INNVELOPE: approach to inner envelope retrofitting of multistory residential buildings

The past decades witnessed an unprecedented increase in energy consumption, CO2 emissions and global temperature. Buildings are responsible for almost 40% of the global energy consumption, 25% of global water, 40% of global resources, and emit approximately one third of the Green House Gas emissions (GHG). Recently, building retrofitting has started to gain worldwide attention as an alternative for reducing energy consumption. One of the reasons, is the low rate of the new building stock, estimated to add a maximum of 1% to the existing building stock (Power, 2008). The other 99% of buildings are existing and produce about 26% of the energy-use induced carbon emissions (Eurostat, 2009). Globally, statistics show, that about 50% of today’s building stock will remain in use beyond 2050. In Europe, residential buildings account for about two thirds of the final energy consumption in the building sector and 70% of their floor area (Konstantinou & Knaack, 2011). Dwellings built after World War II and before 1975 account for about 29% of the building stock on average. A common characteristic of this period is that the buildings were generally poorly insulated at the time of construction and they needed renovation in order to enhance their overall perofrmance. In Egypt, the past decades witnessed a boom in the construction industry, which focused on creating fast and cheap buildings. The residential sector has a major percentage of this construction movement. According to the 2006 Census, high-rise residential buildings of Cairo, Alexandria and Asiut contain about 88% of the total number of air-conditioned apartments (Central Agency for Public Mobilization and Statistics (CAMPAS), 2008). These apartments are classified in terms of size into classes from A to D (S. Attia, Evrard, & Gratia, 2012), where class B contains the highest percentage:  A: 7% have gross areas greater than 130 m2.  B: 47% have gross areas between 110 and 130 m2.  C: 23% have areas between 90 and 110 m2.  D: 11% have areas between 60 and 90 m2. As for the European case, national and international regulations and standards were adopted in order to reduce buildings energy consumption. In the past decade, there has been a movement towards energy efficient and comfortable retrofits. There are about ten million multistory residential buildings (constructed between 1925 and 1975), which require retrofitting in order to enhance their future performance. Focusing on the building envelope, some of these residential buildings can only be approached from the inner side of the external wall (e.g. internal insulation). This is unavoidable in a number of cases, such as when the building has a historically listed facade, has very small distance between it and the neighbouring building, or if there is no general consensus between the building owners to apply a common retrofitting strategy. The last case is the most common in Egypt, mainly due to the absence of a general forcing legislation that limits the energy consumption of buildings and ensures comfort for its users. The work in this dissertation focused on retrofitting multi-story residential building envelopes. More specifically when insulating the external building envelope from the inside. In an attempt to reduce the energy costs for heating in the cold countries, residential space users tend to insulate the building envelope (externally or internally). In building envelopes with high thermal mass, internal insulation might eliminate the effect of the existing envelope thermal inertia, rendering it useless. This results in overheating the spaces, which in turn endangers the users’ comfort, and increases the cooling demand. Therefore, the main objective of this dissertation is to understand the impact of the insulation on the thermal inertia behaviour of the existing building envelopes, and whether it would cause overheating or not; focusing on hot climates or the hot periods in temperate and cold climates. In the context of this work, the proposed internal envelope approach refer to developing strategies for tackling the overheating problem with simple interventions or adjustments to the existing case. The aim is to have passive or quasi-passive approaches that do not require the involvement of high-end specialists or expertise. In other words, not taking into account solutions related to building systems. Therefore, examples of strategies proposed are to add insulation and then a finishing layer, the finishing layer could contain microencapsulated artificial thermal storage materials (i.e. PCM). Other options, could be changing the window type, adding or optimizing shading, adding thermal mass, increasing indoor air velocity or even taking away false ceilings to expose the intermediate slabs thermal mass.   The first step on the path of reaching those strategies was to make a literature review on the state-of-the-art methods for approaching buildings retrofits in general, and internal envelope retrofitting in specific. The review is divided in five main sections:  The first section features building envelopes and retrofitting potential. It discusses the importance of building envelope retrofitting, as well as the various approaches and technologies. An extensive investigation of commercial and state-of-the-art insulating and thermal storage materials in the market and under research is presented as well.  