Design and development of an innovative green vertical system

Abstract

Urban centres are facing several challenges resulting from their quick expansion and from climate change. As a consequence, some areas have been experiencing flash floods, degradation of air quality, and an increase in temperatures. Buildings also represent a high burden in terms of greenhouse gas emission and energy consumption. It is therefore extremely important to invest in finding solutions that could help to mitigate the effects of some of these problems. In this context, the European Commission has encouraged countries and regions to adopt nature-based solutions, particularly green vertical systems (GVSs), that can improve daily living and environmental conditions. Green vertical systems are construction solutions that use vegetation to cover a building surface. The benefits that have been attributed to them include an improvement in buildings’ thermal insulation, the mitigation of the urban heat island effect, better air quality, the restoration of urban biodiversity, and the support of rainwater management. However, several questions have also been raised concerning the sustainability of these solutions. The use of materials with high environmental burdens and the high irrigation and maintenance needs of such systems are being pointed out as key aspects. Additionally, the design and implementation of GVSs can be much more complex than other green infrastructure since the plants and/or growing media must be fixed to a vertical surface. The main goal of this research work was to design and develop an innovative green vertical system, with improved environmental performance over its life-cycle. The expanded cork agglomerate was the main material. Thermal insulation and water retention are two of the characteristics recognized in this natural material that turned it into a suitable option. Tests were initially performed to quantify the water retention capacity and drainage capability of the insulation cork boards (ICB). The results showed that the material allows a suitable moistening and a good retention capacity, and at the same time it can quickly drain the excess water. A new ICB module was then designed, based on a set of environmental and functional aspects discussed beforehand. The ICB modules then underwent a series of mechanical tests to evaluate the behaviour of the proposed solution in wet conditions and after wetting-drying cycles. These experiments also intended to help to choose the most suitable material density to use in the new GVS. The results showed that the medium density ICB modules (140–160 kg/m3) fully meet the environmental and functional requirements, and are therefore an appropriate choice. Afterwards, a real-scale prototype was built, consisting of four façades (facing north, south, east, and west) and two plant species (Thymus pulegioides and Festuca glauca) were selected for the system. The prototypes were monitored for one year to check the coverage area, carbon sequestration capacity, and thermal behaviour. The results showed that the system and the plant species performed well. The overall environmental profile of the system was evaluated through a life-cycle study and it was found that the new modular living wall can be an eco-friendly choice, contributing especially to mitigate global warming.

Os centros urbanos enfrentam diversos desafios decorrentes da sua rápida expansão e das alterações climáticas. Como resultado, algumas destas áreas têm vindo a deparar-se com inundações repentinas, uma degradação da qualidade do ar e um aumento da temperatura. Os edifícios representam também uma grande preocupação pelas elevadas emissões de gases com efeito de estufa e pelo elevado consumo energético. Considerando todos estes aspetos, torna-se extremamente importante investir na procura de soluções que possam ajudar a mitigar alguns dos efeitos destes problemas. Neste contexto, a Comissão Europeia tem vindo a incentivar países e regiões a adotarem soluções baseadas na natureza, nomeadamente as fachadas verdes, que têm a capacidade de melhorar a qualidade de vida das populações e as condições ambientais. As fachadas verdes são soluções construtivas que utilizam a vegetação para recobrir a fachada de um edifício. Os benefícios que lhes têm sido atribuídos incluem uma melhoria do isolamento térmico dos edifícios, a mitigação do efeito ilha de calor urbana, uma melhoria da qualidade do ar, a recuperação da biodiversidade urbana e o apoio à gestão das águas pluviais. No entanto, várias questões têm também surgido em relação à sustentabilidade destas soluções. A utilização de materiais com elevados impactes ambientais e as elevadas necessidades de irrigação e manutenção têm vindo a ser apontados como aspetos importantes. Além disso, a conceção e a implementação das fachadas verdes podem também tornar-se tarefas muito complexas quando comparadas com as de outras infraestruturas verdes uma vez que, no caso das fachadas verdes as plantas e/ou os meios de cultivo têm de ser fixados numa superfície vertical. O objetivo principal deste trabalho de investigação foi conceber e desenvolver uma solução de fachada verde inovadora com um melhor desempenho ambiental ao longo do seu ciclo de vida. Para tal, foi utilizado como material principal o aglomerado de cortiça expandida. A capacidade de isolamento térmico e de retenção de água são duas das características reconhecidas a este material natural que o tornaram numa opção adequada. Inicialmente foram realizados testes para quantificar a capacidade de retenção de água e de drenagem das placas de aglomerado de cortiça expandida (ICB). Os resultados mostraram que o material permite um adequado humedecimento e uma boa retenção, demonstrando simultaneamente a capacidade de escoar de forma rápida o excesso de água. A conceção de um novo módulo de ICB foi, então, realizada com base num conjunto de aspetos ambientais e funcionais discutidos anteriormente. Os módulos de ICB foram posteriormente submetidos a uma série de testes mecânicos para avaliar o comportamento da solução proposta em condições húmidas e após os ciclos de humedecimento-secagem. Esta campanha experimental teve também como objetivo ajudar na escolha da densidade do material mais adequada para usar no novo sistema de fachada verde. Os resultados mostraram que os módulos de ICB de média densidade (140–160 kg/m3) cumprem totalmente os requisitos ambientais e funcionais, mostrando-se uma escolha adequada. Posteriormente, foi construído um protótipo em escala real constituído por quatro fachadas (orientadas a norte, sul, este e oeste) e foram selecionadas duas espécies de plantas (Thymus pulegioides e Festuca glauca) para integrarem o sistema. Os protótipos foram monitorizados durante um ano em termos da área de cobertura, do sequestro de carbono e do comportamento térmico. Os resultados revelaram um bom desempenho do sistema e das espécies vegetativas selecionadas. O perfil ambiental e global do sistema foi avaliado por meio de um estudo de ciclo de vida. Os resultados mostraram que a nova fachada verde pode ser uma escolha ecologicamente correta, contribuindo principalmente para mitigar o aquecimento global.