Energy efficiency and comfort strategies for Southern European climate : optimization of passive housing and PCM solutions

Abstract

Pursuing holistic sustainable solutions, towards the target defined by the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) is a stimulating goal. Exploring and tackling this task leads to a broad number of possible combinations of energy saving strategies than can be bridged by Passive House (PH) concept and the use of advanced materials, such as Phase Change Materials (PCM) in this context. Acknowledging that the PH concept is well established and practiced mainly in cold climate countries of Northern and Central Europe, the present research investigates how the construction technology and energy demand levels can be adapted to Southern Europe, in particular to Portugal mainland climate. For Southern Europe in addition to meeting the heating requirements in a fairly easier manner, it is crucial to provide comfortable conditions during summer, due to a high risk of overheating. The incorporation of PCMs into building solutions making use of solar energy to ensure their phase change process, are a potential solution for overall reduction of energy consumption and overheating rate in buildings. The PH concept and PCM use need to be adapted and optimised to work together with other active and passive systems improving the overall building thermal behaviour and reducing the energy consumption. Thus, a hybrid evolutionary algorithm was used to optimise the application of the PH concept to the Portuguese climate through the study of the combination of several building features as well as constructive solutions incorporating PCMs minimizing multi-objective benchmark functions for attaining the defined goals.

A procura de soluções de sustentabilidade holísticas que conduzam ao cumprimento dos desafios impostos pela Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre as Alterações Climáticas é uma meta estimulante. Explorar esta tarefa resulta num amplo número de possíveis combinações de estratégias de poupança energética, sendo estas alcançáveis através do conceito definido pela Passive House (PH) e pela utilização de materiais de mudança de fase que se revelam como materiais inovadores neste contexto. Reconhecendo que este conceito já se encontra estabelecido e disseminado em países de climas frios do centro e norte da Europa, o presente trabalho de investigação foca-se na aplicabilidade e adaptabilidade deste conceito e correspondentes técnicas construtivas, assim como os níveis de energia, para climas do sul da Europa, nomeadamente em Portugal continental. No sudeste da Europa, adicionalmente à necessidade de cumprimento dos requisitos energéticos para aquecimento, é crucial promover e garantir condições de conforto no verão, devido ao elevado risco de sobreaquecimento. A incorporação de materiais de mudança de fase nas soluções construtivas dos edifícios, utilizando a energia solar para assegurar o processo de mudança de fase, conduz a soluções de elevado potencial para a redução global da energia consumida e do risco de sobreaquecimento. A utilização do conceito PH e dos materiais de mudança de fase necessitam de ser adaptados e otimizados para funcionarem integrados com outros sistemas ativos e passivos, melhorando o comportamento térmico dos edifícios e minimizando o consumo energético. Assim, foi utilizado um algoritmo evolutivo para otimizar a aplicabilidade do conceito PH ao clima português através do estudo e combinação de diversos aspetos construtivos, bem como o estudo de possíveis soluções construtivas inovadoras com incorporação de materiais de mudança de fase minimizando as funções objetivo para o cumprimento das metas inicialmente definidas.