Energy sustainability study, and indoor air quality, iaq, for health and thermal confort between two classroom buildings of a campus, (standard building and near zero energy building ,nZEB )

Abstract

This doctoral research investigates how nearly zero-energy buildings (nZEB) can curb the European Union’s building-sector footprint, which currently represents about 40% of total energy consumption, more than 30% of electricity use, and roughly 36% of greenhouse-gas emissions. The case study is INDUVA, an advanced nZEB lecture building on the University of Valladolid (UVa) campus in Spain. The core objective is to quantify how energy-efficiency measures and on-site renewables jointly determine energy demand, primary energy use (renewable and non-renewable), and environmental impacts, while preserving high Indoor Environmental Quality (IEQ). The research evaluates energy intensity for primary, non-renewable, and renewable energy, the performance of HVAC systems, the building’s renewable energy ratio, and its global warming potential (GWP).

A rigorous, measurement-informed modeling workflow underpins the analysis. Dynamic simulations are performed in DesignBuilder (version 7) with the EnergyPlus engine to calculate detailed energy balances for heating, ventilation, air conditioning, and lighting. Models are calibrated against continuous monitoring data from INDUVA’s Building Management System (BMS), which captures multiple physical variables and end-use consumptions. This calibration enables reliable evaluation of key performance indicators and strengthens the link between simulated and real-world operation.

An important contribution is the holistic characterization of INDUVA’s envelope, systems, and controls. The building deploys state-of-the-art mechanical ventilation to assure high indoor air quality (IAQ), roof-mounted photovoltaic (PV) panels for electricity generation, a geothermal heat-recovery strategy that leverages ventilation air, and connection to a biomass-fired district heating network. The BMS orchestrates these subsystems to optimize environmental conditions and energy use. Its high-resolution data stream supports both rigorous model calibration and ongoing operational tuning.

To assess future robustness, the research explores climate-change impacts and climatic transferability. Using CCWorldWeatherGen, current weather files are morphed to represent scenarios from 2022 to 2080. The building is then re-simulated across these horizons to quantify how warming affects loads, energy use, and associated CO₂ emissions. A relocation study further evaluates performance in contrasted climates—Juneau and Warsaw—revealing sensitivity to local weather patterns and informing the adaptability of nZEB strategies across different contexts.

The scope extends beyond energy to a comprehensive IEQ assessment. Indoor air quality, thermal comfort, ventilation effectiveness, lighting and daylight access, and acoustics are benchmarked against international standards, providing an integrated view of occupant-centric performance. This dual focus demonstrates that nZEBs must be engineered not only for low energy and emissions but also for consistently healthy and comfortable indoor conditions throughout the year.

Findings reveal a clear temporal shift driven by climate change: heating demand declines, yet cooling energy requirements and related CO₂ emissions increase. This asymmetry underscores the need for adaptive design strategies such as enhanced passive cooling, dynamic solar control, high-efficiency heat-rejection systems, and resilient control logic to preserve low-carbon outcomes as summers intensify. Results also indicate that maintaining high IAQ through mechanical ventilation is compatible with energy efficiency when heat recovery, demand-controlled ventilation, and intelligent scheduling are applied.

Finally, a comparative analysis contrasts INDUVA with a conventional lecture building on the same campus. The comparison isolates the nZEB features that deliver the largest benefits—superior envelope performance, integrated renewable generation, advanced HVAC with heat recovery, and BMS-guided operation—while highlighting practical challenges in scaling these solutions to the existing building stock that requires energetic rehabilitation. Overall, the study provides evidence-based guidance for designers, facility managers, and policy-makers: nZEB principles can deliver substantial energy and emissions reductions without compromising IEQ, but future-proofing against warmer climates demands thoughtful emphasis on cooling resilience, flexible controls, and context-specific renewable integration.

A nivel europeo, el sector de la edificación concentra cerca del 40% de la energía, más del 30% de la electricidad y el 36% de las emisiones. Ante este reto, los edificios de consumo de energía casi nulo (nZEB) combinan envolventes de alto desempeño, sistemas eficientes y renovables para reducir demanda y CO₂. Esta investigación analiza el edificio INDUVA, en la Universidad de Valladolid, para cuantificar cómo la eficiencia y la generación in situ influyen en la demanda, la energía primaria y los impactos ambientales, manteniendo alta calidad ambiental interior.

La metodología emplea simulaciones dinámicas con DesignBuilder v7 y EnergyPlus para calcular balances de calefacción, ventilación, aire acondicionado e iluminación. Los modelos se calibran con datos de monitorización continua del sistema de gestión de edificios (BMS), que registra variables y consumos. Esta calibración alinea la simulación con la operación real y permite evaluar intensidad de energía primaria, rendimiento HVAC, fracción renovable y potencial de calentamiento global.

INDUVA integra ventilación mecánica de alta eficacia para asegurar buena calidad del aire, paneles fotovoltaicos para generación eléctrica, recuperación geotérmica de calor en el aire de ventilación y conexión a una red de calefacción urbana con biomasa. El BMS coordina estos subsistemas, optimiza consignas y horarios, y aporta datos que facilitan la calibración y el ajuste continuo.

Para comprobar la robustez futura, se evalúan los efectos del cambio climático y la transferibilidad de las soluciones nZEB. Con CCWorldWeatherGen se generan escenarios 2022-2080 y se re-simula el edificio para cuantificar el efecto del calentamiento en cargas, consumos y emisiones. Un estudio de reubicación evalúa el desempeño en climas contrastados, como Juneau y Varsovia, mostrando sensibilidad a patrones locales y adaptabilidad de las estrategias.

El análisis trasciende la energía para abarcar la calidad ambiental interior: calidad del aire, confort térmico, ventilación, iluminación y acústica, en contraste con estándares internacionales. Esta perspectiva centrada en los ocupantes confirma que un edificio de muy baja energía debe sostener salud, bienestar y productividad.

Los resultados muestran una tendencia clara: disminuye la demanda de calefacción, pero aumentan la energía de refrigeración y las emisiones asociadas. Esta asimetría exige diseños adaptativos: enfriamiento pasivo, sombreamiento y control solar dinámico, ventilación nocturna y rechazo de calor eficiente, junto con control resiliente para mantener bajas las emisiones en veranos más intensos.

Se confirma que la calidad del aire y la eficiencia coexisten combinando recuperación de calor, ventilación por demanda y programaciones inteligentes. La deshumidificación adecuada y la supervisión de CO₂ y compuestos volátiles ayudan a equilibrar salud, confort y consumo.

La comparación con un edificio convencional del mismo campus aísla las palancas nZEB más eficaces: envolvente de alto desempeño y estanqueidad, renovables integradas, HVAC con recuperación y operación guiada por BMS. A la vez, surgen retos para escalar estas soluciones al parque existente, con presupuestos limitados y obsolescencia.

Como respuesta, se proponen hojas de ruta con medidas de mejor coste-beneficio, protocolos de comisionado y retrocomisionado, y seguimiento basado en datos. Se aboga por regulación para rehabilitaciones profundas con garantías de desempeño y por mecanismos financieros que reduzcan barreras a la inversión.

En conjunto, la investigación ofrece una guía operativa para proyectistas, gestores y responsables públicos: diseñar con resiliencia climática y flexibilidad operativa, apoyarse en monitorización y calibración continuas, de manera robusta y verificable, priorizar refrigeración eficiente e integrar renovables de forma contextual. La evidencia demuestra que los nZEB reducen sostenidamente energía y emisiones sin sacrificar el bienestar interior cuando se combinan medidas pasivas, control avanzado y generación renovable in situ.