Daylight performance assessment of an innovative energy efficient building envelope
Authors:   , Casquero Modrego Núria 
Published: July 2023

Buildings are considered to be one of the primary contributors to the socioeconomic development of a country. However, they use a large portion of energy and available natural resources. With the industrialization leading to an increase in urban
population, the number of urban buildings which has major effects on energy consumption, has significantly increased. Even with the implementation of energy efficient policies, energy consumption in buildings has regularly grown over the last decades affecting the building's operating cost. For this reason, the construction industry seeks to create a model of sustainable development in buildings which has low environmental impact and high economic and social gains.
Currently, most of the world population is gathered in buildings mainly placed in urban areas. Unfortunately, a big part of these buildings are badly constructed without or with unsuitable insulation on the building envelope, and without any heating system. After some decades in use, these buildings suffer from an unacceptable interior living environment due to the unappropriated building envelope solution. This practice causes energy losses through the façades and roofs while producing low interior comfort inside the building, as well as health problems to the occupants. Therefore, nowadays the building industry is concerned with designing new construction solutions with novel components and geometries which are able to face the current energy inefficiency in buildings. The TCP is a novel energy efficient building envelope construction solution which is capable of channeling the sunlight through the opaque part of the walls. Its versatility is based on its capacity for concentrating and scattering daylight into the building's interior while achieving energy savings, i.e. reducing
dependence on artificial lighting and also improving the occupant's interior comfort. The complexity of this novel construction solution comes from the physical behavior and geometry of its components, i.e. the Compound Parabolic Concentrator (CPC)
and the Optical Fiber (OF). Currently, there is no software in the market that can simulate the daylight transmission of the CPCs and the OFs. In addition, there are no daylight metrics able to properly assess the daylight performance of the TCP. In
this sense, this research considered this TCP innovative to give answers to the aforementioned problems. In fact, the building case study shows how is possible to energy retrofit existing façades and roofs while improving the interior living environment and also reducing the energy consumption of the heating and/or cooling systems. This confirm the need to urge the construction industry to design and develop novel energy efficient construction solutions, e.g. Translucent Concrete Panel (TCP). The TCP has the capability of daylight permeability in an anidolic way through the opaque parts of the exterior façades and roofs. Due to the nature of traditional building materials blocking the passage of natural light, there is a constant requirement of artificial lighting into the building, even during daytime. On the other side, some of the most commonly used daylight metrics are not precise enough in order to assess the daylight performance of the prototype. For this reason, the research has designed new daylight tests adapted to the TCP daylight features in order to evaluate its daylight performance. In fact, this is the first required step for future research lines that will be based on computer simulations that to rapidly assess influential parameters of the novel building envelope in several building sub-systems and systems.
Els edificis estan considerats els primers contribuïdors del desenvolupament socioeconòmic d’un país. No
obstant, utilitzen una gran quantitat d’energia i recursos naturals disponibles. Amb la industrialització, que
va donar lloc a un increment de la població urbana, aquest resulta un factor que ha fet augmentar el
nombre d’edificis urbans i ha creat un major efecte en el consum energètic. Tot i la implementació de
polítiques d’eficiència energètica, el consum energètic ha augmentat durant les ultimes dècades afectant a
la despesa operacional de l’edifici. Per aquesta raó, la indústria de la construcció cerca crear models de
desenvolupament sostenible en edificis i que tinguin un baix impacte mediambiental i un alt impacte econòmic
i guanys socials. Això requereix l’adopció d’un sistema integrat que cobreixi un nombre de característiques
tals com reducció energètica, millora de l’ús de materials, la qual cosa inclou l’aigua, reutilització i reciclatge
de materials, i emissions de control.
