Tesis:
Multi-objective optimisation methodological framework for the thermal comfort assessment and hygrothermal modelling of vernacular dwellings. The case of São Vicente e Ventosa, Alentejo, Portugal = Marco metodológico de optimización multiobjetivo para la evaluación del confort térmico y modelización higrotérmica de viviendas vernáculas. El caso de Sao Vicente e Ventosa, Alentejo, Portugal
- Autor: COSTA CARRAPIÇO, Ines
- Título: Multi-objective optimisation methodological framework for the thermal comfort assessment and hygrothermal modelling of vernacular dwellings. The case of São Vicente e Ventosa, Alentejo, Portugal = Marco metodológico de optimización multiobjetivo para la evaluación del confort térmico y modelización higrotérmica de viviendas vernáculas. El caso de Sao Vicente e Ventosa, Alentejo, Portugal
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE ARQUITECTURA
- Departamentos: CONSTRUCCION Y TECNOLOGIA ARQUITECTONICAS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72266/
- Director/a 1º: NEILA GONZALEZ, Francisco Javier
- Director/a 2º: RASLAN, Rokia
- Resumen: Understanding the indoor comfort and habitability conditions of habitable architectural heritage such as vernacular dwellings is a key step towards its retrofit and conservation. Yet, there is a lack of large-sample studies that assess indoor conditions using long-term quantitative and qualitative data complying with monitoring standards. These are warranted to adequately investigate the challenge presented in striking a balance between improving thermal comfort, energy savings, and heritage conservation. The thermal comfort evaluation of vernacular dwellings, as well as their inherently linked thermal dynamic modelling process, present specific challenges which remain unaddressed in the literature. On the one hand, the occupants’ way of life, embodying regional cultural practices and traditional adaptive behaviours, and their unique thermal expectations, impact thermal comfort perception but are largely ignored in current comfort standards. On the other one, while heritage model calibration and validation are crucial for decreasing uncertainty and enhancing the robustness of simulation results and conservation interventions, the methodologies found in the literature are marked by significant heterogeneity and lack of consistency. This is especially true concerning the framework, indexes, control parameters, validation periods and thresholds used, often resorting to the ad-hoc adaptation of energy-based validation thresholds for hygrothermal validation and inappropriate statistical indicators. Such an unsystematic approach was found to be conducive to unsound conclusions, and thus inappropriately inform conservation strategies for vernacular dwellings. To this must be added the lack of efficiency of most common practices for obtaining optimised models and supporting retrofitting decision-making.
In view of this, this thesis undertook the research to support filling in knowledge gaps in the areas of thermal comfort assessment and robust modelling of vernacular dwellings, by reaching the overarching aim of developing a genetic algorithm (GA)-based multi-objective optimisation (MOO) methodological framework applicable to the hygrothermal modelling of vernacular heritage models to ultimately contribute to fostering adequate retrofit strategies for enhancing thermal comfort to be applied to the heritage buildings worldwide.
