Daylight performance assessment of an innovative energy efficient building envelope

Buildings are considered to be one of the primary contributors to the socioeconomic development of a country. However, they use a large portion of energy and available natural resources. With the industrialization leading to an increase in urban population, the number of urban buildings which has major effects on energy consumption, has significantly increased. Even with the implementation of energy efficient policies, energy consumption in buildings has regularly grown over the last decades affecting the building's operating cost. For this reason, the construction industry seeks to create a model of sustainable development in buildings which has low environmental impact and high economic and social gains. Currently, most of the world population is gathered in buildings mainly placed in urban areas. Unfortunately, a big part of these buildings are badly constructed without or with unsuitable insulation on the building envelope, and without any heating system. After some decades in use, these buildings suffer from an unacceptable interior living environment due to the unappropriated building envelope solution. This practice causes energy losses through the façades and roofs while producing low interior comfort inside the building, as well as health problems to the occupants. Therefore, nowadays the building industry is concerned with designing new construction solutions with novel components and geometries which are able to face the current energy inefficiency in buildings. The TCP is a novel energy efficient building envelope construction solution which is capable of channeling the sunlight through the opaque part of the walls. Its versatility is based on its capacity for concentrating and scattering daylight into the building's interior while achieving energy savings, i.e. reducing dependence on artificial lighting and also improving the occupant's interior comfort. The complexity of this novel construction solution comes from the physical behavior and geometry of its components, i.e. the Compound Parabolic Concentrator (CPC) and the Optical Fiber (OF). Currently, there is no software in the market that can simulate the daylight transmission of the CPCs and the OFs. In addition, there are no daylight metrics able to properly assess the daylight performance of the TCP. In this sense, this research considered this TCP innovative to give answers to the aforementioned problems. In fact, the building case study shows how is possible to energy retrofit existing façades and roofs while improving the interior living environment and also reducing the energy consumption of the heating and/or cooling systems. This confirm the need to urge the construction industry to design and develop novel energy efficient construction solutions, e.g. Translucent Concrete Panel (TCP). The TCP has the capability of daylight permeability in an anidolic way through the opaque parts of the exterior façades and roofs. Due to the nature of traditional building materials blocking the passage of natural light, there is a constant requirement of artificial lighting into the building, even during daytime. On the other side, some of the most commonly used daylight metrics are not precise enough in order to assess the daylight performance of the prototype. For this reason, the research has designed new daylight tests adapted to the TCP daylight features in order to evaluate its daylight performance. In fact, this is the first required step for future research lines that will be based on computer simulations that to rapidly assess influential parameters of the novel building envelope in several building sub-systems and systems.Els edificis estan considerats els primers contribuïdors del desenvolupament socioeconòmic d’un país. No obstant, utilitzen una gran quantitat d’energia i recursos naturals disponibles. Amb la industrialització, que va donar lloc a un increment de la població urbana, aquest resulta un factor que ha fet augmentar el nombre d’edificis urbans i ha creat un major efecte en el consum energètic. Tot i la implementació de polítiques d’eficiència energètica, el consum energètic ha augmentat durant les ultimes dècades afectant a la despesa operacional de l’edifici. Per aquesta raó, la indústria de la construcció