Adapting Nordic Buildings for Enhanced Summertime Resilience in the Face of Climate Change

Thumbnail Image
Files
isbn9789526419619.pdf (4.43 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-08-21
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024
Department
Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
88 + app. 116
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 162/2024
Abstract
In the face of escalating climate change impacts, understanding the resilience of buildings to extreme weather events, particularly in cold climates, is crucial for mitigating risks to human thermal comfort and well-being. This thesis addresses this issue by investigating the resilience of different buildings to climate change and its associated hot summers in Nordic climates. Through a combination of field measurements and simulation studies, the research assesses indoor overheating risks, energy consumption, and power demand in different building types, while also exploring the relationship between indoor and outdoor temperatures during heatwaves. The findings reveal significant challenges posed by high overheating risks in residential buildings, particularly in older ones in comparison to the newer ones designed based on the latest building codes. The study highlighted the effectiveness of passive strategies in mitigating risks. However, results showed that there is a need for mechanical cooling systems in residential buildings to ensure comfortable and healthy indoor temperatures during current and future heat events. The needed cooling electricity was shown to be considerably small compared to other energy consumptions in the buildings. Additionally, the study identifies strong correlations between indoor and outdoor temperatures during the hot summers that weakened during the prolonged heatwaves. This highlights the complex and dynamic nature of these relationships under different environmental conditions and emphasizes the importance of considering extreme heat events in the design and operation of buildings in cold climates. In office buildings, all-air and air-water systems were found to perform equally in terms of cooling energy consumption and indoor temperature conditions under a changing climate. While the maximum cooling power demand would be higher with the all-air system (ventilative) during extreme weather conditions. However, the cooling electricity increased up to 47% in the future average climate and up to 128% in the future extreme climate with the air-water system, and up to 51% in the future average climate and 108% in the future extreme climate with the all-air system by 2050 depending on the CO2 emission scenario.

Escaloivien ilmastonmuutoksen vaikutusten edessä rakennusten sietokyvyn ymmärtäminen äärimmäisiä sääilmiöitä, erityisesti kylmillä ilmastovyöhykkeillä, kohtaan on ratkaisevan tärkeää ihmisten lämpömukavuuteen ja hyvinvointiin liittyvien riskien vähentämiseksi. Tämä opinnäytetyö käsittelee tätä aihetta tutkimalla erilaisten rakennusten sietokykyä ilmastonmuutokseen ja siihen liittyviin kuumiin kesiin pohjoismaisissa ilmastoissa. Yhdistämällä kenttämittauksia ja simulaatiotutkimuksia tutkimus arvioi sisätilojen ylikuumenemisriskejä, energiankulutusta ja tehontarvetta eri rakennustyypeissä, ja tarkastelee myös sisä- ja ulkolämpötilojen välistä suhdetta helleaalloissa. Tulokset paljastavat merkittäviä haasteita, joita korkeat ylikuumenemisriskit aiheuttavat asuinrakennuksissa, erityisesti vanhemmissa rakennuksissa verrattuna uudempaan, uusimpien rakennusmääräysten mukaan suunniteltuihin rakennuksiin. Tutkimuksessa korostettiin passiivisten strategioiden tehokkuutta riskien lieventämisessä. Tulokset kuitenkin osoittivat, että asuinrakennuksissa tarvitaan mekaanisia jäähdytysjärjestelmiä mukavien ja terveellisten sisälämpötilojen varmistamiseksi nykyisten ja tulevien helleaaltojen aikana. Tarvittava jäähdytyssähkö osoittautui olevan huomattavan pieni verrattuna rakennusten muuhun energiankulutukseen. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin vahvoja korrelaatioita sisä- ja ulkolämpötilojen välillä kuumina kesinä, jotka heikkenivät pitkittyneiden helleaaltojen aikana. Tämä korostaa näiden suhteiden monimutkaista ja dynaamista luonnetta erilaisissa ympäristöolosuhteissa ja korostaa äärimmäisten lämpötilojen huomioon ottamisen tärkeyttä rakennusten suunnittelussa ja toiminnassa kylmissä ilmastoissa. Toimistotaloissa kaikki-ilma- ja ilma-vesijärjestelmien havaittiin toimivan yhtä hyvin jäähdytysenergian kulutuksen ja sisälämpötilojen osalta muuttuvassa ilmastossa. Maksimaalinen jäähdytystehon tarve olisi kuitenkin suurempi kaikki-ilma-järjestelmällä (ventilatiivinen) äärimmäisissä sääolosuhteissa. Jäähdytyssähkön kulutus kasvoi kuitenkin jopa 47 % tulevassa keskimääräisessä ilmastossa ja jopa 128 % tulevassa äärimmäisessä ilmastossa ilmavesijärjestelmällä, ja jopa 51 % tulevassa keskimääräisessä ilmastossa ja 108 % tulevassa äärimmäisessä ilmastossa kaikki-ilma-järjestelmällä vuoteen 2050 mennessä riippuen CO2-päästöskenaariosta.
Description
Supervising professor
Kosonen, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Jokisalo, Juha, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
residential buildings, climate change, heatwave, cooling system, office buildings, resilience, overheating, passive solutionc, asuinrakennukset, ilmastonmuutos, helleaalto, jäähdytysjärjestelmä, toimistotalot, sietokyky, ylikuumeneminen, passiiviset ratkaisut
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Farahani, V. A., Jokisalo, J., Korhonen, N., Jylhä, K., Ruosteenoja, K., & Kosonen, R. 2021. Overheating risk and energy demand of Nordic old and new apartment buildings during average and extreme weather conditions under a changing climate. Applied Sciences, 11(9), 3972.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202105267004
    DOI: 10.3390/app11093972 View at publisher
  • [Publication 2]: Farahani, V. A., Jokisalo, J., Korhonen, N., Jylhä, K., Kosonen, R., & Lestinen, S. 2022. Performance assessment of ventilative and radiant cooling systems in office buildings during extreme weather conditions under a changing climate. Journal of Building Engineering, 57, 104 951.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208244988
    DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104951 View at publisher
  • [Publication 3]: Farahani, V. A., Kravchenko, I., Jokisalo, J., Korhonen, N., Jylhä, K. & Kosonen, R. 2023. Overheating assessment for apartments during average and hot summers in the Nordic climate. Building Research & Information.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202404032968
    DOI: 10.1080/09613218.2023.2253338 View at publisher
  • [Publication 4]: Farahani, V. A., Jokisalo, J., Korhonen, N., Jylhä, K.& Kosonen, R. 2024. Simulation analysis of Finnish residential buildings’ resilience to hot summers under a changing climate. Journal of Building Engineering, 82, 108348.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401312215
    DOI: 10.1016/j.jobe.2023.108348 View at publisher
  • [Publication 5]: Farahani, V. A., Jokisalo, J., Korhonen, N., Jylhä, K.& Kosonen, R. 2024. Hot Summers in Nordic Apartments: Exploring the Correlation Between Outdoor Weather Conditions and Indoor Temperature. Buildings 2024, 14, 1053.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202405223506
    DOI: 10.3390/buildings14041053 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1961-9
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG