Urban microclimate analysis and its effect on the buildings energy performance

Abstract

The current thesis aimed at establishing a novel method to combine dynamic building energy performance simulation tools with microclimatic models, targeting to a higher accuracy of the buildings’ annual heating and cooling energy needs’ calculations. Typical hourly weather datasets, a required input for dynamic energy performance calculations, have been created to be representative of the microclimatic conditions occurring in the near vicinity of generic 1st and 3rd floor building units, located inside 4 urban areas in Thessaloniki. The one way-coupling method has been based on three tools: (a) the ENVI-met v.4 microclimate model, (b) the Meteonorm weather generator and the (c) the dynamic building energy simulation tool Energy Plus. Microclimate simulations have been initially performed with the ENVI-met model, for 12 representative days (1 of each month) and for all 4 urban study areas. At a next step, the microclimate simulation results, reported in front of the examined building units have been then extracted from ENVI-met and the corresponding average daily values been introduced in Meteonorm stochastic weather generator to create the site-specific, annual climatic datasets. A total number of 8 'Urban Specific Weather Datasets' (USWDs) has been created, while the microclimatic particularities of every examined site in which the examined building units are subjected, have been accounted for. Another hourly weather file, a ‘Reference Weather Dataset’ (RWD) corresponding at a reference location of a meteo station has been also stochastically created, in Meteonorm weather generator. The intercomparison of the Tair values from the generated USWDs and the RWD revealed generally higher Tair values inside all urban areas, compared to the corresponding values at the reference location. The following step involved the dynamic energy performance simulations, using the RWD and the USWDs for the 1st and the 3rd floor building units of the 4 case study areas, while both insulated and non-insulated building envelopes have been considered. The comparative assessment of the obtained annual heating and cooling energy needs of all the examined building units revealed the importance of accounting for the local microclimatic conditions during the dynamic energy performance calculations, so as to avoid miscalculations and approximations. The total annual energy needs of all the examined building units, calculated with the use of the RWD were always higher than the respective needs, calculated for the USWDs, while the higher urban Tair values in winter have been proven beneficial on the reduction of the annual heating energy needs, an effect that is however counterbalanced by the important rise of the cooling energy needs in summer.

H παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει μια νέα μεθοδολογία, η οποία λαμβάνει υπόψη την επίδραση του μικροκλίματος στις κτιριακές ενεργειακές απαιτήσεις σε ετήσια βάση, με παράλληλη βελτιστοποίηση του υπολογιστικού κόστους. Πιο συγκεκριμένα, η προτεινόμενη μεθοδολογία στοχεύει στη δημιουργία τυπικών κλιματικών αρχείων, απαραίτητων για τις δυναμικές ενεργειακές προσομοιώσεις, τα οποία λαμβάνουν υπόψιν τις ιδιαιτερότητες του τοπικού μικροκλίματος της εκάστοτε περιοχής μελέτης, συναρτήσει της μορφολογίας και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της. Η υπολογιστική μέθοδος εφαρμόζεται σε 4 αστικές περιοχές της Θεσσαλονίκης με διαφορετικές μικροκλιματικές παραμέτρους, λόγω των διαφορετικών μορφολογικών χαρακτηριστικών τους. Η υπολογιστική διαδικασία βασίζεται στην διασύνδεση τριών εργαλείων: (α) του μοντέλου μικροκλίματος ENVI-met, (β) του στοχαστικού μοντέλου παρεμβολής Meteonorm και (γ) του μοντέλου δυναμικής ενεργειακής προσομοίωσης κτιρίων EnergyPlus. ΜΙκροκλιματικές προσομοιώσεις πραγματοποιούνται με το μοντέλο ENVI-met για τις 4 επιλεγμένες περιοχές μελέτης και για 12 αντιπροσωπευτικές μέρες (μία για κάθε μήνα του έτους). Στη συνέχεια, οι υπολογισθείσες μικροκλιματικές παράμετροι κάθε περιοχής μελέτης εξάγονται από το ENVI-met και οι μέσες ημερήσιες τιμές αυτών εισάγονται στο στοχαστικό μοντέλο παρεμβολής Meteonorm ώστε να δημιουργηθούν τα αντιπροσωπευτικά για κάθε περιοχή, ωριαία κλιματικά αρχεία (Urban Specific Weather Datasets, USWDs). Παράλληλα με την ανάπτυξη των USWDs, δημιουργείται ένα επιπλέον ωριαίο κλιματικό αρχείο, ένα "κλιματικό αρχείο αναφοράς " (Reference Weather Dataset RWD) που αντιστοιχεί σε μια θέση αναφοράς μετεωρολογικού σταθμού στη Θεσσαλονίκη. Σε αντίθεση με τα USWDs, το δημιουργούμενο αρχείο αναφοράς θα μπορούσε θεωρητικά να χρησιμοποιηθεί για κάθε περιοχή μελέτης μέσα στην πόλη καθώς δε λαμβάνονται υπόψη συγκεκριμένες μικροκλιματικές συνθήκες. Οι παραγόμενες χρονοσειρές οι οποίες αντιστοιχούν σε αντιπροσωπευτικά έτη για κάθε μία αστική περιοχή μελέτης (USWDs) και το κλιματικό αρχείο αναφοράς (RWD), χρησιμοποιούνται ως δεδομένο εισαγωγής για τις δυναμικές ενεργειακές προσομοιώσεις τυπικών κτιριακών μονάδων με το εργαλείο δυναμικής προσομοίωσης κτιρίων EnergyPlus. Οι υπολογισμοί των ψυκτικών και θερικών ενεργειακών απαιτήσεων αφορούν κτιριακές μονάδες 1ου και 3ου ορόφου μέσα σε κάθε περιοχής μελέτης ενώ παράλληλα εξετάστηκαν οι περιπτώσεις μονωμένου και αμόνωτου κελύφους. Η συγκριτική αξιολόγηση των ετήσιων ενεργειακών απαιτήσεων θέρμανσης και ψύξης όλων των εξεταζόμενων κτιριακών μονάδων ανέδειξε την επιρροή των μικροκλιματικών συνθηκών στην εκτίμηση της ενεργειακής απόδοσης κτιρίων. Οι ετήσιες απαιτήσεις θέρμανσης των εξεταζόμενων αμόνωτων και μονωμένων κτιριακών μονάδων προέκυψαν χαμηλότερες όταν οι τοπικές συνθήκες λήφθησαν υπόψη αντί των κλιματικών παραμέτρων του αρχείου αναφοράς, γεγονός που ωστόσο αντισταθμίζεται από τη σημαντική άνοδο των ψυκτικών αναγκών καλοκαίρι. Σημαντικές διαφορές στις ετήσιες ανάγκες θέρμανσης και ψύξης παρατηρήθηκαν επίσης μεταξύ των κτιριακών μονάδων του 1ου και 3ου ορόφου, που βρίσκονται στο ίδιο κτίριο κάθε περιοχής μελέτης, λόγω των διαφορετικών ηλιακών κερδών. Μεταξύ των 4 περιοχών μελέτης, οι μικρότερες απαιτήσεις θέρμανσης εντοπίζονται για τις κτιριακές μονάδες που δέχονται τα μεγαλύτερα ποσά ηλιακής ακτνοβολίας ενώ το καλοκαίρι, οι μικρότερες ψυκτικές απαιτήσεις παρατηρήθηκαν στις κτιριακές μονάδες που σκιάζονται διαρκώς λόγω της αυξημένης παρουσίας φυτεύσεων.