Design Recommendations to Optimize Solar Protection and Reduce the Energy Demand of Buildings

Authors

  • Guillermo Antonio De la Paz-Pérez Universidad de Camagüey. Camagüey, Cuba.
  • Dania González-Couret Universidad Tecnológica de La Habana Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría, CUJAE, La Habana, Cuba.
  • José Abel Rodríguez-Algeciras Escuela Técnica de Arquitectura de Barcelona, Barcelona, España.
  • Guillermo De la Paz-Vento Escuela Técnica de Arquitectura de La Coruña, La Coruña, España

Keywords:

building energy demand, solar protection, requirements of design, warm-humid climate

Abstract

Despite the global environmental crisis, the energy performance of buildings does not correspond to the necessary changes. The Cuban regulatory framework does not consider urban-architectural design as a resource to reduce the energy demand of buildings, where solar protection of openings is essential. The objective of the work was to propose design recommendations based on the influence of the urban context and orientation on solar protection and energy demand for cooling. The Energy Plus tool was used to simulate different urban scenarios and orientations, evaluating their impact on solar protection and energy demand. It is shown that by considering these factors, it is possible to reduce solar protection costs and energy demand. The importance of designing each portion of the vertical envelope considering its orientation and its relationship with the immediate context to achieve greater energy efficiency is highlighted.

Author Biographies

Guillermo Antonio De la Paz-Pérez, Universidad de Camagüey. Camagüey, Cuba.

Arquitecto, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor Titular. Universidad de Camagüey. Camagüey, Cuba.

Email: guillermo.paz@reduc.edu.cu

https://orcid.org/0000-0001-6626-6301

Dania González-Couret, Universidad Tecnológica de La Habana Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría, CUJAE, La Habana, Cuba.

Arquitecta, Doctora en Ciencias, Profesora Titular- Emérito, Universidad Tecnológica de La Habana Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría, CUJAE, La Habana, Cuba.

Email: daniagcouret@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-1406-4588

José Abel Rodríguez-Algeciras, Escuela Técnica de Arquitectura de Barcelona, Barcelona, España.

 

Arquitecto, MSc., Escuela Técnica de Arquitectura de Barcelona, Barcelona, España.

Email: joserodriguezalgeciras@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-6715-0543

Guillermo De la Paz-Vento, Escuela Técnica de Arquitectura de La Coruña, La Coruña, España

Arquitecto, MSc. Escuela Técnica de Arquitectura de La Coruña, La Coruña, España.

Email: guillermo.paz2019@gmail.com

https://orcid.org/0000-0003-2145-1188

References

Chirag D, Siew L. Determining key variables influencing energy consumption in office buildings through cluster analysis of pre- and post-retrofit building data. Energy and Buildings [Internet]. 2018 [consultado: 17 de enero de 2023]; 159:228-245. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.11.007

Brøgger M, Bjarne K. Estimating the energy-saving potential in national building stocks–A methodology review. Renewable and Sustainable Energy Reviews [Internet]. 2017 [consultado: 20 de enero de 2023]; 82(Part 1):1489-1496. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.239

Ministerio de Energía y Minas, et al. Cuba apuesta por una energía más limpia, diversa y eficiente [Internet]. MINEM, 2014 [consultado: 22 de marzo de 2022]. Disponible en: http://www.cubadebate.cu/especiales/2014 /08/14/cuba-apuesta-por-una-energia-mas-limpia-diversa-y-eficiente/#respond

Martins T, Faraut S, Adolphe L. Infuence of context-sensitive urban and architectural design factors on the energy demand of buildings in Toulouse, France. Energy & Building [Internet]. 2019 [consultado: 20 de marzo de 2022]; 190:262-278. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.02.019

Oficina Nacional de Normalización. NC 220-1: Edificaciones - requisitos de diseño para la eficiencia energética - parte 1: envolvente del edificio. La Habana: ONN, CTN 40, 2009.

