Building dynamic co-simulation of an innovative BIPV system on facade

In the last two decades the implementation of PV system has gained significant interest to respond increasing demand for renewable energy, including its integration into structural parts of the building, which has brought to the definition of BIPV concepts and the development of new technologies. As a consequence, a proper methodology and suitable simulation tools are necessary to evaluate the overall energy performance of such technologies integrated in the building functionalities, especially in the case of adaptive façade systems. In such cases, dynamics methods, integrating different simulation tools, are necessary for the assessment of the overall building energy performances – i.e. not only PV production, but also heating, cooling and lighting savings – and the optimization of the adaptive control strategy. In this context, this project dedicated to the development and application of a comprehensive simulation method to evaluate the energy performances of an innovative BIPV façade system based on new external dynamics shading device designed and patented by architect Pietro Franchi and engineer Stefano Rui. Initially, a dedicated tool was developed for characterizing the bidirectional optical properties of the Complex Fenestration System (CFS) deriving by the application of the new shading device. Such external shading system, composed by vertical louvres, is characterized by the possibility to adjust both tilt angle and the extension of the lamella. The control strategy, which prioritize daylighting, is implemented in Building Control Virtual Test bed (BCVTB) which also served as the method to merge the software being used under one environment to perform co-simulation. Performances of the shading device being presented was evaluated for a typical office module located in Milan by performing building performance simulation (BPS) throughout the building study case using EnergyPlus whose capability of performing daylight simulation was prevailed by Radiance. After the calculation of daylight illuminance is carried out in Radiance, the result is taken as an input by BCVTB for each timestep to determine the optimum tilt angle and extension state of the shading device to initiate building performance simulation. Hence, data of tilt angle and extension state produced in BCVTB are taken into further simulation to determine the electricity generation for each configuration, in order to evaluate the overall energy balance of the system. For the evaluation of the façade system, the BIPV shading was combined with Low-E glazing and as reference window system, a Low-E solar control glazing was chosen. Therefore, the comparison was carried out also considering the advantage/disadvantage of the new system in terms of heating, cooling and lighting energy consumption. Four BIPV configurations was simulated, with and without the activation of the dynamic features of the shading device, i.e. the regulation tilting and extension of the louvres. Then, the influence of different window-to-wall ratio (WWR) was investigated, both for the optimal BIPV strategy and the reference system. Lastly, it is concluded that the BIPV system implementing the dynamic features improves the building energy efficiency of the office module, compared to the reference window technology, for any WWR considered on the south façades. Additionally, it allows to exploit the PV generation on façade, which is capable to cover the energy needs for heating, cooling and lighting, meeting the nearly zero energy target.

Negli ultimi venti anni la realizzaione di impanti fotovoltaici ha riscosso un notevole interesse per rispondere alla crescente domanda di energia rinnovabile, compresa la sua integrazione nei componenti dell’involucro edilizio, che ha portato alla definizione di sistema BIPV (Building Integrated Photovoltaic) e allo sviluppo di nuove tecnologie. Ciò rende necessario adottare un’adeguata metodologia strumenti di simulazione in grado di valutare la prestazione energetica complessiva di tali tecnologie integrate nelle funzionalità dell'edificio, soprattutto nel caso di sistemi di facciata adattivi. É necessario integrare dinamicamente diversi strumenti di simulazione al fine di valutare la prestazione energetica complessive dell'edificio - cioè non solo la produzione fotovoltaica, ma anche il risparmio di riscaldamento, raffreddamento e illuminazione – e verificare l’efficacia della strategia di controllo adattivo. In questo ambito, la tesi è dedicata allo sviluppo e all'applicazione di un metodo di co-simulazione in grado di valutare le prestazioni energetiche di un sistema di facciata BIPV innovativo basato su un nuovo dispositivo di ombreggiamento dinamico esterno progettato e brevettato dall'architetto Pietro Franchi e dall'ingegner Stefano Rui. Inizialmente è stato sviluppato uno strumento dedicato alla caratterizzazione delle proprietà ottiche bidirezionali del sistema finestrato risultante dall’accopiamento del nuovo dispositivo schermante esterno e della vetrata (Complex Fenestration System – CFS). Tale sistema di ombreggiamento esterno, composto da lamelle verticali distanziate, è caratterizzato dalla possibilità di regolare sia l'angolo di inclinazione che l'estensione delle lamelle. La strategia di controllo, dà la priorità all'illuminazione diurna, in seconda istanza ottimizza la produzione fotovoltaica e quando necessario aumenta la schermatura della radiazione diretta. La strategia di controllo, è stata implementata nel Building Control Virtual Test Bed (BCVTB) che governa la co-simulazione facendo integrare i diversi software e strumenti di calcolo utilizzati. Le prestazioni del nuovo sistema schermante integrato con il fotovoltaico sono state valutare per un modulo edilizio di un ufficio tipo situato a Milano e con un’unica esposizione a Sud. La simulazione delle prestazione termiche ed energetiche dell’edificio è stata condotta utilizzando EnergyPlus, mentre il calcolo dell`illuminamento naturale all`interno della stanza è stato eseguito in Radiance. Il risultato dell`illuminamento da luce diurna viene preso come input da BCVTB per ogni intervallo fase temporale per determinare l'angolo di inclinazione ottimale e lo stato di estensione del dispositivo schermante. L’inclinazione delle lamella fotovoltaiche e dello stato di estensione determinate in BCVTB diventano gli input per il modello che calcola la generazione di elettricità in ongi intervallo temporale. Per verificare l’efficacia del nuovo sistema di facciata BIPV, la schermatura fotovoltaica è combinata con una vetrata basso emissiva, mentre, come sistema di finestre riferimento è stata scelta una vetrata a controllo solare di pari isolamento termico di quella basso emissivama priva di sistema schermate esterno. Il confronto è stato effettuato quindi considerando anche pro e contro del nuovo sistema in termini di consumi energetici di riscaldamento, raffrescamento e illuminazione. Sono state simulate quattro configurazioni BIPV, con e senza l'attivazione delle caratteristiche dinamiche della schermatura, ovvero la regolazione dell'inclinazione e del l'estensione delle lamelle. Quindi, è stata studiata l'influenza sulle potenzialità del sistema di facciata BIPV per diversi rapporti tra l’area della finestra e della-parete (Window to Wall Ratio-WWR) riferimento. I risultati delle simulazioni mostrano che il sistema BIPV che implementa le caratteristiche dinamiche adattive migliora l'efficienza energetica dell'edificio, rispetto alla tecnologia di finestra scelte come di riferimento, per tutti i rapporti finestra-parete considerati. Inoltre, consente di sfruttare la generazione FV in facciata, in grado di coprire il fabbisogno energetico per riscaldamento, raffrescamento e illuminazione, raggiungendo l'obiettivo di annularlo.