Adaptieve ‘Solar Gate’-zonwering haalt inspiratie uit de natuur om HVAC‑efficiëntie te verbeteren

De klimaatcrisis vormt een grote bedreiging voor zowel ons milieu als ons leven. Dit heeft de vermindering van koolstofdioxide (CO2)-emissies een dringende wereldwijde noodzaak gemaakt. 

De gebouwde omgeving is eigenlijk verantwoordelijk voor ongeveer 42% van de jaarlijkse wereldwijde CO2-emissies. Terwijl gebouwoperaties hier grotendeels voor verantwoordelijk zijn, spelen bouw- en infrastructuurmaterialen ook een grote rol.

Dit maakt het de drijvende kracht achter klimaatverandering, waarvan de negatieve effecten al zichtbaar zijn in frequente en schadelijkere weergebeurtenissen.

Daarom moeten we niet alleen adaptieve gevels bouwen die de behoefte aan actieve verwarming en koeling kunnen verminderen, waardoor het energieverbruik en de milieu-impact van gebouwen afnemen, maar ook meer veerkrachtige architectuur die de uitdagingen van klimaatverandering kan weerstaan.

Om zulke adaptieve gevels te bouwen, moeten architecten ontwerpstrategieën gebruiken die de unieke lokale omgevingskenmerken integreren. Dit betekent simpelweg het prioriteren van klimaatresponsieve architectuur.

Dit soort architectuur richt zich op het ontwerpen van energiezuinige gebouwen die passen bij het specifieke klimaat waarin ze worden gebouwd. Dit vereist het in overweging nemen van factoren zoals seizoensvariatie, natuurlijke schaduw, neerslagpatronen, luchtvochtigheid, enz.

In plaats van tegen het lokale klimaat in te werken, werken klimaatresponsieve gebouwen met de regionale omstandigheden om maximaal comfort voor de bewoner te bieden, terwijl ze zo min mogelijk energie verbruiken. 

Door deze benadering van passieve ontwerpstrategieën te hanteren, kunnen steden en dorpen worden gebouwd om hen te beschermen tegen de toenemende frequentie en gruwelijkheden van de ernstige weergebeurtenissen die het gevolg zijn van klimaatverandering.

Naast het verbeteren van de veerkracht van de gebouwen door ze beter voor te bereiden op zowel weer als natuurrampen, biedt klimaatresponsieve architectuur de voordelen van lagere operationele kosten door gebruik te maken van natuurlijke, passieve systemen.

Door daglicht en natuurlijke ventilatie te gebruiken in plaats van systemen die elektriciteit verbruiken, kunnen energiekosten aanzienlijk worden verlaagd. Uitgebreid gebruik van deze passieve systemen kan het energieverbruik met tot wel 90% verminderen. Deze passieve systemen, zoals natuurlijke luchtstroom, verbeteren zelfs de productiviteit van de bewoners.

Door de energie-efficiëntie te verbeteren, de CO2-uitstoot te verminderen en natuurlijke hulpbronnen te beschermen, draagt deze architectuur ook bij aan milieuduurzaamheid. 

Echter, klimaatresponsieve gebouwen brengen ook de uitdaging met zich mee van hoge initiële kosten vanwege het gebruik van duurzame materialen en het langdurige en complexe bouwproces. Daarnaast zijn er regelgevende obstakels. 

Natuurlijk nemen overheden initiatieven, en regelgeving rond HVAC-energie-efficiëntie en thermische isolatie is ver gevorderd, maar er is nog steeds een gebrek aan ondersteunende regels voor klimaatresponsieve ontwerpen. Het vergroten van de adoptie van deze architecturen vereist ook meer aandacht voor onderwijs en investeringen in gerelateerde expertise.

Ondanks de uitdagingen zien we een groeiende interesse in dergelijke gebouwen. Enkele kernonderdelen van zo’n adaptief ontwerp zijn het benutten van natuurlijke bronnen voor luchtstroom en ventilatie, een passief zonnig ontwerp dat rekening houdt met de positie van de zon, van nature duurzame materialen zoals hout en bamboe, en groene elementen op daken en muren.

