Fenhuangzhen. A case of retrofitting in an heritage site in China

The building sector is accountable for the 40% of global annual GHG (Green House Gas) emissions. Of those total emissions, building operations (related to heating, cooling, DHW and lighting and appliances) are responsible for 28% annually, while building materials and construction (related to embodied energy) are responsible for an additional 12% annually. Without widespread existing building decarbonization across the globe, it is not possible to achieve the Paris Agreement and recent COP26 accord of 1.5°C target. Achieving zero emissions from the existing building stock will require leveraging building intervention points to accelerate the rate of energy upgrades e.g. increasing energy efficiency, eliminating on-site fossil fuels, and generating and/or procuring 100% renewable energy. In order to increase the energy efficiency, it is mandatory to find new active or passive solutions capable of: reducing the energy consumption, reducing the energy cost of the materials, selecting whenever possible, local natural materials - or suitably compatible and optimization of the heating and cooling supply solutions. The main objective of the present thesis is to explore and study the possibilities to reduce the GHG emissions in Fenhuang Town, that has been declared as a Cultural Heritage Site by the Chinese Government. The methodology used for this purpose is based on ‘Integrated Design Procedure’. This study regarding Fenhuang town follows different phases: - The city analysis consisting of study on the urban fabric, its peculiarities, and the characteristics of the different building typologies. - The definition of a set of rules based on the heritage values of the different buildings for the regulation of the future interventions, providing protection to the most important characteristics of the town. - The design of a Cultural Center to study the possible applications of the retrofitting techniques and its benefits on existing structures and new ones. - The design of a new Courtyard, coherent to the urban fabric, with the subsequent analysis of the building energy consumption. - The intervention on an existing structure belonging to the heritage protected buildings, to explore the possibilities to create the comfort conditions in this particular typology. The design and creation of a parametric model is fundamental to evaluate the energy behaviour of the different buildings in the different seasonal conditions (summer, winter, and mid seasons) during the year. With the different simulations, it was possible to evaluate the improvement of the energy demand through envelope improvement, the setpoints optimizations and subsequently, the energy supply through the design of low and energy efficient technologies and renewable energy systems (RES), to maintain the comfort conditions inside the building. The intervention on the envelope of a building and the creation of tailored solutions allows the designers to reduce the energy consumption, therefore the GHG emissions by 60%, as demonstrated through the present study.

Il patrimonio architettonico mondiale è responsabile per il 40% circa delle emissioni dei gas effetto serra, il 28% di questo totale rappresenta le emissioni dovute a tutte le operazioni necessarie per il funzionamento dell’edificio (riscaldamento, raffrescamento, produzione di acqua calda sanitaria, illuminazione ed elettrodomestici), mentre la produzione dei materiali (energia grigia) e la costruzione degli edifici sono imputabili per un’ulteriore 12%. Senza una diffusione a larga scala di operazioni di decarbonizzazione per gli edifici esistenti non sarà possibile raggiungere il tetto massimo di 1.5 °C di innalzamento delle temperature definito durante l’accordo di Parigi ed il recente COP26. Per ridurre le emissioni da parte degli edifici esistente, è necessario intervenire su diversi fronti, in modo da accelerare il tasso di miglioramenti energetici, ad es. l’aumento dell’efficienza energetica, l’eliminazione dell’utilizzo di combustibili fossili e favorire la produzione e/o il consumo di energia proveniente da fonti rinnovabili. L’obiettivo di questo elaborato di tesi è quindi l’esplorazione e lo studio delle possibilità di ridurre le emissioni di Gas effetto serra da parte del tessuto urbano di Fenhuang, città cinese dichiarata come Patrimonio Culturale. Lo studio effettuato dall’autore si comporrà da diverse fasi: - L’analisi della città, dove l’autore, studierà il tessuto urbano, le sue peculiarità e le caratteristiche delle diverse tipologie presenti - La definizione di un set di regole, basate sull’importanza storica dei diversi manufatti presenti sul suolo della città, cercando di regolare i futuri interventi, fornendo protezione alle più importanti caratteristiche urbane e architettoniche della città. - Il progetto di un Centro Culturale, in modo da studiare l’applicazione delle varie tecniche di retrofitting ed i benefici che possono essere apportati in un contesto misto di strutture esistenti e nuove - Il progetto di una nuova Courtyard che dovrà risultare coerente con il tessuto urbano, pur utilizzando un linguaggio diverso, questo nuovo edificio inoltre servirà come modello per la progettazione di nuovi edifici lungo la strada storica - L’intervento su un edificio protetto in modo da capire quali sono gli interventi di retrofitting possibili, mantenendo intatti i caratteri importanti di questa tipologia Per effettuare tutte le simulazioni è fondamentale, progettare e creare un modello parametrico in grado di valutare il comportamento degli edifici nelle diverse condizioni climatiche (estive, invernali e durante le mezze stagioni) che si possono presentare durante l’anno. Grazie a queste simulazioni, inoltre, è stato possibile valutare l’influenza delle varie operazioni di ottimizzazione delle stratigrafie, della definizione dei diversi setpoint per le temperature interne e successivamente, la progettazione di metodi di produzione di energia a partire da fonti di energia rinnovabili per mantenere le condizioni di comfort all’interno dell’edificio. Gli interventi sull’involucro dell’edificio e la progettazione di soluzioni ad hoc, rendono possibile ai progettisti di ridurre il consumo di energia e di conseguenza le emissioni dei gas effetto serra del 60%, come dimostrato dal presente elaborato.