Authors: Ali-Toudert, Fazia
Title: Energy performance of buildings under urban conditions : Theory and application with focus on urban climate and building construction
Language (ISO): en
Abstract: This research intends to be a contribution in fostering the interdisciplinary work on climate and energy issues with focus on buildings explicitly located in urban areas. It seeks to explore the link between urban and building physics to characterize the interdependences between outdoor and indoor climate and the impact on the resulting energy demand of buildings. The work addresses two key issues: First, it aims to understand how urban microclimates evolve hence focuses on identifying the part of responsibility urban and building thermo-physical attributes have in modifying the urban energy balance fluxes, surface and air temperatures as well as the formation of canopy heat and cool islands. Secondly, it assesses the consequences of these modified urban energetics and thermal conditions on the energy performance of buildings subject to these boundary conditions. The research method relies on numerical modelling for its speed and versatility, and combines four components: i) the Town Energy Balance Model TEB for the urban microclimate prediction, with ii) the non-stationary building energy model TRNSYS for simulating the thermal behaviour indoors and the resultant energy demands for ensuring thermal comfort, iii) the statistical design of experiments method DOE for handling the complexity of the task by providing systematic exploration plans, and iv) additionally the GIS techniques, applied to a spatially extended real city for the pre-processing, post-processing and mapping of urban climate and energy demand results. The work consists of two complementary parts with different objects of study. PART I deals with theory-based urban office buildings and PART II addresses the city of Stuttgart as real case study. Both investigated objects are located at a European mid-latitude for which representative boundary climates are utilized. For the theoretical office buildings, a test reference year (TRY12, Mannheim) of the German weather services DWD is used. For Stuttgart, long-term weather recordings for 10 years (2003 - 2012) are available for use. For comparison purposes regarding the influence of the climate type, additional calculations are carried out for the Mediterranean and warm location of Algiers. In PART I, extensive parameter studies (including sensitivity analyses) are conducted with the aim of exploring the mechanisms underlying the formation of urban microclimates. Decisive urban and building thermo-physical indicators are varied. Urban canyon-like structures with various solar orientations are simulated. Building constructive features including window ratio, thermal insulation, thermal inertia, in addition to the shortwave albedo and longwave emissivity as radiative surface properties are investigated. The effects of further settings related to the building use and operation are also checked. The target key metrics are the energy balance fluxes at the canyon facets, the surface and air temperatures within the canyon, as well as the resulting indoor energy demands for heating, cooling, lighting and ventilation. For comparison, the building simulations are run under standard and urban climate conditions in order to isolate the role of the urban microclimate on the energy demands. The results are discussed for the building as a whole as well as for the floors and façade’s orientation with reference to the view factor implied by the urban canyon vertical profile. PART II employs the same investigation method using Stuttgart city as case study. The focus of the calculations is placed on the possibly highest spatial resolution downscaled to the single building. Using 2D and 3D city maps and further statistics about the buildings, thermally relevant indicators for buildings and city blocks are calculated by means of GIS. The peculiarity of this approach draws