ibuild IWCS Energie- en comfortadvies aan toekomstige bewoners van zelfontworpen woningen Een koppeling tussen ibuild en de IWCS

Transcriptie

1 ibuild Energie- en comfortadvies aan toekomstige bewoners van zelfontworpen woningen Een koppeling tussen ibuild en de IWCS Auteur: R.C.P. Vreenegoor Afstudeercommissie: prof. dr. ir. J.L.M. Hensen prof. dr. ir. B.de Vries dr. ir. L.Soethout ir. P. Bonsma IWCS Energie Thermisch comfort Luchtkwaliteit

2 Voorwoord Vanaf mijn start aan de opleiding Bouwkunde heb ik interesse voor het duurzaam en energiezuinig bouwen. Deze onderwerpen mochten dan ook niet ontbreken in mijn afstudeeropdracht. Tevens zocht ik een nuttig en praktijkgerichte opdracht om te voorkomen dat het eindresultaat enkel als kastopvulling zou worden gebruikt. Dit alles vond ik in een projectvoorstel van TNO. Nog geen elf maanden geleden begon het afstudeeravontuur bij TNO Bouw in Delft. In die maanden heb ik flink wat afgereisd, de NS vervloekt en lange dagen gemaakt. Maar dit was het allemaal dubbel en dwars waard. Onder meer het afwisselende karakter van de opdracht en het onderwerp hebben ervoor gezorgd dat ik enorm heb genoten van mijn afstudeertijd. Ik heb leren programmeren, mijn bouwfysische kennis kunnen verbreden en veel presentatie ervaring opgedaan. Wat er met het eindresultaat precies gaat gebeuren is nog niet duidelijk, TNO heeft in ieder geval nog plannen om ermee verder te gaan. Mijn afstudeertijd was lang niet zo goed gelopen zonder de steun van verschillende mensen om me heen. Ik wil mijn dank uiten aan al mijn afstudeerbegeleiders die me naast een goede begeleiding tevens geholpen hebben bij het schrijven van de Engelse paper en presentatie voor het Design Research in the Netherlands symposium. Ik wil Peter Bonsma extra bedanken voor al zijn hulp bij het programmeren en zijn onuitputtende enthousiasme waardoor ik meer heb geprogrammeerd dan ik van mezelf verwacht had. Tevens wil ik mijn dank uiten aan Chrit Cox voor het delen van zijn kennis op het gebied van energie en comfortaspecten. Tot slot wil ik mijn vriend Rob bedanken voor al zijn steun en warme maaltijden die voor me klaar stonden na die lange dagen in Delft. Rona Vreenegoor 2

3 Summary 1. Introduction In the (Dutch) construction industry relatively little attention is paid to low-energy and comfortable housing. It is often limited to prescribed rules by the government. Many people don t realise that a low-energy and comfortable house offers besides environmental benefits also other important qualities such as improved health and comfort. Therefore people should be informed about these extra benefits of lowenergy and comfortable building during for example the designing or buying process. Consumer design support The building market is slowly shifting from mass building to consumer based building. This means people have more influence on the shape and attributes of their future house. Consumer based building could appear in the form of participation in the design process or even making the design by themselves. Designing your own home sounds great, but is not an easy job for everyone. Virtual reality, cost information and energy and comfort advice during the design process must help the consumer to make well-considered design decisions in order to prevent disappointment about the final result. Research objective The ibuild concept, developed by TNO Built Environment and Geosciences in association with European Design Centre and Willems van den Brink Architects, offers consumers the possibility to design their own house with a view of reducing construction costs. The software allows inexperienced consumers to design their future house with the help of 2D- and 3D-views and virtual reality. Besides that, ibuild wants to offer energy and comfort advice during the design process. This could for example be a light simulation or a score for the energy performance. A possible solution for consumer design support during the design process is a connection between ibuild and an existing energy and comfort advice program. The IWCS, which loosely translated means integral home comfort scan, is such an advice program. The objective of this research is to develop software to support consumers during the design process through a connection between ibuild and the IWCS. 2. Research methods To realise a connection between ibuild and the IWCS three problems need to be solved. In the first place the IWCS in its original form cannot directly be connected with ibuild and the performance requirements need to be updated. The calculations behind the IWCS are based on building restrictions of the government for existing houses and are simplified with respect to input requirements, i.e. based on observation rather than detailed design information. Because with ibuild, new houses are designed, the building restrictions for new houses need to be applied. And, since detailed design information is available, the simplified calculations could be made more accurate. Besides that, the original IWCS calculations are applied at building level whereas ibuild delivers geometrical data at room level. Secondly the updated performance requirements cause a change in the kind and detail of data that s needed. Because of the change in data, the underlying Express model of the IWCS software, which describes how the data must be stored, needs to be updated. The last problem consists of the design and implementation of the connection between ibuild and the IWCS. The data from a final design in ibuild needs to serve as input for the calculations and, vice versa, the energy and comfort results need to serve as input for ibuild. Connections between drawing programs and building physics calculations already exist. But these connections are generally made with the use of one model that describes how the data must be stored. And this often means that the drawing or the calculations model has been adapted to fit in the other. In this research the models are kept separate to prevent this. 3

