Eine Untersuchung des Entwurfs für eine Fertighauseinheit in Zypern im Hinblick auf Energie, Tageslicht und Kosten
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Eine Untersuchung des Entwurfs für eine Fertighauseinheit in Zypern im Hinblick auf Energie, Tageslicht und Kosten

Jul 10, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12611 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Vorfertigung von Wohnraum erwies sich als energie- und kostensparende Lösung, die auch mit der Reduzierung der Umweltauswirkungen sowie der Entwicklung umweltfreundlicher Baupraktiken verbunden werden kann. Im ersten Teil dieser Studie wird eine umfassende Literaturübersicht über die vorgefertigten Montagemethoden und ihr inhärentes Potenzial sowohl in Bezug auf Design als auch Konstruktion vorgestellt. Es werden auch Designstrategien berücksichtigt, die die Integration von Umweltsystemen beinhalten. Eine Klassifizierung und Taxonomie von Archetypen ist enthalten, basierend auf den wichtigsten Gestaltungsprinzipien im Zusammenhang mit der Umweltgestaltung. Basierend auf den Schlussfolgerungen, die aus der Bewertung dieser Überlegungen gezogen wurden, befasst sich dieses Papier erneut mit den Entwurfs- und Bautechniken, die in energieeffizienten und umweltfreundlichen Fertighauseinheiten in einem zypriotischen Kontext verwendet werden. Es werden Kosteneinsparungsstrategien sowie architektonische Design- und Fertigungsempfehlungen vorgeschlagen. Folglich zielt die Forschung darauf ab, einen Beitrag zur vorhandenen Literatur zu leisten, indem Ergebnisse aus einem tatsächlichen Demonstrationsprojekt in Zypern herangezogen werden. Anschließend werden Überlegungen dargelegt, die sich auf das vordere Ende des Entwurfs- und Bauprozesses auswirken und auf Kriterien für eine effiziente Vorfertigung und modulare Bauweise basieren. Die Ergebnisse werden dann mit Simulationen zur Energie- und Tageslichtleistung verknüpft und durch eine technisch-ökonomische Analyse ergänzt, um die Rentabilität dieses Unternehmens zu demonstrieren. Auf diese Weise wird gehofft, dass Interessenvertreter, die die Übernahme dieses Ansatzes für Entwurf und Bau in Betracht ziehen, fundiertere und angemessenere Entscheidungen treffen können.

Bei der Vorfertigung im Wohnungsbau werden Bauteile in einer Produktionsanlage und nicht vor Ort hergestellt und dann zur Montage zu einem bestimmten Grundstück transportiert1,2,3. Bei der traditionellen Bauweise handelt es sich bei einigen Bauteilen um Fertigwaren, etwa bestimmte Trennwände, Decken- oder Bodenteile, während es sich bei sogenannten Fertighäusern eher um größere Bauteile, etwa Wandpaneele oder ganze, in Raumvolumina eingemauerte Gehäuseteile handelt. Andere als Ganzes konstruierte Module können einem bestimmten Zweck dienen, beispielsweise Badezimmern oder Küchen. In anderen Fällen werden jedoch ganze Häuser auf Montagehöfen in Fabriken hergestellt, bevor sie zur Baustelle transportiert und an die Stromversorgung angeschlossen werden, damit sie sofort funktionsfähig sind4.

Architekturhistoriker in den Vereinigten Staaten datieren die Vorfertigung von Wohnhäusern und den Transport von Bauteilen in diesem Zusammenhang auf die Zeit vor fast vierhundert Jahren und auf die Verschiffung von holzgetäfelten Wohnbauteilen nach Cape Ann in Massachusetts in den 1620er Jahren, um den Fischern in der Gegend Schutz zu bieten5. Im gleichen Zeitraum wurden in Schweden ähnliche Techniken für den schnellen Bau von Blockhütten auf der anderen Seite des Atlantiks eingeführt. In anderen ähnlichen Beispielen begann die Produktion von Gehäusebausätzen, die verpackt und in standardisierter Fracht an Bord von Waggons, Schiffen, Zügen, Autos und schließlich Flugzeugen versendet werden konnten5.

Dieses Experimentieren mit systematisiertem und transportablem Wohnraum gipfelte im frühen 20. Jahrhundert mit den Fertighäusern von Sears Roebuck, die ab 19086 aus Katalogen ausgewählt werden konnten, die von den Abonnenten des Unternehmens gekauft wurden. Diese Praxis erwies sich für eine Reihe bekannter Architekturpersönlichkeiten als interessant wie unter anderem Le Corbusier, Walter Gropius, Frank Lloyd Wright, Jean Prouvé und Paul Rudolph, die das Problem der Wohnungsnot auf den Punkt brachten. Dies traf insbesondere nach dem Zweiten Weltkrieg zu, als die innovative Nutzung dieser sich weiterentwickelnden Wohnungsproduktionstechnik weit verbreitet war, obwohl sie in den folgenden Jahren von Nutzern kritisiert wurde, die Individualität und Wahlfreiheit suchten7.

Seit der Mitte des 19. Jahrhunderts ist die Produktion von Wohnraum im industriellen Maßstab ein Anliegen von Bauherren und Herstellern. und die Anfänge der industriellen Revolution. Mit dem Aufkommen des Fließbandes versuchten eine Reihe von Architekten und Ingenieuren, das Problem der Wohnungsknappheit anzugehen, indem sie die Massenproduktion von Wohnungsbauteilen einführten7,8. Ein Beispiel für einen solchen Versuch war Buckminster Fullers Dymaxion House9. Die verwendete Technologie basierte auf dem Zusammenfügen verschiedener Gruppen unterschiedlicher Gebäudekomponenten in Unterbaugruppen, die Teile größerer modularer Strukturen wie Tür-, Fenster- oder Wandbaugruppen bilden. Fließbandtechniken, wie sie in anderen Industriezweigen zum Einsatz kommen, können dann hergestellt und zu ganzen vorgefertigten Einheiten zusammengefügt werden, die zum Standort transportiert und dort auf dauerhafteren Fundamenten montiert werden können7.

Die Entwicklung der Typologie im späten 20. und frühen 21. Jahrhundert hat gezeigt, dass individuelle Anpassung und räumliche Flexibilität wesentliche Anforderungen an die Fließbandtechniken stellen. Diese wiederum wurden durch die Einführung und breitere Nutzung computergestützter Design- und Fertigungsprozesse erweitert, die es Designern, Bauherren und sogar Benutzern ermöglichen, eine größere Anzahl von Optionen und Permutationen der grundlegenden modularen Struktur zu konfigurieren. Obwohl dies durch die kostengünstigere Produktion größerer Mengen sich wiederholender Komponenten weitere Skaleneffekte ermöglicht, geht es auch auf Aspekte der Kulturproduktion ein und trägt zum Narrativ der Massenproduktion bei, indem Kunden als Teil des Stakeholder-Teams eingeführt werden am Fließband und als Co-Generatoren im Designprozess10.

Untersuchungen haben auch gezeigt, dass vorgefertigte Systeme die Bauzeit und die Arbeitskosten verkürzen können11, was letztlich zu Kosteneinsparungen führt12. Es wurde jedoch auch vermutet, dass ihre Anschaffungskosten aufgrund der Notwendigkeit einer speziellen Herstellung und eines speziellen Transports der Gebäudekomponenten höher sein können als bei herkömmlichen Baumethoden11,13,14.

In der Literatur werden auch Überlegungen zu Energie, Tageslicht und Kosten angestellt, die dabei helfen können, zusätzliche Vorteile, aber auch Grenzen dieser Systeme zu ermitteln15,16,17. Es hat sich gezeigt, dass vorgefertigte Wohnsysteme die Energieeffizienz verbessern können, indem sie die Luftinfiltration und den Wärmeverlust reduzieren sowie Isolierung und luftdichte Gebäudehüllen integrieren18. Darüber hinaus können vorgefertigte Systeme mit passiven Solarfunktionen entworfen werden, um nicht nur die Energieleistung, sondern auch die Bereitstellung von Tageslicht zu verbessern19. Die Optimierung der natürlichen Lichteinstrahlung kann den Sehkomfort in Innenräumen verbessern und den Bedarf an künstlicher Beleuchtung verringern20. Dies wird durch die Wandlungsfähigkeit der vorgefertigten Systeme unterstützt, die die Integration architektonischer Komponenten wie Oberlichter, Obergadenfenster und Lichtregale21 erleichtert.

