Natuurlijke klimaatbeheersing – een exploratief onderzoek naar klimaatbeheersingsmethodieken uit de natuur en geschiedenis, welke gebruikt kunnen worden om systemen in de toekomst te ontwerpen

In de afgelopen jaren is er een groeiend besef gekomen van de noodzaak om alternatieven te vinden voor energie-intensieve en onderhoudsgevoelige mechanische ventilatiesystemen. Dit heeft geleid tot hernieuwde belangstelling voor natuurlijke ventilatie, die al eeuwenlang wordt gebruikt in architectuur. Het artikel verkent hoe natuurlijke systemen en systemen uit het verleden, zoals termietenheuvels en windvangers, kunnen dienen als voorbeeld voor de ontwikkeling van efficiënte en duurzame ventilatiesystemen voor gebouwen.

 Trefwoorden: natuurlijke ventilatie, gebouwontwerp, installatieontwerp, geschiedenis, biomimicry.

Introductie

 In de moderne bouwtechniek wordt steeds meer nadruk gelegd op duurzaamheid en energie-efficiëntie. Veel technieken die hiervoor worden toegepast, zijn gebaseerd op moderne technologieën, maar er zijn ook natuurlijke processen die kunnen worden geïmiteerd om klimaatbeheersingssystemen duurzamer te ontwerpen. In deze studie worden verschillende klimaatbeheersingsmethoden uit de natuur en geschiedenis beschreven die kunnen worden gebruikt om systemen in de toekomst te ontwerpen.

Begin 20e eeuw werd ontdekt dat virussen als SARS, Tuberculose en Mazelen zich via de lucht verspreiden. Daarnaast speelde in 1970 de oliecrisis. Hierdoor gingen gebouweigenaren noodgedwongen energie besparen. Dit leidde tot betere thermische isolatie van gebouwen, maar ook tot een ongezonder binnenklimaat. Doordat het gebouw minder kieren heeft, werd de frisse lucht grotendeels afhankelijk van het ventilatiesysteem, waardoor de vraag naar ventilatiesystemen steeg  (Franchimon, 2009).

Pandemieën, energiecrises en massaal energie besparen, het lijkt wel of de geschiedenis uit de 20e eeuw zich herhaalt. De uitbraak van het COVID-19 virus heeft ervoor gezorgd dat er een beter bewustzijn is van het belang van de prestaties van ventilatiesystemen in besloten ruimtes. Met name de ventilatievoud, luchtfiltering en de plaats van de roosters spelen een cruciale rol bij het reduceren van CO2 en de verspreiding van virussen, bacteriën, schimmels en andere schadelijke stoffen (Barone, Buonomano, Forzano, Giuzio, & Palombo, 2022).

Door het toenemende wensenpakket van de gebruiker en de continue technologische ontwikkelingen worden de klimaatbeheersingssystemen alsmaar complexer. Daarnaast hebben de hedendaagse HVAC-systemen met 54% van de totale energieconsumptie een grote impact op een gebouw. De voorspelling is dat dit blijft groeien richting 72% in 2100 (Mousavi, Gijón-Rivera, Rivera-Solorio, & Rangel, 2022). Een mooie gelegenheid om te focussen op duurzaamheid en circulariteit. Op de R-ladder worden circulaire strategieën beschreven. Bovenaan deze ladder staat R1 (Refuse en rethink). Deze strategie ziet af van gebruik van producten of gaat ze intensiever inzetten (Rood, et al., 2019).

In dit rapport wordt beschreven welke historische en natuurlijke principes kunnen gebruikt worden om toekomstige binnenklimaatsystemen te ontwerpen. Er wordt onderzocht of er methodieken toepasbaar zijn met een lagere complexiteit en energieconsumptie. Dit wordt onderzocht door klimaatbeheersing in de natuur en de geschiedenis te analyseren, om vervolgens de toepasbaarheid in huidige systemen te bepalen. Allereerst wordt er beschreven op welke wijze een gezond binnenmilieu beoordeeld wordt.

1. Beoordeling van een gezond binnenklimaat

Het belang van ventileren is in de 17e eeuw ontdekt door John Wayow. Hij merkte op dat een dier in een afgesloten ruimte veel langer leefde zonder aangestoken kaars. Honderd jaar later, in 1775, ontdekte Lavoisier dat CO2 de oorzaak was van benauwdheid en slechte lucht (Janssen, 1999). Het kwantificeren van CO2 waarden vond in de 19e eeuw plaats. Max J. Pettenkofer beschreef dat CO2 waarden in ruimtes hoger dan 1000 ppm ongezond zijn voor de ademhaling. Sterker nog: wanneer een mens zich voor langere tijd in een ruimte bevindt, mag volgens de onderzoekers de CO2 concentratie niet hoger zijn dan 700 ppm (Sundell, 2004). Alhoewel Pettenkofer geen rekening hield met de CO2 waarde ten opzichte van de buitenlucht, zijn deze vondsten nog altijd het belangrijkste uitgangspunt voor de huidige binnenklimaatnormen (de Gids, 2011).

