Modelling thermal energy demand profiles in the Italian residential sector for different nZEB penetration scenarios

Final energy demand of residential sector accounts for about 25% of the overall final consumption in the European region, mainly driven by space heating, space cooling, domestic hot water and cooking, which represent about 85% of the total. Definition of effective policies towards decarbonisation of heat demand have been hindered so far by the lack of temporally- and spatially-detailed heat demand profiles, a key input for energy system optimisation models. This study tries to fill this gap by designing and validating a bottom-up thermodynamic lumped-parameters model for the Italian building stock for the evaluation of both space heating and cooling, and a model for the domestic hot water (DHW) demand profiles. Final energy consumptions are defined for: four building archetypes, five periods of construction and six building typologies corresponding to different climate zones; moreover, the effect of dwellers behaviour is analysed trough the definition of three user types. The model is applied to Italy and results classified based respectively on regional and hourly space and time resolutions. The models are validated based on aggregated regional data, and used to assess the consequences of alternative building refurbishment scenarios towards Nearly Zero Energy Buildings (nZEBs), defined according to official Italian policy strategies: for each scenario, the change in heat demand and the change in the share between DHW and space heating/cooling energy demand is evaluated; then, sensitivity analysis is performed on the most critical parameter of the model. Results show that the penetration of nZEBs has a major impact on the national-aggregate heating demand, while a less significant impact is instead obtained for cooling loads. Heating peak loads experience a significant reduction. Moreover, the share between DHW and heating consumptions increases, with consequences on the optimal thermal system design of buildings.

La richiesta finale di energia per il settore residenziale rappresenta circa il 25% del consumo finale complessivo in Europa, ed è composta principalmente dal riscaldamento e raffrescamento degli ambienti, della produzione di acqua calda sanitaria e dalle attività di cottura, che rappresentano circa l'85% del totale. Tuttavia, la definizione di politiche efficaci verso la decarbonizzazione della domanda termica è stata finora ostacolata dall’assenza di profili di domanda di energia termica sufficientemente dettagliati nel tempo e nello spazio, che potrebbero rappresentare un elemento chiave per i modelli di ottimizzazione del sistema energetico. Perciò, questo lavoro si pone l’intento di sviluppare dei modelli per la generazione di curve di carico per la richiesta di energia termica finalizzata al riscaldamento e raffrescamento degli ambienti e alla produzione di acqua calda sanitaria (ACS). I consumi finali di energia sono definiti per: quattro archetipi di edifici, cinque periodi di costruzione, sei tipologie di edifici corrispondenti a diverse zone climatiche e tre tipologie di utenti. Il modello è applicato all'Italia e i risultati si basano su risoluzioni regionali e orarie di spazio e tempo. I modelli servono per la valutazione delle conseguenze di diversi scenari di penetrazione di edifici ad energia quasi zero (nZEB) nell’attuale parco edilizio italiano tramite ristrutturazioni: viene valutato lo share della domanda di acqua calda sanitaria rispetto a quella del riscaldamento; infine, un’analisi di sensibilità viene eseguita sul parametro più critico del modello. I risultati mostrano che la penetrazione di nZEB ha un impatto importante sulla domanda di riscaldamento nazionale aggregata, mentre un impatto minore per i carichi di raffrescamento. Esperienza dei carichi di picco di riscaldamento a notevole riduzione. Inoltre, aumenta la quota tra ACS e consumi di riscaldamento, con conseguenze sulla progettazione ottimale degli impianti termici degli edifici.