To do so, the present thesis developed a methodology anchored in four main research stages, based on a multiple case study research strategy of 22 vernacular dwellings selected in Southern Portugal. Stage 1 : Literature review encompassing research evaluating thermal comfort in vernacular dwellings, research modelling vernacular dwellings, and the potential of GA-based MOO for building retrofitting; stage 2: In situ data collection entailing the as-built survey of case studies, in situ environmental and thermophysical monitoring of the case studies, occupant surveying with point-in-time measurements; stage 3: Thermal comfort assessment, including monitoring and surveying statistical data analysis, the context-adapted thermal comfort evaluation, and the comparative analysis of underheated and overheated time with the Regulamento dos Edifícios de Habitação/Regulation of Energy Performance of Residential Buildings (REH) and EN 16798; stage 4: Optimisation-based modelling, inclusive of sensitivity analysis, optimisation-based calibration, and validation and multi-criteria decision-making. Firstly (stage 1), the thesis pinpointed and analysed the main methods and challenges in thermal comfort evaluation and modelling of vernacular dwellings (Paper 1) and provided a large evidence-base to assess the potential of MOO using GA for supporting the development of retrofitting strategies and its decision-making process (Paper 2). Aiming to provide a solution for the drawbacks identified, it then selected 22 vernacular case studies of a never-before explored typology considered typical of the region of Alentejo, Portugal, which would enable a broader impact of findings and contribute via a longer-term study of a larger sample than that found in the literature. This laid the foundation for the in situ data collection and monitoring of the case studies (Stage 2 – Paper 3) using mixed methods through quantitative and qualitative data gathering for 12 weeks during the summer and winter seasons. Following the as-built survey of the case studies, the in situ environmental and thermophysical monitoring of the case studies was carried out, focusing on outdoor and indoor air temperature, relative humidity, globe and surface temperature, thermal transmittance, air velocity, illuminance, air quality, and sound level, along with occupant surveying with point-in-time measurements targeting the occupants’ satisfaction and acceptability regarding thermal comfort, indoor air quality, and illuminance, and adaptive actions to mitigate discomfort. After examining the case studies’ indoor conditions and environmental performance, this work addressed the lack of robust evidence-based research on vernacular dwellings’ indoor comfort via the assessment of the case studies’ thermal comfort (stage 3 – Paper 4). Specifically, the thesis assessed the suitability of thermal comfort adaptive and steady-state methods by undertaking a statistically validated comparative analysis with the Portuguese context-adapted thermal comfort model (PTC) results, a term coined by the author. In doing this, this research established the comparative analysis of the comfort predictive performance of the different models regarding underheated and overheated hours entailing the EN 16798 and the national regulation REH. Finally, the thesis stepped into its last stage (Stage 4 – Paper 5) centred on optimisation-based hygrothermal modelling using heritage-adequate error indexes combined with a two-tier validation scheme. By establishing a three-step method, i.e. Morris sensitivity analysis, optimisation-based calibration, and validation and multi-criteria decisionmaking, this stage strove to build a common hygrothermal model calibration and validation framework for counteracting the pronounced heterogeneity amongst vernacular modelling studies and supporting the narrowing of the gap between modelled and actual performance for fostering more robust research in this niche. A GA MOObased calibration with NSGA-II was implemented for simultaneously minimising the statistical indicators rootmean- square error (RMSE) and mean absolute error (MAE) for the indoor air temperature of the winter and summer models. The validation and multi-criteria decision-making were conducted by means of threshold compliance and Compromise Programming.
As far as the key findings of this research, first off, and in what stage 1 was concerned, the main challenges found regarding thermal comfort evaluation intertwine with those of modelling vernacular dwellings. These are: i. the inadequacy of current standards; ii. the use of steady-state approaches despite evidence of their inadequacy; iii. the lack of a clear monitoring framework and insufficient occupant surveying; iv. increased uncertainty from imprecise or unfeasible in situ monitoring; v. inaccurate modelling, due to: a lack of consistent methodology and guidelines for hygrothermal model calibration; imprecise input data and; inherent software limitations in modelling vernacular elements. What is more, findings pointed to GA’s promising potential for solving a wide range of building retrofit MOO problems, based on robust outcomes with significant objective function improvement and that heritage buildings, where qualitative objective function definition is particularly challenging, have been little addressed. With reference to stage 2, the main findings highlighted the role of some of the case studies’ traditional bioclimatic strategies, such as that of thermal mass in damping the outdoor thermal wave and providing thermal stability, night ventilation, and the façades without any window openings. Summer thermal performance bettered that of winter, but occupant control strategies negatively impacted thermal stability and overheating. In winter, the most prevalent heating system, electric, performed less efficiently than radiant heating, leaving occupants exposed to thermal discomfort and health risks from cold, mould, and toxins from wood-burning