Integrating life cycle sustainability assessment into building design and optimization : the case of energy retrofitting

The growing consensus about sustainability science has led to increasing research works in different fields of studies over the last decades. Building sector as one of the major contributors to sustainability dimensions is now one the main research fields in which sustainability assessment is being applied and Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) as a comprehensive approach towards evaluating building performance is becoming more scientifically popular these days however several challenges still exist to employ LCSA in a decision support system in building sciences. The need for an integrated LCSA framework as a prerequisite to resolve the existing challenges and facilitate the implementation of LCSA into building design and assessment is highlighted and reaffirmed by researchers in building science. Therefore, this research aims to propose a new LCSA-based model for performance-based design of new buildings as well as the energy retrofit design of existing ones. The research starts with a review on the concept of sustainability and will provide a new classification of the associated challenges of sustainability assessment in the decision context. Then with a focus on methodological challenges as the main concern of the research, it will be continued by a systemic review on the literature of LCSA application in energy retrofit design of existing buildings. Later by clarifying the methodological advances and limitations of the existing LCSA models, a new LCSA-based model will be proposed by providing a mathematical definition of LCSA in buildings. A set of interconnected equations will be proposed to formulate and measure the life cycle sustainability performance of buildings. Subsequently, the mathematical model of LCSA will be equipped with optimization and machine learning methods to better cope with the dynamic nature of a simulation-based building design process. Finally, the proposed LCSA-based model will be applied to design optimal energy retrofit scenarios of an existing building as an example to demonstrate the capabilities of the proposed model in a design process. The final chapter will also discuss the impact of development policies in the built environment for achieving decarbonization targets. It will bring new insight to rethink how different policies could influence the building sector’s sustainability.

Il crescente consenso sulla scienza della sostenibilità ha portato negli ultimi decenni ad aumentare i lavori di ricerca in diversi campi di studio. Il settore edile come uno dei principali contributori alle dimensioni della sostenibilità è ora uno dei principali campi di ricerca in cui viene applicata la valutazione della sostenibilità e la valutazione della sostenibilità del ciclo di vita (LCSA) come approccio globale alla valutazione delle prestazioni degli edifici sta diventando sempre più scientificamente popolare in questi giorni, tuttavia diversi esistono ancora sfide per impiegare LCSA in un sistema di supporto decisionale nelle scienze edilizie. La necessità di un framework LCSA integrato come prerequisito per risolvere le sfide esistenti e facilitare l'implementazione di LCSA nella progettazione e valutazione degli edifici è evidenziata e ribadita dai ricercatori nel campo della scienza delle costruzioni. Pertanto, questa ricerca mira a proporre un nuovo modello basato su LCSA per la progettazione basata sulle prestazioni di nuovi edifici e la progettazione di retrofit energetico di quelli esistenti. La ricerca inizia con una revisione del concetto di sostenibilità e fornirà una nuova classificazione delle sfide associate alla valutazione della sostenibilità nel contesto decisionale. Quindi, con un focus sulle sfide metodologiche come principale interesse della ricerca, si proseguirà con una revisione sistemica della letteratura sull'applicazione LCSA nella progettazione di retrofit energetico di edifici esistenti. Successivamente, chiarendo i progressi metodologici ei limiti dei modelli LCSA esistenti, verrà proposto un nuovo modello basato su LCSA fornendo una definizione matematica di LCSA negli edifici. Verrà proposto un insieme di equazioni interconnesse per formulare e misurare le prestazioni di sostenibilità del ciclo di vita degli edifici. Successivamente, il modello matematico di LCSA sarà dotato di metodi di ottimizzazione e apprendimento automatico per affrontare meglio la natura dinamica di un processo di progettazione di edifici basato sulla simulazione. Infine, il modello proposto basato su LCSA verrà applicato per progettare scenari ottimali di retrofit energetico di un edificio esistente come esempio per dimostrare le capacità del modello proposto in un processo di progettazione. Il capitolo finale discuterà anche dell'impatto delle politiche di sviluppo nell'ambiente costruito per il raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione. Porterà nuove intuizioni per ripensare a come le diverse politiche potrebbero influenzare la sostenibilità del settore edile.