Bio-geïnspireerde weerresponsieve adaptieve zonwering

Binnen klimaatresponsieve architectuur zijn adaptieve zonweringsystemen een uitstekende manier om het binnenklimaat efficiënter te reguleren door dynamisch hun vorm, oriëntatie of thermische eigenschappen aan te passen aan externe weersomstandigheden.

Het probleem bij deze kinetische zonweringsystemen is echter hun afhankelijkheid van operationele energie om elektromechanische apparaten aan te sturen die meerdere bewegende delen bewegen. Deze complexe assemblages zijn kwetsbaar voor storingen, die vervolgens dure reparaties vereisen.

Hoewel er alternatieven bestaan in de vorm van passief getint anti-zon glas, filteren deze te veel natuurlijk licht. Dus, wat is de oplossing? Nou, die zit in de natuur.

Een nieuwe studie¹ van onderzoekers aan de universiteiten van Freiburg en Stuttgart keek naar de natuur en ontdekte dat er al oplossingen voor aanpassing bestaan. Ze zijn geïnspireerd op biologische materialen en reageren passief op externe stimuli. 

De oplossing die de onderzoekers als model namen, waren dennenappels, die reageren op de omgeving en hun vorm veranderen ondanks dat ze volledig dode materiaalsystemen zijn. De dennenappel opent en sluit zich als reactie op veranderingen in temperatuur en luchtvochtigheid zonder metabolische energie te verbruiken. 

Met dennenappels als model ontwikkelden onderzoekers een nieuw, energie-autonoom gevelsysteem dat passief aan het weer aanpast. Het systeem, genaamd “Solar Gate”, is geïnstalleerd op de livMatS Biomimetic Shell van de Universiteit van Freiburg. livMatS, of ‘Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems’ (livMatS), is een onderzoeksgebouw.

In plaats van te vertrouwen op “uitgebreide technische apparaten”, zoals de meeste pogingen tot responsiviteit in architecturale gevels doen, onderzoekt dit onderzoek “hoe we de responsiviteit van het materiaal zelf kunnen benutten via geavanceerd computationeel ontwerp en additive manufacturing”, zei professor Achim Menges, hoofd van het Institute for Computational Design and Construction (ICD) aan de Universiteit van Stuttgart.

Volgens Menges, die ook woordvoerder is van het Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC), heeft hun aanpak hen in staat gesteld een zonweringssysteem te realiseren dat autonoom opent en sluit als reactie op weersveranderingen. 

Dit effect wordt bereikt zonder gebruik te maken van mechatronische elementen of operationele energie. Hier is “de biomateriaalstructuur zelf de machine”.

Dit weerresponsieve, adaptieve zonweringssysteem is het eerste dat werkt zonder elektrische energie. Naast bio-geïnspireerd ontwerp gebruikten de onderzoekers natuurlijke materialen en breed toegankelijke technologieën voor de “Solar Gate”.

De hier gebruikte technologie was 3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, waarmee complexe vormen en structuren kunnen worden vervaardigd. In dit proces worden driedimensionale objecten gemaakt vanuit een digitaal bestand door opeenvolgende lagen materiaal te deponeren. 3D-printen maakt snelle prototyping, maatwerk, kostenbesparing en hoge nauwkeurigheid mogelijk, naast ontwerpvrijheid.

Het team gebruikte standaard 3D-printers om de richtingsafhankelijke structuur van cellulose in plantweefsels te repliceren.

Cellulose is de meest voorkomende biomassa op aarde. Het is bovendien een natuurlijk, goedkoop, biologisch afbreekbaar en hernieuwbaar materiaal dat vooral inherente hygromorfe eigenschappen heeft, waardoor adaptieve zonwering duurzaam kan zijn.

Deze hygromorfe eigenschap, die het zwellen en krimpen bij veranderingen in luchtvochtigheid vertegenwoordigt, wordt vaak in de natuur waargenomen. Het openen en sluiten van de schubben van dennenappels is hier een voorbeeld van.

Door deze eigenschap te benutten, ontwierp het team op maat gemaakte biogebaseerde cellulosevezels en 4D-printte ze vervolgens tot een bi-laags structuur, geïnspireerd op de schubben van dennenappels.