cerca crear models de desenvolupament sostenible en edificis i que tinguin un baix impacte mediambiental i un alt impacte econòmic i guanys socials. Això requereix l’adopció d’un sistema integrat que cobreixi un nombre de característiques tals com reducció energètica, millora de l’ús de materials, la qual cosa inclou l’aigua, reutilització i reciclatge de materials, i emissions de control. Més que mai, a dia d’avui hi ha una creixent preocupació per l’esgotament dels recursos naturals. Per tant, desenvolupament i implementació de noves tecnologies d’energia renovable s’han tornat importants i necessàries per la societat. Des de que la terra rep constantment radiació solar, la qual resulta una font d’energia gratuïta neta i abundant, la utilització de la energia solar en edificis esta agafant força. A dia d’avui, amb les noves tecnologies, la llum solar pot ser emprada per una varietat d’usos, tals com generadora d’electricitat, llum interior natural, escalfadora d’aigua, entre altres. Actualment els nous edificis acostumen a integrar sistemes solars dintre de la part exterior de la envolvent, els quals poden col·lectar grans quantitat d’energia solar. A més a més, els humans hem evolucionat sota la influència de la llum del sol i el cicle llum-foscor mitjançant el desenvolupament d’una varietat d’avantatges psicològics, la qual cosa afecta al caràcter i salut de la gent, així com menor absència del lloc de treball i més alta productivitat. Després de la introducció de la llum elèctrica, la gent va començar a passar més temps dins de l’interior dels edificis. Conseqüentment, el confort tèrmic es va tornar un factor significatiu pels humans amb vistes a desenvolupar una activitat dintre de l’edifici. Així que, una millora en la eficiència energètica dels edificis contribueix al confort interior i la salut dels ocupants. Per aquest motiu, façanes i cobertes multifuncionals estan darrerament guanyant l’atenció del mercat de la construcció a causa de la seva versatilitat en l’estalvi d’energia i la millora en el confort interior de l’edifici. La present recerca pretén cobrir les qüestions comentades amb anterioritat referents a la millora de l’eficiència energètica dels edificis i obtenir, d’aquesta manera, una reducció en consum energètic amb tecnologies innovadores que utilitzen fonts d’energia solar per crear un ambient interior confortable. Per aquest objectiu, la present Tesis s’ha dividit en dos línies de treball. La primera línia de recerca descriu i il·lustra els problemes constructius més habituals durant el cicle de vida de les façanes i cobertes dels edificis construïts amb una solució constructiva de baix rendiment energètic. Per tant, s’ha estudiat un cas real on s’ha rehabilitat energèticament la envolvent exterior d’un edifici plurifamiliar d’habitatge social. Aquesta feina te la intenció entendre la complexitat i els requeriments de la envolvent exterior de l’edifici en termes d’eficiència energètica, juntament amb el confort interior dels ocupants. A través del cas real estudiat, s’ha observat millores significatives en l’estalvi energètic després de la rehabilitació energètica de les façanes i cobertes que dóna lloc a un augment del confort tèrmic interior. El resultat demostra la necessitat que hi ha d’empènyer a la indústria de la construcció de dissenyar i desenvolupar noves envolvents exteriors energèticament eficients tant per noves construccions com per edificis rehabilitats. Una de les solucions novells és el cas del Panell de Formigó Translúcid (Translucent Concrete Panel – TCP). El TCP presenta una nova alternativa passiva el qual redueix el consum energètic tot optimitzant l’entrada de llum solar natural a dintre de l’edifici a través de la tradicional part opaca de les parets exterior de façana i coberta. Això permet la permeabilitat de la llum natural a través de les parets tot millorant el confort tèrmic i lumínic interior. Basada en els resultats obtinguts en la primera línia de recerca, la segona línia només estudia i analitza el comportament de la llum del TCP. Durant les darreres dècades, ciència i indústria han creat diferents sistemes lumínics actius i passius els quals intenten proveir solucions per reduir i alleugerir la ineficiència energètica dels edificis. El TCP es veu com una nova tecnologia constructiva, energèticament