April 2022

Gloednieuw lab TNO test materialen, constructies en klimaatsystemen

Bouwinnovatie Lab in indrukwekkend gebouw

Eind vorige jaar opende TNO in Delft zijn Bouwinnovatie Lab: maar liefst 2.700 m² onderzoeksruimte in een -fonkelnieuw pand met opvallende, doorschijnende gevelpanelen. Het laboratorium omvat een bonte verzameling installaties, waarmee TNO zijn opdrachtgevers de nodige kennis kan leveren van hun -klimaatsystemen, -materialen en constructies. Alles in dienst van een duurzamere, veiligere en comfortabelere bebouwde omgeving.

Hoe zorgen we ervoor dat warmtepompen en andere klimaatsystemen voor woningen en kantoorpanden altijd optimaal presteren, zelfs tijdens extreme weersomstandigheden? Het is slechts een van de vragen waarop de medewerkers van het Bouwinnovatie Lab dat TNO in gebruik heeft genomen, hopen een antwoord te kunnen gaan geven. Even voor de duidelijkheid, het laboratorium doet geen routinematig onderzoek. Daarvoor zijn commerciële laboratoria. TNO beoogt met het bouwlab vooral de ontwikkeling van bijvoorbeeld nieuwe bouwmaterialen te faciliteren. Welke mengsels zijn dan mogelijk en wat kun je met geopolymeren als klimaatvriendelijker alternatief voor een klassiek bindmiddel als cement? Of hoe sterk is het beton nog wanneer er naast koolstofvezels nog andere materialen worden toegevoegd? Het zijn zaken die allemaal onderzocht kunnen worden in het Bouwinnovatie Lab.

Heat Pump Application Centre

Het lab biedt onderdak aan geavanceerde onderzoeksfaciliteiten om innovaties te ontwikkelen en onderzoek te doen op het gebied van bouwmaterialen, klimaatsystemen en constructies. Voor de installatiesector zijn met name de onderzoeken op het gebied van installaties voor het binnenklimaat van belang. Daarvoor huisvest het lab onder meer het Heat Pump Application Centre; een unieke faciliteit met klimaatkamers – de eerste in zijn soort in Europa – waar warmtepompen en ventilatiesystemen met warmterugwinning onder nagebootste praktijkomstandigheden, via het zogenaamde 'hardware-in-the-loop-principe', worden getest. Daarbij kunnen ook isolatie, ventilatie en het gedrag van bewoners worden gesimuleerd.
Het gebouw waarin het lab is gevestigd, is zelf ook een innovatief en circulair visitekaartje. Niet alleen zijn delen van het oude lab hergebruikt, zoals een aantal van de klimaatkamers, ook zijn tal van maatregelen toegepast om het energiegebruik te verlagen, zoals een doorzichtige gevel, zonnepanelen op het dak en terugwininstallaties voor warmte. De metalen draagconstructie en aluminium gevelelementen zijn demontabel en herbruikbaar. Bovendien fungeert het gebouw zelf als een living lab. De klimaatinstallatie is namelijk zodanig ontworpen dat relatief eenvoudig warmtepompen en warmtebatterijen op de onderzoeksapparatuur kunnen worden aangesloten.

Veel daglicht gewenst

Het was een interessant verlanglijstje dat TNO bij ons neerlegde, vertelt Loe Daems, adviseur installatietechniek bij Nieman Raadgevende Ingenieurs. 'Of we ook het ontwerp van de installatietechniek van een bedrijfshal konden verzorgen, was aanvankelijk de vraag van TNO. Het bleek al gauw om wat meer te gaan. Bij het ontwerp van een gemiddelde bedrijfshal zullen lichtdoorlatende gevels niet zo gauw in beeld komen. Toch hebben we daarvoor gekozen, omdat het in het lab erg gewenst is als er met veel daglicht kan worden gewerkt. Bovendien levert dat meteen ook een besparing op van de gebouwgebonden energie.'
'De uitdaging was een juiste weg te vinden bij het inpassen van bijzondere laboratoriumtechnieken in een relatief eenvoudig industriegebouw. Zo'n gebouw hoeft qua energiegebruik niet aan specifieke eisen te voldoen; die eisen gelden alleen voor het kantoordeel van het gebouw. Maar je wilt natuurlijk wel voorkomen dat er onnodig energie verloren gaat en tegelijkertijd wil je de kosten beperkt zien te houden. Het was vooral een kwestie van twee keer nadenken over keuzes die je bij het ontwerp van een gewone bedrijfshal achteloos zou maken.'
Veel daglicht was gewenst, maar tegelijkertijd ook een goede thermische isolatie. Die combinatie van eisen leidde tot de keuze van isolerend polycarbonaat op grote delen van de buitengevel. Dankzij de luchtkamers in de doorzichtige polycarbonaat platen is een isolatiewaarde bereikt die weliswaar niet vergelijkbaar is met triple glas, maar wel zeer acceptabel voor een bedrijfshal.
Om een grote flexibiliteit in de laboratoriumfunctie van het gebouw te bewerkstelligen, heeft de architect in samenwerking met het ingenieursbureau in de geïsoleerde geveldelen voorzieningen opgenomen waarmee sparingen in de gevel kunnen worden gecreëerd. Wanneer een fabrikant bijvoorbeeld een in de gevel op te nemen ventilatie- of wtw-systeem wil laten testen, dan kan eenvoudig een deel van de gevel worden geopend om daarin de betreffende techniek te plaatsen.
Op het dak van de kantorenverdieping is een ruimte opgenomen waarin klimaatkamers kunnen worden aangesloten. Het is een oplossing die vergelijkbaar is met een terminal op luchthavens waarbij de klimaat-installatie van het vliegtuig plug & play kan worden gekoppeld vanuit het hoofdgebouw. De installatie die een fabrikant wil laten testen, wordt in zijn geheel in een skid het dak op gehesen en vervolgens gekoppeld aan de bestaande installatietechniek van het gebouw. Het bouwlab beschikt over een forse transformator (1.600 KvA). Voor het formaat van het gebouw is dat enorm. Die capaciteit is behalve voor het functioneren van de wko nodig voor de grote laboratoriuminstallaties die worden gebruikt bij onderzoek van bouwmaterialen en constructies. Daarnaast beschikt het laboratorium over een grote portaalkraan die ook het nodige vermogen nodig heeft.