4 3. Results Performance requirements A literature search is carried out to determine which performance requirements are needed to generate results, which will support the consumers during the design process. This research occupies only the aspects energy, thermal comfort and air quality. These aspects are chosen due to own interest and the strong relationship between them and the number of studied aspects is limited because of the short period of time available for this research. Criteria are formulated for assessment of the available computation methods in the field of energy performance, thermal comfort and indoor air quality. At first the IWCS calculations need to apply to new houses. Secondly the performance scale of the calculations is preferred at room level. And thirdly, global computation methods seem sufficiently enough for consumer design support. In the field of energy the factors thermal insulation, air tightness, installations, building shape, orientation and the use of sustainable energy are important for the energy performance. The current IWCS calculations only take the heat loss through the construction into account. Other possible calculations like the energy need for heating (Q wb ) and the energy index for existing houses (EI) are in this case not suitable to determine the energy performance. The computation of the energy performance coefficient (EPC) is the most preferred calculation method to determine the energy performance because it takes al the important factors into account and is a global calculation method at building or zone level. The EPC calculation is simplified to make programming possible in the short time available for this research. Thermal comfort can be divided in global and local comfort. Global comfort is related to the total environment of the user, but not directly related to the user, whereas local comfort deals with the direct influence on the user himself, for example draught near a window, asymmetrical radiation or a vertical temperature gradient. In the field of thermal comfort the factors overheating in the summer and draught in the winter are important. The current IWCS calculations do not take the overheating risk into account. Possible calculations are the computation of the high temperature risk (NEN 5128 (2004)) and the percentage of glass area in the façade multiplied with the sun radiation let through (FR*ZTA). This last method is preferred because it is a global assessment method for the overheating risk and it can point out the window, which is causing the risk. In the field of draught the current IWCS calculations determine a draught score for the whole building depending on the height and thermal transmittance of the windows. The assumption is made that there is no draught risk in case of a space heating beneath the window. The determination of a draught score according to the Nieman gezondheidskaart [13] takes besides the draught risk near large window areas also factors such as the building method and heating system into account. Thereby this calculation method is preferred. In the field of indoor air quality the factors ventilation and infiltration rate, ventilation system and the emission of building materials are important. The current IWCS calculations are for a great deal based on observation. With the detailed design information from ibuild the ventilation rate can be determined with the available ventilation supplies. A global infiltration rate is determined by means of the loss area, roof type, building method and the building quality. Prototype design and implementation There are three possible methods to connect ibuild with the IWCS. The first one is a connection between Express schemas because both ibuild and the IWCS consist of such a schema. The second method consists of a connection between XSD schemas because the IWCS generates an XML project file. And the last method consists of a connection through RDF/OWL which is a time-consuming process. The first mentioned method is in this case the most feasible method. 4

5 Figure S1 shows the first connection method in more detail. A design made in ibuild is stored according to the IFC standard. Step A describes a mapping between the IFC and IWCS Express model. Step B is the mechanism to get the information from the IWCS model into the calculation modules of the IWCS. And step C consists of the programmed calculations. C A B IFC Express model IWCS Express model Figure S1: Three steps to connect ibuild with the IWCS Because the ibuild software doesn't fully support the storage of a design according to the IFC standard, a 3D design made with the drawing programme ArchiCAD is used. In the following text, the implementation of step A, B and C is discussed. H Figure S2: Space boundary concept in IFC H Figure S3: Room divider concept in IWCS Step A: Mapping between the Express models The mapping between the Express models is made with the data modelling language Express-X. The mapping prescribes which data from ibuild needs to be mapped to the IWCS Express model. For example ibuild generates the length and height of a wall and these need to be connected with the area data of a wall in the IWCS model (with the knowledge area = length * height). A large part of the needed data can directly be mapped from the IFC to the IWCS model. Both ibuild and the IWCS are using room dividers, which are virtual planes through the middle of a wall, floor or roof construction (figure S3). Because IFC has no room dividers but space boundaries, which are planes on the border of spaces and constructions (figure S2), this data cannot directly be mapped. The space boundaries are transformed with the program language C to make the mapping with room dividers possible. This transformation sees that the connection is still applicable for 3D designs made in a CAD application which supports IFC. Step B: Connection between the IWCS Express model and calculations Since the IWCS does not have a native interface to read from and to write to Express models, such an interface is provided by the program EDM (2005) and the program language C. This language can be coupled easily to the IWCS modules, providing the data in the model to the internal algorithms of the modules. Step C: Programming the new IWCS calculations The changes of the IWCS performance requirements are of such scale that there is decided to programme all the proposed calculations. The calculations are programmed in the program language C. Missing input data Not al the data needed for the IWCS calculations can be derived from the 3D design such as the thermal transmittance of a window and the thermal conductivity of a material layer. The missing data has to be added, and in order to keep the prototype well organized, the missing data is added at the beginning or end of the connection. 4. Discussion In the following text the validation and utilization of the prototype are discussed. Validation concerns mostly whether the model is implemented correctly, whereas verification is about whether the correct model has been implemented. Validation Eventually there is no actual connection made between the existing ibuild and IWCS software. Parts of the IWCS such as the Express model and the calculations are rewritten. And because ibuild is in this stage not able to store a design 5

6 completely according to the IFC standard a 3D design made in ArchiCAD is used. The prototype works and generates energy and thermal comfort results of the 3D design. For the validation of the prototype the window area, installations, orientation and insulation of the exterior shell of a basic house design are diversified and the energy and thermal comfort results are analyzed. Besides that the energy and thermal comfort results are verified with hand made calculations. The use of the prototype is limited to houses with spaces, which consist of rightangled planes, houses with a flat roof and a limited number of installations. Utilization Distinction is made in two types of users, consumers and architects. Consumer The prototype generates energy and thermal comfort results of a house design per space. In the field of energy three EPC values are given for three types of central heating or heat pump installations. The three EPC values differ very little. One EPC value should give the consumer enough design support. In the field of thermal comfort the chance of overheating in the summer and draught in the winter period are given. The energy and thermal comfort results still have to be transformed in for the consumer understandable scores. Small changes in the design aren't noticed in the energy and thermal comfort results and the question is whether more detailed calculations are able to show these differences. Architect When the prototype is used for intermediate testing of a 3D design, the architect is asked to insert just once certain values, for example the thermal transmittance, which is normally introduced by ibuild. The question is, whether the designer has the disposal of enough knowledge to insert this (technical) information. When a wrong value is inserted, the question is whether the designer will notice it. The transformation of the results into scores can be left behind for the architect because the results will give enough information. The prototype will be of more use when the EPC computation is entirely implemented. 5. Conclusion The designed software is able to generate energy and thermal comfort results out of an IFC model and can be used to support consumers as well as architects during the design process. The calculations in the field of air quality are not implemented. The energy results exist of three EPC values for three types of central heating or heat pump installations. In the field of thermal comfort the change of overheating in the summer and draught in the winter period are given. The energy and thermal comfort results have to be translated in understandable scores for the consumers. Little adjustments to the design will not be noticed in the performance results. If the consumer design freedom is large, the prototype could support the consumer. In case the consumer design freedom is small, the results will differ to little for design support. The use of the prototype is limited to houses with spaces, which consist of rightangled planes, houses with a flat roof and a limited number of installations. Future work The energy and thermal comfort results need to be transformed in a score which has to be presented understandably for consumers. The prototype has to be tested in practice with consumers. The calculations in the field of indoor air quality need to be implemented. Besides that the prototype can be extended with advice in the field of light, sound and health. To be applicable for houses with spaces, which consist of right-angled planes, and houses with a flat roof, the prototype needs to be extended. The energy and comfort scores can be more concentrated on the consumers if the users behaviour is also taken into account. 6