Folglich können wir mit Sicherheit davon ausgehen, dass eine sorgfältige Berücksichtigung der spezifischen Designmerkmale, die vorgefertigten Gebäuden innewohnen, die Effektivität und Kosteneffizienz von Gebäudesystemen gewährleisten kann. Somit unternimmt die aktuelle Forschung einen ersten Schritt bei der Identifizierung bewährter Verfahren und optimaler Entwurfsstrategien für die Entwicklung von Fertighaussystemen, die für die zyprische Bevölkerung und möglicherweise auch für den Wohnungsbau im östlichen Mittelmeerraum von Nutzen sein könnten.

Unter Vorfertigung im Rahmen der Wohnungsbauproduktion versteht man tendenziell die Entwicklung von Gebäudemodulen oder -systemen, die das Ergebnis eines industrialisierten Verfahrens sind22. In der Regel wird auch auf den Einsatz neuerer und modernerer Methoden der Fertigung (am Fließband), des Transports (zum Standort) und der Montage (vor Ort) verwiesen23. In diesem Untersuchungsrahmen wird dieses Papier eine Taxonomie dieser Gebäudetypologie vorschlagen, indem es hauptsächlich die plattenförmige Vorfertigung in Verbindung mit einem Teilesatz unter Verwendung von Metallkomponenten untersucht. Darüber hinaus wird ein Vergleich zwischen Vorfertigung und konventionellem Hochbau unter Verwendung alternativer Materialien für die Verkleidung24 durchgeführt.

Die Prinzipien der Vorfertigung werden auch in einem breiteren Designkontext gesehen, in dem Effizienzsteigerungen bei der Verbesserung der Umweltleistung und des Gebäudelebenszyklus vorgefertigter Strukturen von der Montage über die Demontage bis hin zum Abriss angestrebt werden25,26. Auch die Anpassungsfähigkeit und Flexibilität bei der Verwendung wurden als vorteilhaft angesehen, wobei die Panelisierung für ihre Fähigkeit gelobt wird, Aspekte der Isolationsleistung aufgrund immer präziserer Herstellungstechniken zu berücksichtigen. In Verbindung mit einer intelligenten Überwachung des Benutzerkomforts können diese Systeme die Qualität der Benutzerbelegung verbessern und gleichzeitig den Energiebedarf senken und die Energiekosten für den Haushalt senken27,28,29. Andere Faktoren, die in der Geschichte des Fertighauses eine Rolle spielen, auf die in diesem Artikel aber nicht direkt eingegangen wird, können folgende Aspekte umfassen: i. Abfallmanagement (sowohl während des Herstellungsprozesses der verschiedenen Wohnkomponenten als auch am Ende des Nutzungslebenszyklus der vorgefertigten Struktur)30,31, ii. verkürzte Bauzeit vor Ort durch einfache Montage und nicht zuletzt iii. das Potenzial zur Minimierung von Störungen im Alltagsleben einer Gemeinde, die durch den Schmutz und den Lärm einer Baustelle entstehen27.

In diesem Artikel wird die Herausforderung untersucht, mit der diese Orte konfrontiert sind, die möglicherweise weiter entfernt und weiter entfernt von den traditionellen Forschungs- und Industrieproduktionszentren für Vorfertigung in Schweden, Deutschland, den Niederlanden oder sogar Japan weiter entfernt liegen und über hochentwickelte und handwerklich geprägte Industrien verfügen.

Das Gelände auf Zypern, das selbst im levantinischen Becken des östlichen Mittelmeers liegt, war ein Demonstrationsprojekt zur Bewältigung genau dieser Herausforderungen. Die Initiative ist als Vorschlag entstanden, den jüngsten Zustrom vorübergehender und dauerhafter lebender Bevölkerungsgruppen unterzubringen, die vor Krieg, Armut und Naturkatastrophen fliehen – in diesem Fall hauptsächlich aus dem Nahen Osten und darüber hinaus, aber auch aus Afrika. Die meisten dieser Menschen würden gerne über Gateway-Länder wie Zypern auf den ihrer Meinung nach wohlhabenderen und politisch stabileren europäischen Kontinent gelangen. Allerdings sind viele von ihnen aufgrund der Grenzschließungen in Kontinentaleuropa gezwungen, in sogenannten „Willkommenszentren“ zu bleiben und nicht zu ihren gewünschten Zielen weiterzureisen.

Folglich muss sich das lokale Know-how bei der Vorfertigung von Massenwohnungen schnell weiterentwickeln, indem bewährte Verfahren aus fortgeschritteneren Industrienationen übernommen und der lokale Stand der Technik berücksichtigt werden, wenn Parameter wie Effizienz sowie einfache und schnelle Montage erfüllt werden sollen , um diese Menschen aus den Zelten in dauerhaftere Wohnquartiere zu bringen32,33.

Dabei werden in dieser Untersuchung Umstände hervorgehoben, die sich möglicherweise von denen in kontinentaleuropäischen Ländern unterscheiden und eher mit deren Inselketten oder kleineren Inselstaaten in der Region zusammenhängen. Die gesammelten und genutzten Informationen und Daten konzentrieren sich mehr auf die lokale Dynamik und auf die Untersuchung empirischer Daten aus einem kleinen Inselstaat34,35. Daher kann der Ansatz zur Bewältigung der Herausforderung, Menschen in Krisenzeiten auf angemessene, menschenwürdige, sichere, zeitnahe und kostengünstige Weise unterzubringen, relevant sein und möglicherweise tatsächlich Resonanz bei anderen Orten ähnlicher Größe, ähnlicher klimatischer Bedingungen usw. finden ähnliche Niveaus der industriellen Vorfertigungskapazität, sicherlich im gesamten Mittelmeerraum, aber auch anderswo müssen ähnliche Erwartungen erfüllt werden.

Neben der Frage nach der Entwicklung der Wohnungsfertigfertigung muss sich der Bausektor in der SEMENA-Region (Region Südosteuropa, Naher Osten und Nordafrika) auch in den 2020er Jahren mit einem ständig wachsenden Energiebedarf auseinandersetzen36. Erwähnenswert ist, dass sowohl die Weltbank als auch die Internationale Energieagentur (IEA) davon ausgehen, dass sich der erwartete Energiebedarf der Entwicklungsländer in den nächsten 40 Jahren voraussichtlich verdoppeln wird37. Dies ist das Ergebnis einer intensiven Urbanisierung und eines lokalen Bevölkerungswachstums in einer Größenordnung von 2–6 %, laut UN Habitat, verstärkt durch den Zustrom von Wirtschafts- und politischen Migranten, Asylbewerbern und Flüchtlingen (UN38).

Die Diskussion über die Produktion von nachhaltigem Wohnraum ist nicht neu und wird bereits seit einigen Jahren geführt, insbesondere in Form von Netto-Nullenergie-Gebäuden oder NZEBs, wie von einer Reihe von Forschern festgestellt und diskutiert39,40,41, 42. Regionale Untersuchungen zu aktuellen Notfällen, die eine neue Dringlichkeit geschaffen haben, die darauf abzielt, die Vorteile der Vorfertigung mit gebäudeintegrierten Energiesystemen – in diesem Fall Solarenergie – optimal zu nutzen, sind jedoch weder umfassend noch endgültig28,29,43,44

Es wurde auch festgestellt, dass solche Projekte, die einen Prozess der Energie- und Umweltdesignbewertung durchlaufen, wie z. B. LEED, zu einem Kostenaufschlag von etwa 10 % im Hinblick auf die Baukosten führen45, wohingegen eine gegenteilige Meinung besagt, dass Energieeinsparungen in dieser Größenordnung liegen 30–55 % werden durch vorgefertigte Einheiten im Vergleich zu konventionellen Gebäuden erzielt46. Dies sei möglich, wenn man die Betriebskosten im Laufe der Zeit (im Lebenszyklus des Gebäudes) und als Ergebnis energieeffizienterer Strukturen betrachte, so wird argumentiert. Bei der Bewertung solcher Typologien müssen auch andere nicht kostenbezogene Vorteile berücksichtigt werden, die „grünen“ Gebäuden zugeschrieben werden47. Ein solcher Vorteil hängt mit dem Komfort der Bewohner zusammen, der aus der Optimierung der Regulierung der dynamischen Gleichung resultieren kann, die die Werte von Temperatur und Luftfeuchtigkeit steuert48,49,50 und die wichtige Eigenschaften im Zusammenhang mit einer hohen Raumklimaqualität (IEQ) aufweist. 47,51.

