Urban BIPV retrofit potential of facades

Since the majority of European and Swiss buildings have inadequate energy performances in comparison to the ones required in current regulations and the energy transition of the existing building stock plays a key role in the path towards a sustainable built environment, the energy retrofit of building capable to include also local renewable energy systems (RES) represents an advantageous and sustainable solution. In this perspective, the main aim of this thesis is the development of a methodology to assess the urban Building-Integrated Photovoltaics (BIPV) retrofit potential of façades. The purpose is to provide local decision makers with more reliable data regarding the possibility of the building stock to be renovated with BIPV, by moving from single building evaluation and taking into account both building and urban characteristics. In detail, BIPV is considered as a suitable RES, among others, because, as a multifunctional element, it can both improve the energy performance of building envelopes, and produce electricity from solar radiation in urban context without requiring specific infrastructure or causing invasive applications. It is significant to highlight that the evaluation of the BIPV retrofit potential for façades at the urban scale can lead to novel urban energy strategies and policies. In fact, so far, there are two different domains for supporting, on one hand, the urban energy retrofit potential of building envelopes, and, on the other hand, the urban BIPV implementation. The lack of integration between these two domains since the preliminary phases of the urban energy retrofit process can lead to miss the opportunity to develop synergic and integrated policies and actions needed for urban energy transition. However, if the evaluation of the BIPV retrofit potential at the building scale is achievable thanks to the availability of data about building geometry, urban context, energy demand, building envelope properties and solar irradiation calculation, it is not trivial to determine the urban BIPV retrofit potential of building facades at the urban scale due to the heterogeneous datasets that need to be analysed together, and the cost and the time consume of collecting data about the potential of individual buildings for such a purpose. Starting from these considerations, the main research question that is addressed in this thesis is: How can heterogeneous urban datasets about the existing building stock be integrated to assess the BIPV retrofit potential of facades at the urban scale? Therefore, the aim of this thesis is to define a methodology to determine the urban BIPV retrofit potential of façades, by overcoming the current sectorial approach typical of energy planning policies. This methodology has been developed grounding on the review of the two domains involved in this topic: on one hand, the urban energy demand and retrofit potential of building envelopes, and, on the other hand, the urban BIPV potential of façades. The results of this review showed that there are synergies and common elements, which can support the development of an integrated methodology. To achieve this goal, the preliminary development of two specific calculation methods was needed: one to assess the BIPV potential of façades with an accurate level of detail and the other to evaluate the envelope retrofit need of buildings. Using these calculation methods, the development of an integrated GIS-based methodology for the assessment of the urban BIPV potential of façades has been carried out. Specifically, the proposed methodology has been implemented in the GIS environment with novel tools in order to obtain a decision-support tool that permits to “transform” heterogeneous datasets into structured information about: buildings needing envelope energy retrofit, BIPV potential of façades at LOD2.5, urban intervention priorities for BIPV retrofit of façades, potential urban energy balance at the annual scale, and potential urban energy balance at the seasonal scale. In a reference Swiss case-study in which this decision-support tool was applied, it arises that several envelopes require energy retrofit. Moreover, there is a significant reduction of the available area for BIPV and the consequent energy production when the level of detail of the BIPV potential of these façades is increased up to LOD2.5. However, the BIPV retrofit of façades has a significant impact on urban energy demand reduction, and, hence, the energy production from BIPV façades is capable to fulfil the 62% of the annual energy demand. Therefore, the main contribution of this thesis is represented by the opportunity to take advantage of a decision-support tool that permits to integrate different urban datasets, and to evaluate the urban BIPV retrofit potential of façades with an improved accuracy of the BIPV potential assessment up to LOD2.5. Moreover, by means of this tool, it will be possible to provide urban decision-makers, municipalities and public authorities with reliable data about the urban BIPV retrofit potential of façades thus supporting the adoption of the most suitable urban energy policies aimed at the energy transition of the existing building stock.

