ASSESSMENT OF THE IMPACTS OF VARIOUS SMART WINDOW GLAZING SYSTEMS ON ENERGY AND DAYLIGHT PERFORMANCE IN OFFICE BUILDING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Final approved MS Thesis) MS-Thesis_Umar Haruna_ARE.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 11 May 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

قّيمت هذه الدراسة تأثير النوافذ الذكية على استهالك الطاقة في المباني وأداء اإلضاءة الطبيعية. وقد حددت الدراسة ور ّكزت على ستة أنواع من النوافذ الذكية المتوفرة في السوق، وهي: النوافذ اإللكترومترونية (EC - Electrochromic(، النوافذ الغازومترونية (GC - Gasochromic(، النوافذ البلورية السائلة المشتتة في البوليمر Liquid Dispersed Polymer( ، النوافذ ذات الجسيمات المعل Particle Suspended (ّ) PDLC - Crystal، النوافذ الضوئية (PC - Photochromic (قة .(Thermochromic - TC) الحرارية والنوافذ ،Device - SPD) تم تحديد هذه األنواع من خالل مراجعة موسعة لألدبيات العلمية والتقارير الصناعية ذات الصلة. وتم جمع الخصائص الفنية المتعلقة بهذه النوافذ الستة من قواعد بيانات الشركات المصنعة وبعض الدراسات البحثية المنشورة. تم استخدام هذه الخصائص في برنامج 7.3V DesignBuilder لنمذجة ومحاكاة استهالك الطاقة وأداء اإلضاءة الطبيعية في مبنى مكتبي نموذجي باستخدام كل نوع من النوافذ الذكية المذكورة، وذلك تحت ثالث مناطق مناخية مختلفة في المملكة العربية السعودية: المناخ الحار الرطب )جدة(، الحار الجاف )الرياض(، والمعتدل )الطائف(. عالوة على ذلك، قامت الدراسة بتقييم استهالك الطاقة في المبنى مع نسب مختلفة من مساحة النوافذ إلى الجدار (WWR(، وتم تحديد النسبة المثلى لكل نافذة ضمن كل مناخ. كما تم تقييم أداء اإلضاءة الطبيعية باستخدام مؤشري sDA( معدل التوفر النهاري( وUDI( مؤشر التوزيع المفيد للضوء الطبيعي( كمقاييس لألداء. أظهرت نتائج الدراسة أن النسبة المثلى لمساحة النوافذ إلى الجدار في جميع المناخات الثالثة تتراوح بين %50 إلى .%70 وفي جدة، تم تحقيق توفير في الطاقة بنسبة تصل إلى ،%15.6 ،%13 ،%18 ،%15.5 %14 و%8.6 باستخدام نوافذ EC ، GC، .التوالي على TC وSPD ،PDLC ،PC أما في الطائف، فقد أمكن توفير ،%11 ،%18 ،%24 ،%23 %21 و %9.7 من الطاقة على التوالي لنفس أنواع النوافذ. وفي الرياض، وصلت نسبة التوفير إلى ،%13.7 ،%16.7 ،%25 ،%23 %19 و%11 على التوالي. توفر النوافذ الذكية في استهالك الطاقة بشكل رئيسي خالل أشهر الصيف، لكنها أقل فعالية في الشتاء بسبب حجبها لإلشعاع الشمسي الضروري خالل هذا الفصل. كما توفر هذه النوافذ تقلي ًصا ملحو ًظ PC ا في حمل التبريد األقصى، حيث سجلت نوافذ أعلى نسبة في تقليل حمل الذروة بنسبة %27 في جدة، %25 في الطائف، و %14 في الرياض. في المقابل، أظهرت نوافذ TC أدنى نسبة تقليل لحمل الذروة بنسبة ،%5 %3 و%9 في المدن الثالث على التوالي. هذا من شأنه تقليل حجم نظام التكييف (HVAC (وبالتالي خفض تكلفة التركيب األولية اإلجمالية. أظهرت مؤشرات اإلضاءة الطبيعية أدا sDA بين %65 ،%75- بينما تراوحت ًء مقبوالً في جميع المناخات، حيث تراوحت قيم قيم UDI بين %60 ،%80- وهو أداء ممتاز حسب تقييمات معيار4.1v LEED . كما أظهرت التقييمات االقتصادية والبيئية انخفا ًضا كبي ًرا في تكلفة الطاقة السنوية واالنبعاثات الكربونية المرتبطة بها. ومع ذلك، كشفت تحليالت التكلفة والمنفعة أن نوافذ PDLC و GC تمتلك فترات استرداد أطول من عمرها االفتراضي، ولذلك يُوصى باستخدامها في الغرف الخاصة وليس في الواجهات. أما نوافذ EC و PC و TC و PDLC، فإن فوائدها تتجاوز تكاليف االستثمار فيها، وبالتالي يمكن استخدامها ألغراض تحقيق كفاءة الطاقة.

