Assessing energy performance and indoor comfort in places of worship

Abstract

Buildings are responsible for more than 40% of the total energy consumption and greenhouse gas emissions in Europe. As a result, the EU has enacted several rules aimed at increasing energy efficiency and limiting the growth of energy demand. However, it is pertinent to point out that places of worship are exempt from getting an energy rating certificate under the European Union Energy Performance in Buildings Directive 2010/31/EU. Malta is completely reliant on imported energy supplies due to a lack of fossil fuel resources. This, to the cost of national security, price volatility, political and environmental concerns, amongst other things. Controlling and managing energy use in buildings is one efficient strategy to reduce this reliance. Excessive energy flow through the building envelope and, unregulated use of air-conditioning are some common drivers of energy waste in buildings. This thesis aims to assess the energy performance of places of worship and combine it with indoor comfort analysis. Passive measures to improve internal comfort levels are identified and prioritised to address heat transfer through the building envelope and mitigate the emerging trend of installing air-conditioning systems. This study takes into consideration the status quo of various places of worship of different building eras using a monitoring programme for temperature and humidity within these buildings. It further delves into the social aspect of how worshipers perceive the indoor comfort through questionnaires addressed to the occupants. Subsequently, it analyses how passive measures can improve the indoor ambient conditions through software design modelling using DesignBuilder-Energy Plus software. This analysis show that historic church structures outperform expectations. The heritage building typology provides promising possibilities for lowering energy consumption, maintaining balanced environmental conditions for artifacts, and meeting occupant comfort standards. The findings pertaining to the monitoring program demonstrate that the church buildings under study, representing the 17th to mid-18th century Baroque period, are termed as thermally comfortable in accordance with the EN16798-1 standard category 3 comfort limits. Moreover, results exhibit the capacity of their heritage construction typology, to maintain balanced environmental conditions when compared to the fluctuated indoor temperatures in the contemporary churches. The latter, pertaining to the more contemporary construction methodologies of the churches, jeopardises their thermal comfort, having recorded temperatures exceeding the broadest comfort range limits. Findings through statistical analysis of both quantitative research based on indoor measurable data and qualitative research based on replies to questionnaires from churchgoers, also show that there is a significant correlation between the actual thermal comfort levels measured in accordance with the EN 16798-1 standard and the expected thermal comfort experienced by congregants in most of the parish churches under review. The implementation of passive measures within selected churches, particularly the implementation of solar control strategies that improves the building envelope's thermal performance, significantly decreased heat discomfort. The outcome highlights differences between diverse types of church buildings, depending on their era, site constraints and methodology of construction, together with a list of passive and non-intrusive recommendations for enhancing the comfort of worshipers and improving the energy efficiency aspects of these buildings, whilst respecting their architectural heritage and artefacts with which they are adorned.

Los edificios son responsables de más del 40% del consumo total de energía y de las emisiones de gases de efecto invernadero en Europa. Por ello, la UE ha promulgado varias normas destinadas a aumentar la eficiencia energética y limitar el crecimiento de la demanda de energía. Sin embargo, es pertinente señalar que los lugares de culto están exentos de obtener un certificado de calificación energética en virtud de la Directiva 2010/31/UE sobre la eficiencia energética de los edificios de la Unión Europea. Malta depende completamente del suministro de energía importada debido a la falta de recursos de combustibles fósiles. Esto, a costa de la seguridad nacional, la volatilidad de los precios y las preocupaciones políticas y medioambientales, entre otras cosas. El control y la gestión del uso de la energía en los edificios es una estrategia eficaz para reducir esta dependencia. El flujo excesivo de energía a través de la envolvente del edificio y el uso no regulado de la climatización son algunos de los factores más comunes de desperdicio de energía en los edificios. Esta tesis pretende evaluar el rendimiento energético de los lugares de culto y combinarlo con el análisis del confort interior. Se identifican y priorizan las medidas pasivas para mejorar los niveles de confort interior con el fin de abordar la transferencia de calor a través de la envolvente del edificio y mitigar la tendencia emergente de instalar sistemas de aire acondicionado. Este estudio tiene en cuenta el statu quo de varios lugares de culto de diferentes épocas de construcción utilizando un programa de monitorización de la temperatura y la humedad dentro de estos edificios. Además, profundiza en el aspecto social de cómo los fieles perciben el confort interior mediante cuestionarios dirigidos a los ocupantes. Posteriormente, se analiza cómo las medidas pasivas pueden mejorar las condiciones ambientales interiores mediante la modelización del diseño con el software DesignBuilder-Energy Plus. Este análisis muestra que las estructuras históricas de las iglesias superan las expectativas. La tipología de los edificios patrimoniales ofrece posibilidades prometedoras para reducir el consumo de energía, mantener unas condiciones ambientales equilibradas para los artefactos y cumplir las normas de confort de los ocupantes. Los resultados del programa de monitorización demuestran que los edificios de iglesias estudiados, que representan el periodo barroco del siglo XVII a mediados del XVIII, se califican como térmicamente confortables de acuerdo con los límites de confort de la categoría 3 de la norma EN16798-1. Además, los resultados muestran la capacidad de su tipología constructiva patrimonial, para mantener unas condiciones ambientales equilibradas en comparación con las fluctuaciones interiores temperaturas interiores fluctuantes en las iglesias contemporáneas. Estas últimas, pertenecientes a las metodologías de construcción más contemporáneas de las iglesias, ponen en peligro su confort térmico, habiendo registrado temperaturas que superan los límites más amplios del rango de confort. Los resultados del análisis estadístico de la investigación cuantitativa basada en los datos medibles en el interior y la investigación cualitativa basada en las respuestas a los cuestionarios de los feligreses, también muestran que existe una correlación significativa entre los niveles de confort térmico reales medidos de acuerdo con la norma EN 16798-1 y el confort térmico esperado experimentado por los feligreses en la mayoría de las iglesias parroquiales analizadas. La aplicación de medidas pasivas en las iglesias seleccionadas, en particular la aplicación de estrategias de control solar que mejoran el rendimiento térmico de la envoltura del edificio, disminuyó significativamente el malestar térmico. El resultado pone de manifiesto las diferencias entre los diversos tipos de edificios de iglesias, en función de su época, las limitaciones del emplazamiento y la metodología de construcción, junto con una lista de recomendaciones pasivas