La sostenibilità ambientale dal Progetto Edilizio al Piano Urbano: L'integrazione della variabile energetica nella pianificazione del territorio

La questione energetica ha assunto, negli ultimi anni, un ruolo centrale nel dibattito mondiale in relazione a quattro fattori principali: la non riproducibilità delle risorse naturali, l’aumento esponenziale dei consumi, gli interessi economici e la salvaguardia dell'equilibrio ambientale e climatico del nostro Pianeta. E’ necessario, dunque, cambiare il modello di produzione e consumo dell’energia soprattutto nelle città, dove si ha la massima concentrazione dei consumi energetici. Per queste ragioni, il ricorso alle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) si configura ormai come una misura necessaria, opportuna ed urgente anche nella pianificazione urbanistica. Per migliorare la prestazione energetica complessiva del sistema città bisogna implementare politiche di governo delle trasformazioni che escano da una logica operativa “edificio-centrica” e ricomprendano, oltre al singolo manufatto, le aggregazioni di manufatti e le loro relazioni/ interazioni in termini di input e output materico-energetiche. La sostituzione generalizzata del patrimonio edilizio esistente con nuovi edifici iper-tecnologici, è improponibile. In che modo quindi, è possibile ridefinire la normativa e la prassi urbanistica per generare tessuti edilizi energeticamente efficienti? La presente ricerca propone l’integrazione tra la nascente pianificazione energetica del territorio e le più consolidate norme urbanistiche, nella generazione di tessuti urbani “energy saving” che aggiungano alle prestazioni energetico-ambientali dei singoli manufatti quelle del contesto, in un bilancio energetico complessivo. Questo studio, dopo aver descritto e confrontato le principali FER oggi disponibili, suggerisce una metodologia per una valutazione preliminare del mix di tecnologie e di FER più adatto per ciascun sito configurato come “distretto energetico”. I risultati di tale processo forniscono gli elementi basilari per predisporre le azioni necessarie all’integrazione della materia energetica nei Piani Urbanistici attraverso l’applicazione dei principi della perequazione nella definizione di requisiti prestazionali alla scala insediativa, indispensabili per un corretto passaggio alla progettazione degli “oggetti” e dei “sistemi” urbani.

Buone pratiche e Tecnologie Appropriate per la gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico in ambito urbano e rurale

Questa tesi di dottorato tratta il tema delle Tecnologie Appropriate e delle Buone Pratiche per la gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico nell’ambito dell’abitato urbano e rurale. Viene fatta una breve panoramica sulle principali teorie e metodologie che fino ad oggi hanno fatto da linee guida per la progettazione sostenibile e il corretto utilizzo delle risorse. Questa visione d'insieme servirà per esprimere delle valutazioni e trovare dei comuni dominatori per proporre una nuova metodologia d'approccio alla gestione delle risorse con particolare attenzione rivolta alla condizione presente e alla zona d’intervento. Site specific sustainability Approach (S3A). I casi studio: • Un progetto di approvvigionamento idrico e di desalinizzazione delle acque per un’oasi del Sahara marocchino. • Un progetto di ricerca della Columbia University e della NASA legato alla sostenibilità urbana di New York che analizza i benefici apportati dall'installazione di coperture verdi nell'area di Manhattan da un punto di vista della gestione delle risorse idriche, energetiche e delle componenti ambientali. • Un progetto di verde verticale e giardino pensile a Milano. • Un progetto di approvvigionamento idrico sostenibile e gestione del verde per la città di Porto Plata in Repubblica Domenicana. Approfondimenti e sperimentazioni. • E’ stato approfondito il tema della distillazione solare per la dissalazione e potabilizzazione delle acque in zone rurali desertiche ed isolate. • E’ stato progettato e realizzato un prototipo innovativo di distillatore tubolare con collettore solare parabolico. Il prototipo è stato testato nei laboratori della Columbia University di New York. • Sono state approfondite le Khettaras o Qanat, tunnel sotterranei per l’approvvigionamento idrico nelle zone aride. • Infine sono stati approfonditi i benefici apportati dalle coperture a verde (tetti verdi) e dal verde verticale nelle zone urbane dal punto di vista della gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico.

Modellazione edilizia e simulazione energetica per le analisi delle prestazioni e la progettazione integrata delle cantine aziendali

