaluations. Furthermore, the study showed that designs aimed at achieving an even distribution of daylight with an illuminance target of 200 lx did not result in higher evaluation of the daylight design.

DISCUSSION When we compare the three libraries, it is clear that they were designed from three different approaches. Gentofte was designed exclusively with cardboard models and HL intuition and experience—and is a thoroughly designed project, where every window is carefully located relative to the main architectural daylight strategy. Albertslund Library was based on a com-

52

170 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 52

Journal of Green Building

3/20/12 10:52 AM

pletely different strategy and design method. Here the focus was on flexibility and achieving a certain illuminance level without compromising the thermal environment. The engineers were clearly involved in the design process and it can be concluded that the strategy and design method succeeded in creating a bright library that meets the functional requirements.

The geometric boundaries made Frederiksberg a totally different project. However, in terms of daylight strategy, the project relied on the same ideas as the library in Gentofte. In Frederiksberg, the architectural daylight strategy was to stage the central plateau and ensure that the light level here was so high that you felt you were sitting outside. UR felt that the primary function of daylight was to create “spaces” and he focused primarily on staging and exaggerating the amount of light on the plateau, which meant having one large central skylight. One criticism of the daylight design in Frederiksberg library is that the architect’s idea “won” over the rational use of skylights to create an evenly-lit library, which could have been achieved without competing with the large central skylight. Moreover, problems have been reported with the thermal indoor environment that could have been avoided if the skylight had been analysed using simulation tools. Our investigations show that daylight and artificial light are clearly linked to the subjective experience of spaces, but they are also physical parameters that decide whether we can see and read. The virtual simulation models used today have trouble achieving the same “feeling” that can be achieved when working with a cardboard model. The virtual model can often result in everything being seen from above and there is a tendency to forget to work with the detail and transitions. Albertslund and Frederiksberg are good examples in this respect.

Simulation tools can provide important and detailed information with regard to the performance expected of a daylight design and can be used to evaluate various options. We are not suggesting that simulations should be omitted from the design process, but that simulations should be initiated after an architectural strategy for the use of light has been formulated and investigated using cardboard models. This means it is vital that the engineer can understand and work with the spatial qualities that exist in light. However, there is no formal design method or tool to harmonize these approaches to daylight design. What is clear is that a lot can be learned from studying examples where daylight has been used to create interesting, well-lit architecture.

REFERENCES

Baker, N., and K. Steemers. (2002). Daylight Design of Buildings. James & James Ltd, 35–37 William Road, London, NW1 3ER, UK. Baker, N., and K. Steemers. (2000). Energy and Environment in Architecture. Spon Press, London.

Borisuit, A., J. Scartezzini, and A. Thanachareonkit. (2010). “Visual discomfort and glare rating assessment of integrated daylighting and electric lighting systems using HDR imaging techniques.” Archit.Sci.Rev., 53(4), 359–373.

Intelligent Energy. (2006). “Mapping of previous integrated energy approaches”, Part of work package no. 2 in the EU INTEND project—task 2.1. EIE-06-021-INTEND. Inanici, M. N. (2006). “Evaluation of high dynamic range photography as a luminance data acquisition system.”

International Journal of Lighting Research and Technology, 38(2), 123–134.

Leslie, R. P. (2003). “Capturing the daylight dividend in buildings: why and how?” Building and Environment, 38(2), 381.

Löhnert G., A. Dalkowsk, and W. Sutter. (2003). “Task 23—Optimization of Solar Energy Use in Large Buildings—Sub Task B—Design Process Guidelines.”

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 53

Volume 7, Number 1

53

DESIGN MED VIDEN | 3/20/12 171

10:52 AM

Nielsen, B., H. Sorensen, R. Pedersen, and F. Drewniak. (2006). “Albertslund Library, Denmark: Optimization of Indoor Daylight and Thermal Climate Conditions and use of Fan-Assisted Natural Ventilation in a Public Library.” J. Green Build., 1(4), 3–10.

Parpairi, K., N. V. Baker, K. A. Steemers, and R. Compagnon. (2002). “The Luminance Differences index: a new indicator of user preferences in daylit spaces.” International Journal of Lighting Research and Technology, 34(1), 53–66.

Yin, R. K. (2009). “Case Study Research—Design and Methods” Fourth Edition, SAGA Publications Inc. United States of America.

Ward, G. (2011). Photosphere, (Computer program) Available at: www.anyhere.com.

Wang, N., and M. Boubekri. (2011). “Design recommendations based on cognitive, mood and preference assessments in a sunlit workspace.” Lighting Research and Technology, 43(1), 55–72.

54

172 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

JGB_V7N1_a04_jorgensen.indd 54

Journal of Green Building

3/20/12 10:52 AM

Resumé

Integrated energy design of the building envelope Resumé af ph.d.-afhandling af Martin Vraa Nielsen Forskningsprojektet analyserer, hvorledes en implementering af teknisk videnskabelig viden tidligt i designprocessen kan kvantificere facadens effekt på bygningers energieffektivitet og indeklima for derigennem at facilitere en mere kvalificeret designudvikling.

Projektet berører såvel de tekniske aspekter og krav af betydning for facadedesignet som processen, hvormed de er designet. Dette udføres ved at anvende metoden Integreret energidesign (IED) og analysere dens egnethed i relation til at designe facader. Således er et egentligt engagement i den arkitektoniske designproces – med henblik på at teste implementeringen af en bevidsthed omkring energi og komfort som en del af en mere holistisk ydeevnebeskrivelse – en stor del af projektet.

Forskningsprojektet illustrerer, at der er et stort potentiale i at betragte de passive egenskaber i den geometriske optimering af det arkitektoniske koncept. Det demonstreres, hvorledes integreringen af teknisk viden ikke blot kan kvalificere den geometriske behandling på det tidlige designstadie, men også kan ligge til grund for en egentlig designudvikling af facaden. Derigennem opnås en mere holistisk optimering af ydeevnen ved at betragte parametre som over-ordnet facadegeometri og orientering, funktionsorganisering, rumhøjde og -dybde, vinduesåbningens design etc. Denne tilgang har gennem en lang række projekttilknytninger gennemført i løbet af dette projekt vist sig at kunne

tilvejebringe bygnings-designs med et energibehov mindst 25 % lavere end minimumskravene og der samtidig opretholder høj indeklimamæssig og arkitektonisk kvalitet.

En afgørende konklusion for projektet er, at hvis ingeniøren indgår i den tidlige skitseringsfase, er det muligt at etablere et fælles grundlag. Således kan såvel det æstetiske som det energieffektiviseringspotentiale, der eksisterer, udnyttes mere optimalt og derigennem berige det arkitektoniske koncept.

Sand arkitektur har potentialet til at repræsentere en mere holistisk evaluering af design-forslaget og bør således være et fælles mål for alle de fagdiscipliner, der er involveret i bygningsdesignprocessen.

Projektet illustrerer vigtigheden af en forståelse for det interdisciplinære samarbejde mellem ingeniører og arkitekter. Således er et bygningsdesigns ydeevne, modsat hvad der ofte beskrives, ikke først bestemt ved arkitektens første skitse på en serviet, men er i vid udstrækning allerede bestemt af konteksten og byggeprogrammet. Det betyder, at der er placeret et stort ansvar på skuldrene af såvel ingeniører som arkitekter i de kritiske første designfaser.

