Technical feasibility assessment for guarantee high IAQ standards using solar energy in a rural school in Santa Lucia, Atlántico (Colombia)

This thesis has been developed in cooperation with the Universidad del Norte with the aim of studying an alternative method of cooling the primary school classrooms of Santa Lucia, Atlantico, Colombia through the use of renewable energy. The starting point of the project was to identify and define the ideal conditions of thermal well-being and air quality in a tropical climate, to ensure that students' short- and long-term academic performance can improve or maintain high standards. For this reason, a lengthy review of the academic literature was carried out in order to define pointily values of temperature, ventilation and humidity to be used as set point values in the air conditioning system. The second phase of the project was the analysis of the meteorological data measured on site by colleagues of the Colombian university to clarify what were the real potential of the place and any problems that might arise. The third phase of the project consisted in trying to faithfully recreate a digital model of the building in the IES-VE software. It was than then proceeded to the study and consultation of the project documents of the school as plans, sections and some datasheets of the materials used. In addition, on-site inspections were carried out, both to clarify all the technical aspects of materials and measures missing in the documentation, and to become aware of the entire work. Once the digital twin was defined, have been implemented and studied 2 different ventilation systems, a traditional split system installed in each class and a centralized ventilation system supported by fan coils installed in each class. Through the simulations carried out by means of the IES-VE software, it was possible to extract for each system all the data related to the thermal and electrical loads of the components involved, simulating an entire year of operation with a precision interval of 6 minutes. The obtained database was then used as a starting point for the dimensioning, through an Excel model, of the power production system through photovoltaic panels associated with a storage system. After having made the necessary comparisons and ascertained how the current state of the building affects the entire sizing of the ventilation system, power production and storage, Improvements to the building envelope have been considered to reduce thermal loads and consequently the battery storage system. It concludes by observing how the implementation of renewable energy on a school like the one in Santa Lucia can have a transversal socio-economic impact going to influence many aspects from a short and long term prospective.

Il presente elaborato di tesi è stato sviluppato in cooperazione con l’Universidad del Norte con l’obbiettivo di andare a studiare un metodo alternativo di raffrescamento delle aule scolastiche della scuola primaria in Santa Lucia, Atlantico, Colombia attraverso l’uso di energia rinnovabile. Il punto di partenza del progetto è stato individuare e definire quali fossero le condizioni ideali, di benessere termico e di qualità dell’aria in un clima tropicale, per fare in modo che le performance accademiche di breve e lungo periodo degli studenti possano migliorare o mantenere standard elevati. Per questo motivo, una lunga revisione della letteratura accademica è stata effettuata in modo da poter definire valori puntuali di temperatura, ventilazione e umidità da usare come valori di set point nel sistema di condizionamento. La seconda fase del progetto è stata l’analisi dei dati meteorologici misurati in loco dai colleghi dell’università colombiana per chiarire quali fossero le reali potenzialità del luogo e le eventuali problematiche che potrebbero insorgere. La terza fase del progetto è consistita nel cercare di ricreare fedelmente un modello digitale dell’edificio nel software IES-VE. Si è quindi proceduto allo studio e alla consultazione dei documenti progettuali della scuola come planimetrie, sezioni e alcuni datasheet dei materiali usati. In aggiunta sono stati effettuati sopralluoghi in loco, sia per chiarire tutti gli aspetti tecnici di materiali e misure mancanti nella documentazione, sia per prendere coscienza dell’intera opera. Una volta definito il digital twin, si è passato all’implementazione e allo studio di 2 differenti sistemi di ventilazione, un tradizionale sistema split installato in ogni classe e un sistema di ventilazione centralizzato supportato da fan coil installati in ogni classe. Attraverso le simulazioni effettuate per mezzo del software IES-VE si è potuto estrarre per ciascun sistema tutti i dati relativi ai carichi termici e elettrici dei componenti coinvolti, andando a simulare un intero anno di funzionamento con un intervallo di precisione di 6 minuti. Il database ottenuto è stato poi utilizzato come punto di partenza per il dimensionamento, attraverso un modello Excel, del sistema di produzione di potenza tramite pannelli fotovoltaici associato ad un sistema di accumulo. Dopo aver effettuato i dovuti confronti e constatato come lo stato attuale dell’edificio influenzi l’intero dimensionamento del sistema di ventilazione, produzione di potenza e accumulo, sono stati presi in considerazione interventi di miglioramento dell’involucro edilizio per ridurre i carichi termici e conseguentemente il sistema di accumulo a batteria. Si conclude iv osservando come l’implementazione di energie rinnovabili su una scuola come quella di Santa Lucia possa avere un impatto socioeconomico trasversale andando a toccare numerosi aspetti di breve e lungo periodo.