Wohnungsbaubehörden, die Vorfertigungstechniken übernommen haben und diese bevorzugen, haben berichtet, dass die Vormontage an der Produktionslinie – bei umfassender Verwendung der gleichen Vorrichtungen und Formen, im Wesentlichen unverändert und ohne übermäßige Modifikationen – nicht nur zu einer höheren Effizienz führt Konstruktion, sondern auch verbesserte Qualitätskontrolle und bessere Verarbeitung52. Typische Komponenten in diesem Rahmen waren bisher Gebäudekomponenten wie Boden- und Deckenbeläge, Dachbrüstungen, Trennwände und Fassadenplatten, aber auch vertikale Zirkulationskomponenten wie Treppenhäuser und Spezialmodule wie Küchen und Badezimmer mit dazugehörigen Wassertanks.

Weitere Berichte aus ähnlichen Quellen befassen sich mit Fragen der Qualitätskontrolle am Standort sowie damit verbundenen Aspekten der Baubarkeit und der Effizienz vor und nach der Belegung im Hinblick auf Energienutzung und Abfallmanagement. Eine weitere Herausforderung besteht darin, durch die Wahl dieser Bauweise eine schlankere und sauberere Umgebung für die meisten Baugewerke vor Ort zu gewährleisten53. In einigen Orten, beispielsweise in Singapur, wurde durch die Einführung von Richtlinien und Bewertungssystemen, die die Baubarkeit im Rahmen des Buildable Design Appraisal System (BDAS) quantifizieren, bei der Bewertung von Entwicklungen dieser Typologie ein Novum erreicht53,54. Weitere empirische Studien, die diese Beobachtung stützen, weisen auf einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Baubarkeit und den oben genannten Effizienzsteigerungen bei der Wohnungsproduktion und Qualitätskontrolle hin, insbesondere da Kunden eine Schlüsselrolle bei der Einführung und Implementierung von Vorfertigungstechnologien übernehmen, die wiederum Innovationen im Bausektor vorantreiben1,2.

In Zypern befindet sich die Fertigbauindustrie noch in einem frühen Entwicklungsstadium, was dazu führt, dass vorgefertigte Wohnstrukturen in der Regel mit kostengünstigen Materialien und konventionellen Baumethoden errichtet werden. Die Einheiten selbst werden hauptsächlich als Sekundär- oder Nebenstrukturen genutzt27,55. Während des schweren wirtschaftlichen Abschwungs des letzten Jahrzehnts, der auch Zypern traf, stieg das Interesse an Fertighäusern, vor allem aufgrund der geringen Kosten dieser Art von Struktur im Vergleich zu dem, was die konventionelle Bauweise bietet.

Dieser Trend hält auch nach einer Konjunkturerholung an, leider jedoch ohne nennenswerte Verbesserungen der Produktion27. Eine Umfrage wurde von Michael et al.55 durchgeführt, die auf Daten basierte, die aus Fragebögen von Unternehmen stammten, die ausschließlich in der Gebäudevorfertigung tätig waren. Die Fragen beziehen sich auf die durchschnittliche Anzahl der Verkäufe, die bevorzugte Bauart/Nutzung, die Kosten und die benötigte Lieferzeit sowie die gewünschte Größe der Einheiten für die Jahre 2011–2014. Es wird darauf hingewiesen, dass die dominierende Nutzung für Büros und Nebengebäude erfolgte, während Wohnen an dritter Stelle stand.

Im Wohnungssektor ergab die Auswertung der Fragebögen, dass jedes Unternehmen im Jahr 2011 durchschnittlich 17 dauerhafte oder gelegentliche Wohneinheiten errichtete, im Jahr 2012 waren es durchschnittlich 12, im Jahr 2013 durchschnittlich 9 und im Jahr 2013 durchschnittlich 10 2014. Die festgestellte Differenzierung der Verkaufszahlen für den Zeitraum 2012 bis 2014 im Vergleich zu 2011 spiegelt den gesamten Zeitraum der Wirtschaftskrise in Zypern wider55.

Die durchschnittlichen Kosten und Lieferzeiten für die 165 vorgefertigten Einheiten werden mit 560 Euro pro m2 und 5,5 Wochen für Dauerhäuser, 490 Euro pro m2 und 5 Wochen für Ferienhäuser, 350 Euro pro m2 und 3,5 Wochen für Büros und 300 Euro pro m2 angegeben m2 und 3 Wochen für Lagerhallen und Nebengebäude. Die von zyprischen Käufern bevorzugte Größe vorgefertigter Wohneinheiten liegt bei etwa 50–75 m2 pro Wohneinheit, gefolgt von einer Präferenz für Wohneinheiten im Bereich von 75–100 m2. Im Anschluss an diese Umfrage konzentrierten sich weitere Forschungsarbeiten auf die Entwurfs-, Fertigungs- und Montageparameter für eine autonome modulare und räumlich flexible Wohneinheit. Die Einheit folgt den Grundsätzen der Vorfertigung und bietet eine verbesserte Alternative zu dem, was die lokale Industrie derzeit in Zypern zu bieten hat, die Ähnlichkeiten mit den Herausforderungen aufweist, mit denen andere Mittelmeerinseln oder Inselketten mit ähnlichen Problemen konfrontiert sind.

In diesem Fall geht es um die einfache betriebliche Umsetzung, die Leistung im Hinblick auf Energieeinsparungen und die Gesamtkosteneffizienz bei der Herstellung einer Einheit, die nicht nur den unmittelbaren Wohnungsversorgungsbedarf abdeckt, sondern auch eine Bauqualität bietet, die dies gewährleisten kann ein längerer Lebenszyklus entweder einer einzelnen Einheit oder einer Gruppe von Einheiten in einer Wohnsiedlung56,57,58. Um die genannten Parameter zu berücksichtigen, wurde eine Variation eines multikriteriellen integrierten Analyseansatzes verwendet, gefolgt von einer Bewertung der Ergebnisse nach der Belegung. Das Demonstrationsprojekt befasst sich auch mit der Anpassung des Designs und der räumlichen Flexibilität auf der Grundlage eines Teilesatzes, der eine Vielzahl von Designoptionen sowohl für eine einzelne Einheit als auch für mehrere Einheiten ermöglicht59.

Der Umfang und die Art und Weise, wie die Komponentenherstellung und -montage von Fertighaussystemen taxonomisiert werden können, wie Boafo et al.34 vorgeschlagen haben, könnten darin bestehen, die Strukturen der vier Hauptkonzepte von Fertighäusern in Bezug auf ihre einzigartigen Teile zu kategorisieren, nämlich Komponenten, Paneelkonstruktionen, modulare Konstruktionen und Hybridkonstruktionen. Insbesondere beim modularen Typ wird die Struktur außerhalb des Standorts hergestellt und zusammengebaut, entweder als einzelne Einheit oder als kleine Anzahl verschiedener Komponenten, die auf vorgeschriebene Weise zusammengebaut werden können34. Was den Typ „Vorgefertigte Elemente“ betrifft, kann die Einheit entweder vor Ort oder im Fertigungswerk durch Zusammenstellung eines Teilesatzes zusammengestellt werden, der dann je nach bevorzugtem Standort oder je nach den Umständen zusammengebaut werden kann. Beim Typ „Containergeneriert“ kann die Einheit auch vor Ort oder außerhalb des Standorts gebaut werden, wobei mögliche Layouts auf Neukonfigurationen von Standard-Versandcontainern basieren.

Im Anschluss an diese Klassifizierung schlugen Savvides et al.27 einen Rahmen für die Kartierung der vielfältigen Sammlung vorgefertigter Wohneinheiten vor, indem sie eine Taxonomie vorschlugen, die auf verfügbarer Literatur und einer Überprüfung veröffentlichter oder anderweitig verfügbarer Beispiele und Fallstudien basiert. Diese Muster sind wichtig für die Bewertung und Kategorisierung von Fertighaussystemen im Hinblick auf die Merkmale gemeinsamer architektonischer Komponenten. Die Idee hinter diesem Versuch, eine Taxonomie anhand archetypischer Einheitenfamilien zu entwickeln, die ähnliche Komponenten sowie Montage- und Organisationsmerkmale aufweisen, bestand nicht darin, diese Merkmale gegenüberzustellen, sondern vielmehr darin, die Wirksamkeit der verschiedenen Alternativen, wie sie auch sein könnten, kritisch darzustellen Erfüllen und bedienen Sie die „grüne“ Dimension in einem breiteren Gestaltungsrahmen für die Vorfertigung von Wohngebäuden.

Obwohl die Literatur zu diesem Thema begrenzt ist, gibt es eine Reihe von Studien, die Vorfertigung im Wohnungsbau mit Energieeffizienz in Verbindung bringen. Savvides et al.27 untersuchten mehrere Fallstudien (14 modulare, 30 vorgefertigte Elemente, 6 generierte Container) und identifizierten 46 Typen, die unterschiedliche Vorfertigungsmerkmale aufweisen, wie diese teilweise in Tabelle 127 angegeben sind.

Es ist offensichtlich, dass der beliebteste Gerätetyp (der bei Bedarf auch netzunabhängig eingesetzt werden kann) der Typ vorgefertigter Elemente ist, gefolgt vom Modultyp und dem Containertyp. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Verwendung vorgefertigter Elemente aufgrund eines einfacheren Produktionsprozesses kostengünstiger sein kann als bei den anderen beiden Typen, die in diesem Bereich stärkere Einschränkungen aufweisen, da sie nicht sehr einfach herzustellen und zu bauen sind. Eine bauliche Voraussetzung für die Montage ist daher, dass eine typische Einheit ganz oder teilweise transportfähig ist. Der Transport könnte erleichtert werden, wenn es in einzelne Komponenten zerlegt, im Werk ganz oder teilweise zusammengebaut und zur Baustelle zur Fertigstellung und Montage transportiert würde. Darüber hinaus würde eine modulare Konzeption die Möglichkeit bieten, in Clustern aus vielen Einheiten organisiert zu werden, die ihrerseits dazu beitragen könnten, einen größeren, umfangreicheren Komplex zu bilden. Darüber hinaus könnte es durch die Integration von Komponenten wie Solarsystemen, chemischen Sanitäranlagen, Wassersammelinfrastrukturen usw. die Möglichkeit eines netzunabhängigen Betriebs bieten.

Die Baustoffpalette könnte eine Vielzahl von Einzelmaterialien oder Verbundkomponenten aus Metall, Holz, Mauerwerk und/oder Hybridmaterialien umfassen. Die zugehörige Struktursystemkonfiguration würde höchstwahrscheinlich auf Pfosten- und Balkenanordnungen oder einer Ballonrahmenkonfiguration oder sogar einem selbsttragenden Lasttragsystem basieren. Im Hinblick auf die Standortanpassungsfähigkeit der Einheit sollte diese entweder auf Stützen oder auf Stelzen platziert werden können.

In den meisten Fallstudien wird der Einbeziehung passiver Systeme, die natürliche Beleuchtung und Belüftung sichern und gewährleisten sollen, große Aufmerksamkeit geschenkt, während Beschattungssysteme die Leistung der Einheit im Hinblick auf Solargewinne und Wärmeverluste durch den Einbau von Wärmedämmung regulieren durch Sicherstellung der Luftdichtheit der Gebäudehülle, insbesondere dort, wo Wärmebrücken auftreten können. Wenn die Einheit außerdem dazu beiträgt, die Heiz- und Kühlenergiebelastung zu reduzieren, kann sie die Betriebskosten senken und zum thermischen Komfort der Benutzer beitragen.

Nachfolgende Anforderungen bestanden darin, dass die Einheiten über ein aktives System erneuerbarer Energien verfügen sollten, um die Energiebilanz des Gebäudes durch Energieproduktionsautonomie zu regulieren. Konkret deuten die Untersuchungen tendenziell darauf hin, dass dieses Ziel durch den strategischen Einsatz speziell eingesetzter, integrierter Photovoltaikmodule (PVs) oder angewandter Solarthermiesysteme (STSs) erreicht werden könnte. Auch wenn ökologische Praktiken nicht in allen Fallstudien berücksichtigt werden, erfreut sich die Beschäftigung mit guten Praktiken in dieser Hinsicht immer größerer Beliebtheit, da sie zur Minimierung des ökologischen Fußabdrucks des Gebäudes durch die Verwendung von wiederverwertbaren Materialien und Gründächern und/oder beitragen Wände sowie durch die Integration von Mechanismen zur Wasserwiederverwendung und lokalen Regenwasserspeicherung. Letztendlich können diese Erkenntnisse einen ersten Fahrplan für die Auswahl von Komponenten und Montagetechniken sowie der damit verbundenen Infrastruktur darstellen, der den Schaltplanentwurf ankurbeln und als Grundlage für die Designentwicklung und Konstruktionsspezifikationen dienen kann.

Die vorgeschlagene Untersuchung basiert auf einem Research-by-Design-Ansatz. Es beginnt mit der Durchsicht relevanter Referenzen, die im vorherigen Abschnitt in Bezug auf die Konstruktion, Herstellung und Montage von Einheiten beschrieben wurden, während in zwei weiteren Forschungszweigen auch Aspekte der Umweltverantwortung untersucht wurden.

Im ersten Schritt führt die Durchsicht der Literatur zu einer Eingrenzung relevanter typologischer Präzedenzfälle, deren Parameter dann morphologische Merkmale beeinflussen. Diese Attribute sind auf spezifische Standortmerkmale abgestimmt, die auf klimatischen, kulturellen und wirtschaftlichen Merkmalen beruhen und verschiedene architektonische Komponenten der Entwurfs- und Baudokumentation beeinflussen und eine Rolle in der Wertschöpfungskette der Fertigung und Montage spielen60.

Im zweiten Teil, der Konzeptualisierung des dargestellten Demonstrationsprojekts, geht es um die Optimierung des Vorfertigungsprozesses, wie er in Zypern existiert, und zwar auf eine Weise, die bewährten Grundsätzen des Umweltdesigns und der Kosteneffizienz entspricht. Die vorgeschlagene Wohneinheit wurde auch im Hinblick auf Energie- und Tageslichtleistung sowie Kosteneinsparungen bewertet. Tageslichtsimulationen wurden durchgeführt, um die Tageslichtautonomie, die jährliche Sonneneinstrahlung und die Blendungswahrscheinlichkeit der Einheit zu untersuchen, mit dem letztendlichen Ziel, die Installation von Beschattungsgeräten zu definieren, während eine Kostenanalyse durchgeführt wurde, um die Erschwinglichkeit der Einheit zu validieren. Bei der Prüfung des Designvorschlags für dieses Pilotprojekt spielten passive Designstrategien eine wichtige Rolle. Diese wurden mithilfe einer offiziell genehmigten Software namens iSBEM CY (Simplified Building Energy Model, iSBEMcy_v3.4.a) quantifiziert und überprüft, die zu diesem Zweck von der Republik Zypern und mit dem Ziel entwickelt wurde, die Energieeinsparungen dadurch zu maximieren Die Konfiguration des Gebäudes und die Eigenschaften der ausgewählten Gebäudekomponenten werden berücksichtigt und gleichzeitig der thermische Komfort der Bewohner des Gebäudes gewährleistet.

Zur Durchführung rechnerischer Simulationen des Tageslichtverhaltens der vorgefertigten Einheit wurde das Plugin „DIVA“ in der Rhinoceros-Software verwendet. „DIVA“ verwendet die Radiance-Simulations-Engine, die für Beleuchtungssimulationen weithin akzeptiert und validiert ist. Das 3D-Modell der Fertighauseinheit wurde in der Rhino 7-Schnittstelle entworfen. Die festgelegten Parameter sahen vor, dass das Belegungsmuster in einem Zeitbereich von 08:00 bis 18:00 Uhr liegen würde (ein Bereich, der die Tageslichtstunden für Zypern einschließt), unter Verwendung der Sommerzeit (DSM). Die Analyse berücksichtigt nicht die Nachtstunden, in denen künstliche Beleuchtung erforderlich wäre. Die Simulation wurde auf einer Arbeitsebenenhöhe von 0,85 m über dem fertigen Boden durchgeführt, wobei ein Raster von 0,20 m × 0,20 m zur detaillierteren Analyse der Tageslichtverteilung verwendet wurde. Darüber hinaus ist das Oberflächenreflexionsvermögen der Materialien in Tabelle 2 angegeben.

Zu den weiteren Überlegungen gehörte die hohe Sonneneinstrahlung in Zypern, die den Anlass für die Untersuchung und Implementierung von Beschattungsvorrichtungen für das Gerät gab. Somit ist der Einsatz horizontaler Verschattungsanlagen mit drei unterschiedlichen Drehpositionen berücksichtigt. Unterschiedliche Rotationen waren unerlässlich, um Beschattungkonfigurationen zu vergleichen und anhand der Ausrichtung der verschiedenen Programmelemente die optimale Einstellung zu bestimmen. Die Positionierung und Verwendung von Beschattungslamellenvorrichtungen ist in Abb. 1 dargestellt.

Drehung von Beschattungsgeräten; (a) 90°, (b) 60° (30° gegen den Uhrzeigersinn), (c) 120° (30° im Uhrzeigersinn) Lamellendrehung.

Fünf verschiedene Szenarien wurden untersucht und im Hinblick auf die primären Baumaterialien und -methoden verglichen, um die potenziellen Baukosten abzuschätzen:

Stahlrahmenkonstruktion mit Eco-Panel-Mauerwerk

Stahlrahmenkonstruktion mit Leichtmauerwerk

Holzrahmenbau

Bau von Betonmauerwerkseinheiten (CMU).

