Effect of Sky Discretization for Shading Device Calculation on Building Energy Performance Simulations

The calculation of sunlit surfaces in a building has always been a relevant aspect in building energy simulation programs. Due to the high computational cost, some programs use algorithms for shading calculation for certain solar positions after discretization of hemispherical sky. The influence of the level of discretization on the estimation of incident direct radiation on building surfaces, as well as on the required computational times, are studied in this work. The direct solar energy on a window for a year, with simulation time steps of five minutes, has been simulated by using an algorithm based on Projection and Clipping Methods. A total of 6144 simulations have been carried out, varying window sizes, window orientations, typologies of shading devices, latitudes and discretization levels of the hemispherical sky. In terms of annual incident solar energy, the results show that maximum error values are about 5% for a low level of angular discretization. Errors up to 22% in hourly incident solar energy have been estimated for some of the configurations analysed. Furthermore, a great number of configurations show errors of shading factor on a window of up to 30%, which could be most relevant in studies of natural lighting. The study also shows that the improvement achieved by the most accurate discretization level implies an increase in computational cost of about 30 times

Solar gain mitigation in ventilated tiled roofs by using phase change materials

Several passive cooling design techniques are known for reducing solar heat gain through building envelope in summer season. These include the use of phase change materials (PCM), which has received an increased attention over the last years, and the strategy of increasing the above-sheathing ventilation (ASV) in ventilated roofs. However, few studies combine both technologies to maximise the building resilience in hot season. The effect of including a PCM layer into a ventilated roof is numerically analysed here in two different configurations: firstly, laid on the roof deck (PCM1 case) and, secondly, suspended in the middle of the ASV channel (PCM2 case). A computational fluid dynamics model was implemented to simulate airflow and heat transfer around and through the building envelope, under 3 days of extreme hot conditions in summer with high temperatures and low wind speed. Results showed slight differences in terms of mean temperatures at the different roof layers, although temperature fluctuations at deck in the PCM1 case were smaller than half of those estimated for the benchmark case. However, PCM2 configuration achieved a daily reduction of about 10 Wh/m(2) (18%) in building energy load with respect to the benchmark case, whilst PCM1 got only 4% due to the lower ventilation at night time. Therefore, a suspended PCM layer in the ASV channel would be a better measure in terms of energy performance than laid on the deck surface, although this last option significantly decreases thermal stress of the insulation layer

Activity and efficiency trends for the residential sector across countries

The residential sector is a major contributor to climate change, accounting for almost a quarter of global energy consumption and a fifth of CO2 emissions in 2019. Since 2000, residential consumption has grown at a sustained rate of 1%/year, driven by the development of emerging economies, despite stagnation in developed countries. The increasing demand for living space, energy services and comfort levels seems difficult to curb, especially in the developing world on its fair attempt to reduce inequality. To understand these trends, this paper analyses the trajectories of key indicators of activity and efficiency in this sector, for emerging and developed regions, as well as for major consuming nations, mainly China, United States, European Union, Russia, India, Japan and Brazil. Despite data limitations, meaningful cross-country comparisons are presented for fuel mixes, energy services and dwelling types. Heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems account for a third of residential consumption and will grow rapidly as increasing wealth in emerging economies allows for satisfying the thermal comfort demand. Economic development will naturally increase housing size and equipment level and reduce household size, and could close the per capita consumption gap between developing and developed regions. Efficiency improvements could reduce the energy use intensity to around 10 koe/m(2) but will not be enough to curb residential consumption. International cooperation, policy support and funding are essential to accelerate development and efficiency gains in developing countries without compromising environmental targets. In the meantime, politicians should focus on decarbonising the energy mix and promoting energy efficiency, while citizens focus on energy conservation to avoid irreversible environmental damage. (c) 2022 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)

Experimental adjustment of the turbulent Schmidt number to model the evaporation rate of swimming pools in CFD programmes

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).Water evaporation rate is among the most significant parameters to design and select air con- ditioning systems in buildings with indoor swimming pools. Experimental correlations are today widely used to estimate water evaporation rate, although discrepancies of up to 80% among existing correlations have been shown. An alternative to these empirical methods is the calcu- lation of evaporation rate through computer fluid dynamics techniques. One of the most signif- icant parameters to solve the mass transfer at the air-water interface in these models is the value of the turbulent Schmidt number. Although this value depends on air and water conditions (i.e., temperatures, velocities, and vapour pressure, among others), commercial computer fluid dy- namics programmes set a fixed value by default. This study presents a new value through an experimental adjustment. A total of 40 experimental tests have been performed in a wind tunnel under typical conditions in indoor swimming pools. Afterwards, the adjustment was validated with data from 145 experimental tests reported in the scientific literature. The mean relative error in the evaporation rate using the turbulent Schmidt number was 7%, as against 25% using the value by default. The maximum error was reduced from 35% to 15% in forced convection regime

