Unmanned aerial vehicle building audit for energy modeling

This thesis investigates the potential of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly referred to as drones, for building audits in constructing Building Energy Models (BEMs), motivated by the urgent need to enhance the energy efficiency of existing building stock amidst decarbonization goals. Traditional audit methods for developing energy models are complex and not easily scalable. Utilizing UAVs to gather this information presents an opportunity to simplify and expedite building audits, potentially accelerating the process of decarbonizing existing buildings. The methodology includes: (1) Selection of building energy model (BEM) approach, (2) Definition of BEM purpose, (3) UAV technology and post processing method selection, (4) Case study development. The case study, Building Energy Efficiency Pilot (BEEPilot), located in the Campus of Politecnico di Milano Lecco, Italy, was selected based on site conditions and available monthly energy measured data, that facilitate model calibration and validation. The comparison between traditional and UAV building audits focused on geometry data collection, used as inputs in a white-box energy model. Qualitative aspects were also evaluated, and energy models were calibrated using measured data, particularly statistical indexes NMBE and CV (RMSE). Results show a 14% difference in area between models, correlating with a 3% variance in energy consumption due to internal load and fenestration differences. Specifically, the UAV model exhibits a 26% lower total heat gain compared to the Baseline model, resulting in 16% more heating and 13% less cooling demand. Despite variations, both models meet minimum statistical tolerances: Baseline model (NMBE: 0.4%, CV(RMSE): 3.2%) and UAV model (NMBE: -2.6%, CV(RMSE): 7.8%). This study demonstrates the feasibility of replacing conventional audit formats with UAV audits for BEM development, offering efficient and accurate building geometry data collection without the need for extensive documentation, leading to faster computation and simplified 3D modeling.

Questa tesi investiga il potenziale dei Veicoli Aerei a Pilotaggio Remoto (UAV), comunemente noti come droni, per le ispezioni edilizie nella costruzione dei Modelli Energetici degli Edifici (BEM), motivata dall'urgente necessità di migliorare l'efficienza energetica del patrimonio edilizio esistente in vista degli obiettivi di decarbonizzazione. I metodi tradizionali di audit per lo sviluppo dei modelli energetici sono complessi e non facilmente scalabili. Utilizzare gli UAV per raccogliere queste informazioni presenta l'opportunità di semplificare e accelerare le ispezioni edilizie, potenzialmente accelerando il processo di decarbonizzazione degli edifici esistenti. La metodologia include: (1) Selezione dell'approccio al modello energetico degli edifici (BEM), (2) Definizione dello scopo del BEM, (3) Selezione della tecnologia UAV e del metodo di post-elaborazione, (4) Sviluppo dello studio di caso. Lo studio di caso, Building Energy Efficiency Pilot (BEEPilot), situato nel Campus del Politecnico di Milano a Lecco, Italia, è stato selezionato in base alle condizioni del sito e ai dati mensili misurati sull'energia disponibili, che facilitano la calibrazione e la validazione del modello energetico. Il confronto tra le ispezioni edilizie tradizionali e UAV si è concentrato sulla raccolta dei dati geometrici, utilizzati come input in un modello energetico white-box. Sono state valutate anche le caratteristiche qualitative e i modelli energetici sono stati calibrati utilizzando dati misurati, in particolare gli indici statistici NMBE e CV (RMSE). I risultati mostrano una differenza del 14% nell'area tra i modelli, correlata a una variazione del 3% nel consumo energetico dovuta a differenze di carico interno e di finestratura. In particolare, il modello UAV mostra un guadagno di calore totale inferiore del 26% rispetto al modello di riferimento, risultando in una maggiore richiesta di riscaldamento del 16% e una minore richiesta di raffreddamento del 13%. Nonostante le variazioni, entrambi i modelli rispettano le tolleranze statistiche minime: modello di riferimento (NMBE: 0,4%, CV(RMSE): 3,2%) e modello UAV (NMBE: -2,6%, CV(RMSE): 7,8%). Questo studio dimostra la fattibilità di sostituire i formati di audit convenzionali con ispezioni UAV per lo sviluppo del BEM, offrendo una geometria edilizia efficiente e accurata senza la necessità di una documentazione estesa, portando a una computazione più veloce e a una modellazione 3D semplificata.