'Samenwerking TNO en bedrijfsleven is cruciaal'

Het lab biedt volgens Paul de Krom, ceo van TNO, een antwoord op de complexe maatschappelijke uitdagingen, waarvoor geen eenvoudige oplossingen zijn. Door onderzoek, innovatie en het bedrijfsleven samen te brengen, kunnen oplossingen sneller de maatschappij bereiken. 'Want we hebben nog wel wat uitdagingen te gaan. Hoe bouwen we in Nederland een miljoen extra woningen terwijl er tegelijkertijd een noodzaak is om de CO₂-uitstoot drastisch te verlagen? Welke duurzame bouwmaterialen, zoals duurzaam beton, lenen zich daarvoor en voldoen aan levensduurverwachtingen? Om oplossingen voor deze en andere maatschappelijke uitdagingen te ontwikkelen is samenwerking cruciaal. Daarom werkt TNO samen met partners als de TU Delft, fieldlabs, start-ups en bedrijven op TU Delft Campus.

Koellast

'De lichtdoorlatende gevel mag dan een isolerende werking hebben, zomers kan de warmte in de 9 meter hoge hal zich gemakkelijk ophopen. Daarom moest in het ontwerp ook met een flinke koellast rekening worden gehouden,' zegt Daems. 'Het gebouw is op de langsgevels oost-west georiënteerd. Je wilt de temperatuur standaard zoveel mogelijk op 22 tot 25 °C kunnen houden. Daarnaast zijn er ruimten waarin de temperatuur in verband met de tests tussen zomer en winter maximaal 1 °C mag verschillen. Dat was tegelijk de uitdaging waarvoor we ons gesteld zagen: hoe we het kantoordeel zo konden neerzetten, dat we een zo gunstig mogelijk energiegebruik behalen, terwijl het kantoor ook een korte verbinding met de testfaciliteiten heeft.'
Warmte- en koude-opwekking van het lab wordt verzorgd door middel van wko en warmtepompen via 4-pijps warmte- en koudetransport. Voor verwarming van de kantoren en de testruimten zijn ventilatieconvectoren geïnstalleerd. De gangen en kleedruimten zijn voorzien van vloerverwarming. De hal wordt verwarmd met lucht via ventilatieconvectoren die tegen het plafond hangen. Het laboratorium heeft twee luchtbehandelingskasten met warmteterugwinning met watergevoede verwarmings- en koelbatterijen. De koel- en verwarmingsbatterij is aangesloten op de warmtepompen. Behalve door de polycarbonaat gevel is er ook veel zoninstraling – en dus zonnewarmte – door de grote dakramen. Delen van de geïsoleerde gevels gaan schuil achter het polycarbonaat en vormen daarmee feitelijk een (dubbele) vliesgevel. De lucht wordt hoog in het gebouw afgezogen. Op deze wijze wordt de natuurlijk zonnewarmte op een efficiënte wijze hergebruikt.

'Omdat de gevel daglichtdoorlatend en thermisch goed geïsoleerd moest zijn, werd gekozen voor isolerend polycarbonaat'

Verschillende ruimten

Het Bouwinnovatie Lab beschikt over verschillende ruimten met elk geëigende apparatuur en techniek om bouw- en installatieproducten te ontwikkelen en te testen. Zo ontwikkelt TNO onder meer nieuwe standaardmethodes om luchtkwaliteit in huis te bepalen. Om inzicht te krijgen in de impact van klimaat en omgeving op mens en constructies zijn verschillende soorten klimaatkamers aanwezig waaronder CO₂-kamers, bouwstoffenkasten en een QUV-faciliteit waar getest kan worden in hoeverre een product bestand is tegen zonlicht, warmte en vocht.
En dan is er natuurlijk het Heat Pump Application Center (HPAC) waar op basis van het 'hardware in the loop'-principe de interactie tussen warmtepomp en andere installatietechniek in het gebouw kan worden gesimuleerd. Thermodynamisch is het bijvoorbeeld gewenst dat een warmtepomp overdag draait als het temperatuurverschil het kleinst is en het rendement het hoogst. In het HPAC onderzoekt TNO wat de impact daarvan is op de overige installatietechniek. Er is ook een akoestisch lab, waarin de geluidsproductie van warmtepompen kan worden gemeten. Trots is de directie van het Bouwinnovatie Lab op de faciliteiten om dynamische proeven uit te voeren bij onderzoek naar aardbevingseffecten. Hiervoor zijn zogeheten schok- en shakeropstellingen beschikbaar. Hiermee kunnen de gevolgen van schokken en/of trillingen op specifieke mechanische onderdelen en constructies zichtbaar worden gemaakt.

Tekst: Mari van Lieshout
Fotografie: Ossip van Duivenbode