M.Sc. Thesis

M.Sc. Thesis


Climate and Energy Considerations in School Building Design in the Hot-Humid Climate of Israel ' s Coastal-Strip

שיקולי אקלים ואנרגיה בתכנון בתי ספר, באקלים החם והלח, של אזור רצועת החוף בישראל

English Abstract

Hebrew Abstract

PDF file of the thesis (Hebrew, 4.5M)



The purpose of this research is to formulate design recommendations for school-buildings designer, in the Hot-Humid Climatic zone of the coastal plane area in Israel . For this purpose, it was examined, which design variables influence the thermal comfort and the energy consumption of school buildings. These variables were tested and their recommended values were defined, in order to create thermal comfort in classrooms, while minimizing the energy consumption. In addition, variables with little influence on the energy consumption were identified to free architects from unnecessary constraints.

The first part of this research, concentrate on finding what are the recommendations and constraints on the design of school buildings, these were used to identify design variables that could influence the energy consumption of the building. In addition, a basic unit (the classroom) was defined and its characteristics were later used to perform the tests. Finally, different schemes of school-buildings were identified, thus categorizing the common school building design schemes in Israel .

The second part of the research used computer simulation to evaluate energy consumption. Each variable was tested and the optimal value for each variable was determined.

The third part of the research summarizes the energy consumption value per classroom in the different design schemes identified in the first part. Conclusions were drawn regarding the preferred schemes in terms of energy efficiency, as well as the importance and influence of each design variable.

An extensive literature in Israel and around the world addresses the design of school buildings. The consensus is that smaller schools promote learning, despite the fact that bigger schools can usually provide more resources. In Israel , the common school is considered small, and has 12 or 18 classes. The most appropriate classification of School building design scheme, to this research, is classification by the passageways of the building. Using this criterion , 4 schemes were identified: One-Sided Corridor Scheme, in which classes are positioned on one side of the corridor, Double-Sided Corridor Scheme, in which classes are on both sides of the corridor, Central-Space Scheme, where classes are organized around a central space which can be open or closed, and the “Butterfly” Scheme, in which every 2 or 3 classes have a shared entry hall.

The basic classroom unit was 50sqm large, and its characteristics were used as input data to the “ENERGY” software. This software calculated the total energy consumption in the classroom, based on the pre-defined parameters of the basic unit. In total, 1200 classes with different characteristics were tested.

The testing indicated that classrooms in the Hot-Humid climatic zone of the coastal plane area of Israel should be designed with thermal insulation of 2cm thick of Expanded Polyurethane (or equivalent U value), in the external walls, combined with night ventilation of 30 to 40 air-changes per hour. Roof insulation should be 3cm of Polyurethane, to give optimal energy consumption . The classroom should be sealed with high-quality aluminum-framed-windows, or their equivalent, enabling a maximum of 0.75 air-changes per hour as the children leave the class.

Heavy thermal mass materials give better performance than light-mass materials. The importance of heavy thermal mass was observed especially in the roof. It is therefore best to insulate the roof on the external side of the thermal mass . On the other hand, the thermal mass of external and internal walls is of only minor significance, so the type of the internal walls and the location of insulation in the external wall can be determined by other considerations as long as the roof and floor have heavy mass .

Tests regarding external wall's color and shading showed that these design variables have no influence on the energy consumption in the classroom. They can, therefore, be determined by other architectural considerations. Roof color, however, could be significant. Light roof colors reduced energy consumption if exposed to 70%-100% of the direct light. The color of a shaded roof, on the other hand, is of no thermal significance.

Recommendations regarding windows in the literature were equivocal. Since windows influence energy consumption profoundly, detailed tests were done to determine the ideal characteristics. Among the results, it was found, that the ideal size of northern and southern windows is 12% of the floor area. For east and west orientation, it is preferable to reduce the window's size to 10%. The higher the window reaches, the better the light dissolves in the class and therefore the lower the energy consumption is.

Northern windows do not need shading. As for Southern windows, glazing with shading coefficient of 50% is recommended, and best performance was found with a horizontal feature with an additional light shelve. Eastern and western windows need a shading coefficient of 90% for the direct radiation and 50% for the indirect radiation. Best performance was achieved with a shading element that combines a horizontal and a vertical feature with an additional light shelf.

High performance was found while testing the classroom with special low emissivity glazing. Green double glazing showed good results as well in all directions. Finally, the light control was tested. It was shown that an automated feature that turns on and off the lights, in each different zone in the classroom, according to its level of lighting, gave very good performance. A dimmer that enables a whole scale of light levels in each zone gave even better results, especially in the east and south.

Finally, organizing the classrooms by the different schemes showed that as long as classes are facing north or south, as much as possible, and high quality glazing is being used (green double glazing or low emissivity glazing), the type of school scheme does not significantly influence the energy consumption of the school building.

In sum, a high performance design of school buildings in Israel 's coastal plane can reduce energy consumption to less than 50% of that of a low performance building . The influence of each variable on the total saving cannot be measured exactly, as each parameter is dependent on the others. Still, with that caveat in mind, the variables with a major influence on energy consumption are the orientation of the windows and their size, window's glazing type and shading, lighting control type, the infiltration value and the night ventilation intensity.


