Study of mechanical ventilative cooling and its contribution to airborne transmission control in high-rise buildings

Abstract

Les bâtiments consomment une quantité considérable d’énergie pour le refroidissement des locaux. En raison du réchauffement climatique et de l’augmentation des attentes des utilisateurs en matière de confort, la demande de refroidissement des bâtiments devrait continuer à augmenter. Par conséquent, la croissance de la demande de refroidissement augmentera l’émission de gaz à effet de serre et contribuera ainsi à la tendance au réchauffement de la planète. Pendant la pandémie de COVID-19, le problème de la forte demande de refroidissement des bâtiments devient plus complexe. Pour prévenir la transmission par voie aérienne de la COVID-19, de nombreuses directives recommandent que les bâtiments aient un débit d’air extérieur élevé. Cependant, sans un contrôle approprié, un taux de ventilation plus élevé pendant l’été entraîné une consommation d’énergie de refroidissement plus importante. Il est donc essentiel de trouver une technique qui réduit la consommation d’énergie de refroidissement dans les bâtiments tout en maintenant un contrôle approprié des infections. Dans les immeubles de grande hauteur, le refroidissement mécanique par ventilation (RMV) est une solution efficace pour réduire la demande de refroidissement (en particulier dans les climats froids) tout en protégeant les occupants des infections. Les immeubles de grande hauteur consomment généralement plus d’énergie de refroidissement que les immeubles de faible ou moyenne hauteur, en raison de leur gain de chaleur interne élevé et de leurs grands vitrages. Le refroidissement ventilé (RV) utilise une ventilation naturelle (VN), mécanique (VM) ou hybride (VH) pour introduire de l’air frais extérieur et évacuer la chaleur intérieure. Des études antérieures ont montré que le RV peut réduire de manière significative la consommation d’énergie de refroidissement dans les immeubles de grande hauteur. Compte tenu des préoccupations en matière de sécurité incendie et de la grande flexibilité de ses contrôles internes, le RMV est plus intéressant que le RV obtenu par la VN ou la VH dans les immeubles de grande hauteur. En outre, les taux de ventilation élevés requis par le RMV sont également compatibles avec la nécessité de prévenir la transmission par voie aérienne de la COVID-19. Cependant, dans les immeubles de grande hauteur, les systèmes de VM sont principalement conçus pour maintenir la qualité de l’air intérieur (QAI) mais rarement pour le RMV. Les études précédentes n’ont pas mené de recherches approfondies sur la conception et le contrôle optimaux des systèmes de ventilation dans les immeubles de grande hauteur afin d’obtenir à la fois un RV et un faible risque de transmission par voie aérienne. Cette étude comble les lacunes de la recherche, en explorant la stratégie de contrôle optimale et en fournissant des lignes directrices pour la conception des systèmes de ventilation de VM pour le RMV. Grâce au RMV, cette étude vise à réduire la consommation d’énergie de refroidissement, à atténuer le réchauffement climatique et à prévenir la transmission par voie aérienne de la COVID-19 dans les immeubles de grande hauteur. Pour atteindre ces objectifs, cette étude a développé des modèles énergétiques mathématiques. Ces derniers prédisent la consommation d’électricité du système de refroidissement par refroidisseur et du système de VM dans les immeubles de grande hauteur. Sur la base des modèles énergétiques mathématiques, une stratégie de contrôle optimale de la ventilation ajustant le taux de ventilation pour minimiser la consommation totale d’énergie a été proposée. Les modèles énergétiques et la stratégie de contrôle optimale ont permis d’évaluer les performances énergétiques du RMV en matière d’économie de refroidissement. Afin d’évaluer plus précisément l’impact du réchauffement climatique sur la performance énergétique du RMV, un modèle d’apprentissage automatique (AA) a été mis au point pour prédire la réponse thermique des bâtiments. Ce modèle a été sélectionné parmi neuf algorithmes d’AA distincts. Les différentes conditions météorologiques futures ont été prédites dans le cadre de divers scénarios d’émissions de carbone. Pour prévenir la transmission par voie aérienne de la COVID-19 dans les immeubles de grande hauteur, une nouvelle stratégie de contrôle de la ventilation a été proposée. Celle-ci limite simultanément le risque d’infection et permet d’atteindre le RMV. Cette nouvelle stratégie de contrôle combine la stratégie de contrôle optimale pour le RMV et un modèle Wells-Riley (WR) modifié. Ce modèle WR modifié calcule le taux de ventilation nécessaire pour réduire le risque d’infection à une valeur seuil. Un immeuble institutionnel de 16 étages à Montréal a été choisi pour l’étude de cas. Cette étude de cas a permis de valider les modèles énergétiques et le modèle d’AA, d’évaluer la performance énergétique des stratégies de contrôle de la ventilation et d’évaluer les impacts de la conception du système de VM. Les résultats ont montré que le facteur clé de la faisabilité du RMV est la puissance spécifique des ventilateurs du système de VM, et que le débit nominal des ventilateurs détermine la quantité d’énergie de refroidissement économisée. Un débit optimal du ventilateur peut être obtenu pour le RMV. Lorsque le débit nominal du ventilateur dépasse le débit optimal du ventilateur, les économies d’énergie de refroidissement du RMV n’augmentent pas de manière significative. Pendant la période examinée dans l’étude de cas, le débit optimal du ventilateur est six fois supérieur au débit nominal du ventilateur, ce qui contribue à 56 % d’économie d’énergie de refroidissement. En raison du réchauffement climatique, les économies d’énergie de refroidissement du RMV augmentent, mais le taux d’économies d’énergie diminue – par exemple, le taux d’économie d’énergie passe de 31 % à 19 % dans l’étude de cas. Le débit optimal du ventilateur pour le RMV varie en fonction des conditions météorologiques, et peut diminuer dans un climat en réchauffement. Par exemple, le débit optimal du ventilateur dans le climat le plus chaud équivaut seulement à la moitié du débit optimal du ventilateur dans le climat actuel (c’est-à-dire une année météorologique typique à Montréal). Le modèle WR modifié montre que le débit de ventilation nécessaire pour empêcher la transmission par voie aérienne est beaucoup plus élevé que le débit de ventilateur nominal pour la QAI. L’augmentation du débit nominal des ventilateurs permet non seulement d’améliorer les économies d’énergie de refroidissement du RMV, mais aussi de renforcer la protection contre les infections. Par rapport à un système de VM fonctionnant avec un taux de ventilation fixe recommandé par les directives de l’ASHRAE, la nouvelle stratégie de contrôle de la ventilation avec un système de VM approprié réduit considérablement tant la consommation d’énergie de ventilation que celle de refroidissement. Dans l’étude de cas, la réduction totale de la consommation d’énergie peut atteindre environ 40 %. Ces conclusions contribuent à la nouvelle conception et à la mise à niveau du système de VM dans les immeubles de grande hauteur pour le RMV et l’atténuation de la pandémie de COVID-19.

