Buildings acupuncture: regional characterization and assessment of Portuguese residential buildings

One of Europe’s largest energy consumption sources, the building sector is a focus area in the European Commission’s plans for energy efficiency improvement and greenhouse gas emissions reductions. Although legislative instruments already target new buildings’ sustainability, older buildings represent the biggest share of Europe’s stock and should be renovated to effectively reduce emissions in the sector. In Portugal, about 70% of the buildings were constructed before the implementation of energy performance regulations in 1990 and are not energy efficient. The enforced remote routine from the Covid-19 crisis evidenced thermal insulation issues and emphasized residential energy poverty (EP) conditions of the Portuguese population. Building owners can be key actors in the improvement of the national buildings stock’s energy efficiency and should be included in the buildings’ renovation process. Nevertheless, the great diversity of characteristics observed in the country’s residential buildings can be a roadblock in assessing and providing information about the different dwelling types. A bottom-up approach through the development of representative buildings typologies can be an optimizing tool in the building renovation aiming for energy efficiency improvement, enabling the proposal of sustainable retrofitting solutions for residential buildings on a larger scale. Therefore, this dissertation performs a cross-country assessment on the Portuguese residential buildings stock towards the definition of national representative typologies. A set of key building characteristics (e.g., area, floors, bearing structure) from the 2011 Census is used to identify predominant structural and architectural characteristics in the country’s residential buildings’ stock. Sub-regions’ Energy Poverty Vulnerability Index (EPVI) results and climatic zones guide the identification of priority statistical subsections for residential renovation. Sub-regions’ Energy Performance Certificates and subsections’ street view images are also used to assess residential buildings’ predominant constructive solutions and most distinctive visual elements. The most distinct building characteristics of the sub-regions were considered in the typologies’ 3D models construction in SketchUp. The results revealed Alentejo as the most distinct region regarding housing type and building’s bearing structure. Açores, Madeira, Norte and Alentejo are the regions with the highest percentage of sub-regions raking top five in vulnerability to EP. Tâmega e Sousa, Madeira and Baixo Alentejo are the most representative sub-regions in the rank from different climatic zones. Key-feature tables gathering the various regions’ residential buildings most distinct visual elements for all primary architectural components (roof, storeys, openings, envelope, access, plot) helped select examples of buildings used as a reference in the construction of the 3D models. The main differences observed in the three typologies regards the presence of sub-levels (underground floor), façade ornaments and structures, main accesses, number of openings, and plot (land lot) placement. Baixo Alentejo stands out for its typology's lack of setbacks, with few openings, and façade ornaments; Madeira’s most distinct visual element is the presence of an entry porch in its typology’s main entrance; and Tâmega’s typology is the only one with underground level and veranda, with a single flight of stairs and landing marking the main entrance. The typologies resulting from this work can be optimizing tools for residential energy efficiency renovation in sub-regions with vulnerable buildings stock, helping determine sources of energy inefficiency through the estimative of the baseline energy demand of existing buildings, allowing the proposal of adequate alleviation measures, and assisting with the integration of their owners as indispensable stakeholders on a large-scale intervention.Uma das maiores fontes de consumo de energia da Europa, o setor da construção é uma área foco nos planos da Comissão Europeia para a melhoria da eficiência energética. Embora instrumentos legislativos já visem a sustentabilidade de novas construções, edifícios antigos representam a maior parte do estoque da Europa e devem ser renovados para a redução efetiva das emissões no setor. Em Portugal, cerca de 70% dos edifícios foram construídos antes da implementação de regulamentos de desempenho energético em 1990 e não são energeticamente eficientes. A rotina remota forçada pela crise da Covid-19 evidenciou problemas de isolamento térmico e realçou as condições de Pobreza Energética (PE) residencial da população portuguesa. Os proprietários de edifícios podem ser atores-chave na melhoria da eficiência energética do parque imobiliário nacional e devem ser incluídos no processo de renovação dos edifícios. No entanto, a grande diversidade de características observada nos edifícios residenciais do país pode ser um obstáculo na avaliação e fornecimento de informações sobre os diferentes tipos de casas. Uma abordagem bottom-up através do desenvolvimento de tipologias de edifícios representativos pode ser uma ferramenta de otimização na renovação de edifícios visando a melhoria da eficiência energética, permitindo a proposição de soluções de retrofitting sustentáveis para edifícios residenciais em larga escala. Assim, esta dissertação realiza uma avaliação do parque de edifícios residenciais português para a definição de tipologias representativas nacionais. Um conjunto de características principais do edifício (por exemplo, área, pisos, estrutura de sustentação) extraídas do Censo de 2011 é usado para identificar as características estruturais e arquitetónicas predominantes no estoque de edifícios residenciais do país. O Índice de Vulnerabilidade à Pobreza Energética (EPVI) das sub-regiões e respetivas zonas climáticas orientam a identificação de subseções estatísticas prioritárias para renovação residencial. Os certificados energéticos das sub-regiões e imagens do Street View das subseções também são usados para avaliar as soluções construtivas predominantes dos edifícios residenciais e os elementos visuais mais distintos. As características de construção mais distintas das sub-regiões foram consideradas na construção de modelos 3D das tipologias no SketchUp. Os resultados revelaram o Alentejo como a região mais distinta em termos de tipologia habitacional e estrutura portante do edifício. Açores, Madeira, Norte e Alentejo são as regiões com maior percentagem de sub-regiões entre as mais vulneráveis à pobreza energética. Tâmega e Sousa, Madeira e Baixo Alentejo são as sub-regiões mais representativas do ranking em diferentes zonas climáticas. As tabelas de características principais reunindo os elementos visuais mais distintos dos edifícios residenciais das diferentes regiões para componentes arquitetónicos primários (telhado, andares, aberturas, envelope, acesso, lote) ajudaram a selecionar exemplos de edifícios que foram usados como referência na construção dos modelos 3D. As principais diferenças observadas nas três tipologias referem-se à presença de subníveis (subsolo), ornamentos e estruturas de fachada, acessos principais, número de aberturas e implantação no lote. O Baixo Alentejo destaca-se pela falta de recuos na sua tipologia, com poucas aberturas, e ornamentos de fachada; o elemento visual mais distinto da Madeira é a presença de alpendre de entrada na sua tipologia; e a tipologia do Tâmega é a única com cave e varandas, com um único lance de escada e patamar a marcar a entrada principal. As tipologias resultantes deste trabalho podem ser ferramentas de otimização para renovação de eficiência energética residencial em sub-regiões com estoque de edifícios vulneráveis, ajudando a determinar fontes de ineficiência energética através da estimativa da demanda energética dos edifícios existentes, permitindo a proposição de medidas de alívio adequadas, e auxiliando na integração de seus proprietários como stakeholders indispensáveis em uma intervenção em larga escala