Exploring the performance of historic residential building in South Tyrol: considerations on present and future climate

The European Union aims to achieve a 32.5% reduction in energy consumption by 2030 and to be climate-neutral by 2050 (an economy with net-zero greenhouse gas emissions). In order to achieve this efficiency target, Member States have set national goals to refurbish 3% of total residential and commercial buildings annually. Historic buildings account for more than one-quarter of Europe’s existing building stock and are going to be crucial in the achievement of future energy targets. Thus, conservation compatible solutions are urgently needed to guarantee modern standards of comfort while reducing the energy consumption and loss of heritage. Although a drastic reduction in the carbon emissions would slow climate change, some alteration in the climate is already certain, and therefore the impact of future climate should be considered when retrofitting a historic building. In South Tyrol, the annual temperature are expected to increase 1.2-2.7 °C by the end of the century, and extreme climatic events will be more frequent, such as heatwave and intense precipitation. The impact of these changes should be studied in terms of energy performance, occupants’ comfort, and heritage conservation. With climate change, inappropriate interventions might weaken the potential of original passive climate-adaptive systems, such as thermal mass and night cooling, leading to higher risks of overheating. This would ultimately lead to higher levels of discomfort or energy use for cooling. Additionally, retrofit solutions could change the moisture dynamics of historic envelopes, which might lead to moisture damages when combined with more extreme precipitation events. In this study, an in-depth review is conducted to collect recent literature that provided evidence of climate change’s impact on retrofitted buildings, revealing potential future risks. Then, the climate of South Tyrol is studied and divided into three homogeneous climate zones, and residential buildings are analyzed and categorized according to these climate zones and their most representative characteristics. It is found that there is a strong relationship between local climate and the characteristics of historic South Tyrolean residential buildings. The importance of other socio-economical parameters that go beyond purely climatic factors is also highlighted. The analysis and categorization of the built heritage stock allow proposing reference buildings that represent each category. Through the assessment of ten case studies of local renovation practice, current retrofit solutions are defined. Reference buildings with and without current retrofit solutions are simulated in present climate scenarios so that the performance of current retrofit solutions is assessed. Current retrofit solutions could achieve significant energy savings in winter in all three climate zones, and their negative impacts on overheating are limited in most of the reference buildings. In the case of moisture-related risks, the effect of the retrofit is closely related to the local climate. To quantify the impact of climate change of buildings performance, reference buildings (with and without current retrofit solutions) are simulated and compared in future climate scenarios. Retrofit solutions can still achieve important energy savings in the future in all three climate zones. However, with future climate change, overheating hours in retrofitted buildings increase significantly. Moreover, moisture-related risks also rise in some climate zones. The analysis of the performance shows that direct solar gains, the surface to volume ratio of the building and ventilation strategy are significant factors in thermal comfort; the main moisture source leading to moisture risks in wall is outwards vapor diffusion. According to the performance assessment, compatible retrofit solutions are proposed that could bring low energy use and improved thermal comfort to each reference building both in the present and future scenarios.

L'Unione europea ha stabilito la riduzione del 32,5% nel consumo di energia come scopo da raggiungere entro il 2030 verso una “climate-neutral economy” entro il 2050 (un'economia con emissioni nette pari a zero). Al fine di raggiungere questo obiettivo di efficienza, gli Stati membri hanno fissato obiettivi nazionali per rinnovare il 3% del totale degli edifici residenziali e commerciali ogni anno. Gli edifici storici rappresentano oltre un quarto del patrimonio edilizio esistente in Europa. Il loro efficientamento sarà cruciale nel raggiungimento dei futuri obiettivi energetici e pertanto sono urgentemente necessarie soluzioni compatibili con la conservazione per garantire standard contemporanei di comfort e per diminuire il consumo di energia contribuendo alla conservazione del patrimonio architettonico. Sebbene una drastica riduzione delle emissioni di carbonio rallenterebbe i cambiamenti climatici, un’alterazione del clima è già certa e pertanto l'impatto del clima futuro dovrebbe essere preso in considerazione quando si interviene su un edificio storico. In Alto Adige, è previsto che la temperatura annuale aumenti di 1,2-2,7 °C entro la fine del secolo e che gli eventi climatici estremi, come le ondate di caldo e le precipitazioni intense, saranno più frequenti. L'impatto di questi cambiamenti deve essere studiato in termini di comportamento energetico, comfort degli occupanti e conservazione del patrimonio. Con i cambiamenti climatici, interventi inappropriati potrebbero indebolire l’effetto delle soluzione passive originariamente utilizzate nell’architettura storica adattata ai climi esistenti, come la massa termica e il raffreddamento notturno. Ciò produrrebbe maggiori rischi di surriscaldamento inducendo livelli più elevati di disagio o aumento del consumo di energia per il raffrescamento. Inoltre, inappropriate soluzioni di risanamento potrebbero cambiare la dinamica dell'umidità nelle murature storiche, con conseguenti danni legati all’umidità se associate a eventi di precipitazione più estremi. In questa tesi, lo studio approfondito della letteratura recente fornisce delle prove dell'impatto che il cambiamento climatico porterà sugli edifici risanati, rivelando potenziali rischi futuri. Il clima dell'Alto Adige viene studiato e diviso in tre zone climatiche omogenee. Gli edifici storici residenziali vengono analizzati e classificati in base a queste zone climatiche e alle loro caratteristiche più rappresentative. Si è constatato che esiste una forte relazione tra il clima locale e le caratteristiche degli edifici residenziali storici dell'Alto Adige. L'importanza di altri parametri socio-economici che vanno oltre i fattori puramente climatici è anche evidenziata. L'analisi e la categorizzazione dello stock del patrimonio costruito permettono di proporre una serie di edifici di riferimento. Attraverso la valutazione di dieci casi di studio, le pratiche locali di risanamento vengono studiate. Le prestazioni degli edifici di riferimento, con e senza le soluzioni di risanamento attualmente adottate, sono state analizzate attraverso simulazioni in scenari climatici attuali per valutare le soluzioni di risanamento odierne. Il risanamento di edifici storici porta a significativi risparmi energetici in inverno in tutte e tre le zone climatiche e i loro impatti negativi sul surriscaldamento sono limitati nella maggior parte degli edifici di riferimento. Nel caso dei rischi legati all'umidità, l'effetto del risanamento è strettamente correlato al clima locale. Per quantificare l'impatto dei cambiamenti climatici sulle prestazioni degli edifici, sono state effettuate simulazioni (con e senza le soluzioni di risanamento attualmente adottate) per diversi scenari climatici futuri. Dall’analisi risulta che il risanamento permette ancora una volta di ottenere importanti risparmi energetici nei climi futuri in tutte e tre le zone climatiche. Tuttavia, con i futuri cambiamenti climatici, le ore di surriscaldamento negli edifici aumenteranno significativamente. Inoltre, in alcune zone climatiche aumenteranno anche i rischi legati all'umidità. L'analisi delle prestazioni mostra che i guadagni solari diretti, il rapporto superficie/volume dell'edificio e la strategia di ventilazione sono fattori significativi nel comfort termico. La principale fonte di umidità che comporta rischi di degrado nel muro è la diffusione del vapore verso l'esterno. Attraverso la valutazione delle prestazioni, vengono proposte soluzioni di risanamento compatibili con gli edifici storici e che potrebbero portare a un minore consumo di energia e a un maggiore comfort termico sia negli scenari presenti che futuri..