7 Inhoud 1. Inleiding Ontwerpondersteuning voor de consument Aanleiding van het onderzoek Doel van het onderzoek Opbouw rapport 9 2. Onderzoeksaanpak Aanpassen IWCS berekeningen Aanpassen IWCS Express schema Koppeling en implementatie Activiteiten Huidige stand van zaken ibuild software IWCS software Inventarisatie van bepalingsmethoden en technieken Energie Thermisch comfort Globaal thermisch comfort Lokaal thermisch comfort Luchtkwaliteit De te implementeren (reken)methodes Conceptueel ontwerp en implementatie prototype Conceptueel ontwerp Koppelingsmethoden IWCS Express schema Stap A: mapping Express modellen Stap B: koppeling IWCS Express model en berekeningen Stap C: programmeren nieuwe berekeningen Implementatie Start vanuit een 3D IFC model Ontbrekende invoergegevens Implementatie stap A: mapping Express modellen Implementatie stap C: programmeren nieuwe berekeningen Prototype Cases Testwoning Resultaten Conclusie Kameleon Resultaten Conclusie Reflex Resultaten Conclusie Discussie Validatie Utilisatie Gebruikersgedrag Conclusies Toekomstig werk 36 7

8 1. Inleiding In de Nederlandse woningbouwindustrie wordt relatief weinig aandacht besteed aan energiezuinig en duurzaam bouwen. Het gaat vaak niet verder dan de voorgeschreven eisen in de bouwregelgeving. Jammer genoeg beseffen nog maar weinig mensen dat duurzaam en energiezuinig bouwen meer voordelen heeft naast het sparen van het milieu en een lagere energierekening, zoals een gezondere en comfortabelere woning. Vooral deze laatste aspecten worden voor de consument steeds belangrijker gevonden. Het is daarom van belang de consumenten te wijzen op de voordelen van duurzaam en energiezuinig bouwen, bijvoorbeeld gedurende de ontwerp- of koopfase. Zo worden er twee vliegen in één klap geslagen. Aan de ene kant krijgen consumenten een meer comfortabele woning (en een comfortabeler leven) en aan de andere kant komt de keuze voor een duurzame en energiezuinige woning ten goede aan het milieu Ontwerpondersteuning voor de consument De bouwmarkt verschuift langzaam van massa- naar consumentgericht bouwen. Dit betekent dat de consument meer invloed heeft op de vorm en de voorzieningen van zijn toekomstige huis. Zoals bijvoorbeeld meer inspraak in het ontwerpproces of het zelf ontwerpen van je toekomstige woning. De mogelijkheid om je eigen huis te ontwerpen kan een lastige opdracht zijn. Ondersteuning gedurende het ontwerpproces kan de consument helpen. Zoals bijvoorbeeld met 'virtual reality' om een goed idee te krijgen hoe de toekomstige woning er uit gaat zien, kosteninformatie en advies op het gebied van energie en comfort. Het ontwerpen van een groot raam kan er mooi uitzien in 'virtual reality' plaatjes, maar heeft bijvoorbeeld ook een hoger energiegebruik tot gevolg. Het ondersteunen van de consument gedurende het ontwerpproces kan helpen bij het maken van goede ontwerpbeslissingen waardoor een tegenvallend eindresultaat kan worden voorkomen Aanleiding van het onderzoek Veelal is consumentgericht bouwen duurder dan de traditionele massabouw. Om consumentgericht bouwen voor het laag- en middensegment in de woningbouw mogelijk te maken heeft TNO in samenwerking met EDC 1 en Willems van den Brink Architecten het ibuild concept ontwikkeld. Dit concept wil de consument de mogelijkheid bieden zijn eigen woning te ontwerpen voor een betaalbare prijs. Hiervoor is software ontwikkeld waarmee ook de veelal onervaren consument zijn eigen huis kan ontwerpen. Een directe link van de ibuild software met o.a. leveranciers van bouwproducten behoudt de voordelen van serie/massaproductie zoals bij laag- en middensegment woningen ondanks de tussentijdse invloed van de consument. Een architect verzorgt een basisontwerp voor de ibuild software waar consumenten vervolgens mee aan de slag kunnen om er hun huis van te maken. Binnen de grenzen die de architect, bouwregelgeving en de gemeente stellen kunnen diverse bouwdelen aangepast worden. Zo bestaat er o.a. de mogelijkheid om de positionering, grootte en kwaliteit van deuren en ramen aan te passen. Figuur 1: ibuild software 2D & 3D visuele ondersteuning De ibuild software ondersteunt de consument in het ontwerpproces met 2D en 3D visualisaties van het gevelontwerp, plattegrondindeling en het interieur (figuur 1). Daarnaast wil ibuild de consument ook ondersteunen met o.a. energie- en comfortadvies gedurende het ontwerpproces. Bijvoorbeeld met een score voor de energieprestatie of een simulatie van de daglichttoetreding in een ruimte. 1 European Design Centre 8

