Planning for Solar Buildings in Urban Environments

Abstract

Energy use in buildings accounts for a significant proportion of the total energy use in many countries. While past and current buildings have solely been energy consumers, future buildings will, besides using less energy, also need to produce (part of ) the required energy on site with renewables. Solar energy is generally very suitable for producing this on-site renewable energy. Although solar technology is widely available, the installed effect is still very low. This is not only due to legislation and solar energy prices, but also because of decisions made throughout the design process for buildings. This research focuses on the decisions taken during the design process and by which player, and also the impact of such decisions, by using a mix of quantitative and qualitative research.

In the first research phase, semi-structured interviews were held with Scandinavian architects who had worked with solar energy during the building design process. The architects identified several crucial points for designing buildings with solar energy – the importance of collabora¬tion and teamwork, the lack of attractive solar products, and that clients are actually not prioritising solar energy. The interviews also showed that architects rarely used any sophisticated tools to quantify solar energy, and that zoning plans can hinder the possibilities for implementing solar energy in buildings.

The next research phase focused on the implementation of solar energy in urban planning. Action research, and analytical and parametric studies were used to examine how decisions in the urban planning process affect the possibilities for implementing solar energy, as well as how these deci-sions were supported by tools.

Solar maps have become a popular tool for assessing the potential of solar energy in existing buildings, but an analysis of 19 solar maps showed that the underlying assumptions and methodology of such maps varied greatly. The amount of information provided to the user also varied greatly. While solar maps are used to analyse existing buildings, a proper solar assessment of new buildings requires the use of advanced simulation tools. In this research, such tools are used in three cases – an analysis of flat roofs, the development of a new facade assessment tool, and an analysis of typical Swedish building blocks.

A parametric study was performed to analyse the energy output and financial consequences of varying row distances and inclination angles of a solar system on a flat roof. Results indicated that, in order to maximise energy production, the inclination of the panels should be 0° and rows should be placed directly next to each other.

In the future, facades may become an appropriate place to harvest solar energy. To assess the solar potential of a facade, a tool called FASSADES was developed. This tool consists of four steps: 1) an hourly irradiation analysis, 2) calculation of the photovoltaic/solar thermal output, 3) calcula¬tion of the economic value of the energy production, and 4) calculation of the payback time.

Urban planners can create a favourable environment for solar energy by designing a solar-friendly zoning plan. A parametric study examined how design decisions – density, orientation, roof shape and design – taken in the urban planning phase affect the solar potential. Density was found to be the most sensitive parameter and, for higher densities, the study showed that attaining a net zero energy balance is difficult.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Solenergi kommer att vara en av de viktigaste miljövänliga energikällorna i framtiden, vilket innebär ökat antal solpaneler (för el och värme) som integreras i våra hus men också som fristående produktionsanläggningar. När man planerar framtida hus och stadsdelar är det viktigt att skapa de bästa förutsättningarna för solenergi eftersom hus och stadsdelar finns kvar i flera generationer. Men hur tar vi i dagsläget hänsyn till solenergi i designprocessen och hur kan det förbättras?

Denna avhandling fokuserar på arkitekternas och stadsplanerarnas roll vid planeringen för solbyggnader i stadsmiljö. En blandad forskningsmetod valdes: I) en kvalitativ studie genomfördes bestående av intervjuer med skandinaviska arkitekter som integrerat solenergi i sina projekt, och II) kvantitativa studier som behandlar solkartor, solpotentialen av ett platt tak, effekten av designbeslut samt utvecklingen av ett verktyg för att bedöma fasaders solpotential.

I den första forskningsdelen intervjuades skandinaviska arkitekter som hade arbetat med solenergi under designprocessen. Arkitekterna identifierade flera kritiska punkter för att kunna utforma byggnader med solenergi: vikten av samarbete, brist på attraktiva solenergiprodukter samt beställare som inte prioriterar solenergi. Intervjuerna visade också att arkitekter sällan använder några sofistikerade verktyg för att bedöma omfattningen av solenergiproduktion. De som hade ritat byggnader i stadsmiljöer upplevde att en detaljplan kan begränsa eller underlätta en byggnads solenergipotential genom placeringen av omgivande byggnader eller andra skuggande faktorer.

