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 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.
Der Fokus in dieser Arbeit liegt auf der Konstruktion zweier Methoden:
1. der Konstruktion von DYNIBLT, einer erweiterten IBLT-Methode, deren Fokus auf der Berücksichtigung von dynamischen Nutzern liegt, d.h. Nutzern, die in einem Gebäude ihre Position verändern,
2. der Konstruktion von AMADAN, einem agentenbasierten Modellierungsansatz zur Darstellung von Nutzerverhalten in der Gebäudesimulation, welcher entsprechend auf der DYNIBLT–Methode aufbaut.
Kern der AMADAN-Methode ist die Interpretation von Gebäude und Nutzer als strikt voneinander getrennte Komponenten, welche mittels Schnittstellen sich gegenseitig beeinflussen können. Der Nutzer selbst wird ebenfalls komponentenweise betrachtet: Physiologie des Nutzers, die Fähigkeit zum Fällen von Entscheidungen sowie das Abspeichern von Ereignissen werden voneinander getrennt modelliert. Die Schnittstellen der einzelnen Komponenten sind so angelegt, dass sie einer (rudimentären) Abbildung realer Abläufe entsprechen.
Agentenbasierte Modelle haben einen erheblichen Nachteil: Damit sie über eine sinnvolle Aussagekraft verfügen, muss das Modell der direkten Umgebung des Agenten über eine hohe örtliche Auflösung verfügen (human centric view). Dies führt zu langen Simulationszeiten und in der Regel sehr komplexen Modellen. Um dem zu begegnen, wird in dieser Arbeit zusätzlich die Verwendung strukturvariabler Modellierung in der Gebäudesimulation betrachtet und bewertet.
Die Methode wird unter Verwendung schon existierender Werkzeuge und einer nicht-trivialen Umgebung evaluiert. Hierbei wird zur Abbildung des physiologischen Körpers des Nutzers ein Zwei-Knoten-Modell verwendet. Die Umgebung wird durch drei miteinander verbundene Räume abgebildet, welche in Form von 3D-Modellen verwendet werden. Der Nutzer wird hier verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Die Zielsetzung des Nutzers wird in Abhängigkeit des thermischen Wohlbefindens formuliert.
Es wird insbesondere gezeigt, dass AMADAN als übergeordnetes Framework verwendet werden kann, um unterschiedliche Komponenten zur Darstellung von Nutzerverhalten in der thermischen Gebäudesimulation miteinander interagieren zu lassen. Es wird weiterhin gezeigt, dass mit DYNIBLT ein Lernprozess abgebildet wird. Hierfür werden mehrere Simulationen unter gleichen Raumbedingungen mit gleicher Zielsetzung für einen Nutzer gestartet und das Verhalten der Nutzer betrachtet. Sowohl die Beobachtung, dass in der überwiegenden Mehrheit der Simulationen der Nutzer den gesetzten Zielzustand erreicht, als auch dass hierfür unterschiedliche Wege gewählt werden, wird als Indikator für ein auf Lernen basiertes Verhalten gewertet.
Als Reaktion auf die hohe Mortalität während einer Hitzeperiode in Europa im Sommer 2003 hat der Deutsche Wetterdienst (DWD) Hitzestresswarnungen in sein Portfolio integriert und das Thema weiter in den Fokus gerückt. Hitzestress wird überwiegend als Problem des Außenraumes wahrgenommen. Gleichzeitig jedoch ist bekannt, dass sich die städtische Bevölkerung und insbesondere ältere und kranke Menschen, die im Hinblick auf Hitzestress besonders vulnerable Gruppen darstellen, überwiegend in Innenräumen aufhalten. Verminderte Schlafqualität, bedingt durch aufgeheizte Innenräume, verstärkt die Belastungssituation. All dies macht es erforderlich, Hitzestressrisiken ebenfalls im Innenraum zu untersuchen.
Diese Forschungsarbeit ist im Kontext des Teilprojekts Indoor Simulations der DFGForschergruppe UCaHS (DFG Research Unit 1736, Urban Climate and Heat Stress in mid-latitude cities in view of climate change) an der Universität der Künste Berlin entstanden. Im Rahmen dieses Teilprojekts werden Simulationsmethoden zur Analyse von Hitzestressrisiken im Innenraum entwickelt und erprobt. Die Aufgabenstellung stellt
Simulationsmethoden vor die Herausforderung, mehrtägige Auswertungszeiträume von Hitzeperioden und eine örtliche Auflösung des Innenraumes für eine lokale Auswertung unter Beachtung praktikabler Rechenzeiten zusammenzubringen.
Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wird der zonale Ansatz einer ortsdiskretisierten Simulation als geeigneter Simulationsansatz identifiziert, beschrieben, weiterentwickelt und in der Programmiersprache Modelica implementiert. Die Weiterentwicklung geschieht im Hinblick auf den gewünschten Anwendungsbereich: die Simulation von Innenräumen während mehrtägiger Hitzeperioden zur Bewertung von Hitzestressrisiken. Neben der Kalibrierung des zonalen Modells zur verbesserten Abbildung von Raumluftströmung und Temperaturentwicklung kommt daher der Modellierung des Fensters, der Schnittstelle zwischen Innen- und Außenraum mit großem Einfluss auf das Innenraumklima, eine besondere Bedeutung zu. Das zonale Modell wird verifiziert und validiert, die Umsetzung der Fensterlüftung wird plausibilisiert. Dafür werden zonale Simulationsergebnisse mit Messdaten verglichen; zusätzlich werden CFD-Berechnungen für strömungstechnische Erkenntnisgewinne und zur Cross-Validierung genutzt. Fensterlüftung kann ebenfalls als Ausdruck technischen Nutzerverhaltens betrachtet werden. Technisches
Nutzerverhalten beschreibt Nutzerverhalten, das einen direkten Einfluss auf das Raumklima ausübt, während persönliches Nutzerverhalten, beispielsweise eine Änderung der Bekleidungsisolation, direkte Auswirkungen auf die persönliche Erfahrung von Hitzestress hat. Beide Kategorien von Nutzerverhalten werden exemplarisch in das zonale Modell zur Innenraumsimulation integriert. Eine Verknüpfung mit dynamischen Methoden zur Auswertung der thermischen Behaglichkeit vervollständigt den Simulationsansatz zur Bewertung von Hitzestressrisiken. Anhand von zwei Anwendungsbeispielen wird demonstriert, dass mit diesem Simulationsansatz Innenräume in ihrer Unterschiedlichkeit bzgl. Geometrie, Baukonstruktion, Ausrichtung und Nutzerverhalten über die Zeiträume von Hitzeperioden abgebildet und im Raum befindliche Personen aktiv in der Bewertung von Hitzestressrisiken berücksichtigt werden können.
Zum Erreichen der weltweiten Klimaziele leistet Deutschland seinen Beitrag durch die Definition und Umsetzung des Maßnahmenpaketes Energiewende. Ein wesentlicher Bestandteil ist die Energieeinsparung im Gebäudebereich. Der Großteil des Endenergieverbrauchs entfällt auf die Wärmeversorgung der Gebäude. Auf Raumebene legt deshalb das Gebäudeenergiegesetz in §63 die Regelung wassergeführter Heizvorrichtungen fest. Dazu ist die Wahl geeigneter Einzelraumregler notwendig. Diese ist oft nicht trivial und erfolgt meist zwischen zwei Extremen. Entweder es werden klassische Regler wie Zweipunkt- oder P/PI/PID-Regler genutzt, deren optimale Parameter aber selten bekannt sind und ihre Anwendung somit zu Energieverschwendung und Komfortverlust führen kann, oder es werden spezialisierte, an den konkreten Raum angepasste Regler mittels Modellbildung und Simulation bestimmt, deren Entwicklung entsprechend teuer ist. Dies macht es erforderlich, die Wahl geeigneter Einzelraumregler zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen einfachen Weg zur Wahl eines geeigneten Reglers einschließlich seiner Parametrisierung für die Temperaturregelung eines Einzelraumes zu finden. Dazu wird untersucht, ob Zusammenhänge aus komprimierenden Kenngrößen für Räume, Standorte und Nutzungen und optimal parametrisierten Reglern gefunden werden können, die zur vereinfachten Wahl nahezu optimaler Regler und deren Parameter nutzbar sind. Es wird eine empirische Methodik entwickelt, die auf einer umfangreichen Simulationsstudie zur Generierung eines großen Datensatzes von Beispielräumen und wenigen, für diese Räume günstigsten, optimal parametrisierten Reglern, basiert. Dazu werden Simulationsszenarien definiert und deren Raum-, Nutzungs- und Standortmodelle sowie Reglermodelle in der Modellierungssprache Modelica unter Zuhilfenahme der BuildingSystems-Bibliothek erstellt. Die Methodik ist anwendbar und muss nun auf weitere Regler übertragen werden. Die Entwicklung der Methodik geschieht im Hinblick auf eine einfache, praxisorientierte Anwendung, bei der dann keine Simulationsmodelle der Räume oder Regler mehr notwendig sind. Es werden nur wenige Raum- und Wetterkenngrößen benötigt, die vom Geäudeplaner, -betreiber oder -nutzer vorzugeben sind. Durch die gefundenen Zusammenhänge, die als Künstliche Neuronale Netze vorliegen, kann der günstigste Regler einschließlich seiner optimalen Parameter leicht bestimmt werden. Die Anwendbarkeit der Methodik wird an einem Testszenario für drei unterschiedliche Standorte und zwei Heizungstypen demonstriert.
