Window Design and Natural Ventilation Relationship in Terms of Reducing Carbon Dioxide and Improving Thermal Comfort

Abstract

Natural ventilation (NV) through window openings is an inexpensive and effective solution to bring fresh air into internal spaces and improve indoor environmental conditions. This study attempts to address the “indoor air quality – thermal comfort” dilemma of naturally ventilated office buildings through the effective use of early window design. This study proposes a method of early window design for an optimised natural ventilation potential, by reducing the level of indoor carbon dioxide (CO2) concentration and improving thermal comfort, and consequently minimising supplementary heating/cooling loads. The model consists of various stages: (1) Knowledge acquisition, (2) establishing a relationship between window design and natural ventilation, (3) identifying performance criteria and design of experiments (DOE), (4) conducting performance-based dynamic simulations, (5) evaluation of findings, and (6) making informed design decisions. The study also proposed an evaluation method by which the assessments of indoor CO2 concentration and adaptive thermal comfort were performed using the threshold suggested by the World Health Organisation (WHO) and the acceptability categories of the British/European standard EN 15251:2007. The measurement criteria are: carbon dioxide levels, airflow rate, air conditioning (AC) loads, and thermal comfort. The relevant indicator was the time (hours) during which pertinent performance criteria were met in the occupancy period, as well as the AC loads during that time. As suggested by the EN 15251:2007 standard, the hourly dynamic simulation method was employed using EDSL Tas Engineering. The proposed model was applied using different hypothetical scenarios of different types of office spaces, NV strategies, and window design possibilities. The findings show that the developed model of performance-based window design enables the handling of various window design variables along with different performance criteria to determine the near-optimal window design alternatives for effective NV and mixed mode (MM) offices. This model can guide architects towards making knowledge based and informed-decisions in the early stages of office window design. Keywords: window design, natural ventilation, indoor air quality, carbon dioxide (CO2) concentration, adaptive thermal comfort, office building, Performance-based design.

ÖZ:Açık pencereden doğal havalandırma (NV) yoluyla iç mekanlara temiz hava girişinin sağlanması ve iç mekan çevre koşullarının geliştirilmesi, hem ucuz hem de etkili bir çözümdür. Bu çalışmada, doğal yolla havalandırılan ofis binalarındaki “iç mekan hava kalitesi – ısıl konfor” ikileminde erken pencere tasarımının etkili bir şekilde kullanılması konusu irdelenmiştir. Bu araştırma, iç mekandaki karbondioksit (CO2) yoğunluğunun seviyesini düşürüp, ısıl konforu geliştirmeyi ve sonuç itibarıyla ek ısınma ve soğuma yükünü minimize etmeyi amaçlamaktadır. Bu bağlamda optimize edilmiş doğal havalandırma potansiyelinin kullanılmasına imkan veren bir erken pencere tasarımı yöntemi sunmaktadır. Hazırlanan model farklı aşamaları bünyesinde barındırmaktadır: (1) Bilgi edinme, (2) pencere tasarımı ve doğal havalandırma arasında ilişki kurma, (3) performans kriteri belirleme ve deneylerin tasarlanması, (4) performansa dayalı dinamik simülasyonlar gerçekleştirme, (5) bulguların değerlendirilmesi, ve (6) tasarım kararı verilmesi. Calışma aynı zamanda, iç mekan karbondioksit yoğunluğunun ölçülmesi ve uyarlanabilir ısıl konforun Dünya Sağlık Örgütü tarafından (WHO) önerilen eşiğin ve İngiliz/Avrupa standardı EN 15251:2007’nin kabul edilebilirlik kategorilerinin kullanıldığı bir değerlendirme yöntemi ortaya koymaktadır. Ölçüm kriterleri şunlardan oluşmaktadır: hava akım oranı, karbondioksit seviyeleri, uyarlanabilir ısıl konfor ve iklimlendirme (AC) yükleri. Hesaplanan gösterge, belli bir performans kriterini sağlayan kullanım süresindeki toplam saat ve o süredeki iklimlendirme yükü olmuştur. EN 15251:2007 standardında önerildiği üzere, saatlik dinamik simülasyonlar EDSL Tas Yazılımının kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Önerilen model, farklı ofis alanlarına ilişkin farklı varsayımsal senaryolar, NV stratejileri ve pencere tasarım olasılıkları kullanılarak uygulanmıştır. Bulgular, geliştirilen performans temelli pencere tasarım modelinin, etkili NV ve karışık mod (MM) ofisleri için optimale yakın pencere tasarımının belirlenmesini sağlayacak farklı performans kriterlerinin yanı sıra birçok pencere tasarım paramatreleri ile başa çıkmayı kolaylaştırdığını ortaya koymuştur. Bu model, ofis pencerelerinin erken tasarımında mimarlara bilgi temelli ve bilgili kararlar üretme noktasında rehberlik edecek niteliktedir. Anahtar kelimeler: pencere tasarımı, doğal havalandırma, iç mekan hava kalitesi, karbondioksit (CO2) yoğunluğu, uyarlanabilir ısıl konfor, ofis binası, performansa dayalı tasarım.