Design strategies for net zero energy buildings

The Net Zero Energy Building concept has received increasing attention in recent years, until becoming part of the EU policy on energy efficiency in buildings. Recently, a very important focus on cost-effectiveness has been also introduced. In particular an EU regulation of 16 January 2012 establishes a comparative methodology framework for calculating cost-optimal levels of minimum energy performance requirements for buildings and building elements. The big challenge is to understand how much designers should rely on energy efficiency measures and when instead they should start to apply renewable energy technologies. The study presented in the thesis is focused on the synergy between energy-efficiency in terms of envelope and renewable energy utilization to achieve a balanced energy budget over an annual cycle, minimizing at the same time the global costs. The thesis presents a procedure to define a design strategy able to achieve NZEB requirement minimizing the global cost of the building. This procedure, based on cost-optimality methodology, was applied to three different dry assembled residential buildings taken as case studies. Coupling TRNSYS 16, a transient system simulation tool, and GenOpt, an optimization program, an optimization analysis was performed in order to find a cost-optimal energy performance and to detect the best balance in terms of investment costs in envelope and in energy generation.

Negli ultimi anni, il concetto di edifici a bilancio energetico nullo (NZEB) ha acquisito una sempre crescente importanza fino a diventare parte integrante delle direttive comunitarie sull’efficienza energetica degli edifici. In parallelo, anche la valutazione dell’efficienza economica degli interventi mirati al risparmio energetico è stata portata all’attenzione dei progettisti grazie ad una regolamentazione dell’Unione Europea, emanata il 16 Gennaio 2012, che propone una metodologia comparativa per la definizione dei livelli di minime prestazione energetiche degli edifici che permettano contemporaneamente di minimizzare i costi globali nell’arco della vita utile di una costruzione. La sfida prevalente sta nel definire il confine tra quanto il progettista possa fare affidamento sulle misure di efficienza energetica dell’involucro e quando sia necessario fare uso di fonti di energia rinnovabile. La presente tesi mira ad analizzare la sinergia tra l’efficienza energetica dell’involucro e l’utilizzo di energie rinnovabili al fine di ottenere un bilancio energetico annuale nullo e di minimizzare contemporaneamente i costi globali dell’edificio. A tale scopo la tesi presenta quindi una procedura progettuale, basata sulla metodologia della “cost-optimality”, che viene applicata a tre differenti edifici residenziali, presi come casi studio, realizzati con la tecnologia S/R (Struttura /Rivestimento). Grazie all’interazione tra il software TRNSYS16, per l’analisi del comportamento energetico degli edifici in regime transitorio, e di un programma di ottimizzazione (GenOpt), sono state eseguite numerose procedure di ottimizzazione al fine di individuare le soluzioni progettuali che possano minimizzare i costi e/o le prestazioni energetiche dell’edificio con l’obiettivo ultimo di individuare il giusto equilibrio tra investimento in involucro ad alte prestazioni e produzione energetica tramite fonti rinnovabili (in particolare fotovoltaico).