Experimental and numerical study on solar walls for energy savings, thermal comfort and sustainability of residential buildings

This thesis presents a study on the behaviour of solar walls in a residential building under a Mediterranean climate, in terms of energy performance, thermal comfort and sustainability. The use of solar walls in temperate climates is problematic due to undesired heat gains and overheating phenomena in summer, especially in super-insulated buildings in keeping with current energy standards. Few studies in literature focus on the behaviour of the system in temperate climates and on their life cycle. The objectives of this study are: the experimental analysis of thermal parameters of solar walls in different conditions; the estimation of solar wall influence on energy needs and indoor thermal comfort of dwellings with different insulation levels; the minimization of energy needs and environmental loads throughout the life cycle. The methodology included several phases: a series of monitoring campaigns on a case study in different seasons and conditions; simulations in dynamic state on a model calibrated with experimental data to generalise energy and thermal comfort results; development of an integrated approach for the optimization of energy and environmental performances that combines life cycle assessment, energy simulation and optimization with level factorial plan. The results demonstrated that solar wall is an efficient system in providing energy savings and suitable indoor thermal comfort in Mediterranean climates. The combined use of overhangs, roller shutters and cross ventilation can significantly reduce cooling loads and assure a satisfactory thermal comfort level in summer. Results of the optimization analysis demonstrated that it is possible to reduce environmental burdens and energy demand of solar walls throughout their life cycle up to -55% using aerated concrete, double glazing and wooden framing instead of a traditional design. This methodology might be generally applied to sustainability analysis, design and optimization of efficient façade systems.

La tesi presenta uno studio sul comportamento dei muri solari in un edificio residenziale in clima mediterraneo, in termini di prestazione energetica, comfort igrotermico e sostenibilità. L’uso dei muri solari nei climi temperati è problematico in estate per i fenomeni di surriscaldamento, soprattutto in edifici super-isolati conformi agli attuali standard energetici. Pochi studi in letteratura studiano il comportamento del sistema in questi climi e il loro ciclo di vita. Gli obiettivi dello studio sono: l’analisi sperimentale dei parametri termici del muro solare in diverse condizioni; la valutazione dell’influenza dei muri solari su fabbisogni di energia e comfort termo-igrometrico di appartamenti con diversi livelli di isolamento; la minimizzazione dei fabbisogni energetici e dei carichi ambientali lungo il ciclo di vita. La metodologia ha incluso diverse fasi: una serie di monitoraggi su un caso studio in diverse stagioni e condizioni; simulazione in regime dinamico su un modello calibrato con dati sperimentali per generalizzare i risultati energetici e di comfort; sviluppo di un approccio integrato per l’ottimizzazione di prestazioni energetiche ed ambientali che combina ciclo di vita, simulazione energetica e ottimizzazione con i piani fattoriali. I risultati dimostrano che il muro solare è un sistema efficiente per risparmio energetico e comfort indoor nei climi mediterranei. L’uso combinato di schermi orizzontali, serrande e ventilazione trasversale possono ridurre significativamente i carichi di raffrescamento e garantire un livello di comfort soddisfacente in estate. I risultati dell’analisi di ottimizzazione hanno dimostrato che è possibile ridurre i carichi ambientali e la domanda di energia del sistema nel ciclo di vita fino a -55% con calcestruzzo areato, doppi vetri e telai in legno invece di un design convenzionale. Questa metodologia potrebbe essere generalmente applicata ad analisi di sostenibilità, progetto e ottimizzazione di sistemi di facciata.