Dessa resultat ledde till nästa steg i forskningen med fokus på hur man kan säkerställa goda förutsättningar för solenergi i byggnader inom stadsmiljöer. Genom flera forskningssätt har det undersökts hur design¬beslut i stadsplaneringen påverkar möjligheterna för utnyttjande av sol-energi, samt hur dessa beslut stöddes av analysverktyg.

Solkartor används alltmer för att bedöma solens potential i befintliga byggnader i städer. En analys av befintliga solkartor i olika länder visade dock att det inte finns någon gemensam metod för att bedöma solenergi¬potentialen och att metodiken bakom framställningen varierade kraftigt. Analysen visade vidare att det finns en stor skillnad i detaljnivå mellan solkartorna. Solkartor används ofta bara för att analysera befintliga byg¬gnader medan en realistisk solpotentialbedömning av nya byggnader kräver avancerade simuleringsverktyg.

Nya byggnader har ofta platta tak. Många solkartor bedömer den po¬tentiella produktionen av ett platt tak som solinstrålningen gånger area och solpanelens verkningsgrad, men i verkligheten har man ett platt tak med ett system bestående av rader av paneler. Lutningen på och radavståndet mellan panelerna har en betydande effekt på slutproduktionen. För att undersöka de tekniska och ekonomiska konsekvenserna av skuggning genomfördes en parameterstudie med fokus på radavstånd och lutning. Resultaten visade att solcellerna bör placeras horisontellt och raderna bör placeras direkt bredvid varandra för att maximera energiproduktionen.

Takarean på byggnader i städer är normalt liten jämfört med fasadarean vilket resulterar i begränsade areor för att installera ett solenergisystem om bara tak används. Det är därför intressant att analysera om även fasader har en tillräckligt god solexponering för att installera solenergisystem. För att bedöma solenergipotentialen av en fasad utvecklades ett verktyg som kal-las FASSADES. Verktyget simulerar solenergiproduktionen och beräknar det ekonomiska värdet av energiproduktionen och återbetalningstiden.

En av de viktigaste uppgifterna för stadsplanerare är utformningen av en detaljplan. En sådan detaljplan kan möjliggöra eller förhindra soltillgång till byggnadskvarter eftersom skuggning från omgivande byggnader avsevärt påverkar solpotentialen. Formen på byggnadskvarter, hur tätt man byg¬ger, takform och byggnadernas orientering är de viktigaste faktorerna som stadsplanerare tar beslut om och som bestäms i detaljplanen. Simuleringar har kartlagt hur dessa designbeslut påverkar solpotentialen i byggnader. Hur tätt man bygger visade sig vara den mest känsliga parametern. Hemsidan www.solarplanning.org har skapats för att informera stadsplanerare och andra intressenter om resultaten, som ett sätt att sprida kunskap.

Slutsatsen av arbetet är att förutom de tekniska aspekterna kräver in¬tegreringen av solenergi i våra framtida hus ett bra beslutstagande under hela designprocessen. Med rätt information vid rätt tillfälle kan alla aktörer tillsammans skapa de bästa förutsättningar så att vi kan utnyttja solenergi på bästa sätt. För att uppnå detta fullt ut krävs en fortsatt utveckling av analysverktyg, kunskapsspridning och metodutveckling.

• author: Kanters, Jouri
• supervisor: Maria Wall
• opponent: Andresen, Inger, NTNU / SINTEF, Norway
• organization: Division of Energy and Building Design; Energy and Building Design-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Building Technologies
• keywords: architecture, design tool, design process, solar energy, urban planning, photovoltaics, solar thermal, building integration, density, net zero energy buildings, interviews, parametric studies, action research
• in: EBD-T--15/19
• pages: 298 pages
• defense location: Room A:C, A-building, Sölvegatan 24, Lund University Faculty of Engineering, LTH.
• defense date: 2015-04-24 13:15:00
• ISSN: 1651-8136
• ISBN: 978-91-85147-57-1
• project: International Energy Agency. Solar Heating and Cooling Programme
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 131fcaca-164a-4b0c-9662-ec7fe67ebb53 (old id 5219075)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:38:38
• date last changed: 2019-05-21 13:49:32