Beoordeling van duurzame ontwerpkeuzes

Hittestress is een steeds vaker voorkomend probleem in stedelijk gebied. Bomen kunnen verkoelende wind blokkeren. (foto: VerDuS Beeldbank, Alex Schröder)

De inrichting van wijken is bepalend voor de energiezuinigheid ervan. Dat vraagt om een nieuwe kijk op het ontwerpen van gebieden waarbij de ruimtelijke structuur, inpassing van groen en duurzaam gedrag van de bewoners samenkomen. De impact van deze samenhangende parameters op duurzaamheid is vaak niet inzichtelijk op voorhand. Door verschillende simulatietools te combineren die zowel externe factoren als de interne ontwerpfactoren samenbrengen kan hier verandering in worden gebracht. Hoe werkt de morfologie samen met duurzame mobiliteit? Is vergroening per definitie positief tegen oververhitting? Dit artikel maakt inzichtelijk hoe negatieve effecten door goedbedoelde ontwerpbeslissingen kunnen worden voorkomen.

De overgang naar een CO2-vrije samenleving betekent dat verstedelijkte gebieden geleidelijk veranderen in ruimtelijke structuren voor de productie, opslag en uitwisseling van energie. Deze duurzame transformatie richt zich momenteel vooral op strategieën voor de optimalisatie van mobiliteit, infrastructuur en gebouwen, en de invulling van de energievoorziening. Het realiseren van energiebewuste steden is daarbij niet alleen een technologische uitdaging. Er moet ook rekening worden gehouden met de maatschappelijke implicaties en praktische toepassingen in energiegemeenschappen, aspecten van leefbaarheid, zoals integratie van groen en publieke ruimte, en de manieren waarop besluitvormers deze optimaal kunnen ondersteunen bij de ontwikkeling van een langetermijnvisie.

In deze context is binnen het internationale onderzoeksproject SPACERGY – languit Space-Energy Patterns for Smart Energy Infrastructures, Community Reciprocities and Related Governance – onderzoek gedaan naar de impact van ontwerpbeslissingen bij gebiedsontwikkeling voor de energiehuishouding op wijkniveau. SPACERGY bouwde voort op de behoefte van overheden om de lokale opwekking van energie en vormen van slimme mobiliteit op elkaar af te stemmen in de context van duurzame verstedelijking. Belangrijkste doel is dat de onderzoeksresultaten planners en besluitvormers helpen om de overgang naar een meer efficiënte, leefbare en welvarende stedelijke omgeving door energiegemeenschappen te vergemakkelijken. Achtergrond van de studie is dat het huidige EU-beleid al wel verschillende beleidsmaatregelen omvat, maar dat doeltreffende en praktische, geïntegreerde implementatietools vanuit een meervoudig perspectief nog ontbreken.

Synergieën opsporen

De onderzoeksmethode van SPACERGY richt zich op vier aspecten die het verstandig gebruik van lokale hulpbronnen en de implementatie van nieuwe hernieuwbare energieconcepten. De vier aspecten zijn de rol van geoptimaliseerde mobiliteit, stedelijke morfologie, infrastructuur en participatie van lokale gemeenschappen. Via een geïntegreerde aanpak met nauwkeurige tools en modelleringen is kennis ontwikkeld over interacties en synergieën tussen ruimtelijke programmering, energie- en mobiliteitssystemen, planning en de betrokkenheid van belanghebbenden.

Het onderzoek is vormgegeven rondom drie Europese casestudies: in Zürich (Zwitserland), Bergen (Noorwegen) en Almere. In Zürich betreft het de herontwikkeling c.q. verdichting van het ‘Hochschulquartier’ in de binnenstad, in Bergen de (her)ontwikkeling van het ‘Mindemyren’ gebied en in Almere het ‘Floriade Plus’ gebied, bestaande uit de nieuwe woonwijk Hortus die na de expositie wordt gerealiseerd. De Zürich-case is de hoofdcasus, de twee andere steden dienden als ontwikkelingskaders en als validatie voor de in de hoofdcasus ontwikkelde methoden.

