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Architectural integration of photovoltaic and solar thermal technologies in multi-family residential buildings in the Mediterranean area

  • Nowadays, society is becoming increasingly conscious of the adverse effect of energy use on the environment, contributing to the depletion of fossil fuels and increasing global warming. Because of the substantial contribution of building energy to these concerns, the intention should be not only to improve building energy efficiency but also to promote the use of renewable technologies, especially solar energy. Today building-integrated photovoltaic (BIPV) and building-integrated solar thermal (BIST) technologies are recognized by building designers as innovative technology for clean energy and greenhouse gas reduction, especially in cities, where multi-story buildings are dominant with limited roof area. For the Mediterranean area, the high level of solar radiation and plentiful sunny hours make it appropriate for solar system installation, however, the development of solar energy is still limited. Moreover, due to the high population growth rate, lack of local resources, high energy price, and urbanization, one of the prioritiesNowadays, society is becoming increasingly conscious of the adverse effect of energy use on the environment, contributing to the depletion of fossil fuels and increasing global warming. Because of the substantial contribution of building energy to these concerns, the intention should be not only to improve building energy efficiency but also to promote the use of renewable technologies, especially solar energy. Today building-integrated photovoltaic (BIPV) and building-integrated solar thermal (BIST) technologies are recognized by building designers as innovative technology for clean energy and greenhouse gas reduction, especially in cities, where multi-story buildings are dominant with limited roof area. For the Mediterranean area, the high level of solar radiation and plentiful sunny hours make it appropriate for solar system installation, however, the development of solar energy is still limited. Moreover, due to the high population growth rate, lack of local resources, high energy price, and urbanization, one of the priorities in the Mediterranean area is to promote the energy efficiency of the building both on the supply side and demand side. Therefore, this research aims to investigate the potential of installation of the photovoltaic (PV) and solar thermal (ST) technologies in the new multi-family residential building envelope in the Mediterranean area, taking Amman, Jordan, as a case study. The focus of this research is on the typical multi-family residential buildings in Amman, as it is the city where about 50% of the new construction in Jordan is taking place, and the residential buildings are the major consumers of energy and electricity in Jordan. The multi-family buildings also form about 75% of the total housing stock in Jordan. The typical multi-family building studied here is composed of five main floors, contains ten residential apartments; the area of each apartment is 150 m2. It is assumed that the building is located in a common residential urbanized zone in Jordan, with 6 m sides offset and 8 m back offset, assuming that one side is facing the main street, and all the buildings have a maximum allowable height of 15 m. All the architectural parameters related to the multi-family buildings have been defined through analyzing the residential building stock in Jordan. In order to achieve the research aim, the possibility of reducing the energy demand of the typical multi-family building in Amman, Jordan, through passive and architectural design strategies was firstly investigated. After that, different performance criteria were evaluated, mainly quantitative criteria including energy consumption, energy production, and life cycle assessment (energy, carbon, cost). In addition to the qualitative criteria, including visibility and functionality, the purpose here is to emphasize the substantial function of BIPV systems. Each