Garcia-Nevado E, Beckers B, Coch Roura H, Crespo I. Façade design and energy demand: fenestration indexes from an urban approach. En: Libro de Ponencias: 33rd International Conference on Passive and Low Energy Architecture PLEA. Edinburgh; 2017 [consultado: 20 de marzo de 2022]. Vol. III: p. 5230-5237. Disponible en: www.nceub.org.uk

Shi X, Zhichao T, Wenqiang C, Binghui S, Jin X. A review on building energy efficient design optimization room the perspective of architects. Renewable and Sustainable Energy Reviews [Internet]. 2016 [consultado: 15 de junio de 2022]; 65:872–884. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.07.050

Kheiri F. A review on optimization methods applied in energy-efficient building geometry and envelope design. Renewable and Sustainable Energy Reviews [Internet]. 2018 [consultado: 20 de enero de 2023]; 92:897–920. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.080

Sanhudo L, Ramos N, Martins J P, Almeida R, Barreira E, Simões ML & Cardoso V. Building information modeling for energy retrofitting–A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews [Internet]. 2018 [consultado: 23 de febrero de 2022]; 89:249–260. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.064

Natephra W, Yabuki N, Fukuda T. Optimizing the evaluation of building envelope design for thermal performance using a BIM-based overall thermal transfer value calculation. Building and Environment [Internet]. 2018 [consultado: 2 de septiembre de 2020]; 136:128-145. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.03.032

Yoshino H, Hong T, Nord N. IEA EBC annex 53: Total energy use in buildings—Analysis and evaluation methods. Energy and Buildings [Internet]. 2017 [consultado: 20 de enero de 2023]; 152():124-136. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.07.038

Egwunatum S, Joseph-Akwara E, Akaigwe R. Optimizing energy consumption in building designs using Building Information Model (BIM). Slovak Journal of Civil Engineering [Internet]. 2016 [consultado: 15 de enero de 2021]; 24(3):19–28. Disponible en: https://doi.org/10.1515/sjce-2016-0013

Tapia-Maureira C, Piderit M. Design Criteria to Reduce Energy Demand and Improve Thermal Comfort in Desert-coastal Climate Office-building [Internet]. En: Libro de Ponencias: 34th International Conference on Passive and Low Energy Architecture PLEA. Hong Kong; 2018 [consultado: 20 de marzo de 2022]. Vol. II: p. 676-681. Disponible en: http://web5.arch.cuhk.edu.hk

Rueda LA. Influencia del diseño en la carga térmica y el consumo de energía en habitaciones de hoteles con “destino sol y playa” en Cuba [tesis doctoral]. Ciudad de La Habana: Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, 2003.

American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1-2013, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings (I-P Edition) [Internet]. Atlanta: ASHRAE, 2013 [consultado: 7 de enero de 2021]. Disponible en: www.ashrae.org

González D, Martínez R. Sistema de elementos de protección solar para los edificios en Cuba. Estudio de caso. Arquitectura y Urbanismo [Internet]. 2014 [consultado: 7 de enero de 2019]; 35(3):5-17. Ciudad de La Habana. Cujae. Disponible en: https://rau.cujae.edu.cu/index.php/revistaau/issue/view/45/showToc

Sole Bonet J. OpenStudio y Energy Plus [Internet]. Madrid: URSA Insulation SA, 2017 [consultado: 7 de enero de 2019]. Disponible en: http://www.josepsole.260mb.net/Energy.html

Oficina Nacional de Normalización. NC-ISO 8995/CIE S 008: 2003. Iluminación de puestos de trabajo en interiores. La Habana: ONN, CTN 58, 2003.

Ghosh A, Neogi S. Effect of fenestration geometrical factors on building energy consumption and performance evaluation of a new external solar shading device in warm and humid climatic condition. Solar Energy [Internet]. 2018 [consultado: 20 de abril de 2020]; 169:94–104. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.04.025

U.S. Department of Energy. Input Output Reference. EnergyPlus™ Version 8.8 Documentation [Internet]. Washington D. C.: DOE, 2019 [consultado: 7 de octubre de 2019]. Disponible en: https://energyplus.net/

CITEC (Centro de Investigación en Tecnologías de la Construcción). Manual de Diseño Pasivo y Eficiencia Energética en Edificios Públicos [Internet]. Instituto de la Construcción. Universidad del Bío Bío, Santiago de Chile, 2012 [consultado: 20 de abril de 2022]. Disponible en: www.iconstruccion.cl

Olgyay V. Arquitectura y clima. Manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas (Trads. J Frontado y L Cavet). Barcelona: Gustavo Gili; 1998.

