95861 - LOW-ENERGY BUILDINGS AND CITIES

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del modulo lo studente conosce i principi e le metodiche per ottimizzare il comportamento energetico e i livelli di comfort di edifici e complessi.

Contenuti

Questo corso considera il problema della progettazione di città resilienti considerando l'evoluzione delle condizioni climatiche, della morfologia urbana, delle proprietà fisiche dell'ambiente costruito e del comportamento degli utenti. Comprenderà i seguenti argomenti:


Un’introduzione al sistema climatico della Terra e alla classificazione delle zone climatiche (modello di circolazione globale e classificazione climatica di Koppen, risorse web).
Scenari futuri dell'evoluzione climatica dovuti ai cambiamenti climatici e al loro impatto sull'ambiente edificato e sugli insediamenti (dati essenziali riguardanti le proiezioni climatiche future, condizioni meteorologiche rispetto al clima, modelli a breve e lungo termine).
File di dati climatici, formati standard, analisi e morphing per il cambiamento climatico e l'effetto Isola di Calore Urbana (strumenti web per l'analisi e altri software gratuiti per l'analisi e il morphing).
Effetto Isola di Calore Urbana (UHI), cause e strategie di mitigazione, misurazioni e tecniche di modellazione (fondamenti, impatto della morfologia urbana, strumenti di modellizzazione).
Modellazione del comportamento energetico degli edifici in un contesto urbano, edifici prototipo e morfologia urbana (costruzione di edifici di riferimento statistico e simulazione utilizzando strumenti di modellazione semplificati, analisi delle caratteristiche chiave dell'edificio e indicatori di prestazione).
Modellazione della domanda aggregata di energia elettrica e termica su scala urbana, emissioni di carbonio (analisi dei profili di carico, curve di durata del carico, visualizzazione di serie temporali, diagrammi di Sankey, hub energetici).

Con riferimento al singolo edificio, il Corso tratterà:


Fisica del trasferimento di calore negli edifici. Comfort termico, qualità dell'aria e aria umida. Installazione e controllo HVAC. Infiltrazione e ventilazione. Calcoli energetici per gli edifici. Edifici intelligenti e sostenibili a basso consumo energetico. Considerazione pratica sugli edifici a basso consumo energetico. Progettazione e simulazione. Ottimizzazione del consumo energetico negli edifici.

Nel caso di studio, gli studenti disegnano la geometria, definiscono le pareti e i soffitti, nonché calcolano il valore U e il bilancio energetico. Inoltre, troveranno la soluzione ottimale per il consumo energetico, la qualità dell'aria interna e il sistema HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria).

Documenti chiave per la creazione del flusso di lavoro e della metodologia per il progetto:

Acquisizione dati per la modellazione energetica degli edifici urbani: una revisione [1].
Open data e analisi energetica - Un'analisi delle informazioni essenziali per la pianificazione, progettazione e funzionamento del sistema energetico [2]
Modelli di prototipi italiani per la simulazione delle prestazioni degli edifici a scala urbana [3].
Metriche di valutazione semplificate per una progettazione urbana generativa basata sull’energia: uno studio morfologico degli isolati residenziali a Tel Aviv [4]
Dalle prestazioni energetiche alle città mediterranee vivibili: uno studio tipologico interclimatico annuale sul comfort termico esterno e sul bilancio energetico [5]
Modellazione basata sui dati della dinamica termica degli edifici: metodologia e stato dell'arte [6].
Confronto incrociato dettagliato dei risultati degli strumenti di simulazione energetica degli edifici utilizzando un edificio per uffici di riferimento come caso di studio [7].
Stima basata sui dati del consumo energetico degli edifici con dati eterogenei multi-fonte [8].
Valutazione dinamica dei materiali da costruzione nel patrimonio edilizio urbano: una revisione critica [9].
Efficienza energetica, gestione della domanda e tecnologie di stoccaggio dell'energia – Un'analisi critica dei possibili percorsi di integrazione nell'ambiente costruito [10].
Una strategia per ridurre le emissioni di CO2 degli edifici con l’identità Kaya – Un’analisi del sistema energetico svizzero e un caso di studio [11].
Scenari globali della domanda di energia per il riscaldamento e il raffreddamento residenziale e delle emissioni di CO2 [12]
Cambiamenti climatici e prestazioni energetiche del patrimonio edilizio residenziale europeo – Una valutazione d’impatto completa utilizzando i big data climatici provenienti dall’esperimento coordinato di ridimensionamento climatico regionale [13].
Quantificare gli impatti dei cambiamenti climatici e degli eventi climatici estremi sui sistemi energetici [14].

 

 

Testi/Bibliografia

[1] Wang C, Ferrando M, Causone F, Jin X, Zhou X, Shi X. Data acquisition for urban building energy modeling: A review. Build Environ 2022;217:109056. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109056.

[2] Manfren M, Nastasi B, Groppi D, Astiaso Garcia D. Open data and energy analytics - An analysis of essential information for energy system planning, design and operation. Energy 2020;213. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118803.

