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Zusammenfassung (Deutsch)

Viele der Bürogebäude, die in den 60er und 70er Jahren gebaut wurden, weisen neben den üblichen Instandhaltungszyklen einen grundlegenden Sanierungsbedarf auf, da sie nicht mehr an heutige Bedürfnisse angepasst sind. Anforderungen aus der Nutzung, wirtschaftliche Erwägungen in einem übersättigten Immobilienmarkt und hohe Baunutzungskosten machen eine Modernisierung erforderlich.

Eines der Themen beim zeitgemäßen Umbau von Bürogebäuden ist das sommerliche Raumklima. In Gebäuden ohne aktive Kühlung beeinträchtigen inakzeptabel hohe Temperaturen den Komfort, in Gebäuden mit Klimaanlage können hohe Energieverbräuche und Unterhaltskosten oder Anzeichen für das so genannte "Sick Building Syndrome" das Technik- und Klimakonzept in Frage stellen.

Als Maßnahme gegen hohe Raumtemperaturen reichte es in der Vergangenheit oftmals aus, die externen Wärmelasten wirkungsvoll zu reduzieren. Damit konnte zumindest über weite Strecken des Sommers ein thermischer Komfort erreicht werden. Angesichts gestiegener interner Wärmelasten durch die Technisierung der Arbeitswelt und der globalen Erwärmung mit einer Zunahme sehr warmer Perioden, müssen zukünftig umfangreichere und leistungsfähigere Maßnahmen ergriffen werden. Ohne eine aktive Kühlung kann dies über eine wirksame Reduktion der Wärmelasten, die konsequente Ausnutzung der Wärmespeicherfähigkeit der Baumasse und die Nutzung natürlicher Wärmesenken (Nachtluft, Erdreich) zur Aufnahme der Wärmelasten erreicht werden. Dieses integrierte Maßnahmenpaket wird als passive Kühlung bezeichnet. Die beschränkte Leistung der verfügbaren Wärmesenken macht eine geringe Kühllast des Gebäudes zur Voraussetzung. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung, inwieweit bei Bestandsgebäuden im Rahmen einer Sanierung der thermische Komfort ohne aktive Kühlung verbessert werden kann und welches die Ausgangsvoraussetzungen sind, die ein Gebäude dafür bieten muss. Da die Außenluft als Wärmesenke speziell für Sanierungsprojekte von Bedeutung ist, konzentriert sich die Untersuchung hauptsächlich auf diese Art der Wärmeabfuhr.

Das methodische Vorgehen weist drei Schwerpunkte auf:

Der erste Themenbereich erläutert zunächst die Anforderungen an moderne Büroarbeitsplätze und die Grundlagen und Möglichkeiten der passiven Kühlung in der Sanierung. Zur Klärung wird einerseits auf theoretische Kenntnisse, andererseits auf bereits durchgeführte Sanierungsbeispiele zur Veranschaulichung exemplarischer Fragestellungen zurückgegriffen. Auf dieser Basis aufbauend, werden in einem weiteren Schritt die Voraussetzungen geklärt, unter denen im Rahmen einer Sanierung das thermische Raumklima auch ohne aktive Kühlung maßgeblich verbessert werden kann. Dazu wird eine geeignete Gebäudetypologie vorgestellt.

Der zweite Themenschwerpunkt liegt im Bereich der Bestandsanalyse. Es wird gezeigt, dass für ein Sanierungskonzept, das bei der Verbesserung des sommerlichen Raumklimas ansetzt, eine über die Diagnose des baulichen Gebäudezustands hinausgehende Analyse unverzichtbar ist. Als ergänzende Analyseinstrumente werden Messungen und Nutzerbefragungen im Sommer und Winter, sowie Aufzeichnungen des Energieverbrauchs und Simulationen eingesetzt. Auf die Darstellung der Analyseergebnisse für zwei Beispielgebäude folgt eine Bewertung der Werkzeuge.

