THE IMPACT OF INTEGRATING PHASE CHANGE MATERIALS (PCM) IN BUILDING ENVELOPES ON ENERGY PERFORMANCE IN EXTREME CLIMATIC CONDITIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF FINAL COMPLETE VERSION MS THESIS RASHID KANU (202214180) - Copy - Copy.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 18 May 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

ملخص الرسالة االسم الكامل : رشيد كانو عنوان الرسالة: تأثير دمج المواد متغيرة الحالة (PCMs (في أغلفة المباني على أداء الطاقة في الظروف المناخية القاسية المجال الرئيسي: الهندسة المعمارية تاريخ الحصول على الدرجة : مايو 2025 تواجه المباني في المناخات القاسية، مثل المملكة العربية السعودية، طلبات تكييف متزايدة تُجهد البنية التحتية للطاقة وتزيد من انبعاثات الكربون. وعلى الرغم من أن المواد متغيرة الحالة (PCMs (توفر تخزينًا حراريًا كامنًا يساعد على تنظيم درجات الحرارة الداخلية، فإن الدراسات السابقة كانت تفتقر إلى التقييم الشامل الستخداماتها في المباني تحت تنوع مناخي قاسي، كما لم تقم تلك الدراسات بتحسين معايير المواد متغيرة الحالة )مثل درجة حرارة االنصهار، السماكة، وموقعها في ( وفقً مناخية. الحائط ا لخصائص كل منطقة وتهدف هذه الدراسة الى سد هذه الثغرات من خالل تحليل الحوائط الخارجية المدمجة مع المواد متغيرة الحالة عبر مناخات مختلفة في السعودية ممثلة باألحساء )حار جدًا وجاف(، والطائف )معتدل(، باستخدام المحاكاة بواسطة DesignBuilder/EnergyPlusبالتزامن مع استخدام خوارزميات األمثلة متعدد األهداف لتجويد األداء الحراري. حيث ُمغلفة كليًا ا لمتطلبات "الكود السعودي للبناء(601 SBC" (، وتم تقييم مواد PCMs وال تمت معايرة نموذج فيال سكنية وفقً )بنطاق درجات حرارة انصهار بين 21–39 درجة مئوية، وسماكة تتراوح بين 6–24 ملم( ضمن أنظمة الحوائط المتوافقة مع الكود. وقد أظهرت النتائج أن دمج المواد متغيرة الحالة قلل من أحمال التكييف القصوى بنسبة %17.4 في األحساء و%26.7 في الطائف، مع تحويل ذروة الطلب بمدة تتراوح بين ساعتين إلى أربع ساعات، مما سمح بتقليل حمولة نظام تكييف الهواء بنسبة .%20 كما حققت التركيبة المثلى للوضع الداخلي لطبقة PCM بسماكة 24 ملم وبدرجات حرارة انصهار مخصصة لكل منطقة )°27م و°25م لألحساء، و°25م للطائف( تخفي ًضا في استهالك الطاقة اإلجمالي بنسبة 12.6–،%18.4 مع الحفاظ على فترة عدم الراحة الحرارية تحت %20 من الساعات السنوية. xvii ُمحسنة إلى تخفيضات في أحمال التكييف بنسبة 12.6–،%34.2 وفي متطلبات التدفئة بنسبة 35– كما أدت المكونات ال ،%80 مع تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 1,526–3,640 كجم/سنة لنموذج الفيال السكنية المدروسة. وتؤكد نتائج البحث فعالية استخدام المواد متغيرة الحالة (PCMs (في المناخات القاسية عند مزامنتها مع نقاط ضبط نظام تكييف الهواء وأنماط درجات الحرارة اليومية الخاصة بكل منطقة. وتوصي الدراسة بإعطاء األولوية للمواد غير العضوية من PCMsلمقاومتها للحريق وحفاظها على االستقرار الحراري، ووضعها في الحائط لتكون أقرب للفراغ الداخلي لتعزيز تأثير العزل الحراري المباشر، وبسماكة 24 ملم لفعاليته من حيث التكلفة في تخزين الطاقة الكامنة. وتسهم هذه الدراسة في وضع إرشادات عملية لقطاع اإلنشاءات في المملكة العربية السعودية، دع ًما ألهداف رؤية 2030 المتعلقة باالستدامة من خالل تصميم غالف مبنى يستجيب للظروف المناخية المحلية.

English Abstract

ABSTRACT Full Name : Rashid Kanu Thesis Title : The Impact of Integrating Phase Change Materials (PCM) In Building Envelopes on Energy Performance in Extreme Climatic Conditions Major Field : Architectural Engineering Date of Degree : May 2025 Buildings in extreme climates, such as Saudi Arabia, face increasing cooling demands that strain energy infrastructure and amplify carbon emissions. While phase change materials (PCMs) offer latent heat storage to regulate indoor temperatures, previous studies lack wholebuilding evaluations under extreme climatic diversity and fail to optimize PCM parameters (melting temperature, thickness, position) for region-specific applications. This study bridges these gaps by analyzing PCM-integrated exterior walls across Saudi Arabia’s contrasting climates: Al-Ahsa (extremely hot and dry) and Taif (hot and dry) using EnergyPlus/DesignBuilder simulations coupled with genetic algorithm optimization. A residential villa model was calibrated against Saudi Building Code (SBC 601) standards, evaluating macro-encapsulated InfiniteR PCMs (21–39°C melting temperature range, 6–24 mm thickness) in code-compliant and retrofit wall assemblies. Results demonstrated that PCM integration reduced peak cooling loads by 17.4% in Al-Ahsa and 26.7% in Taif, shifting demand by 2–4 hours and enabling HVAC system downsizing (20% capacity reduction). Optimal interior placement of 24 mm PCM with climate-specific melting temperatures (27°C and 25°C for Al-Ahsa, 25°C for Taif) reduced total energy consumption by 12.6–18.4% while maintaining thermal discomfort below 20% of annual hours. The optimized configurations xv lowered cooling loads by 12.6–34.2% and heating demand by 35–80%, with CO₂ emissions reduced by 1,526–3,640 kg/year for the studied building. The findings emphasize PCM’s efficacy in extreme climates when synchronized with HVAC setpoints and regional diurnal patterns. Recommendations prioritize inorganic PCMs for fire resistance and thermal stability, interior positioning for direct thermal buffering, and 24 mm thickness for costeffective latent storage. This research advances actionable guidelines for Saudi Arabia’s construction sector, supporting Vision 2030 sustainability goals through climate-responsive envelope design.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Architectural Construction Seminars Civil Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Committee Advisor:	Al-Homoud, Mohammad Saad
Committee Members:	Adel Abdelmoneim, Mohamed and Alhaji Mohammed, Mohammed
Depositing User:	RASHID KANU (g202214180)
Date Deposited:	20 May 2025 06:13
Last Modified:	20 May 2025 06:13
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143380