Door de jaren heen zijn er verschillende redenen geweest om de binnenluchtkwaliteit te verbeteren. In de 19e eeuw lag de focus op het aanpakken van infectieziektes. Zo zou koude lucht de verspreiding van malaria en gele koorts verminderen. Men wist toen nog niet dat muggen verantwoordelijk waren voor de overdracht, maar door koude lucht over ijs te blazen werd voorkomen dat de ziektedragers de ruimte binnenkwamen. Daarnaast werd dezelfde methode toegepast in ziekenhuizen, omdat men dacht dat dit infecties kon voorkomen (Gladstone, 1998). Vanaf de 20e eeuw lag de focus meer op comfort. Er werd gevonden dat virussen als SARS, Tuberculose en Mazelen zich via de lucht verspreiden. Daarnaast werden rond 1970 door de oliecrisis inwoners gedwongen om massaal energie te besparen. Dit leidde tot betere thermische isolatie van gebouwen, maar ook tot een ongezonder binnenklimaat. Doordat het gebouw minder kieren heeft, wordt het volledig afhankelijk van het ventilatiesysteem, waardoor de vraag naar ventilatiesystemen steeg. In de 21e eeuw ligt de focus ook op het aanpakken van chronische zieken en het welzijn. Er zijn verbanden gevonden tussen chronische aandoeningen als astma, COPD, longkanker en hartfalen in combinatie met een slecht geventileerd gebouw. De term “Sick Building Syndrome” kreeg meer en meer bekendheid. Daarnaast spelen de redenen die hiervoor beschreven staan in de 21e eeuw nog steeds een belangrijke rol in de argumentatie om te ventileren (Franchimon, 2009).

Om klimaatbeheersingssystemen te beschrijven is het eerst van belang te definiëren wat een gezond binnenklimaat inhoudt. Een gezond binnenklimaat wordt op vier thema’s beoordeeld: lucht (binnenluchtkwaliteit), klimaat (thermisch binnenklimaat), licht (& uitzicht) en geluid (Boerstra & te Kulve, 2021). In dit onderzoek wordt vanuit de thema’s lucht en klimaat gekeken.

 Het binnenklimaat in een gebouw moet volgens het Bouwbesluit aan de volgende eisen voldoen:

 -        Temperatuur: Het binnenklimaat moet een temperatuur hebben die comfortabel is voor de gebruikers van het gebouw. Voor werkomgevingen wordt aangegeven dat de temperatuur tussen de 20 en 24 graden Celsius moet liggen.

-        Ventilatie: Het binnenklimaat moet worden geventileerd om de lucht te verversen en verontreinigde lucht te verwijderen. Het bouwbesluit stelt eisen aan de hoeveelheid verse lucht die het gebouw moet binnenkrijgen en hoe vaak de lucht moet worden ververst. De hoeveelheid is afhankelijk van de functie van de ruimte en het aantal aanwezige personen. Voor kantoren wordt een ventilatiedebiet van 25 m3/h aangehouden.

-        Vochtigheid: Het binnenklimaat moet een comfortabele luchtvochtigheid hebben tussen de 40 en 60 procent. Te hoge of te lage luchtvochtigheid kan leiden tot gezondheidsproblemen, zoals allergieën en schimmelgroei.

-        Luchtkwaliteit: Het binnenklimaat moet vrij zijn van schadelijke stoffen, zoals fijnstof, CO2 en giftige gassen. De maximale CO2-concentratie die is toegestaan in een binnenruimte volgens het Bouwbesluit is 1.200 parts per million (ppm). Dit geldt voor ruimtes waar mensen verblijven, zoals kantoren, scholen, zorginstellingen en woningen (Rijksoverheid, 2012).

 Het is belangrijk om te benadrukken dat de eisen uit het Bouwbesluit minimumeisen zijn en dat het streven is om een zo gezond en comfortabel mogelijk binnenklimaat te creëren voor de gebruikers van het gebouw. Een hogere concentratie CO2 kan leiden tot vermoeidheid, hoofdpijn en concentratieproblemen. Het is daarom belangrijk om te zorgen voor voldoende ventilatie om de CO2-concentratie op een gezond niveau te houden.

2. Klimaatbeheersing in de natuur

 Er zijn natuurlijke processen die kunnen worden geïmiteerd om klimaatbeheersingssystemen te ontwerpen. De methode heet biomimicry. Er worden natuurlijke mechanismen nagebootst om technische oplossingen te ontwikkelen. Natuur heeft ons al eeuwenlang geïnspireerd en geholpen bij de ontwikkeling van technologieën en bouwtechnieken (Lepora, Verschure, & Prescott, 2013). Op het gebied van ventilatie is dit niet anders. We kunnen veel leren van de manieren waarop de natuur verse lucht en een gezond binnenklimaat creëert (Turner, 2001). Een bekend voorbeeld is de termietenheuvel, die wordt gebruikt als inspiratie voor duurzame gebouwen. De termietenheuvels zijn zo ontworpen dat ze zelf klimaatbeheersing bieden door luchtcirculatie, koeling en bevochtiging (Garcia-Holguera, Clark, Sprecher, & Gaskin, 2015). In dit hoofdstuk worden enkele voorbeelden beschreven van ventilatie in de natuur.

