Comparitive energy simulation for high-rise residential building envelope materials: Heating and cooling efficiency analyses

Abstract

The interest in building energy performance and efficiency has been increasing in the last decades. Although several studies on energy-efficient buildings exist in the architecture, engineering, and construction (AEC) literature, none of them addressees the heating and cooling performance of high-rise building envelope materials. Such research would be a valuable guideline for the early decision-making process in energy-efficient high-rise building design. This study aims to (1) build up a knowledge base for exploring the optimal building envelope components based on the relevant aspects of energy performance to design energy-efficient high-rise buildings and (2) analyze and compare the effects of three different building envelope materials (i.e., reinforce concrete, timber wall, and curtain wall) on energy performance of a high-rise residential building. For this purpose, first, Cite Space, VoSViewer, and Gephi were used for building up a knowledge base in building energy performance. Then, various scenarios for evaluating the impact of envelope components (e.g., wall structure, window-to-wall ratio, and site orientation) were developed and analyzed. Efficient scenarios were opted for developing analyses in terms of floor, roof, and glazing type to decrease the heat loss/gain in the roof, floor, and glazing. Design Builder was utilized to design and model the case study building based in Istanbul, Turkey, and perform energy analysis for its heating and cooling efficiency by focusing on walls, roof, and ceiling (considering the building's orientation), window-to-wall ratio (WWR), and insulation. This research contributes to the AEC literature and industry by providing (1) detailed information about influential factors in heat loss/gain, (2) the factors to achieve energy efficiency and to decrease heating and cooling demand in high-rise buildings, (3) combinations for energy efficient building envelope materials, and (4) knowledge base for an efficient heating ventilation air conditioning system design for high-rise residential buildings. Accordingly, the results would be very useful for assisting professionals in the decision-making process of energy-efficient high-rise residential building design. Further, this study reveals promising topics in this scope for future research.Binaların enerji performansına ve verimliliğine yönelik ilgi son yıllarda artmaktadır. Mimarlık, mühendislik ve inşaat (AEC) literatüründe enerji verimli binalar üzerine çeşitli çalışmalar olmasına rağmen, bunların hiçbiri yüksek bina kabuğu malzemelerinin ısıtma ve soğutma performansını ele almamaktadır. Böyle bir araştırma, enerji verimli yüksek bina tasarımında erken karar verme süreci için değerli bir kılavuz olacaktır. Bu çalışma, (1) enerji verimli yüksek binalar tasarlamak için enerji performansının ilgili yönlerine dayalı optimal bina kabuğu bileşenlerini keşfetmek için bir bilgi tabanı oluşturmayı ve (2) yüksek katlı bir konut binasının üç farklı bina kabuğunun (yani, betonarme, ahşap duvar ve perde duvar) etkilerini enerji performansı üzerine malzemeler analiz etmeyi ve karşılaştırmayı hedeflemektedir. Bu amaçla, bina enerji performansında bir bilgi tabanı oluşturmak için ilk olarak Cite Space, VOSViewer ve Gephi kullanılmıştır. Daha sonra, zarf bileşenlerinin etkisini değerlendirmek için çeşitli senaryolar (ör. duvar yapısı, pencere-duvar oranı ve saha yönelimi) geliştirilmiş ve analiz edilmiştir. Çatı, döşeme ve camdaki ısı kayıp/kazanımını azaltmak için zemin, çatı ve cam tipi bazında analizler geliştirmek için verimli senaryolar tercih edilmiştir. Design Builder, Istanbul, Turkiye'de olan vaka çalışması binasını tasarlamak ve modellemek ve duvarlara, çatıya ve tavana (binanın yönelimi dikkate alınarak), pencerenin duvara oranına odaklanarak binanın ısıtma ve soğutma verimliliği için enerji analizi yapmak amacıyla kullanılmıştır. Bu araştırma, (1) ısı kayıp/kazancındaki etkili faktörler, (2) yüksek binalarda enerji verimliliğini sağlayan ve ısıtma ve soğutma talebini azaltan faktörler, (3) enerji açısından verimli bina kaplama malzemeleri için kombinasyonlar ve (4) yüksek katlı konut binaları için verimli bir Isıtma Havalandırma Klima Sistemi tasarımı için bilgi tabanı hakkında ayrıntılı bilgi sağlayarak AEC literatürüne ve endüstrisine katkıda bulunmaktadır. Buna göre, sonuçlar, enerji verimli yüksek katlı konut bina tasarımının karar verme sürecinde profesyonellere yardımcı olmak için çok faydalı olacaktır. Ayrıca bu çalışma, gelecekte yapılacak araştırmalar için bu kapsamda umut vaat eden konuları ortaya koymaktadır.