Energy performance simulation of non residential buildings: the case study of University of Padua

This thesis presents a structured methodology for calibrating Urban Building Energy Models (UBEM) applied to non-residential building stock belonging to the University of Padova. Motivated by increasing urban energy demands and the need for accurate energy planning strategies, this research adopts a bottom-up, lumped-parameter modeling approach implemented through the EUReCA simulation platform. Models were calibrated using measured gas and electricity consumption data, with accuracy significantly improved through a multi-stage calibration process. The calibrated models demonstrated strong agreement with measured energy data, reducing average percentage error for the simulation from 284\% to 11\% for gas and from 383\% to 34\% for electricity. Based on this improved accuracy, two retrofit scenarios were assessed to evaluate technical performance and economic feasibility: (1) replacing existing natural gas boilers with heat pumps, and (2) integrating heat pumps with rooftop photovoltaic systems. While the standalone heat pump retrofit reduced overall energy use by 37\%, it increased operating costs due to electricity price premiums. In contrast, the combined heat pump and PV scenario delivered both significant energy savings and favorable economic performance, achieving an average simple payback time of 8 years without considering possible incentives. The findings highlight the critical role of precise, high-quality input data in achieving reliable UBEM results. Improved access to granular building-level data—particularly for operational schedules, HVAC systems, and envelope characteristics—would further enhance simulation fidelity and support more effective energy policy and investment decisions at the urban scale.

Questa tesi presenta una metodologia strutturata per la calibrazione di modelli energetici urbani degli edifici (Urban Building Energy Models, UBEM), applicata al patrimonio edilizio non residenziale dell’Università di Padova. Motivata dalla crescente domanda energetica urbana e dalla necessità di strategie di pianificazione affidabili, la ricerca adotta un approccio bottom-up con modelli a parametri concentrati, implementato attraverso la piattaforma di simulazione EUReCA. I modelli sono stati calibrati utilizzando dati misurati di consumo di gas ed energia elettrica; tale processo di calibrazione multi-step ha portato ad un significativo miglioramento dell’accuratezza. La calibrazione ha ridotto l’errore medio di simulazione dal 284\% all’11\% per il gas e dal 383\% al 34\% per l’elettricità, garantendo una solida base per l’analisi degli scenari di riqualificazione. Sono stati analizzati due scenari di riqualificazione per valutarne le prestazioni tecniche e la fattibilità economica: (1) la sostituzione delle caldaie a gas esistenti con pompe di calore aria-acqua e (2) l’integrazione delle pompe di calore con impianti fotovoltaici su copertura. Nonostante la sola installazione di pompe di calore ridurrebbe i consumi energetici del 37\%, essa comporterebbe un aumento dei costi operativi a causa dell’elevato prezzo dell’energia elettrica. Al contrario, lo scenario combinato con fotovoltaico produrrebbe risparmi energetici significativi e prestazioni economiche favorevoli, con un tempo di ritorno medio semplice pari a 8 anni, senza considerare eventuali incentivi. I risultati evidenziano il ruolo fondamentale che la qualità dei dati di input ha sull’affidabilità delle simulazioni UBEM. Una maggiore disponibilità di dati granulari a livello di edificio—relativi a geometria, impianti HVAC e profili di utilizzo—potrebbe ulteriormente migliorare l’accuratezza delle simulazioni, supportando decisioni strategiche più efficaci in ambito energetico e urbanistico.