Kirimtat A, Kundakci Koyunbaba B, Chatzikonstantinou I, Sariyildiz S. Review of simulation modeling for shading devices in buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews [Internet]. 2016 [consultado: 20 de enero de 2023]; 53:23–49. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.08.020

De la Paz Pérez GA, De la Paz Vento G. Impacto energético-ambiental por climatización de un edificio de oficinas en condiciones tropicales [Internet]. En: Libro de Ponencias: Quinto Congreso Internacional MACDES. La Habana: MES; 2018 [consultado: 20 de marzo de 2022]. p. 439-450. Disponible en: https://www.academia.edu/38069843/Memorias_Congreso_Internacional_Medio_Ambiente_Construido_y_Desarrollo_Sustentable_MACDES_2018_

Oficina Nacional de Normalización. NC 219: 2002 Urbanismo - código de buena práctica para el diseño ambiental de los espacios urbanos. La Habana: ONN, CTN 40, 2002.

Díaz G, De la Peña AM. Urbanismo y medioambiente. La Habana: Efe Consultores; 2009.

González D, Martínez O, Rodríguez V, Salazar M. Outdoor thermal environment in Havana [Internet]. En: Libro de Ponencias: International Conference for Sustainable Design of the Built Environment SDBE 2018. London: University of East London; 2018 [consultado: 20 de marzo de 2022]. p. 776-784 Disponible en: http://newton-sdbe.uk/wp-content/uploads/2018/09/SDBE2018_Conference-Proceedings-.pdf

Garcia-Nevado E, Pagès-Ramon A, Coch Roura H, Beckers B. Characterization of solar access in mediterranean cities: oriented sky factor [Internet]. En: Libro de Ponencias: 31nd International Conference on Passive and Low Energy Architecture PLEA. Bologna (Italy); 2015 [consultado: 20 de marzo de 2022]. p.1-7. Disponible en: http://plea-arch.org/plea-proceedings/

Masoud B, Coch H, Crespo I, Beckers B. Effects of Urban Morphology on Shading for Pedestrians: Sky View Factor (SVF) as an Indicator of Solar Access [Internet]. En: Libro de Ponencias: 34th International Conference on Passive and Low Energy Architecture PLEA. Hong Kong; 2018 [consultado: 20 de marzo de 2022]. Vol. III:p.1029-1030. Disponible en: http://web5.arch.cuhk.edu.hk

De la Paz GA. Influencia del contexto urbano y la orientación en la protección solar de los vanos y en la demanda energética de los edificios en Cuba [tesis doctoral]. Ciudad de La Habana: Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría, 2019.

De la Paz GA, Sandiumenge E. Influencia de la geometría urbana en la demanda energética anual para enfriamiento. Estudio de caso Camagüey [Internet]. Arcada. Revista de Conservación del Patrimonio Cultural. 2019 [consultado: 25 de octubre de 2022]; 7(2):62-71. Disponible en: https://revistas.reduc.edu.cu/index.php/arcada/article/view/3262

González D. Uso de suelo y ambiente interior. Arquitectura y Urbanismo [Internet]. 2011 [consultado: 20 de enero de 2023]; 32(2):9-15. Disponible en: https://rau.cujae.edu.cu/index.php/revistaau/issue/view/45/showToc

De la Paz Pérez GA, González Couret D, Rodríguez-Algeciras J.A, De la Paz Vento G. Influence of the urban context on solar protection of the vertical envelope and the cooling energy demand of buildings in Cuba. Journal of Building Engineering [Internet]. 2023 [consultado: 20 de enero de 2023]; 76:107224. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.107224

De la Paz G. Brise-soleil, recurso arquitectónico de control solar: Evolución y propuesta de diseño optimizado para Camagüey. Arquitectura y Urbanismo [Internet]. 2012 [consultado: 12 de enero de 2023]; 33(2):79-94. Disponible en: https://rau.cujae.edu.cu/index.php/revistaau/article/view/201/196

Published

2024-05-04

How to Cite

De la Paz-Pérez, G. A., González-Couret, D., Rodríguez-Algeciras, J. A., & De la Paz-Vento, G. (2024). Design Recommendations to Optimize Solar Protection and Reduce the Energy Demand of Buildings. Revista científica De Arquitectura Y Urbanismo, 45(1), 27–40. Retrieved from https://rau.cujae.edu.cu/index.php/revistaau/article/view/810