Der dritte Arbeitsbereich liegt in der Untersuchung der Machbarkeit. Anhand der zwei analysierten Beispielgebäude, die typologisch günstige Voraussetzungen aufweisen, werden mögliche Sanierungskonzepte vorgestellt. Die Strategien zur Verbesserung des thermischen Raumklimas beinhalten bei beiden Gebäuden die Nutzung der Außenluft zur nächtlichen Entwärmung. Dabei werden Möglichkeiten und Grenzen der Nachtlüftung aufgezeigt: Bei einem der Gebäude lässt sich das Raumklima ohne aktive Kühlung maßgeblich verbessern, beim anderen Gebäude ist ein akzeptabler thermischer Komfort nur mit einer Zusatzkühlung erreichbar.

Zusammenfassung (Englisch)

Many of the office buildings that were built in the 1960’s and 1970’s need fundamental renovation, extending well beyond the usual maintenance work, as they no longer meet modern expectations. Requirements resulting from their usage, economic considerations in an oversaturated real-estate market and high building operation costs make modernisation necessary. One important topic in modernising office buildings is the indoor climate during summer. In buildings without active cooling, unacceptably high temperatures can cause discomfort, whereas high operation costs and indications of the "Sick Building Syndrome" in buildings with air conditioners make this technical approach to controlling the indoor climate questionable.

In the past, effectively reducing the external heat gains was often an adequate measure to prevent high room temperatures. Thermal comfort could be achieved for at least most of the summer in this way. However, in future further measures must be taken, when the higher internal heat gains due to increased use of technical office equipment and the predicted climatic changes causing global warming and more frequent very warm periods are taken into account. If active cooling is to be avoided, a clear potential for improvement in many existing buildings must be exploited during renovation. This potential consists of effective reduction of the heat loads, rational usage of the heat storage capacity of the building mass and the use of natural heat sinks (night air, ground) to absorb the heat loads. The limited capacity of the available heat sinks means that a low cooling load for the building is a pre-requisite.

The object of this thesis is to investigate the extent to which the thermal comfort in existing buildings can be improved by renovation without applying active cooling and to identify the necessary starting conditions in a building for this approach to be successful. As it is usually easy to access the outdoor air as a heat sink in the context of a renovation, the investigation concentrates mainly on this type of heat removal.

The methodical approach applied is divided into three main sections:

The first section starts by exploring the demands on working conditions in modern offices, and the fundamentals of and opportunities for passive cooling in renovation. For elucidation, theoretical knowledge will be applied on the one hand, and on the other, examples of renovation that have already been completed are presented to illustrate specific questions. Using this as a basis, a further step identifies the conditions which must already exist if the thermal indoor climate is to be improved significantly by renovation without active cooling. The results are presented as a suitable building typology.

The second section focuses on analysis of the existing situation in a building. It is demonstrated that simply diagnosing the technical condition of the building is insufficient for a renovation concept which aims to improve the indoor climate in summer. Measurements and user surveys in summer and winter, records of the energy consumption and building energy simulation are used as further-reaching analytical instruments. After the analysis results have been presented for two buildings taken as examples, the tools themselves are evaluated.

The third section addresses the question of feasibility. Possible renovation concepts are presented for the two buildings analysed in the second section, which feature favourable conditions according to the building typology. The strategies to improve the thermal indoor climate for both buildings include the use of outdoor air for night cooling. In applying these strategies, the possibilities and limits of night cooling are revealed: The indoor climate can be significantly improved in one of the buildings without active cooling, whereas in the other building, acceptable thermal comfort can be achieved only with additional cooling.