and cooking. Important discrepancies were found between the illuminance monitored and survey data, indicating the significance of cultural practices in indoor environment acceptability and expectations. Apropos of stage 3, the leading outcomes brought attention to the limited suitability of current comfort models for thermal sensation evaluation in vernacular dwellings, which may lead to unnecessary energy consumption and inaccurate interventions. These included the case studies’ broad summer thermal acceptability, exceeding that of regular dwellings and thermal comfort standards, and the significant winter underheating, which highlights that priority should be given to improving cold-related risks. The PTC model was found to accurately represent summer thermal comfort conditions in naturally-conditioned vernacular dwellings in Alentejo, albeit underestimating underheated hours and requiring nighttime and boundary adjustments to improve its accuracy. In this sense, the thesis set forth for the first time adjustments to the PTC model, further tailoring it for thermal comfort evaluation in vernacular dwellings. Methods detailed under EN 16798 and REH were deemed unfit to evaluate thermal comfort in vernacular dwellings, especially in summer. Lastly, respecting the chief findings of stage 4, the algorithm search found Pareto frontiers composed of nine and six optimal solutions for summer and winter, respectively, in nearly three hours each. All optimal solutions significantly decreased the RMSE and MAE, especially in the summer, regarding the baseline data. The final solutions selected after the multi-criteria decisionmaking resulted in an accuracy improvement of 51 % and 54 % for the RMSE and MAE for the winter model and 80 % and 81 % for the RMSE and MAE in the summer model, compared to the baseline models. The strong correlation found between the calibrated models and the measured data along with the enhancement of calibrated data regarding the baseline model, stresses the potential of using GAs to obtain calibrated vernacular models that robustly predict real building performance and foster better retrofitting decision-making.
In conclusion, the methodology developed and implemented revealed to be appropriate for fulfilling the overall aim and objectives of the research, and its implementation allowed for the confirmation of the originally formulated hypothesis that the accurate evaluation of thermal comfort and modelling of vernacular dwellings is crucial for planning reliable retrofit interventions, and that the challenges found in the thermal comfort evaluation of these types of buildings intertwine with that of modelling them. Likewise, the research also confirmed that it is possible to develop a methodological framework that combines in situ data collection, thermal comfort adaptive evaluation, and calibration and validation, to obtain models that robustly predict real building performance and foster better decision-making for retrofitting heritage buildings.
Finally, future work recommendations were suggested regarding policy and research in thermal comfort and modelling of vernacular dwellings. These include, inter alia, the improvement of current comfort standards and models based on further long-term field studies and the possibility of adjusting their thresholds, the development of a common monitoring framework and which parameters to focus on, and the creation of a standard on hygrothermal model calibration entailing the most adequate indexes and variables. Additionally, suggestions were put forth for aiding to foster trust in GA-based MOO results applied to habitable heritage and enhance its incorporation into research and practice.
RESUMEN
Conocer y entender las condiciones interiores de confort y habitabilidad del patrimonio arquitectónico habitable, como las viviendas vernáculas, es un paso clave para su rehabilitación y conservación. Sin embargo, hay una laguna importante en la investigación que se dedica a evaluar las condiciones interiores de viviendas vernáculas, en la que se pone de manifiesto la ausencia de muestras grandes que utilicen datos cuantitativos y cualitativos a largo plazo y que cumplan con las normas de monitorización para investigar adecuadamente el reto de lograr un equilibrio entre la mejora del confort térmico, el ahorro energético y la conservación del patrimonio. La evaluación del confort térmico de las viviendas vernáculas, así como su proceso de modelización termodinámica con el que se encuentra intrínsecamente relacionado, presentan retos específicos que siguen sin atenderse en la literatura. Por un lado, el modo de vida de los ocupantes, que encarna las prácticas culturales regionales y los comportamientos adaptativos tradicionales, así como sus expectativas térmicas únicas, influyen en la percepción del confort térmico, pero se ignoran en gran medida en la legislación de confort actual. Por otro lado, mientras que la calibración y validación de los modelos de simulación de viviendas patrimoniales son cruciales para disminuir la incertidumbre y mejorar la solidez de los resultados de simulación y el subsecuente planteamiento de intervenciones de conservación, se identifica una marcada heterogeneidad entre las metodologías encontradas en la literatura y falta de coherencia en lo que respecta al marco metodológico, los índices, los parámetros de control, los períodos de validación y los umbrales utilizados. A menudo, los estudios en esta área recurren a umbrales de validación diseñados para la validación energética, adaptándolos de manera ad hoc a parámetros higrotérmicos y utilizando indicadores estadísticos inadecuados, lo cual entraña conclusiones poco fiables y, por lo tanto, sienta unas bases inadecuadas para la selección de estrategias de rehabilitación. A esto se añade la falta de eficiencia de las prácticas más habituales para obtener modelos de simulación optimizados y apoyar la toma de decisiones en la rehabilitación de patrimonio histórico o tradicional.