[3] Carnieletto L, Ferrando M, Teso L, Sun K, Zhang W, Causone F, et al. Italian prototype building models for urban scale building performance simulation. Build Environ 2021;192:107590. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.107590.

[4] Natanian J, Wortmann T. Simplified evaluation metrics for generative energy-driven urban design: A morphological study of residential blocks in Tel Aviv. Energy Build 2021;240:110916. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.110916.

[5] Natanian J, Kastner P, Dogan T, Auer T. From energy performative to livable Mediterranean cities: An annual outdoor thermal comfort and energy balance cross-climatic typological study. Energy Build 2020;224:110283. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110283.

[6] Wang Z, Chen Y. Data-driven modeling of building thermal dynamics: Methodology and state of the art. Energy Build 2019;203:109405. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.109405.

[7] Magni M, Ochs F, de Vries S, Maccarini A, Sigg F. Detailed cross comparison of building energy simulation tools results using a reference office building as a case study. Energy Build 2021;250:111260. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111260.

[8] Pan Y, Zhang L. Data-driven estimation of building energy consumption with multi-source heterogeneous data. Appl Energy 2020;268:114965. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114965.

[9] Göswein V, Silvestre JD, Habert G, Freire F. Dynamic Assessment of Construction Materials in Urban Building Stocks: A Critical Review. Environ Sci Technol 2019;53:9992–10006. https://doi.org/10.1021/acs.est.9b01952.

[10] Tronchin L, Manfren M, Nastasi B. Energy efficiency, demand side management and energy storage technologies – A critical analysis of possible paths of integration in the built environment. Renew Sustain Energy Rev 2018;95:341–53. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.06.060.

[11] Mavromatidis G, Orehounig K, Richner P, Carmeliet J. A strategy for reducing CO2 emissions from buildings with the Kaya identity – A Swiss energy system analysis and a case study. Energy Policy 2016;88:343–54. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.enpol.2015.10.037.

[12] Mastrucci A, van Ruijven B, Byers E, Poblete-Cazenave M, Pachauri S. Global scenarios of residential heating and cooling energy demand and CO2 emissions. Clim Change 2021;168:14. https://doi.org/10.1007/s10584-021-03229-3.

[13] Yang Y, Javanroodi K, Nik VM. Climate change and energy performance of European residential building stocks – A comprehensive impact assessment using climate big data from the coordinated regional climate downscaling experiment. Appl Energy 2021;298:117246. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117246.

[14] Perera ATD, Nik VM, Chen D, Scartezzini J-L, Hong T. Quantifying the impacts of climate change and extreme climate events on energy systems. Nat Energy 2020;5:150–9. https://doi.org/10.1038/s41560-020-0558-0.

[15] Hugo Hens, Building Physics - Heat, Air and Moisture: Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises, Wilhelm Ernst & Sohn (2017)

[16] Marko Pinterić, Building Physics, From physical principles to international standards, Springer (2017)

[17] Trnsys software (www.trnsys.com )

[18] Dalec, Building Energy under control (dalec.zumtobel.com)

[19] Ies software (www.iesve.com )

Metodi didattici

Il Corso fa parte del Corso Integrato "Making the city resilient" e rappresenta il punto predominante dal punto di vista tecnico/scientifico deo Corso integrato stesso. mentre gli altri moduli "Optimizing economic and environmental effectiveness" rappresentano la parte economica.

Il corso illustrerà i concetti e le metodologie per la simulazione energetica di edifici e quartieri per una progettazione più sostenibile degli interventi sull'ambiente costruito, con focus anche sulla parte ambientale delle città e distretti urbani.

Il corso si svolgerà mediante lezioni in aula ed esercitazioni guidate di laboratorio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

l'esame orale verterà sulla discussione dell'esercitazione, con approfondimenti sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali.

Verrà valutato come eccellente (punteggio 27-30) il lavoro presentato da studenti in modo organico, fornendo una descrizione precisa e puntuale con assoluta padronanza e proprietà di linguaggio, e con la predisposizione di una relazione finale esaustiva, completa nei vari argomenti trattati.

Verrà valutata come discreta (punteggio 23-26) una presentazione di studenti che dimostrano prevalentemente una conoscenza mnemonica dei concetti illustrati a lezione e un approfondimento senza particolari spunti di originalità, evidenziati anche nella relazione che sarà caratterizzata da contenuti tecnici tecnici ma con approfondimenti privy di particolari spunti di originalità.

Verrà valutata come sufficiente (punteggio 18-22) una presentazione ed una relazione che dimostra carenze di linguaggio, scarsa padronanza della terminologia e poca consapevolezza dei concetti illustrati a lezione. La relazione riporterà solo i risultati basilari del lavoro svolto senza particolari commenti o valutazioni da parte degli studenti.

Verrà considerata come insufficiente una esposizione che dimostra assenza di proprietà di linguaggio, mancanza di padronanza dei concetti analizzati e una relazione tecnica incomplete e cong ravi errori metodologici.

Strumenti a supporto della didattica

Free software for energy and environmental evaluations

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lamberto Tronchin

Consulta il sito web di Paolo Valdiserri