Universitair Ziekenhuis Gent, CO2 - neutraal in 2050

In 2017 startte UZ Gent de besluitvorming voor een volledige vernieuwing van zijn campus. Van bij de start werden ambitieuze doelstellingen vooropgesteld.

Een essentiële beslissing was om het ziekenhuis op de huidige site te houden, en daar een totale reconversie te ondernemen. Deze beslissing behelst een kernpunt van milieubewuste besluitvorming: door herinrichting van de huidige site behoudt het ziekenhuis alle voordelen van de stedelijke verbindingen die de afgelopen 50 à 60 jaar tot stand zijn gekomen, en blijven de investeringen qua materialen in de huidige gebouwen behouden.

We moeten steeds meer rekening houden met dit soort besluitvorming: dat open ruimte en de hoeveelheid bouwmaterialen even belangrijk - misschien zelfs belangrijker - zijn dan bewust energiegebruik.

Het ontwikkelde masterplan gaat uit van vier belangrijke ontwerpprincipes: een gezonde, groene campus; ontwerpen voor het welzijn van iedereen; een toegankelijke campus; en klaar voor de toekomst.

Een gezonde, groene campus

De huidige campus van het universitair ziekenhuis is typerend voor veel universitaire campusontwerpen in heel Europa: in de afgelopen decennia werden ze haast lukraak ontwikkeld, wat leidt tot fragmentering, verwarrende bewegwijzering en een gebrek aan duidelijke open ruimte. UZ Gent werd ontwikkeld als twee afzonderlijke ziekenhuizen in twee grote bouwfasen: een eerste keer rond Wereldoorlog II en daarna in de jaren 1970 en 1980. Beide sites werden vervolgens samengevoegd tot het huidige ziekenhuis.

Het voorgestelde masterplan wil deze ontwikkeling ombuigen. Alle medische functies worden geïntegreerd in een nieuw gecentraliseerd ziekenhuisgebouw. Deze herintegratie zal ruimte vrijmaken op de campus, voor een groene gordel rond het ziekenhuis en voor nieuwe spin-off ontwikkelingen.

Ontwerpen voor het welzijn van iedereen

Het nieuwe ziekenhuisgebouw moet bijdragen tot een veel betere helende omgeving en werkplek. Een van de belangrijkste uitdagingen van grootschalige ziekenhuisinfrastructuur is voldoende daglicht in combinatie met een compact gebouw. Tot de voornaamste ontwerpprincipes behoort dat elke patiëntenkamer directe toegang tot daglicht heeft. Deze ontwerpkeuze door het ziekenhuis is essentieel: het positieve effect van daglicht, mobilisatie en buitenlucht voor uiteenlopende types patiënten is al lang bewezen. Het tweede principe stelt dat ook werkruimtes in de medische "plint" van het gebouw maximaal toegang hebben tot daglicht. Een daktuin biedt een alternatief voor meer toegankelijke groene ruimte voor bezoekers, patiënten en personeel.

Er zijn aparte daktuinen, zelfs voor ICU-patiënten.

Een toegankelijke campus

Een toegankelijke campus is een ontwerpeis met veel lagen. Door te kiezen voor de herontwikkeling van de bestaande site behoudt UZ Gent de vele voordelen van een goede verbinding met de stad Gent en het openbaar vervoer. Een rechtstreekse tramlijn bedient de site, vlak voor de hoofdingang van het ziekenhuis.

De bestaande site brengt ook uitdagingen met zich mee. Zo is België een van de landen in West-Europa met de meeste verkeersopstoppingen. Vandaar dat het ziekenhuis, bij de uitvoering van het masterplan ook de noodzaak erkent om ambitieuzer te zijn in het beperken van autoverkeer voor personeel dat pendelt. Comfortabelere fietsfaciliteiten zal deze ambitie ondersteunen. Zo is een ondergrondse fietsenstalling voorzien met meer dan 2000 fietsen, tegenover slechts 1780 parkeerplaatsen voor auto's.

Klaar voor de toekomst

Klaar voor de toekomst' heeft gevolgen voor verschillende aspecten. Zo moeten we, bij het bouwen van nieuwe infrastructuur, naast de impact van het directe energieverbruik, ook rekening houden met de ingebedde milieu-impact door de productie van nieuwe bouwmaterialen. Hieronder behandelen we beide onderwerpen in meer detail.

Een CO2 neutrale universitaire ziekenhuiscampus: nul operationele koolstofuitstoot

Wat het energieverbruik betreft, streeft het masterplan naar netto operationele koolstofemissies. Dat betekent dat alle energie voor verwarming, koeling, verlichting, ventilatie en interne elektriciteit wordt opgewekt zonder enige netto-koolstofuitstoot te produceren.

