The application of the energy calculation in the building design process. Investigation on the exploitation of existing energy calculation

Abstract

Els edificis, des de la construcció, a l'ús, fins a la demolició, són responsables d'un considerable impacte sobre el medi ambient. Bona part de l'impacte ambiental del sector de la construcció està relacionat amb el consum d'energia. Dintre de les fases del cicle de vida de l'edifici, la fase d'ús és aquella en què s'empra la major quantitat de energia. A l'hora de considerar l'impacte del sector, és necessari prendre en compte que la nova construcció és encara predominant a escala global. En projectes de nova construcció és essencial que ja des de les fases de disseny es prenguin les decisions coneixent les seves implicacions en termes d'energia, per a reduir l'impacte negatiu dels futurs edificis. En aquest context, les eines existents per a modelar el funcionament energètic dels edificis poden aplicar-se per a predir les seves prestacions. Alguns autors apunten a aquest tipus d'aplicació com prometedora per a una millor utilització de l'energia en els edificis. A pesar de l'existència d'una gran varietat d'eines que apliquen des de mètodes de càlcul simplificat fins a mètodes de simulació avançada, avui dia el seu ús en la pràctica professional és limitat. Sovint, els càlculs de les prestacions energètiques es limiten a les etapes finals del projecte. En molts casos es tracta de verificacions convencionals, com sol ocórrer en l'aplicació dels procediments de càlcul necessaris per a la certificació energètica. Les auditories energètiques més detallades són desenvolupades per part d'un nombre limitat de consultores energètiques en uns pocs països i es porten a terme per a edificis excepcionals per magnitud i tipologia. Les excepcions existents no són rellevants respecte a l'impacte global del sector de la construcció en el medi ambient. En la majoria dels projectes els procediments de càlcul de les prestacions energètiques no estan integrats al llarg de tot el procés de disseny; la seva eficaç i efectiva incorporació en la rutina dels professionals en suport a les decisions de projecte és fora del comú. Resulta paradoxal que les eines de càlcul s'explotin més en projectes excepcionals que en la gran majoria dels projectes que realment determinar l'impacte del sector. En aquesta tesi, investiguem l'ús de mètodes per al càlcul de les prestacions energètiques dels edificis en la pràctica rutinària del projecte. L'objectiu és entendre millor les barreres i les potencialitats dels diferents tipus de mètode de càlcul que existeixen actualment amb la finalitat de millorar la seva explotació. El nostre interès es dirigeix, més enllà de projectes singulars, cap a la integració de l'avaluació energètica en l'activitat dels professionals comuns. Amb aquest estudi pretenem contribuir a omplir un buit que és reconegut en la literatura: la necessitat de més investigació sobre la integració en el procés de disseny de les eines per al càlcul de les prestacions energètiques dels edificis. La majoria dels estudis s'aproximen a aquest tema des dels camps de l'enginyeria i de la física de la construcció. En canvi, en aquesta tesi s'aborda el tema des de la perspectiva del projecte, parant esment al procés a través del que es genera la solució de projecte. Per tant, el focus no està en l'anàlisi energètica, sinó en la seva integració en el procés de disseny. El treball realitzat inclou una investigació teòrica i dos cas d'estudis. La investigació teòrica abasta àrees disciplinessis que tendeixen a estar separades en la literatura, com el projecte arquitectònic i l'avaluació energètica dels edificis. Aquest enfocament interdisciplinari és la base per a examinar l'ús dels mètodes de càlcul de les prestacions energètica en el context del projecte. Els dos casos d'estudi serveixen de complement a la investigació teòrica. Cadascun se centra en la reconstrucció i l'anàlisi del procés de disseny d'un edifici multi-familiar d'habitatges socials. En ambdós casos hem examinat de quina manera els mètodes de càlcul aplicats per l'equip de projecte han estat integrats en el procés. La investigació teòrica es basa en la revisió de la literatura seguint dues línies paral•leles d'estudi. Una línia aborda el procés