PROGETTAZIONE, SVILUPPO E VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI FACCIATA A SECONDA PELLE DINAMICA PER L'EFFICIENTAMENTO ENERGETICO E IL MIGLIORAMENTO DEL COMFORT INTERNO DEGLI EDIFICI

La tesi affronta il tema della riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente attraverso lo studio e la valutazione di un sistema dinamico di Second-Skin Façade (SSF), concepito come una seconda pelle leggera, applicata all’esterno dell’involucro edilizio. Il sistema è costituito da moduli fissi polimerici stampati in 3D e da schermature mobili, distaccati dall’involucro esistente mediante un’intercapedine d’aria ventilata e, in alcune configurazioni, integrati con moduli fotovoltaici (PV) in facciata. I moduli stampati in 3D rivestono le porzioni opache dell’involucro, mentre i teli in tessuto, collocati davanti alle superfici vetrate, vengono movimentati in modo dinamico insieme alle serrande poste alle estremità dell’intercapedine. L’azionamento coordinato di questi elementi è gestito da logiche di controllo basate principalmente sulla radiazione solare incidente in facciata o, in alternativa, sul livello di illuminamento misurato sul piano orizzontale all’interno degli ambienti. L’obiettivo è ridurre il fabbisogno di energia primaria, le emissioni climalteranti e i costi operativi, migliorando al contempo il comfort termico e visivo all’interno e offrendo una soluzione di retrofit adattabile e reversibile. Per il settore residenziale viene analizzato un edificio plurifamiliare in calcestruzzo prefabbricato in clima mediterraneo, rappresentativo dell’edilizia sociale degli anni Ottanta; successivamente, la modellazione viene estesa all’intero distretto centrale del quartiere di Monterusciello (NA), includendo le interazioni tra gli edifici e la morfologia del terreno. Per il settore commerciale viene considerato un tipico edificio per uffici, derivato dall’archetipo sviluppato nell’ambito delle ricerche condotte dall’Annex 27 dell’International Energy Agency. Il comportamento del sistema SSF dinamico installato sul tipico edificio per uffici è stato analizzato in diversi contesti climatici italiani e in un contesto nordico (Trondheim), per verificare la robustezza del sistema SSF al variare delle condizioni climatiche e di uso. Dal punto di vista metodologico, la tesi si basa su simulazioni dinamiche in TRNSYS 18, accoppiando il modello energetico dell’edificio con un modello dedicato della seconda pelle, in grado di descrivere gli scambi radiativi, convettivi e conduttivi attraverso lo strato isolante e l’intercapedine d’aria. Sono confrontati scenari di riferimento con interventi passivi convenzionali (cappotto esterno, schermature fisse) con configurazioni di SSF dinamiche, nel caso residenziale, con configurazioni ibride SSF-PV, che integrano moduli fotovoltaici sulle facciate opache. La valutazione è condotta mediante indicatori di risparmio di energia primaria, riduzione delle emissioni equivalenti di CO2 e variazione dei costi operativi, integrati da indici di comfort visivo basati sulla disponibilità della luce diurna. Una specifica analisi LCA di tipo gate-to-gate quantifica gli impatti ambientali della produzione dei pannelli stampati in 3D. Per l’edificio residenziale di riferimento, il sistema SSF garantisce una riduzione della domanda di energia per il raffrescamento e una diminuzione, seppur più contenuta, della domanda per il riscaldamento, con valori di risparmio di energia primaria e di ΔCO2 superiori a quelli ottenibili con il solo isolamento o con schermature fisse. L’estensione alla scala urbana mostra che l’adozione sistematica del sistema SSF dinamico su tutti gli edifici residenziali di un’area del quartiere di Monterusciello comporta ulteriori benefici, grazie alle interazioni radiative e termiche tra edifici e terreno, con riduzioni più marcate dei consumi elettrici complessivi e delle emissioni annuali. Le configurazioni ibride SSF-PV consentono di incrementare ulteriormente il risparmio di energia primaria e di ridurre i costi operativi annui di oltre un quarto rispetto allo scenario convenzionale, grazie all’autoproduzione e all’autoconsumo di una quota significativa dell’energia elettrica richiesta. Per il tipico edificio ad uso uffici, nei diversi contesti climatici italiani, il sistema SSF consente di ridurre simultaneamente i fabbisogni di riscaldamento e di raffrescamento, con risparmi di energia primaria e riduzioni delle emissioni di CO2 che restano consistenti a prescindere dal contesto climatico. Nel contesto norvegese (Trondheim), caratterizzato da carichi di riscaldamento elevati, il sistema mostra un comportamento particolarmente favorevole: per l’edificio di riferimento si osserva una riduzione fino a circa il 40% dei fabbisogni annui di energia termica e frigorifera rispetto al caso di riferimento, con un corrispondente miglioramento delle prestazioni energetiche complessive. Le analisi di comfort visivo evidenziano, per gli edifici ad uso ufficio, un netto incremento della quota di tempo in cui i livelli di illuminamento naturale risultano utili e una forte riduzione delle condizioni di sovra illuminamento e abbagliamento, a fronte di un lieve aumento delle condizioni sotto illuminate in specifiche zone e periodi, legato alla logica di controllo orientata alla riduzione dei carichi termici. Le prove sperimentali su provini in materiale ASA e lo sviluppo di un prototipo di modulo SSF presso l’azienda partner (COSMIND srl) confermano la fattibilità tecnologica del sistema, la coerenza tra i modelli numerici e il comportamento reale del materiale, nonché l’idoneità della stampa 3D alla realizzazione di facciate leggere e modulari. La tesi si conclude discutendo i limiti e le potenzialità del sistema proposto e delineando le principali prospettive di sviluppo. Nel complesso, il lavoro dimostra che le facciate a seconda pelle dinamiche basate su materiali ibridi e sulla stampa 3D rappresentano una soluzione promettente e scalabile per la riqualificazione energetica del costruito, in grado di contribuire in modo significativo agli obiettivi di decarbonizzazione del settore edilizio.