Stahlbetonbau (konventionelle Bauweise)

Es wurden einige Annahmen getroffen, damit die Gegenüberstellung der verschiedenen Szenarien gültig und realistisch ist, sowohl im Hinblick auf eine solide Leistungsübersicht als auch auf informierte Kosten.

Erstens wird davon ausgegangen, dass die Größe der Einheit in allen Fällen konstant ist, damit das Mengenverzeichnis Fehler bei Vergleichen ausschließt. Zweitens wurde für alle Alternativfälle eine statische Systemanalyse durchgeführt, um die Größen der jeweiligen Querschnitte der tragenden Bauteile zu ermitteln.

Beim Stahlrahmenbau mit Leichtmauerwerk entsprachen die Abmessungen der verwendeten Träger und Stützen sowie die Dicke der Platten denen des Demonstrationsprojekts. Für die anderen Alternativen ergab die Analyse Folgendes:

Was die Holzrahmenkonstruktion betrifft, so wurden für das Dach Holzelemente mit einer Größe von 6,5 × 10 cm ausgewählt, während die Gesamtdicke des Mauerwerksrahmens 18 cm betrug. Die Analyse empfahl außerdem die Verwendung von zwei Metallsäulen mit einem quadratischen Querschnitt von 10 × 10 cm.

Nach der gleichen Methodik ergab die Analyse für CMU Construction, dass eine Metallsäule mit einem Querschnitt von 10 × 10 cm verwendet werden sollte, um die Blockkonstruktion zu verstärken. Ebenso könnte eine zusätzliche Maßnahme der Einsatz von 15 cm hohen Stahlbetonapplikationen sein, die über allen Mauerwerksöffnungen (Fenster und Türen) angebracht werden.

Was schließlich die konventionelle Bauweise betrifft, so hatten alle Balkenabschnitte eine Größe von 25 × 50 cm, sechs Stützenabschnitte à 25 × 25 cm mit Fundament- und Dachplatten von 35 cm bzw. 17 cm Dicke.

Nachdem so die Designparameter und -spezifikationen definiert wurden, zielt das Demonstrationsprojekt darauf ab, eine verbesserte und ganzheitlichere Alternative für eine vorgefertigte Wohneinheit bereitzustellen, die auf einer standardisierten Bausatzmontage und auf Umweltdesignprinzipien basiert, die einem integrierten Designansatz unterliegen. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Beschreibung der vorgeschlagenen Designforschung, wobei der Schwerpunkt auf den wichtigsten Designentscheidungen liegt, die das Demonstrationsprojekt bestimmen.

Insgesamt wird das Modell durch die folgenden Merkmale bestimmt, die auf den Ergebnissen der in „Analyse und Taxonomie vorgefertigter Strukturen“ vorgestellten Taxonomie basieren:

Hinsichtlich der Konstruktionsaspekte sollte sich die Einheit ganz oder teilweise für die Tragbarkeit eignen, basierend auf dem Zusammenbau größerer Gebäudekomponenten aus einem standardisierten Teilesatz, und Flexibilität in der Konfiguration, aber auch Vielfalt in Bezug auf räumliche Anordnung und Gestaltung bieten Auch die Möglichkeit einer zukünftigen Erweiterbarkeit wird berücksichtigt. Die Baumaterialien sollten unter Berücksichtigung ihrer thermischen Eigenschaften und ihres Wiederverwendungspotenzials aus Metall, Holz und Hybridmaterialien ausgewählt werden.

Bezüglich des Struktursystems deuten die Untersuchungen darauf hin, dass sich ein Pfosten-Träger-System gut als Hauptstruktursystem für dieses Demonstrationsprojekt eignet, in einer Ballonrahmenkonfiguration oder sogar als tragendes, selbsttragendes System.

Im Hinblick auf die Anpassung an die physische Standortanpassung und deren Bewältigung werden Strukturpolster oder Stelzen vorgeschlagen, um Standortprobleme zu bewältigen, die sich aus unebenem Boden ergeben.

Im Hinblick auf die Umweltdesigndimension deuten die Untersuchungen darauf hin, dass die aktiven Energiesysteme der Einheit angewandte oder integrierte Photovoltaik (PV) und/oder angewandte Solarthermiesysteme (STS) umfassen sollten61, zumindest für Zypern und sein mediterranes Klima und die vorherrschende Sonneneinstrahlung.

Die passiven Systeme der Einheit zur Sicherung der natürlichen Beleuchtung und Belüftung sollten in größtmöglichem Umfang genutzt werden. Weitere Überlegungen ermöglichen die Beschattung und die Regulierung der direkten Sonneneinstrahlung bei Bedarf sowie die Bereitstellung thermischen Komforts für potenzielle Nutzer durch den Einsatz geeigneter Dämmschichten und die Minimierung des Wärmeverlusts durch die Konstruktion einer luftdichten Einheit.

Gleichzeitig sollte durch die Integration intelligenter Gebäudemanagementsysteme eine Reduzierung des Energiebedarfs angestrebt werden, die zu Energieeinsparungen führt.

Schließlich wird die Einheit durch die Verwendung von recycelten oder wiederverwendeten Materialien beim Bau umweltfreundlicher.

Mit den oben beschriebenen Schlüsselentwurfsstrategien und Entwurfsparametern („Entwurfsziele“) wurde der Untersuchungsprozess mit der Erforschung der möglichen architektonischen Morphologien fortgesetzt, die übernommen werden könnten, mit dem Ziel eines kostengünstigen Bauzyklus, einer einfachen Montage und mehr unter Berücksichtigung der Effizienz des Energiebedarfs bei niedrigen Betriebskosten, basierend auf einer Kerneinheit von 21 m2 (Innenmaße 7,00 × 3,00 × 2,70 m), bestehend aus einem sieben mal drei Gitter (7 × 3) in Abständen von 1 m (Abb. 2). ).

Kerneinheit (links), Demogebäude (rechts), bestehend aus der Vereinigung zweier Kerneinheiten, die durch einen Innenhof miteinander verbunden sind, wodurch ein 60 m2 großes Haus entsteht.

Bei der Kartierung des industriellen Know-hows in Zypern in diesem Industriesektor („Vorfertigungsnutzung: der Fall Zyperns“) wurde darauf hingewiesen, dass die Einheit beweglich sein und von einem Teilesatz abhängig sein sollte. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Hülle der Einheit aus Montageplatten (80 mm dicken Eco Panels) besteht, untersuchte das Team die Möglichkeit, diese auf einfache Weise zu installieren und zu deinstallieren (Abb. 3).

Abbildung des Gehäuses der Einheit; durch Zusammenfügen von Platten gebildet.

Diese Option des Schalendesigns bietet eine optimale Energieeffizienzleistung und hält die Gesamtbaukosten innerhalb der vorgeschriebenen Parameter. Es wird empfohlen, entsprechende Überhänge zu installieren, da diese auch als Aufnahme für die Solarpaneele (Photovoltaik und/oder Solarthermie) dienen. Im Umkreis der vorgeschlagenen Einheit installierte das Studienteam gebohrte Sonnenschutzpaneele, deren Lamellenwinkel durch die Tageslichtleistung bestimmt wurde. Die Ergebnisse werden im Folgenden vorgestellt („Passive Systeme“).

Die Tragwerksplanungsstudie bestätigte die Möglichkeit, die vorgeschlagene Einheit sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Achse auf bis zu zwei Etagen zu erweitern, wodurch die Möglichkeit der Anpassung an alternative Grundrisse erweitert wurde, was zu einer Einheit von entweder 40 m2 oder 60 m2 und damit besser führen könnte dienen den räumlichen und organisatorischen Anforderungen zukünftiger Bewohner und ermöglichen gleichzeitig die Bildung von Wohneinheitenclustern. Um dies zu erreichen, wurde nach der Pfosten-Riegel-Konstruktion eine Strukturanalyse durchgeführt und ein Entwurf für einen „Kit-of-Parts“ entwickelt, der aus sieben Hauptteilen besteht. Diese können je nach den Bedürfnissen und Anforderungen der Endnutzer in mehreren unterschiedlichen Anordnungen konfiguriert werden, sodass eine einzelne Einheit, eine zweistöckige Einheit oder sogar eine Gruppe von Einheiten entsteht (Abb. 4).

Alternative Baugruppen für das Demonstrationsprojekt. Die Entwicklung des Prototyps basiert auf der zweiten Konfiguration von links.

