Solar potential and microscale climate interactions in urban areas. Design strategies and use of dynamic simulation tools for solar planning

How will be the city of tomorrow? This is the biggest question that everybody does when thinks about the future destiny of the built environment and more in general of the wonderful planet where we are living. A question that today is became a priority seen the situation of the world’s climate with the global warming and energy comes from non-renewable sources increasing. These signals oblige to search one’s soul in order to understand what everybody can do for improving the global condition. In this scenario is collocated this research that wants to give a new holistic design approach starting from the European Performance Building Directives that go towards Zero Energy Buildings, communities and cities. The major part of the solar radiation available for producing the solar energy exploiting the building envelope today remains unutilized. For increasing the solar potential could be enough optimize the volume and guarantee the solar access in order to improve the solar harvest from the façades. The use of the energy comes from the sun it’s one of the ways to reduce our environmental impact on climate and secure future supply of energy. The built environment accounts for over 40% of the world’s total primary energy use and 24% of greenhouse gas emissions. While three quarters of CO2 emissions are produced in towns, 75% of the world‘s energy is consumed in towns. It is easier to understand that there furbishing interventions and new developments must have more energy-efficient and increasing the use of renewable energy, reducing the non-renewable energy use and greenhouse gas emissions. This research is focused on solar potential in urban areas and on microscale microclimate interactions using the available simulation tools for designers in order to develop a new design approach for a conscious solar and sustainable design process. The research starts from the analyses of simple model in order to find the analytic relationships for a sustainable solar design studying the solar radiation, solar access, overshadowing and solar reflections (first section), and the effect on a global warming and wind flows in a district (second section). Then the approach was tested onto two case studies for verifying if the analytic design relations studied work well in a real urban context. The analyses are conducted on an intervention of demolition and rebuilding of a residential building in a medium density district of the city of Milan (Italy) in order to minimize the overshadowing effect of the neighbourhood buildings and maximize the solar radiation on the facades optimizing the volume of the building, over qualitative analyses on the temperatures and wind flows on the façades as well as the benefit of the green system on a district’s microclimate.On the case study of a high density as the downtown of the city of Surfers Paradise (Gold Coast - Australia) was conducted a solar access and solar radiation analysis using a new solar design tool to exploit the solar potential in existing urban areas. The purpose of this research is to give a new design approach for urban planners, architects and engineers for a sustainable design considering multidisciplinary aspects which influence the urban environment, as solar radiation, wind flows, air temperature and green system. The study compares the current urban morphology scenario with designed scenario elaborated by urban planner and architects and solar optimized design created after solar and microclimate dynamic simulation, in order to develop a conscious and sustainable solar design. Furthermore among other aspects the work explores the different effects of solar access and solar potential in existing urban areas of low, medium and high density. The effects of overshadowing by the built environment surrounding and the benefit in term of solar access from the solar reflection coming from the nearby buildings are investigated. Analyses on thermal comfort, district’s global warming, temperature and wind speed on the façades permitted to analyse how the solar systems installation on a building envelope influence the district’s microclimate comfort and the thermal stress at the ground level as well as the benefit given from the presence of the green systems in terms of average global temperature and reducing the temperature at the ground level to guarantee a thermal comfort of the inhabitants and of the pedestrians. Solar irradiation values and solar access evaluation obtained through dynamic simulations tools (Autodesk Ecotect Analysis, Daysim and DIVA) constitute the core part of the method as well as the use of generative modeling tools (Grasshopper) for optimizing the building shape’s volume to harvest as much solar radiation as possible and the surface’s panelling (Rhinoceros-PanelingTools). The method adopted for the set of simulations consisted in modelling, using AutoCAD, Autodesk Ecotect Analysis and Rhinoceros/Grasshopper, the digital model of each building or group of buildings to exporting them to urban performance analysis software (Radiance software package). Spatial distributions of solar irradiation overall building façades were calculated using ray-tracing simulation techniques to determine the annual solar radiation. The microclimate analysis on the lower part of the atmosphere is directly influenced by local exchange processes. Especially in urban areas the great variety of different surfaces and sheltering obstacles produces a pattern of distinct microclimate systems. To simulate the interactions between the environment and the atmosphere on local scale, microscale three-dimensional non-hydrostatic model ENVI-met was used. The results demonstrated the new design approach permits to optimize the building volume to capture solar radiation maintaining the same volume and guaranteeing the urban microclimate comfort.

