Het Kendeda-gebouw voor innovatief duurzaam ontwerp aan het Georgia Institute of Technology wordt bekroond met een lichtgewicht dak van meer dan 900 fotovoltaïsche panelen. Het dak voorziet in alle elektriciteitsbehoeften van het gebouw en vangt regenwater op voor drinkwater en irrigatie. Het reikt veel verder dan het hoofdvolume van het gebouw om schaduw te werpen op de gevels en een buitenruimte te creëren die groot genoeg is voor klaslokalen en andere sociale activiteiten voor de universiteitscampus. De overkapping is zo effectief in het verminderen van de energielasten van het gebouw dat het ontwerpteam het gebouw 'schaduwgevoed' noemt.
Fotovoltaïsche energie wordt al bijna een halve eeuw toegepast op gebouwen om hernieuwbare energie op te wekken en de afhankelijkheid van het elektriciteitsnet te beperken. De prestaties en esthetiek van fotovoltaïsche cellen en panelen zijn in de loop van de decennia langzaam verbeterd tot producten die financieel interessanter en visueel aantrekkelijker zijn. De huidige wijdverspreide acceptatie van beoordelingssystemen die de impact van gebouwen op hun natuurlijke omgeving meten, heeft er in veel gevallen voor gezorgd dat de implementatie van fotovoltaïsche energie een voorwaarde is voor certificering. Met name institutionele gebouwen die worden gefinancierd door donaties of schenkingen hebben een voortrekkersrol gespeeld bij dergelijke certificeringen.
Zelfs nu de efficiëntie van fotovoltaïsche panelen is verbeterd, betekent het enorme oppervlak van de panelen die nodig zijn om ze effectief te maken, dat ze nog steeds typisch een bepalend architectonisch element zijn van de gebouwen die ze ondersteunen. Dit is zeker het geval voor het Kendeda-gebouw, gelegen op een universiteitscampus ten noorden van het centrum van Atlanta. Het in Seattle gevestigde Miller Hull Partnership ontwierp het 1700 vierkante meter grote dak van het gebouw in samenwerking met het plaatselijke bureau Lord Aeck Sargent. Het dak absorbeert de niet aflatende zonneschijn van Georgia en zet deze om in voldoende elektriciteit om ruim 100% van de energiebehoefte van het gebouw te dekken. Het dak fungeert ook als trechter voor regenwater dat in een reservoir van 50.000 gallon terechtkomt die onder andere wordt gebruikt voor de irrigatie van het groene landschap dat is ontworpen door Andropogon Associates.
Het 4.400 vierkante meter grote Kendeda-gebouw is gecertificeerd voor LEED Platinum en de bijzonder veeleisende Living Building Challenge. Het is het eerste gebouw in het zuidoosten van de Verenigde Staten, waar een warm en vochtig klimaat bijzondere uitdagingen vormt voor hernieuwbare energie en passief ontwerp. Het gebouwprogramma bestaat uit twee klaslokalen voor 64 personen, vier klaslaboratoria, een conferentieruimte, kantoren, een makerspace en een auditorium.
Een 'radicaal duurzaam' gebouw ontwerpen in Atlanta
De financiering voor het gebouw kwam deels van het in Atlanta gevestigde Kendeda Fund, een particuliere organisatie die groene projecten steunt die ten goede komen aan hun gemeenschap en gebruikers leren over duurzame consumptie. Om aan de aspiraties van het Kendeda Fund te voldoen, werd het gebouw voor Georgia Tech ontworpen in de geest van de strenge Living Building Challenge-eisen.
Living Building Challenge-gecertificeerde projecten moeten zowel sociaal betrokken als energieonafhankelijk zijn. De certificering vereist dat gebouwen regeneratief zijn en bewoners verbinden met landbouw, natuur en hun gemeenschap. Het vereist ook dat ze zelfvoorzienend zijn, binnen de grenzen van hun locatie blijven en dat ze een positieve impact hebben op de gebruikers die ermee omgaan.
Het Miller Hull Partnership heeft een portfolio van milieuvriendelijke openbare en institutionele gebouwen die aantrekkelijk was voor de donoren van het Kendeda Fonds. De projecten van de studio variëren van de veelbezochte Pike Place MarketFront in het centrum van Seattle tot het Health Sciences Education Building voor de Universiteit van Washington. Maar het werk vindt voornamelijk plaats in de koele regio van het noordwesten van de Stille Oceaan en het was vanaf het begin duidelijk dat het ontwerpteam in subtropisch Atlanta onder onbekende omstandigheden zou werken. "Seattle heeft zo'n goedaardig klimaat, het wordt er nooit erg warm en het wordt er nooit erg koud," zegt Matt Kikosicki, architectonisch ontwerper bij The Miller Hull Partnership. "In de uitlopers van de Appalachen krijgt Atlanta koude winters en ongelooflijk hete, vochtige zomers. We wisten dat het een uitdaging zou worden om een comfortabel gebouw te maken." Het bureau werkte samen met de Atlanta studio van Lord Aeck Sargent om beter te begrijpen wat het betekent om effectief te bouwen in een dergelijke hitte.
