Analysis of options for the envelope retrofitting in post-independence buildings in India. Optimization of the energy performances and outdoor & indoor comfort conditions in 4 different climate contexts

Retrofit is a necessary step to reach the energy and carbon reduction goals. In order to do so, building industry needs to design and construct effective refurbishment strategies. This research focuses on the data driven retrofit of the building envelope as it has a very big influence on the energy reduction process. The idea is to develop a guidance for a contextual retrofit strategy. This research aims at top down approach to analyze the climatic condition and traditional building methods, based on which, a façade system needs to be formulated keeping in mind the local materials so that a circular approach in maintained in the building process and the building materials are in a close loop, reducing the cost of the façade retrofit and efficient resource utilization. The goal is to develop a façade retrofit plan for the existing building stock to make the buildings more resilient against climate change, both inside and outside and to enhance the building energy performance. The starting point of the research is to identify the need for the residential building stock in India which largely contribute to the total energy consumption. The post-independence housing stock in India, have undergone a spatial transformation after thirty years of its construction to accommodate the growing family size and they do not meet the current energy standards, are in dire need for retrofitting. On average, a building's envelope is responsible for a third of its energy consumption. Therefore, taking the whole life cycle from construction to demolition into consideration, it is more favorable to give an old building a new façade than to construct a new building. With this as the starting point of the thesis, the first step was to determine the existing conditions of the building stocks and the climate typology for the research. India is a large country with multiple climate typology. But the most part of the land is covered by 4 climate typologies chosen for this research. They are- Hot & Dry (Ahmedabad), Composite (New Delhi), Temperate (Bangalore) and Hot & Humid (Mumbai). A detailed analysis of the climate typology helped to obtain the design period, and the predominant cooling energy demand. The summer period from March to June has high cooling energy demand. The demand reduces after summer with the onset of Monsoon season, where the solar gains are less due to cloud-cover, but cooling energy needs are prevalent due to high relative humidity in the atmosphere. A study on the traditional architecture of these 4-climate typology was don’t to understand the traditional construction technologies and the use of the local materials to create sustainable buildings. Analysis on the existing building stocks identifying the existing construction technologies, revealed high cooling loads in Summer. This is due to the high solar gains in the absence of efficient shading system and insufficient envelope insulation. The single glazing window also contributed to high solar gains, resulting in high indoor air temperature. The existing building components are compared to the Energy Conservation Building Code standards to understand the gap between the current situation and the desired one. With the initial energy analysis on the existing building, the proposals for the retrofit were suggested. First the level of intervention was determined from the various method of the traditional retrofit plan. Add-on and wrap-up were the most relevant in this case for the retrofit of the existing building stock, and intervention that would not cause disrupt in the daily life of the existing user. Determining the level of intervention, the next step was to propose the retrofit for each component of the building envelope. Firstly, determining a schedule for the plants in case of a residential building had to be determined. The perception survey on the usage of Air conditioner and the time of usage revealed the most generalized timing for the plant to work was between 11 pm to 5 am at night and 12 pm to 3 pm in the afternoon for all the days of the weeks. An analysis on the shading system was performed, with Horizontal, Horizontal + Vertical (West) and Eggcrate shading system was analyzed in three sizes, 20 cm, 30 cm and 45 cm following the local bylaws for the maximum size of projections allowed. In case of Ahmedabad and Mumbai, the 45 cm Eggcrate shading was the most efficient one, with Cooling energy reduction of 21.5 % (144 KWh/m2 to 113 KWh/m2) and 24.14 % (116 KWh/m2 to 88 KWh/m2) respectively. In case of Delhi, a 45 cm Horizontal + Vertical Shading got the cooling energy need reduced by 17.4 % (115 KWh/m2 to 95 KWh/m2). Bangalore saw a reduction of 13.5% (37 KWh/m2 to 32 KWh/m2) with a use of 30 cm Horizontal shading. After the shading, the Glazing was improved to a double glazing and detailed analysis of the energy needs changing the frame percentage and the internal shading was performed. All the windows on the South and West was replaced from a single glazing window to a double glazing 6 mm with 12 mm Airgap window. The most optimized solution for Ahmedabad was the 30% Frame with Light Colored Venetian Blind, For Delhi, 10% Frame, with Louvre Type 2, Bangalore- 30% frame, Louvre Type 2 and Mumbai- 30% frame and light-colored Venetian Blind. Facade retrofit solutions were proposed keeping in mind the usage of local materials and the traditional construction methods studied earlier in the thesis. Compressed Stabilized Earth Blocks (CSEB), Bamboo Walls, Ventilated Façade with Terracotta Tiles and Green facades were proposed for the façade retrofit. 29% reduction in Ahmedabad, 30% reduction in Delhi with CSEB wall with insulation and 15.7% cooling load reduction with Green Walls in Mumbai were observed after the analysis. Bangalore, however, didn’t show any improvement in terms of façade retrofit, thus retaining the existing façade. The influence of the façade retrofit on the outdoor thermal condition was evaluated and the cost implications for each of the façade typology was analyzed. Thus, the aim of this thesis to formulate a retrofit measure with local materials and contextual significance was discussed and obtained. Further studies in this similar line of thought can be investigated to reduce the cost of existing technologies with alternative solutions keeping the energy reduction standards same.