The second section focused on retrofitting multistory residential buildings in Europe, their potential, the European and national regulations and standards, as well as construction technologies. Thin PCM encapsulated boards for shifting peak loads after internal envelope insulation showed an interesting potential.  The third section discussed the Egyptian case retrofitting potential of residential buildings, as well as the need for Egypt to save energy and address comfort in built spaces.  The fourth section features an introduction to climate analysis and the choice of representative cities. The aim was to choose and analyze a number of cities that represent different climatic settings in the Northern Hemisphere, and which might be prone to overheating in the hot periods of the year. Hot and humid climates are excluded from this study. A brief overview of the different weather files used for analysis and simulations are also presented.  The fifth section describes some of the different categories of users comfort when it comes to using buildings, focusing on the thermal aspect. It aims to show the metrics and tools for evaluation. The following phase starts with the EASEE European research project. EASEE refers to “Envelope Approach to improve Sustainability and Energy efficiency in Existing multi-story multi-owner residential buildings”. The project theme was concerned with finding solutions for envelope retrofitting of residential buildings, through developing a holistic approach to energy efficient envelope retrofitting of multi-story and multi-owner buildings. During this phase, the focus was on European countries, and simulation models were simplified in terms of geometry. The simulations in the climate adaptation analysis were conducted on a sample room. A parametric mesh of simulations determined the building elements with high impact on dampening overheating in the internal spaces. A simulation matrix was defined, and the results allowed for reducing a number of parameters and adding new ones in the next analysis phase. The second analysis phase continued with the parametric runs. It focused more on hot arid climates, and the simulation model was more detailed. It narrowed down the varying parameters and focused on understanding the PCM encapsulated panels potential, comparing its impact with the typical gypsum board finishing. Another point of focus is assessing the impact of induced air velocity on shifting the comfort range to contain higher temperatures, using the SET model for the evaluation. The tool used for the second phase simulation is called TRNLizard. It is a tool developed by Transsolar Energietechnik GmbH in Stuttgart. Generally, this tool uses TRNSYS as the running engine for the simulations, coupled with Rhino and Grasshopper as an interface for the building geometrical modelling and simulation input. The simulation results discuss the potential of each of the evaluation parameters on increasing thermal comfort in the space. PCM encapsulated boards have high potential in absorbing excess heat and discharging it later, however, its efficiency depends on the designed melting and solidification temperatures. For example, a PCM that has a melting temperature of 26 °C stays in a liquid state for around three months in Cairo, while it functions quite effectively in Milan. Another point is the charge and discharge cycles; when the material does not go through a full cycle everyday, it does not take advantage of the material full potential. PCM panels showed improved results mainly when incorporated in lightweight buildings, while in massive buildings it had less impact. One main point, that hinders its wide distribution is its high cost. The results also show the importance of having exposed massive internal slabs and partitions, even if the building envelope is made of lightweight materials and components. Increasing the air velocity showed impressive results, having a small ceiling or normal fan can reduce the need for a cooling system to a high extent, depending on the climate. However, the study does not take into account the comparison between the saved cooling energy demand and electricity consumption, which could add another dimension to the final evaluation. Finally, the thesis work discusses the limitations and potential of the research, as well as possible future developments to the work conducted.

