Thermal performance of vaulted ceilings with thermally activated building systems (TABS)

Achieving sustainable design across various sectors of construction is quite important. This research concentrates on the thermal performance of office rooms with different ceil ing geometries, including vaulted and flat forms. Additionally, investigating research on the effect of Thermally Activated Building Systems (TABS) placed at different distances from the ceiling (0.10m, 0.15 m, and 0.20 m from the interior surface) and compares two types of material : lightweight concrete and normal concrete. To modeling and do ing energy simulation Rhinoceros 3D, Grasshopper, TRNLizard, and TRNSYS has been used, with a focus on both operative temperature and energy flux in an office environ ment located in Munich. The results show that Case 2, where the TABS are placed 0.20 m from the interior surface have the best balance between minimizing energy flux and maintaining stable indoor temperatures. Generally, normal concrete performs better than lightweight concrete due to its higher thermal mass, which reduces lowers annual heating and cooling demands. However, in the optimized configuration of Case 2, lightweight concrete is perform better compared to standard concrete with small difference. In terms of ceiling geometry, vaulted ceilings demonstrate better performance regarding occupant comfort during hot periods by reducing peak indoor temperatures. although this shape tend to consume more energy compared to flat ceilings. In contrast, flat ceilings often use less total energy, with differences ranging from about 1% to 10% to vaulted form. Additionally, when comparing two room dimensions, the larger room consumes less en ergy and have higher To due to larger surface exposed to solar radiation. Overall, the f indings suggest that a vaulted ceiling made of normal concrete combined with TABS at a 0.20 m depth has better performance in both summer by reducing overheating risks and in winter by maintaining a comfortable indoor environment. this research give broad perspective to do more investigation on TABS with different geometry and climate and additive manufacturing.

Raggiungere un design sostenibile in vari settori delle costruzioni è piuttosto importante. Questa ricerca si concentra sulle prestazioni termiche delle stanze d’ufficio con diverse ge ometrie di soffitti, tra cui forme a volta e piatte. Inoltre, si indaga sulla ricerca sull’effetto dei Sistemi Edilizi Attivati Termicamente (TABS) posizionati a diverse distanze dal sof f itto (0,10 m, 0,15 m e 0,20 m dalla superficie interna) e si confrontano due tipi di ma teriale: calcestruzzo leggero e calcestruzzo normale. Per la modellazione e la simulazione energetica sono stati utilizzati Rhinoceros 3D, Grasshopper, TRNLizard e TRNSYS, con un focus sia sulla temperatura operativa che sul flusso energetico in un ambiente ufficio situato a Monaco. I risultati mostrano che il Caso 2, in cui i TABS sono posizionati a 0,20 m dalla superficie interna, ha il miglior equilibrio tra la riduzione del flusso energetico e il mantenimento di temperature interne stabili. In generale, il calcestruzzo normale per forma meglio rispetto al calcestruzzo leggero a causa della sua maggiore massa termica, che riduce la domanda annuale di riscaldamento e raffreddamento. Tuttavia, nella con f igurazione ottimizzata del Caso 2, il calcestruzzo leggero si comporta meglio rispetto al calcestruzzo standard con una piccola differenza. In termini di geometria del soffitto, i soffitti a volta dimostrano prestazioni migliori riguardo al comfort degli occupanti durante i periodi di caldo, riducendo le temperature interne di picco. Anche se questa forma tende a consumare più energia rispetto ai soffitti piani, i soffitti piani spesso consumano meno energia totale, con differenze che vanno da circa l’1% al 10% rispetto alla forma a volta. Inoltre, confrontando due dimensioni della stanza, la stanza più grande consuma meno energia e ha una temperatura operativa più alta grazie alla maggiore superficie esposta alla radiazione solare. In generale, i risultati suggeriscono che un soffitto a volta realiz zato in calcestruzzo normale combinato con TABS a una profondità di 0,20 m presenta prestazioni migliori sia in estate riducendo i rischi di surriscaldamento, sia in inverno man tenendo un ambiente interno confortevole. Questa ricerca offre una prospettiva ampia per ulteriori indagini sui TABS con geometrie e climi diversi e sulla manifattura additiva.