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M. Taheri:
"Computational and Empirical Assessment of Ventilation Methods in Buildings";
Supervisor, Reviewer: A. Mahdavi, A. Gasparella, M. Kalousek; Abteilung Bauphysik und Bauökologie, Institut für Architekturwissenschaften, TU Wien, 2017; oral examination: 2017-09-06.

The comfort level and well being of building occupants is affected, among other factors, by radiant and air temperature, air quality, air movement, humidity, as well as the degree to which they can control their environment. In the recent years, due to the temperature increase and air quality decrease in urban areas, ventilation systems became more common, in order to meet the requirements to ensure adequate air quality and acceptable indoor temperature. Sustainable methods, such as passive cooling with natural ventilation, have not been yet successful to be used as the only ventilation system, which can fully provide comfortable indoor environment in every building. Moreover, even though the passive systems are efficient, they are dependent to the parameters, such as wind condition, temperature fluctuations, thermal mass of the building elements, etc., which makes them rather difficult to predict and control. Typical conventional
climate control systems, operated by fossil fuels, are able to maintain consistent indoor condition against the changing outdoor climate condition. However, these systems are usually not sustainable. For instance, it is estimated that, ventilation systems account for 30% of the energy demand for office buildings. The energy consumption and comfort level provided by a ventilation system depend on the different factors, including the
efficiency of the system, air distribution, placement of the air inlets and outlets, air leakage, operation schedule, temperature set points, airflow rate, etc. Conventional ventilation systems usually supply fresh and cool air into the space and replace the
entire stale room air. The high energy consumption and required ventilation rates could be reduced by cooling down the actual occupied zones instead of the entire space,
for instance using displacement ventilation system. Another example in this regard is "personal ventilation system", which has the advantage to deliver the fresh and cool air directly to the occupied breathing zone. Moreover, personal ventilation system offers the occupants the possibility of individual adjustments and control of their own surrounding environment.
This dissertation presents the application of computational and empirical methods to evaluate functionality of ventilation systems in architectural spaces with regard to indoor air quality and thermal comfort. The innovative ventilation systems in office spaces are investigated, including displacement and personal ventilation systems. The research application is aimed at improving the personal comfort and productivity of occupants,
taking into account the environmental factors and efficiency of the systems. Performance of the studied systems is investigated via objective evaluations by measurements and subjective evaluations based on feedback from occupants. This study also illustrates the utility of CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations for the performance evaluation of ventilation systems and the estimation of airflow pattern in the space.
Furthermore, the present contribution investigates whether a relatively comprehensive impact assessment of various design variables and input assumptions (e.g., number and location of diffusers and airflow rates in an architectural space) can be established based on a detailed but small number of numerical simulations. The outcome of such study is remarkably helpful to architects, building engineers, and building scientists, to further improve energy efficiency and occupants´ comfort in ventilated spaces, and to develop and refine prediction models.

Der Komfort und die Behaglichkeit von Gebäudenutzern hängen neben den innenklimatischen Bedingungen (Strahlungs- und Lufttemperatur, Luftqualität, Luftbewegung, Feuchtigkeit, etc.) unter anderem auch von den Steuerungsmöglichkeiten der Nutzer ab. In den letzten Jahren konnte beobachtet werden, dass das Ansteigen der Aussentemperatur in urbanen Bereichen nicht nur zu einem Anstieg der Innentemperaturen in innerstädtischen Gebäuden führt, sondern auch zu einer Verschlechterung der Innenluftqualität in den entsprechenden Räumlichkeiten führt. Damit verbunden kommt es zu
einen signifikant höheren Einsatz von mechanischen Lüftungsanlagen und Klimageräten, um ausreichende Luftqualität und akzeptable Innentemperaturen zu gewährleisten. Nachhaltige(re) Methoden, wie beispielsweise passive Kühlung mit natürlicher Belüftung
bieten zwar eine zufriedenstellende Effizienz, sind aber - aufgrund nur unsicher vorhersagbarer klimatischer Gegebenheiten und Nutzungsmuster - in Design und Betrieb nicht
trivial umzusetzen. Oft verwendete konventionelle Klimatisierungssysteme sind auch bei aussenklimatischen Schwankungen in der Lage kontrollierte Innenraumbedingungen
zu schaffen. Allerdings werden diese Systeme aufgrund Ihrer - zumeist aus fossilen Energieträgern gespeisten -Energieintensivität, in der Regel nicht als nachhaltig betrachtet.
Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass Lüftungssysteme bis zu 30% des Energiebedarfs von typischen Bürogebäuden ausmachen. Die Performance von Belüftungssystemen hängt von mehreren Faktoren wie der Effizienz des Systems, der Luftverteilung, der Platzierung der Lufteinlässe und der Ausl¨asse, etwaiger Luftleckagen, des Betriebsablaufs, der (angestrebten) Temperatursollwerte, der zu transportierenden Luftmenge sowie einigen weiteren ab. Typischerweise eingesetzte Lüftungssysteme liefern in der Regel frische (und zumeist kühle) Luft in den Innenraum und ersetzen damit die verbrauchte Raumluft. Zumeist werden solche Systeme auf ganze Räume dimensioniert. Die erforderlichen hohen Lüftungsraten und der sich daraus ergebende hohe Energieverbrauch solcher Systeme könnte durch räumlich gezielte Konditionierung wie zum Beispiel mit einer Verdrängungslüftungsanlage erheblich reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit stellt ein "persönliches Lüftungssystem" dar, welches frische und kühle Luft in das direkte Umfeld von Nutzern liefert Solche persönlichen Lüftungssysteme ermöglichen es den Gebäudenutzern die Lüftung gemäass Ihren individuellen Vorlieben und Bedürfnissen anzupassen und zu kontrollieren.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden mit Hilfe von rechnerischen und empirischen Methoden zur Beurteilung der Funktionalität von Lüftungssystemen in Innenräumen Untersuchungen in Bezug auf Raumluftqualität und thermischen Komfort durchgeführt. Es
wurden unterschiedliche innovative Lüftungskonzepte, wie Verdrängungslüftungskonzepte oder individuelle Belüftungssysteme, untersucht. Das Ziel dieser Bemühungen war es den persönlichen Komfort und die Produktivität der Nutzer unter Berücksichtigung von Umweltfaktoren und der jeweiligen Systemeffizienz zu verbessern. Die Beurteilung der untersuchten Systeme erfolgte auf Basis von Messdaten (objektive Evaluierung) und mittels Befragungen von Nutzern in Räumen mit entsprechenden Systemen (subjektive Evaluierung). Darauf aufbauend, wird der Nutzen von CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulationen und deren Anwendung zur Leistungsbewertung von Lüftungssystemen sowie der Modellierung und Bewertung von Luftströmungen in
Innenr¨aumen untersucht. Die vorliegende Arbeit illustriert, wie der Einfluss unterschiedlicher Gestaltungsmöglichkeiten (z. B. Anzahl und Ort der Diffusoren und Luftströmungsraten in einem architektonischen Raum) mittels einer geringen Anzahl von
numerischen Simulationen ermittelt werden kann. Das Ergebnis dieser Studie kann für Architekten, Bauingenieure, Bauwissenschaftler und andere Stakeholder nützlich sein,
um die Energieeffizienz und den Komfort in (mechanisch) belüfteten Räumen weiter zu verbessern und entsprechende Vorhersagemodelle zu entwickeln.