Heating, ventilation and air conditioning system optimization: a study of the effect of climate, building design, system selection and control strategy on the energy consumption of a typical office building in London and Athens

Abstract

The increasing demand for air conditioning in commercial buildings imposes a serious threat to Europe’s CO2 reduction targets. Architects and engineers are therefore in a key position to help reduce the impact of buildings on the environment by taking appropriate decisions concerning the design of the building and the associated heating, ventilation and air conditioning (HVAC) system. The thesis studies the effect of a number of building and HVAC system related design factors on the energy performance o f a notional air-conditioned office building employing either a variable air volume (VAV) system with terminal re-heaters, or a four-pipe fan coil unit (FCU) system with fresh air supply from a central plant, using mainly a dynamic simulation tool and the response surface methodology. The evaluation of the energy performance of the HVAC systems is for two types of climate, using typical weather data for London (UK) and Athens (Greece). It has been found that the design variables associated with the solar radiation through the transparent building elements and the internal heat gains should be the main concern of the building designer. On the other hand, the HVAC system engineer should give emphasis to the parameters associated with the plant performance and operation, as well as the temperature control set-points. It has been shown that it is possible to reduce the carbon emissions of the base case scenario by up to 88% depending on the HVAC system and the climate for which it is simulated. The carbon savings, however, are reduced by up to 22% where humidification is provided. This reduction differs depending on the HVAC system and the climatic conditions.The VAV system is more energy efficient than the FCU system, mainly due to the exploitation of the free cooling capacity of the outdoor air. The difference in carbon emissions between the two systems drops when both of them are simulated for the Athens as opposed to the London typical weather conditions. It has been found that it is possible to turn the carbon scales in favour of the FCU system when humidification to a high RH set-point is provided throughout the year, since the adjustment of the RH of the air is particularly energy wasteful for the VAV system.

Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για κλιματισμό στα κτίρια του τριτογενούς τομέα αποτελεί σημαντική πρόκληση για την επίτευξη των ευρωπαϊκών στόχων μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO₂). Στο πλαίσιο αυτό, οι αρχιτέκτονες και οι μηχανικοί διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των κτιρίων, μέσω της λήψης κατάλληλων αποφάσεων σχετικά με τον σχεδιασμό του κελύφους και των συστημάτων θέρμανσης, αερισμού και κλιματισμού (Heating, Ventilation and Air Conditioning – HVAC). Η παρούσα διατριβή διερευνά την επίδραση διαφόρων παραμέτρων σχεδιασμού, που αφορούν τόσο το κτίριο όσο και τα συστήματα HVAC, στην ενεργειακή απόδοση ενός υποθετικού κλιματιζόμενου κτιρίου γραφείων, το οποίο διαθέτει: (α) ένα σύστημα Variable Air Volume (VAV) με τερματικές μονάδες αναθέρμανσης και (β) ένα σύστημα Four-Pipe Fan Coil Unit (FCU) με παροχή νωπού αέρα από κεντρική κλιματιστική μονάδα. Η ανάλυση βασίζεται κυρίως στη χρήση δυναμικής ενεργειακής προσομοίωσης, καθώς και της Μεθοδολογίας Επιφανειών Απόκρισης (Response Surface Methodology). Η αξιολόγηση της ενεργειακής συμπεριφοράς των συστημάτων πραγματοποιείται για δύο διαφορετικές κλιματικές ζώνες, με χρήση τυπικών μετεωρολογικών δεδομένων για το Λονδίνο (Ηνωμένο Βασίλειο) και την Αθήνα (Ελλάδα). Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι οι κτιριακοί παράμετροι σχεδιασμού που επηρεάζουν τα ηλιακά κέρδη μέσω των διαφανών δομικών στοιχείων του κελύφους και τα εσωτερικά θερμικά κέρδη αποτελούν τους σημαντικότερους παράγοντες σχεδιασμού από την πλευρά του μελετητή του κτιρίου. Αντίστοιχα, από την πλευρά του μηχανικού HVAC, ιδιαίτερη σημασία έχουν οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση και τη λειτουργία των κεντρικών εγκαταστάσεων, καθώς και οι τιμές ρύθμισης των συστημάτων ελέγχου θερμοκρασίας. Η έρευνα έδειξε ότι είναι δυνατή η μείωση των εκπομπών άνθρακα του βασικού σεναρίου έως και 88%, ανάλογα με τον τύπο του συστήματος HVAC και τις κλιματικές συνθήκες που εξετάζονται. Ωστόσο, όταν προβλέπεται ύγρανση του αέρα, το ποσοστό εξοικονόμησης μειώνεται έως και 22%. Η μείωση εξαρτάται τόσο από το χρησιμοποιούμενο σύστημα HVAC όσο και από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής.Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι το σύστημα VAV παρουσιάζει υψηλότερη ενεργειακή απόδοση σε σύγκριση με το σύστημα FCU, κυρίως λόγω της αποτελεσματικότερης αξιοποίησης της δυνατότητας ελεύθερης ψύξης (free cooling) μέσω του εξωτερικού αέρα. Η διαφορά στις εκπομπές άνθρακα μεταξύ των δύο συστημάτων μειώνεται όταν η προσομοίωση πραγματοποιείται υπό τις τυπικές κλιματικές συνθήκες της Αθήνας έναντι εκείνων του Λονδίνου. Τέλος, προέκυψε ότι το συγκριτικό πλεονέκτημα μπορεί να μετατοπιστεί υπέρ του συστήματος FCU όταν εφαρμόζεται καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους ύγρανση με υψηλή τιμή αναφοράς σχετικής υγρασίας (Relative Humidity – RH), δεδομένου ότι η ρύθμιση της υγρασίας του αέρα συνεπάγεται ιδιαίτερα αυξημένη ενεργειακή κατανάλωση στην περίπτωση του συστήματος VAV.