Impact of urban microclimate and climate change on the energy performance of residential buildings in Santiago de Chile

Extreme heat driven by global warming, heat waves and the urban heat island effect are expected to increase cooling energy consumption in buildings. Santiago of Chile, with a population close to 8 million and located in a semiarid climate, is already experiencing severe heat conditions, which are projected to worsen in the coming decades. At the same time, buildings represent a major share of global and national energy use and GHG emissions, especially in Chile, where most of the residential stock was built before the first thermal regulations and still suffers from poor insulation performance. These combined factors make residential buildings particularly vulnerable to increasing cooling demand under warmer future climates. Therefore, this research aims to analyses the combined effects of urban microclimate and climate change on the energy performance of residential buildings in Santiago de Chile, through a two-scale load analysis including both singlebuilding and district-level simulations. The study uses a contemporary TMY and three future TMYs (RCP 2.6, 4.5 and 8.5) generated with Meteonorm and validated with local and Copernicus data, together with urban files produced by an urban microclimate tool called UWG for two districts with markedly different morphologies and microclimates. At the building scale, dynamic EnergyPlus simulations were performed on two archetypes representative of Santiago’s residential stock — a social and a private building — considering four energy efficiency scenarios : base case, Old Chilean Thermal Regulation (2000), New Chilean Thermal Regulation (2024), and ASHRAE 90.1. The analysis of ideal loads highlights the strong impact of the window-to-wall ratio (WWR) and the lack of shading requirements in Chilean regulations. The adoption of an automated external shading system significantly reduces cooling loads, especially in buildings with high WWR. At the district scale, simulations with the District Energy Demand Calculator on two urban areas with contrasting densities, heights and vegetation coverage allowed the evaluation of the effects of urban morphology and the Urban Heat Island (UHI) considering only the New Chilean Thermal Regulation (2024). Results show reductions in heating loads and rises of cooling loads, with more pronounced effects in the denser district. Regarding future climate scenarios, climate change weakens the winter mitigating effect of the UHI and amplifies summer effects, especially during evening and night hours. The study shows that the New Chilean Thermal Regulation (2024) ensures good performance for buildings with low WWR but presents limitations for highly glazed residential buildings. Results also confirm that integrating the urban microclimate is essential for accurate building/district energy assessment. The UHI reduces heating loads but amplifies cooling loads, with stronger effects under future scenarios. This highlights the need for incorporating envelope strategies such as shading into the standards and integrating urban climate and future scenarios for urban design and planning, supporting climate adaptation, decarbonization and microclimatic wellbeing at both building and district scales.

Il riscaldamento globale, le ondate di calore e l’effetto isola di calore urbana stanno determinando un aumento della domanda di energia per il raffrescamento degli edifici. Santiago del Cile, con una popolazione vicina agli 8 milioni di abitanti e situata in un clima semiarido, sta già sperimentando condizioni di calore severo, che secondo le proiezioni peggioreranno nei prossimi decenni. Allo stesso tempo, gli edifici rappresentano una quota significativa del consumo energetico e delle emissioni di gas serra sia a livello globale che nazionale, soprattutto in Cile, dove la maggior parte del patrimonio residenziale è stata costruita prima delle prime normative termiche e presenta ancora prestazioni di isolamento insufficienti. Questi fattori combinati rendono gli edifici residenziali particolarmente vulnerabili all’aumento della domanda di raffrescamento in climi futuri più caldi. Pertanto, questa ricerca mira ad analizzare gli effetti combinati del microclima urbano e del cambiamento climatico sulle prestazioni energetiche degli edifici residenziali di Santiago del Cile, attraverso un’analisi dei carichi a doppia scala che include simulazioni a livello di edificio singolo e di distretto. Lo studio utilizza un TMY contemporaneo e tre TMY futuri (RCP 2.6, 4.5 e 8.5) generati con Meteonorm e validati con dati locali e Copernicus, insieme a file urbani prodotti da uno strumento di microclima urbano chiamato UWG per due distretti con morfologie e microclimi marcatamente differenti. A scala di edificio, sono state effettuate simulazioni dinamiche con EnergyPlus su due archetipi rappresentativi del patrimonio residenziale di Santiago — un edificio sociale e uno privato — considerando quattro scenari di efficienza energetica: un caso base senza regolamenti di efficienza energetica, la Vecchia Regolamentazione Termica Cilena (2000), la Nuova Regolamentazione Termica Cilena (2024), e ASHRAE 90.1. L’analisi dei carichi ideali evidenzia il forte impatto del rapporto finestra-parete (WWR) e la mancanza di requisiti di ombreggiamento nelle normative cilene. L’adozione di un sistema di schermatura esterna automatizzato riduce significativamente i carichi di raffrescamento, soprattutto negli edifici con elevato WWR. A scala di distretto, le simulazioni con il District Energy Demand Calculator su due aree urbane con densità, altezze e coperture vegetali contrastanti hanno permesso di valutare gli effetti della morfologia urbana e dell’isola di calore urbana (UHI) considerando solo la Nuova Regolamentazione Termica Cilena (2024). I risultati mostrano riduzioni dei carichi di riscaldamento e aumenti dei carichi di raffrescamento, con effetti più pronunciati nel distretto più denso. Per quanto riguarda gli scenari climatici futuri, il cambiamento climatico indebolisce l’effetto mitigante invernale dell’UHI e amplifica gli effetti estivi, soprattutto durante le ore serali e notturne. Lo studio mostra che la Nuova Regolamentazione Termica Cilena (2024) garantisce buone prestazioni per gli edifici con basso WWR, ma presenta limitazioni per gli edifici residenziali altamente vetrati. I risultati confermano inoltre che integrare il microclima urbano è essenziale per una valutazione accurata dell’energia a livello di edificio e di distretto. L’UHI riduce i carichi di riscaldamento ma amplifica quelli di raffrescamento, con effetti più marcati negli scenari futuri. Ciò evidenzia la necessità di includere strategie d’involucro come l’ombreggiamento nelle normative e di integrare il clima urbano e gli scenari futuri nella progettazione e pianificazione urbana, supportando l’adattamento climatico, la decarbonizzazione e il benessere microclimatico sia a scala edilizia sia a scala di distretto.