De casestudies zijn opgezet als Living Labs; organisaties van verschillende lokale belanghebbenden en experts/onderzoekers die actief samenwerken aan een innovatieve oplossing voor een vraagstuk in de leefomgeving. Hierbij definiëren de samenwerkende partijen gezamenlijk de probleemstelling, doelen en ambities en komen middels een cyclisch proces van co-creatie, implementatie en evaluatie naar een herhaalbare oplossing. Het onderzoek kende twee fasen: Het formuleren van scenario’s voor de ontwikkeling van de locaties en het modelleren van de energievraag van de in fase 1 gedefinieerde scenario’s

Design Oriented Scenario’s

In het kader van het onderzoek ontwikkelde het onderzoeksteam een hybride Design-Oriented Scenario (DOS) methode. Deze methode combineert beschrijvende, verkennende en normatieve componenten, bedoeld om besluitvormers te helpen in complexe multi-actorprocessen. Allereerst zijn voor ieder van de casestudies externe en interne drivers voor ontwikkeling gedefinieerd. Externe drivers zijn bijvoorbeeld olieprijzen, de impact van klimaatverandering en de mate van urbanisatie. Interne drivers zijn de mate van collectieve energievoorzieningen, vergroening en meervoudig ruimtegebruik. Data is verzameld op basis van interviews met lokale overheden, medewerkers van projectteams en bewonersverenigingen, aangevuld met literatuuronderzoek.

Vervolgens zijn in een workshopsetting met alle betrokken Living Lab partners op basis van deze drivers een viertal ontwerp-georiënteerde scenario’s ontwikkeld. De scenario’s verschillen in ruimtelijke, functionele en technische opzet – verschillende bebouwingsdichtheden, gebouwgeometrieën, functionele mix, straatnetwerken, transportsystemen en energiesystemen. Het hoofddoel van de workshop is om aan de hand van de gekozen interne drivers ruimtelijke visies te creëren, maar vooral ook om gemeenschappelijke doelen te stellen en een multidisciplinaire gemeenschappelijke basis te delen en te creëren. Deze gemeenschappelijk basis hielp om alternatieve ruimtelijke en energie-doelen en daartoe benodigde visies en maatregelen te verkennen. In een laatste stap zijn de ontwerpscenario’s geëvalueerd en gevalideerd door ze tegen het licht van externe sociale, politieke en technische ontwikkelingen te houden.

De energievraag modelleren

In het tweede deel van het project is de vraag naar energie uit gebouwen en mobiliteit op wijkniveau in de verschillende scenario’s nauwkeurig gemodelleerd. Hiertoe zijn binnen SPACERGY vier verschillende geavanceerde tools gebruikt: Space Syntax en ENVI-met zijn gebruikt om de ruimtelijke dimensies van gebouwgeometrie, straatnetwerk, groen en stedelijk klimaat te relateren aan energiegebruik voor respectievelijk mobiliteit en de warmte- en koudevraag van gebouwen. MATSim, een agent-based simulatietool, is gebruikt om de invloed van gebruikersgerelateerde aspecten van mobiliteit, zoals route- en vervoersmiddelkeuze, op de energievraag te analyseren. Daarnaast werd een dynamische computertool ontwikkeld voor de analyse en optimalisatie van gebouwgerelateerde energiesystemen in buurten en stadswijken: City Energy Analyst (CEA). CEA omvat een verzameling numerieke modellen voor de simulatie van energievraag en -aanbod, naast statistische databases met gebouweigenschappen en schema’s voor wat betreft het functionele gebruik. In een vervolgfase zijn de uitkomsten van de beschreven tools stapsgewijs gekoppeld en geïntegreerd.

Energievraag van morfologie

De koppeling van ENVI-met en CEA geeft inzicht in de invloed van het microklimaat, zoals lokale luchttemperatuur, relatieve luchtvochtigheid en windsnelheid, evenals gebruikersgedrag op het energieverbruik van gebouwen. Een belangrijke parameter hierbij is morfologie van gebouw en wijk. Deze omvat de bebouwingsstructuur en typologie, waaronder stratenpatroon, oriëntatie en groenstructuren. Vormfactoren beïnvloeden – direct via bijvoorbeeld de verhouding oppervlakte-inhoud van een gebouw, maar ook indirect via invloed op windstroming en beschaduwing de vraag naar energie, het potentieel voor energieconsumptie, tijdelijke opslag, het matchen van vraag en aanbod en de integratie van productie, en zijn daarom expliciet gekwantificeerd in SPACERGY. De resultaten voor hoofdcasus Zürich laten zien dat het stedelijk microklimaat zorgt voor een toename in de koelvraag in de nacht – wanneer het stedelijk hitte-eiland effect het grootst is -, maar overdag kan zorgen voor een reductie door juist lagere stedelijke temperaturen. De toename in de koelvraag ’s nachts is echter groter dan de afname van de koelvraag overdag, resulterend in een toename van de totale energievraag. Een andere functionele mix – met meer woningbouw en meervoudig ruimtegebruik – leidde in de simulaties tot een lagere energievraag voor zowel verwarming, koeling als elektriciteit.

