Thermal and visual performance of vernacular revival buildings in Plovdiv, Bulgaria

Abstract

Die Erschöpfung der Naturressourcen in Kombination mit der Klimakrise und der globalen Erderwärmung sind unter den zentralen Faktoren, die die nachhaltige Entwicklung und Energieeffizienz in fast allen Bereichen des Lebens notwendig gemacht haben. Da das Bauwesen zu den größten Umweltverschmutzer heutzutage zählt, ist die Untersuchung und Erforschung von alternativen Baupraktiken als diese, die aktuell eingesetzt werden, von wesentlicher Bedeutung. Die historischen Gebäude in Plovdiv, Bulgarien repräsentieren einheimischen Gebäuden in traditionellem Baustil aus der Zeit der Wiederbelebung Bulgariens. Sie haben den Test der Zeit überstanden. Zudem haben viele davon die Integrität und die Vollständigkeit wie vor Jahrzehnten bewahrt. In den letzten Jahren hat das zur Steigerung des Interesses seitens der architektonischen Gemeinde geführt. Sie werden als eine der Quellen nachhaltiger Architektur angesehen – entworfen und konstruiert mit lokalen und natürlichen Materialien und im Hinblick auf den Umweltkontext. Der Schwerpunkt dieser Forschung liegt auf dem Wärmeverhalten und der optischen Performance von fünf bulgarischen Volksbauten in traditionellem Baustil aus der Zeit der Wiederbelebung von Plovdiv, sowie auf dem thermischen und visuellen Komfort, den sie ihren Bewohnern hypothetisch bieten. Um eine mögliche Verbesserung der Gebäudeleistung zu untersuchen, werden fünf Fälle pro Gebäude simuliert - zusätzlich zum Basisfall werden auch vier weitere mit unterschiedlichen Optimierungsoptionen untersucht. Der EEW-Fall umfasst den Ersatz der ursprünglichen Einscheibenfenster durch energieeffiziente und die SW-, H- und EPS-Fälle umfassen die Isolierung der thermischen Hülle der Gebäuden mit Schafwolle, sowie Hanfwolle- bzw. EPS-Isolierung. Alle Fälle werden mit einer parametrischen Simulationssoftware simuliert, um die Wärmeleistung der Häuser zu untersuchen. Die beschriebenen Leistungsindikatoren sind Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit, jährlicher Heizwärmebedarf, interne und solare Gewinne, Übertragungs- und Luftwechselverluste sowie die Möglichkeit einer Überhitzung im Sommer. Die Basis- und EEW-Fälle werden verwendet, um das Tageslicht anhand der Beleuchtungsstärke und des Tageslichtfaktors als Schlüsselindikatoren zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die fünf Gebäude in ihrem derzeitigen Zustand eine zufriedenstellende Performance leisten und die aktuellen bulgarischen Energieeffizienzanforderungen erfüllen. Der Austausch von den Fenstern bietet einige Verbesserungen, aber die bedeutendste Änderung kann bei der Isolierung der thermischen Hülle gesehen werden. Von den drei Isolierungstechniken bringt die Schafwollen die größte Veränderung mit sich und ist gleichzeitig eine sehr nachhaltige Option. Auf die andere Seite ändert die Optimierung der Tageslichtdurchlässigkeit nicht signifikant. Die Ergebnisse der Simulationen in dieser Masterarbeit legen jedoch nahe, dass eine Verbesserung der thermischen Hülle die Gebäude in Bezug auf Leistung und thermischen Komfort in Konkurrenz zu den neuesten Technologien bringen würde.

The depletion of natural resources in addition to global warming have created the necessity for sustainable development and energy efficiency in almost every aspect of our lives and since construction is one of the main pollutants nowadays, it is important to explore other building practices than the ones we are currently dealing with. The historic buildings of Plovdiv represent the Bulgarian vernacular buildings from the Revival period. They have withstood the test of time, many of which with the same integrity they had decades ago. This has made them very interesting to the architectural community in recent years as they are thought to be one of the founts of sustainable architecture – design with local natural materials and with regard to the environmental context. The main focus of this research is the thermal and visual performance of five Revival period vernacular buildings from the Plovdiv area as well as the thermal and visual comfort they would hypothetically provide to its occupants. In order to explore possible enhancement of the buildings’ performance four cases with different optimization options were simulated in addition to the base case – the EEW case includes replacement of the original single pane windows with energy efficient ones, the SW, H and EPS cases include insulating the thermal envelope with sheep wool insulation as well as hemp wool and EPS insulation respectively. Each building’s five cases were simulated using parametric simulation software in order to explore the thermal performance of the houses. The discussed key performance indicators are temperature and relative humidity, annual heating load, internal and solar gains, transmission and air change losses as well as the possibility of summer overheating. The base and EEW cases were also used to assess daylight using illuminance levels and daylight factor as key indicators. Results show that even in their current state the five buildings perform satisfactorily and do meet the current Bulgarian energy efficiency requirements. The replacement of windows provides some improvement but the most significant change can be seen with insulating the thermal envelope. Out of the three sheep wool brings the biggest change while being a very sustainable option. On the other hand, none of the optimizations change the daylighting situation significantly. However, the study suggests that improving the thermal envelope would put the buildings in competition with the newest technologies in terms of performance and thermal comfort.