Study of the Energy Efficiency of Buildings under Tropical Climate with a View to Sustainable Development: Choice of Material Adapted to the Protection of the Environment

Authors: Guarry Montrose, Ted Soubdhan

Abstract:

In the context of sustainable development and climate change, the adaptation of buildings to the climatic context in hot climates is a necessity if we want to improve living conditions in housing and reduce the risks to the health and productivity of occupants due to thermal discomfort in buildings. One can find a wide variety of efficient solutions but with high costs. In developing countries, especially tropical countries, we need to appreciate a technology with a very limited cost that is affordable for everyone, energy efficient and protects the environment. Biosourced insulation is a product based on plant fibers, animal products or products from recyclable paper or clothing. Their development meets the objectives of maintaining biodiversity, reducing waste and protecting the environment. In tropical or hot countries, the aim is to protect the building from solar thermal radiation, a source of discomfort. The aim of this work is in line with the logic of energy control and environmental protection, the approach is to make the occupants of buildings comfortable, reduce their carbon dioxide emissions (CO₂) and decrease their energy consumption (energy efficiency). We have chosen to study the thermo-physical properties of banana leaves and sawdust, especially their thermal conductivities, direct measurements were made using the flash method and the hot plate method. We also measured the heat flow on both sides of each sample by the hot box method. The results from these different experiences show that these materials are very efficient used as insulation. We have also conducted a building thermal simulation using banana leaves as one of the materials under Design Builder software. Air-conditioning load as well as CO₂ release was used as performance indicator. When the air-conditioned building cell is protected on the roof by banana leaves and integrated into the walls with solar protection of the glazing, it saves up to 64.3% of energy and avoids 57% of CO₂ emissions.

Keywords: Plant fibers, tropical climates, sustainable development, waste reduction.

References:

