Almalkawi, Ibrahim (2026) The Impact of Dense Urban Configurations on Indoor Daylighting Performance Considering Different Configurations of Residential Clusters in Hot Climates. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF FINAL_Master_Thesis_Ibrahim_Almalkawi1.pdf Restricted to Repository staff only until 23 August 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

يشكل التطوير السكني الكثيف في المناطق ذات المناخ الحار تحديًا بيئيًا يتمثل في ضرورة تحقيق توازن بين توفير الإضاءة الطبيعية الداخلية والحد من التعرض المفرط لأشعة الشمس وتقليل اكتساب الحرارة عبر غلاف المبنى. وتبرز أهمية هذه القضية في المملكة العربية السعودية، حيث تؤثر شدة الإشعاع الشمسي، والنمو العمراني المدمج، ومتطلبات الخصوصية في التصميم السكني على توفر الإضاءة الطبيعية والأداء الحراري. وعلى الرغم من تناول الإضاءة الطبيعية في العديد من الدراسات، إلا أن الأبحاث التي درست التجمعات السكنية الكثيفة في السياق السعودي من خلال إطار متكامل يجمع بين تقييم الإضاءة الطبيعية السنوية، وتحليل اكتساب الحرارة عبر الغلاف الخارجي، والقيود التصميمية المستندة إلى الكود، والتحسين متعدد المعايير لا تزال محدودة. تهدف هذه الدراسة إلى تحديد التكوين السكني الكثيف الأكثر توازنًا بيئيًا للإسكان في المناخات الحارة، من خلال دراسة العلاقة التبادلية بين أداء الإضاءة الطبيعية الداخلية وإجمالي اكتساب الحرارة عبر غلاف المبنى الناتج عن التوصيل الحراري والإشعاع الشمسي. تم اختيار مدينة الظهران في المملكة العربية السعودية كسياق مناخي للدراسة. وتم تطوير مصفوفة محاكاة مضبوطة مكونة من 81 سيناريو باستخدام برنامج ،DesignBuilderاعتما ًدا على أربعة متغيرات تصميمية، وهي التكوين الحضري، وارتفاع المباني، ونسبة النوافذ إلى الجدران، والتوجيه. وقد شملت الدراسة ثلاثة تكوينات حضرية، وهي التكوين المتمركز حول الفناء ،C1والتكوين الشبكي ،C2والتكوين المتقابل على شكل ،C3وذلك مع ثلاثة مستويات للارتفاع، وثلاث قيم لنسبة النوافذ إلى الجدران، وثلاث حالات للتوجيه. تم تقييم أداء الإضاءة الطبيعية باستخدام الاستقلالية المكانية للإضاءة الطبيعية والتعرض السنوي لأشعة الشمس، بينما تم تقييم الأداء الحراري من خلال إجمالي اكتساب الحرارة عبر غلاف المبنى الناتج عن التوصيل الحراري والإشعاع الشمسي. تم تطبيق إطار تحسين متعدد المعايير لتحديد البديل التصميمي الأكثر توازنًا. في البداية، تم تطبيق تحليل واجهة باريتو بشكل منفصل على فئات الطابق الأرضي والطابق المتوسط والطابق العلوي. وبعد ذلك، تم تحديد التقاطع بين السيناريوهات غير المهيمن عليها عبر فئات الطوابق الثلاث، مما نتج عنه 13بدي ًلا مشتر ًكا. ثم تم تطبيق ترتيب TOPSISعلى هذه السيناريوهات الثلاثة عشر باستخدام متوسط الاستقلالية المكانية للإضاءة الطبيعية، ومتوسط التعرض السنوي لأشعة الشمس، وإجمالي اكتساب الحرارة عبر غلاف المبنىxxii كمعايير لاتخاذ القرار. كما تم استخدام LEED v4.1فقط كنقطة مرجعية إضافية للإضاءة الطبيعية بهدف التحقق المزدوج من أداء السيناريوهات المتقدمة، دون أن يشارك في عملية التحسين أو تحديد الاختيار النهائي. أظهرت النتائج أن أداء الإضاءة الطبيعية يختلف بشكل واضح حسب مستوى الطابق، حيث كانت الطوابق السفلية أكثر تأث ًرا بالعوائق وانخفاض الوصول إلى السماء. ولم يعتمد الاختيار النهائي على تعظيم الإضاءة الطبيعية وحدها، بل على تحقيق العلاقة الأكثر توازنًا بين كفاية الإضاءة الطبيعية، والتحكم في التعرض المفرط لأشعة الشمس، وتقليل اكتساب الحرارة عبر غلاف المبنى. وقد تم تحديد السيناريو ،S76الممثل بالتكوين ،C3والارتفاع ،F7ونسبة النوافذ ،W30والتوجيه ،O0بوصفه البديل الأكثر تفضي ًلا. حقق هذا السيناريو متوسط استقلالية مكانية للإضاءة الطبيعية بلغ ،%77.83وإجمالي اكتساب حرارة عبر غلاف المبنى بلغ 46,919.29واط ساعة لكل متر مربع، كما سجل أعلى معامل اقتراب في ترتيب .TOPSISوتسهم هذه الدراسة في تقديم إطار قائم على الأداء وتوصيات مستندة إلى الكود لدعم استراتيجيات التكثيف السكني المستجيب للمناخ في المملكة العربية السعودية والمناطق ذات المناخ الحار المشابه

