ENHANCING ENERGY PERFORMANCE OF HIGHLY GLAZED FACADES

Abstract

The building envelope is the major component that protects the indoor environment against the outdoor atmosphere, and in particular, building facades technologies play a significant role in controlling the indoor thermo-visual conditions and energy saving in buildings. In Palestine, regardless of the orientation or climatic zone, the increased transparency of the building's facades became more prominent in the current architectural tendency, especially in high rise office buildings. Although highly glazed facades create more attractive indoor spaces, high energy loads are required to cool down the adjacent spaces in summer and also the heating energy is wasted through the thermally weak glazed parts in winter. This study aims to evaluate the technical opportunities and environmental consequences of retrofitting glazed facades in Palestinian office buildings, in terms of energy-cost optimization with the associated cooling, heating and lighting loads, based on a review of the recent international retrofitting studies to develop solutions that can be applied in the local microclimate of Hebron city in Palestine. In order to analyze the performance of highly glazed facades and the necessity for retrofitting, Design Builder software is used to visualize indoor environmental quality for three offices with one glazed wall in different orientations. Simulations, among shading devices, advanced glazing types and multi-glazed skin facades, demonstrate the optimal retrofit scenario that accommodates the conditions of each case. Results were analyzed and presented in terms of the energy loads and relevant operating costs with the payback period to assess the ability to recover the investment cost. The study achieved viable results with 50% to 80% energy savings in the adopted retrofit scenarios depending on different circumstances in addition to extra outcomes that can be gained with further enhancements reached to 105% energy savings when employing transparent photovoltaic PV cells in one of the studied cases. Regarding the cost and environmental consequences, the study outcome around 30 tons of carbon dioxide CO2 emissions and 12452$ can be annually reduced when the optimal retrofit scenario applied to the whole building with extra profitability gained by improved employees' productivity and social costs. This is a very important insight for engineers and investors to take advantage of this study to go beyond the improvement of the energy and cost efficiency by such a costenvironmentally productive approach in existing office buildings يشكل غالف المبنى العنصر األساسي في حماية البيئة الداخلية للمبنى من الظروف الخارجية المحيطة، حيث للغالف الخارجي دور مهم في التحكم براحة المستخدمين الحرارية والبصرية وتقليل فقد الطاقة المستخدمة في تبريد وتدفئة المبنى. في الاونة الخيرة، ازداد التوجه المعماري في فلسطين نحو استخدام الواجهات الزجاجية في المباني. وعلى الرغم من أن الواجهات الزجاجية تعتبر من أهم الوسائل في توفير اإلضاءة الطبيعية واإلتصال البصري مع الخارج، إ ل أن عدم اإلهتمام الكافي كبيرا على األداء الحراري باألسس والمعايير في تصميم الواجهات الزجاجية وعدم تحقيق المتطلبات البيئية جعلت لها تأثيرا وما يتبعه من استهالك للطاقة. ففي أيام الصيف الحارة حيث اإلشعاع الشمسي العالي يزداد استهالك الطاقة في تبريد الفراغات ذات الواجهات الزجاجية بسبب ارتفاع اإلكتساب الحراري فيها، وكذلك يتم إهدار الطاقة المستخدمة في التدفئة من خالل األجزاء الزجاجية ذات األداء الحراري الضعيف في فصل الشتاء. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم الفرص التقنية والتبعات البيئية إلعادة تحسين المكاتب ذات الواجهات الزجاجية في فلسطين، في ضوء اإلستخدام األمثل للطاقة وتكلفتها وما يتعلق بها من أحمال التكييف والتدفئة وا إلضاءة بالستناد الى الدراسات السابقة إلستنباط وتطوير الحلول الممكنة في المناخ المحلي لمدينة الخليل في فلسطين. ولغاية تحليل أداء الواجهات الزجاجية وحاجتها الى التحسين، تم استخدام برنامج Design) (Builder بهدف تمثيل ومحاكاة البيئة الداخلية لثالث مباني مكتبية ذات واجهة زجاجية مختلفة التوجيه. وإليجاد السيناريو األمثل والمالئم لكل حالة، تمت المحاكاة لحلول مختلفة شملت وسائل التظليل المختلفة، أنواع مختلفة من الزجاج المعالج وأنظمة الواجهات ذات الغالف المتعدد. حيث تم اختبار الحلول في ضوء الطاقة المستهلكة والتكلفة التشغيلية وزمن السترداد للطاقة من لتقدير إمكانية استرداد تكلفتها الستثمارية. وقد حققت الدراسة نتائجا مجدية ما يقارب 50% الى 80% توفيرا خالل الحلول المقترحة بناءا على الظروف الخا صة بكل حالة دراسية. باإلضافة إلى أن مع بعض التحسينات وصلت الطاقة التي تم توفيرها الى 105% ما يعني إنتاج للطاقة في إحدى الحالت عند توظيف الخاليا الشمسية الشفافة. أما بالنسبة الى $ سنويا عند التكاليف والتأثيرات البيئ ية، فقد توصلت الدراسة إ لى خفض انبعاث الكربون حوالي 30 طن و توفير 12452 تطبيق السيناريو األمثل على كامل المبنى بكافة مكاتبه عدا عن تحسين أداء الموظفين والتكلفة الجتماعية. وتقدم هذه الدراسة رؤية مهمة للمهندسين والمستثمرين لالستفادة منها في تحسين أداء الطاقة في المكاتب وخفض استهالكها وبالتالي تكلفة تشغيلها من خالل منهج اقتصادي، بيئي و منتج مماثل.