eficient, dissenyada per envolvents exteriors, i que té la propietat de resoldre la càrrega energètica de la part opaca de les parets i permetre l’entrada de llum natural. No obstant això, actualment el comportament de la llum dels TCPs no es pot simular per ordinador degut a que no hi ha cap software en el mercat que pugui simular i analitzar les propietats de transmissió de llum dels dos components principals del TCP i que són: Concentrador Solar (Compound Parabolic Concentrator – CPC) i la Fibra Òptica (Optical Fiber – OF). Per tant, nous estudis experimentals han hagut de ser dissenyats amb procediments teòrics. Els tests van tenir lloc a l’exterior sota condicions reals de cel i d’aquesta manera en un futur poder crear i validar programes els quals permetran una fàcil adopció del TCP per part de la indústria. No obstant això, tots els tests van ser dividits en dos categories. El primer buscava demostrar i confirmar que el TCP, amb un disseny apropiat dels seus components i orientació, pot distribuir la llum natural dintre del edifici durant les hores solars. Diferents panells de TCP amb diferents diàmetres i rati de les OF, van ser assajats a l’exterior junt amb panells amb CPCs de diferents geometries. Com els primers resultats van ser òptims, això va ajudar poder moure la recerca a un segon nivell el qual estava principalment centrat en la millora de la quantitat de llum solar capturada amb els CPCs i la quantitat de llum distribuïda amb les OFs dintre de l’edifici. Amb aquest objectiu, la present recerca va proposar modificar els extrems de les OFs amb diferent geometries, i així analitzar-les independentment i alinear-les amb CPCs de diferent geometries. Aquest ha sigut un punt important per l’estudi, degut a que els extrems modificats de la OF són capaços de millorar l’entrada de llum natural a l’interior de l’edifici Per una altra banda, hi ha un gran nombre de diferents sistemes mètrics utilitzats per professionals per avaluar les propietats de la llum dintre d’un espai. Per aquest motiu, tots els tests van ser dissenyat seguint els objectius de la recerca. No obstant això, la present Tesis va decidir dissenyar i construir un Petit Portable Banc de Proves (Small Portable Test Bed – SPTB) per ser utilitzat a l’exterior i el qual té un sistema integrat de control de sensors sense cables i que activament respon als canvis exteriors climàtics durant els tests. El SPTB es una mena de cub el qual vol simular la envolvent exterior de l’edifici amb quatre façanes i coberta. Aquest disseny específic pot permetre analitzar a la vegada les façanes sota les quatre orientacions, juntament amb la coberta. Així que el SPTB va ser concebut com una eina per fer assajos sota condicions reals exteriors. A més a més, gràcies a la versatilitat de la seva estructura, les dimensions del SPTB poden ser canviades en cas necessari. Per la present recerca, el primer objectiu d’aquest banc de proves portable era fer una avaluació justa del comportament de la llum del TCP basat en tests de llum dinàmics. I en segon lloc, el SPTB buscava desenvolupar una eina física per ser utilitzada més enllà de les necessitats de la present recerca, així com en altres projectes i assajos. Pel novell TCP cas d’estudi, el SPTB va ser ubicat a l’exterior i una varietat de petites mostres a escala real de TCPs van ser assajades per analitzar el comportament de la llum sota condicions de cel reals, així com una recopilació de dades les quals eren enviades wireless i emmagatzemades a una base de dades centrals ubicada a internet. Els resultats finals obtinguts en la present Tesis confirmen que utilitzant la tecnologia comentada en aquesta recerca, es demostra que les mesures preses en eficiència energètica, pot millorar el confort interior i la salut dels ocupants. Aquest és el cas de la rehabilitació energètica de la façana utilitzada com a cas d’estudi tot obtenint aproximadament un 12% d’estalvi energètic. Per un altre costat, el TCP equipat amb CPCs, es capaç de dispersar (directa i difusa) llum solar, i d’aquesta manera millorar la distribució lumínica en el interior de l’edifici. La recerca ha millorar la llum capturada i dispersada per les OFs tot modificant la geometria dels extrems de la OF. Amb l’ús del SPTB, ha sigut possible avaluar el comportament de la llum del TCP tot utilitzant sistemes mètrics lumínics