Energy efficiency of buildings: Dynamic simulations and experimental analyses

The studies reported in this thesis add to the current body of knowledge a contribution concerning both new dynamic hourly calculation models, useful for a reliable assessment of the energy needs of buildings, and innovative construction solutions to improve the energy efficiency of buildings and thus decarbonise the construction sector currently responsible for about 40% of global climate-changing gas emissions. The new calculation models contained in the recent standards published by CEN are analysed, namely EN ISO 52016-1:2017 "Energy demand for heating and cooling, indoor temperatures and sensible and latent heat loads - Part 1: Calculation procedures" and the related EN ISO 52010-1:2017 "Outdoor climatic conditions - Part 1: Conversion of climate data for energy calculations". These standards offer the possibility to estimate energy requirements and operative temperatures with similar accuracy to that of major simulation software (such as Trnsys or Energy Plus), but in a less onerous way. As both standards are recently published, there are not enough studies in the literature to identify the actual validity of the methods and the fields of application. For this reason, using Tnsys as a basis, a comparative and sensitivity analysis was carried out, the main criticalities were identified and alternative calculation methods were proposed which, appropriately integrated into the standards, improved their accuracy. At an experimental level, innovative construction solutions were proposed to improve winter and summer energy requirements, respectively with the study of a hyper-insulated building integrated with a solar greenhouse equipped with controlled mechanical ventilation and with the study of three different ventilated facades, also integrated with controlled mechanical ventilation, optimised using machine learning techniques. Finally, the impact of climate change on current NZEBs in terms of needs and comfort was assessed, according to two scenarios proposed by the IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change): RCP4.5, which foresees a reversal of CO2 emissions by 2070 and a maximum temperature increase of 2°C, and RCP8.5, which uses a "business-as-usual" approach and foresees quadruple CO2 concentrations by 2100, with a temperature increase of more than 4°C.

Gli studi riportati in questa tesi aggiungono all'attuale corpus di conoscenze un contributo riguardante sia i nuovi modelli di calcolo dinamico orario, utili per una valutazione affidabile del fabbisogno energetico degli edifici, sia le soluzioni costruttive innovative per migliorare l'efficienza energetica degli edifici e quindi decarbonizzare il settore delle costruzioni attualmente responsabile di circa il 40% delle emissioni globali di gas climalteranti. Vengono analizzati i nuovi modelli di calcolo contenuti nelle recenti norme pubblicate dal CEN, ovvero la EN ISO 52016-1:2017 "Fabbisogno energetico per il riscaldamento e il raffreddamento, temperature interne e carichi di calore sensibile e latente - Parte 1: Procedure di calcolo" e la relativa EN ISO 52010-1:2017 "Condizioni climatiche esterne - Parte 1: Conversione dei dati climatici per i calcoli energetici". Tali norme offrono la possibilità di valutare il fabbisogno energetico e le temperature operative con un’accuratezza simile a quella dei principali software di simulazione (come Trnsys o Energy Plus), ma in modo meno oneroso. Essendo entrambi gli standard di recente pubblicazione, non esistono in letteratura studi sufficienti ad identificare l'effettiva validità dei metodi e i campi di applicazione. Per questo motivo, utilizzando Tnsys come base, è stata effettuata un'analisi comparativa e di sensibilità, sono state individuate le principali criticità e proposti metodi di calcolo alternativi che, opportunamente integrati nelle norme, ne hanno migliorato l’accuratezza. A livello sperimentale sono state proposte soluzioni costruttive innovative per migliorare il fabbisogno energetico invernale ed estivo, rispettivamente con lo studio di un edificio iperisolato integrato ad una serra solare dotata di ventilazione meccanica controllata e con lo studio di tre diverse facciate ventilate, anch'esse integrate a ventilazione meccanica controllata, ottimizzate tramite tecniche di machine learning. Infine, è stato valutato l'impatto del cambiamento climatico sugli attuali NZEB in termini di fabbisogni e comfort, secondo due scenari proposti dall'IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change): RCP4.5, che prevede un'inversione delle emissioni di CO2 entro il 2070 e un aumento massimo della temperatura di 2°C, e RCP8.5, che utilizza un approccio "business-as-usual" e prevede concentrazioni di CO2 quadruple entro il 2100, con un aumento della temperatura di oltre 4°C.