Als we het hebben over het energieverbruik van gebouwen in Nederland, leggen we vaak de nadruk op de energie die nodig is om onze gebouwen te verwarmen. Maar ook koeling heeft een potentieel grote impact, vooral met warmere zomers en steeds extremere weersomstandigheden. Hoe kunnen we de stad van morgen plannen en ontwerpen en daarbij anticiperen op het energieverbruik? PhD onderzoeker Daniela Maiullari ontwikkelde een analytisch kader om de toenemende vraag naar koeling in gebouwen beter te beoordelen en zo klimaatadaptieve steden te ontwerpen.

Stedelijk microklimaat en de koelvraag

Toen Maiullari met haar onderzoek begon, richtte ze zich aanvankelijk op de vraag hoe de stedelijke vorm de energievraag van gebouwen kan beïnvloeden. "Ik realiseerde me al snel dat de bestaande literatuur grotendeels een belangrijke component over het hoofd zag: het stadsklimaat. Ik begon te onderzoeken hoe klimaatprocessen de stedelijke energievraag op verschillende schalen beïnvloeden." Het microklimaat, oftewel het lokale klimaat op een specifieke locatie, wordt beïnvloed door de vorm van gebouwen en de vorm van het stedelijk weefsel. Als een gebied bijvoorbeeld meer of minder compact is, verandert het hitte-eilandeffect dienovereenkomstig. Stedelijke hitte-eilanden ontstaan in verstedelijkte gebieden waar asfalt en betonnen structuren warmte absorberen, waardoor de oppervlaktetemperatuur en de algemene omgevingstemperatuur hoger zijn dan in landelijke omgevingen. "Ik ben gaan onderzoeken hoe de relatie tussen microklimaat, stedelijke vorm en energievraag kan worden beoordeeld. Dit is niet alleen relevant in droge landen, maar ook in gematigde en koudere landen, waar het de komende decennia warmer zal worden. Het viel mij op dat in bestaande en voorgestelde beleidsmaatregelen in gematigde en koudere landen vaak sprake is van ‘koeling en verwarming’, maar dat in de praktijk vaak alleen de ‘verwarmingsvraag’ wordt aangepakt. Ondertussen zien we om ons heen dat de zomers al warmer worden. We ervaren meer hittegolven en mensen beginnen hun huizen uit te rusten met koelinstallaties." Hoewel de vraag naar koeling een bekende drijvende kracht is achter veranderingen in het energieverbruik van gebouwen, wordt deze specifieke energievreter in de meeste Noord-Europese landen nog niet aangepakt.

Klimaatgevoelig ontwerp

Maiullari heeft een fascinatie voor klimaatgevoelig of climate responsive design, wat hard nodig is met steeds hogere temperaturen. "Telkens als ik in de zomer terugkeer naar het zuiden van Italië, waar ik oorspronkelijk vandaan kom, ervaar ik temperaturen die we nog nooit hebben meegemaakt. Mijn huis heeft muren van 1 meter dik, wat vroeger voldoende was om de hitte van 32°C buiten te houden. Maar met temperaturen van 38-40°C in de afgelopen jaren volstaan de hittebeperkende maatregelen niet meer. Je merkt dat het klimaat verandert." Maiullari pleit daarom voor klimaatresponsieve maatregelen bij de aanpak van aspecten van procedure, beoordeling en beleid. "We moeten de toekomst van de energievraag in de stad gaan bespreken en regelen. Het volstaat niet om alleen energiebesparende maatregelen voor verwarming in te voeren. En met een klimaatresponsief ontwerp kunnen zowel aanpassings- als veerkrachtmaatregelen worden ingevoerd om steden op de toekomst voor te bereiden."

Steden als Rotterdam zijn in werkelijkheid niet homogeen maar juist heterogeen, zeer divers in vorm en gedaante; foto door Adam Klugkist.

De elementen die een stad maken

De behoefte aan discussies over koeling en nauwkeurige gegevens over het microklimaat zou ook in de Noord-Europese landen op de agenda moeten staan. Mede om die reden heeft Maiullari de stad Rotterdam als casestudy genomen. Ze zoomde specifiek in op de stedelijke morfologische aspecten van de stad en bestudeerde de vorm van de stad. "We weten dat de opwarming van de stad verstoringen kan veroorzaken in de infrastructurele systemen, maar ook het energieverbruik van gebouwen en het welzijn van mensen sterk kan beĂŻnvloeden. Met name voor ouderen en mensen met gezondheidsproblemen", legt Maiullari uit. "Instrumenten voor het analyseren en in kaart brengen van warmterisico's worden al gebruikt om deze uitdagingen aan te pakken, maar de bestaande methoden hebben een aantal beperkingen. Zo zijn de klimaatkaarten die hier uit voortkomen vaak van een lage resolutie, waarbij Ă©Ă©n specifieke temperatuurwaarde wordt toegekend aan een gebied van enkele vierkante kilometers. 

Als steden je onderwerp van studie zijn, moet je de stad leven.