De onderzoekers ontwikkelden ook een computationele fabricagetechniek om de extrusie van cellulose-materialen via de FFF 3D-printer te beheersen. 

De hier geproduceerde materiaalsystemen kunnen autonoom hun vorm veranderen als reactie op externe stimuli. De cellulose-materialen nemen vocht op en zetten uit bij hoge luchtvochtigheid, waardoor de elementen krullen en openen. Bij lage luchtvochtigheid geven deze materialen vocht af en krimpen, waardoor de geprinte elementen vlak worden en sluiten. 

“Geïnspireerd door de hygroscopische bewegingen van de schubben van dennenappels en de schutbladen van zilverspeld, heeft Solar Gate niet alleen de hoge functionaliteit en robuustheid van biologische modellen vertaald naar een bio-geïnspireerd zonweringssysteem, maar ook de esthetiek van plantbewegingen.”

– Professor Thomas Speck, livMatS-woordvoerder en hoofd van de Plant Biomechanics Group Freiburg aan de Universiteit van Freiburg

Het bio-geïnspireerde adaptieve zonweringssysteem is al in de praktijk getest op functionaliteit en duurzaamheid. Het team installeerde het op het zuidgerichte dakraam van de livMatS Biomimetic Shell, die bijdraagt aan de binnenklimaatregulatie van het gebouw.

Gedurende een periode van meer dan een jaar werd waargenomen dat in de winter de 4D-geprinte zonweringselementen opengaan en natuurlijke verwarming mogelijk maken door zonlicht binnen te laten, en in de zomer sluiten om de zonne‑straling te verminderen.

‘Solar Gate’ wordt uitsluitend aangedreven door weercycli en vereist geen elektrische energie, wat het een hulpbronnenefficiënt en energie‑autonoom alternatief maakt voor traditionele zonweringsystemen. Het bio‑geïnspireerde 4D-geprinte zonweringssysteem biedt bovendien voordelen zoals lage kosten, laag materiaalverbruik, lichtgewicht constructie en verhoogde operationele robuustheid.

Dit systeem heeft volgens de onderzoekers veel bredere implicaties dan alleen gebouwgevels. Ze schreven dat het ook invloed kan hebben op bredere gebieden van architectuur, engineering en constructie. 

In toekomstig onderzoek zullen de onderzoekers dieper ingaan op UV‑geïnduceerde degradatie en de langetermijneffecten daarvan, evenals de mechanische slijtage van Solar Gate, en de verbetering van de binnenklimaatregulatie kwantificeren.

Klik hier om te leren hoe multi‑material additive manufacturing de weg vrijmaakt voor in‑house prototyping.

Adaptieve dakpannen

In het verleden hebben we ook behandeld hoe wetenschappers aan de University of California, Santa Barbara, adaptieve dakpannen ontwikkelden. Deze tegels kunnen de energiekosten aanzienlijk verlagen. Hun geheim is een “radiatieve schakelaar” die tussen verwarmings‑ en koelingsmodi wisselt, reagerend op de buitentemperatuur. De tegels passen zich aan binnen 3 graden Celsius van de doelwaarde aan. En vergeleken met reguliere systemen zijn ze meer dan 2,5 keer efficiënter. Het resultaat is lagere rekeningen en minder afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.

De kern van deze innovatie is een klein apparaat van 4 inch bij 4 inch. Het past de hoeveelheid uitgestraalde warmte aan afhankelijk van het weer. Het doel is om de binnentemperatuur constant te houden — rond de 65°F (18°C) zonder constante stroomvoorziening. Deze technologie is echter nog niet op de markt, maar zodra die er is, kan hij energie besparen, kosten verlagen en gebouwen groener maken.

Bedrijven 

Laten we nu een paar beursgenoteerde bedrijven bekijken die zich bezighouden met adaptieve architectuur door hun focus op innovatieve oplossingen voor energie‑efficiëntie, gebouwduurzaamheid en materiaaleigenschappen.