performance criterion was assessed alone. Then, all the performance criteria results were presented in a decision support matrix, which can be used as a comparison to evaluate and identify the solar system's application of choice, based on the criteria of the user. Moreover, a new energy index was formulated to evaluate the overall annual energy performance of BIPV design in terms of multifunctional effects on building energy. Different methods were adopted in this research; the qualitative criteria were evaluated based on the literature review analysis, while the quantitative criteria were evaluated by using different simulation software, previous literature review, and spreadsheet calculations. Literature review analyses were conducted in order to identify the relevant possibilities and the aesthetical solution the market offers, and the multiple benefits for PV and ST integration. The knowledge acquired from this part played a significant role in choosing and designing the proposals of PV and ST installation into the multi-story building envelope. Regarding the simulation studies, different building and energy simulation software was used to simulate and optimize the energy performance of the typical multi-family building in Amman, Jordan, through passive and architectural design strategies, as well as to find out the optimum design of the energy system in terms of energy performance (energy demand of the system, and solar energy fraction), and to investigate the energy-saving potential of PV and ST systems with various designs (tilt angles, azimuth, installed area, etc.). For the building energy simulation, each zone in the building was modeled as a space of its own. The energy demand was calculated on an hourly basis for a period of a whole year. The results from the simulation analysis, related literature and guidelines were adopted to conduct a life cycle assessment through spreadsheet calculation, to determine the long-term performance in terms of energy and carbon emissions, as well as cost considerations, taking into account the current market practice. The cradle-to-grave approach was adapted for the environmental life cycle assessments. The general conclusion of this research is that installing the PV modules into the multi-family buildings envelope in Amman, Jordan, makes a positive contribution in terms of energy performance, as PV systems can cover up to 97% of the new building electricity demand when they are installed on both the roof and south façade, and up to 43% is covered by installing the PV modules into the south facade. Regarding the environmental life cycle assessment, the results proved the carbon saving potential of all the proposed PV systems, as the energy payback time (EPBT) is between 1.5- 3.5 years and the carbon payback time (CPBT) is between 3.4- 7.8 years. However, for the life cycle cost assessment the result showed that due to high capital cost and low cost of electricity, neither system is currently feasible for investment, as the payback time (PBT) is between 9.0- 16 years. However, with future advances in each system and more efficient designs, the payback periods would become tangible and therefore yield better performances. Lastly, the results were used to derive a decision support matrix aimed at providing a friendly approach to facilitate the implementation of solar building applications.zeige mehrzeige weniger
  • In letzter Zeit wird sich die Gesellschaft zunehmend der negativen Auswirkungen auf die Umwelt durch hohe Energieverbräuche bewusst, die wesentlich zur Erschöpfung fossiler Brennstoffe und zur globalen Erwärmung beitragen. Aufgrund des wesentlichen Beitrages des Gebäudeenergiesektors sollte hier nicht nur die Gebäudeeffizienz gesteigert werden, sondern auch die Verwendung von regenerativen Energien mit Fokus auf solarer Energienutzung. Heutzutage sind in die Gebäudehülle integrierte Photovoltaik (PV) und Solarthermie (ST) von Gebäudeplanern anerkannte Technologien um saubere Energie zu generieren und Treibhausgase zu reduzieren. Diese integrierten Technologien können vor allem in Städten, in