UWG -TRNSYS Simulation Coupling for Urban Building Energy Modelling

This paper presents a new methodology to carry out building performance simulation at the district scale integrating the building thermal model TRNSYS with the climate model ‘Urban Weather Generator’ (UWG). The integrated methodology is designed to include the microclimatic modifications induced by urban environments on buildings’ cooling load calculation. The impact of shadows, air temperature increase and urban radiant environment on building cooling performance has been highlighted for hot arid climates (Antofagasta, Chile). Results indicate that the impact of urban context on energy performance of buildings at the neighbourhood scale varies significantly with building typology and urban tissue densit

Mitigation strategies of the urban heat island intensity in Mediterranean climates: simulation studies in Rome (Italy) and Valparaiso (Chile)

The Urbanocene, a proposed new geological epoch characterized by the urban living condition, is pressing the humanity to respond shortly to important challenges. Cities are at the same time the places where we live in and the big dissipators of the final energy to the environment. The simultaneous rules of heat dissipator and place to live are quite contradictory, because of the increasing temperatures of the dissipator surfaces, phenomenon known as Urban Heat Island (UHI). Mediterranean climates should suffer, in the next years, changes in the thermal needs of buildings and in the outdoor comfort sensations. A change in the energy demand from heating to cooling is probable and overheating reduction could be a priority in the future. Many mitigation strategies of UHI are being discussed in these years, such as the city greening, the use of cool materials for roofs and soils, the reduction of automobile dependence, the shift to new urban morphologies. In this paper an evaluation of impacts of different possible strategies is done, by using computational simulations for various sectors of Rome and Valparaiso. Results show the importance of greening and traffic reduction to achieve better comfort; while to reduce building energy consumption changes in urban morphology and traffic are suggested as the best strategies