Més que mai, a dia d’avui hi ha una creixent preocupació per l’esgotament dels recursos naturals. Per tant,
desenvolupament i implementació de noves tecnologies d’energia renovable s’han tornat importants i
necessàries per la societat. Des de que la terra rep constantment radiació solar, la qual resulta una font
d’energia gratuïta neta i abundant, la utilització de la energia solar en edificis esta agafant força. A dia
d’avui, amb les noves tecnologies, la llum solar pot ser emprada per una varietat d’usos, tals com
generadora d’electricitat, llum interior natural, escalfadora d’aigua, entre altres. Actualment els nous
edificis acostumen a integrar sistemes solars dintre de la part exterior de la envolvent, els quals poden
col·lectar grans quantitat d’energia solar. A més a més, els humans hem evolucionat sota la influència de
la llum del sol i el cicle llum-foscor mitjançant el desenvolupament d’una varietat d’avantatges psicològics,
la qual cosa afecta al caràcter i salut de la gent, així com menor absència del lloc de treball i més alta
productivitat. Després de la introducció de la llum elèctrica, la gent va començar a passar més temps dins
de l’interior dels edificis. Conseqüentment, el confort tèrmic es va tornar un factor significatiu pels humans
amb vistes a desenvolupar una activitat dintre de l’edifici. Així que, una millora en la eficiència energètica
dels edificis contribueix al confort interior i la salut dels ocupants. Per aquest motiu, façanes i cobertes
multifuncionals estan darrerament guanyant l’atenció del mercat de la construcció a causa de la seva
versatilitat en l’estalvi d’energia i la millora en el confort interior de l’edifici.
La present recerca pretén cobrir les qüestions comentades amb anterioritat referents a la millora de
l’eficiència energètica dels edificis i obtenir, d’aquesta manera, una reducció en consum energètic amb
tecnologies innovadores que utilitzen fonts d’energia solar per crear un ambient interior confortable. Per
aquest objectiu, la present Tesis s’ha dividit en dos línies de treball. La primera línia de recerca descriu i
il·lustra els problemes constructius més habituals durant el cicle de vida de les façanes i cobertes dels
edificis construïts amb una solució constructiva de baix rendiment energètic. Per tant, s’ha estudiat un
cas real on s’ha rehabilitat energèticament la envolvent exterior d’un edifici plurifamiliar d’habitatge social.
Aquesta feina te la intenció entendre la complexitat i els requeriments de la envolvent exterior de l’edifici
en termes d’eficiència energètica, juntament amb el confort interior dels ocupants. A través del cas real
estudiat, s’ha observat millores significatives en l’estalvi energètic després de la rehabilitació energètica
de les façanes i cobertes que dóna lloc a un augment del confort tèrmic interior. El resultat demostra la
necessitat que hi ha d’empènyer a la indústria de la construcció de dissenyar i desenvolupar noves
envolvents exteriors energèticament eficients tant per noves construccions com per edificis rehabilitats.
Una de les solucions novells és el cas del Panell de Formigó Translúcid (Translucent Concrete Panel –
TCP). El TCP presenta una nova alternativa passiva el qual redueix el consum energètic tot optimitzant
l’entrada de llum solar natural a dintre de l’edifici a través de la tradicional part opaca de les parets exterior de façana i coberta. Això permet la permeabilitat de la llum natural a través de les parets tot millorant el confort tèrmic i lumínic interior.
Basada en els resultats obtinguts en la primera línia de recerca, la segona línia només estudia i analitza
el comportament de la llum del TCP. Durant les darreres dècades, ciència i indústria han creat diferents
sistemes lumínics actius i passius els quals intenten proveir solucions per reduir i alleugerir la ineficiència
energètica dels edificis. El TCP es veu com una nova tecnologia constructiva, energèticament eficient,
dissenyada per envolvents exteriors, i que té la propietat de resoldre la càrrega energètica de la part
opaca de les parets i permetre l’entrada de llum natural. No obstant això, actualment el comportament de
la llum dels TCPs no es pot simular per ordinador degut a que no hi ha cap software en el mercat que
pugui simular i analitzar les propietats de transmissió de llum dels dos components principals del TCP i
que són: Concentrador Solar (Compound Parabolic Concentrator – CPC) i la Fibra Òptica (Optical Fiber – OF).
Per tant, nous estudis experimentals han hagut de ser dissenyats amb procediments teòrics. Els tests van
tenir lloc a l’exterior sota condicions reals de cel i d’aquesta manera en un futur poder crear i validar
programes els quals permetran una fàcil adopció del TCP per part de la indústria. No obstant això, tots
els tests van ser dividits en dos categories. El primer buscava demostrar i confirmar que el TCP, amb un
disseny apropiat dels seus components i orientació, pot distribuir la llum natural dintre del edifici durant
les hores solars. Diferents panells de TCP amb diferents diàmetres i rati de les OF, van ser assajats a
l’exterior junt amb panells amb CPCs de diferents geometries. Com els primers resultats van ser òptims,
això va ajudar poder moure la recerca a un segon nivell el qual estava principalment centrat en la millora
de la quantitat de llum solar capturada amb els CPCs i la quantitat de llum distribuïda amb les OFs dintre
de l’edifici. Amb aquest objectiu, la present recerca va proposar modificar els extrems de les OFs amb
diferent geometries, i així analitzar-les independentment i alinear-les amb CPCs de diferent geometries.
