Evaluation of natural and mechanical ventilation strategies in an office building in Milan through the dynamic simulation and CFD analysis

The energy performance of office buildings is strongly influenced by ventilation strategies, particularly in climates characterized by seasonal variability such as that of Milan. This thesis investigates the performance of mechanical, natural, and mixed-mode ventilation systems in a contemporary office building, with the aim of evaluating their impact on energy consumption, indoor air quality, and thermal comfort. The study adopts an integrated simulation-based methodology, combining building energy simulations, ventilation flow rate analysis, and Computational Fluid Dynamics (CFD) to assess different design and operational scenarios. Particular attention is given to solar control strategies, window operability, free cooling potential, ventilation control approaches, and water-side HVAC system configurations. The results show that architectural shading elements, such as a properly sized cantilever, can significantly reduce solar gains, allowing internal blinds to be simplified and used primarily for glare control, with a consequent reduction in initial costs. Natural ventilation performance is strongly affected by the percentage of openable window area and by the adoption of well-defined opening control profiles, which are essential to avoid increased heating demand. In large open-plan office spaces with high internal gains, free cooling proves to be a key strategy for reducing cooling energy demand, even during winter periods. Among the analyzed ventilation strategies, mixed-mode ventilation demonstrates the best energy performance and aligns with the architectural intent of maximizing natural ventilation use, although limitations arise when strict control of particulate matter and ozone is required. The comparison between ventilation flow rate categories indicates that Category II reduces energy consumption by approximately 5% compared to Category I, suggesting that its adoption is preferable for office applications. Furthermore, the analysis of water-side HVAC systems highlights the energy efficiency potential of groundwater-based solutions, while CFD results confirm the feasibility of stratified ventilation, enabling airflow rate reductions in accordance with ASHRAE recommendations.

Le prestazioni energetiche degli edifici per uffici sono fortemente influenzate dalle strategie di ventilazione adottate, in particolare in contesti climatici caratterizzati da una marcata variabilità stagionale, come quello di Milano. Questa tesi analizza le prestazioni di sistemi di ventilazione meccanica, naturale e a modalità mista in un edificio per uffici contemporaneo, con l’obiettivo di valutarne l’impatto sui consumi energetici, sulla qualità dell’aria interna e sul comfort termo-igrometrico. Lo studio si basa su una metodologia integrata di tipo simulativo, che combina simulazioni energetiche dell’edificio, analisi delle portate di ventilazione e simulazioni di Computational Fluid Dynamics (CFD), al fine di valutare diversi scenari progettuali e operativi. Particolare attenzione è dedicata alle strategie di controllo solare, all’apertura delle finestre, al potenziale di free cooling, ai sistemi di controllo della ventilazione e alle configurazioni degli impianti HVAC lato acqua. I risultati mostrano che elementi architettonici di schermatura solare, come un cantilever correttamente dimensionato, sono in grado di ridurre significativamente gli apporti solari, consentendo di semplificare le schermature interne e di utilizzarle principalmente per il controllo dell’abbagliamento, con una conseguente riduzione dei costi iniziali. Le prestazioni della ventilazione naturale risultano fortemente dipendenti dalla percentuale di superficie finestrata apribile e dall’adozione di profili di apertura ben definiti, fondamentali per evitare un incremento del fabbisogno energetico per il riscaldamento. Negli ampi spazi open-space caratterizzati da elevati carichi interni, il free cooling si conferma una strategia chiave per la riduzione dei carichi di raffrescamento, anche durante il periodo invernale. Tra le strategie analizzate, la ventilazione a modalità mista evidenzia le migliori prestazioni energetiche e risulta coerente con l’intento architettonico di massimizzare l’uso della ventilazione naturale, sebbene emergano limitazioni legate alla necessità di un controllo stringente di particolato e ozono. Il confronto tra le categorie di portata di ventilazione indica che la Categoria II consente una riduzione dei consumi energetici di circa il 5% rispetto alla Categoria I, suggerendone l’adozione per applicazioni in edifici per uffici. Inoltre, l’analisi degli impianti HVAC lato acqua evidenzia il potenziale di efficienza energetica dei sistemi basati su falda, mentre i risultati CFD confermano la fattibilità della ventilazione stratificata, permettendo una riduzione delle portate d’aria in accordo con le raccomandazioni ASHRAE.