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Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
To improve the building’s energy efficiency many parameters should be assessed considering the building envelope, energy loads, occupation, and HVAC systems. Fenestration is among the most important variables impacting residential building indoor temperatures. So, it is crucial to use the most optimal energy-efficient window glazing in buildings to reduce energy consumption and at the same time provide visual daylight comfort and thermal comfort. Many studies have focused on the improvement of building energy efficiency focusing on the building envelope or the heating, ventilation, and cooling systems. But just a few studies have focused on studying the effect of glazing on building energy consumption. Thus, this paper aims to study the influence of different glazing types on the building’s heating and cooling energy consumption. A real case study building located under a semi-arid climate was used. The building energy model has been conducted using the OpenStudio simulation engine. Building indoor temperature was calibrated using ASHRAE’s statistical indices. Then a comparative analysis was conducted using seven different types of windows including single, double, and triple glazing filled with air and argon. Tripleglazed and double-glazed windows with argon space offer 37% and 32% of annual energy savings. It should be stressed that the methodology developed in this paper could be useful for further studies to improve building energy efficiency using optimal window glazing.
Energy efficiency and hygrothermal performance of hemp clay walls for Moroccan residential buildings
(2023)
Hemp-based building envelopes have gained significant popularity in developed countries, and now the trend of constructing houses with hemp-clay blocks is spreading to developing countries like Morocco. Investigating the hygrothermal behavior of such structures under actual climate conditions is essential for advancing and promoting this sustainable practice. This paper presents an in-depth experimental characterization of a commercial hemp-clay brick that has been exposed to the outdoor environment for four years, in addition to field measurements on a building scale demonstration prototype. Additionally, the study simulates 17 representative cities to assess the hygrothermal performance and energy-saving potential in each of Morocco's six existing climate zones, using the EnergyPlus engine. The experimental campaign's findings demonstrate excellent indoor air temperature and relative humidity regulation within the hemp-clay wall building, leading to satisfactory levels of thermal comfort within hemp-clay wall buildings. This is attributed to the material's good thermal conductivity and excellent moisture buffering capacity (found to be 0.31 W/mK and 2.25 g/m2%RH), respectively). The energy simulation findings also point to significant energy savings, with cooling and heating energy reductions ranging from 27.7% to 47.5% and 33.7% to 79.8%, respectively, as compared to traditional Moroccan buildings.
Given the looming threats of climate change and the rapid worldwide urbanization, it is a necessity to prioritize the transition towards a carbon-free built environment. This research study provides a holistic digital methodology for parametric design of urban residential buildings with regard to the Mediterranean semi-arid climate zone of Morocco in the early design phase. The morphological parameters of the urban residential buildings, namely the buildings’ typology, the distance between buildings, the urban grid’s orientation, and the window-towall ratio, are evaluated in order to identify the key combinations of passive and active solar design strategies that determine the high energy performing configurations, based on the introduced Energy Performance Index (EPI), which is the ratio between solar BIPV production to maximum available installed BIPV capacity and the normalized thermal energy needs. Through an automated processing of 2187 iterations via Grasshopper, we simulate daylight autonomy, indoor thermal comfort and solar rooftop photovoltaic and building integrated photovoltaic (BIPV) energy potential. Then, we analyze the conflicting objectives of energy efficiency measures, active solar design strategies, and indoor visual comfort in the decision-making process that supports our goal of getting closer to net zero urban residential buildings. The digital workflow showed interesting trends in reaching a balanced equilibrium between performance metrics influenced by the contrasting impact of solar exposure on indoor daylight autonomy and thermal energy demand. Furthermore, the study’s findings indicate that it is possible to achieve an annual load match exceeding 66,56 % while simultaneously ensuring an acceptable visual indoor comfort (sDA higher than 0.4). The findings also highlight the important role of the BIPV system in shifting towards the net zero energy goal, by contributing up to 30 % of the overall solar energy output and covering up to 20 % of the yearly self-consumption. Moreover, the energy balance evaluation on an hourly basis indicates that BIPV system notably enhances the daily load cover factor by up to 5.5 %, particularly in the case of slab SN typology, throughout the different seasons. Graphical representations of the yearly, monthly and hourly load matches and the hourly energy balance of the best performing configurations provide a thorough understanding of the potential evolution of the urban energy system over time as a result of the gradual integration of active solar electricity production.
Vulnerabilitätsanalyse "Hitzestress und menschliche Gesundheit" am Beispiel der Stadt Reutlingen
(2020)
In diesem Modellprojekt wird das Schutzgut "Menschliche Gesundheit" insbesondere unter dem Gesichtspunkt der im Rahmen des globalen Klimawandels zu erwartenden Überhitzung der Städte ("städtische Hitzeinseln") betrachtet.
