Αντίκτυπος σε ενέργεια και εκπομπές άνθρακα των διαφανών στοιχείων σε κτήριο γραφείων μέσω παραμετρικής ανάλυσης

Βεκρή, Σοφία; Vekri, Sofia

dc.contributor.author	Βεκρή, Σοφία	el
dc.contributor.author	Vekri, Sofia	en
dc.date.accessioned	2025-03-26T07:56:15Z
dc.date.available	2025-03-26T07:56:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61445
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29141
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Κτήρια γραφείων	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Αποτύπωμα άνθρακα	el
dc.subject	Τεχνικά χαρακτηριστικά ανοιγμάτων	el
dc.subject	Εξοικονόμηση Ενέργειας	el
dc.subject	Energy Efficiency	en
dc.subject	Office buildings	en
dc.subject	Carbon footprint	en
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	Technical characteristics windows	en
dc.title	Αντίκτυπος σε ενέργεια και εκπομπές άνθρακα των διαφανών στοιχείων σε κτήριο γραφείων μέσω παραμετρικής ανάλυσης	el
dc.title	Impact on Energy and Carbon Emissions of Transparent Elements in an office building through Parametric Analysis	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Εξοικονόμηση Ενέργειας	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10-31
heal.abstract	Αυτή η διπλωματική εργασία διερευνά τις επιπτώσεις των διαφανών στοιχείων του κτηρίου στην συνολική ενεργειακή απόδοση και τις εκπομπές άνθρακα ενός εξαώροφου κτηρίου γραφείων, το οποίο βρίσκεται στο κέντρο της Αθήνας, μέσω παραμετρικής ανάλυσης. Δύο στάθμες ελέγχου του φωτισμού εξετάστηκαν, για 300 lux και για 500 lux. Χρησιμοποιώντας το λογισμικό Design Builder (Version 7.3.0.040), διεξήχθησαν μια σειρά προσομοιώσεων για την αξιολόγηση της επίδρασης των χαρακτηριστικών της υάλωσης, συγκεκριμένα του συντελεστή θερμοπερατότητας (Uw), του συντελεστή ηλιακού κέρδους (SHGC) και της ορατής διαπερατότητας (VT). Επιπλέον, το ποσοστό επιφάνειας παραθύρων προς τοίχους (WWR) και ο προσανατολισμός του κτηρίου αναλύθηκαν για τον ρόλο τους στον καθορισμό της κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση, ψύξη και φωτισμό. Η διπλωματική εργασία στοχεύει να παρέχει ολοκληρωμένες πληροφορίες σχετικά με το πώς ο σχεδιασμός και η απόδοση αυτών των διαφανών στοιχείων μπορούν να βελτιστοποιηθούν για να ελαχιστοποιηθεί η χρήση ενέργειας και οι εκπομπές άνθρακα. Η αυξανόμενη ζήτηση για ενεργειακή αποδοτικότητα και μείωση των εκπομπών άνθρακα στα κτίρια, ιδιαίτερα στους χώρους γραφείων, έχει στρέψει την προσοχή προς τον βιώσιμο σχεδιασμό των κτιρίων. Τα διαφανή στοιχεία, όπως τα παράθυρα, παίζουν καθοριστικό ρόλο στην εξισορρόπηση του φυσικού φωτισμού, των ηλιακών κερδών και της μόνωσης. Τα κακώς σχεδιασμένα συστήματα υάλωσης μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις, κυρίως για θέρμανση, ψύξη και τεχνητό φωτισμό. Επομένως, η εύρεση της βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ διαφάνειας και θερμικής απόδοσης είναι απαραίτητη για τη δημιουργία κτηρίων χαμηλής ενέργειας και χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Η παραμετρική ανάλυση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό Design Builder, το οποίο μοντελοποιεί την κατανάλωση ενέργειας του κτηρίου με βάση διάφορες παραμέτρους. Επιλέχθηκε ένα εξαώροφο κτήριο γραφείων στην Αθήνα, λαμβάνοντας υπόψη το τοπικό κλίμα, το οποίο περιλαμβάνει θερμά καλοκαίρια και ήπιους χειμώνες. Οι παράμετροι που αναλύθηκαν περιλάμβαναν: τον συντελεστή θερμοπερατότητας Uw, τον συντελεστή ηλιακού κέρδους (SHGC), την ορατή διαπερατότητα (VT), το ποσοστό υάλωσης (WWR) και τον προσανατολισμό του χώρου. Διάφοροι συνδυασμοί αυτών των παραμέτρων δοκιμάστηκαν για να αξιολογηθούν οι επιπτώσεις τους στις ενεργειακές απαιτήσεις για θέρμανση, ψύξη και φωτισμό με τη βοήθεια του εργαλείου βελτιστοποίησης και της ανάλυσης Pareto. Η ανάλυση χωρίστηκε σε επιμέρους τμήματα που επικεντρώθηκαν σε κάθε μία από αυτές τις ενεργειακές απαιτήσεις, ενώ αξιολογήθηκε και η συλλογική τους επιρροή στη συνολική ενεργειακή κατανάλωση του κτηρίου και στο αποτύπωμα άνθρακα. Αριθμητικά παραδείγματα προέκυψαν από αυτά τα σενάρια για να προσφέρουν πρακτικές πληροφορίες σχετικά με τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού. Τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης έδειξαν ότι τα χαρακτηριστικά της υάλωσης επηρεάζουν σημαντικά τόσο την κατανάλωση ενέργειας όσο και τις εκπομπές άνθρακα. Χαμηλότερες τιμές Uw σχετίζονταν με μειωμένες ενεργειακές απαιτήσεις θέρμανσης λόγω βελτιωμένης μόνωσης, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Ωστόσο, οι χαμηλότερες τιμές Uw διατηρούν επίσης περισσότερη θερμότητα κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, αυξάνοντας τις απαιτήσεις ψύξης. Ο SHGC αποδείχθηκε ότι