The impact of urban microclimate assumptions on predictions of the thermal performance of buildings

Abstract

Städtische Gebiete sind dynamische und komplexe Einheiten, die durch Klimaveränderungen beeinflusst werden. Neue Studien haben nachgewiesen, dass städtische Agglomerationen eine Reihe von unterschiedlichen Klimabedingungen umfassen, die zu spezifischen lokalen Mikroklimaten führen. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Auswirkungen der lokalen städtischen Mikroklimate auf die thermische Leistung von Gebäuden zu bewerten. Sie analysiert und beschreibt die Größenordnung der Abweichungen im Energiebedarf als Funktion von Standort und Gebäudetyp über einen bestimmten Zeitraum. Genauer gesagt wird der Energiebedarf von drei Neubauten (Familienhaus, Mehrfamilienhausgebäude und Bürogebäude) an drei verschiedenen Standorten innerhalb der Stadt Wien, Österreich, über einen Zeitraum von 5 Jahren (2008 bis 2012) mit Tas (Thermal Analysis Simulation Software) simuliert. Die lokalen Mikroklimate werden durch die empirischen Wetterdaten beschrieben, die von nahe gelegenen meteorologischen Stationen aufgezeichnet wurden. Diese Standorte wurden dahingehend ausgewählt, um für verschiedene Mikroklimate repräsentativ zu sein, d.h. hügelige grüne Fläche, Innenstadt und ein flaches Gebiet von geringer Höhenlage. Klimafaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und Windrichtung wurden verwendet, um Wetterdateien zu erzeugen, die mit Tas kompatibel sind. Baustoffe und interne Bedingungen enstprechen den aktuellen österreichischen Normen und bleiben während der Simulationen konstant. Die Ergebnisse zeigen erhebliche Schwankungen des Energiebedarfs, abhängig von Standort, Zeit und Gebäudetyp. Lokale Mikroklima- Bedingungen und ihre Auswirkungen auf den simulierten Energiebedarf werden analysiert und herangezogen, diese Schwankungen zu erklären. Schließlich wird für jede Bauart eine weitere Simulation mit einer Wiener Standard-Wetterdatei, die in der aktuellen Energieberechnung (IWEC) eingesetzt wird, durchgeführt. Die simulierten Ergebnisse unter Verwendung empirischer lokaler Wetterdaten werden mit denen verglichen, die aus der Verwendung der Standard-Wetterdatei erhalten wurden. Es wird gefolgert, dass lokale Mikroklimate innerhalb eines städtischen Gebiets einen erheblichen Einfluss auf den Heiz- und Kälteenergiebedarf von Gebäuden haben. Gebäudedesigner, Architekten, Bauleistungsspezialisten sowie politische Entscheidungsträger würden bei der Gestaltung, Simulation oder Genehmigung zukünftiger Bauentwicklungen von dem Verständnis und der Anwendung lokaler Mikroklimabedingungen profitieren.

Urban areas are dynamic and complex entities that are bound to be impacted by changes in climate. Recent studies have established that urban agglomerations encompass a number of different climate conditions that result in specific local microclimates. This paper aims to evaluate the impact of local urban microclimates on thermal performance of buildings. It analyzes and describes the magnitude of the discrepancies in energy demand as a function of location and building type over a certain period of time. More specifically, the energy demand required by three new constructions (family house, a multi-family apartment block building, and an office building) is simulated at three different locations within the city of Vienna, Austria, over a 5-year period of time (2008 to 2012) using TAS (Thermal Analysis Simulation Software). The local microclimates are described by the empirical weather data obtained from nearby meteorological stations. These stations were particularly chosen to be representative for different microclimates i.e. hilly green area, city downtown, and a flat, low altitude area. Climatic factors such as temperature, humidity, solar radiation, wind speed and direction were used to generate weather files compatible with TAS. Construction materials and internal conditions follow the current Austrian standards and stay constant during the simulations. The results point towards important fluctuations of energy demand that are consistent with the change in location, time, and building type. Local microclimate conditions and their impact on the simulated energy demand are analyzed and used to explain these fluctuations. Finally, one more simulation is performed for each type of building using a Vienna city standard weather file employed in current energy calculation (IWEC). The simulated results using local conditions are compared against the one obtained from the use of the standard weather file. It is concluded that local microclimates within an urban area have a significant impact on building heating and cooling energy demands. Building designers, architects, building performance specialists as well as policy makers would greatly benefit from understanding and using local microclimate conditions when designing, simulating or approving future construction developments.