Geo-climatic potential for advanced natural ventilation comfort cooling approach in mid-rise office buildings in the north-western Mediterranean

Abstract

The objective of this investigation is to evaluate the geo-climatic potential for comfort cooling energy savings in mid-rise office buildings applying advanced natural ventilation (ANV) approach based on the stack-effect. The region of interest is the Mediterranean coastline of Catalonia with selected reference geographical locations—the cities of Barcelona, Terrassa and Tarragona. In the first part of this research is evaluated the climatic potential for natural ventilation (CPNV) for each location, as a theoretical level of availability of natural ventilation (NV) based on the model of adaptive thermal comfort. For a comparison of geo-climatic potentials in a wider regional context, additional reference locations are chosen along the Northern Mediterranean: Valencia, Marseille, Rome, Koper, Split, Athens and Nicosia. Generated results confirm that NV is feasible mainly from April to October while in July and August is considerably limited due to unfavourable climate conditions. The second part of the work examines cooling energy savings of the hypothetical mid-rise office-type building model “A”. Applied building performance simulations (BPS) demonstrates achieved total yearly cooling energy savings in the region of Catalonia between 22% and 51%. The same model positioned along the Northern Mediterranean displays cutting in yearly cooling energy loads in a wider range—from 6% to 51%.The following section evaluates levels of climate change vulnerability applying climate scenarios for the selected time-slices—the years 2050 and 2080. It is indicated that the potential of ANV will be reduced close to zero in July and August in 2080. However, the introduction of selected assisted cooling techniques demonstrates that this impact can be absorbed approximately back to the previously evaluated scale in the horizon of 2050. In the last part of the investigation, the new defined building model “B” displays an improvement of comfort cooling energy efficiency: selected NV techniques are merged in order to take advantage of lower nocturnal outdoor temperatures by passive means, whose potential is reflected on the decrease of active day-time cooling loads. For this purpose, the positioned model in Barcelona achieves the yearly reduction of cooling energy loads by 65% in present-time weather conditions. At the conclusion, under projected climate configurations for 2050 and 2080, in Barcelona Terrassa and Tarragona, the series of BPS displays a higher level of climate resilience and the overall reduction of cooling energy loads within 53% and 59%. The key-contribution and the novelty of this research is in the performed series of experimental BPS of the building model “A” where are detected ANV system’s weaknesses as a result of estimated unfavourable climate effects. Relative to observed limited cooling performances, ANV is shifted from an autonomous comfort cooling concept to being a part of a complex ventilative system with specific day- and night-time cycles. Such a new established design approach based on dynamic heat storage is associated with an introduction of lower nocturnal and early morning outdoor air temperatures, as being less affected with future regional climate change. An achieved advantageous momentum in energy performances is categorized through strengths and opportunities. Thereby, the building model “B”, the outcome of this investigation, represents the climate responsive building form with an integrated climate sensitive comfort cooling system, which delivers a higher level of energy efficiency—seen as an acquired factor of resilience towards estimated climate change threats. Such a conceptualised hypothetical building prototype may prove to be a beneficial contributor in the current process of rapid deployment of renewable energy sources in the regional building sector, observed as well from the perspective of the ongoing European Union’s energy transition.

El objetivo de esta investigación es evaluar el potencial geo-climático para el ahorro de energía de enfriamiento de confort en los edificios de oficinas de mediana altura aplicando el concepto de ventilación natural avanzada (ANV). El enfoque es en la costa Mediterránea de Cataluña y las ubicaciones geográficas seleccionadas: Barcelona, Terrassa y Tarragona. La primera parte de investigación evalúa el potencial climático de ventilación natural (CPNV), un nivel teórico de disponibilidad de ventilación natural (NV) aplicando el modelo de confort térmico adaptativo. Para una comparación de los potenciales geo-climáticos en un contexto regional más amplio, están elegidas las ubicaciones a lo largo del Mediterráneo Norte: Valencia, Marsella, Roma, Koper, Split, Atenas y Nicosia. Los resultados confirman que NV es factible principalmente desde abril hasta octubre, mientras que en julio y agosto es considerablemente limitada. La segunda parte del trabajo examina los ahorros de energía de enfriamiento de un hipotético modelo “A” del edificio de oficinas de media altura. Las simulaciones de rendimiento de edificios (BPS) en la región de Cataluña demuestran una reducción anual de cargas de enfriamiento entre 22% y 51%. El mismo modelo posicionado a lo largo del Mediterráneo Norte muestra la reducción de las cargas anuales en un rango más amplio, entre 6% y 51%. La siguiente sección evalúa los niveles de vulnerabilidad al cambio climático aplicando escenarios climáticos para los años 2050 y 2080. Se indica que el potencial de ANV se reducirá cerca de cero en julio y agosto de 2080. Sin embargo, la introducción de unas técnicas de enfriamiento asistidas demuestra que ese impacto puede ser absorbido aproximadamente a la escala previamente evaluada en el horizonte de 2050. La última parte de investigación exhibe que el modelo “B” tiene un mejor nivel de la eficiencia energética del enfriamiento de confort: se fusionan técnicas de NV seleccionadas para aprovechar las temperaturas exteriores nocturnas más bajas por medios pasivos, cuyo potencial se refleja sobre la disminución de las cargas de enfriamiento activo diurno. Para este propósito, el modelo posicionado en Barcelona consigue la reducción anual de las cargas de enfriamiento en un 65% en las condiciones meteorológicas actuales. En conclusión, bajo las configuraciones climáticas proyectadas para 2050 y 2080, en Barcelona, Terrassa y Tarragona, la serie de BPS muestra un mayor nivel de resiliencia climática con la reducción de las cargas de enfriamiento entre 53% y 59%. El aporte clave de la investigación se encuentra en BPS experimentales del modelo “A” donde se detectan las debilidades del sistema ANV como consecuencia del cambio climático estimado. En relación con los rendimientos de enfriamiento limitados, ANV se cambia de un concepto autónomo a ser parte de un sistema de ventilación más complejo con los ciclos específicos diurnos y nocturnos. Este nuevo enfoque de diseño establecido basado en el almacenamiento dinámico de calor se asocia con una introducción del aire exterior con temperaturas más bajas durante la noche y las primeras horas de la mañana, como menos afectado por el futuro cambio climático regional. Un impulso ventajoso logrado en el desempeño energético se categoriza a través de las fortalezas y oportunidades. Por lo tanto, el modelo "B" representa la forma del edificio receptivo al clima con un sistema de enfriamiento de confort integrado sensible, lo que ofrece un mayor nivel de eficiencia energética, visto también como un factor adquirido de resiliencia frente a las amenazas estimadas del cambio climático. Tal prototipo de edificio hipotético puede resultar como un contribuyente beneficioso en el proceso actual de despliegue rápido de fuentes de energía renovables en el sector de la construcción regional, observado también desde la perspectiva de la transición energética en curso de la Unión Europea