De koppeling van Space-Syntax en MatSim laat zien in welke mate het energieverbruik voor transport wordt beïnvloed door de mate van permeability, een maat voor verbinding die aangeeft hoe gemakkelijk het is door een gebied te bewegen, en visibility, een maat voor zichtbaarheid van objecten en ruimtes, van het specifieke gebouw- en straatontwerp. De analyse laat zien dat deze relatie tussen goed in het stedelijk netwerk ingebedde regionale wegen, hoofdwegen en verkeersvolumes significant is, met name voor autoverkeer, en daarmee de energieconsumptie verhoogd. Geconcludeerd is dat, om openbaar vervoer en langzaam verkeer te stimuleren – en zo het energieverbruik terug te dringen – een combinatie van een fijnmazig straatnetwerk doorsneden met geïntegreerde hoofdwegen met een actieve, op de straat georiënteerde plint nodig is.

In een laatste stap zijn de vier simulatietools gekoppeld voor de hoofdcasus Zürich door het populatiemodel van MatSim voor de mobiliteitsvraag te koppelen aan de gebruikerscomponent van de gebouwsimulatie in CEA. Hierdoor konden meerdere criteria tegelijkertijd geoptimaliseerd worden en zo afgewogen kwantitatieve input leveren voor het ontwerp en besluitvormingsproces.

De resultaten van SPACERGY zijn in najaar 2019 in de drie betrokken steden gepresenteerd aan de betrokkenen en belanghebbenden, en gepubliceerd in een handboek. Tijdens de afsluiting is in alle drie de casestudies door de betrokkenen aangegeven dat de intentie bestaat in de projecten zelf en/of projecten elders verder te werken met de in SPACERGY ontwikkelde wijze van aanpak en gebruikte tools.

Het onderzoek richtte zich op de woonwijk die zal ontstaan na de Floriade wereldtuinbouwexpositie gedurende de zomermaanden van 2022 (foto: VerDuS Beeldbank, Alex Schröder)

Groene stedenbouw

Het Nederlandse deel van SPACERGY richtte zich op de casus van de ‘Floriade Plus’ in Almere, oftewel de woonwijk die ontstaat na de Floriade wereldtuinbouwexpositie gedurende de zomermaanden van 2022. Bij deze casus waren verschillende partijen betrokken: de gemeente (RO, mobiliteit, infrastructuur en groenbeheer), energiebedrijven, de provincie Flevoland, de Flevocampus, de Metropoolregio Amsterdam, de groensector en de SPACERGY-academici.

Eén van de interessante aspecten van de Floriadewijk is de geplande gridstructuur die voor modellering gunstige vergelijkingen mogelijk maakt tussen verschillende straatprofielen, stedelijke morfologieën en mobiliteitsalternatieven. In het onderzoek is de impact van de nieuwe wijk met én zonder vegetatie op het lokale klimaat en energieverbruik gemodelleerd. De Floriade Almere beoogt namelijk een voorbeeld te zijn voor de vergroening van steden. Uit internationale literatuur blijkt dat er, anders dan in meer tropische gebieden, relatief weinig bekend is over de exacte effecten van vegetatie in onze gematigde klimaatzones op de opwarming en afkoeling van steden en de daarvan af te leiden energiebehoefte voor koeling en verwarming van gebouwen. Daarbij komt dat de ontwerpen voor gebiedsontwikkeling over het algemeen zelden worden ingestoken vanuit de principes van een extreem groene openbare ruimte, maar eerder vanuit het perspectief stad, bebouwing en (transport)infrastructuur. De effecten op verkoeling en opwarming van de stad zijn relevant voor energievraag voor verwarming en koeling van gebouwen, maar worden te weinig, meegenomen in integrale afwegingen rond het stedenbouwkundig plan en de indeling en inrichting van wijken.