9 1.3. Doel van het onderzoek Een mogelijke oplossing voor de ondersteuning van consumenten met energie- en comfortadvies wordt gezocht in de vorm van een koppeling tussen ibuild en een (bestaand) adviesprogramma. De IWCS, een afkorting voor de integrale wooncomfortscan, is zo'n bestaand softwareprogramma voor energie- en comfortadvies en is ook ontwikkeld door TNO. Het doel van dit afstudeeronderzoek is het ontwikkelen van software voor het ondersteunen van de consument tijdens het ontwerpproces van zijn toekomstige woning in de vorm van een koppeling tussen ibuild en de IWCS. Figuur 2 laat een visuele presentatie zien van een koppeling tussen ibuild en de IWCS. De consument maakt een ontwerp van zijn toekomstige woning met de ibuild software. De ontwerpinformatie uit ibuild wordt vervolgens gebruikt om IWCS berekeningen uit te voeren waarna een prestatiescore voor energiegebruik en comfortaspecten volgt. Figuur 2: Koppeling tussen ibuild en de IWCS IWCS 1.4. Opbouw rapport In hoofdstuk 2 wordt de methodologie van het onderzoek beschreven om het hierboven beschreven doel te kunnen bereiken. Hoofdstuk 3 en 4 behandelen achtereenvervolgend de resultaten van het literatuuronderzoek en het ontwerp en implementatie van het prototype. In hoofdstuk 5 worden de resultaten getoetst aan de hand van cases. Hierna volgt een discussie (hoofdstuk 6) en worden tot slot de conclusies in hoofdstuk 7 beschreven. 9

10 2. Onderzoeksaanpak Voor de technische uitwerking van de software ontwikkeling moeten drie problemen opgelost worden (figuur 3). Deze problemen worden in onderstaande tekst toegelicht. Ontwerpondersteuning consument 1. Aanpassen IWCS berekeningen Software ontwikkelen 2. Aanpassen IWCS Express schema 3. Koppeling en implementatie Figuur 3: Schematische voorstelling van de onderzoeksaanpak 2.1. Aanpassen IWCS berekeningen Onderstaande tekst geeft aan waarom de IWCS in zijn huidige vorm niet direct bruikbaar is voor een koppeling met ibuild. Ten eerste zijn de IWCS berekeningen gericht op bestaande woningen terwijl met ibuild nieuwbouw woningen worden ontworpen. Voor bestaande woningen zijn er andere factoren van belang dan voor nieuwbouw woningen. Ten tweede vinden de IWCS berekeningen op gebouwniveau plaats terwijl ibuild gebouwinformatie per vertrek kan leveren. De vraag is op welk niveau de berekeningen plaats moeten vinden. Tot slot zijn de bestaande IWCS berekeningen vereenvoudigd en meer gericht op gegevens verkregen door inspectie dan de beschikbaarheid van gedetailleerde gebouwinformatie uit het ontwerp. Met de gedetailleerde gebouwinformatie uit ibuild kan er nauwkeuriger gerekend worden. Om een beeld te krijgen van de aanpassingen die noodzakelijk zijn om de IWCS berekeningen voor nieuwbouw woningen geschikt te maken wordt een literatuuronderzoek gedaan. Het accent ligt hierbij op de aspecten energie, thermisch comfort en luchtkwaliteit. Het aantal analyse aspecten is beperkt vanwege het korte tijdsbestek van de afstudeerperiode. Er is voor deze drie aspecten gekozen vanwege eigen interesse en omdat ze nauw met elkaar samenhangen. Wanneer er bijvoorbeeld enkel naar het aspect energie wordt gekeken, kan het energiegebruik in principe nul zijn maar het gevolg is wel dat het thermische comfort en de luchtkwaliteit slecht zullen zijn Aanpassen IWCS Express schema Wanneer de IWCS berekeningen aangepast worden en er andere data gebruikt en/of berekend wordt, zal het achterliggende model van de IWCS software, welke beschrijft hoe de data opgeslagen dient te worden, aangepast moeten worden. Dit model bestaat uit een Express schema waarin de invoer- en uitvoergegevens, gegroepeerd in objecten en hun relaties beschreven worden. 10

11 2.3. Koppeling en implementatie Tot slot moet de daadwerkelijke koppeling tussen ibuild en de IWCS ontworpen en geïmplementeerd worden. De ontworpen woning in ibuild moet dienen als invoerinformatie voor de IWCS berekeningen. De resultaten uit de IWCS berekeningen moeten vervolgens weer aan ibuild teruggegeven worden. In het verleden zijn er reeds soortgelijke koppelingen gemaakt tussen ontwerp- en (bouwfysische) rekenprogramma's. Deze koppeling is dan echter veelal gebaseerd op één achterliggend model welke beschrijft hoe de data opgeslagen dient te worden. Dit heeft al snel tot gevolg dat het ontwerp- of rekenmodel aangepast is om in het andere model te passen. In dit afstudeeronderzoek worden de modellen apart gehouden om dit te voorkomen Activiteiten De zojuist beschreven onderzoeksaanpak leidt tot de volgende activiteiten: Literatuuronderzoek naar de analyseaspecten energie, thermisch comfort en luchtkwaliteit voor (nieuwbouw)woningen Omschrijving van de benodigde aanpassingen aan de IWCS berekeningen Aanpassen IWCS Express schema Bestuderen van het IFC Express schema Ontwerpen van de koppeling tussen ibuild en IWCS Implementatie van de koppeling Testen van de ontwikkelde software middels enkele cases Rapporteren 11

