Niet elke zonnestraal legt hetzelfde traject af. In de bouwfysica maken we een strikt onderscheid tussen de manier waarop energie een gevel of dakvlak raakt, omdat de impact op de warmtebalans wezenlijk verschilt.
Directe straling bereikt het oppervlak in een rechte lijn vanaf de zonneschijf. Het zorgt voor scherpe schaduwen en een hoge energetische belasting op het vlak dat loodrecht op de zon staat. Bij een onbewolkte hemel is dit de dominante component. Contrasten zijn hard. De energieconcentratie is maximaal.
Diffuse straling is verstrooid licht. De atmosfeer, wolken en stofdeeltjes breken de stralen, waardoor de energie vanuit de gehele hemelkoepel op het gebouw valt. In Nederland is dit een cruciale factor. Zelfs bij een volledig grijs wolkendek vindt er instraling plaats. Het is richtingsloos. Het creëert geen harde schaduwen, maar draagt wel significant bij aan de opwarming van de gebouwschil en de daglichttoetreding.
Energie komt niet alleen van boven. Reflectiestraling, vaak aangeduid als de albedo-bijdrage, is de zonne-energie die via de bodem of omliggende bebouwing op een verticaal vlak terechtkomt. Een lichtgekleurde bestrating of een waterpartij voor de gevel kan de totale instraling op een raampartij onverwacht verhogen.
De optelsom van directe en diffuse straling noemen we de globale straling. Dit is de waarde die weerstations doorgaans rapporteren op een horizontaal vlak. Voor de installateur van zonnepanelen of de ontwerper van zonwering is dit echter pas het startpunt. Zij moeten deze horizontale waarden vertalen naar de specifieke hellingshoek en oriëntatie van het bouwwerk. Hierbij verschuift de verhouding tussen de typen straling constant; een verticale noordgevel ontvangt bijvoorbeeld vrijwel uitsluitend diffuse straling en reflectie, terwijl een dakvlak op het zuiden de volle laag directe straling incasseert.
Een kantoorpand met grote raampartijen op het zuiden ervaart in de wintermaanden de voordelen van passieve zonne-energie. De lage zonnestand zorgt voor een diepe indringing van directe straling. De vloer warmt op. Gratis winst op de energierekening. In de zomer voorkomt een architect oververhitting door een bouwkundig overstek; de hoge zon staat dan loodrecht boven het dak en de directe instraling bereikt het glasoppervlak simpelweg niet.
Op een bewolkte dinsdag in november wekken de PV-panelen op een Amsterdams dak nog steeds elektriciteit op. Geen schaduw te zien. Hoe kan dat? Diffuse instraling. De wolken fungeren als een enorme diffuser die het zonlicht alle kanten op stuurt. Hoewel de intensiteit veel lager is dan bij een onbewolkte hemel, vangen de cellen vanuit de gehele hemelkoepel energie op.
In een dichtbebouwde binnenstad kan de albedo-factor van omliggende gebouwen de warmtebalans van een woning beïnvloeden. Een wit gepleisterde gevel aan de overkant van een smalle straat reflecteert zonne-energie richting een schaduwrijke noordgevel. Deze indirecte instraling kan in de zomer leiden tot een onverwachte koelbehoefte in ruimtes waar je dat op basis van de oriëntatie niet direct zou verwachten. Het oppervlak van de buurman fungeert als een secundaire energiebron.
Bij het ontwerp van een atrium speelt de invalshoek een cruciale rol. Glasvlakken in de kap die onder een flauwe hoek staan, kaatsen een groot deel van de straling af wanneer de zon laag staat. Zodra de zon het hoogste punt bereikt, staat de straling loodrecht op het glas. De energiedichtheid is dan maximaal. Zonwering moet hierop reageren om de interne warmtelast beheersbaar te houden.
De NTA 8800 regeert de rekenmethodiek voor de energieprestatie van gebouwen. Het is onvermijdelijk. Geen enkele BENG-berekening komt tot stand zonder de exacte invoer van lokale klimaatgegevens en zonne-instraling. De wetgever stelt via het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL) strikte eisen aan de maximale energiebehoefte (BENG 1), waarbij passieve zonnewinsten een cruciale variabele vormen. Er is een spanningsveld. Enerzijds helpt de zon om aan de hernieuwbare energie-eisen van BENG 3 te voldoen, anderzijds dwingt de wet tot het beheersen van de koellast.
Sinds de invoering van de BENG-eisen is de TOjuli-indicator een harde randvoorwaarde geworden in het bouwproces. Deze grenswaarde beperkt het risico op oververhitting. De berekening kijkt direct naar de zonne-instraling op de gevels gedurende de zomermaanden. Als de zonnelast te hoog is en de architectonische zonwering of glasprestaties tekortschieten, voldoet het gebouw simpelweg niet aan de wettelijke eisen van het BBL. Het is een numerieke afrekening met glazen paleizen zonder zonwering.
Voor de specifieke karakteristieken van transparante bouwdelen gelden Europese productnormen. NEN-EN 410 dicteert de bepaling van de g-waarde; de mate waarin zonnestraling daadwerkelijk door het glas dringt. Dit getal is de basis voor elke thermische simulatie. Tegelijkertijd moet een gebouw voldoen aan minimale daglichteisen. De NEN-EN 17037 biedt hiervoor het kader. Het is een technisch evenwichtsspel. Men moet voldoende licht binnenlaten voor het welzijn van de gebruiker, maar tegelijkertijd de energetische impact van de bijbehorende zonne-instraling neutraliseren om aan de milieuprestatie-eisen te voldoen.
Zonne-instraling als sturend element in de bouw is geen nieuw concept, maar de benadering is drastisch geprofessionaliseerd. Romeinse architecten zoals Vitruvius hanteerden al regels voor de oriëntatie van badhuizen en wintervertrekken om de warmte van de laagstaande zon te benutten. Dit was eeuwenlang de standaard. Men keek naar de horizon. Men voelde de warmte. Architectuur was een passief antwoord op de lokale klimatologische omstandigheden zonder dat daar complexe sommen aan te pas kwamen.
De echte omslag naar een wetenschappelijke benadering vond plaats in de 19e eeuw. Wetenschappers zoals Claude Pouillet begonnen met de ontwikkeling van instrumenten zoals de pyrheliometer om de zonneconstante te bepalen. De zon werd een getal. In de bouw bleef de impact van deze data echter beperkt tot de opkomst van de moderne glazen architectuur in de vroege 20e eeuw. Architecten van het Nieuwe Bouwen omarmden licht en lucht, maar onderschatten vaak de thermische consequenties van hun transparante ontwerpen.
De oliecrisis van 1973 fungeerde als een harde reset voor de sector. Energie-efficiëntie werd een prioriteit. Passieve zonne-energie transformeerde van een esthetische keuze naar een technisch vakgebied. Men ging rekenen aan thermische massa en zonwering. In Nederland leidde dit proces uiteindelijk tot de opeenvolgende isolatienormen en de huidige complexe rekenmethodieken zoals de NTA 8800. De focus is verschoven. Waar we vroeger enkel probeerden de winterkou buiten te houden, dwingt de toegenomen instraling en de verbeterde isolatie ons nu tot een strijd tegen zomerse oververhitting. De zon is niet langer slechts een bron van gratis licht, maar een kritische factor in de energiebalans van de moderne gebouwschil.