DESIGN MED VIDEN |

173

Author's personal copy

Available online at www.sciencedirect.com

Solar Energy 85 (2011) 757–768 www.elsevier.com/locate/solener

Quantifying the potential of automated dynamic solar shading in office buildings through integrated simulations of energy and daylight Martin Vraa Nielsen ⇑, Svend Svendsen, Lotte Bjerregaard Jensen Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark, Brovej, Building 118, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark Received 14 September 2010; received in revised form 12 January 2011; accepted 20 January 2011 Available online 15 February 2011 Communicated by: Associate Editor J.-L. Scartezzini

Abstract The fac ade design is and should be considered a central issue in the design of energy-efficient buildings. That is why dynamic fac ade components are increasingly used to adapt to both internal and external impacts, and to cope with a reduction in energy consumption and an increase in occupant comfort. To gain a complete picture of any fac ade’s performance and subsequently carry out a reasonable benchmarking of various fac ade alternatives, the total energy consumption and indoor environment need to be considered simultaneously. We quantified the potential of dynamic solar shading fac ade components by using integrated simulations that took energy demand, the indoor air quality, the amount of daylight available, and visual comfort into consideration. Three types of fac ades were investigated (without solar shading, with fixed solar shading, and with dynamic solar shading), and we simulated them with various window heights and orientations. Their performance was evaluated on the basis of the building’s total energy demand, its energy demand for heating, cooling and lighting, and also its daylight factors. Simulation results comparing the three fac ade alternatives show potential for significant energy reduction, but greater differences and conflicting tendencies were revealed when the energy needed for heating, cooling and artificial lighting were considered separately. Moreover, the use of dynamic solar shading dramatically improved the amount of daylight available compared to fixed solar shading, which emphasises the need for dynamic and integrated simulations early in the design process to facilitate informed design decisions about the fac ade.

2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: Dynamic solar shading; Integrated simulation; Energy demand; Indoor environment; Office buildings

1. Introduction The ever-increasing focus on the environment and climate transformation as a consequence of the emission of greenhouse gasses means that the building industry is facing a new reality (IPCC, 2008; Brundtland, 1987). Energy consumption doubled in the period 1971–2007, and the operation of buildings accounts for 40% of the overall energy consumption (International Energy Agency, 2009).

The Energy Performance of Buildings Directive (EPBD,

⇑ Corresponding author. Tel.: +45 4525 1902; fax: +45 4593 1755.

E-mail address: mavni@byg.dtu.dk (M.V. Nielsen).

0038-092X/$ - see front matter 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.solener.2011.01.010

174 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

2002) has become an important part of the new reality, and with the recent political acceptance of the new version that prescribes that all new buildings must be “nearly zeroenergy buildings” by 2020 (EPBD, 2010), energy efficiency at every level within the built environment has simply become a prerequisite.

The overall reason for constructing buildings is to shield occupants from the outdoor environment and obtain a certain level of indoor comfort. Consequently, to a great extent, it is the level of occupant comfort that determines how much energy is used to operate the building. This puts the fac ade, as the actual separator between the indoor and outdoor climate, at the centre of the “energy reduction issue”. Choosing the optimal fac ade, however, is a complex

Author's personal copy

758

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

discipline with many, often contradictory, parameters of considerable interdependence (Ochoa and Capeluto, 2009).

The introduction of dynamic fenestration creates the possibility of obtaining a more beneficial utilisation of the available resources, such as insolation and daylight, with respect to both energy demand requirements and occupant comfort (Lee et al., 1998). There has been previous research into dynamic fenestration technologies to determine their significance in relation to energy consumption and occupant comfort. Results show the potential of dynamic fenestration components, ranging from a decrease in cooling and lighting demand (Athienitis and Tzempelikos, 2002; Tzempelikos and Athienitis, 2007), reduced overall energy demand (Lollini et al., 2010), and improved daylight utilisation (Koo et al., 2010). All this provides insight into how a certain degree of responsiveness in the fac ade can have a beneficial effect.

This article demonstrates that the selection of a fac ade design can only be justified by benchmarking various design alternatives early in the design process when decisions about the fac ade are made (Lo¨hnert et al., 2003).

When making this comparison, it is important to simulate the performance of the fac ades as a result of the interaction with the building sub-systems (Lee et al., 2004; Franzetti et al., 2004). The potential energy reductions and increases in occupant comfort from the ability of dynamic fac ades to adapt to the considerable seasonal changes can only be achieved through an integrated process (Lee et al., 1998).

For example, improving the interior daylight conditions can reduce the energy consumption for artificial lighting, but also increase the heat gain, and therefore affect the energy demand for heating, ventilation and/or cooling

(Johnson et al., 1984; Tzempelikos and Athienitis, 2007; Tzempelikos et al., 2007).

The main objective of this article is to demonstrate the potential of dynamic solar shading with regard to both energy demand and the quality of the indoor environment through a series of integrated simulations. Our aim is to clarify how a number of interdependent parameters define and affect the performance of the fac ade. The focus is on investigating the performance of dynamic solar shading compared to fixed solar shading or no solar shading. We use integrated simulations to illustrate the importance of providing data that facilitates early design decisions with regard to the fac ade (Wilde and Voorden, 2004; Strachan, 2008; Petersen and Svendsen, 2010).

2. Striking a balance Obtaining the desired equilibrium between energy demand and occupant comfort can only be achieved at room level. Only on this scale is it possible to evaluate both behaviour and requirements with regard to the thermal and the visual indoor environment defined by the occupant.

The balance that results in the desired level of comfort is often highly sensitive and is represented by many environmental factors (Fig. 1).

Even minor alterations in either internal or external loads can have a relatively large impact on the energy demand for heating, cooling, ventilation or artificial lighting. Each of the fac ade components has a filtering effect on the external impacts, and the indoor environment can only be evaluated by considering the building envelope as a whole (Clarke et al., 1998). So the fac ade can be

Fig. 1. Typical room with environmental components.

DESIGN MED VIDEN |

175

Author's personal copy

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

constructed with a number of static and dynamic components that, in combination, are capable of obtaining a better control of the outdoor climate compared with more traditional fac ades (Lee et al., 2002). For example: regulating the amount of solar heat gain and daylight can be obtained by installing dynamic solar shading; natural ventilation can be obtained through windows or openings (Fig. 2).

Evaluating fac ades with dynamic properties requires us to perform equally dynamic simulations to determine the level of indoor environment and the energy demand for heating, cooling and artificial lighting. The simulations have to include weather data for the given location and generate results for both the thermal, visual and atmospheric indoor environment – especially when considering translucent components (Selkowitz, 1998). Only then can the components be controlled in accordance with both outdoor and indoor climate, and the potential reduction in energy demand as a consequence of the increased adjustability and the utilisation of the higher luminous efficiency of daylight can be determined (Strachan, 2008). So there is considerable interdependence between the composition of the fac ades, daylight availability, the need for heating, cooling and artificial lighting, the layout of workplaces, and the wishes of each individual occupant.

We chose the fenestration system as a good representative for the often contradictory wishes for fac ades. Solar shading represents the first opportunity to control daylight and solar heat gain, which is often a key issue in obtaining workstations with sufficient amounts of daylight and avoiding overheating problems. This analysis focuses on early design decisions and therefore concentrates on the

759

performance of dynamic solar shading in comparison with fixed solar shading and no solar shading.

3. Method 3.1. Simulation process Analyses were carried out using iDbuild (Petersen and Svendsen, 2010), a tool developed at the Technical University of Denmark, that performs hourly-based calculations of the total energy demand taking into account the energy needed for heating, ventilation, cooling, domestic hot water and artificial lighting. In principle, the program is made up of two parts: a thermal simulation handled by BuildingCalc (Nielsen, 2005), and a daylight simulation handled by LightCalc (Hviid et al., 2008). The integrated simulation is performed by feeding hourly daylight levels into the thermal simulation program.

LightCalc essentially pre-calculates the daylight levels at given evaluation points without shading to provide initial values for the artificial lighting loads, the internal heat gain and subsequently the indoor air temperature.

3.1.1. Thermal simulation For each hourly time step, the thermal simulation evaluates the indoor air temperature based on the solar heat gain received through the windows, and the heat exchange with internal surfaces and with the external environment.

Based on the indoor air temperature, the defined heating or cooling systems are controlled to achieve given set-point temperatures. If the indoor air temperature is below the heating set point, the heating system will be activated and

Fig. 2. Illustration of the components of the building envelope and the parameters of the external environment they can dynamically filter. Natural ventilation can be enabled through an opening above the window and controlled by a louver, while insolation can be controlled by solar shading.