Ook is de vorm van steden vaak vereenvoudigd (in zogenaamde homogene stedelijke morfologie). Steden als Rotterdam zijn in werkelijkheid niet homogeen maar juist heterogeen, zeer divers in vorm en gedaante." Bovendien worden steden steeds compacter, waardoor hun morfologie nog ingewikkelder wordt en het risico op Urban Heat Island-effect en oververhitting in steden toeneemt. "We hebben niet alleen analytische instrumenten nodig om meer complexe stedelijke structuren te begrijpen. We hebben ook instrumenten nodig om deze complexiteit te beschrijven als we de juiste maatregelen willen invoeren. Dit betekent dat we nieuwe instrumenten nodig hebben." Naast het feit dat steden morfologisch diverser worden, gebruikt de stedelijke morfologie zelf traditioneel kwalitatieve methoden voor beschrijvingen en analyses. Voor architecten is het al gebruikelijk om prestaties van gebouwen te koppelen aan het ontwerp van gebouwen, terwijl het voor stedenbouwkundigen een grotere uitdaging lijkt om milieuprestaties te koppelen aan stedelijke vormpatronen. Maiullari's promotieonderzoek laat zien hoe stedelijke morfologie kwantitatief kan worden benaderd en hoe de energieprestaties van verschillende stedelijke patronen kunnen worden berekend, rekening houdend met de indirecte effecten van het klimaat.

Ontwikkeling van nieuwe instrumenten voor stedelijke prestaties

Maiullari heeft daarvoor twee nieuwe instrumenten ontwikkeld. Ten eerste een morfologische methode om typen gebouwen en typen stedelijke contexten te identificeren en vervolgens hun klimaatprestaties te beoordelen; ten tweede een methode voor energiebeoordeling met behulp van lokale klimaatgegevens. "Op energiegebied is het gebruikelijk een gebouw te modelleren en de energieprestaties ervan te simuleren aan de hand van typische jaarlijkse weergegevens. Deze rekenmodellen gaan grotendeels voorbij aan stedelijke microklimaatverschijnselen. Bijgevolg wordt bij energie-evaluaties meestal geen rekening gehouden met het effect van stedelijke oververhitting bij de basis- en piekvraag om energie, wat de beslissingen over energiestrategieĂ«n voor toekomstige duurzame en CO2 arme wijken in gevaar kan brengen." 

De stedelijke opwarming een grote invloed heeft op de totale energievraag.

Maiullari's experimenten in samenwerking met de ETH ZĂŒrich laten zien welk ongelooflijk verschil dit maakt. "Via de nieuwe beoordelingsmethode simuleerden we de energievraag voor 25 gebouwen in verschillende morfologische contexten en vergeleken we de koelvraagresultaten voor twee scenario's: een basisscenario dat gebruik maakte van landelijke weergegevens en een microklimaatscenario dat gebruik maakte van onze lokale gegevens, beiden verzameld gedurende typische warme dagen. Gemiddeld betekende het gebruik van de lokale gegevens een toename van de gemiddelde koelvraag met 24-32%. Voor sommige gebouwen was dit 100%! Dit betekent dat stedelijke opwarming een grote invloed heeft op de totale energievraag." De nieuwe instrumenten kunnen worden gebruikt door energie-ingenieurs, klimatologen en stadsontwerpers om steden beter af te stemmen op de werkelijke energievraag. Uit de cijfers blijkt dat beleidsmakers prioriteit moeten gaan geven aan beleid op het gebied van koeling, zowel bij het ontwerpen van nieuwe stedelijke gebieden als bij het herontwerpen van bestaande gebieden.

Visualisatie van de gebouw-archetypes in vijf verschillende stedelijke contexten, onderdeel van de morfologische methode om de klimaatprestatie van de stad in kaart te brengen. Afbeelding door Daniela Maiullari, Marjolein van Esch en Arjan van Timmeren.

Een drievoudige uitdaging

Er is verandering nodig in de stedelijke omgeving. Werken aan de moderne stad betekent voldoen aan duurzaamheidsdoelstellingen en tegelijkertijd zorgen voor een goede dienstverlening aan de mensen in de stad. "De keuzes van vandaag moeten daarbij ook nog rekening houden met de toekomstige veranderingen waaraan we ons zullen moeten aanpassen." Maiullari werkt ook buiten het promotieonderzoek aan deze drievoudige uitdaging. Aan de Technische Universiteit Delft richt ze zich binnen het I-Tree 2.0 project op het verkoelende effect van vegetatie, om te begrijpen hoe verschillende groenconfiguraties en boomsoorten bijdragen aan het verkoelen van stedelijke omgevingen. Aan de Chalmers University in Göteborg kijkt ze naar het effect van klimaatveranderingsscenario's op de energievraag van gebouwen. "In Zweden simuleren we de gevolgen van klimaatopwarming op de middellange termijn voor zowel het hedendaagse Göteborg en voor de stad zoals deze is gepland in 2045. Tegelijkertijd voeren we in Delft klimaatmeetcampagnes uit tijdens warme periodes, om zo de stedelijke klimaatmechanismes in Nederlandse steden in verschillende klimaatzones beter te begrijpen. Beide dragen bij aan het begrijpen van hoe steden werken." Door de twee projecten kan Maiullari scherp in de gaten houden wat er in hedendaagse steden gebeurt. "Praat met ontwerpers, ontmoet beleidsmakers, ga naar openbare debatten. Als steden je onderwerp van studie zijn, moet je de stad leven."

Dit verhaal is gepubliceerd: april 2023
Headerbeeld: Daniela Maiullari bovenop de Euromast in Rotterdam (foto Adam Klugkist).