denen hauptsächlich mehrgeschossige Gebäude vorkommen und Dachflächen limitiert sind zum Einsatz kommen. Für die im Mittelmeerraum herrschenden Bedingungen mit hoher solarer Einstrahlung und einer großen Anzahl an Sonnenstunden sind solare Systeme zwar äußerst geeignet, werden jedoch noch nicht in entsprechendem Maße eingesetzt. Darüber hinausIn letzter Zeit wird sich die Gesellschaft zunehmend der negativen Auswirkungen auf die Umwelt durch hohe Energieverbräuche bewusst, die wesentlich zur Erschöpfung fossiler Brennstoffe und zur globalen Erwärmung beitragen. Aufgrund des wesentlichen Beitrages des Gebäudeenergiesektors sollte hier nicht nur die Gebäudeeffizienz gesteigert werden, sondern auch die Verwendung von regenerativen Energien mit Fokus auf solarer Energienutzung. Heutzutage sind in die Gebäudehülle integrierte Photovoltaik (PV) und Solarthermie (ST) von Gebäudeplanern anerkannte Technologien um saubere Energie zu generieren und Treibhausgase zu reduzieren. Diese integrierten Technologien können vor allem in Städten, in denen hauptsächlich mehrgeschossige Gebäude vorkommen und Dachflächen limitiert sind zum Einsatz kommen. Für die im Mittelmeerraum herrschenden Bedingungen mit hoher solarer Einstrahlung und einer großen Anzahl an Sonnenstunden sind solare Systeme zwar äußerst geeignet, werden jedoch noch nicht in entsprechendem Maße eingesetzt. Darüber hinaus ist es aufgrund von der hohen Bevölkerungswachstumsrate, dem Mangel an lokalen Ressourcen, hohen Energiepreisen und der Urbanisierung eine der Prioritäten im Mittelmeerraum, die Energieeffizienz von Gebäuden sowohl auf Angebots- als auch auf Nachfrageseite zu fördern. Daher ist das Ziel dieses Forschungsbeitrages, die Potentiale von PV- und ST-Installation in der Gebäudehülle von neu errichteten Mehrfamilienhäusern (MFH) im Mittelmeerraum zu untersuchen, wobei Amman in Jordanien als Fallstudie herangezogen wird. Der Großteil des Wärme- und Stromverbrauches wird in Jordanien von Wohngebäuden verursacht und ca. 75 % des Wohngebäudebestandes besteht aus Mehrfamilienhäusern, weshalb der Fokus der Forschung auf diesem Gebäudetyp liegt. Da in Amman etwa 50 % der Neubauten in Jordanien errichtet werden, wurde dieser Standort als Untersuchungsgebiet gewählt. Das untersuchte typische MFH hat 5 Hauptgeschosse und besteht aus 10 Wohnungseinheiten mit einer Fläche von jeweils 150 m². Es wurde angenommen, dass sich das Gebäude einem stark urbanisierten Wohnungsgebiet befindet und zu den Seiten hin 6 m und an der Rückseite 8 m Freifläche angrenzt. Bei einer zulässigen Höhe von 15 m soll eine Seite des Gebäudes an eine Hauptstraße angrenzen. Alle architektonischen Parameter im Zusammenhang mit dem MFH in Jordanien wurden durch eine Analyse des Wohnungsbestandes von Jordanien definiert. Um das Forschungsziel zu erreichen, wurde zunächst die Möglichkeit untersucht, den Energiebedarf des typischen MFH in Amman, Jordanien, durch passive und architektonische Gestaltungsstrategien zu reduzieren. Danach wurden verschiedene Bewertungsgrößen eingeführt, hauptsächlich quantitative Kriterien wie Energieverbrauch, Energieerzeugung und Ökobilanz (Energie, CO2 und Kosten). Neben den qualitativen Kriterien wie Sichtbarkeit und Funktionalität werden bei den integrierten PV-Systemen auch die wesentlichen Funktionen hervorgehoben. Jedes Leistungskriterium wurde für sich im Einzelnen bewertet. Die Ergebnisse dieser Bewertung wurden in einer Matrix zusammengefasst, welche den Nutzer bei der Auswahl des gewünschten Solarsystems entsprechend den am wichtigsten erachteten Bewertungsgrößen unterstützen soll. Zusätzlich dazu wurde ein Energieindex formuliert, mittels welchem die jährliche Gesamtenergieeffizienz des integrierten PV-Konzeptes im Hinblick auf multifunktionale Auswirkungen auf die Gebäudeenergie bewertet werden kann. In der durchgeführten Forschungsarbeit wurden folgende Methoden angewandt: die qualitativen Kriterien wurden auf Grundlage von Literaturrecherche evaluiert und die quantitativen Kriterien durch die Anwendung von verschiedener Simulationssoftware, vorangegangener Literaturrecherche und Tabellenkalkulation