de disseny de l'edifici, abastant des d'estudis previs sobre el disseny, fins a metodologies per a la integració de l'avaluació energètica en el procés de disseny. El treball posa en evidència la complexitat del procés de disseny, ressaltant el seu caràcter holístic i dinàmic. L'altra línia d'investigació s'ocupa de l'avaluació energètica dels edificis i en particular dels mètodes per al càlcul de les prestacions energètiques. L'estudi posa de manifest la gran diversitat que existeix en la ventall dels mètodes disponibles. A través d'aquestes dues línies d'investigació s’estableix la base per al següent pas de la investigació: a partir d'aquí es tracta la utilització dels mètodes de càlcul existents en el context del projecte. L'anàlisi teòrica es complementa mitjançant l'observació del disseny en la pràctica professional. L'estudi mostra que part dels obstacles que dificulten una aplicació eficaç de les eines per al càlcul energètic és inherent al procés de disseny. Es posa de manifest que cada fase del procés de disseny és distinta, l'evolució del procés és en gran mesura impredictible i la faceta de l'energia s'ha de conciliar amb altres aspectes del projecte que sorgeixen al llarg del procés. Per aquest motiu no és trivial coordinar l'anàlisi de les prestacions energètiques amb altres tasques de disseny. A més de les dificultats que comporta el disseny, el desafiament per als equips de projecte es complica encara més a causa de la complexitat intrínseca de l'avaluació energètica. En aquest context, la selecció d'una eina apropiada es torna crucial. Estudis precedents destaquen la necessitat d'investigar sobre la identificació de mètodes de càlcul adequats per al disseny. Per aquesta raó, una part central en el treball aborda la identificació d'eines adequades per a les diferents fases del procés de disseny. Estudis anteriors han considerat diverses eines i comparat cadascuna analitzant les seves característiques. En aquesta tesi en canvi, analitzem com aquestes característiques s'adapten a les necessitats d'un equip de professionals que s'enfronta a un procés de disseny, ressaltant les diferències entre cada fase del procés i la singularitat de cada projecte. En particular, identifiquem i analitzem deu factors clau per a la integració de mètodes de càlcul apropiats en el projecte (per exemple, la immediatesa, l'exactitud, la capacitat de resposta a les decisions de disseny i la flexibilitat a les modificacions de projecte). Aquest conjunt de factors permet analitzar sistemàticament com les característiques de les eines de càlcul s'adeqüen a les necessitats del projecte. En aquesta tesi es destaca que la selecció de mètodes de càlcul adequats comporta un compromís difícil. Una aplicació eficaç dels mètodes de càlcul existents requereix la capacitat d'enfrontar-se a necessitats contradictòries, i trobar un equilibri entre elles que sigui adequat per a cada projecte. Per exemple, les necessitats de detall en el model i d'exactitud en el càlcul han de conciliar-se amb a la informació disponible en cada fase de projecte. Alhora, la creació d'un model detallat ha de ser compatible amb la quantitat de temps disponible i amb la necessitat de sincronitzar les tasques de disseny. Així mateix, la complexitat del model ha de ser congruent amb les competències de l'equip de disseny. Tots aquests factors, que són determinants per a l'elecció dels mètodes de càlcul, no són obvis. Es poden comprendre a fons solament si el procés de disseny, un context d'aplicació complex, s'entén amb claredat. El conflicte argumentat en aquesta tesi entre necessitats contraposades dintre d'un mateix projecte ofereix una clau per a explicar l'ús limitat de les eines de càlcul energètic. En contrast amb aquesta tendència, a través de l'anàlisi sistemàtica sobre la integració en el projecte de mètodes de càlcul apropiats, vam intentar construir un marc conceptual que és necessari per a millorar l'aplicació de les eines. Aquesta sistematització és indispensable per a facilitar la identificació d'eines adequades dintre de les pràctiques rutinàries del projecte. La capacitat de seleccionar mètodes de càlcul apropiats és essencial per a que el seu ús s'estengui entre més professionals i per a que les eines de càlcul es puguin explotar d'una manera més fructuosa.

