Balancing comfort expectations and greenhouse gas emissions : Thermal comfort in office buildings in a changing climate

Abstract

Entsprechend des ‘Fourth Assessment Report’ des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), bietet der Gebäudesektor das größte Potential für Einsparungen von Treibhausgasemissionen. Die vorliegende Arbeit untersucht das Potential zur Verminderung des CO2 Ausstoßes in natürlich belüfteten und saisonal klimatisierten Bürogebäuden. Schwerpunkt ist die Spannweite des Einflusses von Gebäudedesign und Nutzern auf Treibhausgas Emissionen sowie thermischen und visuellen Komfort. Die Bewertung des thermischen Komforts erfolgt anhand des adaptiven thermischen Komfortmodells nach EN 15251, die des visuellen Komforts basiert auf Tageslichtautonomie und Ausblick. Für das Klima in Athen, Griechenland, wurden parametrische Studien mit der Gebäudesimulationssoftware Energyplus durchgeführt. Die entsprechenden Eingabedaten basieren auf einer Literaturrecherche sowie auf Ergebnissen einer Feldstudie unter Büronutzern und Architekten in Athen. Die Ergebnisse zeigen, daß der Einfluß der Gebäudenutzer auf Treibhausgasemissionen größer ist als der Einfluß des Gebäudedesigns. Energiesparende Bürogeräte, sowie aktive Steuerung von Verschattung und Kunstlicht durch Nutzer sind entscheidende Parameter bezüglich der Reduktion von CO2 Emissionen. In saisonal klimatisierten Gebäuden ist auch der ‚Coefficient of performance‘(COP) des Kühlsystems ein ausschlaggebendes Kriterium. Bezüglich thermischem und visuellem Komfort ist dagegen der Einfluß des Gebäudedesigns entscheidend. Ein robustes Gebäude, das gut vor solarer Einstrahlung geschützt ist und in der Lage ist solare und interne Wärmegewinne auszubalancieren, bietet besseren Komfort und ist weniger anfällig gegenüber dem Einfluß von verschiedenen Nutzern. In saisonal klimatisierten Gebäuden ist das Gebäudedesign auch ausschlaggebend für die Größenordnung der Kühllasten. Ein warmer Sommer mit Hitzewellen kann sich erheblich negativ auf thermischen Komfort auswirken und die resultierenden Treibhausgasemissionen erhöhen. Nachhaltige Gebäude stehen solchen klimatischen Phänomenen robuster gegenüber. Das adaptive thermische Komfortmodell nach EN 15251 ist eine Methode zur Evaluierung des thermischen Komforts, gültig für alle Europäischen Klimazonen. Allerdings konnte für die in dieser Studie untersuchten Varianten im Athener Klima festgestellt werden, daß sie in der Mehrheit die Kriterien nach EN 15251 nicht erfüllen. Dies ist im Wesentlichen auf die Komfortkategorisierung und die Definition des Überschreitungskriteriums im EN 15251 adaptiven thermischen Komfortmodell zurückzuführen. EN 15251 enthält ein adaptives thermisches Komfortmodell für natürlich belüftete und ein statisches Modell für mechanisch belüftete Gebäude. Für saisonal klimatisierte Gebäude wird ebenfalls das statische Modell empfohlen, aber die Literatur deutet an, daß Nutzer in diesen Gebäuden toleranter gegenüber höheren Raumtemperaturen sein könnten als in mechanisch belüfteten Gebäuden. Die hypothetische Anwendung des adaptiven thermischen Komfortmodells auf die Kühltemperaturen in saisonal klimatisierten Gebäuden, wie in dieser Studie untersucht, bietet Potential für Einsparungen von Treibhausgas Emissionen. Allerdings ist dieses Potential im Vergleich zur Spannweite des Einflusses von Gebäudedesign und Nutzern eher klein. Die Ergebnisse zeigen, daß nicht nur nachhaltige Gebäude, sondern auch nachhaltige Nutzer erheblich zur Verringerung des Klimawandels beitragen können. Mechanismen des Immobilienmarktes sowie der Lifestyle der Gebäudenutzer sind wesentliche Einflußfaktoren in diesem Kontext. Nachhaltigkeit bedeutet in diesem Zusammenhang die Suche nach der richtigen Balance zwischen Komforterwartungen der Nutzer und resultierenden Treibhausgasemissionen für ein spezifisches Gebäude, und weniger die Optimierung einzelner Parameter unabhängig voneinander.

According to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the construction sector has the greatest potential for climate change mitigation. This work investigates the potential for climate change mitigation in naturally ventilated and mixed mode office buildings, by evaluating the range of influence of building design and occupants on greenhouse gas emissions as well as thermal‐ and visual comfort. Thermal comfort is evaluated according to the EN 15251 adaptive thermal comfort model, visual comfort is based on daylight autonomy and view. Parametric studies have been conducted based on building simulation for the climate of Athens, Greece. Input data are based on a literature review, and on results from a field study conducted among office occupants and architects in Athens. The results show that the influence of occupants on greenhouse gas emissions is larger than the influence of building design. Energy saving office equipment, as well as active use of building controls for shading and lighting by occupants are crucial parameters regarding the reduction of CO2 emissions. In mixed mode buildings, the coefficient of performance of the cooling system is an important parameter as well. Regarding thermal and visual comfort, the influence of building design is predominant. A green building, well protected against heat from the sun and able to balance solar and internal heat gains, provides higher comfort levels and is less affected by the influence of occupants. In mixed mode buildings, building design is the predominant influence on the magnitude of cooling loads. A hot summer including heat waves can significantly reduce thermal comfort and increase the resulting greenhouse gas emissions. Green buildings are least affected by these influences. The EN 15251 adaptive thermal comfort model provides a thermal comfort evaluation method valid throughout Europe. However, for the Mediterranean climate of Athens, Greece, most of the configurations investigated within this study do not meet the requirements according to this model. EN 15251 refers to an adaptive thermal comfort model for naturally ventilated and to a static model for mechanically ventilated buildings. For mixed mode buildings, the static model is recommended, but literature indicates that occupants in those buildings might be more tolerant towards higher temperatures. The hypothetical application of the EN 15251 adaptive thermal comfort model in mixed mode offices, as investigated in this study, shows potential for greenhouse gas emission savings. However, this influence is small compared to that of building design and occupants. Conclusions are drawn regarding the categorisation and exceeding criteria according to EN 15251 adaptive thermal comfort model for offices in a Mediterranean climate. The results of this work show, that not only green buildings, but also green occupants can significantly contribute to the mitigation of the climate change. Mechanisms of the real estate market as well as the lifestyle of occupants are important influences in this context. Sustainability therefore refers to finding the right balance between occupant’s comfort expectations and resulting greenhouse gas emissions for a specific building, rather than optimisation of single parameters.