ermittelt. Es wurden Literaturrecherchen durchgeführt, um die relevanten Möglichkeiten und die ästhetischen Lösungen, die der Markt bietet, sowie die vielfältigen Vorteile für die Integration von PV und ST zu identifizieren. Die in diesem Zusammenhang gewonnenen Erkenntnisse spielten eine wichtige Rolle bei der Auswahl und Gestaltung der Vorschläge für die PV- und ST-Installation in der untersuchten mehrgeschossigen Gebäudehülle. Im Rahmen der Simulationsstudien wurden zwei sich ergänzende Gebäude- und Energiesimulationssoftware eingesetzt, um die Energieeffizienz des typischen Mehrfamilienhauses in Amman, Jordanien, durch passive und architektonische Planungsstrategien zu simulieren und zu optimieren. Dieser Ansatz wurde auch genutzt, um die optimale Auslegung des Energiesystems in Bezug auf die Energieeffizienz (Energiebedarf des Systems und Solarenergieanteil) zu ermitteln und das Energieeinsparpotential von PV- und ST-Systemen mit verschiedenen Bauformen (Neigungswinkel, Azimut, installierte Fläche etc.) zu untersuchen. Für die Gebäudesimulationen wurde jede Zone im Gebäude als eigener Raum modelliert. Der Energiebedarf wurde auf Stundenbasis für den Zeitraum eines ganzen Jahres berechnet. Die Ergebnisse der Simulationsanalyse und der vorangegangenen Literatur- und Richtlinienrecherche wurden verwendet, um unter Anwendung einer Tabellenkalkulation eine Ökobilanz aufzustellen. Auf dieser Basis wurde die langfristige Performance in Bezug auf Energie- und CO2-Emissionen sowie Kostenüberlegungen unter Berücksichtigung der aktuellen Marktpraxis ermittelt. Für die durchgeführte Ökobilanzierung wurde der Cradle-to-Grave-Ansatz in angepasster Form verwendet. Das allgemeine Fazit dieser Forschungsarbeit ist, dass die Installation von PV-Module in der Gebäudehülle von MFH in Amman, Jordanien, einen positiven Beitrag zur Energieeffizienz leisten kann. PV-Systeme können bis zu 97 % des Gebäudestrombedarfs von neu errichteten MFH decken, wenn sie gemeinsam an der Dach- und Südfassade installiert werden und bis zu 43 % durch ausschließliche Installation in der Südfassade. Die Durchführung der Ökobilanz zeigte, dass die Energierückgewinnungszeit für die untersuchten PV-Systeme –zwischen 1,5 und 3,5 Jahren und die CO2-Rückgewinnungszeit zwischen 3,4 und 7,8 Jahren liegt. Für die Lebenszykluskostenbetrachtung zeigte das Ergebnis jedoch, dass aufgrund der hohen Investitionskosten und der niedrigen noch subventionierten Stromkosten in Jordanien derzeit kein System für Investitionen geeignet ist, da die Amortisationszeit zwischen 9 und 16 Jahren liegt. Mit weiterentwickelten Systemen und effizienteren Designs würden diese Amortisationszeiten jedoch vermindert und somit bessere Leistungen erzielt werden können. Schließlich wurden die Ergebnisse genutzt, um eine Matrix abzuleiten, die bei der Entscheidung für Umsetzungsmaßnahmen von solaren Gebäudeanwendungen auf benutzerfreundliche Weise unterstützen soll.zeige mehrzeige weniger

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Verfasserangaben:Dr. Ing Jenan Abu Qadourah
URN:urn:nbn:de:kobv:b170-13091
DOI:https://doi.org/10.25624/kuenste-1309
Gutachter*in:Prof. Dr. Christoph Nytsch-Geusen, Prof. Dr. Christoph Gengnagel
Betreuer:Prof. Dr. Christoph Nytsch-Geusen
Dokumentart:Dissertation
Sprache:Englisch
Datum der Veröffentlichung (online):11.07.2020
Datum der Erstveröffentlichung:04.08.2020
Veröffentlichende Institution:Universität der Künste Berlin
Titel verleihende Institution:Universität der Künste Berlin, Fakultät Gestaltung
Datum der Abschlussprüfung:30.06.2020
Datum der Freischaltung:04.08.2020
Freies Schlagwort / Tag:BIPV; Building-integrated photovoltaics; Multi-assessment; Solar systems integration
GND-Schlagwort:AmmanGND; FotovoltaikGND; SolarthermieGND; GebäudeGND
Seitenzahl:250
Fakultäten und Einrichtungen:Fakultät Gestaltung
DDC-Klassifikation:7 Künste und Unterhaltung / 70 Künste / 700 Künste; Bildende und angewandte Kunst
Lizenz (Deutsch):Creative Commons - CC BY-NC-SA - Namensnennung - Nicht kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
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