Energy modelling of communities. A case study : Campus Leonardo - Politecnico di Milano

The work consists of performing an energy simulation on a community, in this case Politecnico di Milano Campus Leonardo and applying different retrofit and renewable energy strategies to understand how achievable a Zero Energy Community (ZEC) or Nearly Zero Energy Community (NZEC) is. It was necessary to understand the actual global context and how the energy simulations have been carried out at a neighborhood and urban scale, as well as the strong effect of the urban microclimatic environment and the effect of the urban heat island effect (UHI). The first part of the work consists of adapting the Weather File data from Linate Airport to the actual context of where the University Campus is located in the city. For this operation, ENVI-met software was used. All the weather data was subsequently adapted to fit the simulation trend, reaching higher average temperatures as expected from the literature review. In order to perform the community energy simulations, ICL software from IES was used. The community energy simulation relies on the use of iCD (Intelligent Community Design). Considering that the community modelling is simplified due to information and input limitations, a building was used as a reference model (Building 15) and the accuracy of the simplified model in iCD was compared with a detailed energy model in VE (Virtual Environment), reaching very close results, around 4% difference in terms of primary energy consumption. Proving that the approach was reliable, the energy simulation of the whole campus was performed. The steps that follow are the interventions to reduce the overall energy consumption, going from passive to active and generation strategies, through nine different scenarios. The strategies consist of improving the envelope and glazing insulation values, using a more effective HVAC typology, electricity generation through photovoltaic systems, heat generation from ground source heat pumps and electric and heat storage among others. The final results showed that the most optimized scenario achieved a reduction of 60% of primary energy. Even though it was not possible to reach zero energy consumption the reduction is considerable. Since ICL is in on-going development, it is expected that in the future there will be more options to perform further optimizations and reach better results.

Il lavoro consiste nell'eseguire una simulazione energetica su una comunità - in questo caso, Campus Leonardo del Politecnico di Milano - e applicare diverse strategie moderne e di energia rinnovabile per capire quanto sia realizzabile una Zero Energy community (ZEC) o Nearly Zero Energy Community (NZEC). Era necessario comprendere l'attuale contesto globale e come sono state effettuate le simulazioni energetiche a diversi livelli, quartiere e urbano, nonché il forte effetto dell'ambiente microclimatico urbano e le conseguenze dell'effetto isola di calore urbano (UHI). La prima parte del lavoro consiste nell'adattare i dati del Weather File dell'aeroporto di Linate all'attuale posizione in cui si trova il Campus universitario della città. Per questa operazione è stato utilizzato il software ENVI-met. Tutti i dati meteorologici sono stati successivamente trasformati per adattarli all'andamento della simulazione, raggiungendo temperature medie più elevate come previsto dalla revisione della letteratura. Per eseguire le simulazioni energetiche, è stato utilizzato il software ICL di IES. La simulazione energetica della comunità si basa sull'utilizzo di iCD (Intelligent Community Design). Considerando che la modellazione della comunità è semplificata a causa di limitazioni delle informazioni e configurazioni, è stato utilizzato un edificio come modello di riferimento (Edificio 15) e l'accuratezza del modello semplificato in iCD è stata confrontata con un modello energetico dettagliato nel VE (Virtual Environment), raggiungendo risultati molto vicini, circa il 4% di differenza in termini di consumo di energia primaria. A dimostrazione dell'affidabilità dell'approccio, è stata eseguita la simulazione energetica dell'intero campus. I passi che seguono sono gli interventi per ridurre il consumo energetico complessivo, passando da strategie passive a quelle attive e di generazione, attraverso nove diversi scenari. Le strategie consistono nel migliorare i valori di isolamento dell'involucro e della vetrata, utilizzando una tipologia HVAC più efficace, la generazione di elettricità attraverso sistemi fotovoltaici, la generazione di calore da pompe di calore geotermiche e l'accumulo elettrico e di calore e altri. I risultati finali hanno mostrato che lo scenario più ottimizzato ha ottenuto una riduzione del 60% dell'energia primaria. Anche se non è stato possibile arrivare a zero, la riduzione dei consumi energetici è notevole. Poiché ICL è in fase di sviluppo, si prevede che in futuro ci saranno più opzioni per eseguire ulteriori ottimizzazioni e raggiungere risultati migliori.