dinàmics. No obstant, més recerca experimentals junt amb noves simulacions per ordinador, s’haurien de fer en un futur a fi d’obtenir resultats més concloents en termes d’estalvi energètic i confort tèrmic interiorLos edificios son considerados los primeros contribuyentes al desarrollo socioeconómico de un país. No obstante, utilizan una gran cantidad de la energía y de recursos naturales disponibles. Con la industrialización tuvo lugar un importante incremento de la población urbana y este hecho provocó un aumento del número de edificios urbanos, los cuales provocaron un mayor incremento del consumo energético. A pesar de que se han implementado políticas de eficiencia energética, el consumo energético ha seguido aumentando durante las últimas décadas y ha afectado al gasto operacional del edificio. Por este motivo, la industria de la construcción busca crear modelos de desarrollo sostenible en edificios que tengan un bajo impacto medioambiental, y un alto impacto económico y beneficios sociales. Esto requiere la adopción de un sistema integrado que cubra un número de características, así como reducción energética, mejora del uso de los materiales, incluyendo el agua, reutilización y reciclaje de materiales, y emisiones de control. Más que nunca, a día de hoy, hay una creciente preocupación por el agotamiento de los recursos naturales. Por tanto, desarrollo e implementación de nuevas tecnologías de energía renovable resultan tan importantes y necesarias para la sociedad. Desde que la tierra recibe constantemente radiación solar, la cual es una fuente de energía gratuita, limpia y abundante, el uso de la energía solar en edificios está ganando fuerza. A día de hoy, con las nuevas tecnologías, la luz solar puede ser empleada para una amplia variedad de usos, así como generadora de electricidad, luz interior natural, calentadora de agua, entre otras utilidades. Actualmente, los nuevos edificios acostumbran a integrar sistemas solares dentro de la parte exterior de la envolvente del edificio, los cuales pueden captar gran cantidad de energía solar. Además, los humanos hemos evolucionado bajo la influencia de la luz solar y el ciclo luz-oscuridad. Este hecho ha permitido el desarrollo de una variedad de ventajas psicológicas que afectan al carácter y a la salud de las personas, así como a una menor ausencia del lugar de trabajo y una alta productividad. Tras la aparición de la luz eléctrica, la gente comenzó a pasar más tiempo dentro de los edificios. Consecuentemente, el confort térmico resultó un factor significativo para los humanos en vistas a poder desarrollar una actividad dentro del edificio. Así pues, vemos que una mejora en la eficiencia energética de los edificios contribuye al confort interior y a la salud de los ocupantes. Por este motivo, últimamente, fachadas y cubiertas multifuncionales están ganando la atención del mercado de la construcción debido a su versatilidad en el ahorro de energía y en la mejora del confort interior del edificio. La presente investigación cubre las cuestiones comentadas con anterioridad referentes a la mejora de la eficiencia energética de los edificios, y así obtener una reducción en el consumo energético mediante tecnologías innovadoras que utilizan fuentes de energía solar para crear un ambiente interior confortable. Por este motivo, la presente Tesis está dividida en dos líneas de trabajo. La primera línea de investigación describe e ilustra los problemas constructivos más habituales durante el ciclo de vida de las fachadas y cubiertas de los edificios construidos con una solución constructiva de bajo rendimiento energético. De tal manera, se ha estudiado un caso real en donde se ha rehabilitado energéticamente la envolvente exterior de un edificio plurifamiliar de vivienda social. Este trabajo tiene la intención de ser utilizado como una herramienta para entender la complejidad y los requisitos de la envolvente exterior del edificio en temas de eficiencia energética, junto al confort interior de los ocupantes. A través del caso real estudiado, se han observado mejoras significativas en el ahorro energético después de la rehabilitación energética de las fachadas y cubierta, dando lugar a un aumento del confort térmico interior. El resultado demuestra la necesidad de incitar a la industria de la construcción para que sea capaz