OPTIMIZING THE COMBINATION OF ACTIVE - ETH E

DISS. ETH NO. 20510
Optimizing the combination of active and passive
building components in refurbishment projects
to allow for net-zero emission architecture
A dissertation submitted to
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
VOLKER RITTER
Dipl.-Ing. Architecture, Darmstadt University of Technology
born 03.03.1976
citizen of Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Hansjürg Leibundgut
(DARCH-ITA-Chair of Building Systems)
Prof. Dr. Ulrich Knaack
(TU-Delft-Chair of Design of Constructions)
2012
XVII
Abstract
Buildings have always been constructed as a combination of active and passive building
components, which help balancing fluctuating exterior conditions. Although this combination
first and foremost serves to guarantee thermal comfort, it also reflects cultural aspects and the
state of technological knowledge. Allochthonous architecture replaced local autochthonous
architecture worldwide due the availability of cheap fossil fuels. At the same time, new technologies fostered the demand for higher comfort in buildings. However, the operation of this
type of buildings requires inacceptable quantities of non-renewable resources and generates
intolerable volumes of green house gas emission (GHGs). It is scientific consensus today that
GHGs from buildings need to be reduced. Still, there exists an uncertainty about how to match
the expectation regarding the aesthetics of architecture with the challenge of radically reducing
the building related GHGs.
This thesis assesses four methods (Reduction-, Combination-, Substitution- and Combination
Method) to reduce the equivalent annual global warming potential (GWPe,a) of existing buildings.
Based on a simplified model of a residential building, the methods are assessed with case studies
regarding their efficiencies in terms of the GWPe,a reduction and of equivalent annual cost. The
consequences regarding the architectural design and aesthetics of buildings are highlighted with
built examples. One important finding is that the established architectural methods regarding
sustainable design, like optimizing the compactness and orientation of buildings or optimizing
the percentage of windows, are of less importance than active strategies of improving the
heating and cooling system or substituting the purchased power. Finally, the optimization of the
different methods shows that several combinations of active and passive building components
exist, which result in the same or similar strong reductions of the GWPe,a. Consequently, the
idea of an irreconcilability of architectonic quality and refurbishing towards net-zero emission
is invalid, as several solutions exists that allow for sufficient architectural alternatives.
XIX
Kurzfassung
Gebäude wurden seit jeher als eine Mischung aus aktiven und passiven Komponenten errichtet,
um vor veränderlichen äusseren Einflüssen zu schützten. Obwohl diese Kombination in erster
Linie dazu dient, thermischen Komfort zu gewährleisten, spiegelt sie auch kulturelle Aspekte
und den jeweiligen Stand der Bautechnik wider. Allochthone Architektur ersetzte weltweit
autochthone, lokale Architektur, was nur durch die Dominanz von günstigen fossilen Brennstoffen
möglich war. Gleichzeitig befeuerten neue Technologien die Nachfrage nach höherem Komfort
in Gebäuden. Allerdings erfordert der Betrieb dieser Art von Gebäuden inakzeptable Mengen an
nicht-erneuerbaren Ressourcen und sie erzeugen enorme Mengen an Treibhausgas-Emissionen
(THG). Es ist heute allgemeiner wissenschaftlicher Konsens, dass diese Mengen reduziert
werden müssen. Dennoch gibt es eine Unsicherheit darüber, wie die architektonische Qualität
von Gebäuden und eine drastische Verringerung ihrer THG miteinander zu vereinbaren sind.
Diese Arbeit untersucht vier Methoden (Reduktions-, Kombinations-, Substitutions- und
Kompensation Methode), um das jährliche äquivalente Treibhausgaspotential (equivalent annual
Global Warming Potential GWPe,a) von bestehenden Gebäuden zu verringern. Mit einem
vereinfachten Modell eines Wohnhauses wird die Effizienz der einzelnen Methoden anhand von
Fallstudien in Bezug auf die GWPe,a Reduktion und auf die jährlichen Kosten beurteilt. Welche
Konsequenz diese auf die Gestaltung und die Qualität der Architektur hat, wird anhand von
gebauten Beispielen erläutert. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist, dass etablierten passiven
Strategien der architektonische Gestaltung, wie die Optimierung der Kompaktheit und der
Ausrichtung von Gebäudes oder des Verglasungsanteils an der Fassade, oft weniger wirksam sind,
als aktive Strategien, die zu einer Verbesserung des Heiz-und Kühlsystems führen. Schliesslich
zeigt die Optimierung der verschiedenen Methoden, dass verschiedene Kombinationen von
aktiven und passiven Bauelementen möglich sind, die eine gleiche oder ähnlich starke Reduktion
der GWPe,a bewirken. Folglich ist die Vorstellung einer Unvereinbarkeit von architektonischer
Qualität und einer Sanierung in Richtung netto-Null Emissionen hinfällig, da eine Reihe an
Lösungen existieren, die genügend architektonische Freiheit lassen.