Geen geringe prestatie, als je rekening houdt met het totale energieverbruik van een ziekenhuis van deze omvang (ongeveer 930 bedden) - dat het energieverbruik van een kleine stad benadert. Naast de technische uitdagingen moet ook de toenemende onzekerheid op de energiemarkt in rekening worden gebracht. De belangrijkste uitdaging zal zijn hoe het ziekenhuis de koolstofemissies van zijn verwarmingsvraag zal aanpakken.

De methode die we gebruiken om na te gaan hoe netto nul operationele koolstofemissies bereikt kunnen worden, heet "quintas energetica". Deze methodologie is gebaseerd op het oude idee van "trias energetica", maar verder ontwikkeld met twee aanvullende principes.

Als we alle te nemen ontwerpkeuzes in aanmerking nemen, kan de weg naar het te bereiken doel als volgt worden samengevat:

• Ontwerp op basis van gebruiksvereisten: het zal niemand verrassen dat de omgevingsomstandigheden die een ziekenhuis vereist, niet veel ruimte laten voor compromissen, met hoge ventilatiesnelheden omwille van hygiëne-vereisten, koellasten voor medische en data-apparatuur, enz.
• Verminder de energievraag: waar mogelijk kunnen en zullen maatregelen worden genomen om de energievraag te verminderen, maar naast alle gekende maatregelen is er momenteel niet veel ruimte meer om de totale energievraag fundamenteel te verbeteren.
• Energie-uitwisseling en -opslag: dit onderwerp biedt veel ruimte voor verbetering via de benadering van geïntegreerd ontwerpen.
• Hernieuwbare energiebronnen: met de huidige technologie is elektrificatie momenteel de veiligste weg naar een CO2-neutrale samenleving. Dit zal echter aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengen en de hele samenleving zal een bijdrage moeten leveren. Het afvlakken van pieken en energieopslag zullen een sleutelrol spelen in de totale elektrificatie; overschakelen op elektrische verwarming en koeling op zich volstaat niet als we willen vertrouwen op hernieuwbare elektriciteitsbronnen. Hernieuwbare energie betekent dat we op een meer geïntegreerde manier moeten denken over energiestromen.

Een van de belangrijkere kwesties die kunnen worden aangepakt door de fundamentele keuzes van de temperatuurregimes voor verwarming en koeling in het ziekenhuis is die van het "verspilde" energiegebruik. Wanneer de warmtevraag en de koelvraag van een typisch ziekenhuis elkaar overlappen, zien we dat beide elkaar minstens 30% van de tijd overlappen. Dit betekent dat de koelinstallatie letterlijk energie als warme lucht de atmosfeer in blaast.

Als we daarenboven rekening houden met de totale verwarmings- en koelingsstroom op seizoenbasis, gaat ook een aanzienlijke hoeveelheid energie verloren. In een ideale wereld zou de totale som van de verwarmings- en koelingsstroom een horizontale lijn moeten zijn - het verschil tussen de totale verwarmingsvraag en de koelingsvraag. Dit zou betekenen dat het volledige verschil tussen de twee stromen ofwel rechtstreeks wordt uitgewisseld ofwel wordt overgebracht via seizoensopslag.

Het ziekenhuis streeft ernaar de hoeveelheid verspilde energie te elimineren door een slimme integratie van de reeds aanwezige infrastructuur. Zo zal een dubbelwerkende warmtepompinstallatie worden geïnstalleerd om het verschil in energiestroom tussen de verwarming en de koeling uit te wisselen.

Voor de seizoensopslag zullen het sproei- en regenwaterreservoir worden gebruikt als een groot "koellichaam", waarin twee warmtewisselaars het verschil tussen verwarming en koeling op seizoenbasis (d.w.z. > 24 uur) zullen opslaan.

De totale warmtevraag voor de nieuwe gebouweninfrastructuur wordt geraamd op 7800Mwh/jaar en de totale koelvraag op 4600Mwh/jaar.

De warmtepomp voor directe warmte-uitwisseling zal een totale warmtestroom van 2389Mwh/jaar en een totale koelstroom van 1991Mwh/jaar kunnen uitwisselen.