Hoewel het extreem groene concept van de Almeerse Floriadewijk wellicht niet volledig kan worden overgenomen bij de verdere ontwikkeling van stadswijken in Almere en daarbuiten, heeft deze toch een voorbeeldfunctie als het gaat om het meenemen van energie-effecten in stedenbouwkundige planvoorstellen met behulp van rekenmodellen. Dit past bij de noodzaak tot het duurzaam en energiebewust ontwerpen en bouwen en biedt daarmee mogelijk een doorkijk naar de praktijk elders.

Een adverse groen effect

In de Almeerse casus bleek het onderzoek naar de rol en effecten van groen en stedelijke morfologie dermate onverwacht dat de (meerdaagse) complexe modelleringen en berekeningen meerdere keren zijn herhaald en gevalideerd. De resultaten lieten zien dat de bomen op een aantal plaatsen in de nieuwe wijk zorgden voor een verhoogde temperatuur gedurende de dag tijdens de gesimuleerde hittegolf, omdat ze de verkoelde wind afkomstig van het meer blokkeren. Dit effect werkt door in de gesimuleerde energievraag van de bebouwing voor koeling.

Deze specifieke casus laat zien dat we veel zorgvuldiger moeten zijn met het vergroenen van onze stad en de claims dat dit altijd per definitie altijd een positief effect heeft op het stedelijk klimaat). Er dient beter nagedacht te worden over de plaatsing van vegetatie in relatie tot wind en zon. Groen heeft mede afhankelijk van de toegepaste energiewinning en energieopslag zowel negatieve als positieve effecten.

Wind, zon, vegetatie

Met name het eerder in relatie tot de casus Zürich genoemde toenemende energiegebruik voor koeling is van groot belang bij het realiseren van het Klimaatakkoord in Nederland. Met de stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde is veel meer energie nodig voor allerlei vormen van koeling. In het Klimaatakkoord gaat veel aandacht uit naar het isoleren van woningen en het invullen van de energievraag met hernieuwbare bronnen, maar de toenemende vraag naar koeling of beschaduwing is onderbelicht of zelfs afwezig. Vegetatie die wind tegenhoudt, is gunstig in de winter, maar kan negatief bijdragen aan de luchttemperatuur in de zomer, en dan met name in periodes van extreme hitte. Dit zijn juist de momenten die van toenemend belang zijn voor energieverbruik en leefbaarheid. Er moet veel meer aandacht komen voor de effecten van wind en zoninstraling in de context van zomer en hitte. Dat het meenemen van effecten van vegetatie van belang is gaat daarbij verder dan de energetische effecten alleen. Want gerelateerd aan de bevindingen van dit onderzoek mogen ook vragen gesteld worden bij andere effecten, zoals op de luchtkwaliteit. Ook daarvan is nog te weinig bekend, evenals de effecten op verkeersgeluid. Bij alle drie speelt wind een cruciale rol.

In alle drie de casestudies is aangetoond dat een reductie van energieverbruik op wijkniveau met name mogelijk wordt door een goede functionele mix, waarin ruimtelijk ontwerp, energiegebruik en gedragsmaatregelen goed op elkaar zijn afgestemd. Door de toepassing van gedeeltelijke integratie-modellen op elk van de Living Labs is de overdraagbaarheid van het voorgestelde raamwerk aangetoond. Ook blijkt dat verdichten niet per definitie negatief is voor energieverbruik en groenintegratie en daarmee gepercipieerde leefbaarheid. Met name in geval van Floriade Plus bleek een betere afstemming tussen groen en bebouwing nog verder verbeterd te kunnen worden. Ook is gebleken dat voor een optimale inrichting van de ruimte – bedoeld om energiedoelstellingen te halen – het mobiliteitssysteem moet worden mee-ontworpen. Dit ontwerp moet dan niet alleen gericht zijn op uitbreiding en modal-split of concepten als Mobility as a Service, maar ook op de ruimtelijke opzet en de integratie en kwaliteit en deeldiensten (HUBs) in samenhang met de verdere elektrificatie van de energievoorziening, plaatsbepaling van oplaadpunten en slimme vraag-aanbod connecties.

Naast de omvangrijke energietransitie is niet alleen klimaatverandering van belang, maar ook de wijze waarop we mensen gezond en duurzaam laten wonen, werken en recreëren in wijken. Dat maakt dat gebieds- en vastgoedontwikkeling met vraagstukken wordt geconfronteerd die we tot op heden niet kenden. De uitkomsten van SPACERGY benadrukken de noodzaak en urgentie om hier een voortvarend vervolg aan te geven.

