Energy flexible building cluster

In response to the urgent threat of climate change, decarbonizing the energy systems has been progressively recognized as a priority in recent European energy policies. Consequently, an exponential growth of variable renewable energy sources penetration is occurring in parallel with the extensive electrification of the demand. Conventional centralized energy systems based on fossil fuels are transforming into efficient decentralized systems supported by renewables and stand-alone energy consumers are shifting towards interconnected energy communities of prosumers able to both consume, locally produce and store energy. For maintaining grid stability and for managing grid congestions, increasing flexibility in the energy system becomes necessary. As buildings are the largest energy consumer in Europe, responsible for approximately 40% of energy consumption and 36% of CO2 emissions, they play a key role towards energy flexibility target and can contribute through demand-side management strategies to pursue the objectives of improving the renewable energy usage and fostering the energy-use related carbon emissions reduction. In order for energy flexible buildings to be an asset for the future energy networks, there is a need to provide a common definition of energy flexibility and develop a methodology for the quantification of the energy flexibility that buildings can offer. Additionally, considering the strong relationship among new generation of smart buildings and energy system domain, the investigation of energy flexibility at building cluster scale represents a profitable way to describe the synergy between buildings and energy grid (unlike the single building), without losing the focus on the detailed technological building related aspects (unlike the city scale). Therefore, the energy flexible building cluster topic is chosen to be investigated in this thesis and the main purposes of the research are: (i) provide a theoretical framework for the definition of energy flexible building clusters; (ii) draw up a quantification methodology to evaluate the energy flexibility performance at building cluster scale. Since the energy flexible building cluster is a new concept and still lacks a uniform understanding, firstly a state-of-the-art analysis is carried out on currently available energy flexibility definitions and reasons to shift from the single building to the cluster scale. Accordingly, a new definition of energy flexibility and of building cluster concept are proposed and used in combination to shape the definition of energy flexible building clusters. Then, a collection of the existing indicators that can be applied to quantify energy flexibility at the building cluster scale is presented and the current measures to characterize energy flexibility are overviewed with the aim to identify which aspects are still unsolved and worthy of investigation for an application at the building cluster level. From the review it emerges that the metrics for the evaluation of energy flexibility of building clusters are still fragmented and that the currently proposed operative approaches to determine energy flexibility in buildings prove to be incomplete and still ongoing. The second part of the thesis focuses on the implementation of the IEA EBC Annex 67 characterization methodology to quantify energy flexibility potential of building clusters. Considering maximize use of renewables and minimize CO2 emissions as energy flexibility objectives, a control strategy is designed and two novel energy flexibility indicators are suggested. With the aim to obtain the energy demand profiles of the building clusters, a cluster-tailored modelling approach is defined selecting Modelica as proper multi-disciplinary modelling language capable to integrate both building technological characteristics and energy infrastructure features and different simulations are performed for various cluster configurations. The case-study’s results show that the smart operation of the building clusters enables an improvement of renewable energy usage and a reduction of energy-related carbon emissions, but it is necessary to pay close attention to the potentially occurring risks of thermal comfort impairment and increase in energy consumption. Finally, given the important role of end-users in ensuring that strategies for energy flexibility are viable, the last part of the thesis approaches the energy flexible topic from the perspective of building end-users. The results of a large-scale survey conducted in the Province of Bolzano are presented in order to define first steps towards the assessment of office end-user’s perception of renewable energy usage and perception and attitude towards smart grid, smart appliances and smart meters in office buildings. The outcomes point out that the case study office occupants are largely aware about renewable energy sources and conversely, poorly familiar with the smart grid concept. Since social acceptance is an important requirement for the successful implementation and adoption of energy flexibility, organizational and communicative instruments should be strengthened to boost office end-user’s awareness towards smart grid concept, both in terms of benefits and technical aspects.