A review on buildings energy information: Trends, end-uses, fuels and drivers

Buildings are a major contributor to climate change, accounting for one third of global energy consumption and one quarter of CO2 emissions. However, comprehensive information is lacking for the development, evaluation and monitoring of mitigation policies. This paper discusses the remaining challenges in terms of reliability and consistency of the available data. A review of energy use in buildings is presented to analyse its evolution by building types, energy services and fuel sources. Residential buildings are the most consuming, although tertiary expansion requires further analysis to develop sound specific indicators. Heating Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems concentrate 38% of buildings consumption, calling for strengthened standards and incentives for retrofitting. Electrification is rapidly increasing, representing a potential tool for climate change mitigation, if renewable power was promoted. However, energy use in buildings will only curb if global cooperation enables developing nations to break the link between economic growth, urbanisation and consumption. To this aim, efficiency gains both in construction and equipment, decarbonisation of the energy mix and a global awareness on energy conservation are all neededComisión Europea Horizonte 2020 76857

Validación experimental de dos modelos híbridos de simulación de intercambiadores enterrados verticales para bombas de calor geotérmicas

Durante los últimos años se ha impulsado el uso de tecnologías eficientes como las bombas de calor geotérmicas para su uso en climatización de edificios debido a las políticas de ahorro energético y reducción de las emisiones de CO2 [1]. Los programas de simulación energética de edificios que contemplan esta tecnología necesitan un correcto modelado del intercambiador de calor enterrado vertical para acoplar el comportamiento térmico del terreno con la bomba de calor geotérmica. Existen muchos modelos en la literatura que contemplan dicho fenómeno multidimensional transitorio [2]. En este artículo se estudian dos recientes modelos de simulación híbridos de un intercambiador de calor enterrado vertical con tubería simple en U, basados en analogías eléctricas para modelar las transferencias de calor en el interior de la perforación geotérmica, y factores de respuesta térmica (función-g) para estimar el flujo de calor con el terreno adyacente. Un primer modelo híbrido (RC1) consiste en un método unidimensional con transferencia térmica radial y el segundo modelo híbrido (RC2) se basa en una resolución bidimensional, permitiendo la discretización vertical del sistema completo (fluido, tubería, material de relleno y terreno) [3]. El artículo analiza los resultados de la validación experimental de dichos modelos, comparando sus resultados de temperaturas de salida del fluido con los datos adquiridos de la instalación experimental “GeoCool” que se encuentra completamente monitorizada durante un periodo de operación de 5 año

Adaptación del método CTF a cerramientos con alta inercia térmica

El método de las funciones de transferencia en conducción de calor (CTF) es un método ampliamente utilizado por los programas de simulación térmica de edificios para el cálculo de la transferencia de calor a través de muros multicapas, sin embargo, su aplicabilidad está condicionada a los problemas de estabilidad de la solución debido a los errores procedentes de los procedimientos de cálculo de los coeficientes de la función de transferencia, principalmente en situaciones donde el número de Fourier es bajo, ya sea debido a la reducción del paso de tiempo de simulación o a muros de gran espesor, como los presentes en edificios históricos. Por tanto, el uso de dichas funciones, para muros con alta inercia térmica, se encuentra limitado en los programas de simulación térmica de edificios, incluso en los de reconocido prestigio como pueden ser TRNSYS o EnergyPlus. La presente comunicación propone una solución que permite aplicar el método de las funciones de transferencia en conducción de calor (CTF) en muros independientemente del número de Fourier asociado, evitando los problemas numéricos. El presente artículo muestra los resultados obtenidos para diferentes casos de estudio comparándolos con soluciones analíticas u obtenidas por el método de elementos finitos (ANSYS®)

Metodología para el cálculo de la tasa de evaporación en piscinas cubiertas mediante CFD

El consumo de los sistemas de climatización, según la IEA, supone un 36% en el sector de la edificación a nivel mundial. En edificios, como gimnasios o spas, donde la generación de humedad debida a la evaporación de agua de piscinas es importante, el consumo de los equipos de deshumectación cobra una mayor importancia. El diseño eficiente de estos sistemas debe incluir tanto la correcta selección del equipo de deshumectación, como la adecuada distribución de aire en el recinto. Uno de los factores más determinantes en el proceso de selección del equipo de deshumectación es la tasa de evaporación. Actualmente existen tres teorías que describen la física del fenómeno, las conocidas KTG, SRT y NET. Aunque estas teorías pueden describir la evaporación hasta un nivel molecular, en la práctica son complejas de aplicar debido a la incertidumbre existente en la interface líquido-gas. Por ello, algunos autores proponen la aplicación de estas teorías utilizando valores medios de aire y agua, y corregidas con coeficientes experimentales. Otros autores, en cambio, proponen el uso de correlaciones experimentales, que normalmente son función de parámetros medios de las condiciones del agua y del aire del recinto. Aunque los resultados de estas últimas pueden llegar a ser precisos, el ámbito de aplicación se limita a las geometrías y distribuciones de aire en las cuales fueron obtenidas. Por otro lado, el estudio preciso de la influencia de la distribución del aire en el recinto requiere de la resolución de las ecuaciones de conservación de masa, energía y cantidad de movimiento del fluido así como del modelo turbulento. Este análisis puede llegar a ser complejo, por ello, algunos autores recurren a las metodologías CFD para su resolución. Además, se hace necesario el acoplamiento del modelo CFD con la tasa de evaporación. En los trabajos revisados este acoplamiento se realiza introduciendo un flujo de vapor cuyo valor se obtiene a partir de correlaciones experimentales. En la revisión realizada no se encuentran metodologías para el cálculo directo de la tasa de evaporación acoplada con el movimiento del aire, que permitan calcular de forma precisa la correcta distribución de temperaturas y humedades en el mismo. En el presente trabajo se describe una metodología basada en CFD, utilizando el software ANSYS CFX, para el cálculo de la tasa de evaporación, así como su validación