Ventilatie door natuurlijke circulatie: Grotten maken gebruik van de zwaartekracht en luchtstroom om lucht en warmte te verplaatsen. Hierdoor wordt de temperatuur van de binnenruimte gehandhaafd en tegelijkertijd vervuilde lucht verwijderd. Dit is per seizoen verschillend, afhankelijk van de windrichting en buitentemperatuur (Liñán, et al., 2018). Dit proces van natuurlijke circulatie kan worden geïmiteerd door middel van luchtgaten en ventilatiesystemen in gebouwen. Dit verbetert niet alleen de kwaliteit van de binnenlucht, maar vermindert ook het energieverbruik voor verwarming en verkoeling.

Ventilatie door verdamping: Planten gebruiken de processen van verdamping om verse lucht te creëren en tegelijkertijd water uit de bodem te halen. Hierdoor wordt niet alleen de binnenlucht ververst, maar wordt ook het binnenklimaat gekoeld en het energieverbruik voor verkoeling verminderd (Vishal & Satyanarayanan, 2022). Dit proces van verdamping kan worden nagebootst door middel van groene daken en groene gevels in gebouwen.

Biomimicry op basis van termietenheuvels is een voorbeeld van hoe er geleerd kan worden van de natuur. Termietenheuvels zijn complexe en ingenieuze structuren die door termieten worden gebouwd. Deze heuvels zijn ontworpen om de temperatuur en de luchtvochtigheid binnen de heuvel constant te houden, wat een ideaal klimaat creëert voor termieten om te overleven (King, Ocko, & Mahadevan, 2015). Deze natuurlijke ventilatiesystemen in termietenheuvels kunnen worden nagemaakt in moderne gebouwen, waar ze kunnen bijdragen aan het verminderen van het energieverbruik voor verwarming en koeling. Bijvoorbeeld, door het ontwerpen van gebouwen met luchtkanalen die lijken op de gangen in termietenheuvels, kunnen architecten en ingenieurs natuurlijke ventilatie creëren die de interne temperatuur en luchtvochtigheid regelt.

Ventilatie door convectie: Natuurlijke ventilatie door convectie is het proces waarbij warme lucht opstijgt en wordt vervangen door koelere lucht. Dit kan gebeuren door natuurlijke factoren zoals wind, thermische drukverschillen of schoorsteenwerking. Bij convectie zorgt de warme lucht voor een opwaartse stroming, terwijl koelere lucht van buitenaf de ruimte binnenstroomt om de warme lucht te vervangen. Dit kan zorgen voor een continue luchtstroom die helpt bij het ventileren van de ruimte. Natuurlijke ventilatie door convectie kan een efficiënte en energiezuinige manier zijn om de luchtkwaliteit in een ruimte te verbeteren, vooral in gebouwen waar geen mechanische ventilatiesystemen aanwezig zijn. Het is belangrijk om te zorgen voor voldoende inlaatopeningen voor de koele lucht en afvoeropeningen voor de warme lucht om de natuurlijke convectiestroom goed te laten werken. Veel natuurlijke systemen, zoals bergmeren en geisers, maken gebruik van convectie om warmte en lucht te verplaatsen (Chen, Chang, Lee, & Chen, 2009).

Deze voorbeelden uit de natuur kunnen ons leren hoe we efficiëntere en duurzamere systemen voor ventilatie kunnen creëren, die gezonde binnenklimaten bevorderen en de energie-efficiëntie verbeteren. Bovendien zorgt het nastreven van natuurlijke systemen voor een betere integratie van gebouwen in hun omgeving, wat bijdraagt aan een duurzamer en meer samenhangend ecosysteem (Garcia-Holguera, Clark, Sprecher, & Gaskin, 2015).

3. Klimaatbeheersing in de oudheid

 In de oudheid werd er al aandacht besteed aan klimaatbeheersing. Ventilatie was toen ook van groot belang om een comfortabel binnenklimaat te creëren, vooral in warme en vochtige regio's. In dit hoofdstuk worden methodes van klimaatbeheersing in de oudheid beschreven:

