Energiebesparing in gebouwen gaat gewoonlijk vooral om het beperken van de uitstroom van warmte of koelte via de gevel. Promovendus Jason Vollen draait het om: zijn keramische gevelsysteem laat warmte binnen en slaat het op om te gebruiken wanneer het nodig is.
Zijn Thermisch Adaptieve Keramische Bouwschil bestaat niet alleen uit keramische gevelpanelen. Er hoort ook een groot aluminium frame bij van ongeveer 2,5 meter aan de binnenzijde van de gevel. Erin verscholen gaat een systeem met buizen en slangen waarin vloeistoffen worden rondgepompt. De keramische ‘radiator’ speelt de hoofdrol. Deze zorgt voor warmte-uitwisseling, op dezelfde manier als de radiator van een auto. Als de temperatuur buiten hoger is dan binnen, zorgt de straling van de zon voor opwarming van de vloeistof in het systeem. Warmte wordt vervolgens binnen afgegeven om het gebouw te verwarmen. Andersom kan ook, maar dan wordt het warme water vanaf de radiator naar buiten getransporteerd. “Het systeem heeft het tegenovergestelde werkingsprincipe van een passiefhuis”, vertelt Vollen. “De energie gaat door de gevel heen, maar we transformeren en vertragen de energie-afgifte tot het moment dat we ze nodig hebben.”
Vollen beproefde zijn idee eerst met computermodellen. Vervolgens bouwde hij drie prototypes om te demonstreren dat het werkt. Hij gebruikte een eenvoudige pomp en een warmtepomp uit een bierbrouwerij voor de circulatie van vloeistoffen. Om te voorkomen dat het gebouw te snel opwarmt op een zonnige dag bevat het systeem een opslagunit die gevuld kan worden met faseveranderend materiaal. Deze doos van zo'n 20 bij 40 centimeter verandert warmte in latente energie. Als de binnentemperatuur onder een bepaalde temperatuur zakt, geeft de unit zijn energie weer af. In het demonstratieproject was dat prima te voelen: de warmte stroomde vanuit de unit de kantoorkamer binnen. “Het resulteerde in het demonstratiemodel in ongeveer 14 procent minder warmteverbruik”, vertelt Vollen. “Gezien de verbeteringen die er mogelijk zijn denk ik dat we 30 procent kunnen halen.”
Het systeem zou nog beter kunnen functioneren door zowel een paneel voor opname als eentje voor afgifte van warmte op te nemen. De geometrie van de keramische elementen bleek ook efficiënter te kunnen. Het eerste prototype was opgebouwd met gegoten tegels, in het tweede model werd de klei in een vorm geperst. Het derde prototype had keramische panelen die vervaardigd waren door middel van extrusie. Vollen kreeg daar hulp bij van specialisten van Boston Valley Terra Cotta. “Extrusie maakt het mogelijk tegels te produceren die zich in serie laten verbinden”, legt Vollen uit. “Dan krijg je veel meer oppervlak voor het verzamelen van warmte.” Voordeel van extrusie is ook dat het grootschalige productie mogelijk maakt.
De energieopslag vergt ongeveer een meter ruimte, de bedieningsinstallatie – pompen, buizen, verdeelstukken, elektra – nog eens zo'n anderhalve meter. Het grootste deel van de gevel blijft daardoor vrij voor ramen en keramische warmtecollectoren.
Vollen beproefde zijn prototype met succes in het klimaat van New York City. De volgende stap zou een marktintroductie kunnen zijn. De prijs hoeft dat niet in de weg te staan, denkt hij, want de verschillende onderdelen zijn voordelig te krijgen. Als geprefabriceerd element kan de unit in één keer naar zijn plek in de gevel. Het systeem is minder efficiënt dan een zonnepaneel, maar heeft het voordeel dat het aan elke kant van een gebouw kan functioneren. Grootste uitdaging lijkt de integratie in de gevel, omdat dit samenwerking vergt van verschillende partijen – van architecten en gevelbouwers tot loodgieter, mechanische en elektrische leveranciers.
Kan het innovatieve gevelsysteem ook esthetisch een succes worden? Vollen: “Jazeker! Technisch functioneert het uitstekend, daarom is het volgens mij prachtig.”