12 3. Huidige stand van zaken Voordat er een ontwerp gemaakt kan worden van de koppeling tussen ibuild en de IWCS, zal er eerst naar de bestaande software structuur gekeken moeten worden. Beide applicaties zijn nog prototype software en worden verder toegelicht in hoofdstuk 3.1 en ibuild software De ibuild 2 software bestaat uit drie applicaties. Eén applicatie waarmee in 2D een ontwerp van de gevels gemaakt kan worden (figuur 4a). In het ontwerp kunnen letterlijk verschillende soorten ramen en deuren gesleept worden. Hiervan kunnen vervolgens de positie, kleur en materiaal van het kozijn en dergelijke aangepast worden. Figuur 4a: ibuild gevelapplicatie De interieurapplicatie wordt gebruikt om de indeling van de woning te ontwerpen. De consument heeft de beschikking over een plattegrond aanzicht en een 3D view waarmee letterlijk door de woning heen gelopen kan worden. Er kunnen objecten zoals binnenmuren, deuren, keukens en trappen in het ontwerp gesleept worden om een plattegrondindeling te maken. Tevens kunnen er meubels en aankleding in het ontwerp gesleept worden om een idee te krijgen van de grootte van de ruimtes. Figuur 4b laat de interieurapplicatie van ibuild zien. De laatste applicatie werkt als een server welke het gevel- en interieurontwerp samenvoegt tot één woningontwerp. Hierdoor wordt de positie van de binnenmuren zichtbaar in het gevelontwerp. En in het interieurontwerp zijn nu ramen en deuren aanwezig. De consument heeft vervolgens de mogelijkheid het gevel- en/of interieurontwerp aan te passen. Figuur 4b: ibuild interieurapplicatie IFC OWL ibuild Figuur 5: Structuur ibuild IFC+ Het ontwerp van de woning wordt in ibuild opgeslagen volgens de IFC 3 (Industry Foundation Classes) standaard. Deze standaard is gemaakt met de datamodelleer taal Express en beschrijft hoe de data van een gebouwontwerp opgeslagen dient te worden. In de IFC standaard staat o.a. beschreven welke eigenschappen wanden, vloeren, daken, ramen, deuren, ruimtes ed. kunnen bevatten. Er kan hierbij gedacht worden aan een naam, hoogte, breedte, oppervlak, materialen waaruit het is opgebouwd en kleur. De geometrische informatie van een ibuild ontwerp wordt veelal direct volgens de IFC standaard opgeslagen. Overige informatie zoals bijvoorbeeld bepaalde materiaal eigenschappen wordt via OWL 4 aan het IFC model toegevoegd, wat leidt tot een IFC+ model (figuur 5). Het opslaan van een ontwerp in ibuild volgens de IFC standaard is nog niet volledig geïmplementeerd. De IFC standaard wordt door enkele CAD programma's ondersteund waardoor het woningontwerp gemaakt in ibuild in verschillende tekenprogramma's ingelezen en indien gewenst aangepast kan worden, zonder dat er data verloren gaat. 2 Voor meer informatie over ibuild zie 3 Voor meer informatie over IFC zie 4 Web Ontology Language, 12

13 3.2. IWCS software De IWCS 5 software is bedoeld voor de bestaande woningbouw en wordt gebruikt om advies te geven met betrekking tot woningverbetering op het gebied van energie, thermisch comfort, ventilatie, vocht, geluid en de bouwkundige staat. Het is een snelle en eenvoudige applicatie voor adviseurs om binnen enkele uren bij de mensen thuis een advies uit te kunnen brengen. Figuur 6: IWCS score weergave De IWCS software bezit o.a. een database welke gevuld is met diverse gegevens van de bestaande woningvoorraad. Hierdoor kunnen er al veel invoergegevens zoals gevelopbouw en dergelijke voorspeld worden aan de hand van het bouwjaar, woningtype en woningsoort. De adviseur voert de constructieopbouw (figuur 7) van de gehele woning en de aanwezige installaties in, waarna een score wordt berekend voor het energiegebruik en de verschillende comfortaspecten. Figuur 6 laat een score weergave zien van een ingevoerde woning. De adviseur kan varianten aanmaken waarin verschillende woningverbeteringen zijn aangebracht zoals dubbel glas, na-isolatie of geluidisolatie. Tot slot kunnen de scores en de kosten van deze varianten berekend en onderling vergeleken worden zodat passende woningverbeteringen geadviseerd kunnen worden. Figuur 7: Invoerscherm IWCS van het onderdeel bouwkundig - vloer Ook de IWCS software bezit een Express schema als achterliggend model welke beschrijft hoe de data opgeslagen moeten worden. 5 Voor meer informatie zie Artikel: 'Integrale advisering over wooncomfort' door P.Elkhuizen en L. Soethout, TVVL Magazine oktober 2004; 13