English Abstract

Dense residential development in hot climate regions creates an environmental challenge in which indoor daylight access must be balanced with excessive sunlight exposure and envelope heat gains. This issue is particularly relevant in Saudi Arabia, where intense solar radiation, compact urban growth, and privacy driven residential design influence daylight availability and thermal performance. Although daylighting has been widely studied, limited research has examined dense Saudi residential clusters through an integrated framework that combines annual daylighting assessment, envelope heat gain evaluation, code informed constraints, and multi criteria optimization. This study aims to identify the most environmentally balanced dense residential configuration for hot climate housing by examining the trade off between indoor daylighting performance and total envelope heat gains resulting from conduction and solar radiation. Dhahran, Saudi Arabia, was selected as the climatic context. A controlled simulation matrix of 81 scenarios was developed in Design Builder using four design variables: urban configuration, building height, window to wall ratio, and orientation. Three configurations were examined: courtyard cantered cluster C1, grid based cluster C2, and opposing C shaped cluster C3, combined with three height levels, three window to wall ratio values, and three orientation conditions. Indoor daylighting performance was evaluated using spatial Daylightxx Autonomy(sDA) and Annual Sunlight Exposure(ASE), while thermal performance was assessed through total envelope heat gains associated with conduction and solar radiation. A multi criteria optimization framework was applied to identify the most balanced design alternative. Pareto front analysis was first conducted separately for the ground, middle, and top floor categories. The intersection of the non-dominated scenarios across the three floor categories produced 13 shared alternatives. TOPSIS ranking was then applied to these 13 scenarios using average spatial Daylight Autonomy, average Annual Sunlight Exposure, and total envelope heat gains as the decision criteria. LEED v4.1 was used only as an additional daylighting reference point for cross checking the performance of the leading scenarios. The findings show that daylighting performance varies significantly by floor level, with lower floors more affected by obstruction and reduced sky access. The final selection was not based on maximizing daylight alone, but on achieving the most balanced relationship between daylight sufficiency, sunlight exposure control, and reduced envelope heat gains. Scenario S76, represented by C3, F7, W30, O0, was identified as the most preferred alternative. It achieved an average spatial Daylight Autonomy of 77.83% and total envelope heat gains of 46,919.29 Wh/m², while recording the highest TOPSIS closeness coefficient. The study contributes a performance based framework and code oriented recommendations for climate responsive residential densification in Saudi Arabia and similar hot climate regions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Architectural
Department:	College of Design and Built Environment > Architecture and City Design
Thesis Advisor:	Omar Asfour,
Thesis Committee Members:	Mohammed Mohammed, Noman Sahito,
Depositing User:	IBRAHIM ALMALKAWI
Date Deposited:	26 Aug 2026 08:15
Last Modified:	26 Aug 2026 08:15
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144730