Een van de vereisten van de Living Building Challenge is positieve energieopwekking op lange termijn. Fotovoltaïsche energie werd meteen een integraal onderdeel van het ontwerpconcept. "Het was de beste hernieuwbare optie in de regio en op deze locatie," zegt Kikosicki. "Er zijn andere manieren om duurzame energie op te lossen, maar een van de meest voor de hand liggende manieren is de opwekking van zonne-energie. Tegelijkertijd zou het fotovoltaïsche oppervlak dat we nodig hadden zo groot zijn, dat het als het ware het visitekaartje van het gebouw zou worden."
Om te profiteren van het grote aantal fotovoltaïsche panelen wilde zijn studio ze op meer dan één manier gebruiken: "Als architecten proberen we, als we denken dat iets vastligt of waarschijnlijk zal gebeuren, te begrijpen hoe we het kunnen gebruiken om het belangrijk te maken voor het ontwerp van het project. We zijn altijd op zoek naar eenvoudige concepten of eenvoudige begrippen waar we een laag overheen kunnen leggen." Het ontwerpteam keek naar de manieren waarop mensen al eeuwen omgaan met het hete klimaat van Atlanta en kwam al snel uit bij het idee van de eenvoudige regionale architectonische voorziening van de veranda. "De zuidelijke veranda is een soort sociale ruimte, een derde plek noch binnen noch buiten het gebouw waar mensen elkaar ontmoeten en waar je de wereld aan je voorbij kunt zien gaan," zegt hij. Een overdekte buitenruimte die functioneert als een grootschalige veranda werd iets dat zowel de architecten als de klant aansprak.
De kap detailleren De architecten bestudeerden de positionering van het grote oppervlak aan fotovoltaïsche panelen als een luifel om schaduw te creëren en de zonnebelasting en de daaruit voortvloeiende vraag naar koelenergie te verminderen. "Het is als een gigantische paraplu die het gebouw en het terrein rond het gebouw koelt," zegt hij, verwijzend naar de luifel. "Het is ook een regenwateropvangsysteem en een herkenningspunt voor burgers." Kikosicki zegt graag dat het gebouw 'schaduwgevoed' is, omdat de overkapping het klimaat matigt en tegelijkertijd alle benodigde energie voor het gebouw levert.
De luifel detailleren
De luifel is ontworpen als een lichtgewicht armatuur op en rond het hoofdvolume van het gebouw. Het heeft een constructieframe van hoogwaardig gecoat buizenstaal en staat op slanke kolommen van twee verdiepingen hoog die zijn geschoord met trekstangen om het systeem een delicate, ingewikkelde esthetiek te geven zoals kantwerk. Het structurele raster van het gebouw is vastgesteld op 3 meter, wat losjes overeenkomt met een typische laboratoriumplanningsmodule, mocht de universiteit in de toekomst binnenruimtes willen verbouwen.
De kolommen ondersteunen twee lagen rechthoekige HSS-balken waarop acht banden met fotovoltaïsche panelen zijn bevestigd met verticale beugels. De fotovoltaïsche banden zijn parallel, georganiseerd in oost-west richting en hellend onder een hoek van vijf graden naar het zuiden om een balans te vinden tussen het optimaal opvangen van zonlicht en het vermogen om regenwater op te vangen en af te voeren. Het hele structurele systeem is wit geschilderd om licht en lichtgewicht te lijken.
Een van de uitdagingen voor de architecten was hoe ze de fotovoltaïsche panelen op de naden konden verbinden en een waterdicht oppervlak konden maken dat het water efficiënt kon afvoeren. Waterdichte tape is een typische toepassing voor een dergelijk systeem, maar het werkte niet met alle paneeltypes hier. In plaats daarvan is gekozen voor een backer rod die in de paneelnaden wordt geplaatst en wordt afgedekt met een stabiel afdichtmiddel. Aan de onderkant van elke fotovoltaïsche band vangt een roestvrijstalen goot het regenwater op dat van de panelen afstroomt en leidt het naar afvoeren in het hoofddak van het gebouw. Het water stroomt vervolgens naar een reservoir van 50.000 liter onder de openbare zone van de begane grond. Het opvanggebied van het dak vangt genoeg regenwater op om 100 procent van het drinkwater, het wassen, het douchen, het laboratoriumgebruik en de composttoiletten van het gebouw te voorzien. Naar schatting verzamelt het gebouw 460.000 liter water per jaar, ongeveer 41% van de jaarlijkse regenval op het terrein. Het ontwerpteam bekeek 30 jaar aan weergegevens om de regenput van voldoende water te voorzien om historische droogtes te overbruggen.