La Sensibilidad energética de los edificios

El propósito de esta Tesis Doctoral es evaluar la sensibilidad de los consumos energéticos de los edificios y de las condiciones de confort establecidas en su interior, frente a variaciones en los parámetros que intervienen en las dinámicas energéticas de intercambio que tienen lugar entre edificio y ambiente. La origen de la investigación es una interrogación sobre la importancia (sospechada) de las acciones de los usuarios sobre los consumos y sobre el mismo confort. La Tesis es constituida por cinco capítulos más una introducción, unas conclusiones, la bibliografía y los anexos. Los capítulos tratan en el orden: análisis del estado del arte, presentación de objetivos y metodología, descripción de los edificios evaluados, presentación de los resultados, discusión crítica de los resultados. La metodología elegida para el estudio es coherente con el análisis del estado del arte previo; a saber, actualmente se investigan las dinámicas energéticas de los edificios de tres maneras: evaluaciones teóricas, simulaciones por ordenador y monitorizaciones de edificios existentes. En esta Tesis se seleccionan cuatro edificios, representativos del entorno construido de la Comunidad de Cataluña dentro del Reino de España, y se les aplica en el orden: una evaluación básica teórica, cuatro procesos de simulación a través de cuatro diferentes simuladores, un análisis de sensibilidad de los resultados de las evaluaciones teóricas, y finalmente un análisis de sensibilidad comparativo de los procesos de simulación. De uno de los cuatro edificios también se presentan datos reales recogidos durante los años 2006 y 2007. Los proyectos y edificios estudiados son: el bloque de 14 viviendas para jóvenes de Les Franqueses del Valles (proyecto ejecutivo); el Centro de Naturaleza de Les Planes de Son (construido); la rehabilitación de la antigua Masía de Vallforners (proyecto de rehabilitación de edificio existente); el prototipo de escuela secundaria Protoceip (proyecto). La metodología de evaluación básica es la propuesta por R. Serra y A. Isalgué y utiliza ecuaciones de balance y variaciones discretas de las mismas. Los programas utilizados para las simulaciones dinámicas son Lider-Calener, Ecotect, Trnsys y Archisun. Todos los pasos descritos se centran en la evaluación del comportamiento térmico de los edificios, que resulta ser preponderante en magnitud de consumo sobre las demás formas de energía que intercambian edificio y ambiente. Los estudios de sensibilidad de las evaluaciones teóricas se conducen sobre los parámetros de las ecuaciones de balance utilizadas: el coeficiente de pérdidas por ventilación, el coeficiente de ganancias por radiación solar directa y el coeficiente de aportaciones en el interior del edificio. Los estudios de sensibilidad de las simulaciones se conducen sobre una selección racional de los numerosos parámetros que permite editar cada simulador, expuesta e justificada en la metodología. Los resultados muestran que un simulador (Archisun) y una tipología arquitectónica (Masía de Vallforners) resultan menos sensibles a las variaciones evaluadas. Por lo tanto, en la discusión y en las conclusiones se discuten la utilidad real de los simuladores y la filosofía que parece mejor utilizar en su desarrollo; también se discuten las diferencias evidentes entre tipologías arquitectónicas frente a la sensibilidad energética y se proponen los conceptos de robustez energética y de efusividad térmica global, como nuevas herramientas de calificación y certificación del correcto funcionamiento energético de los edificios. Finalmente, se discute sobre el concepto de confort en condiciones dinámicas, proponiendo futuras líneas de desarrollo e investigación.The general proposal of this PhD Thesis is the evaluation of the sensitivity of buildings in the energy consumption and comfort sensation, depending on variations in the parameters that appear in the energy interchange dynamics between building and environment. The origin is a question over the relevance (supposed) of the user's actions on the energy consumption and comfort sensation. The Thesis has five chapters, an introduction, some conclusions, the bibliography and the annexes. The chapters treat, on order, the following arguments: state of art, objectives and methodology definition, case studies description, results presentation, critical discussion of the results. Selected methodology for the study is coherent with the previous state of art analysis; nowadays, in fact, there are tree ways to investigate the energy dynamics of buildings: heuristic evaluation, dynamic simulation by software and constructed building monitoring. In this work we select four buildings, representative of the built environment of Catalan Community in the Spain Kingdom, and apply to its in order: a basic evaluation, four simulation processes with four different simulators, a sensitivity analysis of the evaluation results, and finally a comparative sensitivity analysis of the simulation results. In one case, results present real assessment during years 2006 and 2007 too. Projects and buildings studied are: the block of 14 flat for young people located in Les Franqueses del Valles (executive project); the Nature Centre of the Planes de Son (constructed); the retrofit of the old Masía of Vallforners (retrofit of existing building); the prototype of the secondary school Protoceip (project). The heuristic evaluation methodology is proposed by R. Serra and A. Isalgué and use steadystate equations and its discrete variations. The software used for the simulations are Lider-Calener, Ecotect, Trnsys and Archisun. All the described evaluations, simulations and sensitivity analysis focalise the thermal behaviour of buildings that appears to be more relevant respect to the others forms of energy interchanges between building and environment. The sensitivity studies of the evaluations are conducted over the parameters that appear in the equations: the loss ventilation coefficient, the direct solar radiation gain coefficient and the internal gain coefficient. The sensitivity studies of the simulations are conducted over a selection of parameters that the software permit to edit, presented and justified in the methodology. Results show that one software (Archisun) and one architectural typology (old Masía of Vallforners) have a lower sensitivity to the considered variations. For this, in the discussion and conclusions we discuss the real usability of the software and the philosophy that seems to be better to use in its development; at the other hand, we discuss the difference between architectural typologies under the energy sensitivity point of view and propose the concepts of robust design and global thermal effusive, as new strategies of qualification and certification of the correct building performance. Finally, we discuss the concept of comfort in dynamical conditions, opening future lines of investigation and development

Assessing climate change and urban heat island vulnerabilities in a built environment

A methodology is presented to assess local criticalities and resilience to climate changes (CC) and UHI (Urban Heat Island). This analysis will consider the expected impacts on the local energy demand of the built environment due to climate-related variations. Climate-related indicators are proposed to assess a vulnerability index to CC and UHI in specific building-design contexts. Furthermore, these indicators will be applied to a set of locations in the Mediterranean climate while taking into consideration different local contexts to evaluate the resilience of a sample residential building by using, among other strategies, dynamic energy simulations

Evaluating The Potential Energy Savings Of An Urban Green Infrastructure Through Environmental Simulation

