Experimental and computational evaluation of the effect of thermochromic and electrochromic windows on the energy efficiency of buildings

Abstract

The present thesis investigates, through both experimental and computational methods, the impact of windows with electrochromic (EC) and thermochromic (TC) layers on the energy efficiency of buildings, while also accounting for aspects of visual comfort. Since the building sector is globally recognized as the largest energy consumer, the improvement of its energy efficiency is a crucial issue within the broader context of the ongoing energy crisis. One aspect of the building envelope that offers significant potential for improvement in terms of its energy efficiency are its windows. Contemporary architectural trends favor extensive glazing areas, as they provide natural daylight and ventilation, while at the same time they offer the occupants unobstructed views of the outdoors, thereby improving indoor comfort and increasing productivity and satisfaction in work environments. However, a tradeoff is often presented between allowing desirable passive solar heat gain, daylight and outdoor visibility, while simultaneously avoiding overheating or visual discomfort caused by glare. Additionally, since glazed areas usually have a higher thermal transmittance compared to opaque elements, their incorporation in the building envelope frequently leads to increased energy losses. A promising solution to the abovementioned challenges, that is investigated in the frame of this thesis, is the use of smart switchable glazing that is able to adjust its optical properties in a dynamic and reversible way in response to external stimuli. Among the various researched smart glazing types, the current thesis focuses on electrochromic and thermochromic glazing, as they constitute the most well-known and widespread technologies. The thesis also investigates and analyzes the effectiveness of combining an electrochromic and a thermochromic layer in the same glazing configuration. In this way, it is possible to take advantage of the possibility for active control, provided by the electrochromic layer, coupled with an additional reduction of undesirable solar heat gain on warmer days, due to the passive operation of the thermochromic layer. In this context, various combined electrochromic-thermochromic (EC-TC) configurations are initially defined and compared in terms of their energy efficiency, in order to identify the optimal configuration for the proposed EC-TC system. After the abovementioned analysis and the construction and delivery of the novel EC and EC-TC glazing systems by the manufacturers, the experimental section of the thesis focuses on their assessment at both component and pilot building level. To this end, the novel glazing systems are installed in two pilot buildings at the NTUA campus and monitored over an entire year. The component level assessment is carried out through the measurement of the main metrics that characterize the energy performance of a glazing system with the use of in-situ measurement techniques. The evaluation for the most part verifies that the performance of the Insulated Glazing Units (IGUs) under actual use conditions is consistent with the theoretically expected one, however, some discrepancies are also revealed. The monitoring of the thermal and visual performance of the IGUs facilitates the better understanding of their behavior and reveals their advantages, as well as specific shortcomings that require further improvement. The experimental results are expanded upon with the use of energy simulations. One aspect explored in the numerical section of the thesis is the switching strategy used for the control of the electrochromic