Een dynamische gebouwsimulatie is een nuttig instrument bij het ontwerpen van een nieuw gebouw of bij het uitvoeren van een grondige renovatie aan een bestaand gebouw. Deze methode biedt veel voordelen, maar heeft ook wel enkele beperkingen. Het is goed om hiervan op de hoogte te zijn als je wil beslissen om een dergelijke studie uit te voeren, we lichten deze in dit artikel dan ook graag verder toe.
Een dynamische gebouwsimulatie is een gedetailleerde simulatie van een gebouw gedurende een zekere tijdsperiode waarbij de klimaatsinvloeden en het gebruiksprofiel zo goed mogelijk benaderd worden. Er wordt een 3D-model van het gebouw gemaakt, en voor een referentieklimaatjaar wordt berekend wat de energiebehoefte van het gebouw is voor verwarming en koeling, maar ook voor ventilatie, verlichting …
De tijdsstap tussen twee berekeningen is afhankelijk van het doel van de simulatie. Voor het meest gedetailleerde resultaat kan een tijdsstap van slechts 15 minuten (!) gebruikt worden (bijvoorbeeld voor comfortsimulaties). Voor elke tijdsstap wordt bekeken wat de gevraagde temperaturen, de bezetting, de interne warmtewinsten etc. zijn, en anderzijds wat de klimaatomstandigheden zijn: temperaturen, zonne-instraling, wind …
Op basis hiervan wordt berekend wat de energieverliezen zijn, en of die ingevuld kunnen worden door de technische installaties. Een dynamische gebouwsimulatie is enigszins vergelijkbaar met de EPB-berekening. Een EPB-berekening gebeurt echter op maandbasis en een vastgelegd gebruiksprofiel, waardoor deze heel wat minder gedetailleerd is en grotere afwijkingen oplevert, zeker voor heel energie-efficiënte gebouwen. Het doel van de EPB-berekening is om de energieprestatie van gebouwen objectief met elkaar te vergelijken. Een dynamische gebouwsimulatie daarentegen maakt het mogelijk om de energie-efficiëntie van het gebouw te optimaliseren van macro- tot microniveau.
Het gebouw, de technische installaties en haar gebruik voeren we in het model in. Hoe beter deze in detail ingegeven worden, hoe correcter en bruikbaarder de resultaten zullen zijn.
De gebouwschil is uiteraard één van de belangrijkste parameters voor het energieverbruik van het gebouw, zowel voor verwarming (isolatie) als voor eventuele koeling (thermische massa, beglazing). Het modeleren van het gebouw zelf is doorgaans echter relatief eenvoudig: de nodige informatie is meestal vlot beschikbaar en op basis van grondplannen en snedes kan het 3D-model uitgewerkt worden. Voor de simulatie wordt het gebouw veelal enigszins vereenvoudigd omdat kleine details minder impact hebben op de berekeningsresultaten, maar wel een grote impact kunnen hebben op de snelheid van de berekeningen.
Een belangrijk concept in dynamische gebouwsimulatie is het opdelen van het gebouw in energiezones. Voor elke zone worden de energiebehoeftes, temperaturen, bezettingen … uitgerekend. Deze indeling maakt het mogelijk om verschillende ruimtes samen te nemen tot één energiezone. Enerzijds heb je dus ‘maar’ gedetailleerde resultaten per zone, anderzijds is het ook niet aangewezen om elke ruimte in een gebouw apart te simuleren. Dit zou de rekentijd onnodig sterk verhogen. Het indelen in energiezones is zeker geen nadeel indien je rekening houdt met de indeling van het gebouw, het gebruik van de verschillende ruimtes en de initiële vraagstelling. Op basis van je verwachtingen omtrent de berekening stellen wij een optimale indeling in zones voor.
Ook de technische installaties moeten gemodelleerd worden. Afhankelijk van de vraagstelling, kan dit op een eenvoudige manier gebeuren (bijvoorbeeld een black box die warmte en koude levert) tot heel erg gedetailleerd (bijvoorbeeld een gedetailleerde modellering van een warmtepomp met debieten en temperaturen). Dit laatste is in de meeste gevallen niet nodig, en heeft ook weer een negatieve impact op de tijd die nodig is om het model uit te werken en om de berekeningen zelf uit te voeren.
De grootste foutenmarge in de resultaten zit wellicht in de verschillende gebruiksprofielen. In grote lijnen dienen er tijdsprofielen ingegeven te worden voor drie ‘toepassingen’:
Deze profielen kunnen ook weer in meer of minder detail ingegeven worden, gaande van een uurprofiel voor een week- en een weekend- of vakantiedag, tot een veel gedetailleerdere definitie doorheen het jaar.
Gebruiksprofielen zijn het moeilijkste correct in te geven omdat ze vaak niet exact gekend zijn. Met name de gebruikers en interne winsten moeten steeds ingeschat worden. Hiervoor kan teruggevallen worden op profielen die beschikbaar zijn in relevante normen, bijvoorbeeld de NBN EN 1679-1:2019, maar uiteraard zal dit nooit een correcte weergave van het werkelijk gebruik van het gebouw opleveren. Afhankelijk van de vraagstelling kan een sensitiviteitsanalyse uitgevoerd worden om rekening te houden met een eventuele hogere gebruiksgraad.
