Performance-based optimization potential of a widely used prefabricated building type : a case study of Zagreb

Abstract

Es gehört zu den weithin bekannten Fakten, dass Gebäude zu einem wesentlichen Teil an Emissionen treibhausschädlicher Gase beitragen, sowie für einen großen Teil des globalen Energieverbrauchs verantwortlich sind. Für Zwecke einer verbesserten Performance der Gebäude reicht es nicht aus, nur neue Gebäude zu optimieren, vielmehr muss auch der Gebäudebestand fundamental verbessert werden. In vielen europäischen Ländern kann ein umfangreicher Bestand an vorgefertigten Gebäuden gefunden werden. Diese Gebäude wurden aufgrund bestimmter Vorteile hinsichtlich erforderlicher Investitionskosten und der Fertigstellungsgeschwindigkeit in vorgefertigter Weise errichtet, entsprechen oftmals jedoch nicht unbedingt den heutigen Anforderungen Ein Schwachpunkt von historischen Fertigkonstruktionen – trotz oft großer architektonischer Qualität und ansprechenden Nutzerkomforts weithin als Plattenbauten herabgewürdigt - ist ihr Energiebedarf. In vielen Ländern wurden Anreize gestartet um bestehende Gebäude – und somit auch solche Prefabricates – thermisch zu sanieren und entsprechend den heutigen Anforderungen herzurichten und auszustatten. Im Juli 2014 wurde von der kroatischen Regierung ein Programm ins Leben gerufen, welches in den Jahren 2014 – 2020 die thermische Optimierung von bestehenden Mehrfamilienhäusern adressiert. Dabei werden spezifisch Gebäude mit schlechten Energiekennzahlen adressiert. Die Mehrheit der Bauwerke, die nach dem zweiten Weltkrieg und vor 1989 (dem Fall der Sovietunion) auf kroatischem Gebiet errichtet wurden, dürften in diese Kategorie fallen. Städte wie Zagreb haben daher einen großen Bedarf an Nachrüstung solcher Bauwerke. Die Masterthese verfolgt das Ziel ein Sanierungs-/Nachrüstungsmodell von vorgefertigten Bauwerken aus dieser Zeit zu entwickeln. Diese modularen Gebäude wurden aus vorgefertigten Betonelementen und nicht-tragenden Fassadenplatten errichtet, was es erforderlich macht, bei der Planung von Sanierungsvarianten nicht zu unterschätzende hochbautechnische, statische und bauphysikalische Herausforderungen spezifisch zu adressieren. Verschiedene Sanierungsvarianten, welche Verbesserungen an Dach, Boden, Fenstern und Fassaden beinhalten wurden untersucht, und zwei Fassadensanierungsvarianten wurden im Detail angesehen und bewertet. Dabei wurden Kosteneffizienz, Energieeinsparung und Wärmebrückenbewertung als Bewertungsaspekte herangezogen. In einem ersten Schritt wurden jeweils die prinzipiellen Energieeinsparungen mit einer numerischen Simulationsumgebung für Gesamtgebäudesimulation ermittelt, sowie eine Kostenabschätzung und eine Kosten-Nutzen-Abschätzung der vorgeschlagenen Sanierungsvariante durchgeführt. Anschließend wurde im Detailmaßstab mit numerischer thermischer Wärmebrückensimulation eine Analyse der kritischen Punkte der vorgeschlagenen Sanierungsmethodik vorgenommen. Auf diese Weise kann gut beurteilt werden, ob eine Sanierungsvariante entsprechend geeignet ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit können dazu herangezogen werden, Sanierungsideen für solche Bauwerke holistisch zu beurteilen. Die untersuchten Details können auch als Wissensbasis für die Fortentwicklung von solchen Sanierungen herangezogen werden. Damit erlauben die Ergebnisse dieser Arbeit eine Abschätzung über die Wirkung von Sanierungsmaßnahmen für Bauherrenschaft und Gebäudenutzer / Mieter.

It is a widely known fact that buildings contribute to a large scale of both emissions and energy consumption. In many European countries an extensive stock of prefabricated buildings can be found. These buildings had benefits regarding investment cost and speed of completion, but do not necessarily meet today’s demands. One weak part of these structures is their energy demand. Internationally, many incentives can be found that address the retrofit of these buildings. In July 2014 Croatian Government developed a program of thermal retrofit of apartment buildings valid from 2014 to 2020. This program specifically addresses buildings with an energy certificate category C or lower. The majority of the socialist buildings that were built after the World War II fit that description and have not been sufficiently retrofitted. Therefore, cities such as Zagreb need to develop precise scale retrofit programs for their building stock. The goal of this case study is to establish a model for the envelope retrofit of prefabricated building type JU-61. These modular buildings were built out of prefabricated concrete panels and non-bearing façade panels which create difficulties while designing a retrofit project. That being said, this contribution analyses various retrofit options that include roof, floors and window improvements, together with a detailed evaluation of 2 different façade systems. This is being done in three stages of calculations: energy savings, cost effectiveness and thermal bridge assessment. Firstly, energy savings are estimated via dynamic energy simulations with a state of the art tool - EnergyPlus. Secondly, a cost evaluation is performed through a cost- benefit analysis of the proposed retrofit options to establish the most profitable ones. Lastly, a thermal bridge assessment is performed with a software tool- AnTerm to ensure the chosen details are eligible for implementation. The results seem to suggest that relying on evaluations of only one parameter can be misleading in the direction of less favourable retrofit option. Therefore, a holistic approach is implemented in this study to determine the most feasible improvements. At the end, this work serves as a guideline for a comprehensive refurbishment of a particular type of building with a repository of details that promise a beneficial solution for the planers and the investors, i.e. the tenants.