Badgir: De traditionele architectuur van gebouwen in Iran kan vandaag de dag gezien worden als een symbool voor duurzaam bouwen. De gebouwen kenmerken zich door de aandacht voor milieu en energie-efficiëntie. Andere voordelen zijn de lage investering en operationele kosten. Het probleem is echter dat hedendaagse architectuur nauwelijks gebruik maakt van de traditionele toepassingen (Saradj, 2008). Badgirs, ook wel bekend als windcatchers, zijn traditionele bouwwerken die worden gebruikt voor natuurlijke ventilatie in het Midden-Oosten en Centraal-Azië. Ze zijn ontworpen om te profiteren van de windsnelheden en -richtingen om binnenruimten te koelen of te ventileren. Badgirs worden meestal geplaatst op daken of in de buurt van gebouwen en zijn ontworpen met luchtkanalen die zijn gericht op de wind, zodat deze door de kanalen naar binnen wordt gezogen en in de binnenruimte circuleert. Hierdoor krijgt de warme lucht in de binnenruimte de kans om te ontsnappen en wordt de binnenruimte geventileerd door de koelere buitenlucht (Saadatian, Haw, Sopian, & Sulaiman, 2012). De toepassing van de Badgir zorgt vanuit drie perspectieven voor verbetering van het binnenklimaat: het verlaagt de temperatuur, verhoogt de luchtvochtigheid en zorgt voor ventilatie (Saradj, 2008). Studies tonen aan dat de Badgir positieve bijdrage levert aan de binnenluchtkwaliteit. Anderzijds werden studies naar thermisch comfort van Badgirs voornamelijk uitgevoerd in warme klimaten zoals in het Midden-Oosten (Jomehzadeh, et al., 2016). In conclusie is het gebruik van badgirs een effectieve en duurzame techniek voor natuurlijke ventilatie die veel wordt gebruikt in traditionele architectuur en die een aanzienlijke bijdrage kan leveren aan het verbeteren van de binnenklimaat- en leefomstandigheden.

Cisternen: Naast de Badgir werd er gebruik gemaakt van cisternen om gebouwen van verwarming en koeling te voorzien. Cisternen zijn grote waterbakken die in centrale binnenplaatsen in gebouwen te vinden waren. In deze bakken werd regenwater opgeslagen. Bovenop het gebouw stond een toren met open ramen en interne schoepen, die ervoor zorgde dat er luchtdoorstroming in het gebouw ontstond. Tijdens hitte, verdampte het water uit de cisternen, wat in de luchtstroom werd meegenomen. Dit zorgde voor een verspreiding van koele lucht door het gebouw (Pruitt & Kramer, 2017).

Qanat: Sommige badgirs zijn ook uitgerust met waterkoelingssystemen die de wind vooraf koelen voordat deze in de binnenruimte circuleert, waardoor de verkoelende effecten nog verder worden versterkt. Dit heette een qanat. Een qanat is een ondergronds aquaductsysteem, omringd door een dikke steenlaag. Deze steenlaag heeft een isolerende werking op het waterreservoir, waardoor het water koel blijft. De warme buitenlucht koelt af en beweegt zich boven het nog koelere water. Door de onderdruk in het gebouw, stroomt gekoelde en bevochtigde lucht naar binnen. Naarmate de lucht opwarmt stijgt het weer op en verdwijnt het via de windtoren (Pruitt & Kramer, 2017). In figuur 3-1 wordt het principe van Badgirs en Qanat schematisch weergegeven.

Figuur 3‑1 Klimaatbeheersing Badgir met qanat (Pruitt & Kramer, 2017).

Hypocaust: Vandaag de dag worden met grote regelmaat vloerverwarmingssystemen aangelegd. Men kiest vaak voor vloerverwarming, omdat dit een gelijkmatige temperatuur in de ruimte afgeeft en het doorgaans energiezuinig is. Maar het concept is niet nieuw. Sterker nog, de oorsprong van de methodiek stamt uit de Romeinse tijd. Het Hypocaust systeem werd toegepast in de romeinse baden. In figuur 3-2 wordt een doorsnede van het gebouw weergegeven. Het complex rustte op pilaren (1), waardoor er een kruipruimte ontstond (2). Er was een aparte ruimte waar vuur werd gestookt (3). De hete lucht verwarmde de koperen of bronzen tanks, gevuld met water (4,5). Dit warme water stroomde de baden in (6). Daarnaast stroomde de verwarmde lucht door de kruipruimte, wat voor vloerverwarming zorgde. Via schoorstenen op verschillende plekken in het gebouw, werd de warmte verspreid (7). Vaak werden de stenen in de muren hol gemaakt, waardoor er ook wandverwarming mogelijk was (8). Conceptueel gezien is de hypocaust een werkend systeem, energetisch gezien was het alles behalve efficiënt. Er is een groot verschil in warmteoverdracht naar de badruimtes, ten opzichte van het vermogen aan hout wat er opgestookt werd. Meerdere studies tonen aan dat het rendement lager dan 10% was, waardoor er extreem veel hout nodig was om het systeem op temperatuur te houden (Basaran, 2007). Addy Hennink, adviseur bij Hollander Techniek is groot liefhebber van techniek en geschiedenis. Hij heeft de ruïnes van deze gebouwen tijdens zijn vakantie bezocht.