Abstract: Buildings consume a considerable amount of energy for space cooling. Due to global warming and an increase in user comfort expectations, building cooling demand is expected to continue growing. In turn, this cooling demand growth will increase greenhouse gas emissions and thus contribute to the global warming trend. During the COVID-19 pandemic, the problem of high building cooling demand is more complex. To prevent airborne transmission of COVID-19, many guidelines recommend operating buildings under a high outdoor air flow rate. However, without proper controls, a higher ventilation rate during the summer results in a higher cooling energy consumption. Therefore, a technique that reduces cooling energy consumption in buildings while maintaining proper infection control is essential. In high-rise buildings, mechanical ventilative cooling (MVC) is an effective solution in reducing cooling demand (especially in cold climates) while protecting the occupants from infection. High-rise buildings usually have higher cooling energy consumption than low/medium-rise buildings, due to their high internal heat gain and large glazed façades. Ventilative cooling (VC) applies natural (NV), mechanical (MV) or hybrid (HV) ventilation to introduce outdoor cool air and remove indoor heat. Former studies have shown that VC can significantly reduce cooling energy consumption in high-rise buildings. Compared to VC driven by NV or HV in high-rise buildings, MVC is more attractive, considering fire safety concerns and its enhanced flexibility for controlling indoor conditions. Furthermore, MVC requires high ventilation rates, which are also required to prevent the airborne transmission of COVID-19. However, in high-rise buildings, MV systems are mainly designed to maintain indoor air quality (IAQ) but rarely for MVC. Previous studies have not extensively investigated the optimal design and control of MV systems in high-rise buildings to achieve both VC and low airborne transmission risk. This study fills this research gap, by exploring the optimal control strategy and providing design guidelines for MV systems for MVC. Through MVC, this study aims to reduce cooling energy consumption, mitigate global warming, and prevent airborne transmission of COVID-19 in high-rise buildings. To achieve these objectives, mathematical energy models were developed, which predict the electricity consumption of the chiller cooling and MV system in high-rise buildings. Based on the mathematical energy models, an optimal ventilation control strategy that adjusts the ventilation rate to minimize the total energy consumption was proposed. Using the energy models and the optimal control strategy, the MVC energy performance on cooling savings was evaluated. To further evaluate the impact of global warming on the energy performance of MVC, a machine-learning (ML) model was developed to predict the thermal response of buildings. This ML model was selected from nine different ML algorithms. The different future weather conditions were predicted under different carbon emission scenarios. For preventing airborne transmission of COVID-19 in high-rise buildings, a new ventilation control strategy that simultaneously limits the infection risk and achieves MVC was proposed. This new control strategy combines the optimal control strategy for MVC and a modified Wells-Riley (WR) model. This modified WR model calculates the required ventilation rate to lower the infection risk to a threshold value. A 16-story high-rise institutional building in Montreal was selected as the case study. This case study validated the energy models and ML model, evaluated the energy performance of the ventilation control strategies, and assessed the impacts of the MV system design. The results show that the key factor of MVC feasibility is the specific fan power of the MV system, and the nominal fan flow rate determines the amount of cooling energy savings. An optimal fan flow rate can be obtained for MVC. When the nominal fan flow rate exceeds the optimal fan flow rate, the cooling energy savings of MVC do not significantly increase. During the examined period in the case study, the optimal fan flow rate is six times higher than the designed fan flow rate, which contributes to 56% cooling energy savings. Due to global warming, the cooling energy savings of MVC increase but the energy saving ratio decreases, e.g., the energy saving ratio reduces from 31% to 19% in the case study. The optimal fan flow rate for MVC varies with weather conditions and can decrease in a warming climate. For example, the optimal fan flow rate in the warmest climate is only half of the optimal fan flow rate in the current climate (i.e., typical meteorological year in Montreal). The modified WR model shows that the required ventilation rate to prevent airborne transmission is much higher than the design fan flow rate for IAQ. Increasing the nominal fan flow rate not only increases the cooling energy savings of MVC, but also improves the protection against infection. Compared with a MV system, operating with a fixed ventilation rate recommended by the ASHRAE guidelines, the new ventilation control strategy with a proper MV system significantly reduces both ventilation and cooling energy consumption. In the case study, the total energy consumption reduction can reach around 40%. These conclusions contribute to the new design and retrofit of MV systems in high-rise buildings for MVC and reduces the risk of airborne transmission of COVID-19.