En vista de ello, la realización de esta tesis pretende ayudar a llenar las lagunas de conocimiento en las áreas de la evaluación del confort térmico y la modelización robusta de las viviendas vernáculas, con el objetivo general de desarrollar un marco metodológico, de aplicabilidad mundial, de optimización multiobjetivo (MOO) usando un algoritmo genético (GA) para la modelización higrotérmica de los modelos de patrimonio vernáculo, y contribuyendo así, en última instancia, al fomento de estrategias de rehabilitación adecuadas para la mejora de su confort térmico.
Para ello, la presente tesis desarrolló una metodología anclada en cuatro etapas principales de investigación y que tiene por base la estrategia de estudio de casos, específicamente 22 viviendas vernáculas seleccionadas en el sur de Portugal, Alentejo. Etapa 1: Revisión de la literatura sobre la investigación que evalúa el confort térmico en viviendas vernáculas, la investigación que modela viviendas vernáculas y el potencial de la optimización multiobjetivo usando el algoritmo genético para la rehabilitación de edificios; etapa 2: Recopilación de datos in situ englobando el levantamiento geométrico y constructivo de los casos de estudio, su monitorización ambiental y termofísica in situ, y la encuesta a sus ocupantes simultáneamente con mediciones puntuales; etapa 3: Evaluación del confort térmico abarcando el análisis de datos estadísticos de la monitorización y encuestas, la evaluación del confort térmico adaptado al contexto (context-adapted - término acuñado por la autora) y el análisis comparativo del tiempo de infracalentamiento y sobrecalentamiento con el Regulamento dos Edifícios de HaMapáo/Reglamento de la eficiencia energética en los edificios residenciales (REH) y EN 16798; etapa 4: Modelización basada en la optimización, que incluye el análisis de sensibilidad, la calibración basada en la optimización y la validación y la toma de decisiones multicriterio. En primer lugar (etapa 1), la tesis identificó y analizó los principales métodos y retos en la evaluación y modelización del confort térmico en viviendas vernáculas (Artículo 1 (P1)) y el potencial de la optimización multiobjetivo utilizando algoritmos genéticos para apoyar el desarrollo de estrategias de rehabilitación y su proceso de toma de decisiones sobre la base de amplia evidencia científica (Artículo 2 (P2)). Con el objetivo de aportar una solución frente a los problemas identificados, se seleccionaron 22 casos de estudio vernáculos de una tipología nunca antes analizada y considerada típica de la región del Alentejo, Portugal, lo cual permite la extrapolación de los hallazgos de esta investigación a un contexto más amplio, contribuyendo a través de un estudio con una muestra mayor de casos monitorizados y más a largo plazo que la encontrada en la literatura. Esto sentó las bases para la recopilación de datos in situ y la monitorización de los casos de estudio (Etapa 2 - Artículo 3 (P3)) utilizando métodos mixtos a través de la recopilación de datos cuantitativos y cualitativos durante 12 semanas en verano e invierno. Una vez realizado el levantamiento geométrico y constructivo, se llevó a cabo la monitorización ambiental y termofísica in situ de los casos de estudio, la cual se centró en la temperatura del aire exterior e interior, humedad relativa, temperatura de globo y de superficie, transmitancia térmica, velocidad del aire, iluminación, calidad del aire y nivel acústico, junto con las encuestas a los ocupantes enfocadas en la satisfacción y aceptabilidad respecto del confort térmico, calidad del aire interior e iluminancia, y el comportamiento adaptativo para mitigar el disconfort. Luego de examinar las condiciones interiores y el comportamiento ambiental de los casos de estudio, la investigación abordó la carencia de evidencia científica en el ámbito del confort en vivienda vernácula mediante la evaluación del confort térmico de los casos de estudio (Etapa 3 - Artículo 4 (P4)). En concreto, la tesis buscó evaluar la