Overheating evaluation via normative calculation and dynamic simulation : a comparison of methods

Abstract

Die Vermeidung von sommerlicher Überwärmung gilt als einer der wichtigsten Aspekte für die zukünftige Gebäudeplanung. Moderne Konstruktionsmethoden, wie Leichtbauweisen oder ein hoher Anteil von transparenten Elementen, erhöhen das Risiko von Überwärmung in heißen Perioden. Die globale Erwärmung verursacht eine höhere Häufigkeit und Intensität dieser Hitzeperioden, und insbesondere städtische Gebiete sind durch verstärkende mikroklimatische Auswirkungen, die als Urban Heat Island-Effekt bekannt sind, betroffen. Die Planung von Neubauten, Gebäudeerweiterungen sowie Gebäudesanierungen erfordert daher verlässliche Methoden, mit denen festgestellt werden kann, ob die Gefahr von sommerlicher Überwärmung besteht. Die vorliegende Arbeit vergleicht die österreichischen normativen Methoden mit einer gängigen dynamischen thermischen Simulationsmethode. Dabei bestehen wesentliche Unterschiede hinsichtlich der Auflösung der Eingabe- und Ausgabedaten, Komplexität und Anwendbarkeit der Methoden. Der vereinfachte normative Nachweis basiert auf elementaren Berechnungen mit nur wenigen Eingabeparametern und wird hauptsächlich im Rahmen der Energieausweis Erstellung für Wohngebäude eingesetzt. Der detaillierte normative Nachweis erfordert bereits komplexere Eingabedaten in etwas komplexeren Berechnungen. Dieser ist nach derzeit gültiger Rechtlage jedoch nicht verpflichtend und wird daher nur selten verwendet, soll aber zukünftig auch in die offiziellen Baurichtlinien einbezogen werden. Die dynamische Simulation erfordert aufgrund der Vielzahl erforderlicher Eingabedaten und möglicher Berechnungssettings sowie der Bedienung der für die komplexen Berechnungsalgorithmen erforderlichen Spezialsoftware, spezielles Know-how. Dies führt auch zu großen Unterschieden hinsichtlich der Anzahl und Auflösung der Ausgabedaten. Um auch einen praktischen Vergleich der Methoden durchführen zu können, sowie eine Analyse der Ergebnisse vornehmen zu können wurden eine Fallstudie und eine darauf aufbauende parametrische Studie durchgeführt. In der Fallstudie wurden vier spezifische Entwürfe eines Dachgeschoßausbaus mit Wohnnutzung in Wien bewertet. Kritische Voraussetzungen wie geringe thermische Masse und hoher Verglasungsgrad zeigten insbesondere die Grenzen der normativen Methoden auf. Dabei stellte sich unter anderem heraus, dass Räumlichkeiten, die nach der vereinfachten Methode als überwärmungssicher eingestuft werden, bei detaillierten Berechnungen und Simulationen dennoch Raumtemperaturen jenseits des Komfortbereichs aufweisen. In der parametrischen Studie wurden 48 verschiedene Designvarianten mit der detaillierten Methode und der dynamischen Simulation bewertet. Zum einen wurde gezeigt, dass die Ergebnisse der beiden Methoden, trotz unterschiedlicher Auflösung größtenteils korrelieren. Zum anderen kam es zu Abweichungen aufgrund spezieller Designelemente oder der Verwendung zukünftiger Wetterdaten, was beides nur mittels Simulation berücksichtigt werden kann. Generell zeigen die Ergebnisse, dass die Vermeidung von sommerlicher Überwärmung schon in naher Zukunft sehr viel schwieriger werden könnte und dass die derzeitigen normativen Methoden und Kriterien dafür wohl stringent weiterzuentwickeln sind.

Summer overheating avoidance is considered to become one of the most critical building performance aspects in upcoming years. Design specifications, such as contemporary construction methods, the usage of materials with low thermal mass or a high ratio of transparent elements, increase the tendency of overheating during hot periods. Global warming triggers higher frequency and intensity of those hot periods. In particular, urban areas are affected through microclimatic implications known as Urban Heat Island effect. The planning of new buildings, building extensions, such as rooftop extensions, and building retrofit thus require robust methods that are capable to determine if a building design is in risk of summer overheating. This contribution compares the Austrian normative methods with a common dynamic thermal simulation method. There are major differences regarding complexity and usability of the methods. The simple normative method is based on elementary calculations with only a limited set of input parameters. It is mainly used in the course of the mandatory energy certification for residential buildings, based on the Austrian building guidelines. The detailed normative method processes more input data and features more advanced calculations. It is not stipulated by building regulations and therefore it is rarely used. However, future changes in the regulations intend to incorporate this method into the official building guidelines. Dynamic simulation requires special know-how due to the variety of possible input data and the operation of the specialized software tools to be able to utilize these powerful but complex calculation algorithms. This also leads to major differences regarding the resolution and appearance of the output data. As such, a direct comparison of results from the different methods is not possible. For the practical comparison of the methods and the analysis of their outputs a case study and a parametric study have been conducted. The case study evaluated four specific designs of a roof top extension for residential use in Vienna. Critical preconditions such as low thermal mass and high glazing ratio particularly illustrated the limitations of the normative methods. Some results even suggest that simple normative calculations would specify specific rooms as safe against overheating, while the more advanced normative procedures and the thermal simulation point towards overheating tendencies. The parametric study evaluated a set of 48 design variants with the detailed method and the dynamic simulation. Despite their different resolution, the results of the two methods showed mainly correlation regarding overheating evaluation. Moreover, occurring divergences due to special design elements or the use of future weather data for the simulation were analyzed. Generally, the results show that the avoidance of overheating will become more challenging in close future. As such an update of the normative methods and the used key performance indicators is highly recommended.