Los edificios, desde la construcción, al uso, hasta la demolición, son responsables de un considerable impacto sobre el medio ambiente. Buena parte del impacto ambiental del sector de la construcción está relacionado con el consumo de energía. Dentro de las fases del ciclo de vida del edificio, la fase de uso es aquella en que se emplea la mayor cantidad de energía. A la hora de considerar el impacto del sector, es necesario tomar en cuenta que la nueva construcción es todavía predominante a escala global. En proyectos de nueva construcción es esencial que ya desde las fases de diseño se tomen las decisiones conociendo sus implicaciones en términos de energía, para reducir el impacto negativo de los futuros edificios. En este contexto, las herramientas existentes para modelar el funcionamiento energético de los edificios pueden aplicarse para predecir sus prestaciones. Algunos autores apuntan a este tipo de aplicación como prometedora para una mejor utilización de la energía en los edificios. A pesar de la existencia de una gran variedad de herramientas que aplican desde métodos de cálculo simplificado hasta métodos de simulación avanzada, hoy día su uso en la práctica profesional es limitado. A menudo los cálculos de las prestaciones energéticas se limitan a las etapas finales del proyecto. En muchos casos se trata de verificaciones convencionales, como suele ocurrir en la aplicación de los procedimientos de cálculo necesarios para la certificación energética. Las auditorías energéticas más detalladas son desarrolladas por parte de un número limitado de consultoras energéticas en unos pocos países y se llevan a cabo para edificios excepcionales por tamaño y tipología. Las excepciones existentes no son relevantes respecto al impacto global del sector de la construcción en el medio ambiente. En la mayoría de los proyectos los procedimientos de cálculo de las prestaciones energéticas no están integrados a lo largo de todo el proceso de diseño; su eficaz y efectiva incorporación en la rutina de los profesionales en soporte a las decisiones de proyecto es fuera de lo común. Resulta paradójico que las herramientas de cálculo se exploten más en proyectos excepcionales que en la gran mayoría de los proyectos que realmente determinar el impacto del sector. En esta tesis, se investiga el uso de métodos para el cálculo de las prestaciones energéticas de los edificios en la práctica rutinaria del proyecto. El objetivo es entender mejor las barreras y las potencialidades de los distintos tipos de método de cálculo que existen actualmente con el fin de mejorar su explotación. Nuestro interés se dirige, más allá de proyectos singulares, hacia la integración de la evaluación energética en la actividad de los profesionales comunes. Con este estudio se pretende contribuir a llenar un vacío que es reconocido en la literatura: la necesidad de más investigación sobre la integración en el proceso de diseño de las herramientas para el cálculo de las prestaciones energéticas de los edificios. La mayoría de los estudios se aproximan a este tema desde los campos de la ingeniería y de la física de la construcción. En cambio, en esta tesis se aborda el tema desde la perspectiva del proyecto, prestando atención al proceso a través del cual se genera la solución de proyecto. Por tanto, el foco no está en el análisis energético, si no en su integración en el proceso de diseño. El trabajo realizado incluye una investigación teórica y dos caso de estudios. La investigación teórica abarca áreas disciplinares que tienden a estar separadas en la literatura, como el proyecto arquitectónico y la evaluación energética de los edificios. Este enfoque interdisciplinario es la base para examinar el uso de los métodos de cálculo de las prestaciones energética en el contexto del proyecto. Los dos casos de estudio sirven de complemento a la investigación teórica. Cada uno se centra en la reconstrucción y el análisis del proceso de diseño de un edificio multifamiliar de viviendas sociales. En ambos casos hemos examinado de qué manera los métodos de cálculo aplicados por el equipo de proyecto han sido integrados en el proceso. La investigación teórica se basa en la revisión de la literatura siguiendo dos líneas paralelas de estudio. Una línea aborda el proceso de diseño del edificio, abarcando desde estudios previos sobre el diseño, hasta