Naar energiezuinige wijken: vereenvoudiging van testen met ‘op-maat-gemaakte cluster aanpak’

Het Vlaams klimaatbeleidsplan legt als streefdoel voor de residentiële sector “een nulverbruik van fossiele brandstoffen” op tegen 2050. Dit wil zeggen dat in 2050 alle woningen in Vlaanderen verwarmd zullen moeten worden met behulp van koolstofarme en hernieuwbare technologieën, zoals bijvoorbeeld warmtenetwerken, zonneboilers of warmtepompen. Hoewel een aantal technieken al wijd verspreid zijn — denk maar aan zonnepanelen —, is er nog een lange weg te gaan om deze doelstelling effectief te bereiken. De vernieuwende technologieën die hieraan voldoen, zijn volop in ontwikkeling en moeten dus ook getest worden. Het testen van deze technologieën is echter een moeizaam proces dat veel rekentijd vergt. Een vereenvoudiging hiervan is dus zeker en vast welkom.

Testen van technologieën

Het verlagen van het energieverbruik van Vlaamse gezinnen staat al gedurende lange tijd op de agenda van de overheid. Hiervoor werden eerder al maatregelen, zoals het isoleren van woningen en het plaatsen van dubbel glas, ingevoerd. Op die manier kon de gewenste binnentemperatuur van het gebouw behouden blijven terwijl er minder energie verbruikt werd. Om het energieverbruik van woningen te voorspellen, zijn er programma’s ontwikkeld die de woningen, met al hun eigenschappen en het gedrag van de bewoners, simuleren. Met deze programma’s kan de reikwijdte van de toegepaste maatregelen uitgetest worden.

Naast de individuele maatregelen wordt er tegenwoordig volop gezocht naar geavanceerdere geïntegreerde technieken, zoals bijvoorbeeld warmtenetwerken. Deze geïntegreerde technieken zullen het verbruik van een groter aantal woningen samen optimaliseren. Warmtenetwerken maken hierbij bijvoorbeeld gebruik van de restwarmte in een wijk en herverdelen deze warmte om zo min mogelijk te verliezen. De toepassing van deze technieken kan een klein aantal huizen omvatten, maar ook volledige wijken met duizenden woningen. Om elk van deze woningen apart te simuleren, hebben zelfs moderne rekenkrachtige computers enorm veel tijd nodig. Een aangepaste methode, die het simuleren van de wijken vereenvoudigt, is daarom cruciaal in de vooruitgang van de onderzoeken omtrent de geïntegreerde technieken.

‘Op-maat-gemaakte cluster aanpak’

In de scriptie “Optimisation of district energy simulations by means of a tailor-made clustering approach” wordt een methode — genaamd de ‘op-maat-gemaakte cluster aanpak’ — ontwikkeld en getest. Deze methode groepeert de woningen van de wijk, die gesimuleerd zal worden. De groepjes of ‘clusters’ bevatten woningen die in min of meerdere mate een gelijkaardig verbruikspatroon vertonen. Op deze manier kan elke woning in een groep door één van de woningen in die groep gerepresenteerd worden. Dit moet de woning zijn die zich het meest in het ‘midden’ van de groep bevindt. Wat juist het ‘midden’ van elke groep is, is afhankelijk van hoe de groepen onderverdeeld werden.

Het bepalen van welke woning in welke groep thuis hoort, kan gebeuren op verschillende manieren. Er moeten criteria geselecteerd worden waarmee de onderverdeling zal gebeuren. Elke woning bezit een aantal eigenschappen die mee het energieverbruik bepalen. Enkele van deze eigenschappen zullen het meest geschikt zijn als criteria om de onderverdeling mee te maken. In de scriptie wordt uiteengezet hoe deze eigenschappen geselecteerd kunnen worden. Er wordt eerst een methode beschreven om de volgorde van belang van de gedefinieerde eigenschappen te bepalen. Vervolgens wordt er getest hoeveel van deze eigenschappen het best toegepast worden.

Daarnaast bestaan er ook verschillende ‘cluster’-technieken om de woningen onder te verdelen. De scriptie beschrijft de twee meest gebruikte technieken en stelt vast welke de beste is voor deze toepassing.

Ten slotte moeten de resultaten van de simulatie van die ene geselecteerde woning per ‘cluster’ ook toegekend worden aan elke andere woning in die ‘cluster’. De scriptie test hiervoor een aantal manieren. De resultaten kunnen exact gekopieerd worden of kunnen lichtelijk aangepast worden per woning aan de hand van eigenschappen zoals de grootte of het volume van elk gebouw.

Referentiescenario

De ontwikkelde methode wordt getest aan de hand van een typisch Vlaamse wijk: de Boxbergheide in Genk. Deze wijk omvat een duizendtal woningen met een variërende grootte. Er zijn zowel vrijstaande woningen als halfopen en gesloten woningen. Een meer atypisch kenmerk van de wijk houdt in dat deze wijk na de Tweede Wereldoorlog ontwikkeld is en dus veel gebouwen van die periode bevat.

De resultaten die bekomen zijn met de ‘op-maat-gemaakte cluster aanpak’ worden vergeleken met resultaten van een scenario waarbij elke woning individueel gesimuleerd werd. Bij gebrek aan gedetailleerdere informatie over het verbruik van de wijk wordt dit scenario als ‘werkelijk verbruik’ aangenomen.

Resultaten

Naarmate de gebouwen in meer groepen verdeeld worden, zijn de resultaten steeds nauwkeuriger. Daar tegenover staat de groeiende rekentijd. Er moet dus een compromis gevonden worden tussen de nauwkeurigheid en de rekentijd in functie van het onderzoek waarvoor de simulatie van de wijk gebeurt. Voor een eerste inschatting van de prestatie van de wijk zal een onderverdeling in een klein aantal groepen wellicht volstaan. Voor finale berekeningen op basis waarvan de toepassing van bijvoorbeeld een warmtenetwerk bepaald zal worden, zijn gedetailleerdere resultaten vereist. De wijk zal dus in een groter aantal groepen verdeeld moeten worden.

De ontwikkelde methode lijkt veelbelovende resultaten te genereren. De fout, die gemaakt wordt met de ‘op-maat-gemaakte cluster aanpak’ ten opzichte van de referentiesituatie, is opvallend kleiner dan bij een willekeurige groepering van de gebouwen. Dit toont aan dat de methode wel degelijk een zinvolle benadering is. Bovendien lijkt de methode ook nauwkeurigere resultaten te generen dan andere methodes die eerder al toegepast werden en waarvan de fouten vermeld zijn in de literatuur.

De ontwikkelde methode moet nog verder verfijnd worden om toepasbaar te zijn op eender welke wijk. Het departement Burgerlijke Bouwkunde, afdeling Bouwfysica, van de KU Leuven voert hier verder onderzoek naar. Als de methode helemaal op punt staat, kunnen simulaties om geïntegreerde technieken te testen op een veel kortere tijd gerealiseerd worden. Dit zal de ontwikkeling van deze technieken ten goede komen en de toepassing ervan stimuleren, wat een stap in de richting van het streefdoel van het Vlaams klimaatbeleidsplan betekent: een stap richting energiezuinige wijken.