Designing the green urban building envelope in the Mediterranean climate : an architectural approach

Currently, climate change is a critical global issue. Greenhouse gases emissions are close-ly associated with the construction sector, particularly building envelope performance. Addressed for Architects, and aiming to enhance external atmospheric conditions, this innovative PhD thesis conducts a comprehensive technical study of the green building envelope performance from the most general and theoretical to the most practical and mi-croscopic such micro-algae symbiosis with concrete using state-of-the-art techniques. First, the theoretical set-up of the green building envelope is investigated; main pa-rameters impacting the performance are identified and categorized under passive strate-gies and active technologies in reference to state-of-the-art green building rating tools such as LEED. A Bibliometric / Biblioshiny review over 2,846 publications shows that factors / parameters impacting the green performance of building envelope have importance weight where energy efficiency is effectuating highest consideration. Accordingly, a novel theoretical scientific model/equation is derived, by the Author, allowing estimate assess-ment of the building envelope green performance - implementable during the architectural design process; this model describes the overall green building envelope performance as the sum of the separate various weighed performances in function of the reviewed param-eters. In focus and due to the significant impact of cement production, a dedicated litera-ture study is conducted researching main parameters impacting green concrete perfor-mance through the life-cycle phases of the worldwide adopted construction material . Moreover, a step-by-step design protocol for the green building envelope, in urban Mediterranean climate, is presented, addressing Architects at their early design conceptu-al stage. Investigating the impact of main passive design strategies, the protocol assumes a location in Milan; it, then, derives the energy use summary impacted by the setting of the initial mass, and the modification of the following parameters: layout, orientation, form and volume as well as building materials, while fixing the parameters location, footprint area as well as function. The optimized energetic performance is assessed to relate to the reduced exposed eastern and western walls case i.e., form parameter. In focus and due to the significant impact of concrete building material adopted for the envelope, a case study is undertaken: the heat transfer phenomena is simulated through a single-wall concrete building envelope, and then through a double-wall con-crete one for a prototype dwelling, at assumed peak winter and summer Mediterranean conditions – all other parameters presumed equal or negligeable. The double-walls con-crete case with insulation interstitial air layer shows non-interference of the internal tem-perature with the external one – except at structural jointing continuous elements . Valida-tion of the results shows an approximate reduction to half of the yearly energy use. Furthermore, a methodology is proposed by the Author to look for building envelope negative greenhouse gases emissions solutions from three different realms: the physical, the chemical and the biological realms. As for the physical, the CO2 absorption capacity of a pressurized cork panel is studied and measurement with Arduino sensor is performed; from the chemical realm, the dissolution capacity of running fresh water is investigated based on literature review and calculations by Author; besides, a highly novel living con-crete experiment with macro-algae Ulva lactuca is performed. In focus, and to ameliorate results of the last experiment, the Living Concrete experi-ment is conducted in the laboratories of University of Verona and in collaboration with the University of Milan over ASTM certified concrete samples – where micro-algae Chlorella vulgaris is grown in symbiosis. In conclusion, this PhD thesis is a methodological reference more than a one-fit-all solution; a comprehensive research document for the various aspects of the contemporary green building envelope scaling down a global issue.