Il lavoro di tesi nasce dalla necessità di approfondire e sviluppare l’ambito di ricerca della riqualificazione del patrimonio di edifici residenziali in India che, non rispettando gli attuali standard energetici, contribuiscono in larga misura al consumo totale di energia del paese. Nei paesi sviluppati, in cui sono presenti politiche per la riduzione delle emissioni di carbonio nel periodo 2020-2050, i progetti architettonici sono stati sviluppati in modo più consapevole, applicando soluzioni e tecniche per ridurre l'impronta di carbonio degli edifici. Il settore delle costruzioni è uno dei più importanti nell'economia di un paese e i progettisti - architetti e ingegneri – prestano particolare attenzione alla integrazione di soluzioni per migliorare l'utilizzo di energia negli edifici. In India, gli edifici postindipendenti, che costituiscono una grande parte dello stock di edifici residenziali, sono ampiamente responsabili dei consumi energetici totali. Molti di questi edifici hanno subito una trasformazione spaziale dopo trent'anni di costruzione per adattarsi alla crescente dimensione della famiglia. Ma questi edifici non soddisfano gli attuali standard energetici e necessitano di un retrofit. Mentre gli architetti lavorano sulla pianificazione degli spazi e degli orientamenti in modo tale che le risorse naturali possano essere utilizzate nell'edificio, gli ingegneri edili e i progettisti di facciate stanno lavorando su tecniche innovative di involucro per ridurre l'impronta di carbonio e migliorare le tecniche di risparmio energetico. L’involucro costituisce una delle parti più importanti degli edifici. Non solo conferisce alla struttura un'identità unica, ma influisce anche sulle prestazioni dell'edificio. L'illuminazione, l'ombra, le radiazioni solari, il vento, il rumore, tutti questi parametri sono inseriti nel sistema dell'edificio dall’involucro. In media, l'involucro di un edificio è responsabile di un terzo del suo consumo di energia. Pertanto, prendendo in considerazione l'intero ciclo di vita dalla costruzione alla demolizione, si hanno maggiori benefici dando a un vecchio edificio una nuova facciata piuttosto che costruirne uno nuovo. La demolizione è un'attività che consuma energia, mentre la produzione e il trasporto di nuovi materiali e la costruzione di un nuovo edificio comportano costi aggiuntivi. E’ stato dimostrato che se la struttura portante principale di un edificio degli anni '60 / '70 è solida, con un'altezza ragionevole, allora il rinnovamento - con miglioramento dell'involucro - è in media sette volte più favorevole dell'opzione di demolizione / nuova costruzione in termini di energia investimento. La progettazione efficiente dell'involucro condiziona la scelta dei materiali di finitura delle facciate e contribuisce a garantire che venga costruito un edificio sostenibile. Devono essere noti gli elementi costruttivi, le proprietà dei materiali, la fisica delle costruzioni, gli aspetti di manutenzione e riparabilità dei materiali e degli impianti tecnici negli edifici. L’involucro è uno dei componenti tecnicamente più impegnativi e complessi di un edificio, l'enfasi per un tecnologo edile risiede nella progettazione e nella costruzione di facciate. Pertanto, una conoscenza preliminare del consumo finale di energia aiuterà i decisori a scegliere la soluzione migliore per ogni progetto di retrofit. La progettazione dell'involucro dell'edificio è basata sul clima. Il clima svolge un ruolo molto importante nella progettazione della facciata. Gli stili architettonici tradizionali possono anche essere implementati per creare una facciata. Nonostante numerosi progetti già realizzati, lo sviluppo e la realizzazione di involucri edilizi adattativi è ancora nella fase iniziale. Oltre alle nuove tecnologie che consentono comportamenti adattivi, devono essere sviluppati strumenti di simulazione e metodi di prova adeguati; le norme e i regolamenti esistenti devono essere adattati e devono essere sviluppati concetti olistici per integrare tali facciate nel sistema generale dell'edificio. L'obiettivo principale del progetto di tesi è la progettazione di un involucro edilizio efficiente basato sull’analisi climatica e sull’utilizzo di materiali locali contestuali. Le nuove sfide nel mondo delle costruzioni derivano dal passaggio verso un paradigma di generazione di energia decentralizzata e infrastrutture urbane altamente interconnesse, in cui gli edifici diventano nodi interattivi di reti più grandi. Analogamente, l'interazione tra l'involucro edilizio e il tessuto urbano circostante, che dà origine ad un effetto isola di calore urbano elevato, è stata esaminata in questa ricerca in cui sono stati studiati la temperatura operativa esterna e l'indice di riflettanza solare delle diverse soluzioni di involucro proposte. Un ulteriore aumento dell'efficienza energetica degli edifici e un ambiente interno sano e confortevole per gli utenti sono le principali sfide. In caso di progetti di retrofit, l'aspetto finanziario del progetto è una sfida importante. Sono state studiate soluzioni economiche e sostenibili con materiali locali per adeguamenti ragionevoli. Anche le modalità di realizzazione degli interventi sono state analizzate poiché questi edifici sono già in uso e quindi occupati. Nonostante la ricerca esistente sulle nuove tecnologie per l'involucro edilizio intelligente e interattivo, è anche importante identificare le diverse facciate tradizionali ad alte prestazioni in termini di costruzione, durata, comportamento strutturale, risparmio energetico, costi, gestione energetica e qualità dell’aria interna. I principali obiettivi della ricerca hanno riguardato lo sviluppo di possibili soluzioni di involucro a basso costo, con materiali sostenibili adatto alla specifica zona climatica per diverse applicazioni tecnologiche, caratterizzato da una matrice di parametri determinanti, congiuntamente allo sviluppo di una analisi della letteratura sulle possibili soluzioni di mercato, fornendo una caratterizzazione sistematica delle tendenze future e nuovi scenari applicativi. Questa ricerca ha mirato alla identificazione delle soluzioni di retrofit di facciata adatti al contesto, alla zona climatica e ai materiali locali. Sono state identificate e valutate le strategie di riqualificazione efficiente, la riduzione del fabbisogno energetico, l’aumento del comfort termico outdoor. Infine, sono state aggiunte delle considerazioni sui costi delle misure di retrofit proposte per fornire indicazioni sulla loro fattibilità nel contesto indiano.