מטרת מחקר זה היא לגבש המלצות למתכנני בתי ספר באקלים החם והלח באזור מישור החוף. לצורך זה נבדקו איזה מגורמי התכנון של בתי- ספר משפיעים על הנוחות התרמית ועל צריכת האנרגיה של הבניין. משתנים אלו נבדקו, וגובשו הערכים המומלצים להם, באופן שתתאפשר שמירה על הנוחות התרמית, תוך צריכת אנרגיה מינימאלית בבניין בית- הספר. כמן כן, משתנים שהוכח כי מידת השפעתם היא מזערית זוהו ובהם ניתן להשאיר יד חופשית לאדריכל. לאחר גיבוש המלצות אלו נבדקה איזו סכימה של בית- ספר, מבין הסכמות הנהוגות בארץ, עדיפה מבחינת שמירה על נוחות תרמית וצריכת אנרגיה מינימאלית. העבודה בנויה משלושה חלקים מרכזיים. בחלק הראשון, נבדקו מהן ההמלצות השונות הקשורות בתכנון בתי- ספר, בארץ ובעולם, שעשויה להיות להם השפעה על הנוחות התרמית בבניין. לאור הממצאים בחלק זה, זוהתה יחידת הבסיס של בית- הספר, זוהו גורמי התכנון המשפיעים על הנוחות התרמית וניתנים לבדיקה, וזוהו סכמות בסיסיות נפוצות של בתי- ספר בארץ. בחלק השני מתוארים בזה אחר זה, כל המשתנים שנבדקו ומהן המסקנות לגבי כל אחד מהם. בחלק השלישי יש ריכוז של התוצאות שהתקבלו לגבי כיתה, סיכומם לכדי בית- ספר שלם על פי סכמות שונות, ומסקנות לגבי הסכימה העדיפה לבית- ספר במישור החוף ולגבי שאר המשתנים התכנונים של הכיתה.
בארץ ובעולם ישנה ספרות ענפה ומחקרים רבים העוסקים בשאלות תכנון של בתי- ספר. מתוך אפשרויות לסיווג סכמות בתי- ספר שנבדקו, הסיווג המתאים ביותר למחקר זה, הוא על פי שטחי מעבר. על בסיס זה זוהו 4 סכמות: מסדרון חד צדי שבו מסודרות הכיתות בצדו האחד של המסדרון. מסדרון דו- צדי בו הכתות מסודרות בשני צדי המסדרון, סכימת חלל מרכזי בו הכיתות מסודרות סביב חלל מרכזי פתוח או סגור וסכימת הפרפר בו לכל שתיים או שלוש כיתות יש כניסה משותפת.
המחקר בדק יחידה של כיתה בגודל 50 מ" ר באמצעות תוכנת ,ENERGY אשר חישבה את צריכת האנרגיה הכוללת בכיתה על פי משתנים שונים שהוגדרו. בסך הכל נבדקו כ-1200 כיתות עם מאפיינים שונים. על פי תוצאות הבדיקות, גובשו מסקנות לגבי המאפיינים המביאים לנוחות תרמית בכיתה תוך שימוש מינימאלי באנרגיה.
המחקר מסיק מסקנות לגבי המאפיינים הרצויים לקבלת חסכון בצריכת האנרגיה. בין המשתנים שנבדקו: עובי הבידוד בקירות החוץ ובגג, מידת אוורור לילה רצוי, מידת האיטום הנחוץ בכיתה בשעות שאין פעילות, סוג הבנייה הרצויה ( בנייה עם מסה תרמית גבוהה או נמוכה) בקירות הפנים, החוץ ובגג. צבע הקירות והגג, כמו גם הצורך בהצללתם.
מאחר ונמצאו בספרות המלצות סותרות לגבי מאפייני חלונות הכיתה ועקב השפעתם הגדולה על צריכת האנרגיה, נעשו בדיקות מקיפות לגביהן. בין היתר נבדק גודל החלון האידיאלי, מיקום 2 החלון, סוגים שונים של הצללת חלונות וסוגים שונים של זיגוג. כמו כן נבדקו מספר אפשרויות לבקרת התאורה. ארגון כמה כיתות על פי הסכמות הנבחרות הראה, שהסכימה עצמה משפיעה על צריכת האנרגיה בעיקר עקב ההבדלים הנובעים מהאוריינטציה של הכיתות. בסכמות שבהן רב הכיתות פונות לצפון או לדרום צריכת האנרגיה היא קטנה יותר, גם בכיתה אמצעית וגם בכיתת גג. לכן, ניתן להשאיר חופש בבחירת הסכימה, בתנאי שהפניית החלונות היא לכיוונים צפון ודרום עד כמה שניתן. בסך הכל ניתן להפחית את צריכת האנרגיה בכיתה ביותר מ-%,50 ביחס לכיתה ללא מודעות אקלימית. לא ניתן לכמת בדיוק מה מידת השפעתו של כל משתנה, שכן כל אחד מהם תלוי בערך המשתנים האחרים ובמצב הבניין. יחד עם זאת, זוהו המאפיינים שהם בעלי השפעה גדולה על צריכת האנרגיה בכיתה, שהם: פנות החלונות בכיתה וגודלם, סוג הזיגוג בחלון והצללתו, מפסק לבקרת תאורה, הקטנת הסתננות אוויר בתום הלימודים ואוורור לילה.