Design and implementation of control strategies for an adaptive facade

Several studies have demonstrated that buildings are responsible for 40% of the total energy consumed in the European Union; thus the energy transition to reduce energy consumption using renewable energy is crucial. EU foresees that automation will play an important role in improving energy efficiency of buildings and decarbonization policy. The proposed work consists of examining adaptive façades and possible control strategies to regulate their movements. The first part of the dissertation presents an extensive review of the scientific literature that analyzes the strengths and weaknesses of state-of-the-art technology and available control strategies. The objective of the thesis is to define rule-based control strategies to govern the dynamic behaviour of a Double Skin Façade (DSF) with shading devices in the cavity. The different control mechanisms aim to control the façade states to promote the best ventilation strategy and configuration of the blinds to ensure thermal and visual comfort of the occupants in the space. Ventilation control is the key point as the review of the scientific literature has highlighted lacks in this respect. The thesis was carried out in collaboration with Eurac Research in Bolzano, thus the characterisation of the DSF and control strategies implementation mentioned above were performed both in field at the laboratory and at the simulation level using the energy simulation software TRNSYS. Control strategies were tested on a simulative level considering optimised thresholds on a quarterly and annual basis to evaluate the differences considering three KPIs: percentage of working hours of thermal discomfort, visual comfort and façade’s stability. The performed analysis highlights how the appropriate control of shading devices and façade openings has a significant impact on the user's perception of comfort. Although the results of the analyses show that the difference between the two approaches is negligible when considering the first two KPIs, the implementation of control strategies with seasonal thresholds is better because the façade is more stable, extending the service life of the actuators and disturbing less the user with sudden changes of state.

Diversi studi hanno dimostrato che il 40% del consumo energetico nell’Unione Europea è determinato dal fabbisogno degli edifici, ne deriva che è essenziale avviare una transizione energetica per ridurre i consumi. L’UE prevede che l’utilizzo dell’automatizzazione negli edifici svolgerà un ruolo chiave nell’aumento dell’efficienza energetica degli stessi e nella politica di decarbonizzazione. L’elaborato proposto consiste nell’esaminazione di facciate adattive e di possibili strategie di controllo che ne regolino i movimenti. La prima parte della dissertazione consiste in una dettagliata revisione del panorama scientifico, nel quale vengono analizzati i vantaggi e le debolezze di questa tecnologia all’avanguardia e delle strategie di controllo disponibili. L’obbiettivo della tesi è definire delle strategie di controllo rule-based per governare il comportamento dinamico di una facciata a doppia pelle con delle schermature solari integrate nella cavità. I meccanismi di controllo hanno come finalità di controllare gli stati della facciata per promuovere la migliore strategia di ventilazione e di configurazione delle veneziane per garantire il comfort termico e visivo degli occupanti nello spazio. Il controllo della ventilazione rappresenta il punto chiave in quanto la revisione della letteratura scientifica ha messo in luce carenze da questo punto di vista. La tesi è stata elaborata in collaborazione con il Centro di Ricerca Eurac presso Bolzano; quindi, la caratterizzazione della facciata a doppia pelle e l’implementazione delle strategie di controllo menzionate sopra sono state svolte sia in campo presso il laboratorio che a livello simulativo tramite il software TRNSYS. A livello simulativo le strategie di controllo sono state testate con soglie ottimizzate su base stagionale e annuale per valutare le differenze considerando tre KPIs: percentuale di ore lavorative di discomfort termico, comfort visivo e stabilità della facciata stessa. Il lavoro svolto evidenzia come l’appropriato controllo dei dispositivi di schermatura e delle aperture della facciata ha un impatto significativo sulla percezione di comfort dell’occupante. Sebbene i risultati dell’analisi mostrino che fra i due approcci la differenza è trascurabile se si considerano i primi due KPIs, l’implementazione di strategie di controllo con soglie stagionali è sicuramente migliore perché la facciata risulta più stabile, estendendo la vita di servizio degli attuatori e disturbando meno l’utente con repentini cambiamenti di stato.