Aquest ha sigut un punt important per l’estudi, degut a que els extrems modificats de la OF són capaços
de millorar l’entrada de llum natural a l’interior de l’edifici
Per una altra banda, hi ha un gran nombre de diferents sistemes mètrics utilitzats per professionals per
avaluar les propietats de la llum dintre d’un espai. Per aquest motiu, tots els tests van ser dissenyat
seguint els objectius de la recerca. No obstant això, la present Tesis va decidir dissenyar i construir un
Petit Portable Banc de Proves (Small Portable Test Bed – SPTB) per ser utilitzat a l’exterior i el qual té
un sistema integrat de control de sensors sense cables i que activament respon als canvis exteriors
climàtics durant els tests. El SPTB es una mena de cub el qual vol simular la envolvent exterior de l’edifici
amb quatre façanes i coberta. Aquest disseny específic pot permetre analitzar a la vegada les façanes
sota les quatre orientacions, juntament amb la coberta. Així que el SPTB va ser concebut com una eina
per fer assajos sota condicions reals exteriors. A més a més, gràcies a la versatilitat de la seva estructura,
les dimensions del SPTB poden ser canviades en cas necessari. Per la present recerca, el primer objectiu
d’aquest banc de proves portable era fer una avaluació justa del comportament de la llum del TCP basat
en tests de llum dinàmics. I en segon lloc, el SPTB buscava desenvolupar una eina física per ser utilitzada
més enllà de les necessitats de la present recerca, així com en altres projectes i assajos. Pel novell TCP
cas d’estudi, el SPTB va ser ubicat a l’exterior i una varietat de petites mostres a escala real de TCPs
van ser assajades per analitzar el comportament de la llum sota condicions de cel reals, així com una
recopilació de dades les quals eren enviades wireless i emmagatzemades a una base de dades centrals
ubicada a internet.
Els resultats finals obtinguts en la present Tesis confirmen que utilitzant la tecnologia comentada en
aquesta recerca, es demostra que les mesures preses en eficiència energètica, pot millorar el confort interior i la salut dels ocupants. Aquest és el cas de la rehabilitació energètica de la façana utilitzada
com a cas d’estudi tot obtenint aproximadament un 12% d’estalvi energètic. Per un altre costat, el TCP
equipat amb CPCs, es capaç de dispersar (directa i difusa) llum solar, i d’aquesta manera millorar la
distribució lumínica en el interior de l’edifici. La recerca ha millorar la llum capturada i dispersada per les
OFs tot modificant la geometria dels extrems de la OF. Amb l’ús del SPTB, ha sigut possible avaluar el
comportament de la llum del TCP tot utilitzant sistemes mètrics lumínics dinàmics. No obstant, més recerca
experimentals junt amb noves simulacions per ordinador, s’haurien de fer en un futur a fi d’obtenir resultats
més concloents en termes d’estalvi energètic i confort tèrmic interior
Los edificios son considerados los primeros contribuyentes al desarrollo socioeconómico de un país. No
obstante, utilizan una gran cantidad de la energía y de recursos naturales disponibles. Con la
industrialización tuvo lugar un importante incremento de la población urbana y este hecho provocó un
aumento del número de edificios urbanos, los cuales provocaron un mayor incremento del consumo energético.
A pesar de que se han implementado políticas de eficiencia energética, el consumo energético ha seguido
aumentando durante las últimas décadas y ha afectado al gasto operacional del edificio. Por este motivo,
la industria de la construcción busca crear modelos de desarrollo sostenible en edificios que tengan un
bajo impacto medioambiental, y un alto impacto económico y beneficios sociales. Esto requiere la adopción
de un sistema integrado que cubra un número de características, así como reducción energética, mejora del
uso de los materiales, incluyendo el agua, reutilización y reciclaje de materiales, y emisiones de control.