1. Johnson Controls International

Johnson Controls biedt het grootste portfolio van HVAC‑apparatuur en -besturingen voor comfortabelere, gezondere en duurzamere gebouwomgevingen. De HVAC‑oplossingen van het bedrijf kunnen meetbaar schone lucht leveren en volledige klimaatbeheersing bieden. De voorspellende en diagnostische diensten detecteren bovendien structurele problemen voordat schade door seismische gebeurtenissen optreedt. Daarnaast biedt het geplande en preventieve onderhouds- en remote building management. 

Met de race naar decarbonisatie in volle gang, waarborgt Johnson Controls duurzaamheid via zijn efficiënte verwarmings‑ en koelsystemen die effectieve klimaatbeheersing bieden naast geoptimaliseerd energiegebruik. Het portfolio van HVAC‑apparatuur van het bedrijf is ontworpen om de energie‑efficiëntie te maximaliseren. 

Naast HVAC’s biedt het bedrijf ook een IoT‑platform, OpenBlue, dat intelligente en proactieve werking en optimalisatie mogelijk maakt. Het platform kan een miljoen datapunten per minuut verwerken en streeft ernaar gebouwen slimmer en efficiënter te maken.

Johnson Control maakt ook intensief gebruik van AI in zijn beveiligingsoplossingen voor ondernemingen, commerciële en residentiële omgevingen. Het bedrijf heeft zijn AI‑mogelijkheden verder uitgebreid in de OpenBlue Enterprise Manager, met als doel data‑inzichten naar een hoger niveau te tillen. Deze verbeteringen, gecombineerd met apparatuur‑upgrades en proactieve diensten, leveren klanten een reductie van tot 30 % in energiekosten, tot 20 % in onderhoudskosten en 10 % meer geoptimaliseerd ruimtegebruik op.

“Deze nieuwe AI‑gedreven functies verbeteren niet alleen operationele efficiëntie en duurzaamheid, maar stellen gebouw‑eigenaren en -beheerders ook in staat met ongekende niveaus van inzicht en controle. Wij zijn toegewijd aan het pionieren van innovaties die automatisering stimuleren en slimmere, responsievere omgevingen creëren voor onze klanten.”

– CTO Vijay Sankaran

Op het moment van schrijven worden JCI‑aandelen verhandeld tegen $82,10, een stijging van 4,02 % YTD, met een marktkapitalisatie van $54,19 mlrd. Johnson Controls heeft een EPS (TTM) van 2,09, terwijl de P/E‑ratio (TTM) 39,27 bedraagt. Het bedrijf betaalt een dividendrendement van 1,80 %.

Voor het laatst gerapporteerde kwartaal, d.w.z. Q3 2024, viel de omzet van Johnson Controls lager dan verwacht met $6,25 mlrd. De non‑GAAP winst van $1,28 per aandeel overtrof echter de consensusramingen van analisten met 2,6 %. CEO en voorzitter George Oliver verklaarde destijds dat ze “zeer tevreden” waren met het leveren van “dubbelcijferige organische omzetgroei en robuuste marges”.

Volgens Statista genereerde Johnson Controls in het fiscale jaar 2023 een wereldwijde nettowinst van bijna $26,8 mlrd, een stijging van bijna 6 % ten opzichte van het voorgaande jaar.

Onlangs heeft het bedrijf Webeasy, een in Nederland gevestigd aanbieder van gebouwautomatisering en -besturing, overgenomen, wat aansluit bij de missie van Johnson Controls om energie‑efficiënte en duurzame gebouwoplossingen te innoveren.

2. Owens Corning

Een leverancier van bouw- en constructiematerialen, Owens Corning (OC ) heeft vier bedrijfstakken: dakbedekking, deuren, composieten en isolatie. 

De isolatieoplossingen van het bedrijf zijn geschikt voor vrijwel elke bouwsituatie, inclusief buitenmuren, dakbedekkingssystemen en HVAC. De gebouwoplossingen bieden energie‑ en bouwcode‑naleving, hoog thermisch rendement, lucht‑/waterbestendigheid, vochtbeheersing en akoestische prestaties.

Gebruikers geven de isolatiediensten van het bedrijf de voorkeur vanwege hun energie‑efficiëntie, duurzaamheid, langdurige prestaties, eenvoudige installatie en minimaal onderhoud.