176 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

Author's personal copy

760

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

if the indoor air temperature is above the cooling set point, the defined systems will be activated in the following order: 1.

2.

3.

4.

Shading Venting (natural ventilation through windows) Increased mechanical ventilation Mechanical cooling

When one of these systems is activated, the thermal indoor environment is re-simulated for the given time step to include its effect and to determine the resulting indoor air temperature.

The shading system can be controlled in accordance with the indoor air temperature, the risk of glare, or both.

If either of the two conditions is exceeded, the solar shading will be fully lowered and, in the case of adjustable blinds, adjusted to a cut-off angle at which direct sun is just blocked. The risk of glare is evaluated in accordance with a daylight glare probability index proposed by Wienold and Christoffersen, 2006. If controlled according to both indoor air temperature and the risk of glare, the shading system will activate if either of the two conditions occur. If shading has been activated, the angle-dependent light transmittance determined by the WIS program (WinDat, 2006) is used to calculate the daylight level at the user-defined points (see Section 3.1.2 below). The artificial lighting levels required to achieve the given set points and the resulting heat gains from the lighting are determined. Finally, the solar heat gain is calculated by using an angle-dependent total solar energy transmittance for the fenestration system (including shading system) determined by the WIS program. The solar heat gain coefficient for the fenestration system is used for both the direct and the diffuse radiation.

Venting is natural ventilation through the windows and can be activated and increased up to a given maximum air

flow. Mechanical ventilation can be varied between a maximum and a minimum air flow.

Mechanical cooling is the final measure and will be activated if the indoor air temperature exceeds the cooling temperature set point after shading has been activated and both venting and mechanical ventilation has been increased to the maximum given value. Both the heating and cooling demands are determined analytically in each time step with respect to the given set-point temperatures when all other active systems controlling the indoor temperature have been activated.

3.1.2. Daylight simulation The LightCalc algorithm calculates hourly daylight levels, controls the shading system, and determines its effect on daylight levels, making photo-responsive lighting control possible. The simulation of daylight levels as a result of both diffuse and direct components combines several approaches in determining the external and the internal light distribution.

Externally, the diffuse light from scattering in the atmosphere and from the ground and surroundings is modelled using an upper and a lower (inverted) sky dome, as suggested

by Robinson and Stone (2006). The upper sky dome uses the Perez all-weather model (Perez et al., 1993) to determine the anisotropic sky radiation, while the lower sky dome is uniform with a constant luminosity expressed by a mean ground reflectance. Both sky domes are divided into 145 patches using the discretisation scheme proposed by Tregenza (1987). The internal light distribution is based on the luminous-exitance method that, like the radiosity method, treats the subdivided internal surfaces receiving transmitted direct and diffuse light as acting like light sources. The algorithms and the methodology behind the implementation are described by Park and Athienitis (2003).

Fig. 3. Geometry of the two-person office with the window centred in relation to the room width and an offset of 0.1 m on each side. The window height was defined from a window parapet with a fixed height of 0.8 m.

DESIGN MED VIDEN |

177

Author's personal copy

761

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

The coupling between the internal and external environment is divided into three components: diffuse-to-diffuse, direct-to-diffuse and direct-to-direct. Each light component has a respective angle-dependent light transmittance calculated through WIS. When direct light hits the solar shading and diffuses, the diffuse-to-direct component is used. Interreflection between blinds and between the solar shading system and glazing is ignored.

3.2. Simulation model The potential of the dynamic fac ades was investigated through a number of cases to achieve a valid and plausible estimate. Each simulation represented a 3 3 6 m (width height depth) office space for two people, with a specific fac ade type and system configuration (HVAC and artificial lighting system). The window width was kept constant at 2.8 m while the window height was varied.

Fig. 3 represents the model without solar shading and a window height of 1.5 m.

The room was simulated as a single unit in a larger office building located in Denmark, and only the fac ade was exposed to the outside climate. Ceiling, floor and internal walls were assumed to face the same thermal environment as the room investigated and their thermal capacity was included. The model was simulated in an environment without any obstructing elements.

Additional heat loss through the roof, gable and floor was added so that the energy demand of the office could still be considered representative for all rooms with the same orientation.

With respect to building services (systems) and their control, a distinction was made between ‘occupancy’ (8 am to 5 pm) and ‘non-occupancy’ (midnight to 8 am and 5 pm to midnight), and also seasonal between a ‘summer’ situation (weeks 1–18 and 38–53) and a ‘winter’ situation (weeks 19–37). The distinction between summer and winter was made in accordance with the typical heating season in Denmark (EBST, 2006) and coupled with the seasonal temperature set points defined in the European standard (CEN, 2007). The office was occupied by two people and their equipment Monday–Friday throughout the year.

Table 1 contains input data on geometry, construction, system configuration, and internal loads for the simulation models.

Heating, ventilation, cooling and artificial lighting were only active during occupancy, while infiltration was constant the entire year. Natural ventilation through open windows, indicated as venting, was defined as the maximum air flow rates possible for single-sided natural ventilation during the summer season derived from the Danish standard (EBST, 2006). Set points for heating/cooling and air flow rates for mechanical ventilation corresponded with requirements for Class II in the European standard (CEN, 2007), and the power of the heating and cooling systems was assumed infinite. Both heating and cooling systems were simulated as active during occupancy the entire year, so that

178 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

Table 1 Input values defining the simulation model with respect to geometry, system set-up and efficiency.

Geometry Room – width height depth Window width and height Width of window frame construction

3 3 6m 2.8 1.5 m 0.1 m

Constructions Heat transfer coefficient of opaque fac ade construction (U-value) Heat transfer coefficient of glazing (U-value) Light transmittance of glazing (LT) Total solar energy transmittance of glazing Heat transfer coefficient of frame construction (U-value) Linear heat transmittance of window frame (Psi-value) Systems and internal loads

0.15 W/m2 K 0.7 W/m2 K 0.53 0.40 1.5 W/m2 K 0.1 W/m K

Occupancy (8 am to 5 pm)

Nonoccupancy

20/24 C 23/26 C 0.1 h 1 1.48 l/sm2 0.8

– – 0.1 h 1 0.0 l/sm2 –

1.5 kJ/m3 1.8 l/sm2 2.5 10 W/m2

– 0.6 l/sm2 – 1 W/m2

General lighting Illuminance set point max. power min. power (stand-by)

200 lux 6 W/m2 0.5 W/m2

– 0 W/m2 0 W/m2

Task lighting Illuminance set point max. power min. power

500 lux 1.2 W/m2 0 W/m2

– 0 W/m2 0 W/m2

Set-point temperatures – heating/cooling Summer Winter Infiltration Mechanical ventilationa Heat exchanger efficiency of mechanical ventilationb Specific fan power, SFP Venting rate (maximum)c Mechanical cooling, efficiency (COP) Internal loads from persons and equipment

a Equivalent to indoor air quality Class II in the European standard EN 15251:2007 (CEN, 2007). b Bypass of heat exchanger possible. c Defined as ventilation through open windows. Only active outside the heating season and corresponds to maximum values for single-sided natural ventilation in Danish energy calculations (EBST, 2006).

the system set-up would result in temperatures and air quality that always corresponded to Class II requirements.

The artificial lighting, in terms of both general and task, was controlled in accordance with daylight availability. It was assumed that work stations would be placed as close to the fac ade as possible. To represent a relatively conservative indication of the available daylight the evaluation point for the daylight level was placed four metres from the fac ade, 0.85 m above the floor and centred in relation to the room width. The assumption was made for this particular simulation model with two occupants so as to explore the full effect of photo-responsive lighting control in combination with dynamic solar shading. It would need to be re-evaluated if more occupants were added, if the layout of work stations were different, or if the overall room

Author's personal copy

762

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

geometry changed. General lighting was controlled by a continuous, linear dimming profile that supplements the amount of daylight available with artificial lighting. The dimming control of the general lighting interpolated linearly between the maximum and minimum power in order to meet the specified set point (200 lux). Task lighting was either on at maximum power, if the daylight level was below the set point (500 lux), or off, if it was above the set point. It should be noted that power for both general and task lighting in Table 1 indicates a power density (W/m2) applicable for the entire floor area. Thus, the value for the task lighting of 1.2 W/m2 corresponds to one 11 W low-energy light bulb per occupant supplying 500 lux at the work station, whereas the general lighting at maximum power of 6 W/m2 supplies 200 lux.

