A methodological approach to the design of high energy efficiency non-residential buildings

Abstract

Apart from sustainability and energy efficiency, the need of interior thermal comfort in office buildings played a key role to the formation of this bottom-up methodology. This thesis deals with the optimization of the building envelope in office buildings in the Mediterranean climate of Greece and the potential of phase change material (PCM) integration. Thermal energy storage applications for buildings now receive considerable attention; many systems are in development or design. Numerous studies have examined phase change materials (PCMs) incorporated into building envelopes to enhance internal thermal comfort and energy performance, while others investigated dynamic characteristics and performance of PCMs on interior surfaces. Many commercial products are currently available, but research on PCMs in Mediterranean climates is lacking. This research aims at evaluating these studies regarding the potential impact of PCM in a generic way, evaluating their energy, environmental and economic potential. A combination of dynamic simulation and multi-objective optimization of the building envelope of office buildings concerning their building cooling load requirements and thermal comfort conditions is initially performed. Through this optimization process this work attempts to determine and evaluate suitable applications of PCM in the building envelope of office buildings under the Mediterranean climatic conditions of Athens, Greece, a significant exemplar representing much of the Mediterranean region. Furthermore, it attempts to evaluate and quantify the performance of PCM use in office buildings in terms of their environmental and economic potential by means of life cycle and life cycle cost analyses. To this end, the optimal results of the optimization process are further evaluated in regard to their environmental performance and economic viability. In this line of thought, a methodological approach is being proposed having as a main scope to create an integrated and flexible assessment tool, which will promote and support the implementation of PCM in the Mediterranean region.

Η ανάγκη για θερμική άνεση στα κτίρια γραφείων, εκτός από τη βιωσιμότητα της κατασκευής και την ενεργειακή απόδοση του κτιρίου, έπαιξε καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση της «από πάνω προς τα κάτω», κάθετης, προσέγγισης σχεδιασμού που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή. H διερεύνηση της χρήσης των υλικών αλλαγής φάσης (PCM) στα κτίρια αποτελεί έναν τομέα που παρουσιάζει σημαντική δραστηριότητα όσον αφορά την έρευνα και την ανάπτυξη αλλά και ολοένα και περισσότερες εφαρμογές στην πράξη. Συγκεκριμένα, έχουν διεξαχθεί αρκετές μελέτες για εφαρμογές PCM σε κτίρια, με πολλούς ερευνητές να αναφέρουν τα πλεονεκτήματα αυτών των εφαρμογών στην εξοικονόμηση ενέργειας, τη μετατόπιση του φορτίου αιχμής καθώς και τη βελτίωση της θερμικής άνεσης. Σχετικά με το σχεδιασμό και την κατασκευή των κτιρίων, έχει γίνει εκτεταμένη έρευνα για τη βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης τόσο του κτιριακού κελύφους όσο και των ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων, θεωρώντας ωστόσο ως δεδομένα τα όρια και τις συνθήκες θερμικής άνεσης και δίνοντας λιγότερη έμφαση στην οπτική άνεση. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών θερμικής συμπεριφοράς του κελύφους σε κτίρια γραφείων με εφαρμογή στο μεσογειακό κλίμα της Ελλάδας. Προτείνεται μια μεθοδολογία η οποία συνδυάζει τη δυναμική προσομοίωση και την πολύ-παραγοντική βελτιστοποίηση, αρχικά με στόχο τη βελτιστοποίηση του περιβλήματος του κτιρίου σε σχέση τόσο με τις απαιτήσεις του κτιρίου για ψύξη όσο και με τις επιτευχθείσες συνθήκες θερμικής άνεσης. Δεδομένης της περιορισμένης έρευνας που επικεντρώνεται στη χρήση PCM σε κλιματολογικές συνθήκες της Μεσογείου, η παρούσα διατριβή στοχεύει στην ποσοτική και ποιοτική αξιολόγηση της αποθήκευσης θερμότητας με τη χρήση υλικών αλλαγής φάσης (PCM) στο κέλυφος, αναλύοντας τις δυνατότητές που αυτά προσφέρουν στο μελετητή. Η έρευνα προχωρά ένα βήμα παραπέρα στην εκτίμηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος και της οικονομικής σκοπιμότητας της χρήσης PCM σε κτίρια γραφείων μέσω της ανάλυσης κύκλου ζωής (LCA) σε συνδυασμό με την ανάλυση κόστους κύκλου ζωής (LCCA), αντίστοιχα. Στο πλαίσιο αυτό, προτείνεται μια μεθοδολογική προσέγγιση με κύριο στόχο τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου και ευέλικτου εργαλείου αξιολόγησης το οποίο θα μπορεί να υποστηρίζει την εφαρμογή των υλικών αλλαγής φάσης στην περιοχή της Μεσογείου.