Considerando che la maggior parte degli edifici esistenti europei e svizzeri presentano prestazioni energetiche inadeguate rispetto a quelle richieste dalla normativa vigente e che la transizione energetica del settore edilizio svolge un ruolo chiave per la sostenibilità dell’ambiente costruito, rinnovare gli edifici esistenti introducendo anche sistemi ad energia rinnovabile rappresenta una soluzione vantaggiosa in termini di sostenibilità. In questa tesi, l'obiettivo principale è lo sviluppo di una metodologia da applicare alla scala urbana per la valutazione del potenziale di retrofit delle facciate con l’impiego di sistemi fotovoltaici integrati (Building-Integrated Photovoltaics o BIPV). Lo scopo è quello di fornire ai decision-makers locali dati più affidabili circa le potenzialità di rinnovo delle facciate esistenti con il BIPV, senza la necessità di analizzare ogni singolo edificio ma conducendo un’analisi alla scala urbana che permette di considerare sia le caratteristiche edilizie che urbane. Tra i vari sistemi ad energia rinnovabile, si è scelto di valutare il BIPV in quanto esso ben si presta ad essere implementato nel momento in cui si rinnovano gli edifici perché può sia migliorare il rendimento energetico dell’involucro edilizio (grazie alla sua intrinseca multifunzionalità) che produrre elettricità sfruttando la radiazione solare, senza richiedere infrastrutture specifiche o causare applicazioni invasive in contesti urbani. Finora, nella pianificazione energetica tradizionale, il potenziale di retrofit degli edifici ed il potenziale BIPV sono stati valutati come due diversi settori non in relazione tra loro. Tale mancanza di integrazione tra settori sin dalle fasi preliminari del processo di transizione energetica urbana, però, può comportare il mancato sviluppo di politiche e azioni sinergiche e integrate, mentre, al contrario, una valutazione integrata del potenziale di retrofit BIPV delle facciate su scala urbana potrebbe portare a nuove strategie e politiche in materia di energia urbana. Tuttavia, se la valutazione del potenziale di retrofit BIPV a scala edilizia è facilmente realizzabile grazie alla disponibilità dei dati relativi alla geometria dell'edificio, al contesto urbano, alla domanda di energia, alle proprietà dell'involucro edilizio e al calcolo dell'irraggiamento solare, non è banale determinare il potenziale urbano di retrofit BIPV delle facciate a causa delle serie di dati eterogenei che devono essere analizzati insieme né è possibile investire ingenti risorse economiche per la raccolta di tali dati alla scala edilizia al fine di ottenere una valutazione integrata di questo potenziale alla scala urbana. Partendo da queste considerazioni, la principale “research question” che viene affrontata in questa tesi è: “Come è possibile integrare datasets urbani eterogenei relativi agli edifici esistenti per valutare il potenziale di retrofit BIPV delle facciate su scala urbana? “ Per rispondere a questa domanda, è stata definita una metodologia per determinare il potenziale urbano di retrofit BIPV delle facciate che permette di superare l'attuale approccio settoriale tipico della maggior parte delle politiche di pianificazione energetica attuali. Questa metodologia è stata sviluppata sulla base della review dei due settori coinvolti in questo argomento: da un lato, la domanda energetica urbana e il potenziale urbano di retrofit degli edifici, e, dall'altro, il potenziale BIPV delle facciate a scala urbana. I risultati di questa analisi hanno dimostrato l'esistenza di sinergie e la presenza di elementi in comune tra i due settori che sembrano suggerire la possibilità di una metodologia integrata. Inoltre, preliminarmente allo sviluppo di questa metodologia, sono stati sviluppati due metodi di calcolo specifici: uno per valutare il potenziale BIPV delle facciate con un accurato livello di dettaglio (LOD2.5) e l'altro per valutare il fabbisogno di retrofit energetico degli involucri edilizi. Sulla base di questi due metodi di calcolo, quindi, la metodologia integrata è stata messa a punto. In particolare, tale metodologia per la valutazione del potenziale urbano di retrofit BIPV delle facciate è stata implementata in ambiente GIS anche attraverso lo sviluppo di nuovi strumenti GIS-based al fine di ottenere uno strumento di supporto decisionale che consenta di “trasformare” insiemi di dati eterogenei in informazioni strutturate come, ad esempio: stima degli edifici che necessitano di retrofit energetico dell'involucro edilizio, quantificazione del potenziale BIPV delle facciate a LOD2.5, determinazione delle priorità di intervento urbano per il retrofit BIPV delle facciate, e stima del bilancio energetico urbano su scala annuale e su scala stagionale. La metodologia proposta è stata poi applicata ad un caso studio svizzero di riferimento da cui emerge che la maggior parte degli involucri edilizi richiede un retrofit energetico. Inoltre, quando si considera un livello di dettaglio più alto per l’analisi del potenziale BIPV delle facciate (LOD2.5) rispetto a quello fornito dal catasto solare (LOD2), si rileva una significativa riduzione della superficie disponibile per BIPV e la conseguente produzione di energia. Nonostante questo, il retrofit energetico delle facciate ha un impatto significativo sulla riduzione della domanda urbana di energia e la produzione di energia dalle facciate BIPV è in grado di soddisfare il 62% della domanda energetica annuale. In conclusione, il principale contributo di questa tesi è rappresentato dallo sviluppo della metodologia GIS-based quale strumento di supporto decisionale che consente di integrare diversi set di dati urbani e di valutare il potenziale urbano di retrofit BIPV delle facciate con una migliore accuratezza di stima del potenziale BIPV fino a LOD2.5. Inoltre, grazie a questo strumento, sarà possibile fornire a decision-makers locali e municipalità dei dati affidabili sul potenziale di retrofit BIPV delle facciate alla scala urbana, sostenendo in tal modo l'adozione delle politiche energetiche urbane più adeguate per la transizione energetica del settore edilizio esistente.