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Towards nearly zero-energy buildings

an exploration on the potential of passive design for optimizing the energy-environmental performance of new Chilean dwellings

Besser Jelves, Daniela

Chile aims to achieve energy efficiency standards in new dwellings similar to those of the OECD countries by 2035 and to achieve carbon neutrality by 2050. The nearly zero-energy building (nZEB) standard, independently defined by each Member State of the European Union and enforced in 2021, sets minimum energy performance requirements for new buildings leading to the lowest life-cycle costs (LCC) during their economic lifetime. In this thesis, the extent to which the energy needs for space heating and space cooling of new Chilean dwellings could be minimized in the most cost-effective way by optimal combinations of passive design strategies and, consequently, how an optimized building design could contribute to bridge the gap towards nZEB levels of energy performance in four climate zones of Chile is investigated. In addition, the impact and scope for improvement of two energy-environmental standards published in the last years, although not enforced, are reviewed: the ‘MINVU Technical Norm 11’ and the ‘Code for Sustainable Homes’; assuming that the highly expected update of the current Thermal Regulation, enforced in 2000 and amended in 2007, will follow the lines drawn by them. Ten design decisions resulting in more than 27,000 possible combinations of design-variable options are explored, using a simulation-based two-stage multi-objective building performance optimization approach on a single-family dwelling chosen as case study. In the 1st stage, the optimal combinations of strategies for minimizing the heating as well as the cooling energy demand are searched, hence maximizing indoor thermal comfort independently from the technical system and the costs involved, while in the 2nd stage, the optimal combinations of strategies for minimizing the energy use as well as the LCC are investigated, making it possible to identify the cost-optimal and the most ambitious nZEB levels of energy performance that can be achieved by the case study in each evaluated climate, together with additional optimal solutions that provide alternative trade-offs between the economic and the energy-environmental aims. The results show that passive design can highly improve the energy performance of Chilean dwellings in a cost-effective manner in all the assessed locations, even if the price of energy increases less than expected in the future. Moreover, a significant agreement between the design strategies chosen by the cost-optimal and energy-optimal solutions is frequently observed, while the major divergences are primarily related to the size and type of windows and the shading strategies. However, in the southernmost region of Chile, the subsidisation of natural gas diminishes the cost-effectiveness of an improved building design and restricts the energy saving potential. Complementarily, this study proposes two innovative tools for analysing multi-objective optimization results: a decision tree for Pareto analysis that outlines, in a consecutive order, all the Pareto solutions of a multi-objective optimization problem while summarizing and ranking the design-variable options resulting in optimal trade-offs; and a decision tree for post-Pareto analysis that describes the most relevant design decisions, as well as alternative combinations of design-variable options, for achieving performances that are near to that of an optimal trade-off chosen as the best solution for the optimization problem. The use of simulation-based building performance optimization, complemented with these novel analytical tools, could significantly contribute to the design process of low energy buildings, with the former allowing to evaluate a large number of design strategies with moderate exploration efforts, and the latter supporting decision-making, enhancing design flexibility and facilitating the communication among the parties involved.