Método explícito vs. implícito en la resolución del intercambio radiante de onda larga en simulación térmica de edificios

Los programas de simulación térmica de edificios no sólo constituyen una herramienta de gran utilidad al servicio de profesionales del sector energético sino que su uso, a raíz de los últimos cambios normativos en materia de ahorro y eficiencia energética, se han convertido en una de las vías obligatorias para comprobar el cumplimiento de las limitaciones impuestas por dichas normas [1]. Actualmente, dado el alto grado de conocimiento existente en el modelado térmico de edificios, la precisión alcanzada por los programas de simulación está prácticamente encomendada a la información climática y al conocimiento de las condiciones de operación, y por tanto, el desarrollo de nuevos modelos está principalmente asociado a nuevas soluciones constructivas o de sistemas de climatización. Sin embargo, la extensión de su utilización al ámbito profesional, junto con la tendencia a simular en pasos de tiempos inferiores a una hora [2], ha motivado la revisión de los algoritmos utilizados con el objeto de valorar la relación entre su precisión y los tiempos empleados de CPU. En este sentido, uno de los algoritmos presentes en dichos programas de simulación es aquel destinado a resolver el intercambio radiante de onda larga en el interior del edificio, de especial interés en espacios con acceso solar. La formulación de dicho fenómeno dependerá del tipo de esquema de resolución general elegido para resolver el conjunto de ecuaciones que gobiernan la energética del edificio. Así, podemos encontrar esquemas de resolución denominados “implícitos” [2, 3] que necesitan de procesos iterativos o de inversión de matrices, costosos computacionalmente; o los “explícitos” [4], que establecen hipótesis para evitar dichos procesos, como asumir temperaturas de instantes anteriores. En el presente artículo se propone una nueva formulación para la integración del fenómeno del intercambio radiante de onda larga en un esquema de resolución explícito. Así mismo, se expondrán los resultados de la validación del método en términos de precisión (flujos de calor y temperaturas superficiales) y tiempos de CPU, empleando como referencia un esquema de resolución implícito

Levodopa-Induced Dyskinesia in Parkinson Disease Specifically Associates with Dopaminergic Depletion in Sensorimotor-Related Functional Subregions of the Striatum

[Purpose] To determine whether the development of levodopa-induced dyskinesia (LID) in Parkinson disease (PD) specifically relates to dopaminergic depletion in sensorimotor-related subregions of the striatum.[Methods] Our primary study sample consisted of 185 locally recruited PD patients, of which 73 (40%) developed LID. Retrospective 123I-FP-CIT SPECT data were used to quantify the specific dopamine transporter (DAT) binding ratio within distinct functionally defined striatal subregions related to limbic, executive, and sensorimotor systems. Regional DAT levels were contrasted between patients who developed LID (PD + LID) and those who did not (PD-LID) using analysis of covariance models controlled for demographic and clinical features. For validation of the findings and assessment of the evolution of LID-associated DAT changes from an early disease stage, we also studied serial 123I-FP-CIT SPECT data from 343 de novo PD patients enrolled in the Parkinson Progression Marker’s Initiative using mixed linear model analysis.[Results] Compared with PD-LID, DAT level reductions in PD + LID patients were most pronounced in the sensorimotor striatal subregion (F = 5.99, P = 0.016) and also significant in the executive-related subregion (F = 5.30, P = 0.023). In the Parkinson Progression Marker’s Initiative cohort, DAT levels in PD + LID (n = 161, 47%) were only significantly reduced compared with PD-LID in the sensorimotor striatal subregion (t = −2.05, P = 0.041), and this difference was already present at baseline and remained largely constant over time.[Conclusion] Measuring DAT depletion in functionally defined sensorimotor-related striatal regions of interest may provide a more sensitive tool to detect LID-associated dopaminergic changes at an early disease stage and could improve individual prognosis of this common clinical complication in PD.Peer reviewe