Sustainable active cooling design for buildings with high occupancy spaces in the Tropics: balancing thermal comfort, energy efficiency, and climate change impacts

the global population is settled. Regarding space cooling technologies, the global market is largely dominated by conventional systems such as window air conditioners and mini-splits. However, numerous other options are available and require more exploration to identify their advantages against conventional systems. Despite plenty of studies on active cooling systems, little is known about the best choices for their application in extremely humid climates, where latent loads are dominant and challenging to handle. Similarly, there is a lack of understanding regarding the optimum indoor conditions to ensure acceptable thermal comfort while providing energy savings in these climates. On top of that, expected climate variations (i.e., extreme heat events) would stress the need for space cooling, and therefore, the most sustainable solutions must be identified. In such a context, this Ph.D. thesis aims to examine and identify possible solutions for space cooling in high-occupancy buildings in hot-humid climates. To accomplish this, two real university classroom buildings from tropical developing contexts were selected; case study A is based on the climatic conditions in Mogadishu, Somalia, whereas case study B is based on the climatic conditions in Guayaquil, Ecuador. First, the active cooling baselines are defined for each case study, considering case study A as naturally ventilated and case study B as conditioned by split units. Then, different indoor settings (temperature/humidity/air speed) are compared to standard setpoints (22-26 °C and 50-60% RH) via parametric simulations in IESVE in order to identify the most optimum extended setpoint to balance thermal comfort and energy efficiency in both case studies. In this sense, space cooling and ventilation loads are estimated; in this step, the feasibility of adopting a 100% outdoor air ventilation mode is also assessed. Subsequently, air and ground are compared in terms of their energy performance and potential as heat sinks to determine the most suitable generation subsystem for the case studies. Likewise, considering the findings from the literature review, the variable air volume (VAV) system and the radiant + dedicated outdoor air system (DOAS), both coupled with the selected chiller instead of the typical direct-expansion (DX) system, are examined in terms of their energy performance and initial costs. The simulation results indicated that the best compromise among thermal comfort, energy efficiency, and costs could be achieved with the VAV system, operating at around 28 °C/70% RH in both case studies. The climate change effects were also evaluated based on the Shared Socio-economic Pathway (SSP) scenarios, revealing that the adoption of extended setpoint would have the potential to maintain expected increases in space and ventilation loads below both baselines, even under the worst-case future scenario (SSP5). At the end of this research, lessons learned from the literature and case studies are summarized in guidelines to the support the sustainable cooling design of air conditioning practitioners in the studied contexts, highlighting passive and active cooling strategies.

Assicurare il comfort termico degli ambienti è cruciale, specialmente nelle regioni tropicali, dove risiede oltre il 40% della popolazione mondiale. Per quanto concerne le tecnologie di raffreddamento degli spazi, il mercato globale è ampiamente dominato da sistemi convenzionali, come condizionatori ad aria per finestra e mini-split. Tuttavia, sono disponibili numerose altre opzioni che richiedono ulteriore esplorazioni per identificarne i vantaggi rispetto ai sistemi convenzionali. Nonostante siano stati condotti numerosi studi sui sistemi di raffreddamento attivo, si conosce ancora poco riguarde alle migliori scelte per la loro applicazione in climi estremamente umidi, dove i carichi latenti predominano e sono difficili da gestire. Allo stesso modo, manca la comprensione delle condizioni interne ottimali per garantire un comfort termico accettabile e contemporaneamente risparmi energetici in questi climi. In aggiunta, le variazioni climatiche previste (ad esempio, eventi di calore estremo) accentuerebbero la necessità di raffrescamento degli spazi e, pertanto, è necessario individuare le soluzioni più sostenibili. In questo contesto, questa tesi di dottorato si propone di esaminare e identificare le possibili soluzioni per il raffredamento degli spazi in edifici ad alta occupazione nei climi caldo-umidi. A tale scopo, sono stati selezionati due edifici universitari reali situati in contesti tropicali in via di sviluppo; il caso di studio A è basato sulle condizioni climatiche di Mogadiscio, Somalia, mentre il caso di studio B è basato sulle condizioni climatiche di Guayaquil, Ecuador. Inizialmente, sono state definite delle condizioni di base per il raffreddamento attivo per ciascun caso di studio, considerando il caso di studio A come ventilato naturalmente e il caso di studio B come condizionato da unità split. Succesivamente, diverse impostazioni interne (temperatura/umidità/velocità dell'aria) sono confrontate con setpoint standard (22-26 °C e 50-60% UR) tramite simulazioni in regime dinamico con il tool IESVE, al fine di identificare il setpoint esteso più ottimale per bilanciare il comfort termico e l'efficienza energetica in entrambi i casi di studio. In questo senso, sono stati stimati i carichi di raffreddamento e ventilazione degli spazi; in questa fase è stata valutata anche la fattibilità di adottare una modalità di ventilazione con aria esterna al 100%, quindi senza riciclo. Successivamente, l'aria e il terreno vengono confrontati in termini di prestazioni energetiche e di potenziale come dissipatori di calore per determinare il sottosistema di generazione più adatto ai casi di studio. Allo stesso modo, considerando i risultati della revisione della letteratura, sono stati esaminati in termini di prestazioni energetiche e costi iniziali il sistema a volume d'aria variabile (VAV) e il sistema radiante + aria esterna dedicata (DOAS), entrambi accoppiati con il refrigeratore selezionato al posto del tipico sistema a espansione diretta (DX). I risultati della simulazione hanno indicato che il miglior compromesso tra comfort termico, efficienza energetica e costi può essere raggiunto con il sistema VAV, funzionante a circa 28 °C/70% UR in entrambi i casi di studio. Gli effetti del cambiamento climatico sono stati valutati anche in base agli scenari Shared Socio-economic Pathway (SSP), rivelando che l'adozione del setpoint esteso avrebbe il potenziale di mantenere gli aumenti previsti dei carichi di spazio e di ventilazione al di sotto di entrambi i valori di riferimento, anche nello scenario futuro peggiore (SSP5). Al termine di questa ricerca, i risultati ottenuti mediante l’analisi della letteratura e dai casi studio sono riassunte in linee guida per supportare la progettazione sostenibilie di impianti di climatizzazione nei contesti studiati, evidenziando strategie di raffrescamento passive e attive.