Die speziell für den Entwurfsvorschlag konfigurierten Komponentensätze bilden drei Elementgruppen: (a) die primären Strukturelemente, basierend auf den Stahlprofilen IPE220 und SHS 100 × 100 × 8, (b) die sekundären Strukturelemente, basierend auf den Stahlprofilen IPE100, und (c) alle sekundären Strukturelemente unter Verwendung von Leichtstahl als Stütze für die Wandstrukturen und als Rahmen für etwaige Öffnungen (Abb. 5).

Aufschlüsselung des „Kit-of-Parts“.

Die Strukturelemente werden in einer kontrollierten Umgebung außerhalb des Standorts hergestellt und zur Kerneinheit zusammengebaut. Anschließend werden die Kerneinheiten zur weiteren Montage an den Standort transportiert. Das Demonstrationsgebäude wurde hergestellt und auf einem flachen Tieflandfeld am Stadtrand von Nikosia errichtet, wo es eine Zeit lang als Ausstellungsstück für Forschungs- und kommerzielle, Werbe- und industrielle Demonstrationszwecke dienen wird.

Zusammen mit allen zuvor genannten Strategien führte das Designteam eine Bewertung der verschiedenen Energie- und Umweltdesigninitiativen durch, die in Übereinstimmung mit bioklimatischen Designprinzipien in die Demonstrationseinheit integriert werden konnten. Diese Bewertung umfasste Heiz- und Kühlstrategien für verbesserte mikroklimatische Bedingungen; Tageslichtstrategien zur Schaffung idealer Sehkomfortbedingungen in Innenräumen; und das Ziel zu erreichen, den Energieverbrauch zu minimieren und die Betriebskosten deutlich zu senken.

In der Entwurfsentwicklungsphase des Prozesses wurden Parameter berücksichtigt, die mit der Erreichung eines Gebäudes mit Null- oder nahezu Null-Energiebedarf zu tun hatten, und es wurde als sinnvoll erachtet, die architektonische Integration von Photovoltaik- und/oder Solarthermiesystemen frühzeitig zu berücksichtigen. Das Obige würde den Energiebedarf der Einheit decken, falls sie autonom netzunabhängig arbeiten muss. Diese Denkweise führte zur Wahl einer gebäudeintegrierten und lichtundurchlässigen PV-Anlage auf dem Dach der Einheit, während auf den nach Süden ausgerichteten Überhängen eine semitransparente, gebäudeintegrierte PV-Anlage gewählt wurde, die gleichzeitig passiv als Beschattungsvorrichtung dient das Deck darunter.

Auch im Rahmen des passiven Designs (Abb. 6) entstanden mehrere Strategien, bei denen die Einsparung des Energiebedarfs und die Sicherung des thermischen Komforts der Bewohner ein weiteres Hauptziel waren. Durch die strategische Platzierung der Öffnungen wird natürliches Licht erreicht, um die besten Sonneneinstrahlungs- und Beschattungsbedingungen zu nutzen, während Querlüftung durch die strategische Platzierung der Öffnungen in der Gebäudehülle erreicht wird. Dieser Ansatz funktioniert gut mit den erwarteten Kühlstrategien, die in Verbindung mit den geplanten passiven Verschattungssystemen funktionieren.

Die wichtigsten passiven Strategien, die auf die Einheit angewendet werden. Von links nach rechts: passives Beschattungssystem, natürliche Querlüftung, direkte Solargewinne, Wärmedämmung, Pufferzone.

Bei der Betrachtung von Heizstrategien ist darauf zu achten, dass die Gerätekonstruktion direkte solare Gewinne ermöglicht und so die mechanische Heizlast in der kühlen und kalten Jahreszeit reduziert, während in der warmen und heißen Jahreszeit die integrierten passiven Verschattungssysteme dazu beitragen, diese zu verhindern oder zumindest zu minimieren —Überhitzung der Innenräume. Gleichzeitig wird das Ziel, eine allgemeine Luftdichtheit der Gebäudehülle zu erreichen, durch die Anordnung einer Wärmepufferzone auf der Nordseite der Einheit bei gleichzeitiger Verwendung geeigneter Wärmedämmschichten, die unerwünschte Wärmeaustausche mit der Außenumgebung minimieren, leichter erreichbar .

Wie bereits erwähnt, versuchte das Studienteam durch die Einbeziehung nachhaltiger Designpraktiken in die gesamte Herstellung und Konfiguration der Einheit, die Verwendung recycelter Strukturteile und Baumaterialien in der Montagelinie zu maximieren, insbesondere solche aus Aluminium oder Holz. Recycelte Elemente, hauptsächlich aus Oriented Strand Board (OSB), wurden auch für feste und bewegliche Möbel einschließlich Innenausstattungen wie Boden- und Deckenbehandlungen sowie Außenverkleidungsausführungen verwendet. Dies steht im Einklang mit der umfassenderen Philosophie, die die erwartete Einfachheit bei der Montage und Demontage der vorgeschlagenen Einheit bestimmt und sich auf einen einfachen Transport und die Neukonfiguration von Bausatzelementen konzentriert. Diese wiederum basieren auf modularen und austauschbaren Komponenten, um den sich ständig ändernden Bedürfnissen potenzieller Benutzer gerecht zu werden. Diese Strategie unterstützt auch den ökologischen Designansatz der Einheit, der durch die Kombination der oben genannten Bausätze mit entsprechenden Trockenbautechniken erreicht wird.

Aspekte der „Smartness“ werden durch den Einbau von Sensoren, die permanent relative Umgebungsparameter erfassen, passiven Elementen (Öffnungen und Überstände) sowie Heiz-, Kühl- und Beleuchtungskomponenten Rechnung getragen. Die Installation eines Automatisierungssystems dient der Regelung und Übernahme des Energiemanagements der Einheit, um die betriebliche Effizienz zu optimieren und Verluste auf ein Minimum zu reduzieren. Ein weiteres Element, das das Demonstrationsprojekt definiert, ist die Integration einer passiven Interaktionsbenutzeroberfläche, die ein integriertes Benutzerprofil basierend auf der Aufzeichnung von Verhaltensmustern aktualisiert.

Wie im Kapitel „Methodik“ dargestellt, wurde das vorgeschlagene Demonstrationsprojekt im Hinblick auf die Energieleistung, die Tageslichtleistung und potenzielle Kosteneinsparungen im Zusammenhang mit fundierten Entscheidungen bei der Verwendung von Materialien und angewandten Herstellungs- und Montagemethoden sowie bei der Rationalisierung von Gebäudeabläufen bewertet.

Das örtliche Bewertungssystem zur Prüfung der Energieeffizienz verlieh der Einheit die Note „A“, was die höchstmögliche Note darstellt und in Zypern eine rechtsverbindliche Bezeichnung darstellt. Das macht die Einheit zu einem nahezu Nullenergiegebäude (nZEB) mit geringen Betriebskosten und maximaler Energieeffizienz.

Den Simulationen zufolge beträgt der Gesamtenergieverbrauch 53,7 kWh/m2/Jahr, der vollständig durch die erneuerbaren Energiesysteme (RES), 95 % durch die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) und 5 % durch das Solarthermiesystem gedeckt wird (STS). Eine Analyse der Lasten hinsichtlich des Energieverbrauchs ist in Abb. 7 dargestellt.

Analyse des Energieverbrauchs des geplanten Gebäudes, exportiert aus der Software.

Wie in den Abb. gezeigt. 7 und 8 sind die Kühllasten der Einheit das ganze Jahr über deutlich höher als die Heizlasten, was sich erklärt, wenn man die Grundfläche der Einheit im Verhältnis zur erheblichen Ausdehnung der nach Süden ausgerichteten Glasfassaden der Einheit betrachtet. Die daraus resultierende Analyse unterstützt die Strategien des Forschungsteams im Hinblick auf Umweltdesignentscheidungen. Es unterstützt auch Entscheidungen hinsichtlich der Auswahl der für den Bau verwendeten Techniken und Materialien und bei der Erfüllung des Auftrags zur Gewährleistung einer natürlichen Querlüftung, die sich aus passiven Kühlstrategien ergibt.

Energieverbrauchslasten des geplanten Gebäudes, analysiert pro Monat, exportiert aus der Software.

