THERMAL AND ENERGY PERFORMANCE OF ENERGY-INTERACTIVE WALL SYSTEMS IN HOT CLIMATES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) 202319650 (Najibullah Wali).pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 December 2026. Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (4MB)

Arabic Abstract

تتعرض أغلفة المباني في المناخات الحارة لأحمال حرارية مستمرة وشديدة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة الداخلية وزيادة الطلب على طاقة التبريد. لذلك، يُعد تحسين الأداء الحراري للجدران الخارجية أمرًا أساسيًا لتحقيق الراحة الحرارية وتقليل استهلاك الطاقة. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم أنظمة الجدران التفاعلية مع الطاقة (Energy-Interactive Walls – EIW) التي تعيد استخدام هواء العادم الصادر من أنظمة التكييف، والذي يكون نسبيًا أبرد من الهواء الخارجي، للحد من انتقال الحرارة في الظروف المناخية الحارة. تعتمد الفكرة الأساسية للنظام على توجيه هواء العادم عبر تجويف مهواه داخل الجدار الخارجي، مما يسهم في خفض درجات حرارة الأسطح الداخلية وتقليل أحمال التبريد من خلال تعزيز انتقال الحرارة بالحمل داخل منظومة الجدار. تم تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد باستخدام ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) والتحقق من صحته لتحليل السلوك الحراري للنظام ودراسة تأثير عدد من المتغيرات التصميمية والتشغيلية، بما في ذلك سرعة الهواء، وسُمك التجويف، وموضع العزل، وخصائص أسطح التجويف، ودرجة الحرارة الخارجية. أظهرت النتائج أن التكوين المعزول والمحسَّن للجدار التفاعلي مع الطاقة حقق قيمة انتقال حراري ديناميكية (Dynamic U-value) تقارب 0.05 واط/م²·كلفن، مع انخفاض ملحوظ في درجة حرارة السطح الداخلي. بعد ذلك، تم دمج الخصائص الحرارية المستخلصة من تحليلات CFD في نموذج محاكاة طاقة باستخدام برنامج EnergyPlus لتقييم تأثير أنظمة EIW على الأداء الحراري والطاقي على مستوى المبنى. وأوضحت نتائج المحاكاة تحسنًا في ظروف الراحة الحرارية، تمثل في انخفاض درجة الحرارة الإشعاعية المتوسطة (MRT) خلال أشهر الصيف، إضافةً إلى انخفاض استهلاك الطاقة السنوي للتبريد، حيث انخفض مؤشر كثافة استخدام الطاقة (EUI) من 148 إلى 119 كيلوواط·ساعة/م²·سنة. كما بيّن التحليل البارامتري أن سرعة الهواء داخل التجويف، وخصائص أسطح التجويف، ودرجة الحرارة الخارجية تُعد العوامل الأكثر تأثيرًا على الأداء الحراري لأنظمة الجدران التفاعلية مع الطاقة. إذ تتحكم سرعة الهواء في إزالة الحرارة بالحمل، بينما تؤثر خصائص الأسطح على انتقال الحرارة بالإشعاع والتوصيل، في حين تمثل درجة الحرارة الخارجية القوة الدافعة الحرارية المؤثرة على النظام. في المقابل، أظهرت متغيرات أخرى مثل سُمك التجويف وأبعاد ومواقع فتحات الدخول والخروج تأثيرًا ثانويًا عند التحكم الجيد في تدفق الهواء. وبوجه عام، تؤكد نتائج هذه الدراسة أن أنظمة الجدران التفاعلية مع الطاقة تمثل حلًا فعالًا وقابلًا للتطبيق لتحسين الأداء الحراري لأغلفة المباني وتقليل الطلب على الطاقة في المباني الواقعة ضمن المناخات الحارة، كما توفر أساسًا لإعداد إرشادات تصميم قائمة على الأداء لتطبيق هذه الأنظمة في المناطق ذات الأحمال الحرارية المرتفع

English Abstract

Building envelopes in hot climates are exposed to continuous and intense heat loads, which raise indoor temperatures and increase cooling energy demand. Improving the thermal performance of exterior wall systems is therefore essential for achieving thermal comfort and reducing cooling energy consumption. This study investigates Energy-Interactive Wall (EIW) systems that reuse relatively cool HVAC exhaust air to moderate heat transfer in hot climatic conditions. The study evaluates how directing exhaust air through a cavity wall can lower interior surface temperatures, improve indoor comfort, and reduce cooling demand by enhancing convective heat transfer within the wall assembly. A validated Computational Fluid Dynamics (CFD) model was developed to analyze the thermal behavior of EIWs under a wide range of design and operating conditions, including variations in air velocity, cavity configuration, insulation placement, surface emissivity, and outdoor temperature. The optimized insulated EIW configuration achieved a dynamic U-value of approximately 0.05 W/m²·K and demonstrated noticeable reductions in interior surface temperature. The CFD-derived thermal characteristics were subsequently integrated into an EnergyPlus building model to evaluate their impact on indoor thermal comfort and cooling energy consumption. The building simulations showed clear improvements in indoor comfort, reflected by lower Mean Radiant Temperature (MRT) values during peak summer months, along with a reduction in annual cooling energy demand. The building Energy Use Intensity decreased from 148 to 119 kWh/m²·yr, indicating a significant improvement in overall energy performance. The parametric analysis indicates that air velocity, cavity surface characteristics, and outdoor temperature are the dominant parameters governing the thermal performance of Energy-Interactive Walls. Air velocity directly controls convective heat removal within the cavity, cavity surface characteristics influence radiative and conductive heat exchange between wall layers, and outdoor temperature defines the external thermal driving force acting on the wall system. Other parameters, such as cavity thickness, inlet–outlet configuration, and opening size, exhibit secondary influence when airflow conditions are properly controlled. These findings support the effectiveness of Energy-Interactive Walls as climate-responsive envelope systems and provide a basis for performance-based design guidelines for their application in hot climates.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Architectural Construction Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Committee Advisor:	Budaiwi, Ismail M.
Committee Members:	MOHAMMED, MOHAMMED ALHAJI and Alhazmi, Mansour Mohammed
Depositing User:	NAJIBULLAH WALI (g202319650)
Date Deposited:	30 Dec 2025 10:44
Last Modified:	30 Dec 2025 10:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143949