Resilient cooling strategies – A critical review and qualitative assessment

The global effects of climate change will increase the frequency and intensity of extreme events such as heatwaves and power outages, which have consequences for buildings and their cooling systems. Buildings and their cooling systems should be designed and operated to be resilient under such events to protect occupants from potentially dangerous indoor thermal conditions. This study performed a critical review on the state-of-the-art of cooling strategies, with special attention to their performance under heatwaves and power outages. We proposed a definition of resilient cooling and described four criteria for resilience—absorptive capacity, adaptive capacity, restorative capacity, and recovery speed —and used them to qualitatively evaluate the resilience of each strategy. The literature review and qualitative analyses show that to attain resilient cooling, the four resilience criteria should be considered in the design phase of a building or during the planning of retrofits. The building and relevant cooling system characteristics should be considered simultaneously to withstand extreme events. A combination of strategies with different resilience capacities, such as a passive envelope strategy coupled with a low-energy space-cooling solution, may be needed to obtain resilient cooling. Finally, a further direction for a quantitative assessment approach has been pointed out

Étude du rafraîchissement passif de bâtiment par l’intégration d’un système de rétention d’eau

In this thesis, we have studied water retention techniques on flat roofs for passive cooling of commercial/industrial buildings, and more especially the open roof pond system. This roof pond acts as a heat sink, solar irradiance and building internal heat are converted into latent heat, while water thermal inertia mitigates heat flux peaks. A numerical model has been developed to study the theoretical behavior of an open roof pond. A parametric study has allowed to analyze the different heat and mass transfers between the roof and the external environment, and indoor environment impacts. This has allowed to determine the cooling potential of this technology according to design parameters (water level and radiative properties), location and climate change effects. This numerical study was confronted with an experimental study carried out on a scaled down device, under oceanic climate in La Rochelle (France). This experiment also allows to test other water retention techniques on roof such as the adding of a gravel or a porous material layer, and to compare them to high albedo solutions called "cool roofs". The cooling potential and the performance of these passive solutions have been evaluated experimentally and numerically by various indicators defined compared to a bitumen reference roof. Finally, the roof water retention model was coupled with a typical commercial building, large-scale. A study for different current and future climates, especially during heatwave periods and integrating the use of the rainwater resource has been carried out. The results have shown that the roof pond solution is relevant to reduce summer discomfort whatever the location or the climate and that the maximum potential of this technique is obtained when it is combined with the “cool roof” solution.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux techniques de rétention d’eau en toiture-terrasse pour le rafraîchissement passif de bâtiments commerciaux/industriels, et plus particulièrement le système de bassin de toit ouvert. Celui-ci agit comme un puits de chaleur, les apports d’énergie provenant du rayonnement solaire et du bâtiment sont convertis en chaleur latente, et les pics de chaleur sont atténués par l’inertie de la masse d’eau. Un modèle numérique a été développé afin d’étudier le comportement théorique du bassin de toit ouvert. Une étude paramétrique a permis d’analyser les différents échanges de chaleur et de masse entre la toiture et l’environnement extérieur, et son effet sur l’ambiance intérieure. Cela a permis de déterminer le potentiel de rafraîchissement de cette technologie en fonction des paramètres de conception (niveau d’eau et propriétés radiatives), de la localisation, et des effets du changement climatique. Cette étude numérique a été confrontée à une étude expérimentale réalisée sur un dispositif à échelle réduite en extérieur, pour le climat océanique de La Rochelle (France). Cette expérimentation a également permis de tester d’autres techniques de rétention d’eau en toiture comme la présence d’une couche de gravillons ou d’un matériau poreux, et de les comparer aux solutions à fort albédo dites « cool roofs ». Le potentiel de rafraîchissement de ces systèmes de toiture a été évalué expérimentalement et numériquement par différents indicateurs de performance définis par rapport à une toiture de référence en bitume. Enfin, le modèle développé de rétention d’eau en toiture a été couplé à un modèle de bâtiment commercial, de grande surface de toiture. L’étude de ce bâtiment type a été menée pour différents climats, actuels et futurs, en particulier sur des périodes caniculaires, et en intégrant l’utilisation de la ressource en eaux pluviales. Les résultats ont montré que la solution de bassin de toit est pertinente pour réduire l’inconfort d’été quel que soit la localisation ou le climat, et que le potentiel maximum de cette technique est obtenu lorsqu’elle est combinée à la solution « cool roof »