[1] M. Kaboré, « Enjeux de la simulation pour l’étude des performances énergétiques des bâtiments en Afrique sub-saharienne », phdthesis, Institut international d’ingénierie de l’eau et de l’environnement, 2015.
[2] A. Aslani, A. Bakhtiar, et H. Akbarzadeh, « Energy-Efficiency Technologies in the Building Envelope: Life Cycle and Adaptation Assessment », J. Build. Eng., vol. 21, sept. 2018, doi: 10.1016/j.jobe.2018.09.014.
[3] M. Kapsalaki, V. Leal, et M. Santamouris, « A methodology for economic efficient design of Net Zero Energy Buildings », Energy Build., vol. 55, p. 765‑778, déc. 2012, doi: 10.1016/j.enbuild.2012.10.022.
[4] M. Zafaranchi, « Simulation and Analysis of Passive Parameters of Building in eQuest: A Case Study in Istanbul, Turkey », Int. J. Energy Environ. Eng., vol. 14, no 10, p. 253‑259, sept. 2020.
[5] F. Miranville, « Contribution à l’Etude des Parois Complexes en Physique du Bâtiment : Modélisation, Expérimentation et Validation Expérimentale de Complexes de Toitures incluant des Produits Minces Réfléchissants en climat tropical humide », Theses, Université de la Réunion, 2002.
[6] T. Soubdhan, « Building solar protection under tropical climate: an experimental study of roof insulation; Protection solaire des batiments en climat tropical humide: etude experimentale de l’isolation en toiture », déc. 2003, Consulté le: févr. 05, 2021. (En ligne). Disponible sur: https://www.osti.gov/etdeweb/biblio/20520201.
[7] A. Abdou et I. Budaiwi, « The variation of thermal conductivity of fibrous insulation materials under different levels of moisture content », Constr. Build. Mater., vol. 43, p. 533‑544, juin 2013, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.02.058.
[8] R. Guechchati, M. Moussaoui, A. Mezrhab, et A. Mezrhab, « Simulation de l’effet de l’isolation thermique des bâtiments Cas du centre psychopédagogique SAFAA à Oujda », Rev. Etudes Byzantines, vol. 13, p. 223‑232, janv. 2010.
[9] L. Peeters, R. Dear, J. Hensen, et W. D’haeseleer, « Thermal comfort in residential buildings: Comfort values and scales for building energy simulation », 2009, doi: 10.1016/J.APENERGY.2008.07.011.
[10] N. Dujardin, « Un Materiau Biosource de Choix : Les Fibres Naturelles. Caractérisations et Applications », in 25èmes Journées Scientifiques de l’Environnement - L’économie verte en question, Créteil, France, févr. 2014, vol. JSE-2014, no 01, Consulté le: févr. 03, 2021.
[En ligne]. Disponible sur: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00978360.
[11] S. Dubois et L. Frédéric, « Impact des matériaux biosourcés sur le climat intérieur : Un outil de calcul flexible à l’échelle de la pièce », mars 2014.
[12] F. Asdrubali, F. D’Alessandro, et S. Schiavoni, « A review of unconventional sustainable building insulation materials », Sustain. Mater. Technol., vol. 4, juin 2015, doi: 10.1016/j.susmat.2015.05.002.
[13] G. Promis, « Hygrothermal performance of a straw bale building: In situ and laboratory investigations », oct. 2015. doi: 10.13140/RG.2.1.5115.9763.
[14] T. Ashour, H. Georg, et W. Wu, « Performance of straw bale wall: A case of study », Lancet, vol. 43, p. 1960‑1967, août 2011, doi: 10.1016/j.enbuild.2011.04.001.
[15] J. Wihan, « Humidity in straw bale walls and its effect on the decomposition of straw », p. 271.
[16] A. Louis, A. Evrard, B. Biot, L. Courard, et F. Lebeau, « De l’expérimentation à la modélisation des propriétés hygrothermiques de parois isolées en paille », undefined, 2013. /paper/De-l%E2%80%99exp%C3%A9rimentation-%C3%A0-la-mod%C3%A9lisation-des-de-en-Louis-Evrard/cd79331f31f785d4b8600086cea14e50aa32369c (consulté le févr. 04, 2021).
[17] S. A. Al-Ajlan, « Measurements of thermal properties of insulation materials by using transient plane source technique », Appl. Therm. Eng., vol. 26, no 17, p. 2184‑2191, déc. 2006, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2006.04.006.
[18] M. A. Abdelrahman, S. M. Said, A. Ahmad, M. Inam, et H. Abul-Hamayel, « Thermal Conductivity of Some Major Building Materials in Saudi Arabia », J. Therm. Insul., vol. 13, no 4, p. 294‑300, avr. 1990, doi: 10.1177/109719639001300409.
[19] P. Meukam, « Valorisation des Briques de Terre Stabilisees en vue de L’isolation Thermique de Batiments », p. 157.
[20] C. Lorrette, « Outils de caractérisation thermophysique et modèles numériques pour les composites thermostructuraux à haute température », p. 243.
[21] M. Aghahadi, « Etude expérimentale et modélisation physique des transferts couplés chaleur-humidité dans un isolant bio-sourcé. », p. 156.
[22] C. Gobbé, J. Gounot, et M. Bazin, « Mise en oeuvre de la méthode flash pour la mesure de diffusivité thermique sur des matériaux liquides ou fondus en fonction de la température. Application aux polymères », Rev. Phys. Appl., vol. 24, no 12, p. 1119‑1128, 1989, doi: 10.1051/rphysap:0198900240120111900.
[23] Marcello Caciolo et al., « Revue pratique des logiciels de simulation énergétique dynamique (SED) », p. 39, 2015.
[24] T. Recht, F. Munaretto, P. Schalbart, et B. Peuportier, « Analyse de la fiabilité de COMFIE par comparaison à des mesures. Application à un bâtiment passif », p. 9.
[25] S. Guichard, « Contribution à l’étude des parois complexes intégrant des matériaux à changements de phase: modélisation, expérimentation, et évaluation de la performance énergétique globale », p. 247.
[26] S. Thiers, « Bilans énergétiques et environnementaux de bâtiments à énergie positive », p. 256.
[27] J. Neymark et al., « International Energy Agency Building Energy Simulation Test and Diagnostic Method (IEA BESTEST): In-Depth Diagnostic Cases for Ground Coupled Heat Transfer Related to Slab-on-Grade Construction », NREL/TP-550-43388, 937333, sept. 2008. doi: 10.2172/937333.