Long-term environmental impact: solar shading devices in mitigating climate change effects on buildings

The thesis investigates the efficacy of solar shading devices in the mitigation of climate change impacts on existing building performance, with a specific focus on an office building located in Berlin, Germany. Nowadays the low-efficiency of existing building stock is emerging as an urgent issue, especially considering the continuous increase in outdoor temperatures associated with the evolving environmental conditions. In order to adapt existing buildings with current and future climate conditions, it is necessary to implement sustainable refurbishment solutions. An accurate climate analysis demonstrated the impact of projected rises in outdoor temperatures in the years 2050 and 2080 on the thermal performance of buildings, enhancing the need of adopting measures to address increasing cooling needs. Employing relevant tools and inputs from previous research, energy analyses are performed both for present climate conditions and predicted future scenarios. This study critically assesses the impact of various types of shading devices on energy use for ensuring thermal and visual comfort, mainly depending on different ways of filtering the incident solar radiation. The conversion of energy needs into operational carbon enhances the importance of taking into account systems efficiency and energy sources emissions during early-design phases. Through a fifty years life-cycle assessment focused on manufacturing, transportation, replacement and disposal stages of the shading devices products, the impact of materials and operation methods are highlighted. The implementation of solar shading devices such as venetian blinds and roller shades permits to achieve a substantial reduction in carbon dioxide emissions within a long-term scenario. For the specific case of study building the optimal solution are external roller blinds regulated by automated thermal control. The results show that carbon payback period for the integration of these shading devices is only 4 years, enhancing the efficacy of refurbishment strategies intended for mitigating cooling energy consumption. This research offers valuable insights for engineering firms into the efficiency and sustainability of solar shading devices, focusing on the importance of assessing the trade-off between embodied and operational carbon emissions associated to the refurbishment.

La tesi studia l'efficacia dei dispositivi di schermatura solare nella mitigazione degli effetti dei cambiamenti climatici sulle prestazioni degli edifici esistenti, con particolare attenzione su un edificio per uffici a Berlino, in Germania. Al giorno d'oggi, la bassa efficienza del patrimonio edilizio esistente sta diventando un problema urgente, soprattutto se si considera il continuo aumento delle temperature esterne correlato all'evoluzione delle condizioni ambientali. È necessario adottare soluzioni di ristrutturazione sostenibili per adattare gli edifici esistenti alle condizioni climatiche attuali e future. Un'analisi climatica approfondita ha mostrato gli effetti dell'aumento delle temperature esterne previsto per gli anni 2050 e 2080 sulle prestazioni termiche degli edifici, sottolineando quanto sia importante prendere misure per soddisfare le crescenti esigenze di raffrescamento. Sono state eseguite analisi energetiche sia per gli scenari climatici attuali che per quelli futuri utilizzando strumenti e input provenienti da ricerche precedenti pertinenti. Questo studio analizza l'impatto di diversi tipi di dispositivi di schermatura solare sul consumo energetico per garantire il comfort termico e visivo, in funzione dei diversi modi di filtrare la radiazione solare incidente. La conversione del fabbisogno energetico in emissioni di carbonio sottolinea quanto sia importante considerare l'efficienza degli impianti e le emissioni delle fonti energetiche nelle fasi iniziali della progettazione. Attraverso una valutazione del ciclo di vita di cinquant'anni che si concentra sulle fasi di produzione, trasporto, sostituzione e smaltimento dei dispositivi di schermatura, viene evidenziato l'impatto dei materiali e dei metodi di controllo. È possibile ottenere una significativa riduzione delle emissioni di anidride carbonica in uno scenario a lungo termine utilizzando dispositivi di schermatura solare come tende veneziane e tende a rullo. Le tende a rullo esterne con controllo termico automatizzato sono la soluzione ideale per l'edificio in questione. I risultati mostrano che l'integrazione di questi dispositivi di ombreggiatura ha un periodo di ammortamento del carbonio di soli 4 anni, migliorando l'efficacia delle strategie di ristrutturazione che mirano a ridurre il consumo di energia per il raffrescamento. Questa ricerca si concentra sull'importanza di valutare il compromesso tra le emissioni di carbonio legate a prodotti e materiali e le emissioni dovute all'uso dell'edificio associate alla ristrutturazione, fornendo preziose indicazioni per gli studi di ingegneria sull'efficienza e la sostenibilità dei dispositivi di schermatura solare.