Figuur 3‑2 Doorsnede van de Romeinse baden (Kretzschmer, 1964).

Yakhchal: Het Perzische rijk had te maken met hoge temperaturen, waardoor het voedsel slecht houdbaar was. Hierdoor ontstond er voedselschaarste. Door de lange periodes van hitte en droogte, moest er in korte tijd een grote hoeveelheid voedsel geoogst worden. Er moest gezocht worden naar oplossingen om dit op te slaan, zonder dat het bedierf. In de regio waar op dit moment Iran ligt, werd als antwoord hierop de Yakhchal geïntroduceerd. Yakhchal is een traditioneel Iraans ijsopslagsysteem dat al duizenden jaren wordt gebruikt in het Midden-Oosten. Het systeem maakt gebruik van de principes van thermodynamica en de unieke klimatologische omstandigheden van het gebied om ijs te produceren en opslaan. Yakhchal bestaat uit een ronde of ovale kamer die is gegraven in de grond en is omgeven door dikke muren van aarde en stenen. Deze muren helpen om de kamer koel te houden door de warmte van de buitenlucht te isoleren. Bovendien wordt het ijs dat in de kamer is opgeslagen beschermd tegen smelten door een dak van aarde en stro, waar water op gegoten wordt. Het water droogt op en vormt een dikke laag ijs, die het ijs binnenin beschermt tegen de warmte van de zon. Yakhchal was een belangrijk systeem voor de opslag van ijs in een tijd waarin er geen elektriciteit was en het ijs alleen in de winter kon worden verkregen. Het werd gebruikt om levensmiddelen te koelen en te bewaren, waaronder vlees, groenten en fruit. Ook werd het gebruikt om koel water en ijskoude dranken te produceren, wat vooral belangrijk was in warme zomers. Tegenwoordig wordt Yakhchal nog steeds gebruikt in sommige traditionele gemeenschappen en is het een prachtig voorbeeld van hoe de natuur kan worden geëmuleerd om praktische en efficiënte technologieën te ontwikkelen. Het toont ook aan hoe menselijke samenlevingen door de eeuwen heen innovatieve manieren hebben ontwikkeld om de uitdagingen van het klimaat aan te gaan en te overleven (Mehdipour & Namazian, 2012), (Mahdavinejad & Javanrudi, 2012).

Heat and fire driven ventilation: In West-Europa werd er rond 1800 al geventileerd. Het was nog niet mogelijk om lucht te verplaatsen via elektrisch aangedreven ventilatoren, maar toch vond men methodieken om frisse lucht in een gebouw te krijgen. Als oplossing werd er gebruik gemaakt van de zogenoemde “heat driven ventilation”. De warme lucht steeg op via de schoorsteen, wat ervoor zorgde dat er onderdruk ontstond in de lagere gedeeltes van het gebouw. Door deze onderdruk werd er verse buitenlucht aangezogen via (al dan niet opzettelijke) gaten in het gebouw. Deze methodiek breidde zich uit naar “fire driven ventilation”. Om te ventileren werd er constant een vuur gestookt. Er werd gebruik gemaakt van manuele houten ventilatoren en blaasbalgen om meer hitte te genereren, waardoor er sneller geventileerd kon worden. Echter, deze methodiek had als groot nadeel dat er veel mankracht benodigd was: meerdere medewerkers waren continu bezig om het vuur aan te houden (Olsson, 2016).

4. Praktijkvoorbeelden van duurzame klimaatbeheersing

Door de technologische vooruitgang zijn veel traditionele, milieuvriendelijke bouwmethoden verloren gegaan. Het is van belang dat huidige technologieën deels aangepast worden, aan de hand van de duurzame aspecten van de traditionele methodieken (Saradj, 2008). Toch zijn er talloze voorbeelden van gebouwen waarin gebruik is gemaakt van duurzame klimaatbeheersing, op basis van biomimicry of de geschiedenis. Deze voorbeelden worden in dit hoofdstuk beschreven.

Eastgate Centre Harare Zimbabwe: Het ventilatiesysteem van het Eastgate Centre is één van de meest opvallende aspecten van het gebouw en een belangrijke factor voor de duurzaamheid. Het gebouw is ontworpen met een uniek systeem van natuurlijke ventilatie en verwarming, gebaseerd op het principe van termietenheuvels. Het systeem maakt gebruik van de opwarming van de lucht door de zon om de warme lucht door de gebouwen en volledige vervanging van de lucht zonder het gebruik van elektriciteit of andere brandstoffen. Dit betekent dat het gebouw niet afhankelijk is van conventionele airconditioning en verwarming en dat het energieverbruik voor deze functies aanzienlijk wordt verminderd. Het gebouw maakt ook gebruik van andere duurzame technologieën, zoals zonne-energie en effectieve isolatie, om het energieverbruik te verminderen. Het resultaat is een binnenklimaat dat comfortabel en gezond is, zonder dat er teveel energie nodig is om het te onderhouden. Het unieke systeem van natuurlijke ventilatie en verwarming is een voorbeeld voor andere gebouwen en laat zien dat er efficiënte en duurzame alternatieven zijn voor conventionele airconditioning- en verwarmingssystemen (Pearce, 2023).

