Potentials and limitations of high-rise office buildings for meeting energy standards in temperate climates: Early-stage design guidelines for architects

Abstract

Over the last decades, high-rise buildings have become increasingly popular, cropping up as symbols of wealth and prosperity in global cosmopolitan cities. However, despite the socio-economic benefits associated with tall buildings, the high-rise typology tends to be more energy intensive than low-rise buildings, having a significant impact on the environment. Under the effect of global warming, there has been worldwide pressure regarding the environmental performance of tall buildings.As of 2020, the Romanian building sector, including high-rises, needs to comply with strict energy efficiency regulations which set a limit on the primary energy usage, CO2 emissions and the amount of renewable energy generated on site. Meeting these energy thresholds becomes less feasible when aiming for a considerable building height due to higher wind velocities, more direct sunlight and lower air temperature, which can have a significant effect on the indoor environment and total energy demand.This study examines the potential of an office high-rise building located in Romania, to meet the energy thresholds introduced in 2020. The aim of this research work is to define to what extent energy regulations are a limitation to the construction of high-rise office buildings in Romania and what changes can be proposed by means of design parameters in order to reach the desired height and the required energy output. By undergoing extensive parametric thermal simulations, this research explores via variations in building height, building orientation, shape and window-to-wall ratio, where the height threshold for office high-rise buildings lays until energy regulations are no longer satisfied. With a computational methodology of work, using parametric modeling in Grasshopper, the impact of the different design scenarios is evaluated based on the primary energy output. This study aims to serve as a tool for Architects and Engineers to analyze the high-rise performance of tall buildings in parallel to the height increment. The outcome provides a gap filling knowledge of the relationship between the selected design parameters, their impacts on one another, and the building performance of the various design scenarios.

In den letzten Jahrzehnten ist die Hochhaus Typologie weltweit immer beliebter geworden und steht heute als Symbol für Wohlstand und Reichtum in Weltstädten. Trotz der sozioökonomischen Vorteile, die mit Hochhäusern verbunden sind, sind Hochhäuser in der Regel energieintensiver als Flachbauten, was erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hat. Unter dem Einfluss der globalen Erwärmung ist die Energieeffizienz von Hochhäusern weltweit umstritten.Ab 2020 muss der rumänische Bausektor, einschließlich der Hochhäuser, strenge Energieeffizienzvorschriften einhalten, die den Primärenergieverbrauch, die CO2-Emissionen und die Menge der vor Ort erzeugten erneuerbaren Energie begrenzen. Die Einhaltung dieser Energiegrenzwerte ist schwer erreichbar, wenn eine erhebliche Gebäudehöhe angestrebt wird, da höhere Windgeschwindigkeiten, mehr direkte Sonneneinstrahlung und niedrigere Lufttemperaturen wesentliche Auswirkungen auf das Innenraumklima und den Gesamtenergiebedarf haben können.Diese Studie untersucht das Potenzial eines Bürohochhauses in Rumänien, die im Jahr 2020 eingeführten Energiegrenzwerte zu erfüllen. Ziel dieser Forschungsarbeit ist zu bestimmen, inwieweit Energievorschriften den Bau von Bürohochhäusern in Rumänien einschränken und welche Änderungen an Entwurfsparametern vorgeschlagen werden können, um die gewünschte Höhe und den maximal zulässigen Energieverbrauch zu erreichen. Anhand von parametrischen thermischen Simulationen wird über Variationen der Gebäudehöhe, der Gebäudeausrichtung, der Gebäudeform und des Fensteranteils untersucht, wo die Höhenschwelle für Bürohochhäuser liegt, bis die Energievorschriften nicht mehr erfüllt werden können. Die parametrische Modellierung wird in Grasshopper aufgebaut, und die Auswirkung der verschiedenen Entwurfsszenarien wird basierend auf dem Primärenergiebedarf bewertet. Durch die Darlegung der gegenwärtigen Beziehung zwischen den ausgewählten Entwurfsparametern, ihre Auswirkungen aufeinander und die Gebäudeleistung der verschiedenen Designszenarien, zielt diese Studie Wissenslücken über die Energiezunahme mit der Höhe zu füllen und soll Architekten und Ingenieuren als Werkzeug dienen, um die Leistung von Hochhäusern parallel zum Höhenzuwachs zu analysieren.