Het ontwikkelen van een perfect energiezuinig gebouw is relatief eenvoudig te doen - als je de bewoners van het gebouw geen controle geeft over hun omgeving. Aangezien niemand zo'n gebouw wil, Professor Christoph Reinhart heeft zijn carrière gericht op het vinden van manieren om gebouwen energiezuiniger te maken, rekening houdend met de behoeften van de gebruiker.

"Op dit punt bij het ontwerpen van gebouwen, de grootste onzekerheid komt van gebruikersgedrag, " zegt Reinhart, die aan het hoofd staat van het Sustainable Design Lab in het MIT's Department of Architecture. "Als je eenmaal de warmtestroom begrijpt, het is een zeer exacte wetenschap om te zien hoeveel warmte je moet toevoegen aan of afnemen van een ruimte."

Opgeleid in natuurkunde, Reinhart maakte de overstap naar architectuur omdat hij de wetenschappelijke concepten die hij had geleerd wilde toepassen om gebouwen comfortabeler en energiezuiniger te maken. Vandaag, hij staat internationaal bekend om zijn werk op het gebied van wat architecten 'daglicht' noemen - het gebruik van natuurlijk licht om het interieur van gebouwen te verlichten - en de analyse van de milieuprestaties van gebouwen op stedelijk niveau. De ontwerptools die uit zijn lab voortkwamen, worden gebruikt door architecten en stedenbouwkundigen in meer dan 90 landen.

Het werk van het Sustainable Design Lab heeft ook twee spin-offbedrijven opgeleverd:Mapdwell, die geïndividualiseerde kosten-batenanalyses levert voor het plaatsen van zonnepanelen; en Solema, die hulpmiddelen voor omgevingsanalyse biedt, zoals DIVA-for-Rhino, een sterk geoptimaliseerde softwarecomponent voor daglichttoetreding en energiemodellering. Reinhart is mede-oprichter en strategisch ontwikkelingsadviseur bij Mapdwell, en hij is CEO van Solemma.

Door alles, natuurkunde is een centrale onderbouwing gebleven. "Alles wat ons lab ontwikkelt, is eerst gebaseerd op natuurkunde, " zegt Reinhart, die een master in natuurkunde behaalde aan de Albert Ludwigs Universität in Freiburg, Duitsland, en Simon Fraser University in Vancouver, Canada.

Informerend ontwerp

Een levenslange milieuactivist, Reinhart zegt dat hij werd geïnspireerd om architectuur te studeren, deels door het werk van het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, die begin jaren negentig een volledig zelfvoorzienend zonnehuis in Freiburg bouwde.

Terwijl hij zijn masterproef afrondde, Reinhart zegt, hij las ook een artikel dat suggereerde dat kenmerken zoals kleur belangrijker kunnen zijn dan prestaties voor architecten die een zonnestelsel kiezen - een idee dat hem ertoe bracht manieren te vinden om architecten in staat te stellen tegelijkertijd rekening te houden met esthetiek en de milieuprestaties van hun ontwerpen . Hij begon deze inspanning door daglichttoetreding te onderzoeken aan de Technische Universiteit van Karlsruhe, Duitsland.

Licht is ongelooflijk belangrijk vanuit een ontwerpstandpunt - architecten spreken van "schilderen met licht" - maar er zijn ook aanzienlijke technische uitdagingen bij verlichting, zoals het omgaan met hitte en schittering, zegt Reinhart.

"Je hebt goede luchtmodellen nodig en je hebt goede renderingtools nodig om het licht te modelleren. Je hebt ook computerwetenschap nodig om het sneller te maken, maar dat is slechts de basis, "Reinhart zegt, opmerkend dat de volgende stap is om te overwegen hoe mensen natuurlijk licht waarnemen en gebruiken. "Deze echt genuanceerde manier van denken maakt daglicht zo leuk en interessant."

Bijvoorbeeld, ontwerpers maken gebouwen doorgaans met alle jaloezieën open. Als ze ontdekken dat mensen de jaloezieën 90 procent van de tijd dicht houden met een bepaald ontwerp, ze zullen het waarschijnlijk heroverwegen, Reinhart zegt, omdat "niemand dat wil".

De daglichtanalysesoftware die in 1998 door het team van Reinhart is ontwikkeld, levert precies dit soort informatie. Bekend als DAYSIM, het wordt nu over de hele wereld gebruikt om de jaarlijkse daglichtbeschikbaarheid in en rond gebouwen te modelleren.

Reinhart heeft ook leerboeken over daglicht gepubliceerd:"Daylighting Handbook I:Fundamentals and Designing with the Sun" werd in 2014 gepubliceerd, en een tweede deel, "Daylighting Handbook II:daglichtsimulaties en dynamische gevels, " is afgelopen oktober uitgebracht.

"Daglicht was echt mijn eerste weg naar architectuur, "Reinhart zegt, opmerkend dat hij het geweldig vindt dat het veld "rotsvaste wetenschap" zoals luchtmodellering combineert met meer subjectieve vragen met betrekking tot de gebruikerservaring, zoals:"Wanneer is zonlicht een verplichting?" en "Wanneer voegt het visueel belang toe?"