3.3. Parameter variations A series of parameter variations were carried out in order to clarify how various solar shading types affected the indoor environment and the energy consumption. The objective was a continuous comparison of the fac ade alternatives to obtain a reasonable picture of the performance of the dynamic solar shading, i.e. its ability to control solar gains and thus its applicability in various situations. Three different solar shading types (no solar shading, with dynamic solar shading, and with fixed solar shading) were investigated through all these parameter variations (Fig. 4).

The fixed and the dynamic solar shading were modelled as a horizontal, grey Venetian blind with slat thickness, width and distance equal to 0.22 mm, 50 mm and 42.5 mm respectively and a reflectance of 0.54. The fixed solar shading was modelled as being fixed in the horizontal position and not retractable, and thus active during both occupancy and non-occupancy. The dynamic solar shading was modelled as pivoting and fully retractable, and during occupancy controlled according to the indoor air tempera-

ture and risk of glare. If either of the two conditions occurred, the blinds were fully lowered and adjusted to the slat angle at which direct sun was just blocked (the cut-off angle), thus maximising the amount of daylight entering the room while optimising the indoor environment with respect to glare and overheating (Hviid et al., 2008).

Outside occupancy, the dynamic solar shading was only controlled in accordance with indoor air temperature.

3.3.1. Design variables Integrated daylight and thermal simulations of the three solar shading types were performed for two design variables through a number of parameter variations as seen in Table 2.

The window height in relation to fac ade transparency was defined from the work plane (0.8 m above the floor) and vertical upward. The width of the window was kept constant at 2.8 m, so by increasing the window height the area of the opaque fac ade was reduced and both the total heat transfer coefficient (U-value) of the fac ade and the amount of solar radiation entering the room increased.

All models were simulated with the glazing and frame properties indicated in Table 1.

3.4. Evaluation criteria Based on the simulation results, each design variable and its effect in relation to energy performance and indoor environment were evaluated. The evaluations were performed on the basis of the following parameters:

Total energy demand of the model.

Energy demand for heating.

Energy demand for cooling.

Energy demand for artificial lighting.

Table 2 For all three solar shading types, integrated simulations were performed for each of the four major orientations and three different window heights.

What

Why

How

Simulated models

Orientation

Influences the incident amount of solar radiation the fac ade receives Defines the amount of heat gain and daylight that enters the room

Orientation of window

North, south, east and west 1.0 m, 1.5 m and 2.0 m

Fac ade transparency

Window height

Table 3 List of primary energy factors as stated in the Danish building regulations (EBST, 2006) and how they are used in the simulations.

Fig. 4. Illustrations of the three different solar shading types: (a) Reference model without solar shading, (b) Model with fixed solar shading, and (c) Model with dynamic and fully retractable solar shading.

Energy source

Factor

Simulation model

Gas, oil and district heating Electricity

1

Space heating and domestic hot water

2.5

Cooling, fans for mechanical ventilation and artificial lighting

DESIGN MED VIDEN |

179

Author's personal copy

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

Daylight represented by the daylight factor and usable area for workstations.

To assess the total energy demand as required in the energy directive from the European parliament (EPBD, 2002), a domestic hot-water consumption of 100 l/m2 corresponding to the Danish standard for offices was added.

Energy performance was evaluated using primary energy factors as indicated in Table 3 corresponding to the Danish building regulations (EBST, 2006).

The thermal indoor environment and the air quality were both evaluated in accordance with the European standard EN 15251:2007 (CEN, 2007). The heating and cooling set points and the air flow for the mechanical ventilation corresponded to the requirements for indoor environment Class II. The energy demand for ventilation was equal for all models since the specific fan power and the airflow was constant, also corresponding to indoor environment Class II. Because the available heating and cooling power was assumed to be infinite, the requirements for indoor environment Class II with respect to thermal environment and air quality were always fulfilled for all models during occupancy. It should be noted, however, that while the heating and cooling systems were both simulated as active all year during occupancy and therefore resulted in an increased consumption, they do render possible a simple and clear comparison of the performance of the different fac ades. Since the requirements for the quality of the indoor environment were fulfilled, the energy used for heating, cooling and artificial lighting gives a clear indication of the fac ade’s ability to control both internal and external impacts to maintain a good indoor environment.

The addition of natural ventilation (venting) outside the heating season was made to clarify whether or not some fac ade designs for certain orientations performed well enough to render cooling obsolete. E.g. problems with overheating outside the heating season would either not exist or be small enough to be handled by an increased air flow obtained through natural ventilation.

The amount of daylight available was evaluated based upon the daylight factor in the working plane (0.85 m above the floor) and simulated using the CIE standard

overcast sky, which delivers 10,000 lux on an outside unobstructed horizontal surface. The daylight factor indicates the ratio between the daylight on an internal surface and the daylight on an unobstructed external surface and will therefore not differ in accordance with orientation, day or hour. Whether or not workstations could be established was defined by a daylight factor threshold of 2%, which under a CIE standard overcast sky corresponds to an illuminance level of 200 lux. The threshold connects to the general lighting level and thus corresponds to the illuminance set point for the general lighting as defined in Table 1.

4. Results Comparative data with respect to both energy demand and daylight factors are presented below for the three solar shading types: no solar shading, fixed solar shading, and dynamic solar shading.

4.1. Energy demand The data are arranged according to window height and orientation. All models were simulated for an entire year and the results correspond to the annual energy demand per square metre (kWh/m2 per year). As seen in Fig. 5, all the simulated models resulted in an energy demand below 70 kWh/m2 per year, and approximately 22% of the models (7 out of 36) show an energy demand below 50 kWh/m2 per year. The best-performing fac ade faced south, with a window height of 1.5 m and dynamic solar shading, whereas the worst-performing fac ade faced north, with a window height of 1.0 m and fixed solar shading. The two fac ades, best and worst, were simulated to have a total energy demand of 46 kWh/m2 per year and 66 kWh/m2 per year, respectively.

Generally, the fac ade with dynamic solar shading had the best performance with respect to total energy demand.

In most cases, fac ades with fixed solar shading had the worst performance, except for fac ades facing south, east and west with a window height of 2.0 m, where the fac ades with no solar shading had the worst performance. The vari-

Fig. 5. Annual energy demand for simulated models depending on orientation, window height and solar shading types.

180 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

763

Author's personal copy

764

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

ations in energy demand between the three different solar shading types were generally of the same magnitude in all cases. Because air flow rates were determined in accordance with indoor air quality (number of occupants and floor area) as defined in the European standard (CEN, 2007), energy demands for ventilation and for domestic hot water were constant for all models corresponding to 13 kWh/m2 per year and 5 kWh/m2 per year, respectively. Subsequently the differences in total annual energy demand were caused by differences in the energy demand for heating, cooling and artificial lighting.

The distribution of energy demand for heating, cooling and artificial lighting, as seen in Figs. 6–9, shows that the north, east and west-facing fac ades have an increased heating demand when the window height (i.e. the fac ade transparency/window area) is increased due to the greater heat transmission through the glazed component than through the opaque parts. South-facing fac ades have a varying tendency depending on the solar shading types. For all models, the energy demand for artificial lighting decreases as the fac ade transparency and the insolation increases. The energy demand for cooling generally increases as the window height increases, but the increase is proportionally greater in the cases without solar shading for the orientations south, east and west (Figs. 6–9).

