Integrated and smart design for buildings and communities

Abstract

The concept of zero energy has emerged as the flagship for the achievement of energy conservation and CO2 emissions reduction in the built environment. Expanding the zero energy scale from buildings to communities offers the potential of overcoming the limitations of single buildings related to building use, size, on-site renewable energy availability and cost. In order to achieve the green, sustainable, zero energy performance aspirations, building design is undergoing a paradigm shift with the introduction of the Integrated Design Process (IDP). The IDP is an iterative process that requires involvement and collaboration of various professionals from the start of a project. For the design and operation of high performing, zero energy buildings and communities, measurement and verification (M&V) of performance is identified as a crucial task. As a result, a vast amount of data is available through monitoring equipment and sensors that form an interconnected, interoperable network of knowledge. This knowledge coupled with the power of Artificial Intelligence (AI) makes the built environment smart.The literature so far on zero energy communities is mainly theoretical, in that it does not present experience from realised projects. This work contributes by presenting the integrated approach that has been implemented in four pilot zero energy neighbourhoods (ZEN), as well as the lessons learned from its implementation. The experience gained through the integrated approach to design, construction, and monitoring of the four pilot ZEN revealed two main issues: 1) the external barriers that are raised by the planning policies and regulations; and 2) the challenge of managing and integrating the needs and requirements of multiple project stakeholders. To overcome these barriers while securing the benefits of the approach, the management of such projects needs to focus from the outset on the establishment of a project management structure that will ensure the coordination and integration of the various stakeholders. The use of a standardized collaboration protocol from the preliminary design stage is recommended to facilitate future projects. In addition regulations need to be updated towards facilitating zero energy community project implementation.Currently, there is limited application of rigorous M&V procedures in the design, delivery and operation of low/zero energy dwellings and communities. Focusing on the M&V that has been designed and implemented in the four pilots, it has incorporated guidance from existing protocols, linked to the project development phases, and populated with lessons learned through implementation. The resulting framework demonstrates that M&V is not strictly linked to the operational phase of a project but is rather an integral part of the project management and development, accompanied by quality control in every step. The proposed framework can be useful to project managers for integrating M&V into the project management and explicitly aligning it with the project development stages into an Integrated Design and Delivery process. The measured performance data that have been obtained from the first M&V year of a pilot zero energy neighbourhood reveal that the design targets for at least 50 kWh/m2/year RES production at neighbourhood level and maximum 20 kWh/m2/year of net regulated energy consumption at building level have been achieved. These results have been obtained through an integrated approach to design, construction and monitoring for the neighbourhood, with investment cost 24% lower than the investment cost for a single zero energy building (ZEB) of similar performance. Nevertheless, a non-negligible performance gap caused by occupants has been identified. When considering the total consumption and PV production of the pilot ZEN, the first five months of monitoring starting from the beginning of summer, it has achieved a positive balance. Overall, the neighbourhood has achieved a positive energy balance on a yearly basis for its regulated energy needs. Renewable energy production technologies are indispensable to the zero energy communities, but often production does not match demand. Forecasting allows the design and implementation of management schedules depending on expected production and demand, thus assisting towards more efficient and smart operation. The development of artificial neural networks (ANN) has been proved effective towards production forecasting 24h ahead. Common theme for discussion for all topics has been the role of humans, either as occupants or users or citizens. Humans need to be involved as stakeholders within an integrated design and project delivery process. Understanding of their needs, expectations and behaviour is critical for effectively designing, evaluating and managing the zero energy and smart building or community projects.