Die Tageslichtanalyse wurde auch als wichtiger Faktor für die Einhaltung der Umweltdesignparameter für die vorgefertigte Einheit angesehen. Auch wenn die optimalen Beleuchtungsniveaus für ein Wohnhaus nicht mit absoluten Werten definiert werden können – da sich die Aufgaben und Aktivitäten für jeden Nutzer je nach Bedarf unterscheiden, wurden Simulationsmethoden zur Untersuchung der Tageslichtleistung eingesetzt. Auf dieser Grundlage wurden Beschattungsgeräte identifiziert, die ein akzeptables natürliches Lichtniveau aufrechterhalten und gleichzeitig unerwünschte Sonnenwärmegewinne reduzieren. Die Tageslichtleistung mithilfe statischer Metriken war auf bestimmte Zeiten und Tage im Jahr beschränkt. Daher wurden in der aktuellen Forschung die dynamischen Metriken Tageslichtautonomie (DA), kontinuierliche Tageslichtautonomie (cDA), jährliche Sonneneinstrahlung (ASE) und nützlich verwendet Es wurde die Tageslichtbeleuchtungsstärke (UDI) verwendet. Die Mindestbeleuchtungsstärke wurde auf 300 lx62,63 festgelegt.

Wenn man bedenkt, dass die Tageslichtautonomie als der Prozentsatz der genutzten Fläche gemessen wird, der 300 lx oder mehr für mehr als 50 % der genutzten Fläche erreichen kann64, deuten die in Abb. 9 dargestellten Ergebnisse darauf hin, dass alle vorgeschlagenen Räume ausreichend Licht haben Zugang zu Tageslicht während der Belegungszeiten der Einheit. Berechnungen zeigen, dass die mittlere kontinuierliche Tageslichtautonomie höhere Ergebnisse liefert als die mittlere DA.

Mittlere Tageslichtautonomie und mittlere kontinuierliche Tageslichtautonomie.

Zusätzlich zur Tageslichtautonomie wird die jährliche Sonneneinstrahlungsmetrik verwendet, um die Exposition eines Raums gegenüber direktem Sonnenlicht zu untersuchen. Dieser Indikator wird normalerweise als Prozentsatz eines Raums ausgedrückt, der mehr als 250 Stunden pro Jahr 1000 Lux Sonnenlicht erreicht (die Umgebungsreflexionsparameter sind auf 0 eingestellt). LEED und der WELL Building Standard65 verlangen, dass die ASE 10 % der Raumfläche nicht überschreitet64, The WELL Building Standard V1, 201466. Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse für ASE für die Fertighauseinheit. Es scheint, dass alle Räume aufgrund der großen Verglasungsflächen einer erheblichen direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Durch den Einsatz von Verschattungsgeräten wird die exponierte Fläche reduziert. Wie in Abb. 8 dargestellt, ist die beste Option für alle Räume in der Fertighauseinheit die Verwendung von Lamellen in einem Winkel von 60°, was zu ASE-Ergebnissen von weniger als 40 % führte. Zusätzliche interne Beschattungsmöglichkeiten wie Jalousien oder Vorhänge könnten zusätzlich vor Sonneneinstrahlung schützen.

Jährliche Sonneneinstrahlung.

Ein weiterer weit verbreiteter dynamischer Indikator ist die nutzbare Tageslichtbeleuchtungsstärke. Die in Abb. 11 dargestellten Daten zeigen, dass alle vier Räume der Einheit über mehr als 60 % ihrer Fläche mit nutzbarem Tageslicht verfügen (UDI 300–3000 lx). Beim Einsatz von Verschattungsgeräten erhöht sich der UDI zwischen 300 und 3000 lx um bis zu 80 %. Diese Kennzahl ist ein weiterer Beweis dafür, dass die Montage von Beschattungsgeräten, insbesondere im Wohnzimmer und im Schlafzimmer 1, den Sehkomfort der Benutzer erheblich verbessern könnte.

Nützliche Tageslichtbeleuchtungsstärke (300–3000 lx).

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Tageslichtleistung, der für die Untersuchung berücksichtigt wird, ist die Blendungswahrscheinlichkeit. Für diese Analyse wurde die statische Metrik von DGP verwendet. Da es für jeden Raum mehrere Betrachtungsmöglichkeiten gibt, wurden, wie in Abb. 12 dargestellt, vier Optionen ausgewählt, um die Blendung basierend auf der relativen Position der Bewohner bei verschiedenen Aktivitäten zu analysieren.

Betrachtungspositionen zur Analyse der Blendungswahrscheinlichkeit.

Die Analyse wurde für die Sommersonnenwende, die Wintersonnenwende und die Herbst-Tagundnachtgleiche um 9:00, 12:00 und 15:00 Uhr durchgeführt. Die Daten zeigen, dass es, wenn in der Küche, im Wohnzimmer und im Schlafzimmer 1 keine Beschattungsvorrichtungen verwendet werden, vor allem im Winter und insbesondere um 09:00 Uhr zu Blendungsproblemen kommen kann, da die Sonne zu dieser Zeit tiefer steht. Durch den Einsatz einer Verschattung wird die Blendungswahrscheinlichkeit auf unter 0,45 oder sogar 0,35 reduziert, was als nicht wahrnehmbar definiert wird. Die Drehung der Lamellen um 60° sorgt für den besten Blendschutz für alle Räume (Abb. 13).

Analyse der Tageslichtblendungswahrscheinlichkeit (DGP).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die oben dargestellten statischen und dynamischen Indikatoren das ganze Jahr über ein ausreichendes bis gutes Tageslichtniveau anzeigen, während die Installation von Beschattungsvorrichtungen (insbesondere bei einem Winkel von 60°) die Blendeffekte erheblich reduzieren kann.

Der Zweck der Kostenanalyse bestand darin, verschiedene Baumethoden zu untersuchen, hauptsächlich im Hinblick auf alternative Materialien und Optionen für den Bau des Demonstrationsprojekts. Konkret handelt es sich bei der untersuchten Einheit um einen Studiotyp mit einer Fläche von 30 m2 (einschließlich überdachter Veranda). Der typische Aufbau dieser Einheit besteht aus einer Stahlrahmenkonstruktion und Eco Panels für Mauerwerk und Dacheindeckung. Bei der Gegenüberstellung der unterschiedlichen Szenarien ging es um die relevanten Baukosten und die mechanischen Eigenschaften der primären Baustoffe.

Nachdem die Entwurfsparameter festgelegt waren, wurden alle Mengen für die Bauteile und Oberflächenbehandlungen berechnet, um eine Mengenliste zu erstellen. Für jede Fallstudie/jedes Gebäudeszenario wurde ein Leistungsverzeichnis verwendet. Die Gesetzentwürfe enthielten eine erweiterte Liste hinsichtlich des Fundaments, der tragenden Bauteile der Gebäudestruktur, des Dachs und Bodenbelags, des Mauerwerks, der Isolierung, Farben und Beschichtungen (z. B. Putzspachteln, falls erforderlich). Sämtliche Arbeiten von Subunternehmern, einschließlich Sanitär-, Elektro-, Fliesen- und Ausstattungsarbeiten, waren nicht im Leistungsverzeichnis enthalten, und daher stellt die endgültige Kostenschätzung für jede Studie nicht die tatsächlichen Baukosten dar. Es wurde davon ausgegangen, dass diese nicht berücksichtigten Kosten auf derselben Grundlage lagen, für alle Fallstudien ähnlich waren und mit den Preisen auf dem zypriotischen Bauindustriemarkt zum Zeitpunkt dieser Studie übereinstimmten. Nachdem alle fünf Leistungsverzeichnisse fertiggestellt waren, wurden die Kosten für jede Bauweise geschätzt, wie in Tabelle 3 dargestellt.

Die Untersuchung alternativer Baumethoden ergab, dass das Demonstrationsprojekt im Vergleich zu anderen Stahlrahmen-, Holzrahmen- und konventionellen Konstruktionen die kostengünstigste Bauoption darstellt, eine Tatsache, die die Entscheidungen stützt, die für die vorgeschlagene Einheit auf der Grundlage der Leistungsfähigkeit getroffen wurden.

Die Kostenlücke liegt in kleinen Unterschieden in den Bauweisen, die sich auf die Strukturen selbst auswirken. Die folgende Tabelle (Tabelle 4) beschreibt die relevanten Kosten analytisch. Auffällig ist die Effizienz des für das Demonstrationsprojekt gewählten Vorfertigungsansatzes, da keine Beschichtung (und insbesondere keine Gipsspachtelbeschichtung) erforderlich ist, was ein durchgängig kostensteigernder Faktor bei den Alternativen ist. Ein weiterer kostensteigernder Faktor ist die Notwendigkeit eines Plattenfundaments, das im Demonstrationsprojekt nicht erforderlich war.

Bemerkenswert ist auch der Kostenunterschied pro Quadratmeter beim Vergleich verschiedener Szenarien. Das Demonstrationsprojekt ist 148,33 €/m2 günstiger als die konventionelle Bauweise, während die Differenz zwischen der betreffenden Einheit und der Holzrahmenalternative auf 46,57 €/m2 sinkt (Tabelle 4).