Stadskantoor Venlo: Het Stadskantoor van Venlo is bekend om zijn duurzaamheid en milieuvriendelijkheid. Het gebouw is ontworpen met het oog op energie-efficiëntie en duurzaamheid en heeft diverse duurzame technologieën en maatregelen geïmplementeerd. Een van de duurzaamheidsmaatregelen in het Stadskantoor van Venlo is de toepassing van geavanceerde isolatie- en ventilatiesystemen. Dit helpt bij het beperken van de hoeveelheid energie die nodig is voor verwarming en koeling van het gebouw, en bijdragen aan een comfortabel binnenklimaat. Het gebouw maakt ook gebruik van zonne-energie en heeft een aardwarmte-installatie, wat bijdraagt aan een groene en duurzame energiebron. Het gebouw is ook ontworpen met veel lichtinval en natuurlijke ventilatie, wat helpt bij het besparen van energie en het verbeteren van de kwaliteit van het binnenklimaat (Gemeente Venlo, 2023).

The Edge Building: Het Edge gebouw in Amsterdam is ontworpen om natuurlijke ventilatie te integreren om het energieverbruik en de ecologische voetafdruk te verminderen. Het ontwerp van het gebouw omvat een unieke gevel die automatisch opent en sluit op basis van weersomstandigheden en luchtkwaliteit. De gevel bestaat uit duizenden driehoekige panelen die individueel kunnen worden geopend of gesloten om de temperatuur en luchtstroom van het gebouw te reguleren. De panelen worden gecontroleerd door een algoritme dat rekening houdt met factoren zoals temperatuur, vochtigheid en windsnelheid, evenals de kwaliteit van de binnenlucht en bezettingsniveaus. Naast de gevel heeft het gebouw ook andere functies om natuurlijke ventilatie te bevorderen, zoals een centraal atrium dat als schoorsteen fungeert en lucht uit het gebouw trekt. Het atrium dient ook als gemeenschappelijke ruimte en biedt natuurlijk licht en uitzicht op de omgeving. Door natuurlijke ventilatie te integreren, kan The Edge zijn afhankelijkheid van mechanische koel- en verwarmingssystemen verminderen, wat resulteert in een lager energieverbruik en een kleinere ecologische voetafdruk (Randall, 2015).

5. Koppeling van praktijkvoorbeelden aan biomimicry

De in het vorige hoofdstuk beschreven gebouwen kenmerken zich door de hoge mate van duurzaamheid. In de basis wordt in deze gevallen gebruik gemaakt van natuurlijke ventilatie, net zoals in Badgirs en termietenheuvels. Een belangrijke voorwaarde hiervoor is slim gebruik maken van de wind, het licht en de warmte van de zon en de luchtdichtheid en isolatiewaarde van de bouwschil (building envelope). Daarnaast wordt er ter ondersteuning gebruik gemaakt van de conventionele, mechanische systemen om altijd aan de behoeften van de gebruiker te kunnen voldoen. Wanneer de koppeling gemaakt wordt met de eerder beschreven termietenheuvel, dan valt het op dat deze gebouwen veel overeenkomsten hebben. Zo wordt er in beide gevallen slim gebruik gemaakt van de wind en de zon. De termietenheuvel zelf heeft dezelfde functie als de building envelope van het gebouw. In beide gevallen wordt de ventilatie geregeld door middel van wind en slimme gangenstelsels. Die slimme gangenstelsels symboliseren in dit geval de luchtkanalen van het systeem. De ondersteuning van de mechanische systemen kunnen vergeleken worden met de termieten die het natuurlijke ventilatieproces ondersteunen. Het Energy System Diagram van een termietenheuvel en een gebouw wordt weergegeven in figuur 5.1 (Garcia-Holguera, Clark, Sprecher, & Gaskin, 2015).

Figuur 5‑1 Energy System Diagram termietenheuvel en gebouw (Garcia-Holguera, Clark, Sprecher, & Gaskin, 2015).

6. Conclusie

 Natuurlijke ventilatie is een belangrijk aspect van duurzaam bouwen en heeft de potentie om het energieverbruik en de ecologische voetafdruk van gebouwen te verminderen. Biomimicry is een concept dat is gebaseerd op het bestuderen van de natuur en het toepassen van de geleerde principes in de technologie. Het is gebleken dat biomimicry van termietenheuvels kan bijdragen aan het ontwerp van gebouwen met een effectieve natuurlijke ventilatie.

Termietenheuvels zijn unieke structuren die zijn ontworpen om de temperatuur en luchtvochtigheid binnenin te regelen, ondanks de veranderende omstandigheden buiten de heuvel. De vorm en de structuur van de heuvels bevorderen de natuurlijke ventilatie en de luchtstroom door het creëren van koeltoreneffecten en het gebruik van convectie.