Om de kosten in de hand te houden, zou het fotovoltaïsche product pas bekend zijn aan het einde van het project; dus terwijl de afmetingen van het algemene systeem vaststonden, moest het ontwerp van de fotovoltaïsche banden flexibel genoeg zijn om elk mogelijk type cel aan te kunnen. Het uiteindelijke product werd vlakbij in Georgia gemaakt. Het is blootgesteld aan de onderkant en de afmetingen passen goed bij het rooster van het gebouw. Het zonnepaneel is ontworpen om ongeveer 455.000 kWh elektriciteit per jaar op te wekken om te voldoen aan de vraag van het gebouw voor verlichting, verwarming en koeling, watersystemen en stopcontacten. Er wordt geschat dat het gebouw op jaarbasis 225 procent van de energiebehoefte levert; de elektriciteit die meer wordt opgewekt dan het gebouw gebruikt, gaat naar aangrenzende gebouwen voor gebruik. Wanneer het dak niet voldoende elektriciteit produceert, worden de belastingen van het gebouw gevoed door elektriciteit van het elektriciteitsnet.
De luifel bevindt zich op 12 meter boven het maaiveld en steekt even ver uit als de westgevel van het gebouw. De luifel is ontworpen om voldoende schaduw te bieden aan de gevel en deze een groot deel van het jaar te beschermen tegen de sterke westerse zon. Het creëert ook een royale schaduwrijke buitenruimte die veel weg heeft van een veranda. "De ruimte onder de luifel en rond het gebouw voelt aan als de juiste schaal voor de campus," zegt Kikosicki, waar een gelaagde voetgangerszone is voorzien van houten banken die worden gebruikt voor buitenlessen en gezelligheid. De fotovoltaïsche panelen zijn lichtdoorlatend en verspreiden wat zonlicht; dit en de openingen in de luifel zorgen voor de transmissie van voldoende noordelijk licht en uitzicht op de hemel.
In het gebouw wordt de industriële esthetiek van het dak voortgezet. Een houten structuur van gelijmde kolommen en liggers is versterkt met trekstaven om overspanningen tot 12 meter in een centraal atrium en auditorium te ondersteunen. Het dek van het tweede niveau is gemaakt van gelamineerd spijkerhout dat afwisselend uit 2 x 4- en 2 x 6-elementen bestaat. Volgens Kikosicki zijn deze dekken ontworpen om de hoeveelheid gebruikt materiaal te verminderen en om een textuur te produceren die visueel interessant is en akoestische prestaties levert.
Netto nul bereiken: hergebruikte materialen en verminderde belasting
Om ervoor te zorgen dat een gebouw mogelijk een netto koolstofemissie van nul bereikt, is de eerste stap in het ontwerpproces het verlagen van de totale energievraag door bijvoorbeeld manieren te vinden om de belasting door elektrische verlichting te verlagen en een efficiënte schil te specificeren. Als de belasting eenmaal is verlaagd, moet de resterende energievraag worden opgevangen door technologieën als zonnecellen en andere aanvullende systemen. Het gebouw moet ook jaarlijks netto positief blijven functioneren.
Volgens Kikosicki was het ruwe oppervlak aan fotovoltaïsche panelen dat nodig was om de energiebehoefte van het Kendeda-gebouw te compenseren over het algemeen in overeenstemming met de grootte van het terrein. Gemotoriseerde jaloezieën aan de buitenkant helpen bovendien om de zonnewarmte op de buitenkant van het gebouw te verminderen. Binnenin het gebouw zorgen bedienbare dakramen voor daglicht en natuurlijke ventilatie, een effectieve passieve ontwerptechniek om de behoefte aan elektrisch aangedreven kunstlicht en airconditioning te verminderen. In totaal 63 plafondventilatoren door het hele gebouw circuleren lucht en worden aangestuurd door bewegingssensoren voor automatische uitschakeling.
Door 99 procent van het bouwafval te elimineren en materialen te gebruiken die uit andere gebouwen van de campus zijn gehaald, zoals leistenen dakpannen die als badkamertegels zijn gebruikt, heeft het project meer afval gered dan er is ontstaan. Het materiaal kwam ook van bronnen buiten de campus: "Televisieopnames zijn tegenwoordig populair in Atlanta en er zijn veel toneeldecors gebouwd van 2x4 die vervolgens worden weggegooid," zegt Kikosicki. Dit anderszins afgedankte hout van filmsets werd verwerkt in de vloeren van het gebouw.
Andere ontwerpelementen hielpen het gebouw om de Living Building Challenge-normen te halen. Een daktuin van 460 vierkante meter biedt onderdak aan een bijenstal, een bestuivingstuin, een bosbessenboomgaard en een laboratorium, waarmee wordt voldaan aan een landbouwvereiste en tegelijkertijd een unieke academische onderzoeksruimte wordt gecreëerd.