4.2. North Models with fac ades facing north showed a reduction in total annual energy demand between the worst (at 66 kWh/ m2 per year) and the best-performing fac ade (at 58 kWh/ m2 per year) amounting to approximately 12% (Fig. 6).

The north-facing fac ades with no solar shading or fixed solar shading had the best performance at a window height of 1.5 m, whereas the fac ades with dynamic solar shading had the best performance at a window height of 2.0 m.

All the performance indicators showed similar tendencies and magnitudes for all types of solar shading. When the window height was increased, the heating and cooling demand increased and the energy demand for artificial lighting decreased.

4.3. South Models with fac ades facing south showed a reduction in total annual energy demand between the worst (55 kWh/ 2 m per year) and best-performing fac ade (46 kWh/m2 per year) amounting to approximately 16% (Fig. 7). The fac ade with no solar shading performed equally well with window heights of 1.0 m and 1.5 m. The fac ade with fixed solar shading had the best performance at a window height of

Fig. 6. Distribution of annual energy demand for heating, cooling and artificial lighting for simulation models with fac ades facing north.

Fig. 7. Distribution of annual energy demand for heating, cooling and artificial lighting for simulation models with fac ades facing south.

DESIGN MED VIDEN |

181

Author's personal copy

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

765

Fig. 8. Distribution of annual energy demand for heating, cooling and artificial lighting for simulation models with fac ades facing east.

Fig. 9. Distribution of annual energy demand for heating, cooling and artificial lighting for simulation models with fac ades facing west.

2.0 m, whereas the fac ade with dynamic solar shading had the best performance at a window height of 1.5 m. The tendencies of the performance indicators were similar for fac ades with fixed and with no solar shading, but the magnitudes differed. When the window height was increased, the heating and lighting demand decreased while the cooling demand increased. Fac ades with dynamic solar shading displayed an increase in heating and cooling demand, but a decrease in energy demand for artificial lighting. The fac ades with no solar shading displayed considerable interdependence between all the performance indicators: increasing the window height resulted in an increased cooling demand that exceeded the combined decrease in energy demand for heating and artificial lighting. The fac ades with fixed or dynamic solar shading showed similar magnitudes of variation between the performance indicators.

4.4. East and west Models with fac ades facing east showed a reduction in total annual energy demand between the worst (63 kWh/ 2 m per year) and best-performing fac ade (55 kWh/m2 per year) amounting to approximately 13% (Fig. 8). The eastfacing fac ade with no shading performed equally well at

182 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

window heights of 1.0 m and 1.5 m. The east-facing fac ade with fixed solar shading had the best performance at a window height of 1.5 m, whereas the fac ade with dynamic solar shading performed equally well at window heights of 1.5 m and 2.0 m.

Models with fac ades facing west showed a reduction in total annual energy demand between the worst (62 kWh/ 2 m per year) and best-performing fac ade (54 kWh/m2 per year) amounting to approximately 13% (Fig. 9). The west-facing fac ade with no shading performed equally well at window heights of 1.0 m and 1.5 m. The west-facing fac ade with fixed solar shading performed equally well at window heights of 1.5 m and 2.0 m. The west-facing fac ade with dynamic solar shading had the best performance at a window height of 1.5 m.

For east and west-facing fac ades, all the performance indicators showed similar tendencies for all window heights and types of solar shading. When the window height was increased, the energy demand for heating and cooling increased and the energy demand for artificial lighting decreased. All east and west-facing fac ades showed a proportionally greater difference in the energy demand for artificial lighting when the window height increased from 1.0 m to 1.5 m compared to an increase in window height from 1.5 m to 2.0 m. For east and west-facing fac ades with no

Author's personal copy

766

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

solar shading, the energy demand for cooling was greater than for fac ades with fixed or dynamic solar shading.

4.5. Daylight The amount of daylight for the three different types of solar shading at window heights of 1.0 m, 1.5 m and 2.0 m are presented in the form of daylight factors and depicted in Fig. 10, with the threshold of a 2% daylight factor indicated. Because of the uniform overcast-sky conditions, the dynamic solar shading was not activated and daylight factors for models with no solar shading and models with dynamic solar shading were equal.

In general, the daylight factor decreases as the distance from the fac ade increases and the window height decreases.

The results group the performances of the fac ades with respect to daylight factors via varying dependence on the distance from the window. The fac ades with no solar shading or with dynamic solar shading displayed a greater dependence on the distance from the window compared to the fac ades with fixed solar shading, and they displayed a more dramatic decrease in the daylight factor as the distance from the fac ade increased than did fac ades with fixed solar shading. The difference between the two groups was greatest close to the fac ade and decreased as the distance from the fac ade increased, so that daylight factors tended to converge at the back of the room, but still with considerable differences. However, where the window height was the same, fac ades with no solar shading and fac ades with dynamic solar shading always performed better with respect to daylight than fac ades with fixed solar shading.

With regard to the amount of daylight, only fac ades with a window height of 2 m with no solar shading or with dynamic solar shading provided a daylight factor of a minimum of 2% in the entire working zone. Under CIE overcast-sky conditions, only these fac ades provided an illuminance of minimum 200 lux for the area extending 4 metres from the fac ade and thereby enough daylight for

the general lighting to be dimmed to the minimum effect indicated in Table 1. Reducing the window height to 1.0 m or 1.5 m reduced the distance from the fac ade where a minimum of 2% daylight factor could be maintained to 2.25 or 3.5 m, respectively. For fac ades with fixed solar shading, window heights of 1.0 m, 1.5 m and 2.0 m meant that the distance from the fac ade where a minimum of 2% daylight factor could be maintained was approximately 1.0 m, 2.0 m and 3.0 m, respectively.

5. Discussion The results for the simulated parameter variations illustrate that even in the relatively cold north-European climate, where heating often dominates the total energy consumption, energy demand for cooling and artificial lighting are also important – especially in low-energy buildings. General for all orientations, of course, is that increased fac ade transparencies allow more insolation into the room. A general tendency that is observed is a reverse proportionality between cooling and artificial lighting.

However, the energy demand for heating and cooling depends not only on increased insolation, which varies greatly depending on the orientation, but also on the change in the thermal performance of the fac ade that occurs when glazing replaces an opaque fac ade. Furthermore, our simulations of the daylight factors showed a much greater difference in performance between fac ades with no solar shading or with dynamic solar shading and fac ades with fixed solar shading.

The results for the cases examined show that in most cases dynamic solar shading constitutes the best design alternative, but also that the difference in total energy demand between the best and the second best are minor and can be non-existent. Thus, when all results are considered, the difference in total energy demand between the worst and the best-performing fac ade for a given orientation does not exceed 16%. With respect to energy, fac ades

Fig. 10. Daylight factors in the working plane (0.85 m above the floor) along the centreline in the room in relation to the distance from the window depicted by solar shading type and window height, using the CIE overcast sky. Daylight factors for fac ades with no solar shading and fac ades with dynamic solar shading are equal because the dynamic solar shading would not be activated under overcast-sky conditions. The threshold of a 2% daylight factor corresponding to 200 lux when the illuminance on an outside unobstructed surface is 10,000 lux has been indicated.