In risposta alla minaccia urgente del cambiamento climatico, la decarbonizzazione dei sistemi energetici viene progressivamente riconosciuta come una priorità nelle recenti politiche energetiche europee. Di conseguenza, una crescita esponenziale della penetrazione di fonti di energia rinnovabile si sta verificando parallelamente ad un’ampia elettrificazione della domanda. È inoltre in corso una trasformazione dei sistemi energetici tradizionali centralizzati basati sui combustibili fossili in efficienti sistemi decentralizzati supportati da energie rinnovabili in cui i consumatori diventano prosumers capaci non soltanto di consumare energia, ma anche di produrre energia localmente e scambiarla in rete. Per mantenere la stabilità della rete diventa quindi necessaria una maggiore flessibilità nel sistema energetico. Poiché gli edifici sono i maggiori consumatori di energia in Europa, responsabili di circa il 40% del consumo di energia e del 36% delle emissioni di CO2, svolgono un ruolo chiave verso l'obiettivo della flessibilità energetica contribuendo attraverso strategie di demand-response al miglioramento dell’utilizzo di energia rinnovabile e alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica legate al consumo di energia. Affinché gli edifici energeticamente flessibili costituiscano un vantaggio per le future reti energetiche, è necessario fornire una definizione condivisa di flessibilità energetica e sviluppare una metodologia per la quantificazione della flessibilità energetica che gli edifici possono offrire. Dato lo stretto legame tra la nuova generazione di edifici intelligenti e i sistemi energetici, la ricerca sul tema della flessibilità energetica a scala di cluster rappresenta un modo efficace per descrivere la sinergia tra edifici e rete energetica (contrariamente alla scala del singolo edificio), senza tuttavia perdere di vista il dettaglio tecnologico dell’involucro (diversamente dalla scala della città). Pertanto, il tema del cluster di edifici energeticamente flessibili è approfondito in questa tesi e gli scopi principali della ricerca sono: (i) fornire un quadro di riferimento per la definizione di cluster energeticamente flessibile; (ii) elaborare una metodologia per quantificare la prestazione di flessibilità energetica a livello di cluster di edifici. Dal momento che il cluster di edifici energeticamente flessibili è un nuovo concetto e manca ancora di un’interpretazione uniforme, nella prima parte della tesi viene condotta un'analisi dello stato dell’arte riguardante le definizioni di flessibilità energetica attualmente disponibili in letteratura e le motivazioni che portano al passaggio di scala dal singolo edificio al cluster. Conseguentemente, una nuova definizione di flessibilità energetica e del concetto di cluster di edifici sono proposti e combinati per formulare la definizione di cluster energeticamente flessibile. Inoltre, viene presentata una raccolta degli indicatori esistenti che possono essere applicati per quantificare la flessibilità energetica a livello di cluster e vengono illustrate le metodologie attualmente utilizzate per caratterizzare la flessibilità energetica degli edifici, al fine di identificare quali aspetti sono ancora irrisolti e meritevoli di essere indagati per un'applicazione a livello di cluster di edifici. Dalla revisione di letteratura emerge che gli indicatori per la valutazione della flessibilità energetica dei cluster di edifici sono ancora frammentati e che gli approcci operativi attualmente proposti per determinare la flessibilità energetica negli edifici si rivelano incompleti. La seconda parte della tesi è incentrata sull’implementazione della metodologia proposta dall’IEA EBC Annex 67 per quantificare il potenziale di flessibilità energetica del cluster di edifici. Considerando l’aumento dell’utilizzo delle energie rinnovabili e la riduzione delle emissioni di CO2 come obiettivi della flessibilità, viene identificata una strategia di controllo e sono proposti due nuovi indicatori. Per ottenere i profili di domanda energetica dei cluster di edifici, è definito un approccio di modellazione selezionando Modelica come linguaggio multidisciplinare capace di integrare sia le caratteristiche tecnologiche dell'edificio che le caratteristiche dell'infrastruttura energetica e diverse simulazioni vengono eseguite per varie configurazioni di cluster. I risultati del caso studio mostrano che il controllo intelligente dei cluster di edifici consente un miglioramento dell'utilizzo di energia rinnovabile e una riduzione delle emissioni legate al consumo di energia, ma è necessario prestare particolare attenzione ai potenziali rischi di compromissione del comfort termico e di aumento del consumo di energia. Infine, data l'importanza degli utenti finali nel garantire che le strategie per la flessibilità energetica siano attuabili, l'ultima parte della tesi affronta il tema della flessibilità energetica dal punto di vista della degli utenti finali negli edifici. I risultati di un’indagine condotta su larga scala negli uffici della provincia di Bolzano sono presentati e discussi al fine di stabilire i primi passi verso la valutazione della percezione degli utenti finali sugli aspetti dell’utilizzo di energia rinnovabile e interazioni con le reti intelligenti. Per il campione analizzato, i risultati indicano che gli occupanti degli uffici sono ampiamente consapevoli sul tema dell’energia rinnovabile, mentre dimostrano scarsa familiarità con il concetto di rete intelligente. Occorre pertanto rafforzare gli strumenti organizzativi e comunicativi al fine di aumentare la consapevolezza dell'utente finale negli uffici sugli aspetti legati alle reti intelligenti, sia in termini di benefici che di aspetti tecnici.