Experimental and Numerical Analysis of the Energy Behavior of Buildings

The studies presented in this thesis provide a valuable contribution to the current literature by advancing the understanding of numerical calculation models used for estimating the energy demand of buildings. These models are essential tools for designing energy-efficient buildings and optimizing energy consumption, as they allow for the accurate prediction of energy needs based on various factors, such as the thermal characteristics of the building, climatic conditions, and internal heat gains and losses. Specifically, the research focuses on the calculation model provided by the EN ISO 52016 standard, a widely recognized framework for determining the energy performance of buildings. By analysing the EN ISO 52016 model in depth, this thesis provides new insights into the reliability and accuracy of this adopted method for predicting energy performance. In addition to examining the EN ISO 52016 model, the study also looks at the various numerical algorithms used to define the solar radiation inputs needed to calculate energy demand. Solar radiation plays a crucial role in the overall energy balance of buildings, as it directly affects heating and cooling requirements. The research examines how different solar radiation values are obtained by applying different calculation algorithms. By analysing the effectiveness and accuracy of these algorithms, this study helps to improve the accuracy of energy demand models, particularly in climates where solar radiation varies considerably throughout the year. Precise solar radiation calculation is crucial for designing buildings that optimize passive solar gains and minimize dependence on heating and cooling systems. Experimentally, the thesis investigates the thermal behaviour of two different types of structures: highly massive and light, with particular attention to the impact of thermal inertia on energy demand and internal comfort. Massive buildings can store heat during the day and release it slowly over time, providing a stabilizing effect on internal temperatures. Thermal inertia can reduce the use of heating and cooling systems, as the internal temperature remains more constant during the day and night. In contrast, lighter buildings, which are typically constructed of materials such as wood or light panels, have a faster response to temperature fluctuations and the effect of solar radiation. The research conducted in this thesis compares these two types of structures through a series of experimental measurements and numerical simulations, demonstrating that massive structures offer better thermal stability and can significantly reduce energy consumption for heating and cooling. These results provide valuable information for the selection of building materials and construction methods that maximize energy efficiency and improve interior comfort. Finally, the thesis also presents an experimental work conducted in schools equipped with controlled mechanical ventilation systems (CMV) to assess their impact on indoor air quality. Schools are environments where air quality is particularly important, as poor indoor air quality can cause discomfort, reduced cognitive performance and potential health problems for students who spend many hours in the year within school classrooms. The study aims to monitor and measure CO2 levels in order to assess the effectiveness of CMV systems and develop a predictive calculation algorithm based on CO2 levels and classroom types. In conclusion, the studies presented in this thesis contribute to the growing body of knowledge on energy performance in buildings by providing a deeper understanding of numerical calculation models, the role of solar radiation, the impact of thermal inertia, and the benefits of mechanical ventilation systems. The integration of these findings offers valuable insights for improving the energy efficiency of buildings, enhancing indoor comfort, and promoting sustainability in the built environment. These contributions not only help in the design of more energy-efficient buildings but also offer practical solutions for improving the quality of indoor environments, leading to healthier and more comfortable living and working spaces.

Gli studi presentati in questa tesi forniscono un prezioso contributo alla letteratura attuale, migliorando la comprensione dei modelli di calcolo numerico utilizzati per stimare il fabbisogno energetico degli edifici. Questi modelli sono strumenti essenziali per la progettazione di edifici efficienti dal punto di vista energetico e per l'ottimizzazione del consumo energetico, in quanto consentire una previsione accurata del fabbisogno energetico in base a vari fattori, quali le caratteristiche termiche dell'edificio, le condizioni climatiche e i guadagni e le perdite di calore interni. In particolare, la ricerca si concentra sul modello di calcolo fornito dalla norma EN ISO 52016, un quadro ampiamente riconosciuto per determinare il rendimento energetico degli edifici. Analizzando il modello EN ISO 52016 in modo approfondito, questa tesi fornisce nuove informazioni sull'affidabilità e l'accuratezza di questo metodo adottato per la previsione delle prestazioni energetiche. Oltre ad esaminare il modello EN ISO 52016, lo studio esamina anche i vari algoritmi numerici utilizzati per definire gli input di radiazione solare necessari per calcolare la domanda di energia. La radiazione solare svolge un ruolo cruciale nel bilancio energetico globale degli edifici, in quanto influisce direttamente sui fabbisogni di riscaldamento e raffreddamento. La ricerca esamina come si ottengono i diversi valori di radiazione solare applicando diversi algoritmi di calcolo. Analizzando l'efficacia e la precisione di questi algoritmi, lo studio contribuisce a migliorare l'accuratezza dei modelli della domanda di energia, in particolare nei climi in cui le radiazioni solari variano notevolmente nel corso del l'anno. Un calcolo preciso della radiazione solare è fondamentale per progettare edifici che ottimizzino i guadagni solari passivi e riducano al minimo la dipendenza dai sistemi di riscaldamento e raffreddamento. Sperimentalmente, la tesi studia il comportamento termico di due diversi tipi di strutture: altamente massicce e leggere, con particolare attenzione al l'impatto del l'inerzia termica sulla domanda di energia e sul comfort interno. Edifici massicci possono immagazzinare calore durante il giorno e rilasciarlo lentamente nel tempo, fornendo una stabilizzazione effetto sulle temperature interne. L'inerzia termica può ridurre l'uso di sistemi di riscaldamento e raffreddamento, poiché la temperatura interna rimane più costante durante il giorno e la notte. Al contrario, gli edifici più leggeri, che sono in genere costruiti con materiali come il legno o i pannelli luminosi, rispondono più rapidamente alle fluttuazioni di temperatura e agli effetti della radiazione solare. La ricerca condotta in questa tesi confronta questi due tipi di strutture attraverso una serie di misure sperimentali e simulazioni numeriche, dimostrando che le strutture massicce offrono una migliore stabilità termica e possono ridurre significativamente il consumo energetico per il riscaldamento e raffreddamento. Questi risultati forniscono informazioni preziose per la selezione di materiali da costruzione e metodi di costruzione che massimizzano l'efficienza energetica e migliorano il comfort interno. Infine, la tesi presenta anche un lavoro sperimentale condotto in scuole dotate di sistemi di ventilazione meccanica controllata (CMV) per valutarne l'impatto sulla qualità dell'aria interna. Le scuole sono ambienti in cui la qualità del l'aria è particolarmente importante, in quanto una scarsa qualità del l'aria interna può causare disagio, prestazioni e potenziali problemi di salute per gli studenti che trascorrono molte ore all'anno nelle aule scolastiche. Lo studio mira a monitorare e misurare i livelli di CO2 al fine di valutare l'efficacia dei sistemi CMV e sviluppare un algoritmo di calcolo predittivo basato sui livelli di CO2 e sui tipi di classe. In conclusione, gli studi presentati in questa tesi contribuiscono al crescente corpo di conoscenze sul rendimento energetico negli edifici fornendo una comprensione più profonda dei modelli di calcolo numerico, il ruolo della radiazione solare, l'impatto dell'inerzia termica, e i vantaggi dei sistemi di ventilazione meccanica. L'integrazione di questi risultati offre preziose informazioni per migliorare l'efficienza energetica degli edifici, migliorare il comfort interno e promuovere la sostenibilità nel l'ambiente costruito. Questi contributi non solo aiutano nella progettazione di edifici più efficienti dal punto di vista energetico, ma offrono anche soluzioni pratiche per migliorare la qualità degli ambienti interni, portando a spazi abitativi e lavorativi più sani e confortevoli.