Badgirs zijn windtorens die zijn ontworpen om natuurlijke ventilatie te bevorderen in droge en hete klimaten. De torens werken door het vangen van wind en het geleiden van lucht door ondergrondse kanalen en het loslaten van gekoelde lucht in het gebouw. Badgirs hebben een lange geschiedenis in de architectuur van Iran en zijn een bewijs van de succesvolle toepassing van natuurlijke ventilatie in gebouwen.

De combinatie van de principes van termietenheuvels, biomimicry en badgirs biedt een veelbelovende strategie voor het ontwerp van gebouwen met natuurlijke ventilatie die zowel duurzaam als efficiënt zijn. Ook recent zijn er voorbeelden van bouwwerken die volgens deze methodieken zijn gerealiseerd. Hierin is veelal gebruik gemaakt van al dan niet een combinatie van biomimicry van termietenheuvels en de windvangers uit de badgirs. Verder onderzoek naar deze concepten kan bijdragen aan de ontwikkeling van innovatieve en duurzame oplossingen voor de bouwsector.

 7. Beperkingen

 Hoewel natuurlijke ventilatie veel voordelen heeft, heeft het ook enkele beperkingen en limiteringen: Het is namelijk afhankelijk van weersomstandigheden zoals wind en temperatuur. Als het buiten te koud is of er geen wind is, kan natuurlijke ventilatie niet voldoende zijn om een gebouw te ventileren. Met natuurlijke ventilatie is er beperkte controle over de luchtstroom en de luchtkwaliteit. In gebieden met hoge luchtvervuiling kan natuurlijke ventilatie de binnenluchtkwaliteit mogelijk niet voldoende verbeteren. Natuurlijke ventilatie vereist vaak specifieke ontwerpelementen zoals openingen in muren of gevels, die niet altijd mogelijk zijn bij bestaande gebouwen. Daarnaast kan natuurlijke ventilatie kan soms leiden tot geluidshinder van buitenaf, zoals verkeerslawaai of lawaai van nabijgelegen constructies (Wood & Salib, 2013). In deze situatie moet het natuurlijke systeem ondersteund worden door mechanische ventilatie.

Het is belangrijk om deze beperkingen en limiteringen in overweging te nemen bij het ontwerpen en implementeren van natuurlijke ventilatie-oplossingen voor gebouwen. In sommige gevallen kan het nodig zijn om mechanische ventilatie te combineren met natuurlijke ventilatie om de voordelen van beide te maximaliseren.

 8. Eigen visie en koppeling met ontwerpopdracht

 Mijn visie is dat wij meer gebruik moeten maken van de mogelijkheden die de natuur ons biedt. Als voorbeeld zou je schone buitenlucht kunnen aanzuigen boven een beek, waardoor het binnenklimaat op natuurlijke wijze bevochtigd wordt. Een ander voorbeeld is de richting waarop het pand gebouwd wordt. Als de schacht van het systeem richting het zuiden geplaatst wordt, bevordert dit de natuurlijke trek. De zon verwarmt de lucht in de schacht, waardoor er beweging ontstaat. Deze beweging zorgt voor de ventilatie.

Vervolgens zou vanuit deze visie ontworpen moeten worden. In dit basisdocument is vooral gekeken naar het conceptuele perspectief. In het ontwerp is meer gefocust op praktische uitvoerbaarheid. Hierin is samen met stakeholders bepaald welke verbeteringen er doorgevoerd kunnen worden. De belangrijkste punten zijn, remontabel installeren, alternatieve materialen gebruiken en standaardisatie van rechthoekige luchtkanalen.

Wanneer de bevindingen uit het basisdocument gekoppeld worden aan het ontwerp, dan zouden klimaatbeheersingssystemen aan de volgende eisen moeten voldoen:

-        Remontabel: systemen moeten zo ontworpen worden, dat ze na gebruik weer eenvoudig los te maken zijn.

-        Alternatieve materialen: waar mogelijk moet er gebruik gemaakt worden van alternatieve materialen zoals gerecycled glaswol en gerecycled PIR.

-        Standaardisatie: gebruik maken van de standaard die in het ontwerp is bepaald. Dit zorgt ervoor dat de herbruikbaarheid van de luchtkanalen verhoogd wordt.

-        Gebruik maken de natuurlijke elementen: zoals in dit basisdocument is beschreven, kunnen we veel meer uit de natuur halen. Bij het ontwerp moet er rekening gehouden worden met de vier elementen: aarde, water, lucht en vuur.

Referenties

 Alimin, N., Pertiwi, E., & Purwaningrum, L. (2021). Establishing sustainable habits of students in Green School Bali through green interior design. Surakarta: IOP Publishing.

Barone, G., Buonomano, A., Forzano, C., Giuzio, G. F., & Palombo, A. (2022). Energy, economic, and environmental impacts of enhanced ventilation strategies on railway coaches to reduce Covid-19 contagion risks. Napels: Department of Industrial Engineering, University of Naples Federico II.

