Impact assessment of the façades' actual state on the energy performance gap of residential buildings
Authors:   , Gaspar Fàbregas Kàtia 
Published: July 2023

Bridging the gap between the predicted and actual energy performance of buildings is necessary to increase the energy performance of existing buildings and achieve the European Union’s energy efficiency targets in the “2030 climate & energy framework”. Construction is considered the sector with the most potential for energy saving. Specifically, buildings space heating has considerable potential for energy saving. Thermal transmittance is the fundamental parameter to characterise the heat losses of building envelopes. However, several research authors evidenced that assumptions regarding heat loss from a home pre-retrofit and post-retrofit were incorrect. In this sense, accurate on-site measurements are necessary to provide information on the actual thermal transmittance of façades.
The purpose of this thesis is to contribute to reduce the energy performance gap of residential buildings. Therefore, the aim of the thesis is to enhance the accuracy of in situ measurements of the actual thermal transmittance of façades of existing residential buildings using the heat flux meter method to ensure successful decision-making during the energy renovation processes of existing buildings, and to confirm energy performance strategies for new nearly zero-energy buildings.
The analysis of testing parameters for the in situ measurement process of the thermal transmittance are not fully specified by the standard ISO used extensively. Relating to calculation methods to conduct research on the thermal behaviour of façades, the standardised average method is widely used by authors. Very few initiatives used the standardised dynamic method because it is more complex than the average method. This research assesses the implications of using the different standardised calculation methods in order to verify which best fits theoretical values. Moreover, the usability of the standardised dynamic method is promoted and facilitated through a calculation procedure, defining a programmed spreadsheet accessible to practitioners.
The dissertation proposes a classification system of façades to facilitate the selection of façades to conduct a systematic analysis of the thermal performance of façades in the housing sector. The classification of façades of existing residential buildings for subsequent analysis is based on the characterization of the opaque part of façades.
The dissertation continues with the exploration of the boundaries of the requirements for using the standardised heat flow meter method to refine the testing conditions in low U-value façades. Façades with low thermal transmittance values are increasingly promoted due to comply with Directive 2010/31/EC targets. However, as several researchers shown, conducting accurate in situ measurement of low thermal transmittance façades is a challenging task. Investigating the limits of application of the HFM method for the in situ measurement of U-values in low thermal transmittance façades would allow to ensure compliance with policies to transition the existing building stock to nearly zero-energy buildings, and to confirm energy performance strategies for new nearly zero-energy buildings.
To enhance the usability of the heat flux meter method, the dissertation compares different criteria for determining conditions for stopping the test during in situ experimental campaigns when measuring the thermal transmittance of existing buildings’ façades using the heat flow meter method. This will help to reduce practitioners’ uncertainty about the duration of experimental campaigns for obtaining accurate actual thermal transmittance of existing buildings’ façades.
The dissertation concludes by outlining the main contributions of this research. The subjects that were raised during the research undertaken although they could not be addressed are commented and proposed as future work.
Reduir la diferència entre el rendiment energètic previst i real dels edificis és necessari per tal d’augmentar el rendiment energètic dels edificis existents i assolir els objectius sobre eficiència energètica de la Unió Europea en el “Marc sobre clima i energia per al 2030”. La construcció és considerada el sector amb més potencial d'estalvi energètic. Concretament, el condicionament tèrmic dels edificis mitjançant calefacció té un potencial d'estalvi energètic considerable. La transmitància tèrmica és el paràmetre fonamental per caracteritzar les pèrdues de calor a través de les envolvents de l’edifici. Tanmateix, diversos investigadors han demostrat que les hipòtesis sobre la pèrdua de calor dels edificis abans i després d’una rehabilitació no són correctes. En aquest sentit, es fa necessari realitzar mesures in situ amb elevada precisió per proporcionar informació sobre la transmitància tèrmica real de les façanes. El propòsit d’aquesta tesi és contribuir a reduir la bretxa del rendiment energètic en els edificis residencials. Per això, l'objectiu d'aquesta dissertació és millorar la precisió en la realització de mesures in situ de la transmitància tèrmica real de les façanes dels edificis residencials existents usant el mètode estandarditzat del mesurador de flux de calor (HFM), per assegurar l'èxit en la presa de decisions durant els processos de renovació energètica dels edificis existents i confirmar estratègies d'eficiència energètica per a nous edificis de consum d’energia quasi nul. L'anàlisi dels paràmetres d’assaig per a la mesura in situ de la transmitància tèrmica no està totalment especificada en l'estàndard ISO utilitzat extensivament. Pel que fa als procediments de càlcul, el mètode que s’utilitza de forma més àmplia pels investigadors és el mètode de mitjanes. Poques iniciatives utilitzen el mètode dinàmic degut a la seva complexitat. La investigació avalua les implicacions d'utilitzar els diferents mètodes de càlcul estandarditzats per verificar quin s’ajusta millor als valors teòrics de referència. A més, es fomenta i facilita la usabilitat del mètode dinàmic estandarditzat mitjançant un procediment de càlcul, definint un full de càlcul programat accessible per als professionals. La dissertació proposa un sistema de classificació de façanes per facilitar la selecció de façanes per a la seva posterior anàlisi del rendiment tèrmic de les façanes del sector de l'habitatge. La classificació de façanes d'edificis residencials existents es basa en la caracterització de la part opaca de les façanes. La dissertació continua explorant els límits dels requisits per a la utilització del mètode HFM per a refinar les condicions d’assaig en les façanes amb baixa transmitància tèrmica. Aquestes façanes es promouen cada vegada més per tal de complir amb els objectius de la Directiva 2010/31/CE. Tot i així, diversos investigadors han demostrat que realitzar mesures in situ precises en aquest tipus de façanes és un repte. Investigar els límits d'aplicació del mètode HFM per a la mesura in situ de la transmitància tèrmica en façanes amb baixa transmitància tèrmica permetrà assegurar el compliment de les polítiques de transició d'edificis existents a edificis de consum energètic quasi nul (nZEB), i confirmar estratègies d'eficiència energètica per a nous edificis nZEB. Per millorar la usabilitat del mètode HFM, aquesta tesi analitza diferents criteris per a determinar les condicions d’aturada de l’assaig durant les campanyes experimentals per mesurar in situ la transmitància tèrmica de les façanes. Els resultats ajudaran a reduir la incertesa sobre la durada de les campanyes experimentals per obtenir una transmitància tèrmica real precisa de les façanes dels edificis existents. La tesi conclou resumint les principals aportacions d'aquesta investigació. Els temes que s’han plantejat durant la investigació realitzada, i que no s'ha pogut abordar, es comenten i es proposen com a línies de treball futures