Passive mosaic energy optimization: toward free-running school buildings

Abstract

Technic, economic, environmental, and architectural constraints in existing building stocks set an energy renovation framework not always compatible with passive strategies. In deep energy renovations, the first line of action ought to be the passive improvement of the building envelope. Nonetheless, building renovation strategies use energy metrics suited for conditioned mode rather than thermal performance in passive mode. The predominance of energy metrics is due to the belief that mechanical systems guarantee indoor comfort conditions. However, thermal comfort is a pressing challenge in spaces without local controls. Such is the case of classrooms in primary schools where children cannot regulate the indoor environment and have limited adaptation possibilities. It is best to foster a passive free-running operation in classrooms due to the occupants' higher sensitivity and preference toward environmental conditions. This thesis addressed the passive optimization in existing educational building stock in free-running operations, i.e., not relying on active systems to maintain indoor comfort conditions. Reliably predicting the performance of passive strategies is troublesome since it is a function of the building emplacement, materiality, occupancy, the range of renovation measures, and the sequence of interventions. Building-integrated agriculture systems improve the thermal performance of the building envelope while increasing food security, social cohesion and provide learning opportunities. The energy modelling of such strategies is not implemented fully in energy simulation engines and, thus, requires the inclusion of the plant's heat exchange in the building's thermal balance. Identifying an optimal renovation strategy requires holistic assessment models encompassing all sustainability dimensions and an iterative simulation process based on stochastic optimization algorithms. However, exiting optimization tools do not handle complex simulation routines like those required for building-integrated agriculture systems. This thesis is presented as an article compendium where each article develops a specific aspect of passive optimization for building stocks. The first article develops a reductive urban energy model tailored for free-running building stocks. This model was applied to primary educational building stocks in Barcelona and Quito with accurate results at the building and urban levels. The second and third articles address the assessment of building-integrated agriculture systems from a holistic sustainability perspective and an indoor comfort perspective. For the latter, energy simulation includes the plant's heat and mass exchange as a function of the crop's growth. A future article will present an integer-constraint optimization algorithm that finds the most suitable passive strategies for each surface in the building envelope based on their environmental exposure. This method and a proof-of-concept are presented in this thesis. This surface-by-surface optimization results in a passive renovation strategy mosaic tailored to each building stock.

Las limitaciones técnicas, económicas, medioambientales y arquitectónicas del parque edilicio imponen estrategias de rehabilitación energética no siempre compatibles con actuaciones pasivas. En rehabilitaciones energéticas la primera línea de actuación debe ser la mejora pasiva de la envolvente del edificio. No obstante, los proyectos de renovación evalúan su eficacia en base a consumo energético en vez de desempeño térmico en modo pasivo. El predominio de índices energéticos se debe a la creencia de que los sistemas mecánicos garantizan las condiciones de confort interior. Sin embargo, en espacios sin controles activos locales, el confort es un desafío. Esto sucede en las aulas de las escuelas primarias donde los niños no pueden regular el ambiente interior y tienen limitadas posibilidades de adaptación. En las aulas se debe fomentar el funcionamiento pasivo debido a que los niños tienen mayor sensibilidad y preferencia hacia las condiciones ambientales. Esta tesis abordó la optimización pasiva del parque educativo existente desde una perspectiva de confort y sin depender en sistemas activos. Es desafiante predecir de manera confiable el desempeño de las estrategias pasivas ya que intervienen simultáneamente el emplazamiento del edificio, la materialidad, la ocupación, las estrategias de renovación y la secuencia de intervenciones. Los sistemas agrícolas integrados en edificios mejoran el rendimiento térmico de la envolvente del edificio al tiempo que aumentan la seguridad alimentaria, la cohesión social y brindan oportunidades de aprendizaje. El modelado energético de tales estrategias no está implementado en los motores de simulación energética y, por lo tanto, requiere la inclusión del intercambio de calor de las plantas en el balance térmico del edificio. Identificar una estrategia de renovación óptima requiere modelos de evaluación holísticos que abarquen todas las dimensiones de la sostenibilidad y un proceso de simulación iterativo basado en algoritmos de optimización estocástica. Sin embargo, las herramientas de optimización existentes no manejan rutinas de simulación complejas como las requeridas para modelar sistemas agrícolas integrados. Esta tesis se presenta como un compendio de artículos donde cada artículo desarrolla un aspecto específico de la optimización pasiva para el parque edilicio. El primer artículo desarrolla un modelo energético urbano reductivo especializado en parques edilicios no acondicionados. Este modelo se aplicó al parque de edificios escolares de Barcelona y Quito dando buenos resultados tanto a nivel de edificio como a nivel urbano. El segundo y tercer artículo abordan la evaluación de los sistemas agrícolas integrados en edificios desde una perspectiva de sostenibilidad holística y una perspectiva de confort interior. Para este último, la simulación energética incluyó el intercambio de calor y masa de la planta en función del crecimiento del cultivo. Un artículo futuro presentará un algoritmo de optimización con restricción de números enteros para encontrar las estrategias pasivas más adecuadas para cada superficie en la envolvente del edificio en función de su exposición ambiental. Este método y una prueba de concepto son presentados como parte de esta tesis. Esta optimización superficie por superficie da como resultado una estrategia tipo mosaico de renovación pasiva adaptada a cada edificio.