DESIGN MED VIDEN |

183

Author's personal copy

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

with fixed or no solar shading are a relevant alternative for all fac ades facing north and for fac ades with window heights of 1.0 m or 1.5 m facing south, east and west. But when it comes to daylight factors, dynamic solar shading shows a dramatic improvement in performance over fixed solar shading. The increased daylight factor results in an expansion of the well-lit area by 70–150%. The increased amount of daylight available provided by a dynamic solar shading more adaptable to the climate, therefore allows a greater and more flexible utilisation of the space, so that more work stations can be established. The fac ade design, the geometry of the room and its function should therefore be considered simultaneously. It should be noted that the daylight factor, although a simple indication of a worstcase scenario, is still a measure used to document the amount of daylight. Furthermore, the energy demand for the photo-responsive artificial lighting with a continuous dimming profile controlled in accordance with weather data will ultimately reflect the amount of daylight available similar to the daylight autonomy. Thereby the two measures together satisfactorily indicate the fac ade’s performance with respect to daylight. Thus the results prove the importance of integrated simulations to quantify the potential of dynamic fenestration systems due to the great interdependence of the various parameters. Furthermore, this quantification needs to be performed in the early stages of the design process, where essential design decisions defining the framework and preconditions for the building’s performance are made – not only to obtain a more complete performance assessment, but also to better tailor the fac ade design to the actual building, its layout and its function. Open plan offices with work stations far from the fac ade require high fac ade transparency and a dynamic solar shading to obtain sufficient amounts of daylight without having problems with overheating, whereas fixed solar shading could be considered for a one or two-person office where work stations can be established close to the fac ade.

Dynamic solar shading with its ability to reduce energy consumption and improve occupant comfort may therefore not always be the optimal choice when economics (acquisition and maintenance) or subjective factors such as aesthetics are included.

Each simulation was only performed on a single, but representative room in the perimeter zone of a building, and the interaction with the rest of the building was considered as increased transmission heat loss through the roof, gable and floor. The actual performance of the entire building depends not only on the control strategy chosen for each room, but on the control strategy for the entire building. However, our focus was on depicting the performances of different fac ade designs and the importance of considering alternatives. iDbuild provides adequate information for the comparison and evaluation of various alternatives in respect to both indoor climate and energy consumption.

It should be noted that the results represent a building placed in a totally unobstructed environment and therefore with a high degree of daylight available. In an urban envi-

184 | DESIGN MED VIDEN | FORSKNINGSARTIKLER

767

ronment, where a smaller amount of daylight is available, the potential disadvantage of permanently reducing the amount of daylight by implementing fixed solar shading and thereby increasing the energy demand for artificial lighting is not fully disclosed. Moreover, this article focuses on comparing fac ades with no solar shading with one specific type of dynamic and fixed solar shading. Therefore the results cannot be used for an evaluation of dynamic solar shading or dynamic fenestration systems in general. However, investigation of other dynamic fac ade components will form part of our future work. Furthermore, the highly glazed fac ades which seem to be a prevailing element in modern office buildings mean that dynamic solar shading is very relevant for the control of large amounts of insolation and minimise the risk of overheating, while still providing views of the outside. This relevance will only increase when the stricter demands for “nearly zero-energy buildings” are implemented in 2020 (EPBD, 2010).

6. Conclusion To quantify the potential of dynamic solar shading, we have presented simulation-based results from an investigation of three different solar shading types. Integrated thermal and daylight simulations were carried out to demonstrate comparable results of the performances of the fac ades with respect to energy consumption and indoor environment. The performances of the fac ades were evaluated in terms of total energy demand, the individual energy demands for heating, cooling and artificial lighting, and also the amount of daylight in terms of daylight factor.

The quality of the indoor environment for all the models simulated complied with Class II defined in the European standard CEN 15251, 2007.

For a typical office located in Denmark, the significance of orientation, window area and solar shading types was investigated to emphasise the importance of involving design alternatives in the early stages of design, when critical decisions on the design of the fac ade are made. The work presented demonstrates how an available open source program can perform integrated simulations, reveal a high degree of interdependence between parameters, and thus make it possible to quantify a fac ade’s performance in a given context and achieve harmony between the layout of the building and its functions.

References Athienitis, A.K., Tzempelikos, A., 2002. A methodology for simulation of daylight room illuminance distribution and light dimming for a room with a controlled shading device. Solar Energy 72 (4), 271–281.

Brundtland, G.H., 1987. World Commission on Environment and Development. In: Our Common Future. Oxford University Press, Oxford.

CEN, 2007. EN15251:2007 – Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings – addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics.

Clarke, J.A., Janak, M., Ruyssevelt, P., 1998. Assessing the overall performance of advanced glazing systems. Solar Energy 63 (4), 231–241.

Author's personal copy

768

M.V. Nielsen et al. / Solar Energy 85 (2011) 757–768

EBST, 2006. Bygningsreglement for erhvervs- og etagebyggeri. In: National Agency for Enterprise and Construction. Copenhagen, Denmark.

EPBD, 2002. Energy Performance Building Directive – Directive 2002/91/ EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the Energy Performance of Buildings.

EPBD, 2010. Directive 2010/. . ./EU of the European Parliament and of the Council of on the Energy Performance of Buildings (recast). <http://register.consilium.europa.eu/pdf/en/10/st05/st05386-ad01.en 10.pdf>.

Franzetti, C., Fraisse, G., Achard, G., 2004. Influence of the coupling between daylight and artificial lighting on thermal loads in office buildings. Energy and Buildings 36 (2), 117–126.

Hviid, C.A., Nielsen, T.R., Svendsen, S., 2008. Simple tool to evaluate the impact of daylight on building energy consumption. Solar Energy 82 (9), 787–798.

IEA, 2009. Key World Energy Statistics 2009. International Energy Agency, Paris.

IPCC, 2008: Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, Pachauri, R.K., Reisinger, A. (Eds.)]. IPCC, pp. 30.

Johnson, R., Sullivan, R., Selkowitz, S., Nozaki, S., Conner, C., Arasteh, D., 1984. Glazing energy performance and design optimization with daylighting. Energy and Buildings 6 (4), 305–317.

Koo, S.Y., Yeo, M.S., Kim, K.W., 2010. Automated blind control to maximize the benefits of daylight in buildings. Building and Environment 45 (6), 1508–1520.

Lee, E.S., DiBartolomeo, D.L., Selkowitz, S.E., 1998. Thermal and daylighting performance of an automated venetian blind and lighting system in a full-scale private office. Energy and Buildings 29 (1), 47–63.

Lee, E., Selkowitz, S.E., Bazjanac, V., Inkarojrit, V., Kohler, C., 2002.

High-performance commercial building fac ades. Lawrence Berkeley National Laboratory: Lawrence Berkeley National Laboratory. LBNL Paper LBNL-50502. <http://www.escholarship.org/uc/item/ 7d30b3rd> (accessed 14.09.10).

Lee, E.S., DiBartolomeo, D.L., Rubinstein, F.M., Selkowitz, S.E., 2004.

Low-cost networking for dynamic window systems. Energy and Buildings 36 (6), 503–513.

Lollini, R., Danza, L., Meroni, I., 2010. Energy efficiency of a dynamic glazing system. Solar Energy 84 (4), 526–537.

Lo¨hnert, G., Dalkowski, A., Sutter, W., 2003. Integrated Design Process: A Guideline for Sustainable and Solar-Optimised Building Design.

International Energy Agency (IEA) Task 23 Optimization of Solar Energy Use in Large Buildings, subtask B. Austria.

Nielsen, T.R., 2005. Simple tool to evaluate energy demand and indoor environment in the early stages of building design. Solar Energy 78 (1), 73–83.

Ochoa, C.E., Capeluto, I.G., 2009. Advice tool for early design stages of intelligent fac ades based on energy and visual comfort approach.

Energy and Buildings 41 (5), 480–488.

Park, K.-W., Athienitis, A.K., 2003. Workplane illuminance prediction method for daylighting control systems. Solar Energy 75 (4), 277–284.

Perez, R., Seals, R., Michalsky, J., 1993. All-weather model for sky luminance distribution – preliminary configuration and validation.

Solar Energy 50 (3), 235–245.

Petersen, S., Svendsen, S., 2010. Method and simulation program informed decisions in the early stages of building design. Energy Buildings 42 (7), 1113–1119.

Robinson, D., Stone, A., 2006. Internal illumination prediction based on a simplified radiosity algorithm. Solar Energy 80 (3), 260–267.

Selkowitz, S.E., 1998. The Elusive Challenge of Daylighted Buildings.

Daylighting’98 Conference, Ottawa, Canada.

Strachan, P.A., 2008. Simulation support for performance assessment of building components. Building and Environment 43 (2), 228–236.

