Urban Building Energy Modeling simulation of public housing in Milan

Italy's post-war public housing stock is among the worst-performing and least-studied parts of the national building inventory, yet it is precisely where deep renovation is most needed and least affordable. This thesis develops and applies an Urban Building Energy Model (UBEM) of the Quarto Oggiaro INA-Casa district in Milan 60 social-housing slab blocks built between 1959 and 1962 and managed by ALER to ask how far an integrated programme of envelope retrofit, heating electrification, and rooftop photovoltaics (PV) can take a homogeneous public-housing district in energy, carbon, and economic terms. The model was built building-by-building in City Energy Analyst (CEA) using the ISO 13790 hourly method, with thermal archetypes drawn from the Italian TABULA dataset and verified at the district scale against TABULA benchmark ranges, since no building-resolved metered data were available; ALER billing data and ARERA tariffs were used to ground the cost inputs. Six configurations were simulated against the gas-boiler baseline (S0): a Requisiti-Minimi envelope (S1), a deeper Superbonus envelope (S2), an air-source heat pump (S3) and a water-source heat pump (S4) on the existing fabric, and an integrated package combining the S1 envelope with an air-source heat pump (S5). Costs were drawn from the Prezzario Regione Lombardia 2025 and appraised over a 25-year horizon at a 3% discount rate. The baseline consumes 67,752 MWh of primary energy and emits 12,617 tCO₂e per year. Envelope retrofit cuts heating demand by 69–77% and carbon by 54–60%, while heat-pump conversion decarbonises supply but, at current tariffs and seasonal efficiencies, barely lowers operating cost. Among the scenarios investigated, the integrated package S5 offers the most favourable balance of energy, carbon, and economic performance: it delivers the deepest cuts in primary energy (−61%) and carbon (−69%) and, once the heat pump is sized against the reduced load, the highest net present value (€30.8 million), at a payback comparable to envelope-only measures. Rooftop PV (4,238 kWp, 2,698 MWh/yr) shows a levelized cost of €0.285/kWh, marginally below the retail tariff; however, because the analysis is based on annual energy balances rather than hourly matching, its real-world contribution is likely lower than the annual figures suggest, and the PV results should be read with corresponding caution. The recurring finding is structural: the district's compact form (surface-to-volume ratio ≈ 0.25 m⁻¹) suppresses fabric losses and shifts leverage toward the heating system, so within the trade-offs identified in this study, the most consistent pathway to deep performance is to insulate first and electrify second.

Il patrimonio edilizio pubblico italiano del dopoguerra è tra le parti meno performanti e meno studiate dell'inventario edilizio nazionale, eppure è proprio lì che la ristrutturazione profonda è più necessaria e meno accessibile. Questa tesi sviluppa e applica un Modello Energetico Urbano degli Edifici (UBEM) al quartiere INA-Casa di Milano, composto da 60 blocchi di edilizia sociale costruiti tra il 1959 e il 1962 e gestiti da ALER, per valutare in che misura un programma integrato di riqualificazione dell'involucro edilizio, elettrificazione del riscaldamento e installazione di impianti fotovoltaici sui tetti possa migliorare un quartiere omogeneo di edilizia pubblica in termini energetici, di emissioni di carbonio ed economici. Il modello è stato costruito edificio per edificio in City Energy Analyst (CEA) utilizzando il metodo orario ISO 13790, con archetipi termici tratti dal dataset italiano TABULA e verificati a livello di quartiere rispetto agli intervalli di riferimento TABULA, poiché non erano disponibili dati di misurazione a livello di singolo edificio; i dati di fatturazione ALER e le tariffe ARERA sono stati utilizzati come base per i costi di input. Sono state simulate sei configurazioni rispetto alla configurazione di riferimento con caldaia a gas (S0): un involucro Requisiti-Minimi (S1), un involucro Superbonus più profondo (S2), una pompa di calore aria-acqua (S3) e una pompa di calore acqua-acqua (S4) sull'involucro esistente, e un pacchetto integrato che combina l'involucro S1 con una pompa di calore aria-acqua (S5). I costi sono stati ricavati dal Prezzario Regione Lombardia 2025 e valutati su un orizzonte temporale di 25 anni con un tasso di sconto del 3%. La configurazione di riferimento consuma 67.752 MWh di energia primaria ed emette 12.617 tCO₂e all'anno. La riqualificazione dell'involucro riduce la domanda di riscaldamento del 69-77% e le emissioni di carbonio del 54-60%, mentre la conversione a pompa di calore decarbonizza l'approvvigionamento ma, alle tariffe attuali e con i rendimenti stagionali, riduce solo marginalmente i costi operativi. Tra gli scenari analizzati, il pacchetto integrato S5 offre il miglior equilibrio tra energia, emissioni di carbonio e prestazioni economiche: garantisce le riduzioni più significative di energia primaria (−61%) e di emissioni di carbonio (−69%) e, una volta dimensionata la pompa di calore in base al carico ridotto, il valore attuale netto più elevato (€30,8 milioni), con un periodo di ammortamento paragonabile a quello delle sole misure di riqualificazione dell'involucro edilizio. L'impianto fotovoltaico su tetto (4.238 kWp, 2.698 MWh/anno) presenta un costo livellato di €0,285/kWh, leggermente inferiore alla tariffa al dettaglio; tuttavia, poiché l'analisi si basa su bilanci energetici annuali anziché su dati orari, il suo contributo reale è probabilmente inferiore a quanto indicato dalle cifre annuali, e i risultati relativi al fotovoltaico vanno interpretati con la dovuta cautela. Il risultato ricorrente è di natura strutturale: la forma compatta del quartiere (rapporto superficie-volume ≈ 0,25 m⁻¹) riduce le dispersioni termiche e sposta l'attenzione sul sistema di riscaldamento; pertanto, nell'ambito dei compromessi individuati in questo studio, la strada più coerente per ottenere prestazioni ottimali è quella di isolare prima ed elettrificare in un secondo momento.