Modelling the building performances of an innovative BIPV shading device

Development of renewable energy in the recent years has become an interesting topics driven by needs of clean energy generation and the economic scale itself. PV system as an alternative for electricity generation has many applications including its inclusions into architectural design based on BIPV concepts. Therefore, modelling its performance is fundamental for the reliability, safety and stability of the grid as well as for the optimization of the system itself. Spesifically, this thesis focuses on an innovative shading device integrating PV, which is absed on an innovative external shading device designed by an architect Pietro Franchi and an engineer Stefano Rui. Firstly, a dedicated tool developed in house and validated against WINDOW LBNL software is used, for characterizing the bidirectional optical properties of the Complex Fenestration System (CFS) including such an innovative device. The extensible louvre need to be regulated in order to achieve a good performance, the control strategy for regulating the louvre tilt angle and extension was performed by writing a Python script, which used also to make able a daylighting software communicate with a thermal balance software. The daylighting simulation was implemented using Radiance software to get better results in terms of daylighting and eventually end up with better prediction toward lighting consumption. As the main objective of this thesis is to predict the performance of such a façade system, it has been defined a building module case study and three locations with a different climatic condition have been considered, i.e., Milan, Koln and Athens. To understand the performance of the shading device being devised, it is strongly important to perform the energy balance throughout the building study case which is performed using Energyplus. The Energyplus software, even though it has capability to perform a daylighting simulation, is not used to calculate the daylighting performance in this project. On the other hand, the daylighting simulation is taken as an input which already calculated using Radiance LBNL software. The simulation undergone three iterations during the thermal balance assessment. The first step is performing the CFS without any extension which the deflection angle is already optimized using the control strategy developed in using Python script. By considering the result of first iteration, it is possible to do some mechanical ventilation during the night, hence cooling down the room temperature and lowering the energy consumption. The second iteration implement such a modification, which the schedule is customized for every single cases considered in this project in the weekly manner. The last iteration performed in thermal balance stage of this project receives another input from python, which, again, optimizes the shading device by extending the lamellas without changing any lighting consumption and sacrificing daylighting need. Finally, the extension and deflection data produced by the Python script is taken into further consideration to determine the PV output for each case, hence make able to perform analysis of the overall energy balance of the system.

Lo sviluppo delle energie rinnovabili negli ultimi anni è diventato un argomento interessante guidato dalle esigenze di generazione di energia pulita e dalla stessa scala economica. Il sistema fotovoltaico come alternativa alla generazione di elettricità ha molte applicazioni, comprese le sue inclusioni nella progettazione architettonica basata su concetti BIPV. Pertanto, modellare le sue prestazioni è fondamentale per l'affidabilità, la sicurezza e la stabilità della rete, nonché per l'ottimizzazione del sistema stesso. In particolare, questa tesi si concentra su un innovativo dispositivo di ombreggiatura che integra il fotovoltaico, che è assente su un innovativo dispositivo di ombreggiatura esterno progettato dall'architetto Pietro Franchi e dall'ingegnere Stefano Rui. In primo luogo, viene utilizzato uno strumento dedicato sviluppato internamente e validato contro il software WINDOW LBNL, per caratterizzare le proprietà ottiche bidirezionali del sistema di fenestrazione complesso (CFS), incluso un dispositivo così innovativo. La griglia estensibile deve essere regolata per ottenere una buona prestazione, la strategia di controllo per regolare l'angolo di inclinazione della griglia e l'estensione è stata eseguita scrivendo uno script Python, che ha usato anche per consentire a un software di illuminazione diurna di comunicare con un software di bilancio termico. La simulazione dell'illuminazione diurna è stata implementata utilizzando il software Radiance per ottenere risultati migliori in termini di illuminazione diurna e alla fine con una migliore previsione del consumo di illuminazione. Poiché l'obiettivo principale di questa tesi è prevedere le prestazioni di un tale sistema di facciata, è stato definito un case study del modulo di costruzione e sono state prese in considerazione tre località con condizioni climatiche diverse, ad esempio Milano, Colonia e Atene. Per comprendere le prestazioni del dispositivo di schermatura progettato, è estremamente importante eseguire il bilancio energetico in tutto il caso di studio dell'edificio che viene eseguito utilizzando Energyplus. Il software Energyplus, sebbene abbia la capacità di eseguire una simulazione di illuminazione diurna, non viene utilizzato per calcolare le prestazioni di illuminazione diurna in questo progetto. D'altra parte, la simulazione dell'illuminazione diurna viene considerata come input che è già stato calcolato utilizzando il software Radiance LBNL. La simulazione ha subito tre iterazioni durante la valutazione del bilancio termico. Il primo passo è eseguire il CFS senza alcuna estensione che l'angolo di deflessione è già ottimizzato usando la strategia di controllo sviluppata usando lo script Python. Considerando il risultato della prima iterazione, è possibile eseguire una ventilazione meccanica durante la notte, raffreddando quindi la temperatura ambiente e riducendo il consumo di energia. La seconda iterazione implementa tale modifica, che il programma è personalizzato per ogni singolo caso considerato in questo progetto nel modo settimanale. L'ultima iterazione eseguita nella fase di bilancio termico di questo progetto riceve un altro input da Python, che, ancora una volta, ottimizza il dispositivo di ombreggiamento estendendo le lamelle senza modificare il consumo di illuminazione e sacrificando la necessità di illuminazione diurna. Infine, i dati di estensione e deflessione prodotti dallo script Python sono presi in ulteriore considerazione per determinare l'output fotovoltaico per ciascun caso, rendendo quindi in grado di eseguire analisi del bilancio energetico complessivo del sistema.