«Building Integration of a BIPV and a BIPV/T System on a Double Skin Façade: Design Optimization and Energy Analysis of a One-Bedroom Studio Apartment and its Semi-Open Space. »

Abstract

Η βελτίωση της Ενεργειακής Απόδοσης των κτιρίων, παράλληλα και με τη χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας είναι απαραίτητη στις μέρες μας, καθώς ο κτιριακός τομέας στην Ευρώπη αντιπροσωπεύει ένα μεγάλο ποσοστό εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (CO2) και το 40% των αναγκών Πρωτογενούς Ενέργειας. Δεδομένου ότι η ανάπτυξη πολυώροφων οικιστικών συγκροτημάτων συνεχίζεται, ο σχεδιασμός παθητικών στρατηγικών και η ενσωμάτωση ενεργειακών ηλιακών συστημάτων αναδεικνύεται ως μια λύση για εξοικονόμηση ενέργειας. Η παρούσα μελέτη ερευνά τη συμβολή τριών προτεινόμενων συστημάτων Διπλοκέλυφης Κατασεκυής, ενός συστήματος Συμβατικής Διπλοκέλυφης Κατασκευής (DF), ενός συστήματος BIPV Διπλοκέλυφης Κατασκευής και ενός συστήματος BIPV/T Διπλοκέλυφης Κατασκευής, εφαρμοσμένα σε μια μονάδα ενός υπνοδωματίου, με στόχο την ανάλυση της παραγωγής ενέργειας από τα συστήματα BIPV και BIPV/T, τα θερμικά φορτία, τις καταναλώσεις πρωτογενούς ενέργειας για θέρμανση και ψύξη. Το διάκενο μεταξύ του εξωτερικού και εσωτερικού κελύφους της Διπλοκέλυφης Κατασκευής αντιμετωπίζεται ως «βεράντα», δηλαδή ως ένας ημιυπαίθριος χώρος που λειτουργεί ως προέκταση του εσωτερικού χώρου. Για κάθε σενάριο, εξετάστηκαν διαφορετικά πλάτη διάκενου, έτσι ώστε να διαπιστωθεί σε ποιο διάκενο το κάθε σύστημα Διπλοκέλυφης Κατασκευής είναι το πιο αποδοτικό όσον αφορά τα θερμικά φορτία και την κατανάλωση Πρωτογενούς Ενέργειας. Η μονάδα μοντελοποιήθηκε και προσομοιώθηκε, χρησιμοποιώντας το λογισμικό δυναμικής προσομοίωσης EnergyPlus μέσω της πλατφόρμας DesignBuilder. Η μονάδα εξετάστηκε χρησιμοποιώντας τις κλιματικές συνθήκες της Λευκωσίας, Κύπρος, με στόχο να αντιπροσωπεύσει και την περιοχή της Ευρύτερης Νότιο-Ανατολικής Μεσογείου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με την προσθήκη ενός συστήματος Συμβατικής Διπλοκέλυφης Κατασκευής (DF) δεν ήταν δυνατό να μειωθούν οι ενεργειακές ανάγκες Πρωτογενούς Ενέργειας. Αντιθέτως, με την εφαρμογή ενός συστήματος BIPV DF και BIPV/T DF οι ενεργειακές ανάγκες Πρωτογενούς Ενέργειας μπορούν να μειωθούν, συμβάλλοντας στην επίτευξη κτιρίων με υψηλή ενεργειακή απόδοση, nZEB. Συγκεκριμένα για το σύστημα BIPV DF το βέλτιστο διάκενο υπολογίστηκε στα 0.97 μ, με Ενεργειακή Απόδοση -51.03 kWh/m²y. Για το σύστημα BIPV/Τ DF το βέλτιστο διάκενο υπολογίστηκε επίσης στα 0.97 μ, με Ενεργειακή Απόδοση -77.93 kWh/m²y. Το προτεινόμενο πλάτος διάκενου 0.97 μ, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως χώρος βεράντας. Στόχος είναι η συγκεκριμένη μελέτη να προσθέσει στην υπάρχουσα γνώση την ανάλυση της συμβολής σε ενεργειακό επίπεδο των ενεργητικών ηλιακών συστημάτων BPIV και BIPV/T σε οικιστική μονάδα στούντιο, υπό αυτές τις κλιματικές συνθήκες. Επίσης σε μεταγενέστερο στάδιο τα επίπεδα θερμικής άνεσης και οπτικής άνεσης του διάκενου, προτείνονται να εξεταστούν πιο λεπτομερέστερα. Ο απώτερος στόχος είναι να προταθεί μια στρατηγική σχεδιασμού που θα στηρίζει τον σχεδιασμό οικιστικών μονάδων Σχεδόν Μηδενικής Κατανάλωσης Ενέργειας, οι οποίες στη συνέχεια μπορούν να μετατραπούν σε βιώσιμα οικιστικά κτίρια και συγκροτήματα και κατά πόσο το διάκενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και έως ημιυπαίθριος χώρος.

The improvement of the energy performance of buildings, alongside with the utilization of alternative energy sources is imperative these days since the building sector in Europe accounts for 24% of GHG emissions and 40% of the primary energy needs. Thus, building integration of passive techniques and active solar systems emerge as an energy-saving solution and a green construction practice, which is directly linked to the reduction of the environmental impact. This research performed herein, investigates the contribution of three proposed double façade systems, a Conventional Double Façade (DF) system, a BIPV DF system and a BIPV/T DF system, on a one-bedroom studio housing module in terms of energy production, thermal loads and primary energy demands for heating and cooling. The cavity space of the DF system is treated as a “veranda”, a semi-open space which acts as an extension of the living space. Each scenario is parametrically investigated in terms of its cavity depth, to find out under which cavity depth each DF system is the most efficient in terms of thermal loads and primary energy consumptions. The scenarios were investigated using EnergyPlus dynamic simulation software through the platform DesignBuilder. The module was examined under Nicosia’s, Cyprus, climatic conditions, aiming to represent the South-Eastern Mediterranean region as well, to add into the existing knowledge of BPIVs and BIPV/Ts under these climatic conditions. The aim of the research was to investigate the passive and active contribution of a DF with integrated active solar systems, on a typical studio apartment. The results showed that with the addition of a Conventional DF system it is not possible to lower the energy needs. Whereas with the implementation of a BIPV and a BIPV/T DF system, lowering the energy needs is possible. Both BIPV and BIPV/T DF systems, can contribute in achieving a building with very high energy performance, nZEB. Specifically, for the BIPV DF the optimum cavity depth was calculated to be 0.97 m with the optimum Energy Performance -51.03 kWh/m²y. For the BIPV/T DF, the optimum cavity depth was also calculated to be 0.97m with an optimum Energy Performance -77.93 kWh/m²y. The proposed cavity depth 0.97 m can be used as a veranda space as well. The intermediate semi-open space’s viability in terms of thermal and visual comfort for the users, is planned to be thoroughly examined in the future, thus focusing to propose a design strategy and analysis that leads to the creation of nearly zero energy building modules, with DFs and cavities that can be used as extensions of the living space.