14 4. Inventarisatie van bepalingsmethoden en technieken In dit hoofdstuk worden de resultaten beschreven van het literatuuronderzoek naar de analyseaspecten energie, thermisch comfort en luchtkwaliteit. Er is onderzocht welke factoren van invloed kunnen zijn op het energiegebruik, het thermisch comfort en de luchtkwaliteit. En welke (prestatie) indicatoren hier een uitspraak over kunnen doen. Afhankelijk van de bepalingsmethode van deze indicatoren, zijn ze meer of minder geschikt om gebruikt te worden voor ondersteuning van de consument tijdens het ontwerpproces. Dit hoofdstuk beperkt zich tot het benoemen van de bepalingsmethoden welke de voorkeur hebben en conclusies uit het literatuuronderzoek. Voor meer informatie met betrekking tot het bepalen van de factoren die van invloed zijn op het energiegebruik, thermisch comfort en de luchtkwaliteit, en welke (prestatie) indicatoren hier een uitspraak over kunnen doen, wordt verwezen naar hoofdstuk 2 van de bijlage. In hoofdstuk 1 van de bijlage zijn de beoordelingscriteria voor de nieuwe IWCS berekeningen beschreven. Niet alleen moeten de berekeningen gelden voor nieuwbouwwoningen, er is ook een bepaald schaalniveau en resolutie van de berekeningen gewenst. De conclusies uit hoofdstuk 1 van de bijlage laten zien dat berekeningen op vertrekniveau gewenst zijn. De vertrekken verschillen onderling te veel door de verschillende activiteiten en daarmee samenhangende wensen en eisen (consument en Bouwbesluit). Bij een slechte score op vertrekniveau is het voor de consument tevens makkelijker om te zien waardoor dat komt en welke veranderingen in het ontwerp aangebracht kunnen worden om dit te verbeteren. Dat er op vertrekniveau gerekend wordt, wil nog niet zeggen dat de consumenten deze resultaten ook per vertrek te zien moeten krijgen. Energiegebruik scores kunnen voor de consument beter op gebouwniveau weergegeven worden. Er wordt voor advies aan de consument gezocht naar globale berekeningen die voldoende 'gedetailleerd' zijn om inzicht te geven in de score van hun woning op energiegebruik, thermisch comfort en luchtkwaliteit Energie Factoren die van belang zijn voor de energieprestatie van een (nieuwbouw)woning zijn de thermische isolatie, luchtdichtheid, toegepaste installaties, gebouwvorm, oriëntatie van het gebouw en het gebruik van duurzame energiebronnen. In dit hoofdstuk wordt naar aanleiding van de mogelijke bepalingsmethoden beschreven in hoofdstuk van de bijlage, de voorkeur bepalingsmethode voor de energieprestatie gegeven. Voorkeur bepalingsmethode energieprestatie In de bijlage zijn vier methoden bekeken, te weten de oude IWCS berekening, berekening van de warmtebehoefte, berekening van de energie-index en de energieprestatie norm. De oude IWCS berekening op het gebied van energie en de bepaling van de warmtebehoefte (Q wb ) nemen te weinig van belangzijnde factoren mee. De energie-index (EI) is toegespitst op de bestaande woningbouw en kan zeer verschillend zijn per woningtype. De maximaal mogelijke waarde voor de EI verschilt erg per (type) woning waardoor er aan de hand van de EI geen goede uitspraak t.a.v. de energieprestatie gedaan worden. De EPC heeft de voorkeur als indicator voor de energieprestatie van een woning. Het is een niet al te ingewikkelde rekenmethode die veel van belangzijnde factoren meeneemt en een goed idee kan geven van de score van de woning op het gebied van energie. Conclusie De EPC rekenmethode is een globale berekening op zone niveau. De geometrische data en materiaaleigenschappen kunnen uit ibuild gehaald worden. Daarnaast is gedetailleerde informatie benodigd van de installaties. In de toekomst zou deze informatie uit ibuild gehaald kunnen worden wanneer de consument ook de installaties kan kiezen. Deze informatie zal nu aan de consument gevraagd moeten worden. Om de EPC rekenmethode in het korte tijdsbestek te kunnen programmeren, zal de rekenmethode vereenvoudigd moeten worden door standaardwaarden te gebruiken 14

15 en aan te nemen dat bepaalde installaties niet zullen voorkomen (zoals een warmtekrachtcentrale). In de toekomst zou de gehele EPC berekening geprogrammeerd kunnen worden. Maar let wel, de EPC-waarde zal binnenkort vervangen worden door een andere (vergelijkbare) energieprestatie waardering welke aan de Europese regelgeving voldoet Thermisch comfort Er kan onderscheid gemaakt worden in globaal en lokaal thermisch comfort. Het globale comfort heeft betrekking op het comfort van een lichaam ten opzichte van de gehele omgeving (ruimte). Zoals bijvoorbeeld de thermische beleving van een grote groep personen als functie van hun activiteit, kleding, luchttemperatuur, gemiddelde stralingstemperatuur, RV en de relatieve luchtsnelheid. Lokaal thermisch comfort heeft betrekking op een deel van het lichaam ten opzichte van zijn directe omgeving. Hierbij kan gedacht worden aan bijvoorbeeld tocht, stralingsasymmetrie en de verticale temperatuurgradiënt. Globaal en lokaal thermisch comfort worden apart besproken Globaal thermisch comfort Factoren die van belang zijn voor globaal thermische comfort in nieuwbouw woningen zijn het comfort in het algemeen en oververhitting. In dit hoofdstuk wordt naar aanleiding van de mogelijke bepalingsmethoden beschreven in hoofdstuk van de bijlage, de voorkeur bepalingsmethode voor het globale thermische comfort gegeven. Voorkeur bepalingsmethode globaal thermisch comfort Voorkeur voor een indicator is moeilijk aan te geven. De operatieve temperatuur (T o ) is een snelle bepalingsmethode, maar de vraag is wat de uitkomst nu echt zegt over het comfort. En hoe vaak moet deze waarde bepaald worden om een goede uitspraak te kunnen doen. Een maandelijks en dagelijks gemiddelde geeft onvoldoende informatie omdat extreme waarden worden uitgemiddeld. Een uurlijkse waarde is daarom beter, maar dat betekent wel dat hiervoor uurlijkse "invoerdata" beschikbaar moet zijn en dat is in dit stadium nog niet te realiseren. De PMV d en PPD e zijn vaak gebruikte middelen om het thermische comfort te bepalen. Er zullen aannames gedaan moeten worden omdat veel invoerparameters niet bekend zijn of uit een tekening gehaald kunnen worden (zoals: metabolisme, thermisch weerstand kleding, gemiddelde luchtsnelheid, verhouding tussen buitenoppervlak van de geklede mens en het huidoppervlak partiële dampdruk, opp. temperatuur van de kleding). Misschien kunnen er uit enkele begin vragen in ibuild met betrekking tot het bewonersgedrag betere aannames gemaakt worden. Of er kan gewerkt worden met minimale en maximale waarden voor deze onbekende invoerparameters zodat een soort bereik wordt verkregen waar de PMV/PPD hoogstwaarschijnlijk tussen zal liggen. Door al die aannames is het maar de vraag hoe betrouwbaar de uitkomsten nog zijn. Er is veel uurlijkse data benodigd voor de PMV/PPD berekening. Deze nadelen gelden tevens voor de GTO-methode, aangezien deze o.a. een uurlijkse PPD waarde gebruikt. Het percentage glas in de gevel vermenigvuldigd met de zontoetredingsfactor g (FR*ZTA) kan een globale beoordeling van de kans op oververhitting in de zomerperiode geven. De rekenmethode geeft per raam aan of er kans is op oververhitting. Dit in tegenstelling tot de bepaling van het risico van hoge temperaturen uit de NEN 5218 (2004) welke voor een hele zone een uitkomst geeft. De consument heeft meer aan de FR*ZTA methode omdat de consument inzicht krijgt in welk raam aangepast moet worden (oppervlak, zonwering, glassoort) om de kans op oververhitting te voorkomen. 15