metodologías para la integración de la evaluación energética en el proceso de diseño. El trabajo pone en evidencia la complejidad del proceso de diseño, resaltando su carácter holístico y dinámico. La otra línea de investigación se ocupa de la evaluación energética de los edificios y en particular de los métodos para el cálculo de las prestaciones energéticas. El estudio pone de manifiesto la gran diversidad que existe en la abanico de los métodos disponibles. A través de estas dos líneas de investigación se establece la base para el siguiente paso de la investigación: a partir de aquí se trata la utilización de los métodos de cálculo existentes en el contexto del proyecto. El análisis teórico se complementa mediante la observación del diseño en la práctica profesional. El estudio muestra que parte de los obstáculos que dificultan una aplicación eficaz de las herramientas para el cálculo energético es inherente al proceso de diseño. Se pone de manifiesto que cada fase del proceso de diseño es distinta, la evolución del proceso es en gran medida impredecible y la faceta de la energía se tiene que conciliar con otros aspectos del proyecto que surgen a lo largo del proceso. Por este motivo no es trivial coordinar el análisis de las prestaciones energéticas con otras tareas de diseño. Además de las dificultades que conlleva el diseño, el desafío para los equipos de proyecto se complica aún más debido a la complejidad intrínseca de la evaluación energética. En este contexto, la selección de una herramienta apropiada se vuelve crucial. Estudios precedentes destacan la necesidad de investigar sobre la identificación de métodos de cálculo adecuados para el diseño. Por esta razón, una parte central en el trabajo aborda la identificación de herramientas adecuadas para las distintas fases del proceso de diseño. Estudios anteriores han considerado varias herramientas y comparado cada una analizando sus características. En esta tesis en cambio, analizamos como estas características se adaptan a las necesidades de un equipo de profesionales que se enfrenta a un proceso de diseño, resaltando las diferencias entre cada fase del proceso y la singularidad de cada proyecto. En particular, identificamos y analizamos diez factores clave para la integración de métodos de cálculo apropiados en el proyecto (por ejemplo, la inmediatez, la exactitud, la capacidad de respuesta a las decisiones de diseño y la flexibilidad a las modificaciones de proyecto). Este conjunto de factores permite analizar sistemáticamente como las características de las herramientas de cálculo se adecuan a las necesidades del proyecto. En esta tesis se destaca que la selección de métodos de cálculo adecuados conlleva un compromiso difícil. Una aplicación eficaz de los métodos de cálculo existentes requiere la capacidad de hacer frente a necesidades contradictorias, y encontrar un equilibrio entre ellas que sea adecuado para cada proyecto. Por ejemplo, las necesidades de detalle en el modelo y de exactitud en el cálculo tienen que conciliarse con a la información disponible en cada fase de proyecto. A la vez, la creación de un modelo detallado debe ser compatible con la cantidad de tiempo disponible y con la necesidad de sincronizar las tareas de diseño. Asimismo, la complejidad del modelo debe ser congruente con las competencias del equipo de diseño. Todos estos factores, que son determinantes para la elección de los métodos de cálculo, no son obvios. Se pueden comprender a fondo solo si el proceso de diseño, un contexto de aplicación complejo, se entiende con claridad. El conflicto argumentado en esta tesis entre necesidades contrapuestas dentro de un mismo proyecto ofrece una clave para explicar el uso limitado de las herramientas de cálculo energético. En contraste con esta tendencia, a través del análisis sistemático sobre la integración en el proyecto de métodos de cálculo apropiados, intentamos construir un marco conceptual que es necesario para mejorar la aplicación de las herramientas. Esta sistematización es indispensable para facilitar la identificación de herramientas adecuadas dentro de las prácticas rutinarias de proyecto. La capacidad de seleccionar métodos de cálculo apropiados es esencial para que su uso se extienda entre más profesionales y para que las herramientas de cálculo se puedan explotar de un modo más fructuoso.