Come sarà la città del futuro? Questa è la domanda più importante che ognuno dovrebbe porsi quando pensa al destino futuro dell'ambiente costruito e più in generale del pianeta in cui viviamo. Una domanda che oggi è diventata una priorità vista la situazione del clima mondiale a causa del riscaldamento globale e l’impiego di energia da fonti non rinnovabili. Questi segnali obbligano ad un profondo esame di coscienza per capire cosa ognuno di noi può fare concretamente per migliorare la condizione globale del pianeta. In questo scenario si colloca questa ricerca che vuole fornire un nuovo approccio di progettazione urbana a partire dalle direttive europee che vanno verso la definizione e la promozione di edifici, comunità e città a energia zero. La maggior parte della radiazione solare disponibile per produrre l'energia sfruttando l'involucro edilizio, oggi rimane inutilizzata. Per aumentare il potenziale solare potrebbe essere sufficiente ottimizzare il volume per garantire l’accesso solare e migliorare l’esposizione dalle facciate e l’orientamento dell’edificio. L'uso di energia proviente dal sole costituisce di fatto uno dei modi possibili per ridurre l’impatto ambientale sul clima e garantire un sicuro approvvigionamento di energia agli edifici. Infatti i consumi dell’ambiente costruito incidono per oltre il 40% del consumo totale mondiale di energia primaria e per il 24% delle emissioni di gas a effetto serra. Tre quarti delle emissioni di CO2 sono prodotti in città, mentre il 75% dell'energia mondiale è consumata nelle città. È dunque facilmente intuibile che sia per interventi di retrofitting che per nuove costruzioni è necessario raggiungere livelli di efficienza energetica per sovvertire questa tendenza, aumentando l'uso delle energie rinnovabili e riducendo le emissioni di gas a effetto serra. La ricerca è dunque focalizzata sulla determinazione del potenziale solare e delle interazioni microclimatiche nelle aree urbane utilizzando strumenti di simulazione disponibili per i progettisti e sviluppando un nuovo approccio di progettazione consapevole e sostenibile. La ricerca parte dalle analisi di modelli semplici, al fine di trovare relazioni analitiche per una progettazione solare, studiando la radiazione solare, gli effetti di ombreggiamento e le riflessioni solari (prima sezione), congiuntamente allo studio dell'effetto di isola di calore in temini di riscaldamento globale e dei flussi di vento in un distretto urbano (seconda sezione). L'approccio sviluppato è stato testato su due casi studio di contesti urbani reali per verificare le relazioni analitiche di progetto studiate in modelli semplici. In particolare le analisi sono state condotte su un intervento di demolizione e ricostruzione di un edificio residenziale in un quartiere a media densità della città di Milano (Italia):da un lato al fine di minimizzare l'effetto di ombreggiamento degli edifici adiacenti a quello di progetto, dall’altro di massimizzare la radiazione solare sulle facciate ottimizzando il volume dell'edificio. Ottimizzata la forma dell’edificio di progetto, sono state condotte analisi qualitative delle temperature superficiali e dei flussi d’aria sulle facciate, stimando il beneficio che il sistema verde ha sul microclima del distretto urbano per garantire il comfort termico a livello terra e controllare lo stress termico sulle facciate. Per il centro città di Surfers Paradise (Gold Coast - Australia), caratterizzato da alta densità urbana, è stato condotta un’analisi di accesso solare e di radiazione incidente attraverso un nuovo strumento sviluppato nel corso di ricerca per la progettazione solare, minimizzando le ombre riportate e sfruttando il potenziale solare delle facciate degli edifici in aree urbane esistenti. Lo scopo ultimo di questa ricerca è quello di fornire un nuovo approccio di progettazione urbana sostenibie per urbanisti, architetti e ingegneri, considerando gli aspetti che influenzano l'ambiente urbano, come la radiazione solare, i flussi d’aria, la temperatura dell'aria e il sistema del verde. Lo studio mette a confronto l'attuale scenario urbano con lo scenario di progetto sviluppato da urbanisti e architetti e lo scenario ottimizzato per massimizzare la radiazione solare e analisi di microclima urbano attraverso simulazioni dinamiche. Il lavoro di tesi esplora i diversi effetti dovuti all’ambiente urbano sull’accesso e sul potenziale solare in aree urbane esistenti a bassa, media e alta densità. Sono stati indagati gli effetti di ombreggiamento creati dal surrounding e il beneficio in termini di contributi solari dati dalle riflessioni proveniente dagli edifici circostanti e dal terreno. Sono state eseguite analisi qualitative di comfort termico, riscaldamento globale del distretto urbano (“Isola di calore”), temperatura e velocità del vento sulle facciate per stimare l’effetto creato dall'installazione di sistemi solari sul microclima del distretto e lo stress termico a livello terra. Infine è stato calcolato il beneficio dato dalla presenza dei sistemi verdi in termini di temperatura media globale e di riduzione della temperatura a livello terra per garantire un comfort termico degli abitanti e dei pedoni. I valori di irraggiamento solare ottenuti attraverso strumenti di simulazione dinamica (Autodesk Ecotect Analysis, Daysim e DIVA) costituiscono la parte centrale del metodo sviluppato. L'uso di strumenti di modellazione generativa (Grasshopper) hanno permesso di ottimizzare il volume della forma dell'edificio per raccogliere quanto più radiazione solare possibile e creare il rivestimento di superficie (Rhinoceros-PanelingTools). Il processo di progettazione ottimizzata sviluppato consiste dunque nella modellazione del modello digitale utilizzando AutoCAD, Autodesk Ecotect Analysis e Rhinoceros / Grasshopper, e l’esportazione per calcolare la radiazione globale incidente utilizzando software di simulazione dinamica (Radiance, Daysim, DIVA). Le simulazioni solari sono state eseguite utilizzando la la tecnica di ray-tracing così da determinare la radiazione solare annuale. L'analisi microclimatica qualitativa del distretto per simulare le interazioni tra l'ambiente e l'atmosfera su scala locale è stata eseguita con ENVI-met, software tridimensionale non idrostatico. I risultati della ricerca hanno dimostrato che il nuovo approccio progettuale svilupato in questa tesi permette di ottimizzare il volume dell'edificio per sfruttare la radiazione solare mantenendo lo stesso volume e garantendo il comfort microclimatico urbano.