Building ventilation and outdoor air pollution: implications for health, comfort and energy

Abstract

As humans spend most of their time indoors, indoor air quality (IAQ) significantly impacts their health. In parallel, building ventilation consumes significant energy, contributing to climate change. However, the relationships between the building ventilation, IAQ and its related health effects, and the energy demand are unclear, making the operation and design of ventilation non-optimal. In the initial phase, a thorough assessment of outdoor air pollution was conducted to create a European and global database for air quality simulations. Data were categorized according to urbanization level and proximity to traffic, recognizing the uneven distribution of urban air pollution. Subsequently, methods analogous to those used for typical meteorological years were employed to generate yearly typical air pollution profiles. In the second phase, the research centered on optimizing outdoor air filtration in ventilation systems. Given that filters induce substantial pressure drops in these systems, it was explored whether an enhanced understanding of outdoor air pollution could enable a more energy-efficient fan operation., with results indicating that bypassing the outdoor air filter during periods of low outdoor air pollution levels could save energy from 4% to 14% of fan operation without compromising IAQ. In the third phase, the thesis developed a novel methodology that permits the evaluation of ventilation systems and strategies based on their energy efficiency and the health impacts on building occupants due to air pollution exposure using the Disability-Adjusted Life Years (DALY) methodology. This novel method considers outdoor air pollution more comprehensively and permits a better understanding of the tradeoffs between energy, IAQ, and health, opening the way to a more efficient ventilation design. In the fourth phase, this thesis investigated the energy-saving potential natural ventilation (NV) can achieve in buildings by coupling the comprehensive outdoor air pollution data with building energy simulations. The results revealed that NV can reduce the cooling demand in Europe by 17-100% without increasing the outdoor air pollution penetration. However, restricting the NV use when the outdoor air pollution levels were high limited this energy saving on average by 24%, with this reduction varying significantly within cities. Finally, two case studies were conducted in the framework of this thesis. The first case study refers to the application of an automated window system for NV in a Swiss apartment to demonstrate its efficiency in addressing overheating. The results revealed a relatively minimal reduction in overheating hours. The second case study refers to the effectiveness of user-controlled natural ventilation in providing adequate indoor environmental quality with a low energy cost in a dusty environment. The results revealed that well-designed and operated natural ventilation achieved high IEQ without excessive energy use. In conclusion, the results revealed that energy savings in the ventilation systems are possible while, in parallel, improving IAQ when the longitudinal outdoor air pollution is considered in the design and operation phases of the building. Designers and building operators can follow the recommendations from this thesis to design and operate buildings more efficiently. Policymakers can benefit from the results to refine the standards and guidelines, contributing to healthier and more sustainable buildings.