idoneidad de los métodos de confort térmico adaptativo y estático mediante la realización de un análisis comparativo teniendo por referencia la predicción del modelo portugués de confort térmico adaptado al contexto (PTC). Asimismo, esta investigación estableció el análisis comparativo validado estadísticamente de la capacidad predictiva del confort de diferentes modelos, según las horas de infracalentamiento y sobrecalentamiento, incluyendo la EN 16798 y el reglamento nacional REH. Finalmente, en su última etapa (Etapa 4 - Artículo 5 (P5)), la tesis se centró en la modelización higrotérmica basada en índices de error adecuados al patrimonio, juntamente con un sistema de validación de dos niveles. Mediante un método de tres pasos, es decir, el análisis de sensibilidad de Morris, la calibración basada en optimización y la validación y toma de decisiones multicriterio, esta etapa procuraba construir un marco común de calibración y validación de modelos higrotérmicos para contrarrestar la pronunciada heterogeneidad entre los estudios de modelización vernácula y apoyar la reducción de la brecha entre el comportamiento modelado y el real para promover una investigación más sólida en este nicho. Se implementó una calibración basada en un algoritmo genético de optimización multiobjetivo, el NSGAII, para minimizar simultáneamente los indicadores estadísticos raíz del error cuadrático medio (RMSE) y error absoluto medio (MAE) con relación a la temperatura del aire interior de los modelos en invierno y verano. La validación y la toma de decisiones multicriterio se llevaron a cabo mediante el cumplimiento de umbrales predefinidos y la programación compromiso.
En cuanto a los resultados clave de esta investigación, en primer lugar, y en lo que respecta a la etapa 1 , los principales retos identificados en cuanto a la evaluación del confort térmico en viviendas vernáculas se entrelazan con los de su modelización. Estos son: i. la insuficiencia de los estándares actuales; ii. el uso de enfoques estáticos en la evaluación del confort pese a la evidencia de su inadecuación; iii. la carencia de un marco de monitorización claro y la insuficiente implementación de encuestas a los usuarios; iv. el aumento de la incertidumbre a raíz de una monitorización imprecisa o inviable; v. el modelado inexacto, debido a: la falta de una metodología coherente y pautas para la calibración de modelos higrotérmicos; datos de entrada imprecisos y; limitaciones inherentes de software para modelar elementos vernáculos. Además, los resultados señalaron el gran potencial de los algoritmos genéticos para resolver una amplia gama de problemas de rehabilitación de edificios, obteniendo resultados robustos con una mejora significativa de las funciones objetivo, y que los edificios patrimoniales, en los que la definición de la función objetivo, al ser cualitativa, supone un reto añadido, han sido poco abordados. En lo que respecta a la etapa 2, los principales hallazgos destacaron el papel de algunas de las estrategias bioclimáticas tradicionales de los casos de estudio, como la de la masa térmica para la amortiguación de la onda térmica exterior y proporcionar estabilidad térmica, la ventilación nocturna y la ausencia de huecos de ventana en las fachadas. El comportamiento térmico en verano superó al del invierno, pero se constató que las estrategias de control de los usuarios repercutieron negativamente en la estabilidad térmica y el sobrecalentamiento de los casos de estudio. En invierno, el sistema de calefacción eléctrico, el más frecuente, reveló ser menos eficaz que el de calefacción radiante, dejando a los ocupantes expuestos al disconfort térmico y a los riesgos para la salud asociados al frío, el moho y las toxinas de la combustión de leña y la cocina. Se encontraron importantes discrepancias entre los datos de monitorización de la iluminancia y los de las encuestas, lo que apunta a la importancia de las prácticas culturales en las expectativas y aceptabilidad de las condiciones ambientes. En