Buildings, from the construction to the use until the disposal, are responsible for a considerable impact on the environment. Much of the environmental impact of the building sector is related to energy use. In the whole building life-cycle, the largest amount of energy is employed for the building operation. When the sector impact is considered, it is necessary to take into account that new construction is still predominant at a global scale. In projects of new construction it is essential to make energy conscious decisions from the design phases to limit the negative impact of new buildings. In this context the use of existing energy modelling tools to predict building performance is seen as a promising way to improve the energy performance of buildings. Despite the existence of a great variety of tools, which implement from simplified calculation methods to advanced simulation methods, their use in current design practise is limited at present. Often energy calculations are confined to final design stages and conventional verifications, as it frequently occurs in the application of energy certification procedures. Meanwhile, deeper analyses are circumscribed to a few engineering firms in a few countries and they regard exceptional buildings in size and typology. Existing exceptions are not relevant for the global impact of the building sector. In most projects energy modelling is not deeply integrated throughout the whole process. Its effective penetration in routine work of practitioners to support design decisions is very restricted. The paradox is that energy modelling has more application in exceptional projects than in the great majority of projects that really determine the sector impact. In this thesis, the use of energy calculation methods in routine design is investigated. The aim is to better understand the application barriers and the potential of existing modelling approaches, in order to improve their exploitation. Our concern is the integration of energy assessment in the activity of common practitioners behind exceptional cases. With this study we intend to contribute to filling a gap that is recognised in literature: the need for more research on the integration of energy modelling into the design process. Most studies have been carried out in the fields of engineering and building physics. This thesis instead is approached from the design perspective, paying attention to the process by which the design solution is generated. Then the focus is not on energy analysis, but on its integration in the design process. The work carried out includes a theoretical research and two case studies. The theoretical research encompasses disciplines that tend to be separated in literature, as building design and energy performance assessment. This interdisciplinary approach is the base to examine the use of existing modelling methods within the context of building design. The theoretical research is complemented with the two case studies, each one concerning the reconstruction and the analysis of the design process of a multifamily building for social housing. In both cases we have examined how the calculation methods applied by the design team have been integrated into the process. The theoretical research is based on the review of the literature following two parallel lines of inquiry. One line deals with the building design process, spanning from previous studies on design to methodologies for the integration of performance assessment in building design. The work reveals the complexity of design, evidencing the dynamic and holistic nature of the design process. The other line of inquiry deals with energy performance assessment, and in particular, with existing methods for the calculation of the energy performance of buildings. The study gives evidence of the considerable diversity existing in the range of the available methods. These two lines of inquiry set the base for the next step of the research, which focuses on the use of existing modelling methods within the context of building design. Our theoretical analysis is complemented by observation of the real design practice. The study shows that a part of the obstacles that hinder an effective application of energy modelling are inherent to the design process. In fact, the stages of the design process differ from each other, the evolution of the process is largely unpredictable, and the energy aspect must be conciliated with other aspects that rise through the process. So it is not trivial to coordinate the energy assessment with other design tasks. The challenge for design teams is complicated further by the intrinsic complexity of building energy analysis. In this context the selection of an appropriate tool becomes crucial. Precedent studies highlighted the need for research on the identification of suitable modelling methods. For this reason, a central part in the work deals with the identification of appropriate tools to be used at different stages of the design process. Precedent studies have made a screening of individual tools to scrutinize their features. In the thesis instead we focus on how tools features match with design needs, stressing the differences between design stages and the singularity of each project. In particular we identify and discuss ten key factors for the suitability of energy modelling tools (such as feedback immediacy, responsiveness to design decisions, flexibility to design modification, accuracy and so on). This framework provides a systematic way of analysing how tools features match with design needs. The work presented in this thesis highlights that the selection of suitable calculation methods entails a difficult trade-off. In fact, the effective application of existing calculation methods requires the capacity to cope with conflicting needs in order to find a proper balance for each project. For instance, the detail and the accuracy of the model have to adapt to the information available at each design stage. At the same time, the creation of a detailed model must be compatible with the time limitations of the project and the synchronization of design tasks. Likewise, the model complexity must be congruous with the competences of the design team. All these factors, which are determinant for the choice of the energy calculation methods, are not self-evident. They are comprehensible only if the design process, the context of application, is well understood. The conflicting needs that we have identified provide an explanation for the limited use of energy calculation tools. At the same time, the systematic analysis on the suitability of calculation methods constitutes a conceptual framework that may improve the application of tools. In fact, this systematization is necessary to facilitate the identification of suitable tools for routine design. The proper selection of the calculation methods is essential to extend their use and exploit them in a more fruitful way.