Performance investigation of a climate-active top lighting cell developed with generative processes and digital manufacturing

Abstract

Building electricity demands have risen due to floor area growth, increased indoor time, overreliance on artificial systems, aging infrastructures, and distribution bottlenecks. Since 2017, energy expenses have increased up to 20%, totalizing 40% of worldwide requirements and 36% of carbon emissions in the early 2020s. In this scenario, early-stage building design and performance simulation demonstrate the highest potential and lowest cost for energy saving. Among all building subsystems, enclosures are multicriteria mediators that partake in most indoor/outdoor energy flow, naturally conditioning buildings, and promoting occupant comfort. However, as prescriptive solutions, they only operate within predetermined environmental thresholds and cannot account for environmental dynamicity or long-term climate changes. Conversely, climate-active building envelopes potentially improve occupants’ comfort in real-time, responding to environmental fluctuations while maintaining acceptable levels of energy consumption. Although their ideation, design, simulation, and materialization are still complex, their various iterations can lead to more optimal solutions. Thus, there is a need to address how to design, operate, and maintain active envelopes and access their adaptation, behavior, performance parameters, and materialization. This research covered the ideation, whole-building environmental performance simulation, design, and manufacturing process of a climate-active top lighting cell. It assessed its contributions to human visual and thermal comfort and its optical and structural properties before and after desktop digital manufacturing. It followed a research-through-design and investigated a design- for-manufacturing-and-assembly workflow to help solve the oversimplification of simulations for active typologies, still employing low computational time and cost via iterative simulation and post selection instead of design optimization. As the main results, this study offered an integrative theoretical background on climate-active skins and a preamble for future active building classifications. Further, it created a more comprehensive parametric modeling and simulation workflow for building motion and real-time simulation, defined a variance-based simplification strategy for motion constraints, and demonstrated the incapacity of current simulation approaches (that only consider solstices and equinoxes as key dates) to represent the dynamicity and performance of active systems. This research also evaluated various processes within the design-for-manufacture approach, assessing the visual and structural properties of thermoplastics as end-use materials for physical prototypes and potential experiments to complement or replace software-intensive or time-consuming applications such as luminance- based high dynamic range imaging for daylight assessment and standard material degradation. Finally, this Thesis is an extensively documented and replicable research of a simulation and experiment-based digital modeling and physical manufacturing process for a cyber-physical system that acts upon environmental sensing to potentialize human comfort within buildings. Keywords: Research-through-design; design-for-manufacture-and-assembly; top lighting; climate-active building envelopes.A demanda por eletricidade em edificações é advento do crescimento da área edificada, do aumento nas horas despendidas em ambientes internos, da dependência exacerbada de equipamentos de condicionamento artificial, do envelhecimento da infraestrutura do espaço construído e dos gargalos da distribuição elétrica. Esse consumo cresceu em até 20% desde 2017, somando 40% da demanda de energia global em apenas um setor que já responde por 36% das emissões de carbono mundiais desde o início da década de 2020. Dentre os subsistemas das edificações, os envelopes construtivos mediam a maior parte dos fluxos de energia entre os ambientes externo e interno, agindo no condicionamento natural e promoção do conforto para usuários. Apesar disso, soluções de projeto prescritivas só operam entre circunstâncias ambientais predeterminadas e têm baixa capacidade de resposta à dinamicidade do clima local e as mudanças ao longo dos anos. Contrário, envelopes construtivos ativos potencialmente aumentam o conforto ambiental dos usuários em tempo real, reagindo a flutuações ambientais enquanto mantêm níveis aceitáveis de consumo energético. Apesar da concepção, projeto, simulação e materialização complexas, sua natureza iterativa pode acarretar mais soluções ótimas de projeto. Assim, é necessário descobrir como conceituar, projetar, operar e manter componentes construtivos ativos, bem como avaliar seus parâmetros de adaptação, controle, estímulos e materialização. Essa pesquisa cobre a ideação, simulação computacional de desempenho ambiental, projeto e manufatura para uma célula ciberfísica de controle de iluminação natural zenital. O estudo avalia as contribuições do produto para o conforto visual e térmico de usuários, bem como as propriedades estruturais e óticas dos materiais e componentes projetados e fabricados por manufatura digital. O estudo segue a metodologia de “pesquisa por projeto” (i.e., research-through-design) e investiga o processo de “projeto para manufatura e montagem” para solucionar a simplificação demasiada das simulações computacionais em pesquisas com tipologias construtivas ativas, ainda adotando baixos tempo e custo computacional com simulação iterativa em substituição à otimização. Como principais resultados, o estudo apresenta um referencial integrativo sobre o estado dos componentes construtivos ativos e oferece preâmbulo para caracterizações futuras. Além disso, ele define um processo holístico de modelagem e simulação para responsividade imediata, apresentando uma estratégia para simplificação de parâmetros de controle e movimentação mecânica por Análise de Variância e demonstrando a inaptidão dos processos estabelecidos até então (adeptos de datas chave como equinócio e solstícios) em representar a dinamicidade dos sistemas ativos. Essa pesquisa ainda avaliou etapas pertinentes ao projeto para manufatura, estudando as propriedades estruturais e óticas de termoplásticos para aplicações em produtos e como insumo para protótipos, bem como em experimentos físicos para complementar ou substituir aplicações computacionais intensivas ou extensas como análises de luminância por Grande Amplitude Dinâmica ou degradação de polímeros. Finalmente, essa Tese representa uma sistematização replicável de uma pesquisa em simulação e experimentação física e digital para avaliação e manufatura de um sistema ciberfísico de sensoriamento e resposta com objetivo de potencializar conforto humano em edificações. Palavras-chave: Pesquisa pelo design; projeto para manufatura e montagem; iluminação zenital; elementos construtivos ativos.