Development of an IoT sensor to measure the indoor environmental quality and thermal properties of the building

The measurement of Indoor Environmental Quality (IEQ) requires the acquisition of multiple quantities regarding thermal comfort and indoor air quality. The IEQ monitoring is essential to investigate the building’s performance, especially when the renovation is needed to improve energy efficiency and occupants’ well-being. Thus, IEQ data should be acquired for long periods inside occupied buildings, but traditional measurement solutions could not be adequate. This work presents the development and application of a non-intrusive and scalable IoT (Internet of Things) sensing solution for the continuous IEQ measurement in occupied buildings during the renovation process. The solution is composed of an IR scanner (Comfort Eye) for mean radiant temperature measurement and desk node (Comfort Air) with environmental sensors (air temperature, relative humidity, CO2, PMs). The integration with a BIM-based renovation approach was developed to automatically retrieve building data required for sensor configuration and KPIs calculation. This research demonstrates the applicability and advantages of the proposed measurement device with the application to a real case study. The new IoT system was applied in two real demonstration cases, Warmond (The Netherlands) to perform the IEQ analysis in the pre renovation phase and Gdynia (Poland) to perform the IEQ analysis in the pre and post renovation phases. The system was installed to support the renovation process. IEQ performance measured before the renovation revealed issues related to the mean radiant temperature and air quality. Using measured data, interventions were realized to improve the envelope insulation and the occupant’s behaviour. Results from post-renovation measurements showed an improvement of IEQ, demonstrating the potential impact of the sensing solution. In addition, this thesis also presents the experimental validation of the developed IoT sensing solution for continuous monitoring of building thermal transmittance (U-value). In this context, the system has been adopted to identify the main sources of discomfort or inefficiencies of building envelopes. The procedure is based on in-situ measurements of thermal transmittance during operation by means of a scanning IR sensor and the result shows that it overcomes the limitations of the standard methods prescribed in ISO 9869 -1 and ISO 9869-2. To validate the method for measuring the thermal insulation performance of building elements, a verification experiment using a real building has been conducted. An uncertainty analysis based on Monte Carlo simulation has also been performed to evaluate the overall uncertainty of the method. The values obtained are coherent with those calculated using the reference method based on Heat Flux Meter (HFM) and the IR system has proved to be capable of providing thermal transmittance measurements with a discrepancy of 0.012 ± 0.038 (k=2) W/m2 K. The innovative methodology described in this work can be used for relatively fast and inexpensive U-value estimation without the use of additional measurement equipment (e.g., heat flux sensors). Moreover, the limitations encountered with the Comfort Eye, led to the development of a new prototype, also presented in this thesis.

La misurazione della Qualità Ambientale degli Interni (IEQ) richiede l’acquisizione di molteplici dati inerenti al comfort termico e alla qualità dell’aria interna. Il monitoraggio IEQ risulta essenziale per valutare il rendimento di un edificio, soprattutto quando si ha la necessità di interventi di efficientamento energetico, per il benestare dell’occupante. I dati IEQ, perciò, richiedono di essere acquisiti lungo periodi di occupazione estesa, ma i sistemi tradizionali idi misurazione non risultavano adeguati. Questo lavoro presenta lo sviluppo e le applicazioni di un sistema di rilevazione IoT (Internet of Things), non intrusivo e scalabile, per misurazioni IEQ continue nelle strutture durante il processo di ristrutturazione. Questa soluzione si compone di uno scanner IR (Comfort Eye)) per la misurazione della temperatura radiante media e un nodo da scrivania (Comfort Air) con sensori ambientali (temperatura dell’aria, umidità relativa, CO2, PMs). L’integrazione con un approccio a base BIM della ristrutturazione è stato sviluppato per raccogliere dati automaticamente per la configurazione dei sensori e il calcolo di KPI. Questa ricerca mostra l’applicabilità e i vantaggi dello strumento di misurazione proposto con l’applicazione di un caso studio reale. Il nuovo sistema IoT è stato applicato a due casi dimostrativi reali: Warmond (Paesi Bassi) per quanto riguarda l’analisi IEQ nella fase di pre-ristrutturazione, e Gdynia (Polonia) per l’analisi nelle fasi di pre e post rinnovamento. Il sistema è stato installato per sostenere il processo di rinnovamento. La misurazione delle performance IEQ prima della ristrutturazione ha mostrato problemi inerenti alla temperatura radiale meda e la qualità dell’aria. Gli interventi messi in atto sono stati implementati secondo i dati misurati per migliorare l’isolamento dell’involucro e il comportamento dell’occupante. I risultati delle misurazioni post-ristrutturazione hanno mostrato un miglioramento dell’IEQ, mostrando l’impatto potenziale delle soluzioni di rilevamento. Inoltre, questa tesi presenta la convalida sperimentale delle soluzioni di rilevamento IoT per il monitoraggio continuo della trasmissione termica di un edificio (U-Value). In questo contesto, il sistema è stato adottato per identificare le principali fonti di disagio o inefficienza dell’involucro dell’edificio. La procedura è basata su misurazioni in-situ della trasmissione termica durante le operazioni attraverso la scannerizzazione con sensori IR, e i risultati mostrano il superamento delle limitazioni dei metodi standard descritti dalle normative ISO 9869 -1 e ISO 9869-2. Per convalidare il metodo di misurazione del rendimento degli elementi di isolamento termico dell’edificio, si sono condotti esperimenti su edifici reali. Un’analisi delle incertezze basata sulla simulazione di Monte Carlo è stata svolta per valutare l’incertezza generale del metodo. I valori ottenuti sono coerenti con quanto calcolato usando il metodo di confronto basato su Heat Flux Meter (HFM) e il sistema IR ha comprovato la sua efficacia nel fornire misurazioni sulla trasmittanza termica con una discrepanza di 0.012 ± 0.038 (k=2) W/m2 K. Il metodo innovativo descritto in questo elaborato può essere usato per stime U-Value relativamente veloci ed economiche, senza l’uso di apparecchiatura di misurazione aggiuntiva (i.e. sensori di flusso del calore). Oltretutto, le limitazioni incontrate con il Comfort Eye, hanno portato allo sviluppo di un nuovo prototipo anch’esso presentato in questa tesi.