Optimising supply air control in combined radiant ceiling and AHU systems: a simulation-based approach for operational performance

A key challenge in reducing energy consumption in the building sector lies in the gap between theoretical and real-world performance. This discrepancy often arises from the complex interactions between HVAC subsystems and fragmented sizing processes—particularly in setups combining radiant ceilings with Air Handling Units (AHUs)—configurations increasingly adopted in the French tertiary building sector. Drawing on years of professional experience, such configurations have been found to frequently result in poor coordination between subsystems and suboptimal control of supply air temperature and humidity. This is particularly critical during summer months, when the risk of condensation is high, often leading to overly conservative ventilation settings, unnecessary energy use, or conflicting control strategies. The core objective of this thesis is therefore to optimise supply air control and maximise overall system performance. This research begins with the modelling of a standard office space conditioned by the combined system—a radiant ceiling coupled with an AHU—using a mixing ventilation strategy. A numerical model developed in DesignBuilder, based on EnergyPlus algorithms, enables dynamic simulations and a parametric analysis of supply air configurations. System performance is assessed across three dimensions—energy consumption, condensation prevention, and thermal comfort—through performance indicators derived from model outputs and reflecting the system's operational behaviour. A ranking based on a weighted average of these indicator scores identifies the optimised yearly supply air control strategy from the combination of the best-performing seasonal configurations. Compared with a common suboptimal control strategy, the optimised approach features lower heating and cooling supply temperatures, and lower outdoor temperature thresholds for heating and cooling activation. When AHU heat recovery is not activated, the optimised configuration achieves a modest improvement in energy efficiency. Despite a slight increase in total energy demand (+2.0%), the increase in ceiling demand share (+1.4%) results in a 2.3% decrease in primary energy consumption. Most notably, condensation prevention improves significantly, with a 98% reduction in yearly occurrences, and control coordination improves with a 56% decrease in energy wasted through simultaneous heating and cooling. Summer thermal comfort also improves with a 37% reduction in cooling discomfort over the season.

Una delle principali sfide nella riduzione dei consumi energetici nel settore edilizio risiede nel divario tra prestazioni teoriche e reali, spesso dovuto alle complesse interazioni tra i sottosistemi HVAC e a processi di dimensionamento frammentati, in particolare nelle configurazioni che integrano soffitti radianti e Unità di Trattamento dell’Aria (UTA), una soluzione sempre più adottata nel terziario francese. Sulla base di anni di esperienza professionale, è stato riscontrato che tali configurazioni risultano frequentemente in una scarsa coordinazione tra i sottosistemi e in un controllo non ottimale della temperatura e dell'umidità dell'aria di mandata. Ciò è particolarmente critico durante i mesi estivi, quando il rischio di condensazione è elevato, portando spesso a impostazioni conservative, consumi non necessari o strategie di controllo conflittuali. L'obiettivo di questa tesi è quindi ottimizzare il controllo dell'aria di mandata e massimizzare le prestazioni complessive del sistema. La ricerca inizia con la modellazione di un ufficio standard climatizzato mediante un sistema combinato costituito da soffitto radiante e UTA a ventilazione per miscelazione. Un modello numerico in DesignBuilder, basato sugli algoritmi di EnergyPlus, consente simulazioni dinamiche e un’analisi parametrica delle configurazioni dell’aria di mandata. Le prestazioni del sistema sono valutate secondo tre criteri fondamentali: consumo energetico, prevenzione della condensazione e comfort termico, attraverso specifici indicatori rappresentativi del comportamento operativo del sistema. Una classificazione tramite media ponderata dei punteggi individua la strategia annuale ottimizzata, ottenuta dalla combinazione delle configurazioni stagionali più efficienti. Rispetto a una strategia di controllo subottimale comune, l'approccio ottimizzato presenta temperature di mandata per il riscaldamento e il raffrescamento più basse, nonché soglie di temperatura esterna più basse per l'attivazione del riscaldamento e del raffrescamento. In assenza di recupero di calore dell’UTA, si osserva un miglioramento moderato dell’efficienza energetica. Nonostante un leggero aumento della domanda energetica totale (+2,0%), aumento della quota coperta dal soffitto radiante (+1,4%) determina una riduzione del 2,3% nel consumo di energia primaria. Più rilevanti risultano gli effetti sulla prevenzione della condensazione, con una riduzione del 98% delle occorrenze annuali, e sul coordinamento del controllo, che registra un calo del 56% dell’energia sprecata per riscaldamento e raffrescamento simultanei. Anche il comfort estivo migliora, con una riduzione del 37% del disagio da raffrescamento nel corso della stagione.