Il presente studio si colloca nell’ambito di una ricerca il cui obiettivo è la formulazione di criteri progettuali finalizzati alla ottimizzazione delle prestazioni energetiche delle cantine di aziende vitivinicole con dimensioni produttive medio-piccole. Nello specifico la ricerca si pone l’obiettivo di individuare degli indicatori che possano valutare l’influenza che le principali variabili progettuali hanno sul fabbisogno energetico dell’edificio e sull’andamento delle temperature all’interno dei locali di conservazione ed invecchiamento del vino. Tali indicatori forniscono informazioni sulla prestazione energetica dell’edificio e sull’idoneità dei locali non climatizzati finalizzata alla conservazione del vino Essendo la progettazione una complessa attività multidisciplinare, la ricerca ha previsto l’ideazione di un programma di calcolo in grado di gestire ed elaborare dati provenienti da diversi ambiti (ingegneristici, architettonici, delle produzioni agroindustriali, ecc.), e di restituire risultati sintetici attraverso indicatori allo scopo individuati. Il programma è stato applicato su un caso-studio aziendale rappresentativo del settore produttivo. Sono stati vagliati gli effetti di due modalità di vendemmia e di quattro soluzioni architettoniche differenti. Le soluzioni edilizie derivano dalla combinazione di diversi isolamenti termici e dalla presenza o meno di locali interrati. Per le analisi sul caso-studio ci si è avvalsi di simulazioni energetiche in regime dinamico, supportate e validate da campagne di monitoraggio termico e meteorologico all’interno dell’azienda oggetto di studio. I risultati ottenuti hanno evidenziato come il programma di calcolo concepito nell’ambito di questo studio individui le criticità dell’edificio in termini energetici e di “benessere termico” del vino e consenta una iterativa revisione delle variabili progettuale indagate. Esso quindi risulta essere uno strumento informatizzato di valutazione a supporto della progettazione, finalizzato ad una ottimizzazione del processo progettuale in grado di coniugare, in maniera integrata, gli obiettivi della qualità del prodotto, della efficienza produttiva e della sostenibilità economica ed ambientale.

Scienza della sostenibilita' e regolazione: Il caso studio della politica europea in materia di risparmio energetico

Entro l’approccio concettuale e metodologico transdisciplinare della Scienza della Sostenibilità, la presente tesi elabora un background teorico per concettualizzare una definizione di sostenibilità sulla cui base proporre un modello di sviluppo alternativo a quello dominante, declinato in termini di proposte concrete entro il caso-studio di regolazione europea in materia di risparmio energetico. La ricerca, attraverso un’analisi transdisciplinare, identifica una crisi strutturale del modello di sviluppo dominante basato sulla crescita economica quale (unico) indicatore di benessere e una crisi valoriale. L’attenzione si concentra quindi sull’individuazione di un paradigma idoneo a rispondere alle criticità emerse dall’analisi. A tal fine vengono esaminati i concetti di sviluppo sostenibile e di sostenibilità, arrivando a proporre un nuovo paradigma (la “sostenibilità ecosistemica”) che dia conto dell’impossibilità di una crescita infinita su un sistema caratterizzato da risorse limitate. Vengono poi presentate delle proposte per un modello di sviluppo sostenibile alternativo a quello dominante. Siffatta elaborazione teorica viene declinata in termini concreti mediante l’elaborazione di un caso-studio. A tal fine, viene innanzitutto analizzata la funzione della regolazione come strumento per garantire l’applicazione pratica del modello teorico. L’attenzione è concentrata sul caso-studio rappresentato dalla politica e regolazione dell’Unione Europea in materia di risparmio ed efficienza energetica. Dall’analisi emerge una progressiva commistione tra i due concetti di risparmio energetico ed efficienza energetica, per la quale vengono avanzate delle motivazioni e individuati dei rischi in termini di effetti rebound. Per rispondere alle incongruenze tra obiettivo proclamato dall’Unione Europea di riduzione dei consumi energetici e politica effettivamente perseguita, viene proposta una forma di “regolazione per la sostenibilità” in ambito abitativo residenziale che, promuovendo la condivisione dei servizi energetici, recuperi il significato proprio di risparmio energetico come riduzione del consumo mediante cambiamenti di comportamento, arricchendolo di una nuova connotazione come “bene relazionale” per la promozione del benessere relazionale ed individuale.

Development of An Energy Modeling Approach to Analyse Historical Building Performance

In the last years the attentions on the energy efficiency on historical buildings grows, as different research project took place across Europe. The attention on combining, the need of the preservation of the buildings, their value and their characteristic, with the need of the reduction of energy consumption and the improvements of indoor comfort condition, stimulate the discussion of two points of view that are usually in contradiction, buildings engineer and Conservation Institution. The results are surprising because a common field is growing while remains the need of balancing the respective exigencies. From these experience results clear that many questions should be answered also from the building physicist regarding the correct assessment: on the energy consumption of this class of buildings, on the effectiveness of the measures that could be adopted, and much more. This thesis gives a contribution to answer to these questions developing a procedure to analyse the historic building. The procedure gives a guideline of the energy audit for the historical building considering the experimental activities to dial with the uncertainty of the estimation of the energy balance. It offers a procedure to simulate the energy balance of building with a validated dynamic model considering also a calibration procedure to increase the accuracy of the model. An approach of design of energy efficiency measures through an optimization that consider different aspect is also presented. All the process is applied to a real case study to give to the reader a practical understanding.

