The impact of residential building facade design on CO₂ emission and energy consumption

The built environment is responsible for nearly 40% of global CO₂ emissions, placing it at the forefront of climate change mitigation strategies. Within this context, residential façade emerges as a critical determinant of both operational and embodied carbon performance. This thesis investigates the impact of façade design on carbon emissions and energy consumption, focusing on the Water-Side urban development in Rotterdam, the Netherlands. The research aims to identify design strategies that simultaneously support national climate objectives, align with European directives such as the Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) and the Paris Agreement, and advance the broader ambition of achieving net-zero buildings by 2050. The study adopts a multidisciplinary methodology that integrates policy and regulatory analysis, case study evaluation, narrative inquiry with key stakeholders, and parametric simulation modeling. By combining qualitative insights with quantitative performance data, the research provides a holistic understanding of how façade systems shape sustainability outcomes across different building typologies. Three representative categories—low-rise, mid-rise, and high-rise buildings—are examined to capture the diverse challenges and opportunities inherent to Rotterdam’s housing stock. The analysis covers three typologies, low-rise, mid-rise, and high-rise buildings, assessing façade opening ratios, insulation performance, material choices, and their combined impact on energy efficiency. Results demonstrate that bio-based materials significantly reduce embodied carbon, while hybrid systems provide a pragmatic compromise for mid- and high-rise applications. Energy simulations reveal that façade design strongly influences operational performance: glazing ratios of 30–40% achieve the best balance between daylight provision and energy demand, whereas higher percentages lead to substantial increases in cooling loads. Findings confirm that façade are not merely aesthetic envelopes but decisive leverage points in the transition to climate-neutral cities. By advancing knowledge on material substitution, passive strategies, and design optimization, the study contributes a practical framework for façade decision-making that integrates environmental performance with regulatory, social, and architectural considerations. While achieving absolute net-zero performance remains challenging, particularly in high-density contexts, façade optimization offers a clear and actionable pathway toward substantial emission reductions. Ultimately, the research positions the façade as both a technical mechanism and a symbolic frontier in sustainable architecture, bridging the gap between policy targets and built reality. The findings have broader applicability beyond Rotterdam, providing insights for urban regions worldwide that face similar challenges of densification, housing demand, and climate responsibility.

L’ambiente costruito è responsabile di quasi il 40% delle emissioni globali di CO₂, collocandosi così al centro delle strategie di mitigazione del cambiamento climatico. In questo contesto, le facciate residenziali emergono come un determinante cruciale sia delle prestazioni operative che del carbonio incorporato. Questa tesi indaga l’impatto della progettazione delle facciate sulle emissioni di carbonio e sul consumo energetico, con particolare attenzione allo sviluppo urbano di Waterkant a Rotterdam, nei Paesi Bassi. L’obiettivo della ricerca è individuare strategie progettuali che supportino simultaneamente gli obiettivi climatici nazionali, siano coerenti con le direttive europee come la Direttiva sulla Prestazione Energetica degli Edifici (EPBD) e l’Accordo di Parigi, e contribuiscano all’ambizione più ampia di raggiungere edifici a emissioni nette zero entro il 2050. Lo studio adotta una metodologia multidisciplinare che integra l’analisi delle politiche e dei regolamenti, la valutazione di casi studio, l’indagine narrativa con attori chiave e la modellazione parametrica delle simulazioni. Combinando approfondimenti qualitativi con dati quantitativi sulle prestazioni, la ricerca fornisce una comprensione olistica di come i sistemi di facciata plasmino i risultati di sostenibilità nei diversi tipi edilizi. Sono esaminate tre categorie rappresentative—edifici a bassa, media e alta altezza—al fine di cogliere le differenti sfide e opportunità insite nel patrimonio abitativo di Rotterdam. L’analisi considera queste tre tipologie, valutando i rapporti di apertura delle facciate, le prestazioni isolanti, la scelta dei materiali e il loro impatto complessivo sull’efficienza energetica. I risultati dimostrano che i materiali bio-based riducono in modo significativo il carbonio incorporato, mentre i sistemi ibridi rappresentano un compromesso pragmatico per le applicazioni medio-alte. Le simulazioni energetiche rivelano che la progettazione delle facciate influenza fortemente le prestazioni operative: rapporti di vetratura del 30–40% raggiungono il miglior equilibrio tra apporto di luce naturale e domanda energetica, mentre percentuali superiori comportano incrementi sostanziali dei carichi di raffrescamento. I risultati confermano che le facciate non sono meri involucri estetici, ma leve decisive nella transizione verso città climaticamente neutrali. Avanzando la conoscenza sulla sostituzione dei materiali, sulle strategie passive e sull’ottimizzazione progettuale, lo studio contribuisce a fornire un quadro pratico per il processo decisionale riguardante le facciate, che integra le prestazioni ambientali con considerazioni normative, sociali e architettoniche. Sebbene il raggiungimento di una prestazione net-zero assoluta resti complesso, soprattutto nei contesti ad alta densità, l’ottimizzazione delle facciate offre un percorso chiaro e concreto verso riduzioni sostanziali delle emissioni. In ultima analisi, la ricerca colloca la facciata sia come meccanismo tecnico che come frontiera simbolica nell’architettura sostenibile, colmando il divario tra gli obiettivi delle politiche e la realtà costruita. I risultati hanno una rilevanza che va oltre Rotterdam, offrendo spunti per le aree urbane di tutto il mondo che affrontano sfide simili legate alla densificazione, alla domanda abitativa e alla responsabilità climatica.