Je zou kunnen stellen dat een BEO-veld de meest efficiënte ontwerpkeuze voor seizoensopslag zou zijn. Deze ontwerpoptie werd verworpen vanwege ongunstige bodemomstandigheden, een onvoldoende grote vrije ruimte op het terrein en budgettaire overwegingen. Door de toepassing van directe warmte-uitwisseling wordt de hoeveelheid energie die op seizoenbasis moet worden opgeslagen al aanzienlijk verminderd. De optie om het sprinkler- en regenwaterreservoir te gebruiken als een tweerichtingswarmteput voor koeling en verwarming is technisch eenvoudig uit te voeren: de infrastructuur is reeds aanwezig, wat het een zeer budgetvriendelijke optie maakt. Er zijn evenwel enkele beperkingen:

• ten eerste moet de variatie in watertemperatuur worden beperkt, om het risico van bevriezing enerzijds of het ontstaan van een te grote biofilm anderzijds te voorkomen; en
• ten tweede moet de in- en uitstroom van energie, via de in- en uitstroom van het regenwater, worden meegerekend in de totale energieopslagcapaciteit.

Deze twee factoren betekenen dat de hoeveelheid beschikbare opslagcapaciteit door het jaar heen zal variëren, naarmate het regenwater in en uit het reservoir stroomt.

Vandaar werd de totale energiestroom gemodelleerd samen met de temperatuurbeperkingen die aan het reservoir worden opgelegd.

In totaal schatten wij dat het systeem op jaarbasis ongeveer 328.000kWh warmte en 617.000kWh koeling aan het reservoir kan onttrekken.

Al bij al betekent dit dat naar schatting 2717mWh/jaar aan verwarming en 2608mWh/jaar aan koeling kan worden uitgewisseld voor een totale elektriciteitsstroom van 85mWh/jaar, nodig voor de warmtepomp, voor energieopslag en de ondersteuning in de verwarmings- en koelcircuits die nodig zijn voor de energieopslag.

Hoe de milieu-impact van het gebouw verminderen: analyse van de levenscyclus

Naast de operationele koolstofemissies moeten we ook rekening houden met de hoeveelheid "ingebedde" koolstofemissies en milieuschade tijdens het bouwproces. Daarom is een levenscyclusanalyse uitgevoerd voor de ontwerpkeuzes van de gebouwenstructuur. De meest fundamentele ontwerpkeuze betreft de hoofdstructuur van het gebouw, waarvoor verschillende scenario's tegen elkaar zijn afgewogen.

In essentie werd een betonconstructie vergeleken met verschillende opties voor stalen of staal-beton hybride constructies. De belangrijkste conclusie is dat, welke vergelijking men ook maakt, een betonconstructie slechts een tiende van de totale milieu-impact heeft van een staalconstructie. Dit heeft voornamelijk te maken met het inherent hoge energieverbruik dat nodig is om ijzererts om te zetten in staal.

Voor deze analyse is gebruik gemaakt van SimaPro versie 9.0 voor levenscyclusanalyse (LCA), ontwikkeld door PRé Consultants. Voor de levenscyclusinventarisatie van alle processen en materialen is de Zwitserse database Ecoinvent versie 3.4 gebruikt.

Hypothesen

Om de milieuprestaties van de betonnen draagconstructie te vergelijken met die van de stalen constructie, zijn van die laatste vier modelleringshypothesen opgesteld in de SimaPro-software. Deze vier hypothesen onderzoeken de staalconstructie, bestaande uit:

• vnieuw staal (100 procent);
• gecombineerd nieuw en gerecycleerd staal in een verhouding van respectievelijk 60 en 40%;
• gecombineerd nieuw en gerecycleerd staal in een verhouding van respectievelijk 30 en 70%; en
• volledig gerecycleerd staal (100%).

Momenteel wordt bij de analyse van de twee constructies alleen de productiefase (A1) in aanmerking genomen. In dit geval hebben we 1m² van de prefab betonplaat (30 cm dik) gemodelleerd en vergeleken met 1m² verdiepingsvloer van geprefabriceerd staal (HEA 340-profiel) met een dekvloer (8 cm dik met gegolfde aluminiumplaat).

Betonnen structuur

De prefab betonplaat wordt verondersteld in België te worden geproduceerd. Om 1m² van een 30cm dikke plaat te produceren, hebben we berekend dat we 0,30m³ beton met een dichtheid van 2300kg/m³ (CEMII/B) nodig hebben, en 3% wapening uit gerecycleerd staal (met een dichtheid van 7800 kg/m³).

Staalstructuur

In alle hypotheses voor de staalconstructie zijn we uitgegaan van het HEA 340-profiel voor de draagstructuur van het ziekenhuis. Om de voorgeschreven brandwerendheid te bereiken, volgens het Koninklijk Besluit van 6 november 1979 betreffende de bescherming tegen brand in ziekenhuizen, wordt het staal beschermd met behulp van calciumsilicaatplaten.