Second law analysis and simulation techniques for the energy optimization of buildings

The research activity described in this thesis is focused mainly on the study of finite-element techniques applied to thermo-fluid dynamic problems of plant components and on the study of dynamic simulation techniques applied to integrated building design in order to enhance the energy performance of the building. The first part of this doctorate thesis is a broad dissertation on second law analysis of thermodynamic processes with the purpose of including the issue of the energy efficiency of buildings within a wider cultural context which is usually not considered by professionals in the energy sector. In particular, the first chapter includes, a rigorous scheme for the deduction of the expressions for molar exergy and molar flow exergy of pure chemical fuels. The study shows that molar exergy and molar flow exergy coincide when the temperature and pressure of the fuel are equal to those of the environment in which the combustion reaction takes place. A simple method to determine the Gibbs free energy for non-standard values of the temperature and pressure of the environment is then clarified. For hydrogen, carbon dioxide, and several hydrocarbons, the dependence of the molar exergy on the temperature and relative humidity of the environment is reported, together with an evaluation of molar exergy and molar flow exergy when the temperature and pressure of the fuel are different from those of the environment. As an application of second law analysis, a comparison of the thermodynamic efficiency of a condensing boiler and of a heat pump is also reported. The second chapter presents a study of borehole heat exchangers, that is, a polyethylene piping network buried in the soil which allows a ground-coupled heat pump to exchange heat with the ground. After a brief overview of low-enthalpy geothermal plants, an apparatus designed and assembled by the author to carry out thermal response tests is presented. Data obtained by means of in situ thermal response tests are reported and evaluated by means of a finite-element simulation method, implemented through the software package COMSOL Multyphysics. The simulation method allows the determination of the precise value of the effective thermal properties of the ground and of the grout, which are essential for the design of borehole heat exchangers. In addition to the study of a single plant component, namely the borehole heat exchanger, in the third chapter is presented a thorough process for the plant design of a zero carbon building complex. The plant is composed of: 1) a ground-coupled heat pump system for space heating and cooling, with electricity supplied by photovoltaic solar collectors; 2) air dehumidifiers; 3) thermal solar collectors to match 70% of domestic hot water energy use, and a wood pellet boiler for the remaining domestic hot water energy use and for exceptional winter peaks. This chapter includes the design methodology adopted: 1) dynamic simulation of the building complex with the software package TRNSYS for evaluating the energy requirements of the building complex; 2) ground-coupled heat pumps modelled by means of TRNSYS; and 3) evaluation of the total length of the borehole heat exchanger by an iterative method developed by the author. An economic feasibility and an exergy analysis of the proposed plant, compared with two other plants, are reported. The exergy analysis was performed by considering the embodied energy of the components of each plant and the exergy loss during the functioning of the plants.

Dynamic thermal performance of building components and application to the experimental and theoretical analysis of a ventilated façade

The general aim of this work is to contribute to the energy performance assessment of ventilated façades by the simultaneous use of experimental data and numerical simulations. A significant amount of experimental work was done on different types of ventilated façades with natural ventilation. The measurements were taken on a test building. The external walls of this tower are rainscreen ventilated façades. Ventilation grills are located at the top and at the bottom of the tower. In this work the modelling of the test building using a dynamic thermal simulation program (ESP-r) is presented and the main results discussed. In order to investigate the best summer thermal performance of rainscreen ventilated skin façade a study for different setups of rainscreen walls was made. In particular, influences of ventilation grills, air cavity thickness, skin colour, skin material, orientation of façade were investigated. It is shown that some types of rainscreen ventilated façade typologies are capable of lowering the cooling energy demand of a few percent points.

Mathematical Optimization Applied to Thermal and Electrical Energy Systems

This Thesis aims at building and discussing mathematical models applications focused on Energy problems, both on the thermal and electrical side. The objective is to show how mathematical programming techniques developed within Operational Research can give useful answers in the Energy Sector, how they can provide tools to support decision making processes of Companies operating in the Energy production and distribution and how they can be successfully used to make simulations and sensitivity analyses to better understand the state of the art and convenience of a particular technology by comparing it with the available alternatives. The first part discusses the fundamental mathematical background followed by a comprehensive literature review about mathematical modelling in the Energy Sector. The second part presents mathematical models for the District Heating strategic network design and incremental network design. The objective is the selection of an optimal set of new users to be connected to an existing thermal network, maximizing revenues, minimizing infrastructure and operational costs and taking into account the main technical requirements of the real world application. Results on real and randomly generated benchmark networks are discussed with particular attention to instances characterized by big networks dimensions. The third part is devoted to the development of linear programming models for optimal battery operation in off-grid solar power schemes, with consideration of battery degradation. The key contribution of this work is the inclusion of battery degradation costs in the optimisation models. As available data on relating degradation costs to the nature of charge/discharge cycles are limited, we concentrate on investigating the sensitivity of operational patterns to the degradation cost structure. The objective is to investigate the combination of battery costs and performance at which such systems become economic. We also investigate how the system design should change when battery degradation is taken into account.