Optimizing building energy use in a smart city

The recent changes in the design and operation of power systems have created the need for a more flexible energy demand. Because of that, the goal of this work is to propose an optimization framework to minimize the user cost in a smart building. This approach profits from the thermal flux inside of a residential/commercial/institutional unit which belongs to a large building. This flux is composed by energy that has to be bought from the electric public grid and by the energy amount that depends on the building’s features and activities inside: façades’ orientation, building’s location, construction technology, city’s latitude and weather condition. This study aims to manage all these factors to improve the energy efficiency of the building and, in this way, of an entire district or city. Precisely, the following study is focusing on the smallest layer belonging to the full model of the Multilayer System: the unit. All the models proposed in this paper can manage different types of units (i.e household, office room, classroom etc..) having multiple layout structures (row houses, duplex houses etc...). We present three models that minimize the final energy cost and consumption of the unit; to do that, we will not use additional tools as home batteries, but we benefit from the building’s structure itself. First of all, we show how we characterize each façade orientation by calculating its specific solar gains values. After that, we present the standard model (SM) that accounts for the heating, cooling and lighting behaviour of the unit; next, we integrate a double skin façade, with the aim of improving the natural heat storage behaviour of the unit and we propose the “passive house model” (PH). Subsequently, a further improvement of the system is introduced into the study case, with the aim of controlling solar gains: the dynamic façade technology. This last model allows to reduce the electricity demand peak, reporting benefits for the Utility. We present the results and we discuss about the importance of the unit is orientation, the advantages of the passive house technology, the optimal depth of the double skin technology, the cost variation according to the temperature inside the living zone and the benefit of having a dynamic façade. Finally, we present the study case of seven consecutive days during which external temperatures, weather conditions and people’s behaviour change.

Il concetto chiave alla base di questo lavoro, consiste nel controllare e ottimizzare il flusso di calore all’interno di un’unità residenziale/commerciale/istituzionale, la quale é parte di un grande edificio. Tale flusso ́e caratterizzato da due principali componenti: il primo consiste nell’energia che viene acquistata dalla rete pubblica cittadina; il secondo, comprende tutto ciò che ́e legato alle caratteristiche tecniche dell’edificio e alle attività svolte al suo interno. In altre parole, ci riferiamo ai guadagni (o rientri) di calore legati all’orientamento della facciata, al sito dell’edificio, alle caratteristiche tecniche dell’involucro (i.e. isolamento, tenuta all’aria, tenuta all’acqua) e alle condizioni climatiche della città. Nel dettaglio, in questo studio presentiamo tre modelli per minimizzare non solo il costo finale,ma anche il consumo totale, dell’energia necessaria per il riscaldamento/raffrescamento e illuminazione dell’unità. I modelli proposti sono da intendersi come strumenti di ottimizzazione del costo legato al consumo energetico di climatizzazione e illuminazione; non sono dunque legati al dimensionamento impiantistico. I parametri utilizzati nelle simulazioni sono basati sulle condizioni climatiche della città di Montreal. Per far ciò, non utiliziamo costosi macchinari addizionali, né le classiche batterie litio domestiche (come la Powerwall, proposta dalla Tesla) di cui si parla sempre più frequentemente nella Letteratura, ma andremo a beneficiare della struttura stessa dell’edificio. L’obbiettivo di questo studio consiste nel gestire tutti questi fattori, al fine di migliorare l’efficienza energetica dell’edificio prima, e dell’intero distretto cittadino, in seguito; infatti, i modelli qui presentati sono relativi al più piccolo dei tre layer appartenenti a quello che abbiamo chiamato “Multilayer system”: l’unità. Come primo passo, é stato definito il procedimento mediante il quale sono stati calcolati i guadagni solari e si introducono altri concetti fondamentali, implementati nei tre modelli, come il Time-of-use. Successivamente viene presentato il primo dei tre modelli proposti: lo Standard model (SM),nel quale viene applicato il processo di minimizzazione matematica di costo e consumo energetico,ad una tradizionale unità abitativa. In questo modello si andrà a considerare le caratteristiche tecniche più diffuse nell’attuale parco edilizio canadese. In seguito, con l’obbiettivo di migliorare la capacità di stoccaggio dell’energia all’interno dell’unità, viene introdotto il secondo modello di ottimizzazione: la Passive house (PH). Questo secondo sistema, rappresenta un’unità avente i requisiti tecnici di un edificio passivo (nel dettaglio, vengono seguiti i valori di riferimento definiti dalla iPHA: International Passive House Association) e viene aggiunta, inoltre, una seconda pelle, creando una doppia facciata. Il modello ottenuto presenta grandi vantaggi in fatto di riduzione di costi e consumo. In fine, viene descritto il terzo modello, la Facciata dinamica, la quale ha come obbiettivo l’ulteriore ottimizzazione dei guadagni solari. In quest’ultimo modello, viene ripresa la Passive house, al fine di implementare un sistema di schermatura solare automatizzato, in grado di chiudersi in funzione del costo variabile dell’energia e del comfort interno all’unità. Questo sistema dinamico, porter`a vantaggi non solo all’utente, ma anche all’ente fornitore di energia. Per concludere, sono stati implementati diversi casi di studio e discussi i risultati, sottolineando l’importanza dell’analisi dell’orientamento dell’unità, i vantaggi legati ad un edificio passivo (PH),la larghezza ottimale dello spazio interposto alle due pelli nella doppia facciata, le conseguenze della variazione della temperatura nell’edificio sul costo finale e i vantaggi di una facciata dinamica. Infine, vengono testati ulteriormente i modelli per un arco temporale di una settimana, implementando delle condizioni variabili di temperature esterne, condizioni metereologiche e attività degli utenti al suo interno. E’ necessario sottolineare che tutti i modelli proposti in questo studio, sono adattabili ad ogni tipo di unità (possono essere, ad esempio, unità abitative, così come aule scolastiche o ristoranti), la quale può avere diversi tipi di struttura (come case a schiera o bi-familiari ecc...)