Low-cost intelligent refurbishment of façades : a study of Barcelona public school building façades

Abstract

(English) Due to the fact that construction, maintenance, and operation of buildings consume almost 40% of global energy today, architects play a major role in the reduction of world energy consumption. Building’s façades can have a significant and measurable impact on the economic, environmental, and social performances by edifices, and their retrofit is seen as a key solution to the problem of today’s aging building stock. Concerning overheating and the potential loss of internal heat, transparent parts of the building façade have a large effect on the building’s energy consumption. Within this context, the use of intelligent systems on architecture envelopes can fulfill contemporary demands as promising solutions regarding energy efficiency, emissions, or the degree of visual contact in building environments.

In Spain, boom periods of construction combined with typical building styles of each period, have resulted in a large stock of aging educational buildings at risk of structural vacancy and obsolescence. Despite their lack of insulation, high air infiltration, and solar gain, many such edifices from the 1970s-1980s are still in use today. Moreover, the majority of today's buildings will still be in use in 2050 based on the Spanish edifices' annual replacement rate of 3% according to the European Commission.

The main objective of this Ph.D. thesis is to analyze, develop and promote intelligent services to existing façades to optimize these buildings' economic, environmental, and social sustainability performances through a holistic and innovative sustainability assessment model.

To do so, the first phases of this thesis, the author carried out a deep documental investigation on more than 800 research articles regarding intelligent façade systems, advancements in material engineering, user demands, automations, and their sustainability performance following the preferred reporting items for systematic reviews and meta-analyses reporting standards.

Based on the results from preliminary investigations, different low-cost and environmental-friendly dynamic façades have been prototyped in the context of the Spanish public schools targeting pupils' academic progress through optimizing the lighting and thermal comfort levels. These prototypes have been developed by employing municipal solid waste materials during participatory workshops with school pupils. This concept is expected to promote awareness and better management of our society's critical waste generation by returning waste to the reusing cycle.

From the data collected, researchers found that intelligent façade design and application result from a complex decision-making process. The cost and long-term nature of the investment mean that the façade decision is strategic. Accordingly, the next phase examined the actuality of intelligent façade projects in practice through conducting in-depth exploratory methodologies and tools for analyzing, evaluating, and designing among the incorporation of interdisciplinary experts in the topic. Finally, the last phase experimentally monitored and tested the developed prototypes and other test samples of various waste items.

The findings show that the process of façade retrofit that fulfills the school building functioning, energy performance, emissions, costs, and appearance, requires the realm of the profession. The members involved in the retrofitting projects of public primary school buildings mainly had to make initial façade design decisions based on ideas resulting from cognition and drawing on experience.

This thesis and its subsequent conceptual framework provide a new overview of waste-based construction materials and their introduction to developing intelligent façade technologies, through scientific indexes that can be useful for occupants, builders, architects, and policymakers to have a good understanding of the potential contributions that intelligent façades provide.

(Català) La construcció, el manteniment i funcionament de edificis consumeixen quasi el 40% de l'energia actual, així que els arquitectes tenen un paper fonamental en la reducció del consum energètic. Les façanes poden tenir un impacte significatiu i mesurable en el rendiment econòmic, mediambiental i social dels edificis, i la rehabilitació es considera una solució clau per al problema de l'envelliment del parc immobiliari actual. Pel que fa al sobreescalfament i possible pèrdua de calor interna, les parts transparents de les façanes tenen un gran efecte en el consum energètic de l'edifici. Així, es poden satisfer les demandes actuals amb l'ús de sistemes intel·ligents a envolupants arquitectòniques, com ara solucions prometedores en eficiència energètica, emissions o grau de contacte visual en entorns construïts.

A Espanya, els períodes d'apogeu de la construcció han donat lloc a nombrosos edificis educatius envellits que corren el risc de quedar obsolets. Tot i la manca d'aïllament, problemes d'infiltracions d'aire i guany solar, molts d'aquests edificis dels anys 70-80 segueixen en ús avui dia. A més a més, la majoria d'aquests edificis continuaran en ús el 2050, si es té en compte que la taxa de substitució anual dels edificis espanyols és del 3%, segons la Comissió Europea.

“L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral és analitzar, desenvolupar i promoure serveis intel·ligents per a façanes existents per optimitzar les prestacions de sostenibilitat econòmica, mediambiental i social dels seus edificis mitjançant un model holístic i innovador d'avaluació de la sostenibilitat”.

Per això, les primeres fases d'aquesta tesi, van investigar en profunditat més de 800 articles científics sobre sistemes de façanes intel·ligents, avenços en l'enginyeria de materials, demandes dels usuaris, automatitzacions i el seu rendiment global en matèria de sostenibilitat, seguint els ítems preferits per a la presentació d'informes de revisions sistemàtiques i metaanàlisi.

Considerant investigacions preliminars, s'han creat prototips de façanes dinàmiques de baix cost i respectuoses amb el medi ambient en el context dels col·legis públics espanyols, l'objectiu dels quals és el progrés acadèmic dels alumnes mitjançant l'optimització dels nivells d'il·luminació i confort tèrmic. Aquests prototips han estat desenvolupats amb residus sòlids municipals durant tallers participatius amb els alumnes d’escoles. S'espera que aquest concepte promogui conscienciació crítica i una millor gestió dels residus de la nostra societat, tornant els residus al cicle de reutilització.

A partir de les dades recollides, s’ha comprovat que el disseny i aplicació de façanes intel·ligents són fruit d'un complex procés de presa de decisions. El cost i naturalesa de la inversió a llarg termini fan que la decisió sobre la façana sigui estratègica. La fase següent va examinar l'actualitat dels projectes de façanes intel·ligents a la pràctica mitjançant metodologies i eines exploratòries per a l'anàlisi, avaluació i disseny en profunditat amb la incorporació d'experts interdisciplinaris. La darrera fase va supervisar i provar experimentalment els prototips desenvolupats.

Els resultats mostren que el procés de rehabilitació de façanes que compleix en funcionament, rendiment energètic, emissions, costos i aparença de l'escola requereix l'àmbit de la professió. Els participants a la rehabilitació d'edificis de primària van haver de prendre principalment decisions inicials sobre el disseny de la façana basades en idees resultants de la cognició i experiència.

Aquesta tesi i el seu marc conceptual proporcionen una nova visió de la construcció basada en residus i la seva introducció en el desenvolupament de tecnologies de façanes intel·ligents, a través d'índexs científics que poden ser útils per a què ocupants, constructors, arquitectes i responsables polítics tinguin una bona comprensió de les contribucions potencials que proporcionen les façanes intel·ligents.