An automated optimization process to support the design of comfortable net zero energy buildings

The energy design of a building can be considered and formalized as a multivariable optimization problem. Once (and if) objectives are all clearly and explicitly spelled out, the challenge for the designers is how to explore the set of building variants compatible with the given constraints and to isolate the one(s) best fulfilling the objectives. The set of variants compatible with the constraints is generally much larger of what can be explored in a reasonable time span, even by making some a priori choices to guide the design based on previous experience and a first order approximation of physical laws. The goal of this research work is to develop and test an automated optimization process which may support designers in systematically exploring the domain of building variants in order to identify the most suitable one(s) to both guarantee a thermal comfortable indoor environment and minimize, or bring to zero, the energy needs for thermal control of such building. Since detailed computer simulation programs are increasingly used in the design of buildings and computation power is increasing (both desk and cloud computing), an automated procedure which explores a very large number of variants in the accessible domain may now be accomplished in a relatively short time and, hence, be compatible with the time scale of the predesign and design phases.

La progettazione energetica di un edificio può essere considerata e formalizzata come un problema di ottimizzazione multivariabile. Una volta che (e se) gli obiettivi sono tutti chiaramente ed esplicitamente enunciati, la sfida per i progettisti consiste nell’esplorare l’insieme di tutte le varianti dell’edificio compatibili con i vincoli indicati e quindi individuare la migliore configurazione che soddisfa tali obiettivi. L’insieme delle varianti compatibili con i vincoli è generalmente molto maggiore di ciò che può essere esplorato in un arco di tempo ragionevole, anche facendo alcune scelte a priori per guidare la progettazione sulla base di esperienze pregresse e introducendo una approssimazione delle leggi fisiche del primo ordine. L'obiettivo di questo lavoro di ricerca è quello di sviluppare e testare un processo automatico di ottimizzazione che possa supportare i progettisti in modo sistematico nell’esplorare il dominio di varianti dell’edificio al fine di individuare la più adatta sia a garantire un ambiente confortevole termico interno, sia a ridurre, o portare a zero, il fabbisogno energetico per il controllo termico dello stesso edificio. Dal momento che la simulazione numerica è sempre più utilizzate nella progettazione degli edifici e la potenza di calcolo è in aumento, una procedura automatizzata che esplora un gran numero di varianti nel dominio accessibile può essere ora realizzata in un tempo relativamente breve e, quindi, essere compatibile con la scala temporale delle fasi di pre-design e di progettazione.