Validation of historical buildings hygrothermal models: A method based on microclimatic parameters

The awareness on the importance of energy efficiency in the building sector is increasing and with it the debate on sustainability about conservation and management of historical buildings. In such respect, building energy simulation software represents a powerful tool able to predict the building’s energy and environmental response and can be used as diagnostic and prognostic tools. Thanks to the amount of data received from smart meters and devices and the advancement made in both energy software and computers, the quality of energy models are gradually improving and, hence, also the suitability of their output. However, due to the complexity of the built environment and prevalence of large numbers of independent interacting variables, it is difficult to achieve an accurate representation of real building operation, particularly in historical building where the uncertainty increase. This disagreement between simulated and measured data represents a common issue in the field of building simulation, therefore, by reconciling model outputs with the real measurements it is possible to achieve more accurate and reliable results. The reconciliation process is known as model calibration, while the verification of the model reliability is known as validation. Currently, three are the existing protocols that define general criteria to validate building energy simulation (BES) models, through the comparison of the simulation results with the building energy consumption collected from bills. However, none of these protocols establishes a methodology to validate models without energy information that often miss in historical buildings which haven’t an operative HVAC system. In these cases, the model validation is carried out through the comparison of microclimatic data, often monitored in such buildings. In the literature, is increasing the number of studies that face the model calibration and validation through microclimatic parameters and since do not exist a collective and unified procedure to validate such models, each researcher follow an own methodology. Moreover, adopt the tolerances defined by the existing protocols seems not to be adequate for the validation of historical building models in the context of preventive conservation. This thesis presents a detailed review of the current approaches to perform historical building models calibration and validation with microclimatic control parameters, highlighting the main issues and shortcomings. Finally, a method to calibrate and validate BES models will be provided. In detail, such method is focused on the selection of the most suitable microclimate control parameters, statistical indices and the related thresholds for the evaluation of model uncertainty combined with the analysis of residuals to verify the reliability of the results achieved. In this regard, the proposed method will be tested on two important historical buildings located in Italy.

La corretta simulazione del comportamento termoigrometrico degli edifici storici gioca un ruolo fondamentale nella valutazione delle strategie di retrofit energetico, di conservazione del patrimonio culturale e di comfort termico per le persone. Infatti, una simulazione poco accurata può portare verso soluzioni inadeguate, dispendiose energeticamente e pericolose per la conservazione patrimonio costruito. A causa della complessità degli edifici, in particolare quelli storici, è difficile ottenere una rappresentazione accurata del comportamento reale dell'edificio. A tale proposito, riducendo la discrepanza tra i dati ottenuti attraverso il modello termoigrometrico e le misurazioni reali è possibile ottenere dei risultati più accurati e dunque più affidabili. Tale processo di riconciliazione è noto come calibrazione, mentre la verifica dell'affidabilità del modello rispetto ai dati reali è nota come validazione. Attualmente, tre sono le normative/protocolli di riferimento esistenti che definiscono i criteri generali per validare i modelli termoigrometrici, basati esclusivamente sul confronto tra il consumo di energia simulato e quello reale, generalmente ottenuto dalle bollette. Tuttavia, poiché in alcuni edifici i dati di consumo energetico non sono sempre disponibili, i parametri microclimatici vengono adottati nel processo di validazione. In tale caso, non esistono normative di riferimento o metodi ufficialmente riconosciuti per la validazione, pertanto, vengono spesso utilizzati diversi approcci. Il presente lavoro ha esaminato le principali metodologie esistenti per la validazione dei modelli di simulazione basate sui parametri microclimatici, con particolare riferimento agli edifici storici. Nella tesi vengono messe in evidenza le criticità e i vantaggi dei diversi procedimenti esaminati. Viene infine proposto un metodo per eseguire la validazione di modelli termoigrometrici basato su parametri microclimatici e applicato su alcuni importanti casi studio italiani.