Más que nunca, a día de hoy, hay una creciente preocupación por el agotamiento de los recursos naturales.
Por tanto, desarrollo e implementación de nuevas tecnologías de energía renovable resultan tan importantes
y necesarias para la sociedad. Desde que la tierra recibe constantemente radiación solar, la cual es una
fuente de energía gratuita, limpia y abundante, el uso de la energía solar en edificios está ganando fuerza.
A día de hoy, con las nuevas tecnologías, la luz solar puede ser empleada para una amplia variedad de
usos, así como generadora de electricidad, luz interior natural, calentadora de agua, entre otras utilidades.
Actualmente, los nuevos edificios acostumbran a integrar sistemas solares dentro de la parte exterior de
la envolvente del edificio, los cuales pueden captar gran cantidad de energía solar. Además, los humanos
hemos evolucionado bajo la influencia de la luz solar y el ciclo luz-oscuridad. Este hecho ha permitido el
desarrollo de una variedad de ventajas psicológicas que afectan al carácter y a la salud de las personas,
así como a una menor ausencia del lugar de trabajo y una alta productividad. Tras la aparición de la luz
eléctrica, la gente comenzó a pasar más tiempo dentro de los edificios. Consecuentemente, el confort
térmico resultó un factor significativo para los humanos en vistas a poder desarrollar una actividad dentro
del edificio. Así pues, vemos que una mejora en la eficiencia energética de los edificios contribuye al confort
interior y a la salud de los ocupantes. Por este motivo, últimamente, fachadas y cubiertas multifuncionales
están ganando la atención del mercado de la construcción debido a su versatilidad en el ahorro de energía
y en la mejora del confort interior del edificio.
La presente investigación cubre las cuestiones comentadas con anterioridad referentes a la mejora de la
eficiencia energética de los edificios, y así obtener una reducción en el consumo energético mediante
tecnologías innovadoras que utilizan fuentes de energía solar para crear un ambiente interior confortable.
Por este motivo, la presente Tesis está dividida en dos líneas de trabajo. La primera línea de investigación
describe e ilustra los problemas constructivos más habituales durante el ciclo de vida de las fachadas y
cubiertas de los edificios construidos con una solución constructiva de bajo rendimiento energético. De tal
manera, se ha estudiado un caso real en donde se ha rehabilitado energéticamente la envolvente exterior
de un edificio plurifamiliar de vivienda social. Este trabajo tiene la intención de ser utilizado como una
herramienta para entender la complejidad y los requisitos de la envolvente exterior del edificio en temas
de eficiencia energética, junto al confort interior de los ocupantes. A través del caso real estudiado, se
han observado mejoras significativas en el ahorro energético después de la rehabilitación energética de las
fachadas y cubierta, dando lugar a un aumento del confort térmico interior. El resultado demuestra la
necesidad de incitar a la industria de la construcción para que sea capaz de diseñar y desarrollar nuevas
envolventes exteriores energéticamente eficientes, tanto en el caso de nuevas construcciones como en el
de edificios rehabilitados. Una de las soluciones noveles es el caso del Panel de Hormigón Translucido (Translucent Concrete Panel – TCP). El TCP presenta una nueva alternativa pasiva capaz de reducir el
consumo energético del edificio, con la optimización de la entrada de luz solar natural dentro del mismo, a
través de la tradicional parte opaca de las paredes exteriores de fachada y cubierta, permitiendo así la
permeabilidad de la luz solar a través de las paredes y mejorando el confort térmico y lumínico interior.
Basada en los resultados obtenidos en la primera línea de investigación, la segunda línea solamente estudia
y analiza el comportamiento de la luz del TCP. Durante las últimas décadas, ciencia e industria han creado
diferentes sistemas lumínicos activos y pasivos los cuales intentan proveer soluciones para reducir y
aligerar la ineficiencia energética de los edificios. El TCP está considerado como una nueva tecnología
constructiva energéticamente eficiente diseñada para envolventes exteriores, y que tiene la propiedad de
resolver la carga energética de la parte opaca de las paredes permitiendo así la entrada de luz natural.
