Indoor air quality and energy consumption in ventilated buildings

Abstract

Energy demand has been increasing worldwide and the building sector represents a large percentage of global energy consumption. Therefore, promoting energy efficiency in buildings is essential. Among all building services, Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems are significantly responsible for building energy use. In HVAC, ventilation is the key issue for providing suitable Indoor Air Quality (IAQ), while it is also responsible for energy consumption in buildings. Thus, improving ventilation systems plays a vital role not only in fostering energy efficiency in buildings, but also in providing better indoor air quality for the occupants and decreasing the possibility of health and well-being issues in consequence. Among several methods for improving energy efficiency in buildings, this thesis focuses on development of several ventilation control strategies in order to maintain the indoor air quality in a good level while lower energy use. To do so, firstly, ventilation control strategies have been developed and implemented in office room. The reasons for choosing an office room, which all experiments and simulation has been carried out with, are not only being available in the Department of Mechanical Engineering (DEM) at University of Coimbra and being equipped with the required facilities to perform the experiments, but also the role of offices in general where many people are spending about one third of their daily times. Unlike to 19th and 20th century, nowadays more people are doing office works and investigating indoor condition is not only important because of the occupants well-being but also because of their functionality and productivity. Moreover, the variation of occupancy level in offices is also a promoting challenge. The experimental arrangements have been designed and setup in order to test the functionality of the developed ventilation control strategies. The ventilation control strategies have been implemented using an application developed in LabVIEW and the required results have been collected using the sensors, data loggers and other facilities available in the laboratory at DEM. Then, all ventilation strategies have been simulated using the building energy simulation software, EnergyPlus. Moreover, sensitivity analyses have been performed in simulation cases, to assess the influence of changes in several relevant factors on the final results. Finally, the Smart Readiness Indicator (SRI), introduced by the revised Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), has been presented and the SRI concept has been used to evaluate the smart readiness of developed ventilation control strategies.

A procura de energia a nível mundial tem aumentado significativamente, sendo o sector dos edifícios responsável por uma grande percentagem do consumo global de energia. Consequentemente, a promoção da eficiência energética nos edifícios é essencial. Entre todos os serviços de edifícios, os sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) são responsáveis por uma parte significativa do consumo total de energia. No AVAC, a ventilação é o elemento-chave para proporcionar a Qualidade do Ar Interior (QAI) adequada, sendo também responsável por uma parte do consumo de energia nos edifícios. Assim, é crucial melhorar o desempenho dos sistemas de ventilação não só na promoção da eficiência energética nos edifícios, mas também no fornecimento de melhor qualidade do ar interior aos ocupantes, que se traduz numa diminuição da possibilidade de ocorrência de problemas de saúde e bem-estar. Entre os vários métodos existentes para melhorar a eficiência energética nos edifícios, esta tese foca-se no desenvolvimento de várias estratégias de controlo da ventilação, a fim de manter um bom nível de qualidade do ar interior e baixos consumos energéticos. Para este efeito, numa primeira fase, foram desenvolvidas e implementadas estratégias de controlo da ventilação em salas de edifícios de escritório. As razões para escolher uma sala de escritório, na qual todas as experiências e simulações foram realizadas, deve-se não só ao facto de existirem instalações experimentais devidamente monitorizadas no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Coimbra, mas também porque, de forma geral, as pessoas passam cerca de um terço do seu tempo diário no interior destes espaços. Ao contrário do que acontecia nos séculos XIX e XX, hoje em dia há mais pessoas a desenvolver atividade em escritórios e é importante investigar as condições interiores destes espaços, não só devido ao bem-estar dos ocupantes, mas também devido à influência da condições ambientais na funcionalidade e produtividade dos ocupantes. Além disso, a variabilidade do nível de ocupação nos escritórios é também um desafio. As instalações experimentais foram concebidas e montadas de modo a testar a funcionalidade das estratégias de controlo da ventilação que foram desenvolvidas. As estratégias de controlo da ventilação, foram implementadas utilizando uma aplicação computacional desenvolvida em LabVIEW e os resultados necessários foram recolhidos utilizando sensores, sistemas de aquisição de dados e outras instalações disponíveis no laboratório do DEM. De seguida, todas as estratégias de ventilação foram simuladas utilizando o software, EnergyPlus, para simulação energética de edifícios. Além disso, foram realizadas análises de sensibilidade nas simulações, para avaliar a influência de alterações em vários fatores relevantes nos resultados finais. Finalmente, foi apresentado o Smart Readiness Indicator (SRI), introduzido pela Diretiva revista de Desempenho Energético de Edifícios (EPBD), e o conceito de SRI foi utilizado para avaliar o estado de prontidão para o uso das estratégias de controlo de ventilação desenvolvidas.