Analysis and optimisation of shading systems in residential buildings

La presente tesi analizza e ottimizza i sistemi di schermatura solare negli edifici residenziali, con particolare attenzione al loro impatto sull’illuminazione naturale, sul comfort termico e sulle prestazioni energetiche. La ricerca inizia con una revisione approfondita delle principali tipologie di schermature—fisse, dinamiche, esterne, interne e ibride—evidenziandone vantaggi, limiti e il rapporto con la geometria della facciata e il contesto climatico. Due casi studio internazionali, il Tietgen Dormitory di Copenaghen e Via Verde a New York, vengono analizzati comparativamente per individuare strategie di schermatura multiscalari basate sull’integrazione fra forma architettonica, profondità di facciata e dispositivi solari stratificati. Questi esempi mostrano come la geometria volumetrica, gli aggetti, i cortili interni, le terrazze, la vegetazione e le pergole fotovoltaiche possano garantire una luce naturale diffusa e confortevole, riducendo al contempo i guadagni solari e il fabbisogno di raffrescamento. Nella seconda parte, la tesi esamina le prestazioni di schermatura di un edificio residenziale a Milano, attraverso un’analisi qualitativa dell’esposizione solare, della variabilità della luce naturale, del rischio di abbagliamento e dei fenomeni di surriscaldamento. A causa della facciata piana, dell’assenza di sistemi di schermatura esterna e della scarsa efficacia dei balconi, l’edificio presenta problemi di over-exposure, disuniformità luminosa e discomfort termico, con conseguente aumento dei consumi estivi ed energetici. Le condizioni climatiche di Milano—caratterizzate da alti angoli solari estivi e bassi angoli invernali—rendono necessario un sistema di schermatura adattivo su base stagionale. Sulla base delle criticità riscontrate, vengono sviluppate tre soluzioni alternative: (1) sistemi di aggetti orizzontali, (2) frangisole verticali combinati con schermature regolabili, e (3) un sistema ibrido basato su terrazze e pergole, eventualmente integrate con vegetazione. Una valutazione comparativa qualitativa indica che la soluzione ibrida offre le migliori prestazioni complessive, garantendo ombreggiamento stratificato, miglior qualità della luce naturale e maggiore stabilità termica interna. I risultati dimostrano che strategie di schermatura integrate nell’architettura possono migliorare significativamente il comfort ambientale e ridurre i consumi energetici negli edifici residenziali. La ricerca contribuisce al dibattito sulla progettazione passiva e sulle facciate climaticamente reattive, promuovendo lo sviluppo di involucri edilizi più sostenibili e resilienti.

This thesis investigates the analysis and optimisation of shading systems in residential buildings, with a specific focus on their influence on daylighting, thermal comfort, and energy performance. The study begins with a comprehensive review of shading typologies, including fixed, dynamic, external, internal, and hybrid systems, highlighting their respective advantages, limitations, and interactions with façade design and climatic context. Two international case studies—Tietgen Dormitory in Copenhagen and Via Verde in New York—are comparatively analysed to identify multi-scalar shading strategies that integrate architectural geometry, façade depth, and layered solar-control elements. These examples demonstrate how building form, overhangs, recessed courtyards, terraces, vegetation, and photovoltaic pergolas can produce diffuse, visually comfortable daylight while reducing solar heat gain and cooling demand. The second part of the thesis examines a residential building in Milan, analysing its current shading performance through qualitative assessments of solar exposure, daylight variability, glare risk, and thermal behaviour. Due to the flat façade, lack of external shading, and inconsistent balcony depth, the building experiences overheating, glare discomfort, and non-uniform daylight distribution, resulting in elevated cooling and lighting demand. The climatic conditions of Milan—with high summer solar angles and low winter sun—further underline the need for seasonally adaptive shading solutions. Based on the identified shortcomings, three shading alternatives are proposed and evaluated: (1) horizontal overhang systems, (2) vertical fins combined with adjustable external screens, and (3) a hybrid terrace-edge shading system enhanced by pergolas and optional vegetation. A qualitative comparative assessment shows that the hybrid solution offers the strongest overall performance, providing layered shading, improved daylight quality, and enhanced thermal stability. The findings demonstrate that integrated architectural shading strategies can significantly improve environmental comfort and reduce energy use in residential buildings. This research contributes to the broader discourse on passive design and climate-responsive façades, supporting the transition toward more resilient and sustainable building envelopes.