Development and optimisation of a prefabricated modular house for the Porto region

Abstract

The building stock is responsible for 40% of the energy consumption and 36% of greenhouse gas emissions in Europe. The European Energy Performance of Building Directive (EPBD) established instructions to promote building energy performance to mitigate this problem. Since its first publication in 2002, energy efficiency has been increasingly promoted. In particular, the 2010 recast introduced the nearly zero energy building concept (nZEB), a cost-effective building with low energy demand while having most of its energy demand supplied by renewable energy sources (RES). The procedure for developing a nZEB building includes a cost-optimal assessment of the elements and systems of the buildings, which is the cost-effective comparison between reference building solutions and the proposed building solutions. The cost-optimal assessment has fomented researches aiming to find more cost-effective and energy-efficient building solutions. Furthermore, building methods such as modular and offsite construction have been studied for their possible contribution to increasing cost-effectiveness, energy efficiency, and sustainability. In this context, this study focused on developing a modular solution for the external walls to be used in prefabricated housing. The methodology developed in this dissertation includes developing a catalogue for existing modular solutions, designing the studied building, simulating, and optimizing results, and the cost-optimal analysis of the achieved results for a single-family housing. The data was gathered through a Building Energy Model (BEM) analysis in the software Design-Builder running the Energy-Plus engine simulation. The cost-optimal analysis was performed by comparing different combinations of optimised external envelope options and building solutions. The study analysis shows that an external building envelope can be achieved with lower initial and global costs and lower energy needs than traditional construction. This study shows that the cost-optimal solution for the designed building is a light steel frame panel with an MDF wood façade panel of 22mm, an internal OSBIII panel of 15mm and 90mm Mineral wool insulation material.

O ambiente construído é responsável por 40% da energia consumida e 36% das emissões de gases com efeito de estufa na Europa. A Diretiva para o Desempenho Energéticos dos Edifícios (EPBD) estabeleceu instruções para promover o desempenho energético e térmico de edifícios para mitigar este problema. Desde a primeira publicação em 2002, a eficiência energética vem sendo fomentada. Em particular, a reformulação em 2010 introduziu o conceito de edifícios com necessidades quase nulas de energia (nZEB), um edifício custoeficaz com baixas necessidades energética que tem a maior parte dessas necessidades sendo fornecida por energias renováveis. O procedimento de desenvolvimento de um nZEB inclui a análise de custo óptimo dos sistemas e elementos do edifício, comparando entre a solução de referência e as soluções propostas. A análise de custo óptimo fomenta pesquisas focadas em achar mais soluções de melhor custo eficácia e de eficiência energética. Ademais, métodos de construção como edifícios modulares e pré-fabricados são estudados por possíveis contribuições para aumento de custo eficácia, eficiência energética e sustentabilidade. Neste contexto, este estudo focou-se no desenvolvimento de uma solução modular para paredes externas para ser utilizada em habitações pré-fabricadas. A metodologia desenvolvida nesta dissertação inclui o desenvolvimento de um catálogo para soluções modulares existentes, a criação do projeto de estudo, simulação e optimização, e análise de custo ótimo para uma habitação unifamiliar. Os dados foram recolhidos por meio de uma análise de um modelo energético de construção (BEM) pelo software Design-Builder utilizando o motor de simulação do Energy-Plus. A análise de custo óptimo foi feita comparando diferentes combinações de envolvente externa optimizada. A análise de estudo mostrou que é possível alcançar uma envolvente com custo inicial, custo total e necessidades energéticas menores quando comparada com a construção tradicional que se pratica no contexto português. Este estudo mostra que a solução de custo óptimo para o edifício projetado é um painel com estrutura em construção metálica leve (LSF), com um placa de madeira MDF de 22 mm na fachada, uma placa interna de painel estrutural com fibras orientadas de madeira (OSB) III de 15 mm, e o isolamento em lã mineral de 90 mm.