No obstante, actualmente el comportamiento de la luz de los TCPs no se puede simular por ordenador
debido a que no hay ningún software en el mercado que pueda simular y analizar las propiedades de
transmisión de luz de los dos componentes principales del TCP que son Concentrador Solar (Compound
Parabolic Concentrator – CPC) y la Fibra Óptica (Optical Fiber – OF). Por tanto, los nuevos estudios
experimentales han tenido que ser diseñados siguiendo procedimientos teóricos. Los test tuvieron lugar en
el exterior bajo condiciones reales de cielo y de esta manera en un futuro poder crear y validar programas
los cuales permiten una fácil adopción del TCP por parte de la industria. No obstante, todos los test se
dividieron en dos categorías. El primero buscaba demostrar y confirmar que el TCP, con un diseño apropiado
de sus componentes y orientación, puede distribuir la luz natural dentro del edificio durante las horas
solares. Diferentes paneles de TCP, con diferentes diámetros y ratios de OFs, fueron ensayados en el
exterior junto con paneles con CPCs de diferentes geometrías. Dado que los primeros resultados fueron
óptimos, se pudo dirigir la investigación a un segundo nivel, principalmente centrado en la mejora de la
cantidad de luz solar capturada con los CPCs y la cantidad de luz distribuida con las OFs dentro del
edificio. Con este objetivo, la presente investigación propuso modificar geométricamente los extremos de
las OFs con diferentes geometrías, y así analizarlas independientemente y alinearlas con CPCs de diferentes
geometrías. Este ha sido un punto importante del estudio, debido a que los extremos modificados de las
OFs son capaces de mejorar la entrada de luz natural en el interior del edificio.
Por otro lado, existe una gran diferencia entre los diferentes sistemas métricos utilizados por los
profesionales para evaluar las propiedades de la luz dentro de un espacio. Por este motivo, todos los
ensayos fueron diseñados siguiendo los objetivos de la investigación. No obstante, la presente Tesis decidió
diseñar y construir un Pequeño Portable Banco de Pruebas (Small Portable Test Bed – SPTB) para ser
utilizado en el exterior, el cual tiene un sistema integrado de control de sensores sin cables y que
activamente responden a los cambios exteriores climáticos durante los ensayos. El SPTB es una especie de
cubo que pretende simular la envolvente exterior del edificio con cuatro fachadas y cubierta. Este diseño
específico permite analizar a la vez las fachadas bajo las cuatro orientaciones junto con la cubierta. De
hecho, el SPTB fue concebido como una herramienta versátil para realizar ensayos bajo condiciones reales
exteriores. Además, gracias a la versatilidad de su estructura, las dimensiones del SPTB pueden ser
cambiadas en caso necesario. Para la presente investigación, el primer objetivo de este banco de pruebas
era realizar una evaluación justa del comportamiento de la luz del TCP basado en ensayos de luz dinámicos.
Y en segundo lugar, el SPTB buscaba desarrollar una herramienta física para ser utilizada más allá de las
necesidades de la presente investigación, así como en otros proyectos y ensayos. Para el novel TCP caso
de estudio, el SPTB fue ubicado en el exterior y una variedad de pequeñas muestras a escala real de TCPs
fueron ensayadas para analizar el comportamiento de la luz bajo condiciones reales del cielo, así como una recopilación de datos los cuales eran enviados Wireless i guardadas a una base de datos centrales ubicado
en internet.
Los resultados finales obtenidos en la presente Tesis confirman que, utilizando la tecnología comentada
en ésta investigación, se demuestra que las medidas tomadas en eficiencia energética pueden mejorar el
confort interior y la salud de los ocupantes. Éste es el caso de la rehabilitación energética de la fachada
utilizada como casa de estudio donde se obtuvo aproximadamente un 12% de ahorro energético. Por otro
lado, el TCP equipado con CPCs, es capaz de dispersar (directa y difusa) luz solar, i de esta manera mejorar
la distribución lumínica del interior del edificio. La investigación ha mejorado la luz capturada y dispersada
por las OFs gracias a la modificación de los extremos de la OF. Con el uso del SPTB, ha sido posible
evaluar el comportamiento de la luz del TCP con la utilización de sistemas métricos lumínicos dinámicos. No
obstante, más investigación experimental junto con nuevas simulaciones por ordenador, se tendrían que
hacer en un futuro a fin de obtener resultados más concluyentes en términos de ahorro energético y
confort térmico interior