Software development for the optimization of the influence of wind flows within energy applications and sustainable town planning

Abstract

This thesis aims to propose and validate an innovative, fully open-source framework capable of performing multiscale analysis for the assessment of local wind flows within the urban fabric. Each part of the framework is fully editable and license-free.

A crucial aspect of the adopted methodology concerns the coupling between the mesoscale-microscale analysis in order to increase the accuracy of the final results. In detail, the procedure is based on the interaction between the mesoscale values and the microscale values obtained considering different wind directions.

The core of the work is the design and development of an open-source application that allows to generate 3D numerical models for microscale analysis in an automatic way and providing only some basic information. The main benefit of such a procedure is the drastic reduction of the time required for the creation of numerical models and the facilitation, in general, of microscale simulations. The process of geodata retrieval and the subsequent 3D modeling phase, in fact, are completely automated. The results obtained with the above application are compared with those obtained with a commercial software, widely used in the sector, in order to test its potential and accuracy.

Finally, the airflows estimated through the application of the whole proposed framework are used as input for dynamic energy simulations to identify the energy consumption, divided into heating and cooling, of a real building located in an urban context.

The framework has been tested assuming a domain located in the city of Pescara (central Italy). However, it is important to emphasize that its application to different urban contexts does not present any constraint related, for example, to the geographical location of the area of interest and that it is, therefore, possible to replicate the analysis in any part of the world.

La presente tesis tiene como objetivo proponer y validar un marco de trabajo innovador y totalmente de código abierto (open-source) capaz de realizar análisis multiescala para evaluar los flujos de vientos locales dentro del tejido urbano. Cada etapa del marco es totalmente editable y libre de licencia. Uno de los aspectos cruciales de la metodología adoptada es el acoplamiento entre las simulaciones mesoescala-microescala, las cuales permiten aumentar la precisión de los resultados finales obtenidos. Concretamente, el procedimiento se basa en la interacción entre los valores mesoescala y microescala obtenidos considerando diferentes direcciones del viento. El núcleo de la tesis es el diseño y desarrollo de una aplicación open-source capaz de generar automáticamente modelos 3D para el análisis microescala, proporcionando únicamente ciertos datos básicos. El principal beneficio de este procedimiento es la drástica reducción del tiempo requerido para la creación de modelos numéricos y la facilidad, en general, de las simulaciones microescala. El proceso de recuperación de datos de carácter geográficos (geodata) y la posterior fase de modelado 3D están, de hecho, completamente automatizados. Los resultados obtenidos con la aplicación desarrollada son comparados con los generados a través de un software comercial, el cual es usado ampliamente en el sector, con el objetivo de validar y probar el potencial y precisión de la aplicación. Finalmente, los flujos de aire calculados a través de la aplicación del marco de trabajo propuesto son usados como datos de entrada para la realización de simulaciones energéticas dinámicas, las cuales permiten identificar el consumo de energía, dividido este en los requisitos de calefacción y refrigeración, de un edificio real ubicado dentro de un contexto urbano. El marco de trabajo y la metodología adoptada han sido testeados asumiendo un dominio local en la ciudad de Pescara, ubicada en el centro de Italia. No obstante, es importante destacar que su aplicación a diferentes contextos urbanos no presenta ninguna restricción, como por ejemplo la ubicación geográfica de interés, siendo por tanto posible replicar el análisis en cualquier parte del mundo independientemente de la ubicación del caso de estudio.

La presente tesi intende proporre e validare un framework innovativo, completamente open-source, in grado di eseguire analisi multiscala per la valutazione dei flussi del vento locale all'interno del tessuto urbano. Ogni fase del framework è interamente editabile e a licenza grauita. Aspetto cruciale della metodologia adottata riguarda l’accoppiamento tra le analisi mesoscala-microscala al fine di incrementare l’accuratezza dei risultati finali. Nel dettaglio, la procedura si basa sul far dialogare i valori stimati dalla mesoscala con quelli della microscala ottenuti considerando diverse direzioni del vento in ingresso. Il nucleo principale del lavoro è la progettazione e lo sviluppo di un’applicazione in ambiente open-source che permetta di generare modelli numerici 3D per le analisi microscala in maniera automatica e fornendo solo alcune informazioni basiche. Beneficio principale di una procedura così individuata è la drastica riduzione dei tempi necessari per la realizzazione di modelli numerici e l’agevolazione, in generale, delle simulazioni microscala. Il processo di reperimento dei geodati e la successiva fase di modellazione 3D, infatti, sono completamente automatizzate. I risultati ottenuti con la suddetta applicazione sono confrontati con quelli ottenuti con un software commerciale, largamente utilizzato nel settore, al fine di testarne le potenzialità e l’accuratezza. Infine, i flussi di aria stimati mediante l’applicazione dell’intero framework proposto, sono impiegati come input per le simulazioni energetiche dinamiche per identificare il consumo energetico, suddiviso in riscaldamento e raffrescamento, di un edificio reale localizzato in un contesto urbano. Il framework è stato testato assumendo un dominio situato nella città di Pescara (centro Italia). Tuttavia, è importante sottolineare che, la sua applicazione a diversi contesti urbani non presenta alcun vincolo legato, ad esempio, alla posizione geografica dell’area di interesse e che è quindi possibile replicare le analisi in qualsiasi parte del mondo.