Simulation-Based Optimization Method on Buildings’ Early Design Stages: A comparison between Sequential and Integrated Approaches on a Non-Residential Case Study.

Il settore edilizio nell’UE rappresenta il 10% delle emissioni totali di CO2, principalmente a causa dell’età e dell’inefficienza degli edifici. Azioni di riqualificazione energetica sono dunque cruciali, soprattutto considerando che il 75% di questi edifici continuerà a essere utilizzato fino al 2050. Per tali ragioni, l’UE ha sviluppato regolamenti come la Direttiva sulla Prestazione Energetica degli Edifici (EPBD), la quale richiede che, entro il 2021, tutti gli edifici di nuova costruzione siano Zero o Nearly Zero Energy Buildings; ciò implica la selezione di design passivi dell’edificio e di soluzioni impiantistiche che minimizzino, per quanto possibile, la domanda dell’edificio stesso. La progettazione edilizia, in Italia, segue un approccio regolamentato in tre fasi principali (Preliminare, Definitiva, Esecutiva), ma questo può portare a una "Ottimizzazione a Silos", che richiede successive integrazioni e miglioramenti del design a cui corrispondono, quando fattibili, costi rilevanti. Una soluzione a tale criticità è stata fornita dall’AIA, ente virtuoso che ha proposto una metodologia di progettazione definita integrata, che richiede di anticipare la maggior parte delle decisioni di design alle fasi iniziali dello stesso. Ciò causa non poche difficoltà, soprattutto a seguito della necessità di effettuare una modellazione energetica degli edifici progettati nelle fasi iniziali di progettazione con un numero molto ridotto di input. Per affrontare questa sfida, il presente lavoro di tesi si propone di valutare le alternative progettuali nelle prime fasi di un processo di progettazione e selezionare quelle che garantiscano prestazioni ottimali degli edifici, in linea con gli obiettivi di decarbonizzazione ed efficienza energetica delineati dall’Unione Europea. Si è deciso dunque di implementare un Simulation Based Optimization Method sfruttando una ottimizzazione multi-obiettivo con l’algoritmo evolutivo NSGA-II per identificare alternative progettuali che ottimizzino un set di funzioni obiettivo opportunamente selezionate. Sulla base del caso di studio fornito da GET Consulting s.r.l. e seguendo l’Appendix G dell’ ASHRAE 90.1-2016 si è definito il modello dell’edificio di riferimento, considerato come il benchmark rispetto cui valutare l’ottimalità delle prestazioni dell’edificio progettato su un anno tipico di operazione simulato mediante un approccio di simulazione dinamica tramite il motore di simulazione EnergyPlus. La procedura punta a massimizzare la riduzione percentuale di emissioni di CO2 del proposed design rispetto al baseline building, garantendo il soddisfacimento dei setpoint di temperatura estiva ed invernale. L’ottimizzazione è stata affrontata con due diversi approcci: il primo, quello sequenziale, è composto da due fasi successive di ottimizzazione prima dell’involucro edilizio e poi degli impianti HVAC e fotovoltaico; il secondo approccio, quello integrato, consiste invece nell’ottimizzare contemporaneamente sia le variabili passive che quelle attive impiantistiche in modo da tenere conto delle loro interdipendenze.