Evaluation of building envelope energy performance through extensive simulation and parametrical analysis

Abstract

More than 30% of the final energy uses in the European Union are due to the building energy consumptions. In order to reduce their energy impact and improve their efficiency, the design activity has been given a large importance, both for new buildings or refurbishment projects. Moreover, besides these goals, during the last years the indoor comfort conditions have assumed a more and more relevant significance for professionals in the building design. That required the development of properly detailed instruments of analysis, such as building energy simulation tools (BES). Generally, the more complex a tool, the higher the number of required inputs but not all of them are always available in the early design stages. For this reason, BES codes have been used also to elaborate simpler models. This research analyses the possibilities given by an extensive use of the BES for the evaluation of the building envelope energy performance and some of the different issues related to BES. The first topic discussed is related to the external boundary conditions in BES, in particular the definition of a representative weather file for the description of the external environment and of the modelling of the heat transfer through the ground. The second topic analyses the problems of the validation of the results provided by BES tools and the relative accuracy introduced by the choice of a specific code. The comparison between BES software is carried out both considering the outputs of a whole thermal zone, such as heating and cooling energy needs and peak loads and the time of their occurrences, and the response of a single component (i.e., opaque walls and glazings). Finally, the coherence between the energy needs elaborated by means of BES tools and those by the quasi-steady state model presented in the technical Standard EN ISO 13790:2008 is studied and some correction factors are proposed for this simplified method.Più del 30% degli impieghi finali di energia nell’Unione Europea è dovuto ai consumi energetici degli edifici. Al fine di ridurre il loro impatto energetico e migliorare la loro efficienza, è stata data una sempre maggiore importanza all’attività di progettazione, sia in merito ai nuovi edifici sia per gli interventi di riqualificazione. Inoltre, in aggiunta a questi obiettivi, durante gli ultimi anni le condizioni di comfort nell’ambiente confinato hanno assunto una sempre maggiore significatività per i progettisti edili. Ciò ha richiesto lo sviluppo di strumenti di analisi adeguatamente dettagliati, come i simulatori dinamici dell’edificio. In generale, più è complesso uno strumento, maggiore è il numero di input richiesti ma non tutti sono sempre disponibili nelle fasi iniziali della progettazione. Per questa ragione, i codici di simulazione dinamica sono stati impiegati anche per sviluppare modelli semplificati. Questa ricerca analizza le possibilità date da un uso estensivo della simulazione dinamica per la valutazione delle prestazioni energetiche dell’involucro edilizio e alcune problematiche relative ad essa. Il primo argomento discusso riguarda le condizioni al contorno nella simulazione dinamica, in particolare la definizione di un file climatico rappresentativo per la descrizione dell’ambiente esterno e la modellazione dello scambio di calore attraverso il terreno. Il secondo argomento analizza i problemi della validazione dei risultati forniti dagli strumenti di simulazione dinamica e l’accuratezza introdotta dalla scelta di uno specifico codice. Il confronto tra i software di simulazione dinamica è condotto sia a livello degli output di un’intera zona termica, quali i fabbisogni di riscaldamento e raffrescamento, i carichi di picco e l’istante in cui si verificano, e la risposta di un singolo componente (i.e., le pareti opache e quelle vetrate). Infine, viene studiata la coerenza tra i fabbisogni energetici elaborati dagli strumenti di simulazione dinamica e quelli ottenuti tramite il modello semi-stazionario presentato nella normativa EN ISO 13790:2008 e vengono proposti alcuni fattori correttivi per questo metodo semplificato