Energy saving potential of night natural ventilation in the urban environment : the effect of wind shielding and solar shading

Night natural ventilation is regarded today as an energy efficient cooling strategy. However, the specific setting where it takes place can undermine its effectiveness, and hence needs to be taken into account. On the contrary natural ventilation evaluations are often carried out considering the isolated building. The urban environment has two major outcomes on boundary conditions: neighbouring buildings serve on one side as obstacles to the wind, causing a reduction in wind speeds, and on the other side they serve as solar shading surfaces, reducing the cooling energy demand of buildings. Assessing the impact of the urban form on both thermal and airflow conditions would require airflow models to be coupled with thermal models. As a result, a lack of knowledge is found on the performance of night natural ventilation in a urban environment. In the present study, a comparison between energy demands of a low-rise isolated commercial building and of the same building within an increasingly dense urban environment is carried out using EnergyPlus. Energy demands are studied both for the unventilated and for the ventilated case, in various locations and at different floor heights. Wind-driven natural ventilation is simulated by means of Airflow Network Modelling. Results show that the energy saving potential of night natural ventilation in a dense urban environment can be reduced by up to 60% if compared to an isolated case. The overall urban performance of night natural ventilation is strongly dependent on the initial energy saving capacity: climates with an original low cooling potential generally undergo a stronger impact of the urban environment. This thesis confirms the importance of taking into account the real setting of a building in order properly estimate the potential of night cooling. Moreover, it highlights the need of a combined investigation of thermal and airflow behaviour and provides also an example of an application of building energy simulation tools at a urban scale. Such findings can be of use to support building designers in assessing the energy saving potential of natural ventilation for a building within the urban environment.

La ventilazione naturale è considerata oggi un’efficiente tecnica di raffrescamento passivo degli edifici. L’ambiente circostante tuttavia ha un’influenza determinante sull’efficacia del metodo, sebbene si tenda spesso a trascurare tale aspetto in fase di simulazione. Gli edifici infatti agiscono sia da schermatura per la radiazione solare, provocando una diminuzione del fabbisogno di raffrescamento, sia da ostacoli per il vento, riducendo così le velocità medie di questo. Per tenere conto di tali effetti nella simulazione energetica è necessario utilizzare modelli integrati di recente sviluppo. Ad oggi si ha una scarsa comprensione delle effettive prestazioni della ventilazione naturale in ambiente urbano. Questo studio si propone di effettuare con l’ausilio del software EnergyPlus un’analisi comparativa tra la domanda di raffrescamento di un edificio commerciale all’interno di un contesto isolato e il medesimo edificio posto in un ambiente urbano di crescente densità. Il fabbisogno è considerato sia per i casi non ventilati che per i casi ventilati, e in relazione a varie località climatiche e diverse altezze di piano. La ventilazione naturale è simulata utilizzando il modello Airflow Network contenuto in EnergyPlus. I risultati ottenuti evidenziano che l’efficacia della ventilazione naturale nel diminuire il fabbisogno di raffrescamento in contesto urbano può essere ridotta fino al 60% rispetto al contesto isolato. Generalmente, il rendimento in contesto urbano della ventilazione naturale notturna è fortemente influenzato dal potenziale iniziale: climi caratterizzati da bassi potenziali sono solitamente più soggetti all’effetto del contesto urbano. Questa tesi conferma l’importanza di valutare il reale posizionamento di un edificio all'interno del paesaggio architettonico per poter stimare in modo accurato il potenziale di raffrescamento notturno della ventilazione naturale. Inoltre, evidenzia la necessità di considerare contemporaneamente gli effetti termici e la riduzione delle portate d’aria e propone un esempio di applicazione dei software di simulazione energetica all’ambiente urbano. Questi risultati potranno essere di supporto ai progettisti nella definizione dell’appropriato potenziale di ventilazione naturale di un edificio all’interno contesto urbano.