Zusammenfassung (Französisch)

Beaucoup de bâtiments administratifs construits dans les années 60 et 70 nécessitent un assainissement fondamental par rapport aux cycles de maintenance habituels, puisqu'ils ne sont plus adaptés à des besoins actuels. La législation actuelle, les considérations économiques d’un marché immobilier sursaturé et de coûts de matières premières élevés conduisent à une modernisation indispensable de ce parc. Les conditions de travail dans ces bureaux en période estivale son une première raison à cette modernisation. Dans les bâtiments dépourvus de systèmes de refroidissement actifs, des températures intérieures élevées et inacceptables altèrent le confort. Cependant les bâtiments équipés de climatisation peuvent mettre en exergue des coûts d’utilisation et d’entretien hors proportion et le fameux << Sick Building Syndrome>> pouvant ainsi remettre en question les concepts et techniques de climatisation.

Dans le passé, comme mesure contre les hautes températures ambiantes, une réduction des sources de chaleur permettait d’atteindre un confort thermique acceptable durant les longues périodes estivales. Mais en considérant une augmentation du nombre de sources de chaleur dans les bâtiments et bureaux, due à la modernisation du mode et matériel de travail, et de l’évolution prévue du climat planétaire, (réchauffement global et augmentation des périodes caniculaires), de nouvelles mesures, et complémentaires, doivent être mises en place à l’avenir. Le renoncement à un système de refroidissement actif conduit à élargir le cadre de l’assainissement de bon nombre de bâtiments de cette génération pour définir un potentiel d’amélioration clair. Cela peut se traduire par la réduction efficace des sources de chaleur, de l’utilisation adéquate de la capacité calorifique liée à la taille et aux matériaux des bâtiments, et, par l’usage de dissipateurs thermiques naturels (courant d’air nocturne,sol). Cet ensemble de mesures intégré est qualifié de refroidissement passif. La performance limitée de ces dissipateurs thermiques n’engendre au préalable que de faibles charges de refroidissement du bâtiment.

L’objet de l’actuel travail vise à définir dans quelle mesure le confort thermique peut être atteint dans le cadre de l’assainissement du parc immobilier datant des années 60 et 70 par un refroidissement passif et quelles sont les conditions préalables que doit présenter un bâtiment de cette génération pour cela. Étant donné que l’air extérieur se révèle être un dissipateur de chaleur facilement viable, l’étude, qui suit, se base principalement sur ce principe.

La méthodologie comporte trois axes principaux:

1) Balayage des exigences concernant les aires de bureau modernes et description des bases et possibilités du refroidissement passif. Ceci sera alimenté par une mise en revue des connaissances théoriques d’une part, et, une énumération d’exemples de d’assainissement illustrant cette remise en question d’autre part. Dans un second temps et sur cette base, des conditions seront déterminées, selon lesquelles la température ambiante dans un bureau peut être améliorée de façon pertinente sans l’utilisation d’un refroidissement actif et dans le cadre d’un assainissement. S’en suit une topologie de bâtiment.

2) Inventaire du parc immobilier correspondant. Cette étape montre qu’un concept d’assainissement visant à améliorer les conditions climatiques des locaux en période estivale ne peut se soustraire à un diagnostique des matériaux constituant le bâtiment. Comme instruments d’analyse complémentaires des mesures et des enquêtes auprès des usagers en été comme en hiver sont à mener. À cela s’ajoutent un bilan de la consommation énergétique et une simulation numérique. À la vue des résultats de cette analyse sur deux bâtiments, s’en suit une notation des instruments.

3) Faisabilité. Les deux exemples de bâtiments traités précédents mettent en exergue des conditions typologiques de bâtiments et permettent de présenter de possibles concepts d’assainissement. Ces derniers se basent sur l’utilisation de l’air extérieur pour dissiper la chaleur en phase nocturne. Les possibilités et les limites de ce mode de refroidissement passif seront détaillées. Pour l’un des deux bâtiments étudiés, une climatisation par refroidissement passif met en avant les carences de ce mode de climatisation qui doit être complété par un refroidissement actif. Concernant le second ce mode refroidissement passif permet d’atteindre une température acceptable.

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