de diseñar y desarrollar nuevas envolventes exteriores energéticamente eficientes, tanto en el caso de nuevas construcciones como en el de edificios rehabilitados. Una de las soluciones noveles es el caso del Panel de Hormigón Translucido (Translucent Concrete Panel – TCP). El TCP presenta una nueva alternativa pasiva capaz de reducir el consumo energético del edificio, con la optimización de la entrada de luz solar natural dentro del mismo, a través de la tradicional parte opaca de las paredes exteriores de fachada y cubierta, permitiendo así la permeabilidad de la luz solar a través de las paredes y mejorando el confort térmico y lumínico interior. Basada en los resultados obtenidos en la primera línea de investigación, la segunda línea solamente estudia y analiza el comportamiento de la luz del TCP. Durante las últimas décadas, ciencia e industria han creado diferentes sistemas lumínicos activos y pasivos los cuales intentan proveer soluciones para reducir y aligerar la ineficiencia energética de los edificios. El TCP está considerado como una nueva tecnología constructiva energéticamente eficiente diseñada para envolventes exteriores, y que tiene la propiedad de resolver la carga energética de la parte opaca de las paredes permitiendo así la entrada de luz natural. No obstante, actualmente el comportamiento de la luz de los TCPs no se puede simular por ordenador debido a que no hay ningún software en el mercado que pueda simular y analizar las propiedades de transmisión de luz de los dos componentes principales del TCP que son Concentrador Solar (Compound Parabolic Concentrator – CPC) y la Fibra Óptica (Optical Fiber – OF). Por tanto, los nuevos estudios experimentales han tenido que ser diseñados siguiendo procedimientos teóricos. Los test tuvieron lugar en el exterior bajo condiciones reales de cielo y de esta manera en un futuro poder crear y validar programas los cuales permiten una fácil adopción del TCP por parte de la industria. No obstante, todos los test se dividieron en dos categorías. El primero buscaba demostrar y confirmar que el TCP, con un diseño apropiado de sus componentes y orientación, puede distribuir la luz natural dentro del edificio durante las horas solares. Diferentes paneles de TCP, con diferentes diámetros y ratios de OFs, fueron ensayados en el exterior junto con paneles con CPCs de diferentes geometrías. Dado que los primeros resultados fueron óptimos, se pudo dirigir la investigación a un segundo nivel, principalmente centrado en la mejora de la cantidad de luz solar capturada con los CPCs y la cantidad de luz distribuida con las OFs dentro del edificio. Con este objetivo, la presente investigación propuso modificar geométricamente los extremos de las OFs con diferentes geometrías, y así analizarlas independientemente y alinearlas con CPCs de diferentes geometrías. Este ha sido un punto importante del estudio, debido a que los extremos modificados de las OFs son capaces de mejorar la entrada de luz natural en el interior del edificio. Por otro lado, existe una gran diferencia entre los diferentes sistemas métricos utilizados por los profesionales para evaluar las propiedades de la luz dentro de un espacio. Por este motivo, todos los ensayos fueron diseñados siguiendo los objetivos de la investigación. No obstante, la presente Tesis decidió diseñar y construir un Pequeño Portable Banco de Pruebas (Small Portable Test Bed – SPTB) para ser utilizado en el exterior, el cual tiene un sistema integrado de control de sensores sin cables y que activamente responden a los cambios exteriores climáticos durante los ensayos. El SPTB es una especie de cubo que pretende simular la envolvente exterior del edificio con cuatro fachadas y cubierta. Este diseño específico permite analizar a la vez las fachadas bajo las cuatro orientaciones junto con la cubierta. De hecho, el SPTB fue concebido como una herramienta versátil para realizar ensayos bajo condiciones reales exteriores. Además, gracias a la versatilidad de su estructura, las dimensiones del SPTB pueden ser cambiadas en caso necesario. Para la presente investigación, el primer objetivo de este banco de pruebas era realizar una evaluación justa del comportamiento de la luz del TCP basado en ensayos de luz dinámicos. Y en segundo lugar, el SPTB buscaba desarrollar una herramienta física para ser uti