on the generic and abstracting modelling of the thermally relevant properties of the buildings instead of describing them using their real physical attributes. On the one hand, this procedure enables the feasibility of the task in keeping the processing time manageable. On the other hand, it allows for subsequent transferability of the results using statistically determined mathematical models. This work confirms the importance of all investigated variables and provides a hierarchical quantification of their influence on both urban microclimate and building energy demands. In particular, the anthropogenic heat, the canyon geometry, and the thermal inertia appeared to have evident effects on the magnitudes and the time course of the warming or cooling of the canyon air. Under urban microclimate conditions, the cooling increases owing to dominating canopy heat island effects, whereas the heating demand mostly decreased for the same reason. The building simulations in PART I show that the effect of the microclimate is highest in the case of thermally weak insulated building envelope with largely glazed façades. The massive construction also appears to be more advantageous than the lightweight construction. For the simulation settings assumed, the useful energy demand under urban microclimate conditions for heating and lighting decreases, whereas the energy demand for cooling and ventilation increases in comparison to standard climate conditions. The reduced sky view at street level affects negatively the energy demand for heating and lighting because of the diminished potentials for solar and daylight potentials, whereas the need for cooling and ventilation are reduced. In total, lower floors are disadvantaged in comparison to upper floors. The comparison with the Mediterranean climate shows similar energetic behaviour outdoors as well as indoors regarding the relevance and effects of the investigated variables. However, the daily cycle and magnitude of the urban microclimate changes are different. Indoors, the share between heating and cooling are reversed, leading to a different pattern of the total energy demand. The investigation of real conditions at Stuttgart city reveals a number of challenges. For time processing reasons, the extensive results about the urban microclimates must be reduced to a few climate clusters in order to be used in the subsequent building simulations. Moreover, the accurate modelling of the city structure and buildings is partly hindered by the lack of detailed row data, even though it is technically possible. Nevertheless, the comparison of the calculated energy demands against recorded consumption data for heating shows good agreement and confirm thereby the pertinence and practicality of the generic modelling applied. Finally, this research demonstrated the suitability of combining TEB, TRNSYS, DOE and GIS in handling these interdisciplinary tasks. However, it also points out the necessity of developing an integral urban – building energy model for improving the prediction accuracy and reducing the time costs. The first milestone of such a model in form of TEB version for use within the TRNSYS environment is presented in this work. The so-called TEB – Type 201 solves numerous practical issues and improves the user friendliness and processing capabilities of the original TEB. The synchronised urban – building energy model in outlook must include the feedback loop between indoor and outdoor microclimate via the shared building envelope at each time step, thereby implementing an interdisciplinary approach, which will bring substantial knowledge from urban climatology and building science operationally together.