Study of passive cooling of building by integrating a water retention system

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux techniques de rétention d’eau en toiture-terrasse pour le rafraîchissement passif de bâtiments commerciaux/industriels, et plus particulièrement le système de bassin de toit ouvert. Celui-ci agit comme un puits de chaleur, les apports d’énergie provenant du rayonnement solaire et du bâtiment sont convertis en chaleur latente, et les pics de chaleur sont atténués par l’inertie de la masse d’eau. Un modèle numérique a été développé afin d’étudier le comportement théorique du bassin de toit ouvert. Une étude paramétrique a permis d’analyser les différents échanges de chaleur et de masse entre la toiture et l’environnement extérieur, et son effet sur l’ambiance intérieure. Cela a permis de déterminer le potentiel de rafraîchissement de cette technologie en fonction des paramètres de conception (niveau d’eau et propriétés radiatives), de la localisation, et des effets du changement climatique. Cette étude numérique a été confrontée à une étude expérimentale réalisée sur un dispositif à échelle réduite en extérieur, pour le climat océanique de La Rochelle (France). Cette expérimentation a également permis de tester d’autres techniques de rétention d’eau en toiture comme la présence d’une couche de gravillons ou d’un matériau poreux, et de les comparer aux solutions à fort albédo dites « cool roofs ». Le potentiel de rafraîchissement de ces systèmes de toiture a été évalué expérimentalement et numériquement par différents indicateurs de performance définis par rapport à une toiture de référence en bitume. Enfin, le modèle développé de rétention d’eau en toiture a été couplé à un modèle de bâtiment commercial, de grande surface de toiture. L’étude de ce bâtiment type a été menée pour différents climats, actuels et futurs, en particulier sur des périodes caniculaires, et en intégrant l’utilisation de la ressource en eaux pluviales. Les résultats ont montré que la solution de bassin de toit est pertinente pour réduire l’inconfort d’été quel que soit la localisation ou le climat, et que le potentiel maximum de cette technique est obtenu lorsqu’elle est combinée à la solution « cool roof ».In this thesis, we have studied water retention techniques on flat roofs for passive cooling of commercial/industrial buildings, and more especially the open roof pond system. This roof pond acts as a heat sink, solar irradiance and building internal heat are converted into latent heat, while water thermal inertia mitigates heat flux peaks. A numerical model has been developed to study the theoretical behavior of an open roof pond. A parametric study has allowed to analyze the different heat and mass transfers between the roof and the external environment, and indoor environment impacts. This has allowed to determine the cooling potential of this technology according to design parameters (water level and radiative properties), location and climate change effects. This numerical study was confronted with an experimental study carried out on a scaled down device, under oceanic climate in La Rochelle (France). This experiment also allows to test other water retention techniques on roof such as the adding of a gravel or a porous material layer, and to compare them to high albedo solutions called "cool roofs". The cooling potential and the performance of these passive solutions have been evaluated experimentally and numerically by various indicators defined compared to a bitumen reference roof. Finally, the roof water retention model was coupled with a typical commercial building, large-scale. A study for different current and future climates, especially during heatwave periods and integrating the use of the rainwater resource has been carried out. The results have shown that the roof pond solution is relevant to reduce summer discomfort whatever the location or the climate and that the maximum potential of this technique is obtained when it is combined with the “cool roof” solution

International Energy Agency EBC Annex 80 - Resilient Cooling of Buildings - State of the Art Review

The world is facing a rapid increase of air conditioning of buildings. This is driven by multiple factors, such as urbanization and densification, climate change and elevated comfort expectations together with economic growth in hot and densely populated regions of the world. The trend towards cooling seems inexorable therefore it is mandatory to guide this development towards sustainable solutions. Against this background, it is the motivation of Annex 80 to develop, assess and communicate solutions of resilient cooling and overheating protection. Resilient Cooling is used to denote low energy and low carbon cooling solutions that strengthen the ability of individuals and our community as a whole to withstand, and also prevent, thermal and other impacts of changes in global and local climates. It encompasses the assessment and Research &amp; Development of both active and passive cooling technologies of the following four groups: - Reduce heat loads to people and indoor environments. - Remove sensible heat from indoor environments. - Enhance personal comfort apart from space cooling. - Remove latent heat from indoor environments. The Annex 80’s main objective is to support a rapid transition to an environment where resilient low energy and low carbon cooling systems are the mainstream and preferred solutions for cooling and overheating issues in buildings.<br/