Computational fluid dynamics (CFD) applied to buildings sustainable design: natural ventilation. Case study

Abstract

Through the last decades, building designers should deal with reliable design strategies to take advantage of natural resources in order to increase energy efficiency in buildings, as well as to promote sustainable development and add value to the society. This thesis proposes a reliable building design strategy to improve buildings energy efficiency by means of natural ventilation (NV) use. The strategy consists in evaluating the most suitable architectural solution in a particular case study taking into account environmental conditions and building surroundings in order to maximize NV use since the early building design stage. Computational fluid dynamics (CFD) techniques are used to conduct the research. This is a powerful design tool that permits buildings NV behaviour simulation prior to building construction. Therefore, the aim of the thesis is to provide a real case study building in which the NV design strategy is applied to show a reliable example and support building design decisions since the design stage. The design strategy is based on the use of a commercial numerical code that solves the fluid mechanic equations. The CFD software simulates the features that influence NV and predicts its behaviour in the different building configurations prior to building construction. This numerical technique allows, on the one hand, the visualization of air flow paths in buildings. On the other hand, many quantifiable parameters are calculated by the software. Through the analysis and comparison of those parameters, the best architectural solutions are chosen. With regards to all possible architectural decisions, the research is focused on the façade configuration selection and the building location. First of all, the NV design strategy feasibility is analysed in a particular region: the Mediterranean Valencian Coastal area (Spain). The region is characterized by the uniform conditions of the prevailing wind during the warm season. Then, a validated CFD simulation is used to analyse qualitatively and quantitatively the building surrounding influence on wind paths through and around buildings. The objective is to compare different façade opening positions and select the alternative that takes more profit of the NV resources available. Additionally, a general quantification of the ventilated façade contribution to buildings energy efficiency is presented under the frame of the façade configuration selection. Secondly, two simulations are conducted to analyse two different building locations. The assessment of surrounding buildings influence on building NV behaviour is done through validated CFD models. Some parameters and visualizations are proposed to be used in the quantitative and qualitative assessment of each solution respectively. Then, the best location alternative with regards to NV performance is selected. Finally, the research is concluded with the case study building full-scale construction. The indoor CFD simulation used from the beginning is then successfully validated. The NV building behaviour is also successfully verified. Additionally, contrasted performance indexes are used to evaluate indoor comfort conditions: draught risk (DR), predicted mean vote (PMV) and predicted percentage of dissatisfied people (PPD). The results show that comfort conditions can be reached more energy efficiently by means of NV use. Afterwards, it is verified how the comfortable indoor environment conditions are ensured and optimized by the NV use. Although the design strategy is applied to a particular building design, the design strategy potential is that it could be applied to all buildings. Consequently, major potential energy savings could be achieved.

Durante las últimas décadas los agentes involucrados en el diseño de edificios deben de utilizar estrategias fiables de diseño que les permitan aprovechar los recursos naturales del entorno con el objetivo de aumentar la eficiencia energética de los edificios así como promover el desarrollo sostenible y generar valor añadido para la sociedad. Esta tesis propone una estrategia de diseño fiable de edificios para mejorar su eficiencia energética mediante el uso de la ventilación natural (NV por sus siglas en inglés "natural ventilation"). La estrategia consiste en evaluar la solución arquitectónica más adecuada teniendo en cuenta las condiciones ambientales y el entorno de los edificios con el objetivo de maximizar el uso de la ventilación natural desde la fase inicial de su diseño. En esta tesis se aplica la estrategia de diseño a un caso de estudio real y particular. La estrategia de diseño se basa en el uso de un código numérico comercial que resuelve las ecuaciones de la mecánica de fluidos (CFD por sus siglas en inglés "computational fluid dynamics"). El software CFD simula las características que influyen en la ventilación natural y predice su comportamiento en los edificios antes de su construcción. Esta técnica numérica permite la visualización del flujo de aire en los edificios. Además, el software permite calcular parámetros que son analizados y comparados posteriormente para elegir la solución arquitectónica que suponga un mejor comportamiento de la ventilación natural. Con respecto a todas las decisiones arquitectónicas posibles, la investigación se centra en la selección de la ubicación del edificio y de la configuración de los huecos de su fachada. En primer lugar, se analiza la viabilidad de la estrategia de diseño en una región determinada: la zona costera Mediterránea de la Comunidad Valenciana. La región se caracteriza por las condiciones uniformes del viento predominante durante la estación cálida. A continuación, se utiliza una simulación de CFD validada para analizar cualitativamente y cuantitativamente la influencia de los edificios circundantes en los flujos del viento a través y alrededor de los edificios circundantes. El objetivo es comparar distintas posiciones de los huecos de la fachada para seleccionar la alternativa que mejor aproveche los recursos de ventilación natural disponibles. Además, se presenta en el marco de la selección de la configuración de la fachada una cuantificación general de la contribución de la fachada ventilada a la eficiencia energética de los edificios. En segundo lugar, se realizan dos simulaciones para analizar dos ubicaciones diferentes del edificio caso de estudio. La evaluación de la influencia de los edificios circundantes en el comportamiento de la ventilación natural del edificio caso de estudio se realiza mediante la utilización de modelos CFD validados. Se proponen distintos parámetros y visualizaciones para la evaluación cuantitativa y cualitativa de cada solución. A continuación se selecciona la mejor ubicación con respecto al comportamiento de la ventilación natural en el edificio caso de estudio. Finalmente, la investigación concluye con la construcción a escala real del edificio caso de estudio. Se valida con éxito la simulación CFD del interior del edificio utilizada desde la etapa de diseño. También se verifica con éxito el comportamiento de la ventilación natural del edificio. Además, se analizan las condiciones de confort interiores mediante la evaluación de los siguientes índices: riesgo de corrientes de aire (DR por sus siglas en inglés "draught risk"), voto promedio previsto (PMV por sus siglas en inglés "predicted mean vote") y el porcentaje previsto de personas insatisfechas (PPD por sus siglas en inglés "predicted percentage of dissatisfied people"). Los resultados muestran que el uso de la ventilación natural permite alcanzar, de manera más energéticamente eficiente, las