Tregenza, P.R., 1987. Subdivision of the sky hemisphere for luminance measurements. Lighting Research and Technology 19 (1), 13–14.

Tzempelikos, A., Athienitis, A.K., 2007. The impact of shading design and control on building cooling and lighting demand. Solar Energy 81 (3), 369–382.

Tzempelikos, A., Athienitis, A.K., Karava, P., 2007. Simulation of fac ade and envelope design options for a new institutional building. Solar Energy 81 (9), 1088–1103.

Wienold, J., Christoffersen, J., 2006. Evaluation methods and development of a new glare prediction model for daylight environments with the use of CCD cameras. Energy and Buildings 38 (7), 743–757.

Wilde, P.D., Voorden, M.V.D., 2004. Providing computational support for the selection of energy saving building components. Energy and Buildings 36 (8), 749–758.

WinDat, 2006. Window Information System software (WIS), WinDat Thematic Network, TNO Bouw, Netherlands. <http:// www.windat.org>.

DESIGN MED VIDEN |

185

Projektoversigt I denne oversigt findes informationer om beliggenhed, areal, design- og byggeår, opgaveform, bygherre og samarbejdspartnere for de femten projekter, der er præsenteret som cases i bogen. Projekterne er listet alfabetisk efter navn.

Campus Roskilde Beliggenhed : Bygherre : Bruttoareal : Byggeår : Opgaveform : Team :

s. 95 Roskilde, Danmark University College Sjælland 20.000 m2 2010-2012 Førstepræmie Henning Larsen Architects, Cowi, Thing & Wainø og Enemærke & Petersen

Carlsberg Stationsområde s. 83 Beliggenhed : København, Danmark Bygherre : Carlsberg Ejendomme 80.000 m2 Bruttoareal : Designår : 2011 Opgaveform : Konkurrenceforslag, finalist : Henning Larsen Architects, Dorte Mandrup Team Arkitekter, Polyform Arkitekter, Signal Arkitekter, Wohlert Arkitekter, Peter Andreas Sattrup

Kontorhus til Energinet.dk s. 67 Beliggenhed : Ballerup, Danmark Bygherre : Energinet.dk Bruttoareal : 4.000 m2 Byggeår : 2010-2011 Opgaveform : Førstepræmie Team : Henning Larsen Architects, Schul Landskabsarkitekter, Dahl Enterprise og Hansen, Carlsen & Frølund

186 | DESIGN MED VIDEN

King Abdullah Financial District s. 61, 122 Beliggenhed : Riyadh, Saudi-Arabien Bygherre : Capital Market Authority og Public Pensions Agency 1.600.000 m2 Bruttoareal : Designår : 2006-2010 Førstepræmie, international Opgaveform : Team : Henning Larsen Architects, Buro Happold, Møller & Grønborg, DTZ og Geoffrey Barnett Associates

Klaksvík City Center Beliggenhed : Klaksvík, Færøerne Bygherre : Klaksvík Kommune 150.000 m2 Bruttoareal : Designår : 2012 Opgaveform : Førstepræmie, international Arkitekt : Henning Larsen Architects

s. 39

Klostermarksskolen s. 51 Beliggenhed : Roskilde, Danmark Bygherre : Roskilde Kommune 1.000 m2 Bruttoareal : Byggeår : 2011-2012 Opgaveform : Førstepræmie Henning Larsen Architects og Hundsbæk & Team : Henriksen

Domicil til Novo Nordisk s. 23, 115 Beliggenhed : Bagsværd, Danmark Bygherre : Novo Nordisk Bruttoareal : 50.200 m2 Byggeår : 2011-2013 Opgaveform : Førstepræmie Team : Henning Larsen Architects, SLA og Alectia

DESIGN MED VIDEN |

187

Nørrebro Beliggenhed : Bruttoareal : Status : Team :

s. 36, 102, 120 København, Danmark 150.000 m2 Afsluttet 2012 Henning Larsen Architects, Algreen Arkitekter og Peter Andreas Sattrup

SDU – Kolding Campus s. 45 Beliggenhed : Kolding, Danmark Bygherre : Bygningsstyrelsen Bruttoareal : 13.600 m2 Byggeår : 2012-2013 Opgaveform : Førstepræmie, international Team : Henning Larsen Architects, Orbicon og Kristine Jensens Tegnestue

188 | DESIGN MED VIDEN

Siemens HQ Beliggenhed : Bygherre : Bruttoareal : Byggeår : Opgaveform : Team :

s. 73 München, Tyskland Siemens 45.000 m2 2011-2015 Førstepræmie, international Henning Larsen Architects, Topotek1, Werner Sobek, Transsolar, PMI, Müller BBM, AG Licht og CL MAP

Spiegel HQ Beliggenhed : Bygherre : Bruttoareal : Byggeår : Opgaveform : Team :

s. 110 Hamborg, Tyskland Robert Vogel & Co og ABG & Co 50.000 m2 2008-2011 Førstepræmie, indbudt Henning Larsen Architects, Höhler + Partner, WES & Partner, Ingenieurbüro Dr. Binnewies, DSPlan, Schlegel und Reußwig, Kardorff Ingenieure Lichtplanung og Ippolito Fleitz Group

Thomas B. Thriges Gade s. 80, 115 Beliggenhed : Odense, Danmark Bygherre : Odense Kommune Bruttoareal : 50.000 m2 Designår : 2011-2012 Opgaveform : Konkurrenceforslag, finalist Team : Henning Larsen Architects, Polyform Arkitekter, Drees og Sommer, WTM Engineers, Argus Engineering, Rambøll, Speirs + Major og Procasa

Umeå Arkitektskole s. 89 Beliggenhed : Umeå, Sverige Bygherre : Balticgruppen Bruttoareal : 5.000 m2 Byggeår : 2007-2011 Opgaveform : Bestillingsopgave Team : Henning Larsen Architects, White Arkitekter, Rambøll Sverige, TM-Konsult og LPS Konstruktörer

Viborg Rådhus Beliggenhed : Bygherre : Bruttoareal : Byggeår : Opgaveform : Team :

s. 29 Viborg, Danmark Viborg Kommune 19.400 m2 2009-2011 Førstepræmie, international Henning Larsen Architects, Cowi og LIW Planning (Lisbeth Westergaard)

Västra Dockan Beliggenhed : Malmø, Sverige Bygherre : Malmö City & Dockan Exploatering Bruttoareal : 80.000 m2 Designår : 2008-2009 Opgaveform : Konkurrenceforslag Team : Henning Larsen Architects og LIW Planning (Lisbeth Westergaard)

s. 58

DESIGN MED VIDEN |

189

Ordforklaring Oversigten over de mest anvendte faglige termer i bogen har kun udvalgte sidehenvisninger til projekter i bogen. Eksemplerne illustrerer de problemstillinger, der skal tages stilling til i bæredygtigt byggeri.

Arealanvendelse fx s. 59, 62 Arealanvendelse er et centralt begreb i bæredygtigt design af byer og bygninger. Byers tæthed og bygningers kompakthed er vigtige parametre.

Energirenovering fx s. 51, 138 Energirenovering er blevet en almindelig strategi, når bygninger skal renoveres. Efterisolering er et typisk eksempel på en energirenovering.

ATES fx s. 48 ATES står for Aquifer Thermal Energy Storage. Et ATES-anlæg er et grundvandsanlæg med to driftsituationer : køling og opvarmning.

Facadedesign fx s. 31, 75, 97 Store dele af de energioptimerende og -producerende tiltag har direkte forbindelse til facadens udformning.

Belysning fx s. 54, 98 Installation af bæredygtig belysning er et energioptimerende tiltag. Behovsstyret eller dagslysstyret LED-teknologi er et meget anvendt virkemiddel.

Forankring fx s. 40, 111 Når et projekt forankres, tager det hensyn til den loakle kontekst. Der kan være tale om såvel kulturelle som klimatiske og bymæssige forhold.

