Nearly zero energy buildings and smart districts : dynamic energy analysis approach in the design process and application to a case study

This thesis aims at planning a nearly zero energy district by making use of a dynamic energy analysis approach. The zero-energy planning is of fundamental importance given the European guidelines (2010/31/EU), transposed to each country as legislative decrees, as a consequence of the recent evidence concerning climate changes. The energy efficiency request has led to the design of zero energy buildings and, on a larger scale, to the creation of nearly zero energy districts, also referred as “smart districts”. This work analyzes an important urban development in the hinterland of Milan, in which the planning follows the “smart city” concept. Taking as a constraint that the buildings must be NZEBs, this thesis starts from the dynamic energy analysis of a single office building, then continues with the verification of the requirements, both for the building alone and for the same but integrated into an urban environment. In order to carry out the dynamic energy analysis, the EnergyPlus software is employed, assisted by OpenStudio and SketchUp. The dynamic analysis regime, together with the hourly variability of the external conditions, allows focusing on plant-energy design aspects hard to be deduced otherwise. This is the case, for instance, of the accurate and realistic dimensioning of the machinery and of the inside surface temperature of the glazing, a delicate topic when dealing with an almost transparent envelope as in this case. Therefore, the objective of the thesis is to underline the advantages of the dynamic analysis, which provides more realistic results, as well as the importance of analyzing a building inside an urban area, where surroundings' shielding effect varies the energy needs.

L'obiettivo di questo lavoro è approcciarsi alla progettazione di un distretto a energia quasi zero mediante la modellazione energetica in regime dinamico. La progettazione a energia zero o quasi zero è fondamentale viste le direttive europee in materia (2010/31/EU), recepite poi sotto forma di decreti a livello nazionale, in seguito alle più recenti constatazioni relative ai cambiamenti climatici. Il tema dell'efficienza energetica degli edifici, ha spostato la progettazione verso edifici a energia quasi zero, e su più larga scala, distretti a energia quasi zero, o “smart districts”. In questa tesi verrà preso in esame un importante sviluppo urbanistico nell'hinterland milanese la cui progettazione prende come modello la smart city. Partendo dal fatto che gli edifici del nuovo distretto devono essere necessariamente NZEB, in questo lavoro si parte dall'analisi energetica in regime dinamica di un singolo edificio per uffici per poi verificarne il rispetto dei requisiti, sia come costruzione a sé stante sia come inserita nel tessuto urbano. Per effettuare l'analisi in regime dinamico si utilizza il software EnergyPlus, con l'ausilio di OpenStudio e SketchUp. Il regime dinamico, quindi la variabilità oraria delle condizioni esterne, ha dato modo di soffermarsi su aspetti progettuali impiantistico-energetici difficilmente individuabili in altro modo. È il caso dell'accurato e realistico dimensionamento dei macchinari o della temperatura superficiale interna dei vetri, argomento delicato se si tratta di involucro quasi totalmente trasparente, come in questo caso. Lo studio effettuato mira quindi a evidenziare i vantaggi di un'analisi dinamica, che restituisce risultati più realistici, e mostrar l'importanza dell'analisi energetica di un edificio contestualizzato in un tessuto urbano, in quanto gli edifici circostanti costituiscono una schermatura e provocano variazioni a livello di fabbisogno.