Developing the Prototype of the Climate-Responsive Building Form: Merging Passive and Active Space Cooling Strategies

Abstract

Aquest article presenta les capacitats considerades per a millorar l'eficiència energètica de la refrigeració d'espais en l'ambient de clima mediterrani mitjançant la fusió i optimització de tècniques de ventilació natural seleccionades. La primera part de l'anàlisi defineix un conjunt d'estratègies de control amb un enfocament de disseny multinivell basat en una configuració específica de ventilació creuada i ventilació natural avançada assistida per ventiladors (ANV) en forma de centre cap a dintre, bord cap a fora (C-E). L'objectiu és aprofitar els rangs de temperatura nocturna principalment més baixos i reflectir aquest potencial en la reducció de les càrregues d'energia de refredament durant el dia. La segona part d'aquest document examina la integració d'estratègies de control definides en una forma d'edifici sensible al clima d'un edifici d'oficines de mitjana altura situat a la ciutat de Barcelona (Espanya). En l'última part de l'estudi, el model de l'edifici s'exposa a les condicions climàtiques presents a l'entorn de simulació del rendiment de l'edifici, mentre que el control general i els ajustos dels patrons de flux d'aire interior establerts es realitzen mitjançant anàlisi de dinàmica de fluids computacional (CFD). Les simulacions realitzades aconsegueixen la reducció anual de les càrregues d'energia de refrigeració d'espais en un 65,3%. L'operació nocturna s'emporta la major part del 50,5%, utilitzant temperatures exteriors nocturnes més baixes en estar menys afectat pels efectes del canvi climàtic actual. Basat en l'ús de la font d'energia renovable, la forma de construcció sensible al clima, denominada model D-Fence, representa l'enfocament bioclimàtic amb les capacitats considerades per a reduir les demandes d'energia de refredament en l'ambient climàtic mediterrani. This article presents the considered capabilities to improve space cooling energy efficiency in the Mediterranean climate ambience by merging and optimizing selected natural ventilative techniques. The first part of the analysis defines a set of control strategies with a multilevel design approach based on a specific configuration of cross ventilation and fan-assisted advanced natural ventilation (ANV) centre-in, edge-out (C-E) form. The objective is to take advantage of principally lower nocturnal temperature ranges and to reflect such a potential on the reduction of the day-time cooling energy loads. The second part of this paper examines the integration of defined control strategies into a climate responsive building form of a mid-rise office-type building positioned in the city of Barcelona (Spain). In the last part of the study, the building model is exposed to present weather conditions in the building performance simulation environment while the general control and adjustments of established indoor airflow patterns are done by computational fluid dynamics (CFD) analyses. Performed simulations achieves the yearly reduction of space cooling energy loads by 65.3%. The night-time operation takes the large part of 50.5%, using lower nocturnal outdoor temperatures due to being less affected by current climate change effects. Based on the use of the renewable energy source, the designed climate responsive building form, named D-Fence model, represents the bioclimatic approach with the examined capabilities in cutting cooling energy demands in the Mediterranean climate ambiance. Este artículo presenta las capacidades consideradas para mejorar la eficiencia energética de la refrigeración de espacios en el ambiente de clima mediterráneo mediante la fusión y optimización de técnicas de ventilación natural seleccionadas. La primera parte del análisis define un conjunto de estrategias de control con un enfoque de diseño multinivel basado en una configuración específica de ventilación cruzada y ventilación natural avanzada (ANV) asistida por ventiladores en forma de centro hacia adentro, borde hacia afuera (C-E). El objetivo es aprovechar los rangos de temperatura nocturna principalmente más bajos y reflejar dicho potencial en la reducción de las cargas de energía de enfriamiento durante el día. La segunda parte de este artículo examina la integración de estrategias de control definidas en una forma de edificio sensible al clima de un edificio de oficinas de mediana altura ubicado en la ciudad de Barcelona (España). En la última parte del estudio, el modelo del edificio se expone a las condiciones climáticas presentes en el entorno de simulación del rendimiento del edificio, mientras que el control general y los ajustes de los patrones de flujo de aire interior establecidos se realizan mediante análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD). Las simulaciones realizadas logran la reducción anual de las cargas de energía de refrigeración de espacios en un 65,3%. La operación nocturna se lleva la mayor parte del 50,5%, utilizando temperaturas exteriores nocturnas más bajas al estar menos afectado por los efectos del cambio climático actual. Basado en el uso de la fuente de energía renovable, la forma de construcción sensible al clima, denominada modelo D-Fence, representa el enfoque bioclimático con las capacidades consideradas para reducir las demandas de energía de refrigeración en el entorno climático mediterráneo.