Basaran, T. (2007). The Heating System of the Roman Baths. ASHRAE.

Boerstra, A., & te Kulve, M. (2021). Programma van Eisen Gezonde Kantoren 2021. Woerden: TVVL.

Chen, B.-R., Chang, Y.-W., Lee, W.-S., & Chen, S.-L. (2009). Long-term thermal performance of a two-phase thermosyphon solar water heater. Taipei: Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University.

de Gids, W. (2011). Ventilatie, achtergrond van de Eisen. Delft: TNO.

Franchimon, F. (2009). Healthy building services for the 21st century. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven.

Garcia-Holguera, M., Clark, G., Sprecher, A., & Gaskin, S. (2015). Ecosystem biomimetics for resource use optimization in buildings. Montreal: Routledge.

Gemeente Venlo. (18 de Februari de 2023). Brochure Stadskantoor. Obtido de c2cvenlo.nl: https://c2cvenlo.nl/wp-content/uploads/2018/02/Brochure-Stadskantoor-Venlo.pdf

Gladstone, J. (1998). John Gorrie, the visionary. ASHRAE Journal.

Janssen, J. (1999). The History of Ventilation and Temperature Control. ASHRAE Journal.

Jomehzadeh, F., Nejat, P., Calautit, J. K., Yusuf, M. B., Zaki, S. A., Hughes, B. R., & Yazid, M. N. (2016). A review on windcatcher for passive cooling and natural ventilation in buildings, Part 1: Indoor air quality and thermal comfort assessment. Elsevier Ltd.

King, H., Ocko, S., & Mahadevan, L. (2015). Termite mounds harness diurnal temperature oscillations for ventilation. Princeton: Princeton University.

Kretzschmer, F. (1964). Bilddökumente Römischer Technik. Düsseldorf: VDI-Verlag.

Lepora, N., Verschure, P., & Prescott, T. (2013). State of the art in Biomimetics. Bioinspiration & Biomimetics.

Liñán, C., Rosal, Y. d., Carrasco, F., Vadillo, I., Benavente, J., & Ojeda, L. (2018). Highlighting the importance of transitional ventilation regimes in the management of Mediterranean show caves (Nerja-Pintada system, southern Spain). Málaga: Science of the total environment.

Mahdavinejad, M., & Javanrudi, K. (2012). Assessment of ancient fridges: a sustainable method to storage ice in hot-arid climaties. Teheran: Asian culture and history.

Mehdipour, A., & Namazian, A. (2012). Yakchal; Climate Responsive Persian Traditional Architecture. Singapore: IACSIT Press.

Mousavi, S., Gijón-Rivera, M., Rivera-Solorio, C., & Rangel, C. G. (2022). Energy, comfort, and environmental assessment of passive techniques integrated into low-energy residential buildings in semi-arid climate,. Monterrey: Tecnologico de Monterrey.

Olsson, D. (2016). History of ventilation technology. Gothenburg: Swegon Air Academy.

Pearce, M. (16 de Februari de 2023). Eastgate development Harare. Obtido de mickpearce.com: https://www.mickpearce.com/Eastgate.html

Pruitt, L., & Kramer, S. (2017). How Historical Solutions to Thermal Comfort Influenced Modern Construction Efforts. Primosten: ScienceDirect.

Randall, T. (23 de September de 2015). The Smartest Building in the World. Obtido de bloomberg.com: https://www.bloomberg.com/features/2015-the-edge-the-worlds-greenest-building/

Rijksoverheid. (2012). Bouwbesluit 2012. Obtido de https://www.bouwbesluitonline.nl//.

Rood, T., Kishna, M., Dassen, T., Dignum, M., Hanemaaijer, A., Prins, A., & Reudink, M. (2019). Circulaire economie in kaart. Den Haag: PBL Planbureau voor de Leefomgeving.

Saadatian, O., Haw, L., Sopian, K., & Sulaiman, M. (2012). Review of windcatcher technologies. Renew Sustain Energy Rev.

Saradj, F. M. (2008). Using Natural Resources for Ventilation: The Application of Badgirs in Preservation. Toronto: Association for Preservation Technology International (APT).

Sundell, J. (2004). On the history of indoor air quality and health. Indoor Air, vol.14, 51-58.

Turner, S. (2001). On the Mound of Macrotermes michaelseni as an Organ of Respiratory Gas Exchange. Chicago: The University of Chicago.

Vishal, M., & Satyanarayanan, K. (2022). Experimental Investigation on the Heat Dissipation and Postfire Structural Performance of a Reinforced Concrete Column with Biomimicked Geometry. Tamil Nadu: Department of Civil Engineering, SRM Institute of Science and Technology, College of Engineering and Technology.

Wood, A., & Salib, R. (2013). Natural Ventilation in High-Rise Office Builings. Oxon: Routledge.