Quantifying the building energy performance gap and impact of weather and HVAC regulation

This thesis investigates the building energy performance gap through the detailed analysis of a tertiary building case study within the French regulatory context. Improving the reliability of predicted energy performance has become a critical challenge as regulations place emphasis on measured operational consumption. Building energy modelling is widely used to estimate energy use during design. However, significant discrepancies are often observed between simulated and actual energy consumption, reaching up to 2.5 times measured values, commonly called the performance gap. The objective of this work is to characterise and analyse this gap by confronting dynamic simulation results with monitored operational data and design assumptions. An operational building energy model was developed using DesignBuilder and EnergyPlus and corrected with post-occupancy data. The model achieved a good representation of real behaviour, with 118 kWh/m²/year simulated versus 127 kWh/m²/year measured (7%), considering the modelled building parts and typology within the defined study boundaries. Parametric analyses were then performed to assess the influence of key modelling assumptions such as weather data and HVAC operation. The different weather models comprise data with varying weather station locations, varying years scenarios (historical, future projections in 2050 and 2100 with RCP 4.5). HVAC settings modifications focus on operational time and temperature setpoints modifications for AHU batteries and radiant ceilings. Weather data variations induced energy gaps from +28% for cooling uses to -41% in cooling uses (2100 weather data) compared to operational contemporary data. HVAC modifications from operational to design settings generated deviations from -31% for heating to -25% for cooling (radiant ceilings temperature setpoints modifications). The overall results also highlight comfort trade-offs: design assumptions lower the energy uses but worsen indoor comfort for occupants, resulting in lower comfort scores from 2.6 over 3 to 2 over 3. This study emphasises the need to integrate realistic operational behaviour at the design stage, where energy use from occupant adjustments is often underestimated.

Questa tesi analizza il divario tra la performance energetica prevista e quella reale degli edifici attraverso lo studio dettagliato di un caso applicativo relativo a un edificio terziario nel contesto francese. Migliorare l’affidabilità della performance energetica prevista è diventato una sfida cruciale, poiché le normative pongono crescente enfasi sui consumi misurati in fase operativa. La modellizzazione energetica degli edifici è ampiamente utilizzata per stimare i consumi in fase di progetto. Tuttavia, si osservano spesso significative discrepanze tra consumi simulati e reali, che possono raggiungere fino a 2,5 volte i valori misurati, fenomeno comunemente definito “performance gap”. L’obiettivo di questo lavoro è caratterizzare e analizzare tale divario confrontando i risultati di simulazioni dinamiche con dati operativi monitorati e ipotesi di progetto. È stato dunque sviluppato un modello energetico dell’edificio utilizzando DesignBuilder ed EnergyPlus e calibrato con dati post-occupazione. Il modello ha mostrato una buona rappresentazione del comportamento reale, con un errore del 7% fra risultati simulazione e consumni misurati. Sono state poi condotte analisi parametriche per valutare l’influenza delle principali ipotesi modellistiche, quali i dati climatici e il funzionamento degli impianti HVAC. I diversi scenari climatici includono dati provenienti da stazioni meteorologiche differenti e diversi periodi temporali (dati storici e proiezioni future al 2050 e 2100 con ipotesi RCP 4.5). Le modifiche alle impostazioni HVAC riguardano invece variazioni degli orari operativi e dei setpoint di temperatura per le batterie delle UTA e per i soffitti radianti. Le variazioni dei dati climatici hanno portato a scostamenti dal +28% nei consumi di raffrescamento fino a -41% (scenario climatico 2100) rispetto ai dati operativi contemporanei. Le modifiche alle impostazioni HVAC da operative a di progetto hanno generato deviazioni da -31% per il riscaldamento a -25% per il raffrescamento (setpoint dei soffitti radianti). I risultati evidenziano inoltre compromessi con il comfort: le ipotesi di progetto riducono i consumi energetici ma peggiorano il comfort interno degli occupanti, con punteggi di comfort che passano da 2,6 su 3 a 2 su 3. Lo studio sottolinea quindi la necessità di integrare ipotesi di comportamenti in fase operativa realistici già in fase di progettazione, poiché i consumi legati alle esigenze degli occupanti sono spesso sottostimati.