Towards net-zero carbon facades. (Bio)-circular strategies for Curtain Walls retrofitting

Energy retrofitting is central to achieving Europe’s goal of carbon neutrality by 2050, and office buildings, responsible together with wholesale buildings for around 50% of the energy consumption of the non-residential sector, offer great potential. Their building envelopes are associated with 50–60% of total heat losses and are essential for improving energy efficiency. Since the 1980s, glazed Curtain Walls (CW), 36% of total office building envelopes, (with glass at 60% per module), have contributed to high energy losses while adding significant Embodied Carbon (EC) due to glass disposal at the End of Life (EoL). Considering their lifespan of 30 years and current overheating problems due to global warming, CW systems require improved EoL strategies as well as enhanced energy performance, possibly without affecting their EC. In this regard, using bio-residues, absorbing carbon over growth and storing it until their EoL, offers an alternative for CWs insulation. This research combines circular construction and bio-circularity to develop and assess a new context-based energy retrofitting strategy for CW systems, tailored to specific geographies, - Italy, Germany and Sweden, due to their different climatic conditions and office building stock potential -, related available resources and needs. In this context, it explores the integration of agro-industrial bio-residues for producing Mycelium-Based Composite (MBC) thermal insulation, alongside strategies for glass recovery and reuse from existing CW systems. Two key retrofitting scenarios are explored: (1) by mean of comparative Life Cycle Assessment (LCA), the carbon savings given by the use of an alternative CW module made of remanufactured glass and reused aluminium and steel are analyzed in comparison with a standard CW module made of virgin materials; (2) through its technological development, a new retrofitting solution, based on the indoor overcoating of a CW facade with MBC insulation, is designed, assessed and prototyped to enhance energy conservation while extending the façade service life. In this context, the thesis, adopts a multi-disciplinary and multi-scalar approach, which goes from the material to the façade system scale, combining notions of architecture, engineering and biology. By doing so, it offers insights on Europe office building potential and available bio-materials for construction applications, and informs on the quantitative benefits the adoption of alternative retrofitting strategies might achieve towards a net-zero built environment.

L’efficientamento energetico del patrimonio edilizio rappresenta un elemento chiave per il raggiungimento dell’obiettivo europeo della neutralità climatica entro il 2050. In questo contesto, gli edifici per uffici rivestono un ruolo particolarmente rilevante: insieme agli edifici commerciali, sono responsabili di circa il 50% dei consumi energetici del settore non residenziale e presentano quindi un notevole potenziale di miglioramento. Gli involucri edilizi, cui è attribuibile tra il 50% e il 60% delle dispersioni termiche complessive, costituiscono uno degli ambiti di intervento più efficaci per incrementare le prestazioni energetiche degli edifici. A partire dagli anni Ottanta, le facciate continue vetrate (Curtain Walls), che rappresentano circa il 36% degli involucri degli edifici per uffici e sono costituite per il 60% da superfici vetrate, hanno contribuito in modo significativo sia alle perdite energetiche sia all’aumento del carbonio incorporato, in particolare a causa dello smaltimento dei suoi materiali costituenti, quali vetro e alluminio. Considerando una vita utile media di circa trent’anni e le crescenti problematiche di surriscaldamento dovute all’aumento delle temperature, i sistemi CW richiedono oggi strategie più efficaci sia per la gestione del loro fine vita sia per il miglioramento delle loro prestazioni energetiche, senza tuttavia incrementarne il carbonio incorporato. In tale prospettiva, l’impiego di bio-residui, capaci di assorbire anidride carbonica durante la fase di crescita e di immagazzinarla fino al termine del proprio ciclo di vita, rappresenta un’interessante alternativa per l’isolamento termico delle facciate continue. In questo contesto, la presente ricerca integra principi di circolarità e di bio-circolarità per sviluppare e valutare una nuova strategia di riqualificazione energetica delle curtain walls, definita in funzione del contesto geografico di applicazione. Nello specifico, la ricerca esplora l’impiego isolanti termici mico-compositi, costituiti da bio-residui agroindustriali legati tramite crescita di micelio, in combinazione a strategie di recupero e riutilizzo del vetro proveniente da facciate continue esistenti attraverso due scenari di intervento valutati in tre geografie di interesse, (Italia, Germania e Svezia), selezionati per le loro differenti condizioni climatiche e per le caratteristiche del loro patrimonio immobiliare destinato a uffici e per la disponibilità di risorse locali. Il primo scenario valuta, mediante Life Cycle Assessment (LCA), i risparmi di carbonio ottenibili attraverso l’utilizzo di un modulo curtain wall realizzato con vetro rigenerato e componenti in alluminio e acciaio riutilizzati, confrontandolo con un modulo convenzionale prodotto a partire da materiali vergini. Il secondo scenario prevede lo sviluppo tecnologico, la valutazione e la prototipazione di una nuova soluzione di retrofit basata sull’applicazione a ridosso di parte della facciata curtain wall esistente di un rivestimento isolante in MBC, con l’obiettivo di migliorare le prestazioni energetiche dell’edificio, prolungando la vita utile dell’involucro. In questo modo, la tesi adotta un approccio multidisciplinare e multiscalare che spazia dalla scala della risorsa a quella del materiale, fino a quella del sistema di facciata, integrando competenze proprie dell’architettura, della fisica tecnica e della biologia. Attraverso questa prospettiva, il lavoro fornisce nuove conoscenze sul potenziale di riqualificazione del patrimonio europeo di edifici per uffici e sulle opportunità offerte dai biomateriali nel settore delle costruzioni, quantificando al contempo i benefici derivanti dall’adozione di strategie alternative di retrofit nel percorso verso un ambiente costruito a emissioni net-zero.