Potential of energy demand reduction in buildings with green roofs under climatic conditions of southern Europe

Abstract

In Europe, after the Kyoto Protocol in 1997, lots of efforts focused on controlling the global warming and reducing emissions into the atmosphere. All European Directives concerning the energy efficiency of buildings promoted the rehabilitation of old buildings and the use of renewable energy to cover the energy needs of cooling and heating of buildings. The rehabilitation of a building consists in improving its energy performance, reducing the thermal flux that is exchanged between the building and the external environment. This may be achieved by active strategies, such as implementing efficient HVAC systems, or passive strategies such as green roofs or ventilated facades, that encompassed both opaque and transparent elements of the building envelope, to insulate it during the winter months and protect it from heat gains during the summer months. Green roofs are passive construction systems of low environmental impact that have a lot of environmental advantages, such as the absorption of CO2, the thermal insulation capacity and the retention of meteoric water. The objective of this thesis was to study experimentally and numerically the potential of energy demand reduction in buildings with green roofs and eco-roofs, green roofs without plants, under climatic conditions of Southern Europe. Firstly, two numerical models of an eco-roof and a traditional gravel ballasted roof were calibrated with experimental data of heat flux, in order to simulate their energy behaviour. Then, the effects of climatic variables and the volumetric water content of the substrate on the evapotranspiration and on the heat flux of the eco-roof were evaluated. Finally, 20 different irrigation strategies were studied in order to investigate the reduction of heat flux through the roof assembly and to identify the strategy that allowed the greatest reduction of energy demand with the lowest water consumption. Secondly, it was analysed experimentally the energy behaviour of different substrates of green roofs through a dynamic analysis based on several parameters such as time lag, TL, decrement factor, DF, soil-air temperature, Tsa, and cooling potential, CP. Then it was evaluated the reduction of energy demand of the building with green roofs respect to a traditional gravel ballasted roof. High reductions of annual energy demand were obtained with the eco-roof, 40% without irrigation strategy and 95.8% with 80 min of irrigation every day in the morning, respect to a traditional gravel ballasted roof. The irrigation strategy that allowed to achieve the highest reduction of annual energy demand with the lowest waste of water was irrigating 10 min in the morning in alternate days, 46.7% with 380 l/m2 year. The experimental analysis of the green roofs with different substrates showed that the substrate with 100% commercial growing medium, managed to retain more water than the rest of the plots and obtained the highest reduction of annual energy demand, up to 80.7%, respect to the traditional roof. Furthermore, the dynamic variables used for the analysis of the green roofs showed that this type of installation is able to achieve significant reductions of slab temperature and heat flux between the indoor and outdoor of the building, the reduction of the máximum peak of the internal temperature and the reduction of the maximum daily temperature excursions, compared to the traditional roof. These results showed that both eco-roof and green roof are passive systems that allow to achieve high reduction of energy demand for the rehabilitation of old buildings. A proper irrigation strategy and the presence of plants can help further to improve the energy performance of the roof.

En Europa, después del Protocolo de Kyoto en 1997, muchos esfuerzos se centraron en controlar el calentamiento global y reducir las emisiones a la atmosfera. Todas las Directivas europeas relativas a la eficiencia energética de los edificios promovieron la rehabilitación de edificios antiguos y el uso de energías renovables para cubrir las necesidades energéticas de refrigeración y calefacción de edificios. La rehabilitación de un edificio consiste en mejorar su rendimiento energético, reduciendo el flujo térmico que se intercambia entre el edificio y el ambiente exterior. Esto se puede lograr mediante estrategias activas, como la implementación de un sistema eficiente de climatización, o estrategias pasivas como cubiertas verdes o fachadas ventiladas, que engloban elementos opacos y transparentes de la envolvente del edificio para aislarlo durante los meses de invierno y protegerlo del calor durante los meses de verano. Las cubiertas verdes son sistemas constructivos pasivos de bajo impacto ambiental que tienen muchas ventajas ambientales, como la absorción de CO2, la capacidad de aislamiento térmico y la retención de agua meteórica. El objetivo de esta tesis fue estudiar experimental y numéricamente el potencial de reducción de la demanda energética en edificios con cubiertas verdes y cubiertas ecológicas, cubiertas verdes sin plantas, en las condiciones climáticas del sur de Europa. En primer lugar, se calibraron dos modelos numéricos de una cubierta ecológica y un techo de grava tradicional con datos experimentales de flujo de calor, con el fin de simular sus comportamientos energéticos. A continuación, se evaluaron los efectos de las variables climáticas y el contenido de agua del sustrato sobre la evapotranspiración y sobre el flujo de calor de la cubierta ecológica. Finalmente, se estudiaron 20 estrategias de riego con el fin de investigar la reducción del flujo de calor a través del techo e identificar la estrategia que permitiera la mayor reducción de la demanda energética con el mayor aprovechamiento de agua. En segundo lugar, se analizó experimentalmente el comportamiento energético de diferentes sustratos de cubiertas verdes a través de un análisis dinámico basado en varios parámetros como el time lag, TL, decrement factor, DF, temperatura sol-aire, Tsa y potencial de enfriamiento, CP. Finalmente, se evaluó la reducción de la demanda energética del edificio con cubiertas verdes respecto a un techo de grava tradicional. Elevadas reducciones de la demanda energética anual se obtuvieron con el techo ecológico, un 40% sin estrategia de riego y un 95,8% con 80 min de riego todos los días por la mañana, respecto a un techo tradicional. La estrategia de riego que permitió lograr la mayor reducción de la demanda energética anual con el menor desperdicio de agua fue regando de 10 min por la mañana en días alternos, 46,7% con 380 l / m2 año. El análisis experimental de las cubiertas verdes con diferentes sustratos mostro que el sustrato 100% comercial, logro retener más agua que el resto de las parcelas y obtuvo la mayor reducción de demanda anual de energía, hasta un 80,7%, respecto al techo tradicional. Además, las variables dinámicas utilizadas para el análisis de las cubiertas verdes mostraron que este tipo de instalación es capaz de lograr reducciones significativas de la temperatura del forjado y del flujo de calor entre el interior y el exterior del edificio, la reducción del pico máximo de la temperatura interior y la reducción de las excursiones de temperatura máxima diaria, en comparación con el techo tradicional. Estos resultados mostraron que tanto el eco-roof como el green-roof son sistemas pasivos que permiten lograr una alta reduccion de la demanda energética para la rehabilitación de edificios antiguos. Una estrategia de riego adecuada y la presencia de plantas pueden ayudar a mejorar aún mas el rendimiento energético del techo.