παίζει κρίσιμο ρόλο στην εξισορρόπηση των ηλιακών κερδών. Ένας υψηλότερος SHGC επέτρεπε σε περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία να εισέλθει στο κτήριο, κάτι που θα μπορούσε να είναι επωφελές για τη μείωση των απαιτήσεων φωτισμού με την αύξηση του φυσικού φωτός. Ωστόσο, αυτό οδήγησε επίσης σε αυξημένα ψυκτικά φορτία κατά τους θερμότερους μήνες. Από την άλλη, η ορατή διαπερατότητα (VT) συνέβαλε άμεσα στην ποιότητα του φυσικού φωτισμού εντός του κτηρίου, με υψηλότερες τιμές VT να μειώνουν την ανάγκη για τεχνητό φωτισμό, αλλά ενδεχομένως να αυξάνουν τα ηλιακά κέρδη. Το WWR και ο προσανατολισμός του κτηρίου είχαν σημαντικές επιπτώσεις στη διανομή του φυσικού φωτός και στα ηλιακά κέρδη. Υψηλότερες τιμές WWR, ιδιαίτερα στις προσόψεις που βλέπουν προς το νότο, επέτρεπαν περισσότερο φυσικό φως να εισέλθει στο κτήριο, αλλά αύξαναν και τις απαιτήσεις ψύξης λόγω της μεγαλύτερης επιφάνειας παραθύρων. Η ανάλυση του προσανατολισμού αποκάλυψε ότι οι προσόψεις με ανατολικό και δυτικό προσανατολισμό είναι πιο επιρρεπείς σε ηλιακά κέρδη κατά τις ώρες αιχμής της ηλιοφάνειας, γεγονός που απαιτεί σκιάσεις ή προηγμένα συστήματα υάλωσης για τον μετριασμό της υπερθέρμανσης. Η διπλωματική εργασία εξέτασε επίσης το αποτύπωμα άνθρακα του κτηρίου, διακρίνοντας μεταξύ του λειτουργικού άνθρακα (άνθρακας που εκλύεται κατά τη λειτουργία του κτηρίου λόγω της χρήσης ενέργειας) και του ενσωματωμένου άνθρακα (άνθρακας που εκλύεται κατά την παραγωγή και μεταφορά των δομικών υλικών). Η ανάλυση έδειξε ότι η βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών της υάλωσης και του WWR μπορεί να μειώσει σημαντικά τον λειτουργικό άνθρακα, μειώνοντας την ενεργειακή κατανάλωση του κτηρίου για θέρμανση, ψύξη και φωτισμό. Ωστόσο, η επιλογή των υλικών για τα συστήματα υάλωσης επηρέασε επίσης το ενσωματωμένο αποτύπωμα άνθρακα, υποδεικνύοντας ότι πρέπει να επιτευχθεί ισορροπία μεταξύ ενεργειακής απόδοσης και περιβαλλοντικών επιπτώσεων των υλικών. Διεξήχθη ανάλυση παλινδρόμησης και ευαισθησίας για τον ποσοτικό προσδιορισμό της επίδρασης κάθε παραμέτρου στην ενεργειακή απόδοση του κτηρίου. Η ανάλυση ευαισθησίας ανέδειξε ότι ο SHGC και το WWR ήταν οι πιο ευαίσθητες παράμετροι, που σημαίνει ότι μικρές αλλαγές σε αυτές τις μεταβλητές είχαν μεγάλη επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας του κτηρίου, ιδιαίτερα για την ψύξη. Η ανάλυση παλινδρόμησης παρείχε ένα προγνωστικό μοντέλο για την εκτίμηση της κατανάλωσης ενέργειας βάσει των διαμορφώσεων υάλωσης και προσανατολισμού, προσφέροντας πρακτικές οδηγίες για μελλοντικά σχέδια κτιρίων. Τα ευρήματα αυτής της μελέτης τονίζουν τη σημασία της προσεκτικής επιλογής των συστημάτων υάλωσης και της βελτιστοποίησης του WWR και του προσανατολισμού των κτιρίων γραφείων. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι για να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας, οι σχεδιαστές κτιρίων πρέπει να επικεντρωθούν στη μείωση του Uw για τη βελτίωση της μόνωσης, στη βελτιστοποίηση του SHGC και του VT για να εξισορροπηθεί ο φυσικός φωτισμός με τα ηλιακά κέρδη και στη ρύθμιση του WWR και του προσανατολισμού για τη μεγιστοποίηση του φυσικού φωτισμού ενώ ελέγχεται το ηλιακό κέρδος. Ενσωματώνοντας αυτές τις στρατηγικές σχεδιασμού, τα κτίρια μπορούν να επιτύχουν χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και μειωμένες εκπομπές άνθρακα, συμβάλλοντας στους παγκόσμιους στόχους βιωσιμότητας.	el
heal.abstract	This dissertation investigates the effects of transparent building elements on the overall energy performance and carbon emissions of a six-storey office building, located in the center of Athens, through parametric analysis. Two lighting control levels were examined, for 300 lux and for 500 lux. Utilizing the Design Builder software (Version 7.3.0.040), a series of simulations were conducted to evaluate the influence of glazing characteristics, specifically the U-value (Uw), Solar Heat Gain Coefficient (SHGC), and Visible Transmittance (VT). In addition to these factors, the Window-to-Wall Ratio (WWR) and the building’s orientation were analyzed for their role in determining energy consumption for heating, cooling, and lighting. The dissertation aims to provide comprehensive insights into how the design and performance of these transparent elements can be optimized to minimize energy usage and carbon emissions. The increasing demand for energy efficiency and carbon reduction in buildings, particularly in office spaces, has driven a focus on sustainable building design. Transparent elements, such as windows and curtain walls, play a pivotal role in balancing natural lighting, heat gains, and insulation. Poorly designed glazing systems