Η ιδέα της μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης βρίσκεται στο επίκεντρο των στόχων για εξοικονόμηση ενέργειας και μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στο δομημένο περιβάλλον. Η διεύρυνση εφαρμογής της ιδέας πέρα από την κλίμακα του κτηρίου δύναται να ξεπεράσει τους περιορισμούς που έχουν μεμονωμένα κτήρια στην επίτευξη μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης και σχετίζονται με τη χρήση, το μέγεθος, τη διαθεσιμότητα επιτόπιας ανανεώσιμης ενέργειας και το κόστος.Ο σχεδιασμός κτηρίων υπόκειται μια μεταβολή αντίληψης με την εμφάνιση της έννοιας του Ολοκληρωμένου Σχεδιασμού. Ο Ολοκληρωμένος Σχεδιασμός προϋποθέτει τη συμμετοχή πολλών και ποικίλων ειδικοτήτων από την αρχή του έργου και επίσης ακολουθεί πορεία ανατροφοδότησης ανάμεσα στα στάδια εξέλιξής του. Για το σχεδιασμό και τη λειτουργία κτηρίων και κοινοτήτων μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης, η μέτρηση και επαλήθευση της ενεργειακής τους συμπεριφοράς αναγνωρίζεται ως κρίσιμη διαδικασία. Ως αποτέλεσμα, πληθώρα δεδομένων γίνονται διαθέσιμα μέσω μετρητών και αισθητήρων που διαμορφώνουν ένα διασυνδεδεμένο δίκτυο γνώσης. Ο συνδυασμός της γνώσης που προσφέρουν τα δεδομένα με τη δύναμη της τεχνητής νοημοσύνης, οδηγεί στη δημιουργία του έξυπνου δομημένου περιβάλλοντος.Στην τρέχουσα βιβλιογραφία, οι κοινότητες μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης προσεγγίζονται κυρίως θεωρητικά και απουσιάζει η εμπειρία εφαρμοσμένων περιπτώσεων. Η παρούσα εργασία συμβάλλει παρουσιάζοντας την ολοκληρωμένη προσέγγιση που έχει εφαρμοστεί σε τέσσερις πιλοτικές γειτονιές μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης, καθώς και τα διδάγματα της εφαρμογής. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από την ολοκληρωμένη προσέγγιση στο σχεδιασμό, κατασκευή και μέτρηση των πιλοτικών γειτονιών ανέδειξε δύο κύρια ζητήματα: 1) Εξωτερικά εμπόδια που προκύπτουν από τον αστικό σχεδιασμό και τη νομοθεσία και 2) τις προκλήσεις διαχείρισης και ενσωμάτωσης των προσδοκιών και των απαιτήσεων των μελών της ομάδας.Για να ξεπεραστούν αυτά τα εμπόδια διασφαλίζοντας παράλληλα τα οφέλη της προσέγγισης, η διαχείριση τέτοιων έργων πρέπει να επικεντρωθεί εξαρχής στην καθιέρωση μιας δομής διαχείρισης έργου που θα διασφαλίζει το συντονισμό και την ενσωμάτωση όλων των ενδιαφερόμενων μελών. Η χρήση ενός τυποποιημένου πρωτοκόλλου συνεργασίας που υιοθετείται από το προκαταρκτικό στάδιο σχεδιασμού, μπορεί να διευκολύνει μελλοντικά έργα. Επιπλέον, χρειάζεται η επικαιροποίηση της νομοθεσίας και των κανονισμών προς τη διευκόλυνση της υλοποίησης έργων που αφορούν κοινότητες μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης.Προς το παρόν, είναι περιορισμένη η εφαρμογή ενδελεχών διαδικασιών μέτρησης και επαλήθευσης κατά το σχεδιασμό, την παράδοση και τη λειτουργία κατοικιών και κοινοτήτων μηδενικής ενέργειας. Εστιάζοντας στο πλαίσιο μέτρησης και επαλήθευσης που έχει σχεδιαστεί και εφαρμοστεί στις τέσσερις πιλοτικές γειτονιές, έχει ενσωματώσει οδηγίες από τα υπάρχοντα πρωτόκολλα, συνδέεται με τις φάσεις ανάπτυξης του έργου και συμπληρώνεται με τα διδάγματα που αντλήθηκαν μέσω της εφαρμογής. Το τελικό πλαίσιο καταδεικνύει ότι η μέτρηση και επαλήθευση δεν συνδέονται αυστηρά με τη φάση λειτουργίας του έργου αλλά αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της διαχείρισης και ανάπτυξης του έργου, συνοδευόμενο από έλεγχο ποιότητας σε κάθε βήμα. Το προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί να είναι χρήσιμο για τους Υπεύθυνους Διαχείρισης έργων για την ενσωμάτωση των διαδικασιών μέτρησης και επαλήθευσης στη διαχείριση του έργου καθώς και την εναρμόνιση των διαδικασιών με τα στάδια ανάπτυξης του έργου σε μια ολοκληρωμένη διαδικασία σχεδιασμού και εκτέλεσης έργου.Τα δεδομένα μετρηθείσας ενεργειακής απόδοσης που έχουν ληφθεί από το πρώτο έτος μέτρησης και επαλήθευσης μιας πιλοτικής γειτονιάς μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης δείχνουν ότι οι έχουν επιτευχθεί οι στόχοι για παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας τουλάχιστον 50 kWh/m2/έτος σε επίπεδο γειτονιάς και μέγιστο 20 kWh/m2/έτος καθαρής ρυθμιζόμενης κατανάλωσης ενέργειας σε επίπεδο κτηρίου. Αυτά τα αποτελέσματα έχουν προκύψει μέσω μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης για το σχεδιασμό, την κατασκευή και την παρακολούθηση της γειτονιάς, με κόστος επένδυσης 24% χαμηλότερο από το κόστος επένδυσης για ένα μεμονωμένο κτίριο μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης παρόμοιας απόδοσης. Ωστόσο, έχει εντοπιστεί και μια μη αμελητέα απόκλιση απόδοσης που προκαλείται από τους κατοίκους. Εξετάζοντας τη συνολική κατανάλωση και την παραγωγή των φωτοβολταϊκών της πιλοτικής γειτονιάς, τους πρώτους πέντε μήνες παρακολούθησης έχει επιτευχθεί θετική ισορροπία. Συνολικά, η γειτονιά έχει επιτύχει ένα θετικό ενεργειακό ισοζύγιο σε ετήσια βάση για τις ρυθμιζόμενες ενεργειακές της ανάγκες. Οι τεχνολογίες παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι απαραίτητες για τις κοινότητες μηδενικής ενέργειας, αλλά συχνά η παραγωγή δεν συμβαδίζει με τη ζήτηση. Η πρόβλεψη επιτρέπει το σχεδιασμό και την εφαρμογή προγραμμάτων διαχείρισης ανάλογα με την αναμενόμενη παραγωγή, βοηθώντας έτσι στην αποτελεσματικότερη και έξυπνη λειτουργία. Η ανάπτυξη τεχνητών νευρωνικών δικτύων έχει αποδειχθεί αποτελεσματική για την πρόβλεψη της παραγωγής 24 ώρες μπροστά.Κοινό σημείο αναφοράς για όλα τα θέματα είναι ο ρόλος των χρηστών. Οι χρήστες χρειάζεται να συμμετέχουν ως ενδιαφερόμενα μέρη σε μια ολοκληρωμένη διαδικασία σχεδιασμού και παράδοσης έργου. Η κατανόηση των αναγκών, των προσδοκιών και της συμπεριφοράς τους είναι ουσιαστικής σημασίας για τον αποτελεσματικό σχεδιασμό, αξιολόγηση και διαχείριση μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης και έξυπνων κτηρίων ή κοινοτήτων.