Die vorliegende Arbeit ist in erster Linie durch den Entschluss motiviert eine Verbindung zwischen Stadt- und Gebäudemaßstäbe in Bezug auf Klima und Energiefragen durch eine interdisziplinäre Vorgehensweise herzustellen. Bestehende Fachkenntnisse der Stadtbauphysik und Bauphysik werden kombiniert, um die Zusammenhänge zwischen Außen- und Innenraumklima besser verstehen und quantifizieren zu können. Die Arbeit befasst sich mit zwei Zielsetzungen: Im ersten Schritt sollen die Prozesse hinter der Entstehung von städtischen Mikroklimata ermittelt werden. Der Schwerpunkt liegt darin, die Rolle thermo-physikalischer Attribute von Gebäuden und Stadtstrukturen bei der Veränderung der urbanen Energiebilanz, der Oberflächen- und Lufttemperaturen und somit der Mechanismen zur Bildung von urbanen Wärmeinseln bzw. Kühlinseln zu identifizieren. Im zweiten Schritt werden die Konsequenzen dieser modifizierten thermischen Situation auf das energetische Verhalten von Gebäuden untersucht, die diesen Randbedingungen unterliegen. Die Forschungsmethode beruht auf der numerischen Modellierung, motiviert durch ihre Geschwindigkeit und Vielseitigkeit und kombiniert folgende Komponenten: i) Das Stadtklimamodell TEB für die städtische Mikroklimaprognose mit dem ii) dynamischen Gebäudeenergiemodell TRNSYS zur Simulation des thermischen Verhaltens im Innenraumbereich und des daraus resultierenden Energiebedarfs zur Gewährleistung des thermischen Komforts, iii) die statistische Versuchsplanung DOE für die Handhabung der Komplexität der Aufgabe durch die Bereitstellung von systematischen Untersuchungsplänen und iv) ergänzend die GIS-Techniken, für die Anwendung an einer räumlich ausgedehnten realen Stadt, für die Vorverarbeitung von Ausgangsdaten, Nachbearbeitung und Kartierung von Rechenergebnissen der urbanen Mikroklimata und Gebäudeenergie bedarfswerten. Die Arbeit gliedert sich in zwei komplementäre Abschnitte (PART I und PART II) mit verschiedenen Untersuchungsobjekten. PART I beschäftigt sich mit theoriebasierten Bürogebäuden und PART II setzt sich mit der Stadt Stuttgart als reales Untersuchungsobjekt auseinander. Beide Studienobjekte liegen in einer mitteleuropäischen geographischen Breite und werden anhand repräsentativer Klimadaten untersucht. Bei den theoriebasierten Bürogebäuden wird ein Testreferenzjahr des Deutschen Wetterdienstes (TRY12, Mannheim) angenommen. Für Stuttgart liegen langjährige meteorologische Messdaten über 10 Jahre (2003 – 2012) vor. Für Vergleichszwecke werden in PART I zusätzliche Berechnungen für die Mittelmeerlage Algiers als Warmklimaregion durchgeführt. In PART I werden umfangreiche Parameterstudien (einschließlich Sensitivitätsanalysen) mit dem Ziel, die zugrundeliegenden Mechanismen der Bildung von urbanen Mikroklimata zu untersuchen, durchgeführt. Für die städtische Umgebung und das Gebäude werden wichtige thermophysikalisch relevante Indikatoren variiert. Straßenschluchtstrukturen mit verschiedenen Höhen-Breiten-Verhältnissen und Himmelsausrichtungen werden simuliert. Gebäudebezogen werden Fensterflächenanteil, Wärmedämmung, Bauart sowie die Reflektions- und Emissionsgrade als Oberflächenstrahlungseigenschaften untersucht. Zielgrößen sind die an den Canyon-Oberflächen bestehenden Energie- und Wärmeflüsse, die Oberflächen- und Lufttemperaturen, sowie der Nutzenergiebedarf im Innenraum für Heizen, Kühlen, Beleuchten und Belüften. Vergleichend werden die Simulationen in TRNSYS sowohl mit als auch ohne Einfluss des städtischen Mikroklimas durchgeführt, um dessen Einfluss zu quantifizieren. Die Ergebnisse werden einerseits für das Gebäude als Ganzes erörtert, anderseits durch die Differenzierung von Geschossen und Himmelsausrichtungen genauer unterschieden. PART II beschäftigt sich, mittels derselben Untersuchungsmethodik, mit dem großflächigen Kerngebiert der Stadt Stuttgart. Der Fokus der Berechnungen wird auf die höchstmögliche räumliche Auflösung bis hin zu den Einzelgebäuden gelegt. Anhand von 2D und 3D Stadtkarten und weiteren statistischen Gebäudedaten werden thermisch relevante Indikatoren für Einzelgebäude und für Baublöcke mit GIS-Techniken berechnet. Die Besonderheit dieses Ansatzes besteht darin auf eine abstrahierende Modellierung der Gebäude zurückzugreifen, ohne sie mit ihren tatsächlichen physikalischen Eigenschaften beschreiben zu müssen. Dies ermöglicht