Chile strebt an, bis 2035 ähnliche Energieeffizienzstandards in neuen Wohngebäuden wie in den OECD-Ländern zu erreichen und bis 2050 CO2-Neutralität zu erlangen. Der Niedrigstenergiegebäudestandard (nZEB - nearly zero-energy building), der von jedem Mitgliedstaat der Europäischen Union unabhängig definiert wurde und 2021 in Kraft getreten ist, legt Mindestanforderungen an die Gesamtenergieeffizienz von Neubauten fest, die zu den niedrigsten Lebenszykluskosten (LCC – Life Cycle Cost) während ihrer wirtschaftlichen Lebensdauer führen. In dieser Dissertation wird untersucht, inwieweit der Heiz- und Kühlenergiebedarf neuer chilenischer Wohngebäude am kostengünstigsten minimiert werden kann -durch optimale Kombinationen von passiven Designstrategien- und wie ein optimiertes Gebäudedesign folglich dazu beitragen kann die Lücke zum nZEB-Niveau der Energieeffizienz für vier der Klimazonen Chiles zu schließen. Darüber hinaus werden die Auswirkung und das Verbesserungspotential von zwei in den letzten Jahren veröffentlichten Energie-Raumklima-Vorschriften, gleichwohl diese nicht offiziell eingeführt worden sind, überprüft: „Technische Norm MINVU 11“ und „Richtlinien für nachhaltige Häuser“; unter der Annahme, dass die hocherwartete Aktualisierung der aktuellen Wärmeschutzverordnung, die im Jahr 2000 in Kraft getreten ist und 2007 geändert wurde, sich an den darin benannten Anforderungen orientieren wird. Zehn Designvariablen werden untersucht, die zu mehr als 27.000 möglichen Kombinationen von Entwurfsvariablenoptionen führen. Dafür wird ein zweistufiges simulationsbasiertes Mehrzieloptimierungsverfahren an einem als Fallbeispiel ausgewählten Einfamilienhaus angewendet. In der 1. Stufe werden die optimalen Kombinationen von Strategien zur Minimierung des Heiz- sowie des Kühlenergiebedarfs gesucht, um unabhängig von der Anlagentechnik und den anfallenden Kosten der thermischen Behaglichkeit in Innenräumen zu maximieren. In der 2. Stufe werden die optimalen Kombinationen von Strategien zur Minimierung des Energieverbrauchs sowie der LCC untersucht, um die kostenoptimalen und die bestmöglichen nZEB-Energieeffizienz-Niveaus, die das Fallbeispiel in den untersuchten Klimazonen erreichen kann, zu identifizieren. Es werden zudem zusätzliche optimale Lösungen aufgezeigt, die alternative Kompromisse zwischen den wirtschaftlichen und den energetischen Zielen bieten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Energieeffizienz chilenischer Wohngebäude an allen bewerteten Standorten anhand von passiven Designmaßnahmen auf kosteneffiziente Weise stark verbessern kann, auch wenn die Steigerung der Energiepreise in der Zukunft niedriger als erwartet ist. Darüber hinaus wird häufig eine wesentliche Übereinstimmung zwischen den Entwurfsstrategien, die die kosten- und denen, die energieoptimalen Lösungen ausgewählt haben, beobachtet. Die größten Unterschiede entstehen vor allem aufgrund die Größe und Art der Fenster sowie die Verschattungsstrategien. In der südlichsten Region Chiles mindert jedoch die Bezuschussung von Erdgas die Wirtschaftlichkeit eines verbesserten Gebäudedesigns und schränkt das Energieeinsparpotenzial ein. Des Weiteren werden in dieser Forschungsarbeit zwei innovative Werkzeuge zur Analyse von Multiziel-Optimierungsergebnissen vorgeschlagen: ein Baumdiagramm für Pareto-Analyse, welches in fortlaufender Reihenfolge alle Pareto-Lösungen eines Mehrzieloptimierungsproblems darstellt und gleichzeitig diejenigen Designvariablenoptionen, die zu optimalen Kompromissen führen, zusammenfasst und bewertet. Ferner ein Baumdiagramm für Post-Pareto-Analyse, welches die relevantesten Designentscheidungen sowie alternativen Kombinationen von Designvariablenoptionen beschreibt, um Performances zu erzielen, die denen eines optimalen Kompromisses nahekommen, der als beste Lösung für das Optimierungsproblem gewählt wurde. Der Einsatz simulationsbasierter Gebäudeenergieoptimierung, ergänzt durch diese neuartigen Analysewerkzeuge, könnte zum Entwurfsprozess von Niedrigstenergiegebäuden wesentlich beitragen. Das erstgenannte Werkzeug ermöglicht die Bewertung einer großen Anzahl von Entwurfsstrategien mit mäßigem Explorationsaufwand und das zweite unterstützt die Entscheidungsfindung, erhöht die Designflexibilität und erleichtert die Kommunikation zwischen den beteiligten Parteien.