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vorgeschlagene Bauweise und Materialität des Demonstrationsprojekts deutliche Vorteile gegenüber den alternativen Bauarten aufweist, da sie effizienter und erschwinglicher ist. Es ergeben sich nicht nur Vorteile während der Bauarbeiten, sondern auch die Sanierungskosten scheinen gering zu sein, insbesondere wenn man die Lebensdauer der Materialien berücksichtigt. Der einzige Nachteil der vorgeschlagenen Einheit könnte die Menge der CO2-Emissionen in der Stahlproduktionsphase sowie die Menge des in einigen Komponentenmaterialien enthaltenen CO2 sein, insbesondere wenn es um Ökopaneele geht (Tabelle 5). . Andererseits wird während der Bauphase selbst der CO2-Ausstoß bei der Montage der Einheit auf ein Minimum reduziert. Dies ist auf einen effizienten und optimierten Produktionslinienprozess zurückzuführen, der von Skaleneffekten profitiert.

Das Forschungsziel bestand darin, einen Beitrag zur Literatur zu leisten, indem ein tatsächliches Demonstrationsprojekt betrachtet wurde, das als Testumgebung für die Untersuchung des vorderen Endes des Entwurfs- und Bauprozesses diente, bei dem die Typologie von Wohneinheiten auf Vorfertigung und Modularität basiert . Ein wichtiger Aspekt der Arbeit war die Sammlung unterschiedlicher Literaturreferenzen und Fallstudien und deren Zusammenstellung zu einer Taxonomie von Archetypen und zu Gruppen mit spezifischen Merkmalen – zu „Familien gleichgesinnter Projekte“. Durch die Zusammenstellung dieser Taxonomie stellten die Forscher fest, dass der beliebteste Typ vorgefertigter Wohneinheiten der Typ „Elemente“ ist.

Mithilfe des erworbenen Wissens, der Anpassung geeigneter Technologien und der optimalen Nutzung des lokalen technischen Know-hows wurden fundierte Entscheidungen in Bezug auf Design, Fertigung, Transport, Montagestrategien und Energieeffizienz von den frühen Phasen der Komponentenproduktion bis zur Montage vor Ort getroffen. Darüber hinaus soll das Demonstrationsprojekt netzunabhängig funktionieren und eine maximale Nutzung der Effizienz und Kosteneinsparungen erreichen, die mit einer Wertschöpfungskette verbunden sind, die stark auf die Verwendung von Vorfertigung angewiesen ist, um einen tragbaren Bausatz der Hauptteile zu erstellen architektonische Komponenten.

Ein weiterer Aspekt seiner Originalität liegt in der Auswahl der Materialpalette, die bei der Gestaltung des Vorfertigungsprozesses und der anschließenden Transportanforderungen zu einem bestimmten Standort verwendet wird, während gleichzeitig die durch den Standardtransport auferlegten Maßbeschränkungen bis hin zu Straßenbreiten und Brückendurchfahrtshöhen bewältigt werden . Weitere Herausforderungen sind der Bereitstellungsbereich und die Montagereihenfolge (vor Ort) mit möglichst wenigen Bauteilen in kürzester Zeit und ohne den Einsatz spezialisierter Fachkräfte.

In der Kostenanalyse wurde deutlich, dass die Bauweise mit Einzelteilen und die Materialität des Demonstrationsprojekts effizienter und erschwinglicher waren, da die Untersuchung zeigt, dass die konventionelle Bauweise mehr als das Doppelte der vorgeschlagenen Methode kosten wird. Der einzige festgestellte Nachteil war die Menge an CO2-Emissionen in der Stahlproduktionsphase und die verkörperte Energie der Materialien. In Bezug auf die Energieleistung schnitt das Demonstrationsprojekt besonders gut ab und erhielt die Note A, da es der iSBEM CY-Methodik folgte, was die angewandten Umweltdesignstrategien rechtfertigte, obwohl mehr Daten gesammelt werden sollten, um ein noch umfassenderes Bild zu erhalten. Bei der Bewertung beweglicher Verschattungssysteme und Überhänge als Gestaltungsmöglichkeiten in Tageslichtsimulationen erwiesen sich diese als positiv hinsichtlich der Gewährleistung des Sehkomforts, da der UDI zwischen 300 und 3000 lx auf bis zu 80 % erhöht wurde und die Blendungswahrscheinlichkeit als nicht wahrnehmbar definiert wurde.

Darüber hinaus bietet dieser Vorschlag eine alternative Möglichkeit, den unmittelbaren und kurz- bis mittelfristigen Wohnungsbedarf eines Landes wie Zypern zu untersuchen, da es an vorderster Front einem erheblichen Druck ausgesetzt ist, den Wellen internationaler Einwanderer, die in Zypern ankommen, angemessene Wohnbedingungen zu bieten Insel – und auch für ihre eigenen Bürger in diesen Zeiten der Wirtschaftskrise, die es den Haushalten erschwert, Zugang zu angemessenem Wohnraum zu erhalten.

Folglich muss der Vorfertigungsansatz ganzheitlich untersucht werden und Fragen der Machbarkeit und Finanzierung von Lebensprojekten sowie der Leistung des Gebäudelebenszyklus müssen sorgfältig geprüft werden. Das derzeitige Niveau des industriellen Know-hows in der Wohnungsfertigbauindustrie auf der Insel stellte eine wesentliche Einschränkung für das Projekt dar. Um unter den gegebenen Umständen optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen die Entwurfs- und Konstruktionsprozesse an branchenbedingte Einschränkungen und die Verfügbarkeit von Materialvorräten anpassbar sein. Aufgrund dieser Einschränkungen und im Streben nach dem bestmöglichen Ergebnis kam es zu Verzögerungen im Zeitplan.

Schließlich soll mit diesem Vorschlag eine Überprüfung sowohl der Bauvorschriften als auch der Planungs- und Politikrahmen angekurbelt werden, die sowohl Designstandards als auch Leistungskriterien für Alternativen zu herkömmlichen Wohnlösungen als Sprungbrett zu nachhaltigeren Gemeinden und ihren potenziell neuen Wohnvierteln oder Ergänzungsmöglichkeiten vorschreiben. freie oder ungenutzte Grundstücke in bestehenden Wohnquartieren.

Das vorgeschlagene System ist so definiert, dass es auf der Grundlage der mit diesem Produkt verbundenen Produktionsprozesse leicht angepasst und in einen bestehenden Betriebszyklus integriert werden kann, was als Nebenprodukt der Standardisierung zu Einsparungen bei den Baukosten und dem Zeitrahmen für die Gebäudemontage führt sowohl Komponenten als auch Prozesse. Ein weiterer Vorteil, diesmal für den Designer, aber möglicherweise auch für den Endbenutzer, ist die erwartete einfache und flexible Konfiguration während des Lebenszyklus der Einheit sowie die Möglichkeit der Erweiterbarkeit, um entweder eine größere Einheit zu erstellen oder eine Gruppe von Einheiten zu bilden.

Die Bewertung nach der Belegung bietet die Möglichkeit, die gesamte Baudetaildokumentation sowohl im Fertigungswerk als auch auf der Bereitstellungs- und Montagestelle erneut zu prüfen, um alle im Laufe dieser Zeit aufgedeckten Herausforderungen anzugehen. Darüber hinaus hat das Team bereits die intelligenten Managementsysteme zur Überwachung der Betriebsparameter des Demonstrationsprojekts genutzt, um Feinabstimmungen vorzunehmen, die die Betriebskosten weiter minimieren und den Benutzerkomfort maximieren können. An strategischen Stellen wurden außerdem spezielle Sensoren und Datenlogger eingebaut, um das Umweltverhalten und das Energieerzeugungspotenzial der Struktur zu überwachen. Der endgültige Entwurf kann dann mit größerer Sicherheit bewertet werden und eine genauere Kostenschätzung der Einheit ist möglich. Die nächste Untersuchungsphase umfasst auch die räumlichen Möglichkeiten, die die Einheit bietet, wenn sie in Clustern organisiert ist, und untersucht so die Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit der Einheit im Gegensatz zu eher konventionellen und statischen Wohnsiedlungen.

Alle Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Andreas Savvides, Aimilios Michael, Despina Parpa, Elina Triantafyllidou und Maria Englezou

Abteilung für Architektur, Land- und Umweltwissenschaften, Neapolis-Universität Pafos, Pafos, Zypern

Constantinos Vassiliades

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Alle Autoren haben gleichermaßen dazu beigetragen.

Korrespondenz mit Andreas Savvides oder Constantinos Vassiliades.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 26. Januar 2023

Angenommen: 01. Juli 2023

Veröffentlicht: 03. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38045-5

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