In der Großstadt Reutlingen ("Tor zur Schwäbischen Alb/112.500 EW) mit ihrer Pfortenlage am Rande der Schwäbischen Alb und der Höhenlage (400-800 m) sowie der Bebauungsdichte werden bis 2050 bzw. 2100 (Strategie zur Anpassung an den Klimawandel Baden-Württemberg - Vulnerabilitäten und Klimaanpassungsmaßnahmen, 2015) die massivsten Auswirkungen bezüglich Aufenthaltsbehaglichkeit und Gesundheitsfolgen in Reutlingen erwartet.
Der Untersuchungsschwerpunkt liegt im Wirkungsbereich Mensch-Siedlung, d.h. in der Betrachtung von empfindlichen Bevölkerungspopulationen (z.B. ältere Menschen) und hitzeempfindlichen Nutzungsstrukturen (z.B. verdichteten städtischen Siedlungsflächen). Insbesondere die bereits in der abgeschlossenen Gesamtstädtischen Klimaanalyse ermittelten überwärmten Areale ("hot spots") und die im Rahmen des Klimawandels für 2020-2050 zukünftig zu erwartende Hitzestressbelastung bei empfindlichen Bevölkerungsgruppen in Stadtquartieren und Funktionsbauten, stehen im Zenit der Untersuchung.
Dabei wird über das Kriterium Empfindlichkeit (Basis sind z.B. quartierbezogene Datenstrukturen von Älteren, Einrichtungen wie Krankenhäuser, Kinderpflegeeinrichtungen, Alten- Behinderten- und Pflegeheime) die zukünftige Hitzestress-Belastung für Reutlingen erarbeitet. Weiteres wichtiges Kriterium ist die Betroffenheit nach Standortsituation (Höhenlage, Durchlüftungsverhältnisse, Bioklima/PMV = Maß für die bioklimatische Behaglichkeit) und die Anzahl hitzestressgeplagter Menschen (Kinder, Kranke, Ältere). Insbesondere für das Szenarium 2020 bis 2050 (s. Strategie zur Anpassung an den Klimawandel Baden-Württemberg - Vulnerabilitäten und Klimaanpassungsmaßnahmen, 2015) werden objekt- bzw. einrichtungsbezogen (z.B. Altenpflegeeinrichtungen) sowie quartiersspezifisch (Stadtstrukturtypen) die Auswirkungen bzw. Verwundbarkeiten erarbeitet. Dieser objektspezifische (bauklimatische) Ansatz, die innovative Indikatorenbildung zur situativen kommunalen Anwendbarkeit auch über Reutlingen hinaus sowie der partizipative Ansatz mit Nichtregierungsorganisationen (NGO´s) begründet den Modellcharakter ("Reutlinger Modell") dieser Untersuchung. Das Modellprojekt bildet das zweite Modul in einem dreiteiligen Klimaanpassungskonzept für die Stadt Reutlingen.
Die fluktuierende Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen stellt eine Herausforderung bei der Planung und Auslegung regenerativer Gebäudeenergiesysteme dar. Die in einem System benötigten Speicherkapazitäten hängen dabei sowohl von der eingesetzten Regelungsstrategie als auch von den temperaturabhängigen Wirkungsgraden der Anlagenkomponenten ab. Genauere Einblicke in das Betriebsverhalten eines Gesamtsystems können dynamische Simulationen liefern, die eine Analyse der Systemtemperaturen und von Teilenergiekennwerten ermöglichen.
Drawing off the technical flexibility of building polygeneration systems to support a rapidly expanding renewable electricity grid requires the application of advanced controllers like model predictive control (MPC) that can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints amongst other features. In this original work, an economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world building energy system is demonstrated and its performance is evaluated against a conventional controller. The demonstration includes the steps to integrate an optimisation-based supervisory controller into a standard building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms for solving complex nonlinear mixed integer optimal control problems. With the MPC, quantitative benefits in terms of 6–12% demand-cost savings and qualitative benefits in terms of better controller adaptability and hardware-friendly operation are identified. Further research potential for improving the MPC framework in terms of field-level stability, minimising constraint violations, and inter-system communication for its deployment in a prosumer-network is also identified.
Dieser technische Bericht stellt die Verwendung der Zuwendung und der erzielten Ergebnisse im Einzelnen dar. Die Gegenüberstellung mit den vorgegebenen Zielen erfolgt anhand der Beschreibung des Arbeitspakete. Die Verwendung der Zuwendung und Gegenüberstellung mit den vorgegebenen Zielen wird anhand der Arbeitspakete beschrieben, um den Abgleich zwischen Planung und durchgeführten Arbeiten unmittelbar darstellen zu können.