Op het moment van schrijven worden OC‑aandelen verhandeld tegen $187,57, een stijging van 10,13 % YTD, met een marktkapitalisatie van $16,09 mlrd. Owens Corning heeft een EPS (TTM) van 11,76, terwijl de P/E‑ratio (TTM) 15,96 bedraagt. Het bedrijf betaalt een dividendrendement van 1,47 %.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, rapporteerde het in het derde kwartaal van 2024 een nettowinst van $3 mlrd, een stijging van 23 % ten opzichte van het voorgaande jaar. Het recent overgenomen deuren‑segment droeg hier meer dan een half miljard dollar aan bij. Het geleverde verwaterde EPS bedroeg $3,65 en het aangepaste verwaterde EPS $4,38. De vrije kasstroom bedroeg in deze periode $558 mln.

Owens Corning keerde in totaal $252 mln terug aan aandeelhouders via dividenden en aandeleninkoop. Over de financiële sterkte zei Chief Financial Officer Todd Fister:

“We hebben de sterke winstkracht en kasgeneratiepotentie van de onderneming aangetoond. Ons team leverde groei in zowel omzet als winst als gevolg van best‑in‑class commerciële en operationele uitvoering.”

Wat de duurzaamheidsinspanningen van het bedrijf betreft, helpt het productportfolio van Owens Corning haar klanten energie te besparen en de uitstoot te verlagen. In het duurzaamheidsrapport van 2023 had Owens Corning 14 van haar producten gecertificeerd als vervaardigd met 100 % hernieuwbare elektriciteit, goed voor een kwart van de totale omzet van het bedrijf.

Het bedrijf meldde ook een reductie van 28 % in Scope 1‑ en 2‑emissies ten opzichte van een basislijn uit 2018, waardoor het dichter bij het doel van een 50 % reductie in broeikasgasemissies tegen 2030 komt. Ook heeft Owens Corning vooruitgang geboekt in haar streven om tegen het einde van dit decennium twee miljoen ton dakshingles per jaar in de VS te recyclen.

Het bouwmaterialenbedrijf heeft bovendien geïnvesteerd in een glasmatproductiefaciliteit van 52.000 m² om de industrie te voorzien van duurzame en sterkere bouwmaterialen.

Conclusie

De wereldwijde CO2‑emissies stijgen in een rap tempo, waardoor de temperatuur van de aarde stijgt en leidt tot extreem weer, meer bosbranden en verstoringen van de voedselvoorziening. Aangezien gebouwen een aanzienlijk deel van de wereldwijde CO2‑emissies uitmaken, is het van cruciaal belang dat we het energieverbruik voor verwarming, koeling en ventilatie verminderen. Tegelijkertijd moeten de constructies bestand zijn tegen klimaatrampen. 

Het antwoord op beide behoeften is klimaatresponsieve architectuur, die aandacht vereist voor en integratie van het lokale klimaat en de geografische kenmerken van de regio in het ontwerp. Gezien het grote vermogen van klimaatresponsieve architectuur om de wereldwijde CO2‑emissies in de sector te verminderen en afvalproductie te beperken, is er behoefte aan regelgevende steun en, uiteraard, voortdurende innovatie.

Studies zoals “Solar Gate” bieden veelbelovende oplossingen voor het probleem die de milieuproblemen kunnen aanpakken en voldoen aan de functionele behoeften van de gebouwde omgeving. Ze benadrukken bovendien het potentieel van toegankelijke technologieën zoals additive manufacturing en overvloedige, hernieuwbare materialen zoals cellulose bij het bijdragen aan duurzame architecturale oplossingen.

Door natuurlijke materialen en bio‑geïnspireerde ontwerpen te omarmen en digitale productietechnieken te gebruiken, kunnen we veilige, duurzame constructies en een veerkrachtige toekomst bouwen!

Klik hier om te leren hoe 3D‑printen kan helpen de hoge drempel voor huiseigendom in de VS te verlagen.

Studieverwijzing:

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Weerresponsieve adaptieve zonwering via biogebaseerde en bio‑geïnspireerde hygromorfe materialen. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}