16 Conclusie Op het gebied van globaal thermisch comfort is voor de kans op oververhitting op dit moment de FR*ZTA rekenmethode de meest geschikte methode voor advies aan de consument. Voor het comfort in de winterperiode is geen geschikte methode gevonden en wordt daarom voor nu niet meegenomen in de nieuwe IWCS berekeningen Lokaal thermisch comfort Een factor die van belang is voor lokaal thermische comfort in nieuwbouw woningen is tocht. In dit hoofdstuk wordt naar aanleiding van de mogelijke bepalingsmethoden beschreven in hoofdstuk van de bijlage, de voorkeur bepalingsmethode voor het lokale thermische comfort gegeven. Voorkeur bepalingsmethode lokaal thermisch comfort De uurlijkse PD f berekening benodigd uurlijkse invoergegevens. Deze uurlijke gegevens kunnen niet uit het ibuild ontwerp gehaald worden. Er wordt eerder gezocht naar een globalere rekenmethode van de tochtscore zoals in ISSO Publikatie 50 [11] of de Nieman gezondheidskaart [13]. Deze eerste geldt alleen voor ramen waaronder zich geen verwarmingslichaam bevindt en bepaalt de kans op tocht voor verschillende afstanden tot het raam. De bepalingsmethode volgens [13] bepaald de kans op tocht voor zowel ramen met als zonder verwarmingslichaam. Voor het beoordelen van het verwarmingssysteem, ventilatiesysteem en voorzieningen volgens [13] is informatie nodig welke in de toekomst uit ibuild gehaald kan worden. Conclusie Op het gebied van lokaal thermisch comfort kan een totale tochtscore bepaald worden met behulp van de individuele tochtscores voor het glasoppervlak, ventilatie-, verwarmings- en bouwsysteem volgens [13]. De totaalscore kan in de toekomst, wanneer er meer informatie beschikbaar is vanuit ibuild, eventueel uitgebreid worden met de individuele tochtscores voor de ventilatievoorziening, hoogte van de ventilatievoorziening en de kaderdichting bepaald volgens [13] Luchtkwaliteit Factoren die van belang zijn voor de binnenluchtkwaliteit zijn de ventilatie- en infiltratiecapaciteit, type ventilatiesysteem en emissies van bouwmaterialen. In dit hoofdstuk wordt naar aanleiding van de mogelijke bepalingsmethoden beschreven in hoofdstuk van de bijlage, de voorkeur bepalingsmethode voor de luchtkwaliteit gegeven. Voorkeur bepalingsmethoden luchtkwaliteit De ventilatiecapaciteit kan bepaald worden aan de hand van de aangebrachte ventilatievoorzieningen wanneer hiervoor voldoende gegevens in het ontwerp aanwezig zijn. Dit is het geval als de architect de ventilatievoorzieningen al in het ontwerp moet heeft aangebracht. Als de consument nog de keuze krijgt uit het type ventilatiesysteem (natuurlijk, mechanisch), zal de architect per systeem een ontwerp van de ventilatievoorzieningen moeten maken. De infiltratiecapaciteit kan bepaald worden aan de hand van het verliesoppervlak, daktype, bouwtype en bouwkwaliteit volgens de eerst beschreven methode in Luchtdicht bouwen; Deel A: Ontwerpaanbevelingen van de SBR [6]. Een indicatie van de infiltratiecapaciteit is voldoende. Vooral de ventilatiecapaciteit is van belang, wat er via infiltratie geventileerd wordt, is ten opzichte van de ventilatievoorziening (erg) klein in nieuwbouwwoningen. Wanneer de infiltratiecapaciteit erg laag is, moet erop gelet worden dat de ventilatiecapaciteit voldoende (of beter) is dan de minimumeis die gesteld wordt door de bouwregelgeving, om voor voldoende verse lucht te kunnen zorgen. Een simulatie om de luchtstroming en de vervuilingconcentratie van bepaalde stoffen te bepalen is te uitgebreid. Dit gaat voor advies aan de consument te ver. Er kan eventueel middels een vragenlijst aan de toekomstige bewoners, meer bekend worden over het interieur en daarmee de kans op het vrijkomen van bepaalde 'giftige' stoffen geschat worden. Er kan eventueel ook gekeken worden naar de plaats van de toekomstige woning in Nederland om te bepalen of er een 16

17 (grote) kans op Radon is afkomstig uit de grond (alhoewel de hoeveelheid Radon afkomstig van de grond in Nederland laag is vergeleken met andere landen). Conclusie Er wordt aanbevolen om de ventilatie- en infiltratiecapaciteit te bepalen. De eerst genoemde aan de hand van de aangebrachte ventilatievoorzieningen en de infiltratiecapaciteit aan de hand van het verliesoppervlak, daktype, bouwtype en bouwkwaliteit De te implementeren (reken)methodes Op grond van de conclusies van voorgaande hoofdstukken kom ik tot de volgende rekenmethoden om de analyse aspecten energie, thermisch comfort en luchtkwaliteit te beoordelen voor nieuwbouwwoningen: - Energie: Voor een indicatie van het energiegebruik wordt de EPC bepaald volgens NEN 5128 (2003) waarbij de rekenmethode wordt versimpeld met standaard waarden en/of aannames dat bepaalde installaties niet zullen voorkomen. - Thermisch comfort: Voor de kans op oververhitting wordt gekeken of het percentage glas in de gevel vermenigvuldigt met de zontoetredingsfactor van dat raam de grenswaarde overschrijd in ISSO-publicatie 16 [3]. Voor de kans op tocht wordt gekeken naar de totaalscore van de individuele tochtscores van het glasoppervlak, ventilatie-, verwarmings- en bouwsysteem. - Luchtkwaliteit: Voor een indicatie van de luchtkwaliteit wordt de ventilatie- en infiltratiecapaciteit bepaald. 17