Progettare l'Involucro Verde dell'Edificio Urbano nel Clima Mediterraneo: Un Approccio Architettonico Attualmente il cambiamento climatico è un problema critico a livello globale. Le emissioni di gas serra sono strettamente associate al settore delle costruzioni, in particolare alle prestazioni dell'involucro edilizio. Rivolta agli architetti e finalizzata a migliorare le condizioni atmosferiche esterne, questa innovativa tesi di dottorato conduce uno studio tecnico completo sulle prestazioni dell'involucro verde degli edifici, da quelle più generali e teoriche a quelle più pratiche e microscopiche, come la simbiosi delle microalghe con il calcestruzzo, utilizzando tecniche all'avanguardia. In primo luogo, viene analizzato l'assetto teorico dell'involucro edilizio ecologico; i principali parametri che ne influenzano le prestazioni vengono identificati e classificati in strategie passive e tecnologie attive, con riferimento agli strumenti di valutazione degli edifici ecologici più avanzati, come LEED. Una revisione bibliometrica su 2.846 pubblicazioni mostra che i fattori/parametri che influiscono sulle prestazioni ecologiche dell'involucro edilizio hanno un peso importante quando l'efficienza energetica è tenuta in massima considerazione. Di conseguenza, l'Autore ha ricavato un nuovo modello teorico scientifico che consente di valutare le prestazioni ecologiche dell'involucro edilizio - implementabile durante il processo di progettazione architettonica; questo modello descrive le prestazioni complessive dell'involucro edilizio come la somma delle diverse prestazioni ponderate in funzione dei parametri esaminati. In focus e in considerazione dell'impatto significativo della produzione di cemento, è stato condotto uno studio di letteratura dedicato alla ricerca dei principali parametri che influenzano la performance del calcestruzzo verde attraverso le fasi del ciclo di vita del materiale da costruzione adottato in tutto il mondo . Inoltre, viene presentato un protocollo di progettazione passo-passo per l'involucro di un edificio verde, nel clima urbano mediterraneo, rivolto agli architetti nella fase iniziale di progettazione. Analizzando l'impatto delle principali strategie di progettazione passiva, il protocollo ipotizza un'ubicazione a Milano; quindi, ricava la sintesi dell'uso di energia impattata dall'impostazione della massa iniziale e dalla modifica dei seguenti parametri: layout, orientamento, forma e volume, nonché materiali da costruzione, fissando al contempo i parametri di ubicazione, area di ingombro e funzione. La prestazione energetica ottimizzata è valutata in relazione alla riduzione dell'esposizione delle pareti est e ovest, ovvero al parametro della forma. In focus e in considerazione dell'impatto significativo del materiale da costruzione in calcestruzzo adottato per l'involucro, è stato intrapreso un caso di studio: i fenomeni di trasferimento di calore sono stati simulati attraverso un involucro edilizio in calcestruzzo a parete singola e poi attraverso uno a doppia parete in calcestruzzo per un'abitazione prototipo, in condizioni di picco mediterraneo invernale ed estivo - tutti gli altri parametri sono stati considerati uguali o trascurabili. Il caso della doppia parete in calcestruzzo con strato d'aria interstiziale isolante mostra una non interferenza della temperatura interna con quella esterna, tranne che in corrispondenza degli elementi continui di giunzione strutturale . La validazione dei risultati mostra una riduzione approssimativa alla metà del consumo energetico annuale. Inoltre, l'Autore propone una metodologia per la ricerca di soluzioni per l'involucro edilizio a emissioni negative di gas serra da tre diversi ambiti: quello fisico, quello chimico e quello biologico. Per quanto riguarda l'ambito fisico, viene studiata la capacità di assorbimento di CO2 di un pannello di sughero pressurizzato e viene eseguita una misurazione con un sensore Arduino; per quanto riguarda l'ambito chimico, viene studiata la capacità di dissoluzione dell'acqua dolce corrente sulla base di una revisione della letteratura e di calcoli dell'Autore; inoltre, viene eseguito un esperimento innovativo di cemento vivente con la macroalga Ulva lactuca. In focus e per migliorare i risultati di quest'ultimo esperimento, nei laboratori dell'Università di Verona e in collaborazione con l'Università di Milano viene condotto l'esperimento Living Concrete su campioni di calcestruzzo certificati ASTM, dove viene coltivata in simbiosi la microalga Chlorella vulgaris. In conclusione, questa tesi di dottorato è un riferimento metodologico più che una soluzione unica; un documento di ricerca completo per i vari aspetti dell'involucro edilizio verde contemporaneo che ridimensiona una questione globale.