THE EFFECT OF BUILDING SHAPE AND ORIENTATION ON ENERGY PERFORMANCE: AN OPTIMISATION SOLUTION FOR SCHOOL BUILDING IN SYRIA

Abstract

ABSTRACT

Sustainable architectural design promotes using passive design principles for reducing energy consumption in buildings while conserving the indoor comfort levels of building users in terms of energy-efficient design processes. Building form and orientation have a significant impact on the behavior of building energy use. However, the study of these two parameters concerning other design parameters in the early design stages is widespread. Within the scope of the study, the Energy performance of buildings can be determined by the amount of Energy Use Intensity (EUI). This study aims to determine a clear workflow for optimizing building form and orientation in the early design stages. For that purpose, a parametric optimization workflow process had been suggested. A primary school building located in a warm and dry climate zone was selected as a case study. By using parametric energy modeling and simulation tools, various building forms (simple rectangular, L Shape, U shape, Court shape, and Square shape) were generated, simulated to reach to results of EUI for each shape. The optimization process was performed within the same canvas of the parametric tool (Grasshopper) by using the Octopus plugin. After determining the input variables of the optimization process that represented by Orientation and glazing ratio WWR and genetic diversity of EUI value. The objective function of choosing the optimal solution for each form was determined by improving building energy performance (minimum of EUI value) with a suitable amount of daylight for classroom spaces following ASHRAE standards. The optimal solution for each suggested shape was obtained in terms of EUI value, orientation angle, and WWR and improvement in energy performance compared to the existing case. The results indicated that the optimal solution of the Square shape with a 17° orientation angle achieved the maximum development in EUI value. Up to 40 % improvement in energy performance had been achieved. The research also concluded that architects and designers should follow an optimization process for determining the most suitable building form and orientation angle concerning any other design parameters in the early design stage of their projects.

ÖZET

Sürdürülebilir mimari tasarımı, binalarda enerji tüketimini azaltmak için pasif tasarım ilkelerinin kullanılmasını teşvik ederken, enerji verimliliği açısından bina kullanıcılarının konfor Beklentilerini de sağlar. Bina şekli ve yönelimi, binanın enerji kullanım davranışı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Ancak, erken tasarım aşamalarında bu iki parametrenin diğer tasarım parametreleriyle ilgili olarak incelenmesi açık değildir. Çalışma kapsamında binaların Enerji performansı, Enerji Kullanım Yoğunluğu (EUI) miktarı ile belirlenebilmektedir. Bu Çalışmada, erken tasarım aşamalarında bina şeklini ve oryantasyonunu optimize etmek için net bir iş akışı belirlemeyi amaçlıyor. Bunun için, parametrik bir optimizasyon iş akışı süreci önerildi. Örnek olarak sıcak ve kuru iklim kuşağında bulunan bir ilkokul binası seçilmiştir. Parametrik enerji modelleme ve simülasyon aracı kullanılarak, her bir şekil için EUI sonuçlarına ulaşmak için çeşitli bina şekilleri (basit dikdörtgen, L formu, U formu, Avlu formu ve Kare formu) oluşturulmuş, simüle edilmiştir. Optimizasyon işlemi parametrik aracın (Grasshopper) aynı çevre içerisinde Octopus eklentisini kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Oryantasyon ve pencere duvar oranı (WWR) ve EUI değerinin genetik çeşitliliği ile temsil edilen optimizasyon işleminin girdi değişkenleri belirlendikten sonra her form için en uygun çözümü seçmenin amaç fonksiyonu, ASHRAE standartlarına uygun olarak sınıf alanları için uygun miktarda gün ışığı ile bina enerji performansının (minimum EUI değeri) iyileştirilmesiyle belirlenmiştir. Önerilen her bir şekil için en uygun çözüm, EUI değeri, oryantasyon açısı ve WWR ve mevcut duruma kıyasla enerji performansındaki iyileşme açısından elde edilmiştir. Sonuçlar, 17° oryantasyon açısına sahip kare şeklin optimal çözümünün EUI değerinde maksimum gelişmeyi sağladığını göstermiştir. Enerji performansında %40'a varan iyileşme sağlanmıştır. Araştırma ayrıca, mimarların ve tasarımcıların, projelerinin erken tasarım aşamasında diğer tasarım parametrelerine göre en uygun bina şeklini ve yönlendirme açısını belirlemek için bir optimizasyon süreci izlemeleri gerektiği sonucuna varmıştır.