Dissertation/ Thesis
Integrated assessment of passive rooftop strategies and photovoltaic on building energy demand and urban heat island effects under current and future Mediterranean climates
| Τίτλος: | Integrated assessment of passive rooftop strategies and photovoltaic on building energy demand and urban heat island effects under current and future Mediterranean climates |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Houchmand, Laura Jo |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental |
| Thesis Advisors: | Gassó Domingo, Santiago, Macarulla Martí, Marcel |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 159 p. |
| Θεματικοί όροι: | Building energy performance, Urban heat island (UHI), Passive roofing strategies, Photovoltaic (PV) systems, Current and future climate scenarios, Building energy simulation, Climate change adaptation, EnergyPlus simulation, Sustainable development goals (SDG), Building sustainability, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, Àrees temàtiques de la UPC::Edificació, Àrees temàtiques de la UPC::Urbanisme, Àrees temàtiques de la UPC::Desenvolupament humà i sostenible, 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general, 71 - Urbanisme. Paisatgisme, parcs i jardins, 502 - Natura. Estudi, conservació i protecció de la natura |
| Περιγραφή: | (English) Climate change mitigation and adaptation are pressing challenges, particular in Mediterranean cities, where rising temperatures, intensifying urban heat island (UHI) effects, increasing cooling demand, and growing water scarcity intersect. Rooftops represent a critical interface for climate-responsive building transformation, as they offer substantial potential for passive strategies, such as cool roofs and green roofs, and active renewable technologies, particularly photovoltaic (PV) systems. Despite extensive research on rooftop technologies, four key knowledge gaps remain: (1) insufficient year-round assessment of the UHI impact of roof-mounted PV systems combined with passive roofing strategies; (2) limited integrated evaluation of green roofs and PV systems considering both building energy demand and urban climate implications; (3) lack of comparative analysis of the impact of passive roofing strategies under projected future Mediterranean climate scenarios on the buildings’ energy demand; and (4) inadequate quantification of the impacts of PV integration with passive roofing strategies on building energy demand under future climate change conditions. This doctoral research addresses these gaps through a structured, simulation-based methodological framework. The work begins with a targeted literature review to establish the scientific context of passive and active rooftop strategies in Mediterranean climates and to define the research questions. Building on these gaps, dynamic building energy simulations are conducted using DesignBuilder with EnergyPlus as the calculation engine. Barcelona (Csa climate classification) serves as the case study location. Current climate conditions are represented by high-resolution Typical Meteorological Year (TMY) data (1975–2021), while future conditions are assessed using morphed TMY files based on the IEA EBC Annex 80 methodology under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios for mid-term (2047–2060) and long-term (2087–2100) horizons. A typical Mediterranean roof as basic roof (BR) serves as the reference case and is compared with passive strategies, including a cool roof (CR), a soil roof without vegetation (SR), and extensive green roofs under different irrigation regimes (EGR, EGRmin, EGRmax), as well as their integration with rooftop PV systems. Key performance indicators include convective heat fluxes from roof and PV surfaces (UHI contribution), conductive heat fluxes through the roof and annual heating and cooling demand (building energy demand), as well as PV electricity generation. The findings of this thesis highlight trade-offs between energy efficiency, urban heat, water use, and future climate impacts, emphasizing the need for climate-sensitive, typology-specific rooftop strategies. |
| Description (Translated): | (Català) La mitigació i adaptació al canvi climàtic són reptes urgents, en particular en les ciutats mediterrànies on l’augment de la temperatura, els creixents efectes d’Illa de Calor Urbana (UHI) que incrementen la demanda de refrigeració i l'escassetat d’aigua intersecten. Les teulades representen una interfície crítica per a la transformació responsiva al clima dels edificis, ja que ofereixen un potencial substancial per a estratègies passives, com teulades fredes i teulades verdes, i tecnologies renovables actives, particularment sistemes fotovoltaics (PV). Malgrat la investigació exhaustiva sobre tecnologies de teulades, persisteixen quatre bretxes clau en el coneixement: (1) la insuficient avaluació durant tot l’any de l’impacte de UHI dels sistemes PV muntats a teulades combinats amb estratègies de coberta passives; (2) la limitada avaluació integrada de teulades verdes amb sistemes PV considerant tots dos la demanda energètica de l’edifici i les implicacions climàtiques urbanes; (3) la falta d’anàlisis comparatives de l’impacte d’estratègies de coberta passives sota els futurs escenaris climàtics mediterranis projectats sobre la demanda energètica dels edificis; i (4) la quantificació insuficient dels impactes de la integració de sistemes fotovoltaics amb estratègies passives de coberta en la demanda