This thesis addresses energy retrofitting of the existing building stock by studying and evaluating a dynamic Second-Skin Façade (SSF) system, a lightweight external envelope applied to the exterior of the building. The system consists of fixed polymeric modules produced via 3D printing and movable shading elements, detached from the existing envelope by a ventilated air cavity and, in some configurations, integrated with photovoltaic (PV) modules installed on the façade. The 3D-printed modules cover the opaque portions of the envelope. At the same time, the fabric screens, positioned in front of the glazed surfaces, are dynamically actuated in concert with the shutters at the ends of the cavity. Control logics governs the coordinated operation of these elements based primarily on the incident solar radiation on the façade or on the indoor horizontal illuminance levels. The aim is to reduce primary energy demand, greenhouse gas emissions, and operational costs, while simultaneously improving indoor thermal and visual comfort and providing an adaptable, reversible retrofit solution. For the residential sector, a prefabricated reinforced-concrete multi-family building in a Mediterranean climate is examined, representative of 1980s social housing; subsequently, the modelling is extended to the entire central district of the Monterusciello neighborhood (Naples), including interactions between buildings and local terrain morphology. For the commercial sector, a typical office building is considered, derived from the archetype developed within the research conducted by Annex 27 of the International Energy Agency. The behavior of the dynamic SSF system installed on the office building is evaluated across several Italian climatic contexts and in a Nordic context (Trondheim) to verify its robustness under varying climatic and operational conditions. From a methodological standpoint, the dissertation relies on dynamic simulations performed in TRNSYS 18, coupling the building’s energy model with a dedicated second-skin model that describes radiative, convective, and conductive heat exchanges through the insulating layer and the air cavity. Reference scenarios featuring conventional passive measures (external insulation, fixed shading devices) are compared with dynamic SSF configurations, and, in the residential case, with hybrid SSF-PV configurations integrating photovoltaic modules on opaque façades. The evaluation is conducted using indicators of primary energy savings, reductions in equivalent CO2 emissions, and variations in operational costs, complemented by visual comfort indices based on daylight availability. A gate-to-gate Life Cycle Assessment (LCA) quantifies the environmental impacts of producing the 3D-printed panels. For the reference residential building, the SSF system reduces cooling energy demand and achieves a more modest but still significant reduction in heating demand, with primary energy savings and ΔCO2 values exceeding those achievable with insulation alone or with fixed shading devices. The extension to the urban scale shows that the systematic adoption of the dynamic SSF system across all residential buildings within the selected area of Monterusciello yields additional benefits, due to radiative and thermal interactions among buildings and terrain, leading to more pronounced reductions in overall electricity consumption and annual emissions. Hybrid SSF-PV configurations further increase primary energy savings and reduce annual operating costs by more than one quarter compared to the conventional scenario, owing to the self-generation and self-consumption of a significant share of the building’s electricity demand. In typical office buildings across various Italian climatic contexts, the SSF system reduces both heating and cooling loads, achieving primary energy savings and CO2 emission reductions that remain substantial regardless of climate. In the Norwegian context (Trondheim), characterised by high heating loads, the system exhibits particularly favorable behavior: for the reference building, annual thermal and cooling energy demands decrease by up to approximately 40% compared to the baseline case, with a corresponding improvement in overall energy performance. Visual comfort analyses show, for office buildings, a clear increase in the proportion of time during which daylight levels are adequate and a strong reduction in over-illumination and glare, with a slight rise in under-illuminated conditions in specific zones and periods, linked to control strategies prioritising the reduction of thermal loads. Experimental tests on ASA specimens and the development of a SSF module prototype at the industrial partner (COSMIND srl) confirm the technological feasibility of the system, the consistency between numerical models and the real behavior of the material, and the suitability of 3D printing for producing lightweight and modular façade systems. The dissertation concludes by discussing the limitations and potential of the proposed system and outlining the main avenues for future development. Overall, the work demonstrates that dynamic second-skin façades based on hybrid materials and 3D printing represent a promising and scalable solution for the energy retrofit of the built environment, capable of significantly contributing to the decarbonization objectives of the building sector.