Green infrastructure is a very important aspect to be considered in designing and preparing cities to adapt and mitigate climate change impacts on the built environment. Green based solutions have a strong impact on many aspects, such as controlling storm-water, reducing urban heat island effect, stabilizing soils, facing earthquakes, etcetera. In this paper an environmental analysis is performed by simulation with TRNSYS Studio tool. The cooling potential that can be obtained by trees in residential compounds is assessed, considering shadowing effect, changes in air movement, sky view factor reduction and other simulation-parameter changes. Results show that a reduction of 30 to 50% in cooling demand can be obtained by using a raw of trees on South, East and especially West façades. Two types of trees are tested, showing different cooling performances depending on the height and form of the trees

Relevant factors in Spanish buildings energy certification process

European directive EPBD (2003) and Kyoto protocol (1997) obligated the signer countries to implement an energy certification process of buildings in their laws. In Spain, the government established (RD 47/2007) two certification options: a simplified certification (that does not permit to obtain the best certification results) or a simulation process based on the Lider and Calener tools (DOE-II based simulators adapted to Spanish norms). In this work we report the results of a large number of residential building simulation and certification processes, obtained during years 2007, 2008 and 2009. Architectural factors that may improve or affect the certification result are identified and discussed by comparative analysis. Residential buildings investigated are grouped in tree typologies: familiar house, little dwellings block (minus than 10 dwellings) and medium dwellings block (between 10 and 30 dwellings). For each group the more relevant architectural factors are discussed. All the buildings locate in the Autonomic Community of Catalonia, in a Mediterranean climate. At the end of the work a discussion between the different groups is conducted. Finally, certification process is critical discussed, especially thinking in the repeatability of the results and in the capacity of the analysed tools to express an architectonic result, in terms of geometrical distribution, form, magnitude of the buildings. Alternatives to the actual Lider and Calener simulation process are also critically discussed.Postprint (published version

Green Infrastructure to reduce cooling loads and heat stress in Mediterranean Climates

Climate change impact on cities and urban warming due to anthropogenic effects are urgent problems to be solved. Among the most beneficious strategies to reduce those impacts we can account the development of green infrastructures in cities, a kind of intervention that assure both mitigation of global warming by reducing greenhouse gases emissions, and adaptation to warmer urban environments. This work presents a building simulation and machine learning methodology to estimate the energy and comfort-related benefits that can be obtained by using a green infrastructure to shadow buildings' façades and roofs. We used previously developed simulation models to test the energy savings provided by different types of trees planted to produce shadows on buildings. Then, we tested different algorithms to predict using a machine learning approach the saving that can be obtained in different buildings-trees contexts for the cities of Catania, Rome, Santiago de Chile and Viña del Mar. Results show that the saving obtained is in the range 5-60%, mainly depending on the number of façade shadowed and on the specie of trees; and the prediction accuracy of machine learning process is over 90% for a binary classification (energy saving > 15% or <15%

Factor de cielo visible y el efecto de isla de calor en Valparaíso

Urban form transforms territory and its climatic behavior. The morphology of a city varies from its centers to its periphery, as do population density, the temporal use of buildings, the presence or absence of vegetation and transport density. These variables condition the thermal behavior of public spaces. Sky View Factor (SVF) is defined by taking into account sky visibility from an urban canyon, which is related to the thermal storage and ventilation of street space. Both variables are key to pedestrian comfort and city warming. This paper presents climate performance data associated with the morphology of the city of Valparaíso, which has a coastal Mediterranean climate. Simultaneous climate measurements were taken in different parts of the city. These were then correlated with the geometric and material parameters of the locations studied. A close relationship was found between urban morphology, the thermal behavior of public spaces and an increased temperature favoring the urban heat island phenomenon (UHI). This data would make it possible to more accurately predict street level climate conditions and how they affect the UHI.La forma urbana transforma el territorio y su comportamiento climático. La morfología de la ciudad varía desde sus centros hasta su periferia, así como también varía en densidad poblacional, en el uso temporal de las edi caciones, en la presencia o ausencia de vegetación o en la densidad de transporte. Estas variables condicionan el comportamiento térmico del espacio público. A partir de la consideración de la visibilidad del cielo desde el cañón urbano se de ne el SVF (Sky View Factor), que está relacionado con el almacenamiento térmico y la ventilación del espacio de la calle. Ambas variables son fundamentales en el confort peatonal y en el calentamiento de la ciudad. En este trabajo se presentan desempeños climáticos asociados a la morfología de la ciudad de Valparaíso, ubicada en un clima mediterráneo costero. Se realizaron mediciones climáticas simultáneas en diversos lugares de la ciudad que se correlacionaron con parámetros geométricos y materiales de los lugares registrados. Se determina una estrecha relación entre morfología urbana, comportamiento térmico del espacio público y aumento de la temperatura favoreciendo el fenómeno de isla de calor (UHI). Estos valores permitirían predecir en forma más precisa las condiciones climáticas en el nivel de calle y la manera cómo afecta en el fenómeno urbano de isla de calor (UHI)