Negli ultimi anni siamo stati testimoni di un incremento senza precedenti nel consumo di energia, emissioni di gas serra e temperatura globale. In questo contesto il settore edile è resposabile del consumo totale di almeno 40% di energia, 25% di acqua e 40% delle risorse, oltre che di un terzo delle emissioni di CO2. Solo recentamente, tuttavia, si è capita l’importanza a livello globale di una ristrutturazione degli edifici energeticamente efficiente . La ragione di questa tendenza è dovuta alla bassa percentuale di edifici di nuova costruzione, stimati intorno al 1% del parco esistente (Power, 2008). Il restante 99% è costituito da edifici datati, i quali producono circa il 26% delle emissioni di CO2 (Eurostat, 2009). Inoltre le statistiche mostrano che all’incirca il 50% del parco costruito rimarrà in uso almeno fino al 2050. In Europa gli edifici ad uso residenziale sono la principale causa di due terzi dell’energia consumata nell’intero settore edile, rappresentando anche il 70% di tutta la superficie construita (K.K). Sul totale degli immobili residenziali, circa il 29% è stato costruito tra la fine della Seconda Guerra Mondiale ed il 1957; la carattersitica di questi manufatti risiede nella scarsa isolazione e, quindi, nelle povere performance energetiche. Per questo motivo, un rinnovo energetico per migliorarne le prestazioni, risulta essere necessario. Anche in Egitto, negli ultimi anni, si è fronteggiato un boom nel settore delle costruzioni, il quale ha portato a propendere per una tipologia costruttiva caratterizzata da velocità ed economicità. Il settore residenziale è quello che piu ha risentito di tale fenomeno: secondo il censimento Census del 2006, i condomini residenziali di Cairo, Alexandria e Asiut includono circa 88% degli appartamenti condizionati. Questi ultimi sono classificati secondo la superficie lorda in classi, da A a D (Attia...), tra le quali la B è quella con il maggior numero di elementi:  •A: 7%, area lorda maggiore di 130 m2  •B: 47% area lorda compresa tra 110 e 130 m2  •C: 23% area lorda tra 90 e 110 m2  •D: 11% area lorda tra 60 e 90 m2. Come nel caso europeo, gli standard e le regolamentazioni nazionali ed internazionali hanno cercato di porre rimedio e limitare il consumo energetico. Recentemente è emerso un nuovo movimento di promozione di un retrofit orientato all’efficienza energetica ed al comfort degli utenti. Focalizzando l’attenzione all’involucro edilizio, alcuni di questi edifici offrono possibilità di intervento solamente dall’interno. Questo diviene inevitabile nel caso di edifici con riconosciuta valenza storica delle facciate, con una insufficiente distanza dall’immobile adiacente o nel caso in cui non ci sia una strategia comune tra i vari proprietari degli appartamenti di uno stesso stabile. Quest’ultimo è il più comune in Egitto, dovuto principalmente all’assenza di una legislazione che limiti il consumo energetico di edifici massimizzando il comfort per gli inquilini. La scelta dell’argomento di dissertazione nasce proprio dall’osservazione di tale criticità. Il lavoro svolto si concentra, infatti, sul recupero energetico di edifici residenziali multipiano ed, in particolare, sull’isolamento dell’involucro nel lato interno della chiusura. Nel tentativo di ridurre i costi di riscaldamento nei pesi freddi si tende a insulare le pareti, internamente o esternamente.Tuttavia, in involucri ad alta massa termica, l’isolamento interno potrebbe eliminare l’efficacia dell’inerzia termica, rendendola quindi inutile. Il risultato è il sovrariscaldamento degli spazi, il quale riduce il comfort degli utenti ed, al contempo, incrementa i costi di raffrescamento. Per questo motivo l’obiettivo della tesi è lo studio degli impatti ed effetti che l’isolamento potrebbe avere sul comportamento inerziale di involucri edilizi esistenti, focalizzato sul rischio di sovra-riscaldamento in climi caldi o nel periodo estivo in climi temperati. Nel contesto di questa ricerca, le soluzioni presentate sono riferite allo sviluppo di specifiche strategie per contrastare il problema con interventi semplici o miglioramento di casi esistenti. L’obiettivo è quello di ottenere approcci passivi o quasi-passivi, i quali non richiedano il ricorso a esperti o manodopora altamente specializzata. In altre parole, le soluzioni correlate ai sistemi attivi vengono consapevolmente non considerate. Per questo motivo un esempio di strategia proposta è l’aggiunta dell’isolemento e di uno strato di finitura, il quale puo contenere micro elementi incapsulati di materiali ad inerzia artificale (PCM). Altre opzioni potrebbero essere la sostituzione delle finestrature con elementi che incorporino ed ottimizzino la schermatura della porzione vetrata, l’aggiunta di massa termica, l’incremento della velocità del flusso di aria interna oppure la rimozione del controsoffitto ai fini di esporre la massa termica presente nella soletta intermedia.  Il primo passo per il raggiungimento di tali strategie è stato rappresentato da un’accurata revisione della letteratura e dello stato dell’arte sui metodi di approccio al retrofitting generico e specifico sull’involucro interno. La revisione è divisa in cinque sezioni:  La prima sezione tratta l’involucro edilizio e il potenziale di retrofitting. Questa sezione mostra sia l’importanza del miglioramento dell’involucro edilizio che i vari approcci e tecnologie che potrebbero essere impiegate. Al contempo un’esauriente esposizione sullo stato dell’arte di materiali per isolamento e accumulo termico presenti sul mercato ed in fase di sviluppo viene presentata.  La seconda sezione è incentrata sul retrofitting di edifici residenziali multipiano in Europa, del potenziale associato, sulle norme europee e nazionali correlate e sulle tecnologie costruttive esistenti.  