English Abstract

This study evaluated the impacts of smart windows on building energy consumption and daylight performance. The study identified and focused on six smart windows which are available in market, these are Electrochromic (EC), Gasochromic (GC), Polymer dispersed liquid crystal (PDLC), Photochromic (PC), Suspended particle device (SPD) and Thermochromic (TC) windows. The identification was carried out through extensive reviews of literature and related industrial reports. Relevant properties of the six smart windows were obtained from manufacturers databases and some published research work. These properties were used in DesignBuilder V7.3 to model and simulate energy consumption and daylight performance in a typical office building with each of the identified smart windows and under three different climate zones: hot-humid (Jeddah), hot-dry (Riyadh) and moderate (Taif) climates across Saudi Arabia. The study further evaluated the building energy consumption with different window-to-wall ratios (WWR) and identified the optimal WWR for each window under each climate. Moreover, the study evaluated daylight performance of the windows using sDA and UDI as performance metrics. The results of the study indicated that optimum WWR for smart windows in all three climates ranges between 50%-70%. In Jeddah, energy savings of up to 15.6%, 13%, 18%, 15.5%, 14% and 8.6% is achieved with EC, GC, PC, PDLC, SPD and TC windows respectively. In Taif, 11%, 18%, 24%, 23%, 21% and 9.7% of energy can be saved with EC, GC, PC, PDLC, SPD and TC windows respectively. In Riyadh, up to 13.7%, 16.7%, 25%, 23%, 19% and 11% energy can be saved with the EC, GC, PC, PDLC, SPD and TC windows respectively. Smart windows save energy mainly in summer months and are less effective in winter due to blockage of solar radiation which is required in the winters. Moreover, smart windows offer significant reduction in cooling peak load: highest peak load reduction is achieved with PC windows which saves 27%, 25% and 14% peak load in Jeddah, Taif and Riyadh respectively, whereas lowest reduction in peak is seen with TC window which reduces 5%, 3% and 9% peak load in Jeddah, Taif and Riyadh respectively. These will enable a reduction in HVAC system size thereby reducing total initial installation cost. Daylight metrics show acceptable performance under all climates: sDA show 65-75% in all scenarios whereas UDI ranges between 60-80% in all scenarios, which show very good performance based on t ratings of LEED v4.1. Further economic and environmental assessments show significant reduction in annual energy cost and associated carbon emission. However, analysis of cost-benefits revealed that PDLC and GC windows have longer payback periods than their service lives and should therefore be used in private rooms and not facades, whereas EC, PC, TC and PDLC offer greater benefits than their investment costs and can therefore be applied for energy efficiency purposes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Architectural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Committee Advisor:	Alshibani, Adel
Committee Members:	Al-Homoud, Mohammad S. and Mohsen, Osama
Depositing User:	UMAR HARUNA (g202215700)
Date Deposited:	12 May 2025 05:35
Last Modified:	12 May 2025 05:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143360