Durant les últimes dècades els agents involucrats en el disseny d'edificis utilitzen estratègies fiables de disseny que els permeten aprofitar els recursos naturals de l'entorn amb l'objectiu d'augmentar l'eficiència energètica dels edificis així com promoure el desenvolupament sostenible i generar valor afegit per la societat. Aquesta tesi proposa una estratègia fiable de disseny d'edificis per a millorar la seva eficiència energètica mitjançant l'ús de la ventilació natural (NV per les sigles en anglès "natural ventilation"). L'estratègia consisteix a avaluar la solució arquitectònica més adequada tenint en compte les condicions ambientals i l'entorn dels edificis amb l'objectiu de maximitzar l'ús de la ventilació natural des de la fase inicial del seu disseny. En aquesta tesi s'aplica l'estratègia de disseny a un cas d'estudi real i particular. L'estratègia de disseny es basa en l'ús d'un codi numèric comercial que resol les equacions de la mecànica de fluids (CFD per les sigles en anglès "computational fluid dynamics"). El programari CFD simula les característiques que influeixen en la ventilació natural i prediu el seu comportament en els edificis abans de la seva construcció. Aquesta tècnica numèrica permet la visualització del flux d'aire en els edificis. A més, el programari permet calcular paràmetres que són analitzats i comparats posteriorment per triar la solució arquitectònica que supose un millor comportament de la ventilació natural. Pel que fa a totes les decisions arquitectòniques possibles, la investigació es centra en la selecció de la ubicació de l'edifici i de la configuració de les obertures de la façana. En primer lloc, s'analitza la viabilitat de l'estratègia de disseny en una regió determinada: la zona costanera Mediterrània de la Comunitat Valenciana. La regió es caracteritza per les condicions uniformes del vent predominant durant l'estació càlida. A continuació, s'utilitza una simulació de CFD validada per analitzar qualitativament i quantitativament la influència dels edificis circumdants en els fluxos del vent a través i al voltant dels edificis circumdants. L'objectiu és comparar diferents posicions dels buits de la façana per seleccionar l'alternativa que millor aprofite els recursos de ventilació natural disponibles. A més, en el marc de la selecció de la configuració de la façana es presenta una quantificació general de la contribució de la façana ventilada a l'eficiència energètica dels edificis. En segon lloc, es realitzen dues simulacions per analitzar dues ubicacions diferents de l'edifici cas d'estudi. L'avaluació de la influència dels edificis circumdants en el comportament de la ventilació natural de l'edifici cas d'estudi es realitza mitjançant la utilització de models CFD validats. Es proposen diferents paràmetres i visualitzacions per a l'avaluació quantitativa i qualitativa de cada solució. A continuació es selecciona la millor ubicació pel que fa al comportament de la ventilació natural a l'edifici cas d'estudi. Finalment, la investigació conclou amb la construcció a escala real de l'edifici cas d'estudi. Es valida amb èxit la simulació CFD de l'interior de l'edifici utilitzada des de l'etapa de disseny. També es verifica amb èxit el comportament de la ventilació natural de l'edifici. A més, s'analitzen les condicions de confort interiors mitjançant l'avaluació dels següents índexs: risc de corrents d'aire (DR per les sigles en anglès "draught risk"), mitjana de vots previstos (PMV per les sigles en anglès "predicted mean vote") i el percentatge previst de persones insatisfetes (PPD per les sigles en anglès "predicted percentage of dissatisfied people"). Els resultats mostren que l'ús de la ventilació natural permet assolir, de manera més energèticament eficient, les condicions de confort.