Καθώς οι άνθρωποι βρίσκονται κατά την πλειοψηφία του χρόνου τους σε εσωτερικούς χώρους, η ποιότητα του εσωτερικού αέρα (ΠΕΑ) επηρεάζει σημαντικά την υγεία τους. Παράλληλα, ο εξαερισμός-αερισμός των κτιρίων καταναλώνει σημαντικές ποσότητες ενέργειας, συντελώντας αρνητικά στην κλιματική αλλαγή. Ωστόσο, οι σχέσεις μεταξύ του αερισμού του κτιρίου, της ΠΕΑ και των σχετικών επιδράσεων της στην υγεία, και των ενεργειακών αναγκών των κτιρίων είναι δυσδιάκριτες, με αποτέλεσμα η λειτουργία και ο σχεδιασμός του αερισμού των κτιρίων να μην γίνονται με βέλτιστο τρόπο. Στην αρχική φάση της διατριβής, διεξήχθη ενδελεχής αξιολόγηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης για τη δημιουργία μιας ευρωπαϊκής και παγκόσμιας βάσης δεδομένων. Τα δεδομένα κατηγοριοποιήθηκαν ανάλογα με το επίπεδο αστικοποίησης και την εγγύτητα στο κυκλοφοριακό δίκτυο, αναγνωρίζοντας την άνιση κατανομή της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στους αστικούς ιστούς. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι ανάλογες με εκείνες που χρησιμοποιούνται για τα τυπικά μετεωρολογικά έτη για τη δημιουργία ετήσιων προφίλ τυπικής ατμοσφαιρικής ρύπανσης τα οποία χρησιμοποιήθηκαν μετέπειτα στις προσομοιώσεις για την ΠΕΑ. Στη δεύτερη φάση, η έρευνα επικεντρώθηκε στη βελτιστοποίηση του φιλτραρίσματος του εξωτερικού αέρα στα συστήματα εξαερισμού. Δεδομένου ότι τα φίλτρα προκαλούν σημαντικές απώλειες πίεσης σε αυτά τα συστήματα, διερευνήθηκε κατά πόσον η βελτιωμένη κατανόηση της ρύπανσης του εξωτερικού αέρα θα μπορούσε να επιτρέψει μια πιο ενεργειακά αποδοτική λειτουργία του ανεμιστήρα, με τα αποτελέσματα να δείχνουν ότι η παράκαμψη του φίλτρου εξωτερικού αέρα κατά τη διάρκεια περιόδων με χαμηλά επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης θα μπορούσε να εξοικονομήσει ενέργεια από 4% έως 14% για τη λειτουργία του ανεμιστήρα χωρίς να υποβαθμιστεί η ΠΕΑ. Στην τρίτη φάση, η διατριβή ανέπτυξε μια νέα μεθοδολογία που επιτρέπει την αξιολόγηση των συστημάτων και στρατηγικών αερισμού με βάση την ενεργειακή τους απόδοση και τις επιπτώσεις στην υγεία των ενοίκων των κτιρίων λόγω της έκθεσης στην ατμοσφαιρική ρύπανση, χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία των προσαρμοσμένων λόγω αναπηρίας ετών ζωής - DALY (Disability-Adjusted Life Years). Αυτή η νέα μέθοδος λαμβάνει υπόψη την ατμοσφαιρική ρύπανση πιο ολοκληρωμένα και επιτρέπει την καλύτερη κατανόηση των σχέσεων μεταξύ ενεργειακών αναγκών, ΠΕΑ και υγείας, ανοίγοντας το δρόμο για έναν πιο αποτελεσματικό σχεδιασμό συστημάτων εξαερισμού και στρατηγικών αερισμού. Στην τέταρτη φάση, η παρούσα διατριβή διερεύνησε τις δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να επιτύχει ο φυσικός αερισμός (ΦΑ) στα κτίρια, συνδυάζοντας τα λεπτομερή δεδομένα ατμοσφαιρικής ρύπανσης με ενεργειακές προσομοιώσεις κτιρίων. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι ο ΦΑ μπορεί να μειώσει τις ανάγκες ψύξης στην Ευρώπη κατά 17-100% χωρίς να αυξήσει τη διείσδυση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Ωστόσο, ο περιορισμός της χρήσης ΦΑ μόνο όταν τα επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης ήταν χαμηλά περιόρισε αυτή την εξοικονόμηση ενέργειας κατά μέσο όρο κατά 24%, με τη μείωση αυτή να διαφέρει σημαντικά μέχρι και εντός των ιδίων πόλεων. Τέλος, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής διεξήχθησαν δύο πειραματικές μελέτες. Η πρώτη μελέτη εφάρμοσε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχου ΦΑ σε ένα διαμέρισμα στην Ελβετία με σκοπό να ερευνήσει την αποτελεσματικότητά του στην αντιμετώπιση της υπερθέρμανσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια σχετικά μικρή μείωση των ωρών υπερθέρμανσης του υπό εξέταση διαμερίσματος. Η δεύτερη μελέτη εξέτασε την αποτελεσματικότητα του ελεγχόμενου από τον χρήστη ΦΑ στην παροχή αποδεκτής ΠΕΑ με χαμηλό ενεργειακό κόστος σε ένα περιβάλλον με υψηλά επίπεδα ατμοσφαιρικής σκόνης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο καλά σχεδιασμένος και λειτουργικός ΦΑ επιτυγχάνει υψηλή ποιότητα εσωτερικού περιβάλλοντος χωρίς υπερβολική χρήση ενέργειας. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής αποκάλυψαν ότι είναι δυνατή η εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα εξαερισμού-αερισμού, με παράλληλη βελτίωση της ποιότητας του εσωτερικού περιβάλλοντος όταν η ατμοσφαιρική ρύπανση λαμβάνεται υπόψη στις φάσεις σχεδιασμού και λειτουργίας του κτιρίου. Οι σχεδιαστές και οι διαχειριστές κτιρίων μπορούν να ακολουθήσουν τις υποδείξεις αυτής της διατριβής για να σχεδιάσουν και να λειτουργήσουν τα κτίρια πιο αποδοτικά. Οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής μπορούν να επωφεληθούν από τα αποτελέσματα για να βελτιώσουν τους κτιριακούς κανονισμούς και τις πολιτικές, συμβάλλοντας σε υγιέστερα και πιο βιώσιμα κτίρια.

Étant donné que les êtres humains passent la majeure partie de leur vie à l'intérieur, la qualité de l'air intérieur (QAI) a un impact considérable sur leur santé. Parallèlement, la ventilation des bâtiments consomme beaucoup d'énergie, contribuant ainsi au changement climatique. Cependant, les relations entre la ventilation des bâtiments, la QAI et ses effets sur la santé, et la demande d'énergie ne sont pas claires, rendant les systèmes de ventilation non-optimales. Dans la phase initiale, une évaluation approfondie de la pollution de l'air extérieur a été réalisée afin de créer une base de données à l'échelle européenne et mondiale pour les simulations de la qualité de l'air. Les données ont été classées en fonction du niveau d'urbanisation et de la proximité du trafic, compte tenu de la répartition inégale de la pollution atmosphérique urbaine. Par la suite, des méthodes analogues à celles utilisées pour les années météorologiques typiques ont été employées pour générer des profils annuels typiques de pollution de l'air. Dans la deuxième phase, la recherche s'est concentrée sur l'optimisation de la filtration de l'air extérieur dans les systèmes de ventilation. Étant donné que les filtres induisent des pertes de pression importantes dans ces systèmes, il a été examiné si une meilleure compréhension de la pollution de l'air extérieur pouvait permettre un fonctionnement plus efficace des ventilateurs sur le plan énergétique. Les résultats indiquent que le bypass du filtre d'air extérieur pendant les périodes de faibles niveaux de pollution de l'air extérieur pourrait permettre d'économiser de l'énergie de 4 % à 14 % du fonctionnement des ventilateurs sans compromettre la QAI. Dans la troisième phase, la thèse a développé une nouvelle méthodologie qui permet d'évaluer les systèmes et les stratégies de ventilation sur la base de leur efficacité énergétique et des impacts sur la santé des occupants des bâtiments dus à l'exposition à la pollution de l'air en utilisant la méthodologie des années de vie corrigées de l'incapacité (AVCI). Cette nouvelle méthode prend en compte la pollution de l'air extérieur de manière plus complète et permet de mieux comprendre les interactions entre l'énergie, la qualité de l'air intérieur et la santé, ouvrant ainsi la voie à une conception plus efficace de la ventilation. Dans la quatrième phase, cette thèse a étudié le potentiel d'économie d'énergie que la ventilation naturelle (VN) peut réaliser dans les bâtiments en associant les données complètes sur la pollution de l'air extérieur aux simulations énergétiques des bâtiments. Les résultats ont révélé que la VN peut réduire la demande de refroidissement en Europe de 17 à 100 % sans augmenter la pénétration de la pollution de l'air extérieur à l'intérieur. Cependant, la restriction de l'utilisation de la VN lorsque les niveaux de pollution de l'air extérieur sont élevés limite cette économie d'énergie de 24 % en moyenne, avec cette réduction variant de manière significative au sein des villes. Enfin, deux études de cas ont été menées dans le cadre de cette thèse. La première étude de cas se réfère à l'application d'un système de fenêtre automatique pour VN dans un appartement suisse afin de démontrer son efficacité dans la réduction de la surchauffe. Les résultats ont révélé une réduction relativement minime des heures de surchauffe. La deuxième étude de cas porte sur l'efficacité de la VN contrôlée par l'utilisateur pour fournir une qualité environnementale intérieure adéquate avec un faible coût énergétique dans un environnement poussiéreux. Les résultats ont révélé qu'une VN bien conçue et bien gérée permettait d'obtenir une qualité de l'environnement intérieur élevée sans consommer excessivement d'énergie. En conclusion, les résultats ont révélé qu'il est possible de réaliser des économies d'énergie dans les systèmes de ventilation tout en améliorant la QAI lorsque la pollution longitudinale de l'air extérieur est prise en compte dans les phases de conception et d'exploitation du bâtiment. Les concepteurs et les exploitants de bâtiments peuvent suivre les recommandations de cette thèse pour concevoir et exploiter les bâtiments de manière plus efficace. Les législateurs peuvent bénéficier des résultats pour affiner les normes et les lignes directrices, contribuant ainsi à des bâtiments plus sains et plus durables.