Preliminary assessment of an outdoor test cell design

The construction sector is developing advanced technologies to optimize the energy efficiency of buildings, at the same time ensuring the environmental comfort for inhabitants. Performance tests are required to enable building technologies to be used. For this purpose, empirical tests are carried out to understand their effectiveness and to advance research. In the building sector, full-scale facilities are commonly employed to investigate the behaviour of new components and their impact on indoor environmental conditions. This thesis is about the project of a real scale experimental unit, specifically defined as an outdoor test cell, for comparative and guarded tests. A preliminary literature review was carried out, collecting a wide range of test facilities examples, in the field of building energy performance evaluation. This preliminary study ended with the definition of a database and a classification of the full-scale facilities found in the literature. The classification was based on the configurational features of the test units and allowed pointing out the connection between the facilities configuration and the test purposes. The absence of a reference design procedure for the outdoor test cells required the definition of project guidelines, derived from selected case studies. During this step, key features and critical issues emerged and the influence of the envelope configuration on the facilities test performances was highlighted. Hence, building the project guidelines was a fundamental step of the design procedure, aiming to the definition of consistent envelope technologies. Further investigations were addressed to study the effect of the envelope thermophysical properties on the test room environment, in transient thermal conditions, for the chosen facility configuration. The computational analyses focused on the effect of changes in the guard zone envelope thermal inertia, in terms of energy costs and test performances. Out of the simulation results, a univocal result was not found. Indeed, the link between the envelope thermal performances and the test requirements was underlined.

Le tecnologie sviluppate nel settore dell’edilizia per l’ottimizzazione delle prestazioni energetiche degli edifici, garantendone allo stesso tempo il comfort abitativo, richiedono a loro volta di essere sottoposte a test prestazionali prima di poter essere utilizzate. A tal fine, vengono effettuate valutazioni empiriche per testarne l’efficacia e poter progredire nella ricerca. Lo studio del comportamento energetico dei componenti per l’edificio e il loro impatto sulle condizioni dell’ambiente interno, è spesso realizzato con il supporto di strutture a scala naturale (anche note come “full-scale facility”). In questa tesi è stato sviluppato il progetto di una di queste unità sperimentali, nello specifico una “guarded outdoor test cell” per test comparativi. È stata effettuata una revisione preliminare della letteratura, che ha permesso di raccogliere una vasta gamma di esempi di full-scale facility, adoperate nel campo della valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici. Questo studio preliminare si è concluso con la creazione di un database e con una classificazione di queste strutture. La classificazione è stata basata sulle caratteristiche di configurazione delle unità di test e ha consentito di sottolineare la connessione tra la configurazione delle strutture e gli obiettivi dei test. L'assenza di una procedura di riferimento per la progettazione delle guarded outdoor test cell ha richiesto la definizione di linee guida progettuali, a partire dai casi studio selezionati dall’analisi di letteratura. Durante questa fase, sono emerse le caratteristiche chiave e le criticità relative a questa tipologia specifica di unità sperimentali, evidenziando, inoltre, l'influenza delle caratteristiche d’involucro sulle prestazioni dei test. Questa fase è risultata fondamentale per intraprendere la progettazione della facility, in particolare per la definizione di appropriate tecnologie d’involucro. In conclusione, è stato condotto uno studio degli effetti delle proprietà termofisiche dell'involucro sugli ambienti interni delle test cell, in condizioni dinamiche. Le analisi computazionali sono state focalizzate sull'effetto dei cambiamenti nell'inerzia termica dell'involucro della zona di guardia, in termini di costi energetici e di prestazione dei test. Tuttavia, dalle analisi non è emersa una configurazione dell’involucro univocamente ottimale, ma piuttosto ne è stata sottolineata l’interdipendenza con i requisiti di test.