Nieuw staal

Bij de eerste gemodelleerde staalconstructie is uitgegaan van 100 procent nieuw staal, d.w.z. laag gelegeerd staal. In Ecoinvent 3.4 produceert dit proces primair staal en wordt schroot alleen gebruikt voor het koelen van het vloeibare staal. Ingecalculeerde activiteiten zijn: transporten van ruwijzer en andere inputmaterialen naar de convertor, het staalproductieproces en het gieten.

Gecombineerd nieuw en gerecycleerd staal in een verhouding van 60% - 40%

Voor deze structuur zijn we uitgegaan van 60% laaggelegeerd nieuw staal en 40% gerecycleerd materiaal. Voor dat laatste zijn metaalverwerkingsprocessen ingecalculeerd om een halffabrikaat tot een eindproduct te maken. Dat omvat gemiddelde waarden voor de verwerking door machines, de fabrieksinfrastructuur en de exploitatie. Voorts is een extra staalinput in rekening gebracht, voor verlies tijdens de verwerking. Ontvetting is niet inbegrepen en moet zo nodig worden toegevoegd.

Gecombineerd nieuw en gerecycleerd staal in een verhouding van 30% - 70%

Voor deze constructie zijn we uitgegaan van 30% laaggelegeerd nieuw staal en 70% gerecycleerd staal. Dit laatste omvat dezelfde fabricageprocessen als beschreven in het vorige punt.

Volledig gerecycleerd staal

Deze uiterst optimistische veronderstelling van een draagstructuur van gerecycleerd staal moet worden beschouwd als het beste scenario, als de markt een dergelijk percentage recycleerbaar materiaal toelaat. Het proces bestaat uit metaalbewerkingsprocessen om van een halffabrikaat een eindproduct te maken, gebaseerd op gemiddelde waarden voor de verwerking door machines, alsmede de fabrieksinfrastructuur en -werking. Net als in de bovenstaande subsecties "Gecombineerd nieuw en gerecycleerd staal in een verhouding van 60-40%" en "Gecombineerd nieuw en gerecycleerd staal in een verhouding van 30-70%" wordt een extra staalinput in aanmerking genomen voor het verlies tijdens de verwerking. Ontvetting is niet inbegrepen en moet indien nodig worden toegevoegd.

We hebben de structuren vergeleken met de MMG LCIA-methode 2017. Deze methode is samengesteld door de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO), België, in opdracht van de Vlaamse Afvalstoffenmaatschappij (OVAM), Service public de Wallonie (SPW), en Leefmilieu Brussel (IBGE-BIM). Het is de methode die wordt gebruikt in de Belgische nationale LCA-tool, genaamd TOTEM (Tool to Optimise the Total Environmental impact of Materials). Naast de scores per impactcategorie gebruikt deze methode een geaggregeerde single score indicator, uitgedrukt in monetaire waarde (Euro). De geaggregeerde score geeft de externe milieukosten aan of, met andere woorden, de omvang van de schade aan het milieu en/of de mens. Nog anders uitgedrukt, de kosten om de schade van de milieu-impact te vermijden, te verminderen of te compenseren tot een niveau dat als duurzaam wordt beschouwd (Allacker et al. 2013). De externe kosten worden berekend door de milieueffecten te vermenigvuldigen met hun specifieke monetaire waarde; een optelsom resulteert in de totale milieukosten (single score) (Allacker et al. 2013).

1. Allacker, K, Debacker, W, Delem, L, et al. (2013). Environmental profile of building elements (MMG report). Towards an integrated environmental assessment of the use of materials in buildings. OVAM, Mechelen.

Dit brengt ons tot de conclusie dat het veel beter is om te kiezen voor een zeer flexibele betonconstructie die levenslang meegaat dan voor staalconstructies. Zelfs als staalconstructies theoretisch kunnen worden hergebruikt door ontmanteling en 100 procent hergebruik van de structuurelementen, zouden we ze minstens tien keer moeten hergebruiken.

Als men ervan uitgaat dat een bouwwerk een nuttige levensduur van 50 jaar heeft, zou het dus meer dan 500 jaar duren vooraleer de staalconstructie qua milieu-impact beter presteert dan de betonconstructie.

Over de auteurs

Simon Ossieur is project director at VK architects+engineers. Milena Bruyninckx is project engineer bij architects+engineers.

Petra Demoor is projectleider bij UZ Ghent, België.

Bron: SALUS - Article - University Hospital Ghent – CO2-neutral in 2050