energètica dels edificis sota escenaris futurs de canvi climàtic. Aquesta investigació doctoral aborda aquestes bretxes mitjançant un marc metodològic, estructurat i basat en simulacions. El treball comença amb una dirigida revisió de la literatura per establir el context científic de les estratègies de coberta actives i passives en climes mediterranis i definir les qüestions de la investigació. Constituint-se sobre aquestes bretxes, les simulacions dinàmiques energètiques d’edificis són dutes a terme fent servir DesignBuilder amb EnergyPlus com a motor de càlcul. Barcelona (classificació climàtica Csa) serveix com a ubicació del cas d’estudi. Les condicions climàtiques actuals són representades amb dades (1975-2021) d’Any Meteorològic Típic (TMY) d’alta resolució, mentre les condicions futures són avaluades utilitzant arxius TMY transformats basats en la metodologia de l’annex 80 de IEA EBC, sota els escenaris RCP4.5 i RCP8.5 per a horitzons de mitjà termini (2047-2060) i llarg termini (2087-2100). Una teulada mediterrània típica com teulada bàsica (BR) serveix com a cas de referència i és comparat amb estratègies passives, incloent-hi teulada freda (CR), teulada amb substrat sense vegetació (SR) i grans teulades verdes sota diferents regims d’irrigació (EGR, EGRmin, EGRmax), així com les seves integracions amb sistemes PV de teulada. Els indicadors clau de rendiment inclouen fluxos de calor convectiu de les superfícies de PV i teulades (contribució a UHI), fluxos de calor conductiu a través de la teulada, i demanda anual de calefacció i refrigeració (demanda d’energia de l’edifici), així com la generació elèctrica PV. Les troballes d’aquesta tesi destaquen les compensacions entre eficiència energètica, calor urbà, ús d’aigua impactes al clima futur, emfatitzant la necessitat d’estratègies de coberta sensibles al clima i específiques de la tipologia. (Español) La mitigación y adaptación al cambio climático son retos urgentes, en particular en las ciudades mediterráneas donde el aumento de la temperatura, los crecientes efectos de isla de calor urbana (UHI) que incrementan la demanda de refrigeración y la escasez de agua convergen. Los tejados representan una interfaz crítica para la transformación responsiva al clima de los edificios, ya que ofrecen un potencial sustancial para estrategias pasivas, como techos fríos y techos verdes, y tecnologías renovables activas, particularmente sistemas fotovoltaicos (PV). A pesar de la investigación exhaustiva sobre tecnologías de tejados, persisten cuatro brechas clave en el conocimiento: (1) la insuficiente evaluación durante todo el año del impacto de UHI de los sistemas PV montados en los tejados combinados con estrategias pasivas de techado; (2) la limitada evaluación integrada de techos verdes con sistemas PV considerando ambos la demanda energética del edificio y las implicaciones climáticas urbanas; (3) la falta de análisis comparativo del impacto de estrategias de techado pasivas bajo los futuros escenarios climáticos mediterráneos proyectados sobre la demanda energética de los edificios; y (4) la cuantificación insuficiente de los impactos de la integración de sistemas fotovoltaicos con estrategias pasivas de techado sobre la demanda energética de los edificios bajo condiciones futuras de cambio climático. Esta investigación doctoral aborda estas brechas mediante un marco metodológico, estructurado y basado en simulaciones. El trabajo empieza con una dirigida revisión de la literatura para establecer el contexto científico de las estrategias de techado activas y pasivas en climas mediterráneos y definir las cuestiones de la investigación. Construyéndose sobre esas brechas, las simulaciones dinámicas energéticas de edificios son llevadas a cabo usando DesignBuilder con EnergyPlus como motor de cálculo. Barcelona (clasificación climática Csa) sirve como ubicación del caso de estudio. Las condiciones climáticas actuales son representadas con datos (1975-2021) de Año Meteorológico Típico (TMY) de alta resolución, mientras las condiciones futuras son evaluadas usando archivos TMY transformados basados en el la metodología del anexo 80 de IEA EBC, bajo los escenarios RCP4.5 y RCP8.5 para los horizontes de medio plazo (2047-2060) y largo plazo (2087-2100). Un tejado mediterráneo típico como tejado básico (BR) sirve como caso de referencia y es comparado con estrategias pasivas, incluyendo tejado frío (CR), tejado con sustrato sin vegetación (SR) y grandes tejados verdes bajo diferentes regímenes de irrigación (EGR, EGRmin, EGRmax), así como sus integraciones con sistemas PV de tejado. Los indicadores clave de rendimiento incluyen flujos de calor convectivo de las superficies de PV y tejados (contribución a UHI), flujos de calor conductivo a través del tejado y demanda anual de calefacción y refrigeración (demanda de energía del edificio), así como la generación eléctrica PV. Los hallazgos de esta tesis destacan las compensaciones entre eficiencia energética, calor urbano, uso de agua e impactos en el clima futuro, enfatizando la necesidad de estrategias de techa miento sensibles al clima y específicas de la tipología. DOCTORAT EN ENGINYERIA AMBIENTAL (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-463756 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/697683 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-463756 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.697683 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
καταχωρήστε σχόλιο πρώτοι!