La terza sezione presenta il caso Egiziano, in termini di potenziale, di recupero energetico e di necessità di azioni da intraprendere per limitare il consumo energetico considerando anche il comfort abitativo.  La quarta sezione è una introduzione all’analisi climatica ed alla scelta delle località di referenza da utilizzare nel corso delle analisi. L’obiettivo era la selezione di alcune città rappresentative dei diversi climi caratterizzanti l’emsifero boreale e le quali potrebbero portare ad un problema di surriscaldamento nei mesi caldi dell’anno. I climi caldi ed umidi sono eslcusi dallo studio. Inoltre è presentata una breve introduzione ai differenti file cilmatici utilizzati ed alle simulazioni condotte.  La quinta sezione descrive alcune delle categorie di comfort, specialmente in riferimento alla parte termica. L’obiettivo è l’esposizione dei principali metodi di calcolo e delle più comuni unità di misura utilizzate. La fase successiva è parte della ricerca EASEE, “Envelope Approach to improve Sustainability and Energy efficiency in Existing multi-storey multi-owner residential buildings”. Il tema del progetto è stato pensato per la ricerca di nuove soluzioni di retrofitting energetico dell’involucro di edifici residenziali esistenti, attraverso lo sviluppo di un approccio olistico al recupero energetico. La dissertazione presentata è stata principalmente parte di uno dei work-packages, focalizzato all’intervento dall’interno della chiusura verticale. Il lavoro svolto è incentrato principalmente su:  sviluppo di ricerca o Identificazione delle barriere e delle potenzialità di intervento o Richieste tecniche, performance attese e protocolli di test o individuazione delle tecnologie costruttive europee più comuni nel periodo di riferimento considerato e dei materiali comunemente impiegati come isolanti nell’involucro  scelta di materiali leggeri e sottili, adattabili al retrofit del layer isolante interno delle chiusre verticali  analisi e simulazione dell’opportunità adattiva climatica, usando il software TRNSYS  analisi dei ponti termici attraverso l’impiego del software DARTWIN  stesura dei report: D1.1, D1.2, D4.1, D4.3, D4.4. Durante questa fase l’attenzione è stata posta sui Paesi Europei. I modelli di simulazione sono stati semplificati in termini di geometrie: l’adattamento al clima è stato analizzato applicato ad una stanza di referenza. Un set di simulazioni parametriche determina quali siano gli elementi più importanti di un edificio per la riduzione del rischio di surriscaldamento degli spazi interni. Infine la matrice di simulazioni è stata definita ed i risultati hanno permesso di ridurre il numero di parametri considerati ed aggiungerne di nuovi nella fase successiva. Il secondo step di ricerca continua con le simulazioni parametriche di casi studio, stavolta incentrati maggiormente su climi caldi e secchi. Il modello di simulazione è stato maggiormente arricchito e dettagliato. L’attenzione è stata posta sul potenziale di utilizzo degli elementi microincapsulati PCM, confrontandone gli impatti rispetto ad una normale lastra di gesso. Un altro focus si concentra sui possibili effetti di una velocità del flusso di areazionei indotta sulla modifica del range di comfort per poter includere anche temperature maggiori, in questo caso è stato utilizzato il modello SET per la valutazione. Lo strumento utilizzato in questa fase è stato il TRNLizard, sviluppato da Transsolar Energietechnik GmbH in Stuttgart. Questo si appoggia a TRNSYS come motore di simulazione, in associazione a Rhino e Grasshopper come interfaccia grafica. I risultati delle simulazioni mostrano il potenziale di ogni parametro considerato in relazione all’aumento del comfort termico negli spazi interni. Le lastre di PCM hanno grande potenziale nell’assorbimento del calore in eccesso, tuttavia la loro efficienza è strettamente legata alle caratteristiche chimiche di cambiamento di fase. Ad esempio, un PCM con temperatura di scioglimento a 26°C rimane allo stato liquido per tre mesi al Cairo ma risulta effettivo a Milano. Un’altra criticità è rappresentata dai cicli di carico e scarico del sistema: se il materiale non riesce a compiere un intero ciclo ogni giorno non ne viene sfruttato appieno il grande potenziale. I materiali a cambiamento di fase, inoltre, mostrano maggiore applicabilità se accoppiati a stratigrafie leggere, in edifici massivi, invece, non sortiscono lo stesso impatto. La maggior resistenza alla gande diffusione è, tuttavia, rappresentata dall’alto costo di produzione. I risultati indicano anche l’importanza di avere massa termica esposta nelle solette interpiano e nelle partizioni verticali interne, indipendenetmente dalla tipologia costruttiva dell’edificio e dei suoi componenti. L’aumento dela velocità del flusso di areazione presenta risultati promettenti. Tuttavia è da sottolineare che lo studio non considera il rapporto tra l’energia per il raffrescamento risparmiata e quella eletttrica consumata per mantenre il flzsso di areazione costante, la quale potrebbe aggiungere un’ulteriore dimensione al problema. Infine, una sezione sui possibili sviluppi ed ulteriori approfodnimenti correlati conclude la dissertazione con una prospettiva del futuro lavoro di ricerca.