Additional Refurbishment to a standard thermal retrofit of an educational building

Abstract

Da die Nachrüstung der thermischen Hülle zum De-facto-Standard für die Renovierung eines Gebäudes geworden ist, wurde die Qualität weiter vorangetrieben. Ein besonderes Augenmerk wird zurzeit auf das Konzept der holistischen Sanierung gelegt, d. h. auf die Integration neuer Komponenten, die a priori nicht relevant waren. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den historischen Gestaltungsregeln sowie den aktuellen Standards und Empfehlungen für Schulen. Er zeigt auf, wie sich Kriterien entwickelt haben, um neue Quantiäten zu berücksichtigen und die Qualität von Bildungsgebäuden zu verbessern.Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf der komplementären Nachrüstung, die zusätzlich zur Standardnachrüstung der thermischen Hülle gemacht werden kann, und verwendet als Fallstudie eine 1968 in Oberösterreich erbaute Schule. Nach der Bewertung einiger Aspekte der Gebäudeleistung wurden Sanierungsmaßnahmen mit Schwerpunkt auf thermischem Komfort, Luftqualität und visuellen sowie akustischen Eigenschaften berücksichtigt. Im aktuellen Schulgebäude wurden Beleuchtungs- und Akustikmessungen durchgeführt, um vorhandene Daten von Hygrometrie- und CO2- Konzentrationssensoren zu vervollständigen und es wurden Energiesimulationen für verschiedene Lüftungsszenarien durchgeführt (einschließlich der Umsetzung der Empfehlungen des HLK-Sektors und der offiziellen österreichischen Anweisungen zur Senkung der Luftübertragung von Krankheiten wie COVID-19). In Python wurde ein konfigurierbares Befehlszeilen-Tool entwickelt, um die parametrische Analyse mit der EnergyPlus-Software zu automatisieren und viele Arten von Ergebnisdiagrammen für alle untersuchten Größen darzustellen. Der Quellcode ist frei und Open Source.Im dritten Abschnitt werden Mess- und Simulationsergebnisse analysiert und miteinander verglichen. Vor- und Nachteile von mechanisch belüfteten Klassenzimmern werden diskutiert, einschließlich des heiklen Themas der relativen Luftfeuchtigkeit. Die Notwendigkeit der Überwachung der CO2-Konzentration in ausschließlich natürlich belüfteten Klassenzimmern, wird hervorgehoben. Ideen und Ergebnisse aus früheren Arbeiten werden ebenfalls berücksichtigt, um Maßnahmen zur Verbesserung der aktuellen Leistung des Fallstudienobjekts vorzuschlagen. Schließlich wird eine kurze Retrospektive mit Verbesserungsmöglichkeiten für das entwickelte Tool erstellt.

As retrofitting of its thermal envelope has become the de facto standard way to renovate a building, quality has been pushed further and a special attention is now directed towards the concept of holistic refurbishment – that is to say, to integrate new components that were a priori not so relevant into the equation. Studying the historical design rules and the current standards and recommendations for schools – that is the first part of this thesis – shows how the criteria evolved to consider new quantities and improve the quality of educational buildings.The scope of this work is limited to what can be done complementary to a standard retrofit of the thermal envelope, and it uses as a case study a school built in 1968 in Upper Austria. After assessing some aspects of the building performance, refurbishment measures with focus on thermal comfort, air quality and visual as well as acoustical aspects have been considered. Lighting and acoustics measurements were made in the current school building to complete existing data coming from hygrometric and CO2 concentration sensors, and energy simulations were performed for different ventilation scenarios (including implementations of the HVAC sector’s recommendations and of the official Austrian instructions for lowering airborne transmissions of diseases like COVID-19). A command-line, configurable tool has been prototyped in Python to automate parametric analysis with the EnergyPlus software, and to plot many types of results graphs for all studied quantities. The source code is free and open source.In the third section, measurement and simulation results are analysed and compared to each other. Pros and cons of mechanically ventilated classrooms are discussed, including the delicate topic of relative humidity. The necessity of monitoring CO2 concentration in classrooms that rely on natural ventilation only is emphasized. Ideas and achievements from previous works are also taken in account to propose ways to improve the current performance of the case study object. Finally, a short retrospective suggesting possibilities for improvement is made on the developed tool.