THERMAL REHABILITATION OF RESIDENTIAL BUILDINGS USING SOLAR PASSIVE TECHNOLOGIES THERMAL REHABILITATION OFCONCEPTUALIZATION AND DEVELOPMENT OF THE SOLAR BRIDGE RETROFIT SYSTEM (SBRS) - AN INNOVATIVE VARIANT OF THE TROMBE WALL

Abstract

Most of Portugal's residential building stock was constructed before the first thermal code, leading to poor energy efficiency and thermal performance. As a result, many buildings require retrofitting to achieve energy savings and improve thermal comfort, especially during the heating season. Structural components of load-bearing concrete frame buildings, such as concrete beams and columns, often act as thermal bridges, contributing significantly to poor energy performance and inadequate indoor thermal comfort. To leverage Portugal's solar availability and mitigate the impact of structural thermal bridge areas in non-retrofitted buildings, an innovative solar passive retrofit solution, the Solar Bridge Retrofit System (SBRS), was developed. This concept is a variant of the unvented Trombe wall, incorporating an external transparent skin in front of the structural areas, combined with traditional ETICS for the remaining façade. Unlike traditional Trombe walls, this innovative design allows the heavy structure of the building to absorb solar radiation and slowly conduct the heat inward or to the adjacent structure, helping to offset heat loss This PhD research aimed to: (1) Identify the advantages and drawbacks of Solar Passive Technologies; (2) Design the SBRS concept; (3) Conduct both experimental and numerical studies to assess the behaviour of a façades equipped with SBRS. The study´s findings demonstrate that SBRS: 1) can significantly increase indirect-solar gains in structural thermal bridge areas during the heating season; 2) performs better with a double-glazing layout compared to single glazing; 3) requires ventilation strategies to optimize summer performance; and 4) is suitable across all Portuguese climate zones.

Uma parte significativa do parque habitacional português foi construído antes da primeira regulamentação térmica, o que resultou numa fraca eficiência energética e desempenho térmico inadequado. Consequentemente, muitos edifícios necessitam de uma reabilitação térmica, especialmente para garantir as devidas condições durante o inverno. Um dos motivos para que tal aconteça são as áreas estruturais, como as vigas e os pilares de betão, que tendem a funcionar como pontes térmicas - zonas de perda de calor para o ambiente exterior. Para aproveitar a disponibilidade solar de Portugal e mitigar o impacto das pontes térmicas estruturais em edifícios não reabilitados, foi desenvolvida uma solução inovadora de sistema solar passivo, o Solar Bridge Retrofit System (SBRS). Este conceito é uma variante da parede de Trombe sem ventilação, e consiste numa camada exterior transparente na frente das áreas estruturais, combinada com o tradicional ETICS na restante fachada. Contrariamente às tradicionais paredes de Trombe, este sistema permite que a estrutura do edifício absorva a radiação solar e conduza lentamente o calor para o interior ou para a estrutura adjacente. Os objetivos deste trabalho de doutoramento foram: (1) Identificar as vantagens e desvantagens das Tecnologias Solares Passivas; (2) Desenvolver o conceito SBRS; (3) Elaborar estudos experimentais e numéricos para avaliar o comportamento de fachadas com SBRS. Os resultados demonstram que o SBRS: 1) pode aumentar significativamente os ganhos solares indiretos em áreas de pontes térmicas estruturais durante o inverno; 2) desempenha melhor com vidro duplo do que com vidros simples; 3) precisa de grelhas de ventilação para otimizar o desempenho no verão; e 4) é adequado para todas as zonas climáticas de Portugal.