Les limitacions tècniques, econòmiques, mediambientals i arquitectòniques del parc edificatori existent imposen estratègies de rehabilitació energètica no sempre compatible amb actuacions passives. En rehabilitacions energètiques, la primera línia d'actuació ha de ser la millora passiva de l'envolupant de l'edifici. No obstant això, els projectes de renovació avaluen la seva eficàcia sobre la base del consum energètic en comptes del rendiment tèrmic en mode passiu. El predomini d'índexs energètics és degut a la creença que els sistemes mecànics garanteixen les condicions de confort interior. Tot i això, en espais sense controls actius locals, el confort és un desafiament. Això passa a les aules de les escoles de primària on els nens no poden regular l'ambient interior i tenen limitades possibilitats d'adaptació. A les aules s'ha de fomentar el funcionament passiu pel fet que els nens tenen més sensibilitat i preferència cap a les condicions ambientals. Aquesta tesi va abordar l’optimització passiva del parc educatiu existent des d’una perspectiva de confort i sense dependre de sistemes actius. És problemàtic predir de manera fiable el rendiment de les estratègies passives ja que intervenen simultàniament l'emplaçament de l'edifici, la materialitat, l'ocupació, les estratègies de renovació i la seqüència d'intervencions. Els sistemes agrícoles integrats en edificis milloren el rendiment tèrmic de l'envolupant de l'edifici alhora que augmenten la seguretat alimentària, la cohesió social i ofereixen oportunitats d'aprenentatge. El modelatge energètic d'aquestes estratègies no està implementat als motors de simulació energètica i, per tant, requereix la inclusió de l'intercanvi de calor de les plantes al balanç tèrmic de l'edifici. Identificar una estratègia de renovació òptima requereix models d'avaluació holístic que abastin totes les dimensions de la sostenibilitat i un procés de simulació iteratiu basat en algorismes d'optimització estocàstica. Tot i això, les eines d'optimització existents no manegen rutines de simulació complexes com les requerides per modelar sistemes agrícoles integrats. Aquesta tesi es presenta com un compendi d’articles on cada article desenvolupa un aspecte específic de l’optimització passiva per al parc edilici. El primer article desenvolupa un model energètic urbà reductiu especialitzat en parcs edilicis no condicionats. Aquest model es va aplicar al parc d´edificis escolars de Barcelona i Quito donant bons resultats tant a nivell d´edifici com a nivell urbà. El segon i el tercer article aborden l'avaluació dels sistemes agrícoles integrats en edificis des d'una perspectiva de sostenibilitat holística i una perspectiva de confort interior. Per a aquest darrer, la simulació energètica va incloure l’intercanvi de calor i massa de la planta en funció del creixement del cultiu. Un article futur presentarà un algorisme d'optimització de restriccions enteres per trobar les estratègies passives més adequades per a cada superfície a l'envolupant de l'edifici en funció de la seva exposició ambiental. Aquest mètode i una prova de concepte es presenten en aquesta tesi. Aquesta optimització superfície per superfície dóna com a resultat una estratègia mosaic de renovació passiva adaptada a cada edifici