Advanced Building Envelopes: Opportunities, challenges, and future outlooks in building performance simulation

Abstract

Research in buildings has lately focused on tackling two main issues: reducing energy use and building better and faster to cope with the expected expansion of cities. The building industry has struggled to adapt to these changes as it is one of the world's largest industries yet one of the least digitalized. One of the challenges is that buildings are becoming more complex to meet these goals and integrate more technologies like renewable energy systems. As a result, there is a need to adopt new methods and tools for designing buildings.

This PhD thesis focused on the design and development of Advanced Building Envelopes (ABEs), which are also sometimes referred to as smart, intelligent, or adaptive building envelopes. ABEs are innovative systems that intend to balance multiple performance aspects such as sustainability, aesthetics, and comfortable indoor environments using new technologies and design approaches. Examples of ABEs may be shading systems that slowly adapt their shape during the day following the sun's path or envelope components specifically designed to optimize energy flows and indoor comfort while harvesting solar energy.

This thesis aims to increase the uptake of ABEs in real-world projects by contributing to characterization systems of new envelope technologies and demonstrating the use of performance-based design approaches. Additionally, it also provided robustness assessments and developed best practice guidelines. This work includes simulations of a specific type of ABE that was an external Venetian blind system with integrated photovoltaic modules. The work developed for the case study used a combination of co-simulation, parametric design, and optimization. The actual performance of the system was also verified in a full-scale experiment.

The thesis' findings highlight that using a performance-based approach had several advantages in addition to providing accurate results. Parametrizing the system's design allowed searching and evaluating many more design alternatives, where eclectic designs could be considered and assessed in a much more efficient manner. Using optimization and co-simulation also allowed generating a set of higher-performing solutions from which one could select a suitable alternative. Finally, this work underlines that new design and evaluation methods can be integrated with initiatives aiming to digitalize building processes and increase collaboration across different engineering fields. However, the types of approaches also require users to develop inter-disciplinary skills and challenge the traditional separation of tasks between architects, engineers, and data scientists.

Sammendrag

Forskning innen bygg har det siste tiåret fokusert på å takle to hovedproblem: øke i byggsektoren og å bygge bedre og raskere for å takle den forventede befolkningsøkningen. Byggebransjen sliter med å tilpasse seg disse endringene, da den er en av verdens største næringer, men samtidig en av de minst digitaliserte. En av utfordringene er at bygninger blir stadig mer komplekse for å nå disse målene, siden de må ta hensyn til flere ting som energifleksibilitet og må integrere fornybare energiteknologier på bygningen. Dette fører til at det er et behov for å ta i bruk nye metoder og verktøy som kan hjelpe til å utforme fremtidens bygninger.

Denne doktorgradsavhandling handler om design og utvikling av avanserte tak- og fasadekomponenter som kan gå under betegnelsen "Advanced Building Envelopes" (ABEs). Disse innovative bygningskomponentene er ofte også kjent som smarte fasader og bruker nye teknologier og systemer for å balansere bærekraft, estetikk og et godt inneklima.

Denne oppgaven har som mål å øke bruken av ABE i prosjekter ved å bidra til å forbedre hvordan disse teknologiene karakteriseres i dag, og demonstrerer bruken og resultatet av ytelsesbaserte designmetodikker. I denne sammenheng ble robustheten av resultatene vurdert, og det ble utviklet retningslinjer for beste praksis. Arbeidet utført i denne oppgaven baserer seg på simuleringsstudier av en casestudie, som er et solskjermingssystem med utvendige persienner og integrerte solcellemoduler. Simuleringene kombinerte koordinerte energi og dagslyssimuleringer (co-simulering), parametrisk modellering og optimering. Til slutt ble systemet også vurdert ved hjelp av et fullskala eksperimentelt oppsett.

Funnene i oppgaven fremhevet at bruken av en ytelsesbasert metodikk hadde flere fordeler. For det første gjorde bruken av parametrisk design det mulig å søke mange flere designalternativer, samtidig som et utvalgt design kunne vurderes på en mye mer effektiv måte og med god nøyaktighet. For det andre tillot optimering og co-simulering å komme frem til et sett løsninger med høy ytelse hvorfra man enkelt kunne velge et spesifikt alternativ.

Dette arbeidet understreker også at nye design- og evalueringsmetoder som tar i bruk simuleringsverktøy også kan integreres med initiativer for å digitalisere byggeprosesser og øke samarbeidet på tvers av interessenter. Likevel krever disse verktøyene tverrfaglig kunnskap fra brukerne for å kunne gi gode resultater, noe som utfordrer det tradisjonelle skillet mellom fagene arkitektur, ingeniørvitenskap og datavitenskap.