Relevamiento del uso del “Cielo de barro y paja alivianado” como práctica cultural en la techumbre vernacular de la vivienda aymara de Arica y Parinacota, Chile

Este artículo trata acerca de la caracterización de la tecnología de un cielo raso de paja y barro denominada en lengua aymara como "caruna". El estudio se realizó en viviendas Aymaras a más de 4.000 metros sobre el nivel del mar en la localidad de Tacora, en la región de Arica y Parinacota, Chile. El estudio forma parte del proyecto 49204 financiado por el Servicio Nacional del Patrimonio Cultural. Su objetivo es rescatar esta técnica vernácula como alternativa a los materiales industrializados que han modificado la vivienda andina y la calidad de vida en climas extremos durante los últimos 25 años. Se recogieron muestras de los materiales utilizados en esta técnica, reproducida por un cultor local, y se analizaron en laboratorio para determinar sus propiedades térmicas y de trabajabilidad. Además, se monitoreó el desempeño energético de tres viviendas en el poblado de Tacora para comparar los resultados obtenidos con los de los laboratorios. Los hallazgos revelaron que la matriz de barro utilizada en esta técnica de encielado es predominantemente arcillosa con mediana compresibilidad y baja conductividad térmica, lo que la hace adecuada como aislante en climas desérticos fríos. El cielo de barro y paja alivianado se destacó por su presencia en la cultura local, la disponibilidad de recursos materiales y su facilidad de instalación. Este estudio subraya la importancia de preservar el conocimiento tradicional, respetando los saberes ancestrales y mejorando el desempeño térmico de las viviendas en la cordillera norte de Chile, Perú y Bolivia, destacando su relevancia para el desarrollo de soluciones habitacionales sostenibles y culturalmente pertinentes

An estimate of overheating risk and cooling potential using natural ventilation in single-family dwellings in coastal chilean cities

Este trabajo presenta una propuesta de evaluación de la demanda de refrigeración y de la capacidad de refrigeración pasiva por ventilación natural en viviendas sociales. La propuesta se fundamenta en la EN ISO 13790:2008 que utiliza una metodología casi estacionaria de cálculo. Se evalúa una vivienda con ventanas de doble batiente en las dos fachadas, en las diferentes orientaciones N-S, E-O, NO-SE y NE-SO. Se suponen dos posibles caracterizaciones del interior: poco conectado y muy conectado. Los emplazamientos considerados presentan una variedad climática importante, desde los desiertos del norte hasta los climas con variabilidad estacional más marcada del centro- sur del País. Las ciudades consideradas en el estudio son: Arica, Iquique, Antofagasta, La Serena, Valparaíso, Concepción, Valdivia y Puerto Montt. Los resultados muestran la presencia de demanda de refrigeración en la mayoría de los emplazamientos analizados y una capacidad de evacuar el calor por ventilación natural media variable entre el 20% y el 80% de esta demanda, demostrando la importancia de la utilización de las brisas para la refrigeración de edificio y ciudades del País. This article presents a proposal to evaluate cooling demand and passive cooling capacity using natural ventilation in social housing. The proposal is founded on EN ISO 13790:2008, which uses a semi- dynamic calculation method. The dwellings evaluated have double casement windows in the two main facades, which are oriented N-S, E-W, NW-SE and NE-SW. Two possible internal distributions were tested: poorly-connected and well-connected. The locations evaluated have a variety of climates: from the northern deserts to the weather of central and southern Chile with more defined seasonal variability. The cities included in the study are: Arica, Iquique, Antofagasta, La Serena, Valparaíso, Concepción, Valdivia and Puerto Montt. The results show that cooling demand is present in the majority of the locations analyzed and the average capacity for heat evacuation by natural ventilation is between 20% and 80% of this demand, thereby demonstrating the usefulness of breezes for building and city cooling in Chile.&nbsp