THERMO-VISUAL PERFORMANCE OF SMART PV-INTEGRATED WINDOW SYSTEM FOR SUSTAINABLE OFFICE BUILDINGS IN HOT CLIMATES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF E-print_MSc_Architectural Engineering_Thesis Report_Fikremariam Seyoum_13.05.2026_Final.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 13 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل الاسم الكامل: فيكريماريام مولوغيتا سيوم عنوان الرسالة: الأداء الحراري البصري لنظام النوافذ الذكي المدمج مع الخلايا الكهروضوئية للمباني المستدامة في المناخات الحارة التخصص الرئيسي: الهندسة المعمارية تاريخ التخرج: مايو ٢٠٢٦ تُعد أنظمة الزجاج الذكي المدمج بالخلايا الكهروضوئية (PV) نهجًا واعدًا لتحسين أداء الواجهات في المناخات الحارة، من خلال الجمع بين إدخال الإضاءة الطبيعية، والتحكم الشمسي، وتوليد الكهرباء في الموقع ضمن عنصر واحد من غلاف المبنى الخارجي. تبحث هذه الدراسة في الأداء الحراري والبصري لأنظمة الزجاج العازل الذكي المدمج بالخلايا الكهروضوئية لتطبيقات المباني المستدامة في مدينة الرياض، المملكة العربية السعودية. يتكوّن النظام المدروس من لوح خارجي شبه شفاف من الخلايا الكهروضوئية (STPV)، وتجويف مملوء بغاز الأرجون، وطبقة زجاج ذكي داخلية مُمثلة إما بزجاج متغير اللون حراريًا (TC) أو زجاج متغير اللون كهربائيًا (EC). وقد تم تطوير ثمانية عشر بديلًا من خلال دمج ثلاثة مستويات من شفافية الزجاج الكهروضوئي شبه الشفاف (0.10، 0.21، و0.32)، ونوعين من الزجاج الذكي، وثلاثة سماكات للتجويف (9، 12، و16 مم). وتم تطبيق محاكاة على إطار مقارن قائم باستخدام برنامج Honeybee– Energy Plus وHoneybee–Radiance، مع التحقق من صحت المحاكاة بمقارنته ببيانات تجريبية منشورة قبل تطبيقه على الواجهات الجنوبية والشرقية والغربية والشمالية تحت ظروف الطقس في الرياض. تمت معالجة عمليات المحاكاة السنوية لاحقاً لتحويلها إلى مؤشرات يومية تمثيلية لدرجة حرارة السطح الداخلي، تم تقييم اكتساب الحرارة من النوافذ، والإضاءة الداخلية، وتوليد الكهرباء الكهروضوئية، ثم تم تقييم البدائل باستخدام طريقة ترجيح الإنتروبيا (EWM) وتقنية ترتيب الأفضلية حسب التشابه مع الحل المثالي (TOPSIS). أظهرت النتائج أن الإضاءة الداخلية خلال النهار هيمنت على ترجيح الإنتروبيا عبر جميع الاتجاهات بنسبة تراوحت بين (76.9%–79.8%)، تلتها كمية الكهرباء المولدة من الخلايا الكهروضوئية (12.4%–13.0%)، ثم اكتساب الحرارة عبر النافذة (7.1%–10.6%)، وأخيرًا درجة حرارة السطح الداخلي (0.08%–0.35%). وعبر الاتجاهات الأربعة جميعها، كان التكوين الأعلى ترتيبًا هو البديل التاسع، والذي يمثّل حالة الزجاج الحراري متغير اللون بشفافية 0.32 وتجويف بسماكة 16 مم، حيث تراوحت معاملات القرب في TOPSIS بين 0.9152 و0.9388. وتخلص الدراسة إلى أن أداء الزجاج الذكي المدمج بالخلايا الكهروضوئية في المناخات الحارة تحكمه مقايضات حساسة لاتجاه الواجهة بين إدخال الإضاءة الطبيعية، والتحكم الحراري، وإنتاج الطاقة الكهروضوئية، وأن التقييم متعدد المعايير الخاص بكل واجهة يُعد ضروريًا لاختيار التكوين الزجاجي الأكثر ملاءمة.

English Abstract

Full Name : Fikremariam Mulugeta Seyoum Thesis Title : Thermo-Visual Performance of Smart PV-Integrated Window System for Sustainable Buildings in Hot Climates Major Field : Architectural Engineering Date of Degree : May, 2026 Smart photovoltaic (PV)-integrated glazing systems offer a promising approach for improving façade performance in hot climates by combining daylight admission, solar control, and on-site electricity generation within a single envelope element. This study investigates the thermo-visual performance of smart PV-integrated insulating glass units (IGUs) for sustainable building applications in Riyadh, Saudi Arabia. The studied system consisted of an outer semi-transparent photovoltaic (STPV) pane, an argon-filled cavity, and an inner smart glazing layer represented by either thermochromic (TC) or electrochromic (EC) glazing. Eighteen alternatives were developed by combining three STPV transparency levels (0.10, 0.21, and 0.32), two smart-glazing types, and three cavity thicknesses (9, 12, and 16 mm). A simulation-based comparative framework was implemented using Honeybee–EnergyPlus and Honeybee–Radiance and verified against published experimental data before being applied to south-, east-, west-, and north-facing orientations under Riyadh weather conditions. Annual simulations were post-processed into representative-day indicators for inner surface temperature, window heat gain, indoor illuminance, and PV electricity generation, and the alternatives were then evaluated using the Entropy Weighting Method (EWM) and the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). The results showed that daytime indoor illuminance dominated the entropy weighting across all orientations (76.9%–79.8%), followed by PV electricity generation (12.4%–13.0%), window heat gain (7.1%–10.6%), and inner surface temperature (0.08%–0.35%). Across all four orientations, the highest-ranked configuration was Alternative 9, corresponding to the 0.32-transparency thermochromic case with a 16 mm cavity, with TOPSIS closeness coefficients ranging from 0.9152 to 0.9388. The study concludes that smart PV-integrated glazing performance in hot climates is governed by orientation-sensitive trade-offs among daylight admission, thermal control, and PV output, and that façade-specific multi-criteria evaluation is essential for selecting the most suitable glazing configuration.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Architectural
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Thesis Advisor:	Mohammed Mohammed,
Thesis Committee Members:	Ismail Budaiwi, Osama Mohsen,
Depositing User:	FIKREMARIAM SEYOUM (g202393090)
Date Deposited:	13 May 2026 11:13
Last Modified:	13 May 2026 11:13
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144279