Study of large-scale renovation potential at district scale

Accounting for approximately one-third of total greenhouse gas emissions, the building sector significantly contributes to global energy consumption. Traditional building energy analysis has typically emphasized individual buildings, but exploring larger settlements like districts or neighborhoods presents additional opportunities. This master's thesis employs a systematic four-step methodology to investigate the renovation potential and techno-economic viability of proposed renovation measures for the Chiaravalle neighborhood in Milan. The study integrates a comprehensive analysis of Urban Building Energy Models (UBEMs), diverse renovation scenarios, Photovoltaic (PV) system integration, and a techno-economic assessment at district scale. The methodology is applied to a case study comprising 49 residential buildings of diverse ages and types. The creation and assessment of UBEMs forms the foundation, followed by the formulation of various renovation scenarios focused on envelope improvements, window replacements, and combined interventions. A comprehensive retrofit of the buildings' envelopes has the potential to decrease the current heating and cooling energy needs by approximately 80%. The retrofitting of the buildings' envelopes is expected to result in a reduction of approximately 71% in cooling and heating energy needs compared to the projected status of the buildings in 2050 in the absence of retrofitting. The integration of PV systems is examined through an analysis of both present and projected (2050) PV electricity production. Promising potential for electricity production is observed, especially in the future (2050) due to the increase in PV efficiencies. Further analysis explores the feasibility of utilizing PV electricity for building uses. Installing air-to-water compressor heat pumps to cover buildings' heating and cooling energy uses shows the great potential for PV systems to cover up to 22% of buildings' current energy uses, with an expected future (2050) increase of 34.5% at district scale. The techno-economic analysis employing metrics such as net present value (NPV) and payback period, shed light on the financial viability and returns on investment for the proposed interventions. This study contributes valuable insights into the intricate dynamics of energy efficiency and economic considerations. The findings offer crucial information for decision-making, support retrofit incentives, and guide energy supply design.

Contabilizzando circa un terzo delle emissioni totali di gas serra, il settore edilizio contribuisce significativamente al consumo globale di energia. L'analisi energetica tradizionale degli edifici ha solitamente enfatizzato singoli edifici, ma l'esplorazione di insediamenti più ampi come distretti o quartieri offre ulteriori opportunità. Questa tesi magistrale utilizza una metodologia sistematica a quattro fasi per investigare il potenziale di ristrutturazione e la fattibilità tecno-economica di proposte di interventi di ristrutturazione per il quartiere Chiaravalle a Milano. Lo studio integra un'analisi completa dei Modelli Energetici Urbani degli Edifici (UBEM), scenari di ristrutturazione diversificati, integrazione di sistemi fotovoltaici (PV) e una valutazione tecno-economica a livello di quartiere. La metodologia è applicata a un caso studio che comprende 49 edifici residenziali di età e tipologie diverse. La creazione e la valutazione degli UBEM costituiscono la base, seguite dalla formulazione di vari scenari di ristrutturazione focalizzati su miglioramenti dell'involucro, sostituzioni delle finestre e interventi combinati. Una ristrutturazione completa degli involucri degli edifici ha il potenziale di ridurre i bisogni attuali di energia per il riscaldamento e il raffreddamento di circa l'80%. La ristrutturazione degli involucri degli edifici dovrebbe tradursi in una riduzione di circa il 71% dei bisogni di energia per il riscaldamento e il raffreddamento rispetto allo stato previsto degli edifici nel 2050 in assenza di ristrutturazione. L'integrazione di sistemi fotovoltaici è esaminata attraverso un'analisi della produzione di elettricità fotovoltaica sia attuale che prevista (2050). Si osserva un potenziale promettente per la produzione di elettricità, specialmente in futuro (2050) a causa dell'aumento dell'efficienza dei sistemi fotovoltaici. Un'ulteriore analisi esplora la fattibilità dell'utilizzo dell'elettricità fotovoltaica per gli usi degli edifici. L'installazione di pompe di calore compressore aria-acqua per coprire i consumi energetici di riscaldamento e raffreddamento degli edifici mostra un grande potenziale per i sistemi fotovoltaici a coprire fino al 22% dei consumi energetici attuali degli edifici, con un aumento previsto futuro (2050) del 34,5% a livello di quartiere. L'analisi tecno-economica, impiegando metriche come il valore attuale netto (VAN) e il periodo di recupero, getta luce sulla sostenibilità finanziaria e i rendimenti degli investimenti per gli interventi proposti. Questo studio fornisce preziose intuizioni sulle complesse dinamiche dell'efficienza energetica e delle considerazioni economiche. I risultati offrono informazioni cruciali per la presa di decisioni, supportano incentivi alla ristrutturazione e guidano la progettazione dell'approvvigionamento energetico.