Towards Developing the Performance of the External Envelope to Activate Solar Energy Systems: Case Study of Designing Sun Breakers for Government Standard Schools in Cairo Region نحو تطوير أداء الغلاف الخارجي لتفعيل نظم الطاقة الشمسية دراسة حالة تصميم كاسرات نوافذ المدارس النمطية الحكومية بإقليم القاهرة الكبرى

Document Type : Research Paper

Author

Faculty of Engineering, Fayoum University, Fayoum,, Egypt.

Abstract

Depending on renewable energy in buildings has become an urgent necessity that represents an important part of relying on operating buildings using renewable energy technologies. This importance has increased with the global energy crisis. There has been a development in the systems and technologies of the renewable energy use in buildings, accompanied by several techniques to integrate it with the building elements, but it was not sufficient to reach the stage of complete integration between the building elements and the renewable energy elements, especially in the architectural elements of the building envelope. The problem of the research discusses the separation between the architectural elements of the building envelope and the technical systems for the solar energy technologies, as it appeared more clearly with the use of these technologies in buildings, which may cause an obstacle that is not architecturally accepted by the users.
The research aims to study the environmental impact of the integration of photovoltaic units with the openings of the building's outer envelope through a proposed methodology for the design steps of integrated sun breakers, applying it to one of the widely typical building models represented by the prototype models for schools in the Educational Buildings Authority. The research concluded the importance of amending the prototype design standards for school buildings for external windows, taking into consideration the differences between the climatic regions in Egypt, as it appeared that the energy-generating sun breakers have a positive impact on the natural lighting levels, thermal comfort and energy consumption, as the sun breakers contributed to increasing the natural lighting area from 62.50% to approximately 89% as a percentage of the internal area of ​​the classroom, in addition to improving the level of thermal comfort by 48%, while achieving savings in energy consumption by about 14% by activating its role as a renewable energy generating element, which indicates the importance of the study, especially in the prototype buildings to achieve a positive impact throughout the Arab Republic of Egypt.
 
الإعتماد على الطاقات المتجددة أصبح من الضرورة الملحة للإعتماد على تشغيل المباني باستخدام تقنياتها، وقد ازدادات هذه الأهمية مع أزمة الطاقة العالمية، وقد حدث تطور ملحوظ في نظم توليد الطاقات المتجددة في المباني مصاحبا تقنيات لدمجها مع عناصر المبنى إلا أنها لم تكن بالقدر الكافي للوصول للتكامل التام بين عناصر المبنى وعناصر مولدات الطاقة، خاصة في عناصرالغلاف الخارجي بحيث تساهم في توليد الطاقة من خلال منظور معماري متكامل.
وتكمن إشكالية البحث في الانفصال ما بين عناصرالغلاف الخارجي ونظم إستغلال الطاقة الشمسية، حيث ظهرت واضحة مع التوسع في استخدام تلك التقنيات، مما قد يسبب عائقا لعدم القبول المعماري لمستخدمي المباني.
وتهدف الدراسة إلى دراسة الأثر البيئي لتكامل وحدات الخلايا الفوتوفولتية مع فتحات الغلاف الخارجي للمبنى من خلال منهجية مقترحة للخطوات التصميمية للكاسرات الشمسية التكاملية المولدة للطاقة، وذلك تطبيقا على أحد نماذج المباني النمطية واسعة التطبيق والمتمثلة في النماذج الموحدة للمدارس.
وقد توصلت الدراسة إلى أهمية تعديل المعايير التصميمية لنماذج المدارس للنوافذ مع الوضع في الإعتبار الإختلافات بين الأقاليم المناخية، حيث ظهر للكاسرات الشمسية المولدة للطاقة الأثر الإيجابي على مستويات الإضاءة الطبيعية والراحة الحرارية والطاقة المستهلكة للفراغ، حيث ساهمت في زيادة مسطح الإضاءة الطبيعية من 62.50 % إلى ما يقارب 89 % كنسبة من المسطح الداخلي للفصل، إضافة إلى تحسين مستوى الراحة الحرارية بنسبة 48 % بعد استخدام الكاسرات، مع تحقيق الوفر في الطاقة المستهلكة بنسبة حوالي 14% من خلال تفعيل دورها كعنصر مولد للطاقة المتجددة على مستوى الفصل الواحد، الأمر الذي يظهر أهمية التطبيق خاصة في نماذج المباني النمطية واسعة الإنتشار لتحقيق الأثر الإيجابي على نطاق كافة أنحاء جمهورية مصر العربية.

Keywords

Main Subjects

References

[1]    Lynn, p., 2010. Electricity from Sunlight an Environmental Approach. Springer Press, Berlin, Heidelberg.
[2]    Scheer, H., 2002. The Solar Economy Renewable Energy for a Sustainable Global Future. Earth Scan Press, UK.
[3]    Krebs, f., 2008. Polymer Photovoltaics A Practical Approach. SPIE Press, Bellingham, Washington USA.
[4]    Dobson, r., & Prinsloo, 2014. Solar Tracking. Prinsloo Dobson, South Africa.
[5]    Hurt, R. & Sahm, A., 2009. Amonix concentrated Photovoltaic systems, Center for Energy Research, Las Vegas, USA.
[6]    Castaner, I. & Silvestre, s., 2002. Modelling Photovoltaic Systems Using PSpice1. John Wiley & Sons, England.
[7]    Sick, F. & Erge, T., 2015. Photovoltaics in Buildings – A Design Handbook for Architects and Engineers. XYZ Publishing Company, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE), Freiburg, Germany.
[8]    Central Administration for Research, Studies and Building Planning, 2018. Standards and requirements for the suitability of school sites and buildings, General Authority for Educational Buildings, Arab Republic of Egypt.
[9]    Tregenza, P. & Wilson, M., 2011. DaylightingArchitecture and Lighting Design, Routledge, New York, USA.
[10]      J. V. Hoof. (2008). Forty years of Fanger's model of thermal comfort: comfort for all. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1600-0668.2007.00516.x. Retrieved 10th Sep. 2024.
[11]     UN-Habitat, 2018, Sun shading catalouge, Adequate shading: Sizing overhangs and fins, United Nations Human Settlements Programme, Nairobi, Kenya.
[12]     Gevorkian, P., 2008. Solar Power in Building Design. MC Graw Hill Press, Singapore Sydney Toronto.
[13]     Solar electricity, 2019, Solar electricity handbook. http://www.solarelectricityhandbook.com/solar-angle-calculator.html. Retrieved 14th Oct. 2024.
[14]     Saifelnasr, S. S., 2016, A Design Chart to Determine the Dimensions of a Horizontal Shading Device over an Equator-Facing Window as a Function of the Latitude and the Shading Height. Procedia - Social and Behavioral Sciences. 
[15]     Sas, W., 2024. Solar angle calculator, https://www.omnicalculator.com/physics/sun-angle. Retrieved 14th Oct. 2024.

Files

Share

How to cite

Statistics