Smart Architecture. Supporting the design of transparent building components towards the improvement of building envelope performance

The growing awareness about issues related to environmental sustainability and energy consumption reduction of the built environment has led to a shift in building process and technologies. In this framework, the greater attention is addressed towards building envelope as major responsible for building energy efficiency so as for the internal environmental comfort of end-users. Besides, interests of various disciplines have been directed not only to the production of sustainable architectures but even towards a new generation of energy-efficient, interactive buildings, defined smart buildings, capable of reacting to the continuous variability of the surroundings and the ever-changing needs of end-users. In the context here depicted, fenestration systems have been identified as one of the major responsible for buildings’ behaviour towards the external environment (it has been appraised that windows are accountable for about the 60% of the whole building energy consumption). From these considerations descend the choice to deal with glazed components, under the opportunities research offers in this field due to still existing shortcomings related to the specific role they play within building envelope systems. Indeed, it is evident that fact that glass is still the building component that needs of the most implementation in terms of performance – presenting issues that cannot be resolved only resorting to materials’ innovation – but that is, at the same time, a material with great potential, due to its intrinsic ability in reacting to external stimuli. Therefore, the main objective of the present research is to provide a solution to the existing lack of guidance about how existing glazing technologies could be profitably integrated into buildings in a way that maximises their performance. So, after investigating the world of the smart building envelopes, as the latest goal of contemporary architectural and technological research – developing a characterization of them through the creation of a supporting database of smart architecture – the present work exploring the role that transparent building components play in this framework, classifying existing glazing technologies and providing a systematic methodology to assess their building integration potential. The final aim of this research was to design a decision support tool(box) for architects, to inform and create new design possibilities, providing an insight into the application and design of smart building envelope systems and understanding role and potentialities of transparent building components within this specific framework. Such toolbox is composed of three separated tools: i) a balanced scorecard, ii) an assessment matrix and iii) the smart windows configurator, final achievement of the dissertation. It is conceived as a sort of open matrix for compiling and quantify options for decision making support towards the conscious and effective integration of transparent building components within advanced and innovative building envelope systems, bridging the gap from current practice thus supporting further research and development activities.

La crescente consapevolezza delle problematiche legate alla sostenibilità ambientale e alla riduzione dei consumi energetici del costruito ha recentemente determinato un cambiamento anche nei processi e nei metodi costruttivi, concentrando l’attenzione di utenti e operatori di settore nei confronti dell’involucro edilizio, individuato quale principale responsabile dell’efficienza energetica e del comfort ambientale interno degli edifici. Parallelamente, gli interessi delle varie discipline coinvolte in tali processi sono stati rivolti tanto alla produzione di architetture sostenibili quanto nei confronti di una nuova generazione di edifici, intelligenti ed efficienti, capaci di interagire con la continua variabilità dell’ambiente circostante e con le esigenze sempre in mutamento dei loro utenti finali, i cosiddetti smart buildings. In tale quadro di riferimento, gli infissi, e, più in generale, i componenti trasparenti di involucro, rimangono i principali responsabili del comportamento termo-ambientale dell’edificio nei confronti dell’ambiente esterno (è stato stimato che le finestre sono responsabili di circa il 60% del totale consumo di energia di un edificio). Da queste considerazioni discende dunque la volontà di concentrare l’attenzione della presente ricerca nei confronti dei componenti trasparenti di involucro, in virtù delle opportunità offerte dalla ricerca in questo campo per via di limiti ancora esistenti legati al loro ruolo specifico all’interno dei sistemi di involucro. È evidente infatti come essi costituiscano ancora i componenti che necessitano della maggiore implementazione in termini di prestazioni – presentando criticità che tuttora non riescono ad essere risolte contando unicamente sulle caratteristiche intrinseche del materiale che li compone, il vetro appunto – ma che, allo stesso tempo, presentano un grande potenziale, dovuto alla loro capacità di reagire e interagire con gli stimoli esterni. L’obbiettivo principale del presente lavoro pertanto, è quello di compensare l’assenza di linee orientative per l’integrazione dei suddetti componenti all’interno dei sistemi di involucro, in modo da massimizzarne le prestazioni. A valle di un’analisi nel dominio dei cosiddetti smart buildings, quale ultima frontiera della ricerca architettonica e tecnologica contemporanea – strutturatasi in un database per la loro caratterizzazione sistematica – la tesi esplora il ruolo svolto dai componenti trasparenti di involucro nell’ambito di sistemi edilizi complessi, classificando le tecnologie esistenti e fornendo una metodologia per la valutazione comparata di prodotti differenti, al fine di valutarne la potenziale integrabilità. Scopo finale della ricerca è la messa a punto di uno strumento di supporto decisionale rivolto all’informazione e creazione di nuove possibilità progettuali di sistemi di involucro intelligenti, comprendendo il ruolo e le potenzialità che i componenti trasparenti di involucro rivestono all’interno di questo specifico dominio. Tale strumento si compone in realtà di tre elementi separati: i) una balanced scorecard, ii) una matrice di valutazione (assement matrix) e quello che viene qui definito come iii) “configuratore di smart windows”, vero e proprio risultato applicativo del presente lavoro. Tale configuratore è stato concepito come una sorta di matrice aperta per la compilazione e la quantificazione di diverse opzioni tecniche e prestazionali relative alle diverse tecnologie investigate, al fine di fornire un supporto decisionale verso un’integrazione consapevole ed efficace dei componenti trasparenti all'interno di sistemi di involucro edilizio complessi, colmando il divario rispetto alla pratica corrente e supportando eventuali future attività di ricerca e sviluppo.