Comfort termico con Grasshopper: soluzione di geometrie complesse

Climate change and the progressive increase in global average temperatures are making thermal comfort in the built environment increasingly difficult to maintain, with direct consequences for occupants' physical and psychological well-being. Ensuring indoor environmental quality and human well-being should therefore be a primary objective for architects and engineers, especially when building forms depart from conventional typologies and introduce geometric complexity that makes environmental control more challenging. Within this context, this thesis investigates thermal comfort in spaces characterized by complex geometries, taking as a case study the Commons of the Innovation, Science and Technology Building at the Florida Polytechnic University in Lakeland, designed by Santiago Calatrava. The Commons represents the symbolic and multifunctional core of the building and is distinguished by a large glazed roof and a sophisticated kinetic shading system, located in a subtropical climate characterized by high levels of solar radiation. Following a review of the state of the art in parametric modelling for architecture, building energy simulation tools within Visual Programming Environments, with particular attention to the Ladybug and Honeybee plug-ins for Grasshopper, genetic optimization algorithms, specifically Octopus, and the principal thermal comfort assessment models, including both the static PMV/PPD model and the adaptive model, this research develops a Grasshopper script capable of generating the energy model of the Commons, defining its geographical, climatic, material, and operational inputs, and performing building energy simulations through the external simulation engine EnergyPlus. The research pursues two main objectives. First, it investigates how formal complexity can be effectively managed within a workflow that integrates parametric modelling and building energy simulation. Second, it evaluates the ability of the developed script to exploit simulation results within an automated control strategy for mechanical cooling activation and kinetic shading operation. Annual simulations, summarized through the analysis of representative days, compare a baseline scenario without any thermal control system against a scenario incorporating cross natural ventilation and active kinetic shading. The latter demonstrates a significant reduction in indoor operative temperature peaks and a substantial increase in the number of comfort hours according to the EN 16798-1 adaptive comfort model, together with a marked reduction in heat-related discomfort during the summer months. A multi-objective optimization process performed using the Octopus plug-in identifies the optimal configuration representing the best trade-off between thermal comfort and visual comfort. The results confirm the potential of Visual Programming Environments to integrate, within a single workflow, the energy, thermo-hygrometric, and daylight performance assessment of architecturally complex spaces, provided that the original geometry is appropriately processed beforehand. The developed script is proposed as a modular methodological template that is not limited to the specific case study but can be also extended to other buildings, envelope systems, and climatic contexts. It is intended to support the design and operation of hybrid climate control strategies, in which mechanical HVAC systems are activated only when passive strategies are insufficient to ensure occupants' thermal comfort. Finally, the thesis discusses possible future developments, including the extension of the multi-objective optimization framework, the incorporation of relative humidity into the comfort model, and the integration of the proposed workflow within a BIM environment for applications in the retrofit of existing buildings.

Il cambiamento climatico e il progressivo innalzamento delle temperature medie globali rendono sempre più di difficile gestione il comfort termico negli ambienti costruiti, con ricadute dirette sulla salute fisica e psicologica degli occupanti. Il benessere psicofisico delle persone negli spazi interni deve dunque costituire un obbiettivo centrale per architetti e ingegneri, soprattutto quando la forma dell'edificio si allontana dalle tipologie convenzionali e introduce elementi di complessità geometrica che rendono più difficile il controllo delle condizioni ambientali. In questo contesto, la presente tesi indaga il comfort termico in spazi caratterizzati da geometrie architettoniche complesse, assumendo come caso studio la Commons dell'Edificio per l'Innovazione, la Scienza e la Tecnologia del Politecnico della Florida a Lakeland, progettato da Santiago Calatrava. Si tratta di uno spazio, cuore simbolico e polifunzionale dell'edificio, caratterizzato da un'ampia copertura vetrata e da un sofisticato sistema di schermatura cinetico, in un contesto climatico subtropicale con forte irraggiamento solare. Dopo una ricerca sullo stato dell'arte sulla modellazione parametrica in architettura, sugli strumenti di simulazione energetica nei Visual Programming Environment, con particolare attenzione ai plug-in Ladybug e Honeybee per Grasshopper, sugli algoritmi genetici di ottimizzazione, nello specifico caso di Octopus, e sui principali modelli di valutazione del comfort termico, statico (PMV/PPD) e adattivo, la ricerca sviluppa uno script in ambiente Grasshopper capace di costruire il modello energetico della Commons, definire gli input geografici, climatici, materici e di utilizzo, e condurre simulazioni energetiche attraverso un motore di calcolo esterno (EnergyPlus). L'obbiettivo è duplice: da un lato indagare come gestire la complessità formale all’interno di un workflow che integra simulazioni energetica e modellazione parametrica, dall'altro verificare la capacità dello script di sfruttare i risultati dell’analisi in una logica di controllo automatizzato per l'attivazione della climatizzazione meccanica e la gestione delle schermature cinetiche. Le simulazioni, condotte sull'intero anno solare e sintetizzate attraverso l'analisi di giornate rappresentative, confrontano uno scenario privo di qualsiasi sistema di controllo termico con uno scenario dotato di ventilazione naturale trasversale e schermature cinetiche attive, evidenziando in quest'ultimo caso una significativa riduzione dei picchi di temperatura operativa interna e un netto aumento delle ore classificate di comfort, secondo il modello adattivo (EN 16798-1), a fronte di una diminuzione del disagio da caldo nei mesi estivi. Attraverso un processo di ottimizzazione multi-obiettivo, condotto con il plug-in Octopus, viene individuata la configurazione ottimale che rappresenti il miglior compromesso tra comfort termico e comfort visivo. I risultati ottenuti confermano il valore dei Visual Programming Environment come strumenti in grado di integrare, in un unico workflow, la valutazione energetica e termo-igrometrica di spazi architettonici dalla forma complessa, purché ci sia una previa manipolazione della geometria base. Lo script sviluppato si configura come un template metodologico modulare, non vincolato in modo esclusivo al caso studio analizzato, ma potenzialmente estendibile ad altri edifici, involucri e contesti climatici, a supporto della progettazione e gestione di sistemi di climatizzazione ibrida, in cui il ricorso agli impianti meccanici venga limitato alle sole condizioni in cui le strategie passive non risultano sufficienti a garantire il benessere degli occupanti. Vengono infine discussi possibili sviluppi futuri, tra cui l'estensione dell'analisi multi-obiettivo, l'inclusione dell'umidità relativa nel modello di comfort e l'integrazione del workflow in ambiente BIM per applicazioni alla riqualificazione del patrimonio edilizio esistente.