Innovative building envelopes with fibre reinforced composite materials and building integrated photovoltaics technology

The building envelope has a dominant impact on a building’s energy balance, and it plays an essential role towards the nearly Zero Energy Buildings (nZEB) target. Global energy demand is continuously growing, with the building sector consuming one third of the total energy supply in developed countries and one-fourth in developing ones. This research investigates the integration of innovative sustainable materials, specifically fibre-reinforced composite materials, and renewable energy sources (photovoltaics) into certified building envelope system technologies. The study follows a structured methodology, starting with a review of existing literature, enhancing current testing protocols with new experimental approach, and calibrating simulation models based on laboratory analysis. Façade systems, as represent generally the building skin, must increasingly meet complex functional requirements, such as green energy standards and weather resistance (e.g., wind load, air tightness, water penetration). Maintenance aspects and durability of facades kits and cladding solutions are mainly also involved in accordance with the long-term performance of the individual components and materials as well as product assembly and environment. Based on scientific and integrated design approach, the use of new technologies improves the overall performance of the building envelope, including solutions and integrations with photovoltaic systems as part of a holistic “green” strategy. The work provides a wide overview of the main variables involved in fibre reinforced composite material obtained with pultrusion process in terms of design, production, installation and possible use for new applications. Specific experimental tests on pultruded fibre-reinforced composites applied in ventilated façade components are presented, focusing on their mechanical, thermal, fire, and environmental performance. The proposed façade concept integrates photovoltaic cladding systems with an innovative fibre-reinforced composite material, used such as frame, subframe and specific components. These materials significantly reduce thermal bridges due to their low thermal transmittance compared to conventional solutions, thereby contributing to building energy efficiency. The final phase involves full-scale experimental validation to ensure replicability under real boundary conditions. Novel evaluation criteria are introduced to assess façade performance beyond current standards. Furthermore, glass fibre reinforced polymer, being non-electrically conductive, offers a unique ad-vantage for cladding systems incorporating active electrical devices. An overview of the environ-mental impact is also addressed, with emphasis on recyclable and reusable composites as part of the transition to a circular economy. This research is intended for a transdisciplinary audience of technicians, manufacturers, designers, practitioners, and researchers in pultruded fibre-reinforced composites, aiming to potentially bridge advancing knowledge between academia and industry. The findings highlight the novelty of using pultruded profiles in high-performance building skins, positioning them as a promising solution for innovative envelope systems.

L’involucro edilizio ha un impatto dominante sul bilancio energetico degli edifici e svolge un ruolo essenziale nel raggiungimento dell’obiettivo prestazionale definito di energia quasi zero (nZEB). La domanda energetica globale è in continua crescita, con il settore edilizio che consuma circa un terzo dell’energia totale nei paesi sviluppati e un quarto in quelli in via di sviluppo. Questa ricerca analizza l’integrazione di materiali innovativi compositi fibrorinforzati con fonti di energia rinnovabile (fotovoltaico) posti all’interno di sistemi di facciata certificati. La ricerca segue un approccio metodologico strutturato, dal preliminare studio della letteratura esistente fino all’analisi e revisione degli attuali protocolli di prova, dai nuovi approcci e metodologie sperimentali alla calibrazione di modelli analitici basati su evidenze di laboratorio. I sistemi di facciata, in quanto rappresentazione della “pelle” dell’edificio, devono soddisfare requisiti funzionali sempre più complessi, come il rispetto degli standard “green” sempre più stringenti, e la resistenza ai fenomeni atmosferici (ad esempio carichi di vento, permeabilità all’aria, tenuta all’acqua). Anche gli aspetti legati alla manutenzione e alla durabilità del “kit” di facciata e delle soluzioni di rivestimento risultano centrali, in relazione alle prestazioni a lungo termine dei singoli componenti e materiali, nonché all’assemblaggio dei prodotti rispetto alle condizioni ambientali di riferimento. Sulla base di un approccio scientifico e di progettazione integrata, l’uso di nuove tecnologie migliora le prestazioni complessive dell’involucro edilizio, includendo soluzioni di integrazione con sistemi fotovoltaici come parte di una strategia olistica. La ricerca fornisce un’ampia panoramica delle principali variabili coinvolte nel processo relativo ai materiali compositi fibrorinforzati ottenuti specificamente mediante pultrusione. Gli approfondimenti sono condotti con riferimento alla progettazione, produzione, installazione nell’ambito delle potenziali applicazioni innovative nei sistemi di facciata. Vengono presentate specifiche prove sperimentali su campionature di componenti della facciata, con particolare attenzione alle loro prestazioni meccaniche, termiche, di protezione al fuoco e ambientali. Il concetto di facciata proposto integra sistemi di rivestimento fotovoltaico con un materiale composito innovativo pultruso fibrorinforzato, utilizzato come elemento di telaio, sottostruttura e per componenti specifici. Tali materiali riducono in modo significativo i ponti termici grazie alla loro eccellente prestazione termica rispetto alle soluzioni convenzionali, contribuendo così all’efficienza energetica dell’edificio. Vengono inoltre introdotti nuovi criteri di valutazione per analizzare le prestazioni delle facciate oltre gli standard attuali. La ricerca è supportata da una fase di validazione sperimentale su scala al vero volta a garantire la replicabilità dei risultati basata su condizioni al contorno reali. Infine, il composito fibrorinforzato, essendo elettricamente non conduttivo, presenta specifici vantaggi per quei sistemi di rivestimento che integrano dispositivi elettrici di tipo attivo. Nella ricerca è inoltre presentata una panoramica relativa all’impatto ambientale, con particolare enfasi alla transizione verso le strategie relative all’economia circolare dei materiali compositi rinforzati con fibre di vetro. Questa ricerca è rivolta a un pubblico interdisciplinare composto da tecnici, produttori, progettisti, professionisti del settore e ricercatori nel campo dei materiali compositi fibrorinforzati pultrusi, operanti tra il mondo accademico e quello industriale. I risultati evidenziano la potenziale applicabilità dei profili pultrusi nei sistemi di involucro edilizio ad alte prestazioni, posizionandoli come una soluzione promettente per sistemi di facciata innovativi.