Integrating occupant behaviour modelling in simulation-aided building design : a fit-for-purpose approach

Building Performance Simulation (BPS) tools are extensively deployed to reduce uncertainty when estimating building performance and assist the design decision-making process. Yet, a disagreement between predicted and actual building energy performance is often observed, the so-called performance gap. The literature shows this gap could vary by a factor between 0.2 – 4, where measured energy consumption is higher in most cases. The leading causes include weather deviations, differences between building design vs as-built, and occupant behaviour. In BPS, occupants are generally represented through standard and fixed schedules and occupant-related power densities. This representation is oversimplified. Hence, the research community has focused on investigating the human-building interaction and understanding the drivers behind occupant behaviour. As a result, advanced occupant behaviour modelling approaches have been integrated to represent the complex, stochastic nature of the human-building interaction. Yet, the progress that has been made by the research community in understanding the human-building interaction and modelling occupants has not pertained significantly to the building design practice. Barriers such as time constraints, the substantial effort required, and lack of guidance and tools are among the leading causes. Consequently, the PhD Thesis “Integrating Occupant Behaviour Modelling in Simulation-Aided Building Design: A Fit-For-Purpose Approach” aims to bridge the gap between the occupant behaviour research field and the building design practice by contributing to the integrated knowledge and supporting tools fields. The main objective is to answer how occupant behaviour models can be integrated into the simulation-aided building design workflow to support decision-making using a fit-for-purpose strategy. To this end, this research a. proposes a systematic simulation framework for integrating occupant behaviour models into BPS studies using a fit-for-purpose approach; b. advances quantitative methods for fast and efficient identification of the relevant occupant behaviour; c. proposing a conceptual design for a tool, pyFFPob-EP, that integrates occupant behaviour into simulation-aided building design; d. Demonstrating the fit-for-purpose strategy through a case study. This Doctoral thesis demonstrates the methods, workflows, and tools developed through a case study based on an office building. Monitored data is used to verify the results, and pyFFPob-EP is used to integrate the systematic simulation framework and fit-for-purpose strategy with EnergyPlus. The integration enables assessing and improving relevant occupant behaviour aspects in the BPS. The proposed methods and tools, including the systematic simulation framework and the fit-for-purpose strategy, enable the user to incorporate occupant behaviour into BPS and reduce the performance gap between predicted and actual building energy consumption. Further, the study shows that non-influential occupant behaviour can be modelled with low-complexity models, such as fixed schedules. In contrast, influential factors should be modelled with higher-complexity models such as stochastic. The thesis concludes with a discussion of the limitations of this research, the possible applications and implications within the building design industry and recommendations for further investigation.

Gli strumenti di simulazione delle prestazioni degli edifici (BPS) sono ampiamente utilizzati per ridurre l'incertezza nella stima delle prestazioni degli edifici e assistere il processo decisionale di progettazione. Tuttavia, si osserva spesso un disaccordo tra le prestazioni energetiche degli edifici previste e quelle effettive, il cosiddetto gap prestazionale. La letteratura mostra che questo divario può variare di un fattore compreso tra 0,2 e 4, laddove il consumo energetico misurato è più elevato nella maggior parte dei casi. Le cause principali sono le deviazioni climatiche, le differenze tra il progetto dell'edificio e la sua costruzione e il comportamento degli occupanti. Nel BPS, gli occupanti sono generalmente rappresentati attraverso orari standard e fissi e densità di potenza legate agli occupanti. Questa rappresentazione è eccessivamente semplificata. Di conseguenza, la comunità di ricerca si è concentrata sullo studio dell'interazione uomo-edificio e sulla comprensione dei fattori alla base del comportamento degli occupanti. Di conseguenza, sono stati integrati approcci avanzati di modellazione del comportamento degli occupanti per rappresentare la natura complessa e stocastica dell'interazione uomo-edificio. Tuttavia, i progressi compiuti dalla comunità di ricerca nella comprensione dell'interazione occupanti-edificio e nella modellazione degli occupanti non hanno avuto un impatto significativo sulla pratica della progettazione degli edifici. Tra le cause principali vi sono ostacoli quali i vincoli di tempo, il notevole impegno richiesto e la mancanza di orientamenti e strumenti. Di conseguenza, la tesi di dottorato "Integrating Occupant Behaviour Modelling in Simulation-Aided Building Design: A Fit-For-Purpose Approach" mira a colmare il divario tra il campo della ricerca sul comportamento degli occupanti e la pratica della progettazione edilizia, contribuendo alla conoscenza integrata e agli strumenti di supporto. L'obiettivo principale è rispondere a come i modelli di comportamento degli occupanti possano essere integrati nel flusso di lavoro della progettazione edilizia assistita da simulazione per supportare il processo decisionale utilizzando una strategia "fit-for-purpose". A tal fine, questa ricerca a. propone un quadro sistematico di simulazione per l'integrazione dei modelli di comportamento degli occupanti negli studi BPS utilizzando un approccio fit-for-purpose; b. avanza metodi quantitativi per l'identificazione rapida ed efficiente del comportamento rilevante degli occupanti; c. propone un progetto concettuale per uno strumento, pyFFPob-EP, che integra il comportamento degli occupanti nella progettazione di edifici assistita da simulazione; d. dimostra la strategia fit-for-purpose attraverso un caso di studio. Questa tesi di dottorato dimostra i metodi, i flussi di lavoro e gli strumenti sviluppati attraverso un caso di studio basato su un edificio per uffici. I dati monitorati vengono utilizzati per verificare i risultati e pyFFPob-EP viene utilizzato per integrare il quadro di simulazione sistematica e la strategia fit-for-purpose con EnergyPlus. L'integrazione consente di valutare e migliorare gli aspetti rilevanti del comportamento degli occupanti nel BPS. I metodi e gli strumenti proposti, tra cui il quadro di simulazione sistematica e la strategia fit-for-purpose, consentono all'utente di incorporare il comportamento degli occupanti nel BPS e di ridurre il divario di prestazioni tra il consumo energetico previsto e quello effettivo dell'edificio. Inoltre, lo studio dimostra che il comportamento degli occupanti non influenti può essere modellato con modelli a bassa complessità, come gli orari fissi. Al contrario, i fattori influenti dovrebbero essere modellati con modelli a più alta complessità, come quelli stocastici. La tesi si conclude con una discussione sui limiti di questa ricerca, sulle possibili applicazioni e implicazioni nel settore della progettazione edilizia e sulle raccomandazioni per ulteriori indagini.