Window design optimization in terms of daylight and thermal comfort for a typical Norwegian residential building

Abstract

Vindusdesign påvirker dagslystilgjengeligheten, termisk komfort i tillegg til energibehovet til bygningen. Et uheldig vindusdesign kan medføre at et bygg går fra god til dårlig ytelse.

I denne masteroppgaven er norske og internasjonale standarder og reguleringer sammenliknet med tanke på kriteriene satt for termisk komfort og dagslys. For å undersøke hvordan disse reguleringene og standardene tilrettelegger for konsekvente ytelser, er det utført et simuleringsstudie av en case-bygning tegnet av Norgeshus. I den undersøkte bygningen, Dråpen, er det valgt ut syv kritiske rom basert på dems personopphold. Simuleringene er utført ved hjelp av IDA ICE, PHPP og TEK-Sjekk. I IDA ICE er hvert individuelle rom simulert, mens hele bygningnen bygningen er betraktet som en sone i PHPP og TEK-Sjekk. Det er totalt konstruert 11 ulike case. Disse består av stedsavhengige scenarioer, endring i vindusegenskaper, design og bygningskropp, i tillegg til solskjermingsstrategi. Resultatene fra simuleringene munner ut i et optimalisert design av bygningen.

Resultatene avdekket at overoppheting og dagslys ofte gir motsigende resultater. Hvor god dagslystilgjengelighet kan resultere i dårlig termisk innemiljø, og omvendt. En bedre isolert byning gir et lavere årlig oppvarmingsbehov med kun marginale tap i dagslystilgjengelighet. En tettere konstruksjon medfører likevel til en risiko for overoppheting. Ved å installere utvendig solskjerming i stedet for innvendig som er i referansebygget, ble risikoen for overoppheting eliminert. En revisjon av vindusdesignet ved å øke andelen glass mot sør og fjerning av arealene mot nord, økte ytelsen for hele bygget. Dette understreker viktigheten med et godt vindusdesign. Den optimaliserte utgaven av bygningen besto av forbedring av bygnignskroppen, revidert vindusdesign, og bruk av utvendig solskjerming. Denne kombinasjonen resulterte i at alle kriterier ble oppfylt, hvorav oppvarmingsbehoved ble redusert med 26-40% i forhold til referensebygget. Ved å analysere resultatene i oppgaven, kommer det frem at kravene for dagslys ikke er forenelige, slik at reviderte krav for å sikre tilstrekkelig dagslys er å anbefale.

Window design affects the performance of daylight, thermal comfort as well as energy demand of the building. A unfortunate window design can overturn a high performance building to a building with poor performance.

In this thesis the Norwegian building code and international regulations and standards are compared regarding the criteria set for thermal comfort and daylight. To investigate how these regulations and standards facilitates consistent performance levels, a simulation study of a case building provided by Norgeshus has been examined. For the studied building, Dråpen, seven rooms are investigated as critical rooms based on their occupancy. The simulation process is done by IDA ICE, PHPP and TEK-Sjekk. Each room are simulated in IDA ICE, while the simulation is limited to the whole building zone in PHPP and TEK-Sjekk. In total, 11 case designs are made. The cases consist of site dependent scenarios, changes in window properties, design, and building body, as well as solar shading control. The results in the studied cases culminates into a optimized design for the studied building.

The results revealed that overheating and daylight often gives opposite results, where a good daylight performance can result in a poor thermal indoor environment and vice versa. A more insulated building has lower annual heating demand, with only marginal losses in daylight, but the tighter construction does increase the risk of overheating. By applying external blinds instead of the default internal blinds did eliminate the overheating. A revision of window design with more glazing area towards south and removing those to the north, increases the overall performance of the building, which highlights the importance of good window design. The optimized version of the building consists of improving the building envelope, a revised window design and external blinds. This combination fullfils every criteria evaluated, and lowers the annual heating demand by 26-40% compared to the reference case. When evaluating the results, this thesis show that the requirements for daylight are not consistent, and should be revised to secure adequate daylight performance.