Bevaring fx s. 40, 74 Det er forbundet med store øknomiske og energimæssige omkostninger at nedrive. Delvis bevaring kan derfor være en bæredygtig strategi.

Fortætning fx s. 62, 106 Fortætning er et almindeligt begreb i udviklingen af bæredygtige byer. Det antages, at jo tættere der bygges, desto færre ressourcer bruges.

Certificering fx s. 73, 110, 111 Der findes i dag mange forskellige certificeringer. I Danmark arbejder man med en tysk udviklet certificering, DGNB.

Geometri fx s. 24, 84, 96 En bygnings eller bys geometriske udformning har stor betydning for energiforbruget, fordi den bl.a. regulerer dagslyset i bygningerne.

Byrumsdesign fx s. 58, 80, 106 Byrumsdesign handler om at tage højde for det enkelte rums funktion, placering, orientering og flow m.v. fra de første skitser til færdigt projekt.

Grundvandskøling og -opvarmning fx s. 32, 48 Køling med grundvand anvendes til rum- og proceskøling. Et grundvandskøleanlæg leverer køling ved at udnytte grundvandets naturlige temperatur.

Bæredygtighed fx s. 29, 73, 91 Bæredygtighed er et komplekst begreb, som det er nødvendigt at afgrænse, hvis man vil anvende det i praksis.

Grønt tag fx s. 25, 31 Grønne tage forsinker regnvandets nedsivning på grunden, omdanner CO2 til ilt og kan rense luften for partikler.

Dagslys fx s. 37, 47, 121 Dagslys er det vigtigste virkemiddel i en oplevelsesrig arkitektur og samtidig et vigtigt parameter i designet af bæredygtige byer og bygninger.

Helhed fx s. 102 Ved at designe med en helhedsbetragtning opnås ressourcebevidst arkitektur i såvel anlægs- som driftsfasen.

Efterisolering fx s. 53, 103 Mange renoveringsprojekter har haft fokus på at efterisolere. Investeringen giver afkast på kort sigt, men kan også forringe trivslen, hvis den står alene.

Helhedsrenovering fx s. 138 En helhedsrenovering arbejder med længere tidshorisonter og inddrager andre aspekter end de rent energimæssige, fx sociale eller sundhedsmæssige.

190 | DESIGN MED VIDEN

Indeklima fx s. 47, 116, 123 En bygnings komfort afhænger i høj grad af indeklimaet, som bl.a. reguleres med gode, giftfrie materialer, akustik, luftskifte og temperatur.

Reflektans fx s. 119, 120 Reflektans er overfladens evne til at reflektere lys.

Det har stor betydning for dagslysniveauet i og omkring en bygning og afhænger af materialevalget.

Integreret Energidesign (IED) fx s. 67, 105 IED er en metode, der har som mål at designe byer og bygninger, så de alene som designede objekter har det lavest mulige energiforbrug.

Soldesign fx s. 37, 106 Soldesign er et virkemiddel til at renovere byens bygninger og boliger, hvor arkitekturens æstetik, dagslysniveau og boligkomfort optimeres.

Infrastruktur fx s. 62, 81 Infrastrukturer med mindre fokus på privatbilisme og mere fokus på kollektiv transport, cyklister og gående har en stor bæredygtig betydning for miljøet.

Solcelleanlæg fx s. 32, 48, 76 Et solcelleanlæg genererer energi fra solens stråler.

Det kan intergreres i en bygning på mange måder, fx på taget eller direkte i en facade.

Klimaforhold fx s. 40, 62, 122 Mod nord hilses solen velkommen, mens skygge fra den bagende sol er at foretrække i Saudi-Arabien.

Klimaforhold er et vigtigt parameter i designet.

Transparens fx s. 111, 123 Transparensen i en bygning har betydning for dens energiforbrug og visuelle kontakt med omgivel serne. Glas kan være mere eller mindre transparent.

Klimaskærm fx s. 53 Klimaskærmen er bygningens kontaktflade med udeklimaet. Begrebet dækker således ikke kun de lodrette facader, men også taget og terrændæk.

Tunge konstruktioner fx s. 47, 75, 97 Beton har en særlig evne til at lede og lagre varme og kulde. Ved at blotlægge en bygnings konstruktioner udnyttes denne evne til at styre indeklimaet.

Komfort fx s. 45, 52, 58 Komfort handler om brugerens oplevelse af en bygning eller et byrum. God komfort er betinget af et behageligt klima og intelligente planløsninger.

Tørkøling fx s. 26 Et tørkølesystem leder, i modsætning til traditionelle køletårne, overskudsvarme væk til omgivelserne, ved hjælp af ventilatorer i stedet for væske.

Kontekst fx s. 24, 30, 40 En bygnings kontekst er de bygninger, den by, det landskab eller samfund, som bygningen skal forholde sig til.

U-værdi fx s. 53 U-værdien bruges oftest til at udtrykke isoleringsevnen for vinduer og klimaskærme. Der sigtes efter en lav U-værdi i grønt byggeri.

Materialer fx s. 84, 111, 119 Bæredygtige materialer har stor betydning for en bygnings energiforbrug og komfort. Der bør være en overordnet strategi for alle byggerier.

Ventilation, naturlig fx s. 54, 97 Ved naturlig ventilation tilføres og fjernes luft i en bygning ved hjælp af temperaturforskelle og vind gennem fx vinduer og døre.

Mikroklima fx s. 40, 58 Mikroklimaet er det lokale klima omkring en bygning. Det lader sig let påvirke af ganske små ændringer i betingelserne, fx nabobygningerne.

Ventilation, mekanisk fx s. 70, 76, 98 Mekanisk ventilation er ventilering af en bygning vha. en eldreven ventilator. Det er mere effektivt end naturlig ventilation, men forbruger energi.

Orientering og placering fx s. 24, 46, 96 I arbejdet med integreret energidesign er en bygnings orientering og placering afgørende, hvis passive forhold skal udnyttes optimalt.

Zonering fx s. 25, 31, 75 Bygninger og byer inddeles gerne i zoner efter fx funktion. Flere klimazoner i et design giver mulighed for en mere præcis regulering af indeklimaet – og dermed energiforbruget.

Programdistribution fx s. 65, 73, 83 Programdistribution er et andet ord for placering af de forskellige funktioner i en bygning. Funktionerne har forskellige behov vedr. indeklima.

DESIGN MED VIDEN |

191

Design med viden Ny forskning i bæredygtigt byggeri 1. udgave, 2. oplag 2012 © Henning Larsen Architects, København, Danmark Redaktør : Signe Kongebro, arkitekt maa, Henning Larsen Architects Forskning : Michael Jørgensen, MSc, Ph.D.-studerende Martin Vraa Nielsen, MSc, Ph.D., Sustainability Engineer Jakob Strømann-Andersen, MSc, Ph.D., Sustainability Engineer Research og tekster : Farid Fellah, Josefine Lykke, Lise Mansfeldt Faurbjerg, Erik Holm-Hansson, Lisbet Fibiger Design af omslag og grafisk layout : Philip Johansen Print : Formula A/S Bogbinder (særoplag) : Co’libri v/Malene Lerager ISBN 978-87-993081-9-4 Udgivet af : Henning Larsen Architects – www.henninglarsen.com Alle illustrationer er udarbejdet af Henning Larsen Architects, hvis ikke andet er nævnt.

Fotos og illustrationer : Åke E:son Lindman (6, 86, 88, 93, 191) Martin Schubert (20, 22, 27, 191) Martin Stahl (34) Peter Andreas Sattrup (37, 103) Signe Kongebro (100, 132) Mikkel Hune (55) Thorbjørn Hansen, Kontraframe (64, 66, 71, 188) Cordelia Ewerth (108, 112-113, 190) Thomas Borberg, Polfoto (118, 190) Agnete Schlichtkrull (126) Teknologisk Institut (134) GXN (136) 192 | DESIGN MED VIDEN