Mathematical programming for energetic, economic and environmental optimization of building design

Resum

L’objectiu d’aquesta tesis és desenvolupar eines sistemàtiques de suport per la presa de decisions basades en mètodes matemàtics pel disseny òptim d’edificis amb mínim cost i mínim impacte ambiental. Avui en dia la societat és cada vegada més conscient de la importància que té respectar el medi ambient. Com a resultat, les autoritats i moltes empreses i consumidors estan interessats en productes econòmicament eficients però també respectuosos amb el medi ambient. En aquest context l’eficiència energètica hi juga un paper molt important. L’aïllament d’edificis és particularment interessant, ja que fa disminuir el consum d’energia i, conseqüentment, permet reduir també l’impacte ambiental. El problema general que pretenem solucionar en aquesta tesis és el disseny d’edificis ambientalment respectuosos amb el mínim cost econòmic, centrant-nos en l’optimització de l’aïllament tèrmic exterior. Per tal de demostrar les possibilitats de les nostres eines, considerem un cas d’estudi: Una casa tipus cubicle localitzada a la regió de Lleida. No obstant les nostres metodologies són suficientment generals per treballar amb diferents models d’edifici, variables de decisió i funcions objectiu. Els nostres mètodes s’han desenvolupat amb la intenció d’ajudar als agents involucrats en el disseny d’edificis. El objetivo de esta tesis es desarrollar herramientas sistemáticas de soporte para la toma de decisiones basadas en métodos matemáticos para el diseño óptimo de edificios con mínimo coste y mínimo impacto ambiental. Hoy en día la sociedad es cada vez más consciente de la importancia que tiene respetar el medio ambiente. Como resultado, las autoridades y muchas empresas y consumidores están interesados en productos económicamente eficientes pero también respetuosos con el medio ambiente. En este contexto la eficiencia energética juega un papel muy importante. El aislamiento de edificios es particularmente interesante, ya que hace disminuir el consumo de energía y, consecuentemente, permite reducir también el impacto ambiental. El problema general que pretendemos solucionar en esta tesis es el diseño de edificios ambientalmente respetuosos con el mínimo coste económico, centrándonos en la optimización del aislamiento térmico exterior. Para demostrar las posibilidades de nuestras herramientas, consideramos un caso de estudio: Una casa tipo cubículo localizada en la región de Lleida. No obstatnte nuestras metodologías son suficientemente generales para trabajar con diferentes modelos de edificio, variables de decisión y funciones objetivo. Nuestros métodos se han desarrollado con la intención de ayudar a los agentes involucrados en el diseño de edificios. The goal of this thesis is to provide systematic mathematical decision-support tools for the design of optimal buildings with minimum cost and minimum environmental impact. Nowadays the society is becoming more aware of the importance of being environmentally conscious. As a result, the authorities and many companies and consumers seek for products that are cost efficient but also environmentally friendly. Here energy efficiency plays an important role. Building insulation is particularly appealing, since it decreases the energy demand, thereby leading to significant environmental savings. The general problem we aim to solve in this thesis is the design of environmentally friendly buildings with the lowest possible cost focusing on the optimization of the external thermal insulation. To illustrate the capabilities of our approaches, we consider a case study: A house-like cubicle located in the Lleida region. However our methodology is general enough to work with different building models, decision variables and objective functions. Our methods are intended to assist decision-makers in the design of buildings.