Voor elk van de hierboven aangehaalde te modelleren gebouwaspecten, moet een keuze gemaakt worden over het detailniveau. De verleiding kan uiteraard groot zijn om alles zo gedetailleerd mogelijk te willen doen, maar dat is doorgaans weinig zinvol en heeft enkele belangrijke nadelen: allereerst wordt het opmaken van het model en het uitvoeren van de simulaties heel wat tijdsintensiever, waardoor de studie heel wat duurder wordt.
Ten tweede biedt een complex model ook heel wat meer gelegenheden voor fouten. Zelfs voor een relatief eenvoudig model van een relatief eenvoudig gebouw zijn er al heel wat parameters en instellingen die correct ingevoerd moeten worden. Zeker wanneer verschillende scenario’s gesimuleerd worden en er aanpassingen moeten gebeuren tussen de berekeningen, is met elk complexiteitsniveau de kans op fouten groter. Daarom gaan wij steeds op zoek naar het ideale evenwicht tussen eenvoud en detaillering.
De resultaten van een dynamische gebouwsimulatie zijn relatief correct in de mate dat de ingegeven parameters overeenkomen met de werkelijke situatie. We zeggen ‘relatief correct’ omdat ook de fysische berekeningen die door de software worden uitgevoerd noodzakelijkerwijze gebaseerd zijn op wiskundige benaderingen van de werkelijke fysische processen. Dit blijkt bijvoorbeeld ook uit de verschillende resultaten die verschillende simulatiepakketten voor dezelfde gebouwmodellen bekomen. In de praktijk levert dit echter weinig problemen op, en zit hier niet de grootste bron van afwijkingen.
Een grotere moeilijkheid zit in het voorspellen van het toekomstig gebruik van het gebouw en haar bezetting, maar uiteraard ook in de werkelijke weersomstandigheden waaraan het gebouw wordt blootgesteld. De simulaties gebeuren steeds op basis van een referentieklimaatjaar, maar de werkelijke omstandigheden zullen hier uiteraard van afwijken. Dit betekent dan ook dat op basis van een dynamische simulatie nooit harde garanties gegeven kunnen worden op bijvoorbeeld effectieve overschrijdingen van bepaalde comforttemperaturen of exacte energieverbruiken zonder deze te koppelen aan gebruiks- en klimaatomstandigheden. Vaak wordt er een referentiescenario afgesproken of vastgelegd, waarvoor het comfortniveau geëvalueerd wordt.
Doordat het modelleren van het gebouw en alle hogervermelde parameters heel wat (aandachtig) werk vraagt, net als de interpretatie en analyse van de resultaten, is een dynamische gebouwsimulatie vaak geen goedkope studie. Voor kleinere projecten kan de kostprijs te hoog oplopen, en kan je toch beter terugvallen op bijvoorbeeld de EPB-software of zelfs kennis, ervaring en vuistregels van een ervaren architect. Voor grotere projecten biedt een simulatie echter een groot voordeel en kunnen bijvoorbeeld onnodige investeringen voor ingrepen met beperkte impact vermeden worden.
Voor grote projecten is het simuleren van een gebouw een heel goede oefening in het ontwerpproces van zowel een nieuwbouw als een ingrijpende renovatie. De doelstelling kan verschillend zijn, hieronder geven we een aantal veel voorkomende toepassingen.
Vragen omtrent zomercomfort vormen wellicht de belangrijkste aanleiding voor dynamische gebouwsimulaties. Het vermijden van oververhitting wordt immers een grotere uitdaging dan het verzekeren van voldoende warmte, zeker wanneer actieve koeling gemeden wordt. Met een dynamische simulatie kan nagegaan worden wat de impact is van passieve ingrepen zoals gebouwgeïntegreerde luifels, automatische zonnewering, nachtventilatie …
Meer en meer komen projecten naar voren die energieneutraliteit op gebouw- of siteniveau nastreven. Hiertoe is het uiteraard belangrijk om een goede inschatting te hebben van de energievraag van deze gebouwen, zowel elektrisch als thermisch. Via een dynamische gebouwsimulatie kunnen uur- of kwartuurwaarden gegenereerd worden van de elektrische en thermische energiebehoefte van een gebouw.
Wanneer de keuze gemaakt moet worden tussen verschillende technische installaties, kan aan de hand van een dynamische gebouwsimulatie nagegaan worden wat de impact van de verschillende scenario’s is op het comfort voor de gebruikers en op de energie-efficiëntie van het gebouw. De meeste simulatiepakketten laten ook toe om aan de hand van variaties op verschillende parameters (bijvoorbeeld isolatiedikte, type beglazing …) gekoppeld aan hun eenheidsprijzen rechtsreeks een optimalisatie naar kost uit te voeren via een Monte Carlo-benadering. Uiteraard moet hiervoor ook weer een aanname gemaakt worden van (toekomstige) energieprijzen.
In verschillende duurzaamheidskaders wordt belang gehecht aan een correcte simulatie van het energieverbruik, en vooral ook het gebruikerscomfort. Zowel in BREEAM als in de GRO duurzaamheidsmeter zijn dynamische gebouwsimulaties verplicht of sterk aangeraden voor het behalen van criteria rond energie en comfort.
Ben je er nog niet uit op basis van bovenstaande info? Aarzel dan zeker niet om ons te contacteren, zodat we samen kunnen bespreken of een dynamische simulatie voor jouw project een meerwaarde kan betekenen!