Die Arbeit „Integrative Ansätze in der energetischen Gebäudesimulation auf den Modellskalen Einzelraum, Gebäude und Stadtquartier“ befasst sich mit der Entwicklung von Methoden der simulationsgestützten energetischen Abbildung von unterschiedlichen Fragestellungen auf den Modellskalen Einzelraum, Gebäude und Stadtquartier. Die Gebäudemodelldimensionen variieren zwischen der Größe der örtlichen Auflösung (Einzelraum, Gebäude und Stadtquartier) und der Detaillierungstiefe dieser Auflösung (einzonig, mehrzonig, detailliert, grob, usw.). Auch die dazugehörigen Versorgungs- und Anlagentechniken werden in unterschiedlichen Detaillierungsgraden und Komplexitäten (von der Komponente eines einzelnen Rohrsegmentes bis hin zu der Komponente Heizzentrale) in verschiedenen Modellierungstiefen und -situationen (zentral, semi-zentral oder de-zentral) betrachtet. Durch diese große Bandbreite an Abbildungsvariationen ergeben sich verschiedenste Möglichkeiten (Werkzeugketten, Co-Simulationen, Tabellenkalkulation, usw.) und dementsprechend eine Vielzahl an dafür in Frage kommenden Simulationsumgebungen, die es zu integrieren oder kombinieren gilt.
Die entwickelten Methoden zur Betrachtung von verschiedensten Simulationsmodellen auf den jeweiligen Modellskalen werden in einem Anwendungsfall exemplarisch verwendet, dargestellt und bewertet.
This thesis focuses on small scale residential cooling application with unitary air conditioning units as they are wide spread in the so called Middle East North African Region. The presence of these single room or single apartment cooling systems is evaluated and their impact throughout the region assessed. They have a tremendous impact on the electric supply in countries like Saudi Arabia where most of the households already have an AC-unit. The impact in other countries with relatively less installed systems, like in Egypt, is already crucial and leads to regular power cuts. However, the stability of the grids of these countries will decrease further with a higher penetration rate of electric air conditioning systems. Current technology development aims to reduce the buildings cooling energy demand, increase the coefficient of performance, or to substitute the cooling mechanism with a different approach such as sorptive cooling systems. However, these systems require a costly and time intensive change of the building structure or an exchange of the existing cooling system. Due to this reasons, this thesis focuses on the additional installation of a small scale PV electric system, including a battery and applying advanced control strategies to utilize the thermal storage capacity of the building masses. Therefore, the present room cooling system is modeled as a reference system as it could be present throughout the entire region. This system consists of a room model of a typical apartment structure and is cross validated. Two use cases are applied: a bed room and a living room. Further, it includes a model of the solar electric system which is as well parametrized to regional values. Newly, a split unit model and an extended Kinetic Battery model are set up. The single models are combined to an entire system simulation. Afterwards, the main parameters are varied in particle swarm optimization runs to determine the impact of various boundary conditions, such as the electricity price and feed in tariffs, battery and thermal storage capacities, and solar collector field size. The simulation results are compared in terms of levelized costs of cooling, solar coverage rate and the solar cooling autonomy. The findings are compared in a case study. This study highlights the results of the Hurghada, Egypt city district of El Gouna. There, personal observations of the results where possible and an in depth analysis of the results was undertaken. In this location, the levelized costs of electricity for a small scale PV system with 1kWpeak drop there to 0.18USD/kWh with a short investment period of 5 years. They even drop to 0.08 and 0.05USD/kWh when taking an investment period of 15 or 25 years into consideration. With this values, various levelized costs of cooling are simulated as a parameter field of the particle swarm optimization. The findings show, that in most cases, the cooling costs become negative, even with relatively short investment periods. Within a bed room, a solar coverage rate of 0.9 can be achieved with a small scale PV system with weighted costs of only 677USD. In terms of solar cooling autonomy, the most cost efficient system has weighted costs of1,036USD, resulting in a coverage rate of 0.71. The living room air conditioning system can achieve best weighted costs of1,459USDfor a cooling autonomy of 0.86.Further, the practical application of a small scale PV electric solar cooling system was evaluated by the author in the case study location itself. The limitations of the theoretic system design are presented and discussed. Part of this analysis is the thermal stratification in typical vaulted apartment structures as they have a huge impact on the deviation between simulated and measured room air cooling demand.
Die Forschungsarbeit befasst sich mit dem Gebrauch von Klimatechnik zur thermischen Konditionierung von Wohnraum. Das tägliche Heizen und Lüften im Winterhalbjahr verbraucht rund drei Viertel der Energie, die zum ganzjährigen Betrieb von Wohngebäuden notwendig ist. Diese Menge entspricht fast einem Viertel des gesamten Energieverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland und hat somit für die ressourcenschonende, nachhaltige Entwicklung des Landes eine hohe Relevanz. Wie verschiedene Forschungsstudien bereits vor Jahren festgestellt haben wird der Energieverbrauch von Wohngebäuden nicht nur durch die Qualität der Gebäudehülle und die Effizienz der Gebäudetechnik bestimmt, sondern ist wesentlich vom Verhalten der Bewohner*innen abhängig. Die komplexe Wechselwirkung zwischen Mensch, Technik und Umwelt wird im fachlichen Diskurs zum energieeffizienten und nachhaltigen Bauen in der Regel nachrangig betrachtet und die Wirksamkeit technischer Strategien zum Klima- und Ressourcenschutz nicht in Frage gestellt. In Anbetracht einer konstant fortschreitenden Inanspruchnahme von Energie, Material und Fläche muss allerdings bezweifelt werden, ob ausschließlich technikfokussierte Maßnahmen dazu in der Lage sind, einen nachhaltigen Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz zu leisten.