Development and assessment of lumped-parameter models for efficient building energy simulations at the urban scale

According to United Nations, people moving to big cities will overcome rural living in the next few years, increasing urban areas' energy impact and carbon emissions. Building sector plays a major role in cities' energy usage due to Heating and Cooling systems, water usage, electric appliances, etc. In this perspective, planning energy conservation actions and analyzing large amounts of buildings raises new issues, like the availability and standardization of building data, the automatic creation of precise geometric models, or urban canopy effects. Research efforts started focusing on these issues, creating Urban Building Energy Modeling, i.e., scaling up Building Energy Simulation to analyze neighborhoods, districts, or big cities. This thesis describes the development, validation, and application of EUReCA, the Energy Urban Resistance Capacitance Approach, a python-based simulation tool to run efficient urban energy simulation analyses, aiming to help stakeholders and public administrators in the decision-making process. First, the thesis focuses on the engineering details. The tool exploits urban geometry files from Geographic Information Systems, combined with typical structures and usage data that depend on building's age class or cadastral usage. Building energy simulation is based on two different simplified thermal networks, dynamic building models in which envelope heat transfer and thermal response are represented with equivalent resistances and capacitances. EUReCA implements two networks to be used alternatively; the first is derived from the technical Standard ISO 13790 (1 capacitance), and the second is derived from the VDI 6007 (2 capacitances). The building energy simulation core has been enriched with typical template models for Heating, Cooling and Ventilation systems, based on literature correlations or physic equations. Concerning the urban environment and buildings' mutual interaction, the tool includes two modules to consider mutual shading between buildings surfaces and Urban Heat Island effect. As the last feature, a first implementation of a district heating or cooling water system has been developed. As second step, several case studies have been simulated with the tool to validate the physic submodules. Comparing the 1C and 2C seasonal and hourly energy demand with respect to detailed EnergyPlus simulations of 13 buildings of Padua, Italy, has yielded good results, even if the hourly demand analysis proved a better performance of the more sophisticated 2C model. 580 buildings in Padua have been simulated to compare the modeled Urban Heat Island effect with data from two weather stations located in the surrounding rural area and city center. Concerning the District Heating and Cooling Network module, the University of California – Davis campus has partially been modeled and simulated, including its chilled water network. As final step, many application scenarios are proposed. Energy conservation measures at the building and generation side have been applied for the Piovego neighborhood and UC Davis area. EUReCA has been exploited for an additional District Energy Systems analysis, dealing with an optimization to reduce electric peaks in a virtual German case study district using dwellings water tanks. Concluding, an Uncertainty and Sensitivity analysis of many UBEM input parameters has been carried out considering 15 buildings in Verona, Italy.

Secondo le Nazioni Unite, nei prossimi anni la popolazione mondiale che vivrà nelle grandi aree urbane supererà la porzione di popolazione che risiede in zone rurali, aumentando l'impatto energetico delle città e le emissioni di carbonio correlate. Il settore edilizio ha un ruolo molto rilevante nel consumo energetico delle città, che è collegato ai riscaldamenti, alla climatizzazione, all'utilizzo di acqua, agli elettrodomestici, ecc. Tuttavia, la pianificazione di politiche di riduzione dei consumi, quando il numero di edifici è molto alto, crea diverse problematiche, come la mancanza e la non standardizzazione dei dati degli edifici in oggetto, la creazione di modelli geometrici precisi, o l’introduzione degli effetti climatici dell’ambiente urbano. La ricerca scientifica in questo settore ha iniziato a concentrarsi su queste sfide, creando l'Urban Building Energy Modeling, l’evoluzione della tradizionale simulazione energetica degli edifici, trasportata su scala spaziale di quartiere o città. Questa tesi descrive lo sviluppo, la validazione e l'applicazione di EUReCA, l'Energy Urban Resistance Capacitance Approach, un programma di simulazione scritto in python per analisi energetiche urbane efficienti, che ha l’obiettivo di supportare le amministrazioni pubbliche nel processo decisionale. In primo luogo, la tesi descrive i dettagli ingegneristici del programma. Il tool sfrutta file geometrici urbani da sistemi georeferenziati (GIS), combinati con strutture tipiche rispetto all’anno di costruzione e usi catastali. La simulazione energetica degli edifici si basa su due diverse reti termiche semplificate, modelli dinamici di edifici in cui il trasferimento di calore e la risposta termica dell'involucro sono rappresentati con resistenze e capacità equivalenti. EUReCA implementa due reti da utilizzare alternativamente; la prima si basa sulla norma tecnica ISO 13790 (1 capacità), mentre la seconda è derivata dalla VDI 6007 (2 capacità). La simulazione energetica è stata arricchita con modelli tipici di sistemi di riscaldamento, raffrescamento e ventilazione basati su correlazioni di letteratura o equazioni fisiche. Per quanto riguarda l'ambiente urbano, il programma include due moduli per considerare l'ombreggiamento reciproco tra le superfici degli edifici e l'effetto Isola di calore urbana. Come ultimo sviluppo, è stata modellata una prima versione di un sistema di teleriscaldamento o telereffrescamento dell'acqua. Come seconda fase, si sono simulati diversi casi studio, al fine di validare i modelli fisici del programma. Il confronto tra il fabbisogno energetico stagionale ed orario delle reti 1C e 2C rispetto a simulazioni EnergyPlus dettagliate di 13 edifici di Padova, in Italia, ha dato buoni risultati, anche se l'analisi della domanda oraria ha dimostrato una migliore performance del modello 2C, più sofisticato. Inoltre, si è simulata un’area di 580 edifici a Padova, confrontando l'effetto dell'isola di calore urbano modellato con i dati di due stazioni meteorologiche situate nell'area rurale circostante e nel centro della città. Per quanto riguarda la rete di teleriscaldamento e teleraffrescamento, il campus dell'Università della California - Davis è stato parzialmente modellato e simulato, compresa la sua rete di acqua refrigerata. Come ultimo punto della tesi, vengono proposti numerosi scenari applicativi. Azioni di risparmio energetico a livello di edificio e di distretto sono state applicate al quartiere del Piovego e all'area dell’UC Davis. EUReCA è stato utilizzato per un'ulteriore analisi, che applica un algoritmo di ottimizzazione per ridurre i picchi elettrici in un caso studio tedesco virtuale, sfruttando i serbatoi d'acqua delle abitazioni. Come ultima applicazione, è stata condotta un'analisi di incertezza e sensitività di alcuni parametri di input della simulazione, considerando 15 edifici a Verona, in Italia.