Container building detailing, construction and thermal analysis

Abstract

Globale Trends des Bevölkerungswachstums, insbesondere in den Entwicklungsländern, üben Druck auf die Lösung ihrer Wohnungskrisen aus. Diese Diplomarbeit stellt modifizierte Schiffscontainer-Konstruktionen als eine nachhaltige Baualternative vor, die in letzter Zeit an Popularität gewonnen hat. Angesichts ihrer Verfügbarkeit in Hafenregionen sind ausrangierte Schiffscontainer finanziell erschwinglich, um sie mit üblichen Vorfertigungsverfahren in Wohnraum umzuwandeln. Nur wenige Studien haben sich mit dem thermischen Verhalten der Hüllkomponenten und Detailkonstruktionen befasst, aber fast keine mit den spezifischen Auswirkungen von Wärmebrücken aufgrund der inhärenten Stahlstruktur. Daher versucht diese Arbeit, eine systematische und aktuelle Bewertung des thermischen Verhaltens mit Wärmebrücken als Schwerpunkt zur Verfügung zu stellen. Nach dem Stand der Technik wurden numerische Wärmebrückensimulationen mit AnTherm durchgeführt, um Temperaturverteilungen, Temperaturfaktoren und Oberflächentemperaturen zu bewerten. Als Grundmodell für die weiteren Auswertungen wurden eine nackte Stahl- und eine minimal modifizierte Schiffscontainer-Konstruktion verwendet. Diese Detailkonstruktionen wurden iterativ mit verschiedenen Dämmkonstruktionen auf Basis von Polyurethanschaum, Mineralwolle und Vakuumdämmpaneelen optimiert, bis alle thermischen Leistungsanforderungen einschließlich der Klimaextreme von -20\degree C erfüllt werden konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass Kombinationen aus Polyurethanschaum mit Mineralwolle oder Vakuumdämmpaneelen am besten abschneiden, mit minimalen Innenoberflächentemperaturen über 16\degree C und Wärmedurchgangskoeffizienten unter 0,35$W\cdot m^{-2}\cdot K^{-1}$. Auch Temperaturfaktoren oberhalb der entscheidenden 0,71-Grenze konnten durchweg erreicht werden, wobei die meisten optimierten Konstruktionen sogar Werte um 0,9 aufwiesen. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass alle Wärmebrückeneffekte von Schiffscontainerkonstruktionen durch geeignete Dämmung und Konstruktionsplanung gemildert werden können, wodurch sich die Hüllkomponenten für nachhaltige Niedrigenergiegebäude eignen. Zukünftige Bemühungen sollten sich auf die Erstellung komplexerer Simulationen konzentrieren, um die Konstruktionen auf ein prototypisches Niveau zu bringen, bei dem die Ergebnisse mit Messungen vor Ort validiert werden sollten.

Global trends of population growth, particularly in the developing world, are exerting pressure for resolutions of their housing crises. This thesis presents modified shipping container constructions as a sustainable building alternative which has recently grown in popularity. Given their availability around port regions, discarded shipping containers are financially feasible to convert into habitable space with common prefabrication practices. Few studies have focused on the thermal performance of the envelope components and detail constructions, but almost none on the specific effects of thermal bridging due to the inherent steel structure. Therefore, this thesis seeks to provide a systematic and up-to-date thermal performance assessment with thermal bridges as a focal point. State of the art numerical thermal bridge simulations were carried out with AnTherm to evaluate temperature distributions, temperature factors, and minimum surface temperatures. A bare steel and minimally modified shipping container construction was used to set the base cases for further evaluations. These detail constructions were iteratively optimized with various insulation designs based on polyurethane foam, mineral wool, and vacuum insulation panels until all thermal performance requirements could be satisfied including climate extremes of -20\degree C. Wall, roof, and floor envelope components were valuated in 3D environments including their corner constructions. The results indicate that combinations of polyurethane foam with mineral wool or vacuum insulation panels perform best, with minimum interior surface temperatures above 16\degree C and thermal transmittances below 0.35$W\cdot m^{-2}\cdot K^{-1}$. Temperature factors above the crucial 0.71 threshold could also be achieved consistently with most optimized constructions boasting values around 0.9. The thesis concluded that all thermal bridging effects of shipping container constructions could be alleviated with proper insulation and design, making the envelope components suitable for sustainable low energy buildings. Future efforts should be focused on performing more complex simulations to bring the constructions to a prototype-ready level at which their results should be validated with on-site measurements.