Dit artikel verscheen eerder in Rooilijn, jaargang 53, nummer 2, pp 130-137.

Author profile
Arjan is hoogleraar bij de sectie Environmental Technology and Design aan de Technische Universiteit Delft

Arjan van Timmeren (1969) is hoogleraar Environmental Technology & Design. Sinds 1997 is hij als specialist werkzaam in duurzame technologie voor gebouwen en gebiedsontwikkeling bij de TU Delft, Faculteit Bouwkunde, binnen de afdeling Stedenbouw. Hij is zowel cum laude afgestudeerd als gepromoveerd en werkte daarnaast bij verschillende architecten, advies ingenieursbureaus in Nederland, Italië en Spanje.

De leerstoel Environmental Technology & Design bestrijkt drie belangrijke velden: milieu (mens en leefomgeving), techniek en ontwerp & integratie. De belangrijkste schaal waarop wij werken is de stad, bij voorkeur vanuit een dynamisch perspectief van de gebruiker. Daarin zoeken wij de juiste manier van toepassing van technologie en de integratie daarvan ten bate van een significante verbetering van milieu en leefbaarheid nu en in de toekomst.

De belangrijkste onderzoeksgebieden waar wij op dit moment op focussen betreffen slimme steden en systemen, waar slimme (energie)opslag en uitwisseling centraal staan, en data en GIS ondersteund onderzoek richting groenblauwe steden. Maar ook naar circulariteit en nieuwe innovatieve technieken (decentrale systemen, additive manufacturing, slim afvalbeheer) en de relatie stad en achterland (peri-urbaan gebied) doen we veel onderzoek binnen het programma ’Stedelijk Metabolisme’, stad en infrastructuur.

Author profile
Daniela is promovenda bij de sectie Environmental Technology and Design aan de Technische Universiteit Delft.
Author profile
Marjolein is universitair docent bij de sectie Environmental Technology and Design aan de Technische Universiteit Delft.

Literatuur

Maiullari, D., M. Mosteiro-Romero, R. E. de Koning, A. van Timmeren, A. van Nes & A. Schlüter (2019) SPACERGY: Space-Energy Patterns for Smart Energy Infrastructures, Community Reciprocities and Related Governance, BK Books, Delft

Author profile
Arjan is hoogleraar bij de sectie Environmental Technology and Design aan de Technische Universiteit Delft

Arjan van Timmeren (1969) is hoogleraar Environmental Technology & Design. Sinds 1997 is hij als specialist werkzaam in duurzame technologie voor gebouwen en gebiedsontwikkeling bij de TU Delft, Faculteit Bouwkunde, binnen de afdeling Stedenbouw. Hij is zowel cum laude afgestudeerd als gepromoveerd en werkte daarnaast bij verschillende architecten, advies ingenieursbureaus in Nederland, Italië en Spanje.

De leerstoel Environmental Technology & Design bestrijkt drie belangrijke velden: milieu (mens en leefomgeving), techniek en ontwerp & integratie. De belangrijkste schaal waarop wij werken is de stad, bij voorkeur vanuit een dynamisch perspectief van de gebruiker. Daarin zoeken wij de juiste manier van toepassing van technologie en de integratie daarvan ten bate van een significante verbetering van milieu en leefbaarheid nu en in de toekomst.

De belangrijkste onderzoeksgebieden waar wij op dit moment op focussen betreffen slimme steden en systemen, waar slimme (energie)opslag en uitwisseling centraal staan, en data en GIS ondersteund onderzoek richting groenblauwe steden. Maar ook naar circulariteit en nieuwe innovatieve technieken (decentrale systemen, additive manufacturing, slim afvalbeheer) en de relatie stad en achterland (peri-urbaan gebied) doen we veel onderzoek binnen het programma ’Stedelijk Metabolisme’, stad en infrastructuur.

Author profile
Daniela is promovenda bij de sectie Environmental Technology and Design aan de Technische Universiteit Delft.
Author profile
Marjolein is universitair docent bij de sectie Environmental Technology and Design aan de Technische Universiteit Delft.
Whatsapp

Reageer op dit artikel

0 reacties

Een reactie versturen

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *