Energy consumption in Chinese residential buildings : effects of design variables in hot-summer cold-winter climate zone

As excessive CO2 emission has become a global environment issue, reducing energy consumption in building sector should be the goal to designers. Shanghai, one of the metropolises in HSCW (hot summer cold winter) climate zone of China, is also managing to peak the carbon emission per capita by 2025. Under the hot summer cold winter climate, the residential building consumes large amount of heating and cooling energy every year. This thesis intends to provide a study into the current energy use in Shanghai residential building and identify energy-related variables in different design stages, (namely primary design stage, executive design stage, and final design stage,) to help designers and regulation makers focus priorities on the implementation of the energy saving methods. The results show that among all the design variables discussed in the thesis, surface-to-volume, type of system should be treated with first priority, and window-to-wall ratio, orientation, heat recovery in mechanical ventilation and glazing type should be the second priority. The N-S building distance and thickness of insulation are in the least priority in the whole design stage. In addition, considering the actual conditions such as cost, efficiency, CO2 emission, etc., the thesis assesses the feasibility of six systems in Shanghai, which include conventional split air conditioner, gas heat pump+ conventional split air conditioner, air source heat pump, ground source heat pump, solar-air system and solar-ground system. It is found that the air source heat pump is the most suitable system for Shanghai and then the solar-air system.

Considerato il problema ambientale globale causato dall'eccessiva emissione di CO2, ridurre il consumo di energia nel settore delle costruzioni deve rientrare tra gli obiettivi principali di progettisti e decisori politici. Anche nella realtà cinese di Shanghai si stanno infatti attuando nuovi scenari di riduzione del picco dell'emissione di carbonio pro-capite, con obiettivo 2025. In tale contesto, a causa delle condizioni climatiche di zona HSCW (clima caldo estivo/freddo invernale), l'edificio consuma una grande quantità di energia annua, sia per riscaldamento che per raffrescamento. Questa tesi muove dallo studio sull'attuale prestazione energetica degli edifici residenziali a Shanghai ed analizza le implicazioni energetiche connesse alle principali variabili progettuali, al fine di stimolare progettisti e legislatori a selezionare le azioni prioritarie di risparmio energetico. I risultati mostrano che, tra le variabili di progetto affrontate nella tesi, il rapporto di forma dell’edificio e la dotazione impiantistica implicano la maggior incidenza sui consumi, seguiti da rapporto vetro opaco, orientamento, ventilazione meccanica con recupero di calore e tipi di vetro. Decisamente di minor rilevanza risultano la distanza reciproca degli edifici e il livello di isolamento dell’involucro opaco. Inoltre, considerando le diverse implicazioni in termini di costi, efficienze ed emissioni di CO2 associate, la tesi confronta l’efficacia nella realtà di Shanghai di sei diversi sistemi impiantistici, dalle tecnologie convenzionali a quelle emergenti: condizionatori split, pompa di calore ad aria, pompa di calore a gas abbinata a split, pompa di calore geotermica, impianto abbinato solare-aria, impianto abbinato solare-geotermico. La pompa di calore ad aria risulta attualmente il sistema più appetibile per Shanghai, seguita dal sistema abbinato solare-aria.