einerseits den Zeitaufwand für Vorbereitung, Bearbeitung und Auswertung zu minimieren und somit die Durchführbarkeit der Aufgaben zu gewährleisten und andererseits nachträglich die Ergebnisse mit Hilfe von statistisch ermittelten mathematischen Modellen zu übertragen. Schlussfolgernd bestätigt diese Arbeit die Bedeutung aller untersuchten Variablen und stellt eine hierarchische Quantifizierung ihres Einflusses auf das städtische Mikroklima und den Energiebedarf auf Gebäudeebene dar. Insbesondere die Variablen anthropogene Wärme, das Höhe-Breite-Verhältnis einer Straße und die thermische Trägheit der Gebäudehülle - gegeben durch ihre Bauart - zeigen klare Auswirkungen auf die Erwärmung oder Abkühlung der Luft im Canyon-Volumen. Unter Berücksichtigung des urbanen Mikroklimas ergibt sich ein größerer Nutzkältebedarf der Gebäude aufgrund der Wärmeinseleinflüsse, während der Heizwärmebedarf im Vergleich aus demselben Grund kleiner wird. Die Gebäudesimulationen im PART I zeigen, dass der Einfluss des Mikroklimas im Falle einer schlecht gedämmten und großzügig verglasten Gebäudehülle am Größten ist. Auch die massive Bauart erweist sich vorteilhafter bezüglich des Energiebedarfes als die Leichtbauart. Für die angenommenen Simulationseinstellungen, nimmt der Nutzenergiebedarf für Heizen und Beleuchten im Vergleich zu Standard Klimarandbedingungen ab, während der Nutzenergiebedarf für Kühlen und Belüften zunimmt,. Die teils eingeschränkte Himmelsicht auf Straßenniveau beeinflusst, aufgrund der reduzierten Sonnen- und Tageslichtpotenziale, den Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen negativ, während der Nutzkälte- und Lüftungsbedarf weniger werden. Demzufolge sind insgesamt Geschosse auf Straßenniveau gegenüber den oberen Geschossen benachteiligt. Der Vergleich mit dem Mittelmeerklima zeigt in Bezug auf die Relevanz und Auswirkungen die untersuchten Parameter ähnliche energetische Verhalten sowohl Außen- als auch Innen. Allerdings ist der Tagesverlauf und Größenordnung der Mikroklimatischen Änderungen unterschiedlich. Im Innenraum, ist der Anteil zwischen Heizen und Kühlen umgekehrt, welches zu verschiedenen Gesamtnutzenergiemuster führt. Die Untersuchung einer realen Stadt zeigt einige Herausforderungen. Es müssen die umfangreichen Ergebnisse zum Stadtklima Stuttgart aus Rechenzeitgründen auf wenige repräsentative räumlich differenzierte Klimacluster reduziert werden, um sie zur Gebäudesimulation nutzen zu können. Ebenso ist eine genaue Modellierung der Stadtstruktur und der Gebäude, trotz technischer Möglichkeiten, aufgrund des Mangels an genaueren Rohdaten nicht vollständig realisierbar. Trotzdem erweist der Vergleich der errechneten Heizwärmebedarfswerte gegenüber den aufgezeichneten Verbrauchsdaten eine gute Übereinstimmung und bestätigt damit eindeutig die Relevanz und Anwendbarkeit der erarbeiteten generischen Methode. Abschließend belegt diese Forschungsarbeit die Tauglichkeit der Verknüpfung zwischen TEB, TRNSYS, DOE und GIS bei der Abwicklung der definierten Aufgaben. Sie weist allerdings auch auf die Notwendigkeit hin, ein integrales städtebauliches Energiemodell zur Verbesserung der Klima- und Energieprognose im Bauwesen und zur Reduzierung des Zeitaufwandes zu entwickeln. Der erste Meilenstein eines solchen Modells wird in dieser Arbeit in Form eines eingebetteten TEB in der TRNSYS-Umgebung namens TEB-Type 201 vorgestellt, welches die Benutzerfreundlichkeit und die Verarbeitungsmöglichkeiten des ursprünglichen TEB verbessert. Noch weiterzuentwickeln ist die Rückkopplungsschleife an der Schnittstelle der Gebäudehülle, zwischen Innen- und Außenraum, um die synchrone Simulation zu jedem Rechenzeitpunkt zu ermöglichen. Damit wird einen interdisziplinären Ansatz geschaffen, der die Fachkenntnisse aus der Stadtklimatologie und Bauphysik operationell verbindet.
Subject Headings: Urban microclimate
Canopy heat island
Building energy demand
Subject Headings (RSWK): Mikroklima
Issue Date: 2017
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