Translating thermal performance into thermal resilience: a simulation framework to assess buildings and communities

Abstract

O processo de projeto e operação de edifícios passa por um ajuste de atitude impulsionado pela crescente materialização dos efeitos das mudanças climáticas. Neste contexto, a otimização do desempenho e dos custos dá espaço para considerar também a resiliência. Este trabalho tem como objetivo propor um quadro de simulação para quantificar e melhorar a resiliência térmica de edifícios e comunidades contra riscos de sobreaquecimento. Tal análise baseia-se em perfis de resiliência que combinam um conjunto de seis indicadores integrados que permitem uma compreensão multidimensional sobre a capacidade dos edifícios de fornecer ambientes térmicos confortáveis ??e saudáveis ??para os ocupantes. É também proposta uma abordagem de agregação para melhor avaliar a resiliência à escala comunitária, alavancando a identidade de ambientes termicamente vulneráveis. A aplicação do framework é demonstrada por meio de dois estudos de caso, um adotando edifícios residenciais unifamiliares representativos expostos a três climas brasileiros diferentes, e outro composto por 92 edifícios reais na cidade de Florianópolis, Brasil. Este último também explora o efeito de novos cenários climáticos na resiliência térmica, considerando anos meteorológicos típicos históricos (anos 2010), futuros de prazo médio (anos 2050) e futuros de longo prazo (anos 2090), bem como anos com ondas de calor dentro de cada período. Além disso, considera-se uma combinação de estratégias para melhorar a resiliência, tais como paredes e telhados frios e proteções solares. Estas investigações foram estruturadas no âmbito de três artigos científicos que delimitam os principais passos necessários ao desenvolvimento desta tese: (1) quantificar a resiliência térmica; (2) propor um quadro de avaliação; e (3) aplicar a estrutura. Os resultados obtidos refletem a necessidade de planejar a resiliência. Isto porque, muitas vezes, as estratégias e tecnologias previstas nas condições climáticas atuais podem não ser ideais no futuro. Portanto, um projeto flexível deve ser priorizado. O consumo de energia para resfriamento por ar condicionado poderá aumentar 48% até 2050 se não forem melhoradas como as práticas construtivas atuais, enquanto os problemas de sobreaquecimento poderão atingir 37% dos 92 edifícios investigados. Estratégias passivas simples são capazes de suprir significativamente parte desse estresse térmico, melhorando principalmente a autonomia térmica e o uso de energia. O impacto dos cenários climáticos pode ser percebido de forma diferente dependendo do indicador. Assim, uma análise abrangente da resiliência térmica deve, na última análise, ser acompanhada por uma reflexão aprofundada sobre os objetivos de quantificação da resiliência, dos recursos disponíveis, do horizonte de planejamento e dos riscos reforçados por não serem resilientes.

Abstract: Building design and operation is undergoing a mentality shift driven by the increasing materialization of long-known threats from climate change. In this context, optimization of performance and cost gives space to also consider resilience. This work aims to propose a simulation framework to quantify and improve the thermal resilience of buildings and communities against overheating threats. Such an analysis is based on resilience profiles that combine a set of six integrated key performance indicators that allow a multidimensional understanding of whether buildings are able to provide comfortable and healthy indoor thermal environments for occupants. An aggregation approach is also proposed to better evaluate resilience at the community scale, leveraging the identification of thermally vulnerable populations. The application of the framework is demonstrated through two case studies, one adopting representative single-family residential buildings exposed to three different Brazilian climates, and another composed of 92 real buildings in the city of Florianopolis, Brazil. The latter also explores the effect of nine weather scenarios on thermal resilience, considering historical (2010s), mid-term future (2050s), and long-term future (2090s) typical meteorological years, as well as years with heat waves within each period. A combination of strategies is considered to improve resilience, such as cool walls and roofs, and solar shading. These analyses were structured within the scope of three journal articles that define the main steps necessary to develop this thesis: (1) quantifying thermal resilience; (2) proposing an evaluation framework; and (3) applying the framework. Results reflect the necessity of planning for resilience. This is because, often, strategies and technologies recommended under current weather conditions might not be ideal in the future. Therefore, a flexible design should be prioritized. Energy consumption for cooling could increase by 48% by the 2050s if not improved current building practices, while excessive overheating issues could reach 37% of the investigated 92 buildings. Simple passive strategies are able to significantly suppress part of this heat stress, especially improving thermal autonomy and energy use. The impact of weather scenarios might be perceived differently depending on the indicator. Thus, a comprehensive thermal resilience analysis should ultimately be accompanied by a thorough reflection on the objectives of quantifying resilience, available resources, planning horizon, and risks assumed for not being resilient.