can lead to higher energy demands, particularly for heating, cooling, and artificial lighting. As such, finding the optimal balance between transparency and thermal performance is essential for creating low-energy and low-carbon office buildings. The parametric analysis was conducted using the Design Builder software, which models building energy consumption based on various parameters. The study selected a six-story office building located in Athens as the case study, taking into account the local climate, which includes hot summers and mild winters. The parameters analyzed included: Uw, Solar Heat Gain Coefficient (SHGC), Visible Transmittance (VT), Window to Wall Ratio (WWR) and site orientation. Various combinations of these parameters were tested to assess their effects on energy demands for heating, cooling, and lighting with the help of the Optimization tool and Pareto Analysis. The analysis was divided into separate components focusing on each of these energy demands, while also evaluating their collective influence on the building’s total energy consumption and carbon footprint. Numerical examples were derived from these scenarios to offer practical insights into the design optimization. The results of the parametric analysis showed that glazing characteristics significantly impact both energy consumption and carbon emissions. Lower Uw values were associated with reduced heating energy requirements due to improved insulation, particularly during the winter. However, lower Uw values also retained more heat during the summer, increasing cooling loads. The SHGC was found to play a critical role in balancing solar gains. A higher SHGC allowed more solar radiation to enter the building, which could be beneficial for reducing lighting demands by increasing natural daylight. However, this also led to higher cooling loads during warmer months. The VT, on the other hand, contributed directly to the quality of natural lighting inside the building, with higher VT values reducing the need for artificial lighting but potentially increasing the heat gains from sunlight. WWR and building orientation had significant effects on the distribution of daylight and solar gains. Higher WWR values, especially on south-facing façades, allowed more daylight to enter the building but also increased cooling demands due to the larger window area. The orientation analysis revealed that east and west-facing façades are more susceptible to solar heat gain during peak sunlight hours, necessitating shading or advanced glazing systems to mitigate overheating. The dissertation also examined the building’s carbon footprint, distinguishing between operational carbon (carbon emitted during the building’s operation from energy use) and embodied carbon (carbon emitted during the production and transportation of building materials). The analysis showed that optimizing the glazing characteristics and WWR can significantly reduce operational carbon by lowering the building's energy consumption for heating, cooling, and lighting. However, the choice of materials for glazing systems also affected the embodied carbon, indicating that a balance must be struck between energy performance and the environmental impact of materials. A regression and sensitivity analysis was performed to quantify the influence of each parameter on the building’s energy performance. The sensitivity analysis highlighted that SHGC and WWR were the most sensitive parameters, meaning that small changes in these variables had a large impact on the building’s energy consumption, particularly for cooling. The regression analysis provided a predictive model to estimate energy consumption based on the glazing and orientation configurations, offering practical guidance for future building designs. The findings of this study emphasize the importance of carefully selecting glazing systems and optimizing the WWR and orientation of office buildings. The results suggest that to achieve significant energy savings, building designers should focus on minimizing Uw to enhance insulation, optimizing SHGC and VT to balance natural lighting with solar heat gains, adjusting WWR and orientation to maximize daylight while controlling heat gain. By integrating these design strategies, buildings can achieve lower energy consumption and reduced carbon emissions, contributing to global sustainability goals.	en
heal.advisorName	Κορωνάκη, Ειρήνη	el
heal.advisorName	Koronaki, Irini	en
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Ριζιώτης, Βασίλειος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	299 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false