18 5. Conceptueel ontwerp en implementatie prototype In dit hoofdstuk zal eerst het conceptuele software ontwerp van de koppeling beschreven worden, waarna de beschrijving volgt van de daadwerkelijk ontwikkelde software, oftewel de implementatie Conceptueel ontwerp In deze paragraaf worden enkele koppelingsmethoden beschreven, waarna de meest geschikte methode wordt uitgekozen. Vervolgens wordt er dieper ingegaan op de onderdelen van deze koppelingsmethode en hoe deze gerealiseerd moeten worden Koppelingsmethoden De in hoofdstuk 3 beschreven software structuur van ibuild en de IWCS biedt drie koppelingsmethoden welke weergegeven worden in figuur 8. Met rood is aangegeven welke onderdelen nog niet bestaan. De drie methoden worden in onderstaande tekst verder toegelicht. ibuild IWCS Methode 1 Express schema SPFF Express-X Express schema SPFF Methode 2 XSD XML XSL XSD XML Methode 3 RDF/OWL RDF/OWL mapping Figuur 8: Koppelingsmethoden ibuild en de IWCS Methode 1: Via Express schema's De ibuild en de IWCS software bezitten beide een Express schema. Het Express schema geeft aan hoe de data opgeslagen dient te worden en de data zelf wordt opgeslagen volgens het Step Physical File Format (SPFF). Omdat de IWCS het Express schema niet gebruikt, wordt de data niet als SPFF opgeslagen. De koppeling tussen ibuild en de IWCS kan gemaakt worden via een mapping tussen de Express schema's en SPFF files. Deze mapping wordt gemaakt met de programmeertaal Express-X [31]. Methode 2: Via XML De tweede methode bestaat uit een koppeling via XML 6 files omdat de IWCS software XML projectfiles inleest. Een XSD schema beschrijft hoe de data opgeslagen dient te worden en XML is het formaat van de file met die data. Er zal bij deze methode voor de IWCS een XSD schema gemaakt moeten worden. Daarnaast moet het Express schema van ibuild (= IFC) omgezet worden in een XSD schema. Er is code beschikbaar om een XSD schema te genereren uit een IFC Express schema. De XML files van ibuild en de IWCS worden met XSL 7 gemapt. XSL is minder volledig als de Express-X taal van methode 1. 6 extensible Markup Language, 7 extensible Stylesheet Language, 18

19 Methode 3: Via RDF/OWL De derde methode bestaat uit een koppeling via RDF 8 /OWL 9. Hierbij is het schema welke beschrijft hoe de data opgeslagen dient te worden en de dataopslag zelf in één file gecombineerd. Hierdoor is RDF/OWL dynamisch en makkelijk uitbreidbaar waardoor eventueel ontbrekende informatie in IFC gemakkelijk toegevoegd kan worden. De mappingstechniek tussen RDF/OWL files is ver gevorderd, waardoor de mapping makkelijker te maken is. Het ibuild en IWCS schema moeten bij deze methode beide omgezet moeten worden naar een RDF/OWL formaat. Dit proces neemt veel tijd in beslag. Conclusie Er wordt gekozen voor koppelingsmethode 1, de koppeling via de Express schema's. Methode 3 is erg tijdrovend omdat zowel het IFC als IWCS schema omgezet moeten worden naar een RDF/OWL formaat. De mappingstechniek tussen XML files bij methode 2 biedt minder mogelijkheden dan de mappingstechniek van methode 1 (Express-X). Methode 1 heeft als bijkomend voordeel dat de koppeling tevens toegepast kan worden op 3D-ontwerpen gemaakt in een IFC ondersteunde CAD applicatie. Dit biedt mogelijkheden voor architecten die hun 3D ontwerpen tussentijds willen toetsen om na te gaan hoe goed de woning scoort op het gebied van energie, thermisch comfort en luchtkwaliteit. Figuur 9 geeft koppelingsmethode 1 gedetailleerder weer. De eerste stap, welke niet tot dit afstudeeronderzoek behoort, bestaat uit het opslaan van het woningontwerp in ibuild volgens de IFC standaard. Vervolgens wordt in stap A de data van het woningontwerp van het IFC Express model naar het IWCS Express model gemapt. Stap B bestaat uit een koppeling tussen de IWCS berekeningen en het IWCS Express model. Hiermee wordt de data benodigd voor de berekeningen opgehaald uit het IWCS Express model. De laatste stap bestaat uit de IWCS berekeningen. Via dezelfde weg kunnen resultaten naar het IWCS Express model en eventueel naar ibuild toe terug gemapt worden. C A B IFC Express model IWCS Express model Figuur 9: Drie stappen van koppelingsmethode 1 Het ontwerp van de koppeling volgens methode 1 wordt in hoofdstuk t/m nader toegelicht. 8 Resource Description Framework, 9 Web Ontology Language, 19

20 IWCS Express schema In een Express schema komen entiteiten, attributen en types voor. Een entiteit geeft een definitie van een object welke eigenschappen en regels bezit. Elke entiteit bezit een unieke naam in het model en via een sub-super relatie kunnen eigenschappen overgeërfd worden. De attributen beschrijven de eigenschappen van entiteiten en zijn gedefinieerd met een naam en een type. Een type geeft aan hoe een eigenschap beschreven wordt. Bijvoorbeeld middels een geheel getal (integer), verzameling letters (string) of selectie uit een lijst (enumeration). Figuur 10 laat een voorbeeld zien uit een Express schema van de entiteit IwcsLayeredBuildingPart. Deze entiteit bevat de attributen: warmteweerstand van de constructie, bestaat uit materiaal lagen en dikte van de constructie. De entiteit IwcsLayeredBuildingPart heeft een subrelatie met de entiteit IwcsWall welke de eerder beschreven attributen overerft. Attributen Entiteit Figuur 10: Onderdeel uit een Express schema 20