lo que atañe a la etapa 3, los resultados llamaron la atención sobre la limitada idoneidad de los actuales modelos de confort para la evaluación de la sensación térmica en las viviendas vernáculas, pudiendo conllevar un consumo energético innecesario e intervenciones incorrectas. Entre ellos, se encontró una amplia aceptabilidad térmica en verano de los usuarios de las viviendas en análisis, superando la de viviendas convencionales y los estándares de confort térmico; por otro lado, el importante infracalentamiento en el período invernal, el cual pone de manifiesto la necesaria prioridad en introducir mejoras que contrarresten los riesgos derivados del frío. Además, se comprobó que el modelo PTC representa correctamente las condiciones de confort térmico estival en las viviendas vernáculas naturalmente acondicionadas en Alentejo, aunque subestima las horas de infracalentamiento, requiriendo ajustes nocturnos y de los límites de las categorías del modelo para mejorar su precisión. En este sentido, la presente tesis propone por primera vez ajustes al modelo PTC, adaptándolo aún más a la evaluación del confort térmico en viviendas vernáculas. Los métodos detallados en la EN 16798 y el REH se consideraron inadecuados para evaluar el confort térmico en viviendas vernáculas, especialmente en verano. Por último, en lo que respecta a la etapa 4, la búsqueda del algoritmo genético encontró frentes de Pareto compuestas por nueve y seis soluciones óptimas para verano e invierno, respectivamente, en casi tres horas cada una. Todas las soluciones óptimas redujeron significativamente el RMSE y el MAE, especialmente en verano, con respecto a los datos de referencia. Las soluciones finales seleccionadas tras la toma de decisiones multicriterio dieron lugar a una mejora de la precisión del 51 % y el 54 % para el RMSE y el MAE en invierno y del 80 % y el 81 % para el RMSE y el MAE en verano, en comparación con los modelos base. La fuerte correlación encontrada entre los modelos calibrados y los datos medidos, junto con la mejora de los datos calibrados respecto del modelo base, subraya el potencial del uso de los algoritmos genéticos para la obtención de modelos vernáculos calibrados que predigan con solidez el comportamiento real de los edificios y fomenten una mejor toma de decisiones de rehabilitación.
En conclusión, la metodología desarrollada se reveló adecuada para cumplir con los objetivos de esta investigación, y su implementación permitió confirmar la hipótesis originalmente formulada de que la evaluación precisa del confort térmico y la modelización de las viviendas vernáculas es crucial para planificar intervenciones de rehabilitación fiables, y que los retos encontrados a la hora de evaluar el confort térmico de este tipo de edificios se entrelazan con el de su modelización. Asimismo, la investigación confirmó igualmente que es posible desarrollar un marco metodológico que combine la recogida de datos in situ, la evaluación adaptativa del confort térmico y la calibración y validación higrotérmicas, para obtener modelos que predigan de forma robusta el comportamiento real de los edificios y den lugar a una toma de decisiones más adecuada para la rehabilitación de edificios patrimoniales.
Por último, se sugirieron recomendaciones para futuras líneas de trabajo a nivel normativo y de investigación sobre el confort térmico y la modelización de viviendas vernáculas. Estas incluyen, entre otras, la mejora de los actuales estándares y modelos de confort basados en más estudios de campo a largo plazo y la posibilidad de ajustar sus umbrales, el desarrollo de un marco común de monitorización y en qué parámetros centrarse, y la creación de un estándar sobre la calibración de modelos higrotérmicos que implique los índices y variables más adecuados. Además, se presentaron pautas para ayudar a impulsar la confianza en los resultados de la MOO basada en los algoritmos genéticos aplicada al patrimonio habitable y mejorar su incorporación en la investigación y la práctica.