Multi-objective Optimization of Energy Performance, Thermal Comfort, and Retrofit Cost for Underground Commercial Spaces Using a Surrogate-Based Approach
Questo studio impiega un framework di ottimizzazione multi-obiettivo basato su surrogati che integra DesignBuilder, EnergyPlus, BPNN e NSGA-II per identificare strategie di retrofit ottimali per spazi commerciali sotterranei che bilancino l'intensità dell'uso energetico, il comfort termico e i costi di investimento, rivelando al contempo i principali compromessi e i fattori influenzanti dominanti.
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Sotto la superficie dei campus universitari, sta avvenendo una silenziosa rivoluzione nel modo in cui concepiamo gli edifici. Non si tratta degli uffici soleggiati o delle torri residenziali a cui siamo abituati, ma di spazi commerciali sotterranei: vivaci aree ristoro, negozi al dettaglio e luoghi di ritrovo sepolti sotto la terra. Poiché mancano di finestre e di luce naturale, questi ambienti si affidano interamente alle macchine per mantenere l'aria in movimento, le luci accese e la temperatura confortevole. Questa forte dipendenza crea un difficile equilibrio. Se si riducono le macchine per risparmiare elettricità, lo spazio può diventare afoso o troppo freddo. Se si aumentano al massimo per garantire il comfort, la bolletta energetica schizza alle stelle. Per decenni, gli ingegneri hanno cercato di risolvere questi problemi guardando a un fattore alla volta, ma un nuovo studio suggerisce che la soluzione risieda nel comprendere come questi fattori si scontrino e lavorino insieme. L'obiettivo non è più solo risparmiare energia, ma trovare un punto di equilibrio in cui comfort, costi ed efficienza possano coesistere senza che uno distrugga gli altri.
I ricercatori della China University of Mining and Technology hanno rivolto la loro attenzione a una specifica mensa sotterranea nel loro campus di Xuzhou, uno spazio ricco di banchi alimentari, un piccolo supermercato e aree per il pranzo. Volevano vedere se potevano riprogettare il modo in cui questo spazio opera per essere migliore per il pianeta, per il portafoglio e per le persone all'interno. Per farlo, hanno costruito un "gemello digitale" dettagliato dell'edificio, un modello virtuale in grado di eseguire migliaia di simulazioni per vedere cosa sarebbe successo se avessero cambiato tutto, dalla resistenza delle pareti alle impostazioni della temperatura dei condizionatori d'aria. Non hanno fatto supposizioni; hanno alimentato il modello con dati reali su quante persone visitassero il luogo, quali attrezzature venissero utilizzate e come l'edificio si comportasse effettivamente. Hanno poi utilizzato un potente algoritmo per testare milioni di diverse combinazioni di cambiamenti, alla ricerca dei risultati migliori possibili.
Lo studio si è concentrato su tre obiettivi principali che spesso tirano in direzioni opposte. Il primo era l'uso dell'energia, misurato in base a quanta elettricità consumava l'edificio per metro quadrato in un anno. Il secondo era il comfort termico, che hanno monitorato contando le ore in cui la temperatura era troppo calda o troppo fredda affinché le persone si sentissero a proprio agio. Il terzo era il costo dei cambiamenti stessi, calcolato come l'investimento annualizzato necessario per apportare i miglioramenti. I ricercatori hanno scoperto che l'edificio originale, non modificato, consumava circa 248 kilowattora per metro quadrato all'anno e lasciava le persone scomode per quasi 2.813 ore l'anno. Quando hanno lasciato che il computer cercasse la soluzione perfetta, è emersa una realtà cruda: non si può avere tutto. Lo scenario migliore per il risparmio energetico ha dato origine a un edificio significativamente meno confortevole, mentre lo scenario che rendeva le persone più a proprio agio richiedeva un enorme salto nell'uso dell'energia.
Inveve di scegliere un vincitore, i ricercatori hanno mappato un panorama di compromessi, noto come frontiera di Pareto. Questa mappa mostrava che per ogni passo verso bollette energetiche più basse, c'era un corrispondente passo verso un maggior numero di ore di disagio, e viceversa. Hanno identificato che le leve più potenti per il cambiamento non erano le pareti o il tetto, ma il modo in cui l'edificio veniva gestito. Le impostazioni della temperatura dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento, la quantità di aria fresca portata dall'esterno e il numero di persone all'interno erano i fattori dominanti. Sorprendentemente, aggiungere semplicemente più isolamento alle pareti sotterranee aveva un effetto molto minore di quanto previsto, perché la terra che circonda l'edificio fornisce già una temperatura stabile. Lo studio ha dimostato che i maggiori guadagni derivavano dall'aggiustamento delle operazioni interne: ridurre la potenza delle luci e delle attrezzature, regolare l'aria condizionata per renderla leggermente meno rigorosa e gestire attentamente quanta aria fresca venisse pompata all'interno.
Da questo complesso intreccio di opzioni, i ricercatori hanno selezionato una singola soluzione "ottimale complessiva" che offrisse il miglior equilibrio. Questo piano raccomandato aumenterebbe l'uso di energia solo leggermente, portandolo a circa 285 kilowattora per metro quadrato, ma ridurrebbe il tempo in cui le persone si sentono scomode di quasi il nove per cento, portandolo a circa 2.563 ore. Il costo per implementare questi cambiamenti sarebbe modesto, ammontando a circa 22 yuan per metro quadrato all'anno. Questa soluzione non raggiungeva il minimo assoluto di consumo energetico o il massimo assoluto del comfort, ma evitava i costi estremi e le scarse prestazioni delle altre opzioni. Ha dimostrato che, effettuando piccoli aggiustamenti coordinati al funzionamento dell'edificio, piuttosto che una ristrutturazione fisica, i gestori possono creare uno spazio efficiente, confortevole e accessibile.
Le conclusioni sfidano la comune assunzione che riparare un edificio sotterraneo richieda costruzioni pesanti ed costose. Lo studio suggerisce che la via più efficace sia dare priorità a come lo spazio viene operato. Regolando finemente le impostazioni della temperatura, riducendo la potenza di illuminazione e attrezzature e gestendo il flusso d'aria, gli operatori possono ottenere un miglioramento significativo senza svuotare il portafoglio. Questo approccio offre un modello pratico per le università e altre istituzioni che si affidano a questi spazi sotterranei. Dimostra che il futuro degli edifici verdi in questi ambienti unici non riguarda la costruzione di pareti più spesse, ma il pensare con più cura ai sistemi invisibili che mantengono vivo lo spazio. La ricerca fornisce una guida chiara e basata sui dati per prendere queste decisioni difficili, assicurando che gli spazi sotterranei di domani non siano solo efficienti dal punto di vista energetico, ma anche luoghi dove le persone vogliano davvero stare.
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