layer. For this purpose, various rule-based switching strategies, as well as a more advanced predictive strategy, that was developed and implemented in MATLAB, are compared in terms of energy efficiency, visual discomfort due to glare and useful daylight availability. The switching strategies with the best performance for each criterion are identified and the differences in their performance are discussed. In the final chapter of the numerical section, different EC and EC-TC configurations are defined and their effect is compared in terms of energy efficiency, visual discomfort due to glare and net present cost for the case of a real, operational building in Athens. It is shown that the smart glazing systems are able to achieve primary energy savings between 7-16% and a net present cost reduction up to 18% compared to a state-of-the-art conventional glazing. Subsequently, a representative part of the building’s glass façade is selected and used to carry out a sensitivity analysis for a large number of different building design scenarios. The sensitivity analysis allows the quantification of the average effect of the smart glazing configurations compared to state-of-the-art conventional glazing and the identification of the most influential building design parameters on energy efficiency, visual discomfort due to glare and net present cost. Through this analysis it is possible to reach more general conclusions, that are independent of a particular case study.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει, μέσω πειραματικών και υπολογιστικών μεθόδων, την επίδραση παραθύρων με ηλεκτροχρωμικές (electrochromic-EC) και θερμοχρωμικές (thermochromic-TC) επιστρώσεις στην ενεργειακή απόδοση κτιρίων, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη παραμέτρους οπτικής άνεσης. Δεδομένου ότι ο κτιριακός τομέας αναγνωρίζεται παγκοσμίως ως ο μεγαλύτερος ενεργειακός καταναλωτής, η βελτίωση της ενεργειακής του απόδοσης αποτελεί κρίσιμο ζήτημα στο ευρύτερο πλαίσιο της συνεχιζόμενης ενεργειακής κρίσης. Ένα στοιχείο του κτιριακού κελύφους που παρουσιάζει ιδιαίτερες προοπτικές ως προς τη βελτίωση της ενεργειακής του απόδοσης είναι τα παράθυρα. Οι σύγχρονες αρχιτεκτονικές τάσεις δείχνουν προτίμηση στις εκτεταμένες γυάλινες επιφάνειες, καθώς παρέχουν φυσικό φωτισμό και αερισμό, ενώ ταυτόχρονα προσφέρουν στους χρήστες ανεμπόδιστη θέα προς τον εξωτερικό χώρο του κτιρίου, βελτιώνοντας έτσι τις συνθήκες εσωτερικής άνεσης και αυξάνοντας την παραγωγικότητα σε εργασιακά περιβάλλοντα. Ωστόσο, συχνά παρουσιάζεται μία ανάγκη εξισορρόπησης μεταξύ της αξιοποίησης του επιθυμητού παθητικού ηλιακού θερμικού κέρδους, του φυσικού φωτισμού και της οπτικής επαφής με το εξωτερικό περιβάλλον με την αποφυγή υπερθέρμανσης ή οπτικής δυσφορίας λόγω θάμβωσης. Επιπλέον, καθώς οι γυάλινες επιφάνειες συνήθως παρουσιάζουν υψηλότερη θερμική διαπερατότητα σε σύγκριση με τα αδιαφανή στοιχεία, η ενσωμάτωσή τους στο κτιριακό κέλυφος συχνά οδηγεί σε αυξημένες ενεργειακές απώλειες. Μία πολλά υποσχόμενη λύση στα παραπάνω ζητήματα, η οποία διερευνάται στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, είναι η χρήση έξυπνων υαλοπινάκων μεταβλητών ιδιοτήτων που είναι σε θέση να προσαρμόζουν τις οπτικές τους ιδιότητες με δυναμικό και αναστρέψιμο τρόπο ως απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα. Από τους διάφορους τύπους έξυπνων υαλοπινάκων που έχουν μελετηθεί στη βιβλιογραφία, η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στους ηλεκτροχρωμικούς και τους θερμοχρωμικούς υαλοπίνακες, καθώς αποτελούν τις πιο ευρέως γνωστές και διαδεδομένες τεχνολογίες. Η διατριβή επίσης διερευνά και αξιολογεί την αποδοτικότητα του συνδυασμού ενός ηλεκτροχρωμικού και ενός θερμοχρωμικού στρώματος στην ίδια διάταξη υαλοπινάκων. Με αυτόν τον τρόπο, καθίσταται δυνατή η αξιοποίηση της δυνατότητας ενεργού ελέγχου που προσφέρει το ηλεκτροχρωμικό στρώμα, σε συνδυασμό με μία πρόσθετη μείωση του ανεπιθύμητου ηλιακού θερμικού κέρδους τις θερμότερες ημέρες, λόγω της παθητικής λειτουργίας του θερμοχρωμικού στρώματος. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά ορίζονται και συγκρίνονται ως προς την ενεργειακή τους απόδοση διάφορες συνδυαστικές ηλεκτροχρωμικές-θερμοχρωμικές (Electrochromic-Thermochromic ή EC-TC) διατάξεις, με στόχο τον εντοπισμό της βέλτιστης διάταξης για το προτεινόμενο σύστημα EC-TC. Μετά την προαναφερθείσα ανάλυση και την κατασκευή και παράδοση των καινοτόμων EC και EC-TC διατάξεων υαλοπινάκων από τους κατασκευαστές, το πειραματικό μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στην αξιολόγησή τους τόσο σε επίπεδο δομικού στοιχείου όσο και σε επίπεδο πιλοτικού κτιρίου. Για τον σκοπό αυτό, οι καινοτόμες διατάξεις υαλοπινάκων εγκαταστάθηκαν σε δύο πιλοτικά κτίρια στον χώρο του ΕΜΠ και η συμπεριφορά τους παρακολουθήθηκε για χρονικό διάστημα ενός έτους. Η αξιολόγηση σε επίπεδο δομικού στοιχείου πραγματοποιήθηκε μέσω της μέτρησης βασικών δεικτών που χαρακτηρίζουν την ενεργειακή επίδοση ενός υαλοπίνακα, με χρήση τεχνικών επιτόπιων μετρήσεων. Η αξιολόγηση επιβεβαιώνει σε μεγάλο βαθμό ότι η επίδοση των μονάδων υαλοπινάκων (Insulated Glazing Units-IGUs) υπό πραγματικές συνθήκες χρήσης είναι σε συμφωνία με τη θεωρητικά αναμενόμενη, αν και εντοπίζονται ορισμένες αποκλίσεις. Η παρακολούθηση της θερμικής και οπτικής επίδοσης των μονάδων υαλοπινάκων συμβάλλει στη βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς τους και αναδεικνύει τόσο τα πλεονεκτήματα τους, όσο και συγκεκριμένες αδυναμίες που απαιτούν περαιτέρω βελτίωση. Τα πειραματικά αποτελέσματα συμπληρώνονται από ενεργειακές προσομοιώσεις. Μία από τις πτυχές που διερευνώνται στην υπολογιστική ενότητα της διατριβής είναι η στρατηγική χρωματισμού που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του ηλεκτροχρωμικού στρώματος. Για τον σκοπό αυτό, συγκρίνονται διάφορες στρατηγικές χρωματισμού βασισμένες σε κανόνες, καθώς και μία πιο προηγμένη προγνωστική στρατηγική που αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε στο MATLAB, ως προς την ενεργειακή τους απόδοση, την οπτική δυσφορία λόγω θάμβωσης και τη διαθεσιμότητα ωφέλιμου φυσικού φωτισμού. Προσδιορίζονται οι στρατηγικές με τη βέλτιστη επίδοση για κάθε κριτήριο και συζητούνται οι διαφορές στην επίδοσή τους. Στο τελευταίο κεφάλαιο της υπολογιστικής ενότητας, ορίζονται διαφορετικές EC και EC-TC διατάξεις και συγκρίνεται η επίδρασή τους ως προς την ενεργειακή απόδοση, την οπτική δυσφορία λόγω θάμβωσης και το καθαρό παρόν κόστος για την περίπτωση ενός πραγματικού, λειτουργικού κτιρίου στην Αθήνα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι διατάξεις έξυπνων υαλοπινάκων μπορούν να επιτύχουν εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας της τάξης του 7-16% και μείωση καθαρού παρόντος κόστους έως και 18% σε σύγκριση με μία συμβατική διάταξη τελευταίας τεχνολογίας. Στη συνέχεια, επιλέγεται ένα αντιπροσωπευτικό τμήμα της γυάλινης πρόσοψης του κτιρίου και χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή ανάλυσης ευαισθησίας για έναν μεγάλο αριθμό διαφορετικών σεναρίων κτιριακού σχεδιασμού. Η ανάλυση ευαισθησίας επιτρέπει την ποσοτικοποίηση της μέσης επίδρασης των διατάξεων έξυπνων υαλοπινάκων σε σύγκριση με τη συμβατική διάταξη τελευταίας τεχνολογίας και τον εντοπισμό των πιο σημαντικών παραμέτρων σχεδιασμού που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση, την οπτική δυσφορία λόγω θάμβωσης και το καθαρό παρόν κόστος. Μέσω της ανάλυσης αυτής καθίσταται δυνατή η εξαγωγή πιο γενικών συμπερασμάτων, που είναι ανεξάρτητα από μία συγκεκριμένη μελέτη περίπτωσης.