Lesgeven en adviseren

Na het behalen van zijn doctoraat in de architectuur aan de Technische Universiteit in 2001, Reinhart doceerde korte tijd aan de McGill University in Canada voordat hij werd benoemd tot universitair hoofddocent architectuur aan de Graduate School of Design van Harvard University. In 2009, het studentenforum daar noemde hem faculteitslid van het jaar.

In 2012, hij trad toe tot de faculteit aan het MIT, waar hij doorgaans zeven of acht afgestudeerde studenten begeleidt, waaronder ongeveer drie werken aan hun Ph.D.s. Vaak, hij heeft ook studenten die in zijn laboratorium werken via het Undergraduate Research Opportunities Program. Verschillende studenten met als hoofdvak informatica zijn bijzonder nuttig gebleken, hij zegt.

"Het is verbazingwekkend wat MIT-studenten kunnen implementeren, " hij zegt.

Reinhart is ook een instructeur, natuurlijk, met name lesgeven in 4.401/4.464 (milieutechnologieën in gebouwen), waarin de nadruk ligt op het beoordelen van de energie-efficiëntie van gebouwen.

"Er is niets leuker - vooral bij een instelling als MIT - dan deze concepten te leren, " hij zegt.

Het MIT Energy Initiative (MITEI) werkt er nu aan om dat onderwerp online beschikbaar te maken via MITx, en de klas zal naar verwachting deel uitmaken van een gepland afgestudeerd certificaat in energie, volgens Antje Danielson, MITEI's onderwijsdirecteur.

Modellering op stadsschaal

In de tussentijd, Reinhart heeft zijn eigen onderzoek opgeschaald naar het modelleren van energieverbruik op stadsniveau. in 2016, hij en zijn collega's onthulden een energiemodel voor Boston dat de gas- en elektriciteitsbehoefte van elk gebouw in de stad schat - en zijn team heeft sindsdien andere stedelijke gebieden beoordeeld.

Dit werk heeft voor hem onderstreept hoe belangrijk gebruikersgedrag is bij het berekenen van het energieverbruik.

"Voor een individueel gebouw kun je een idee krijgen van het gebruikersgedrag, maar als je een hele stad wilt modelleren, dat probleem ontploft op je, "Reinhart zegt, opmerkend dat zijn team statistische methoden zoals Bayesiaanse kalibratie gebruikt om waarschijnlijk gedrag te bepalen.

Eigenlijk, ze verzamelen gegevens over energieverbruik en trainen de computer om verschillende scenario's te herkennen, zoals het energieverbruik van verschillende aantallen mensen en apparaten.

"We gooien 800 gebruikersgedragingen naar een voorbeeld van gebouwen, en aangezien we weten hoeveel energie deze gebouwen werkelijk verbruiken, we behouden alleen die gedragspatronen die ons het juiste energieverbruik geven, "Reinhart zegt, uitleggen dat het herhalen van het proces een curve oplevert die het meest waarschijnlijke gebruik van de gebouwen aangeeft. "We weten niet precies waar mensen zijn, maar op stedelijk niveau, wij hebben het goed."

Bepalen hoe energie op deze brede schaal wordt gebruikt, levert cruciale informatie op om te voorzien in de behoeften van het energiesysteem als geheel, zegt Reinhart. Daarom werkt Reinhart momenteel samen met Exelon Corporation, een grote nationale energieleverancier, om het energieverbruik in Chicago te beoordelen. "We kunnen zeggen, laten we dit soort upgrades koesteren en vrijwel garanderen dat dit is hoe de energiebelasting in een buurt of voor bepaalde onderstations zal veranderen - wat precies is wat nutsbedrijven willen weten, " hij zegt.

De voedsel-energie-water-nexus

Onlangs, Reinhart is ook begonnen met het onderzoeken van manieren om de voedselproductie energiezuiniger en duurzamer te maken. Zijn lab ontwikkelt een softwarecomponent die voedselopbrengsten kan inschatten, bijbehorende verbruik van energie en water, en de koolstofemissies die het gevolg zijn van verschillende soorten stadsboerderijen.

Bijvoorbeeld, hydroponische containerteelt - een systeem om voedsel te verbouwen zonder aarde in zoiets als een zeecontainer - wordt nu gepromoot door bedrijven in sommige steden, inclusief Boston. Dit systeem gebruikt doorgaans meer elektriciteit dan conventionele landbouw, maar dat het energieverbruik meer dan gecompenseerd kan worden door de verminderde behoefte aan transport, zegt Reinhart. Nu al, Het team van Reinhart heeft aangetoond dat dak- en containerteelt op beschikbare grond in Lissabon, Portugal, theoretisch zou kunnen voldoen aan de totale groentevraag van de stad.

Dit werk verkent het verband tussen voedsel, energie, en water is gewoon het volgende niveau van complexiteit voor Reinhart in een carrière die is gericht op het verplaatsen van de naald op duurzaamheid. Gelukkig, hij is niet alleen in zijn werk; hij heeft een groot aantal jonge academici de wereld ingestuurd om aan soortgelijke problemen te werken.

Reinharts voormalige afgestudeerde studenten werken nu aan universiteiten, waaronder Cornell, Harvard, Syracuse, en de Universiteit van Toronto, en hij blijft met hen samenwerken aan projecten.

Het is alsof je een groeiend gezin hebt, zegt Reinhart, een vader van twee. "Studenten gaan nooit weg. Het is net als met kinderen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.