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Ferrero, Andrea and Lenta , Emanuele

La modellazione energetica nel progetto di architettura : il caso sunslice.

Rel. Marco Filippi, Enrico Fabrizio, Valentina Monetti. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura costruzione citta', 2014

Abstract:

Introduzione

La direttiva europea 2010/31/UE del 19/05/2010 ha previsto che, a partire dal 31 Dicembre 2020, tutti gli edifici di nuova costruzione dovranno essere nearly Zero E-nergy Building (nZEB). Trattasi di edifici ad altissima prestazione energetica, il cui fabbisogno energetico - molto basso o quasi nul-lo - è coperto in misura significativa da energia derivante dall’utilizzo di fonti rinnovabili, prodotta in loco o nelle vicinanze. La succitata disposizione normativa assume quale scopo primario la riduzione dell’utilizzo di combustibili fossili, riduzione avente quale contraltare l’abbassamento dell’ordine del 20% delle immissioni di C02 in atmosfera.

Rispetto alla pratica tradizionale, nella progettazione di nZEB l’architetto è “costretto” ad espandere le proprie competenze, al di là degli aspetti formali e della funzione. Fin dalle prime fasi della progettazione, pertanto, risulterà necessario integrare nel progetto degli obiettivi volti al raggiungimento di elevate perfomance energetiche. Questo tipo di progettazione non può più essere fatta solamente in maniera intuitiva o con gli strumenti tradizionali della progettazione. Diventa fondamentale integrare il percorso progettuale con strumenti di simulazione delle prestazioni dell’edificio, in specie nella parte preliminare, quando le scelte progettuali effettuate influenzano buona parte delle successive decisioni.

La simulazione delle prestazioni dell’edificio diventa quindi una condicio sine qua non per garantire il pieno raggiungimento degli obiettivi prefissati, citati in premessa, fin dalle prime fasi progettuali. Mediante l’adozione di un modello energetico è infatti possibile gestire in modo dinamico e iterativo le ipotesi del progetto, i materiali, i dettagli del progetto, ecc. per aver un controllo ottimale su livelli di confort interno, strategie passive, efficienza energetica, energie rinnovabili e soluzioni innovative.

Nata negli anni ‘80 in ambito prevalente accademico e di ricerca, la simulazione numerica delle prestazione dell’edificio ha subito un forte sviluppo negli ultimi anni, complici il numero sempre crescente di programmi disponibili ed una crescente affidabilità di questi programmi, grazie a un utilizzo su vasta scala.

Da un lato si assiste a un incremento nel livello di applicazione e di ricerca, grazie allo sviluppo di codici di calcolo sempre più dettagliati e liberamente disponibili in rete. Dall'altro emergono alcune criticità che ancora ne impediscono una diffusione nella pratica professionale come i tempi di utilizzo delle simulazioni non sempre in grado di seguire l’evolversi del progetto, i costi relativi ad alcuni di questi software (non open source), l’ampio bagaglio di competenze necessarie per poter lavorare su questi programmi e la necessità di disporre di un ampio numero di dati di input sin dalle prime fasi della simulazione.

In un’ottica di progettazione sempre più integrata, in grado di valutare le interazioni fra i diversi sub-sistemi che interagiscono nel sistema edificio-impianto e di prevedere i futuri comportamenti del sistema al variare delle condizioni di contorno, diventa necessario disporre di uno strumento più avanzato rispetto a quelli utilizzati per il calcolo in regime stazionario o quasi stazionario.

Se questi ultimi si basano infatti su valori delle variabili medi annuali o mensili, la simulazione dinamica permette di arrivare a passi temporali orari.

Il calcolo in regime quasi stazionario secondo UNI/TS 11300 rimane quindi un utile strumento per la certificazione energetica tramite UNI EN ISO 13790, ma non consente di delineare in modo dettagliato il comportamento del sistema edificio-impianto nel tempo.

Nei suoi plurimi e variegati campi di applicazione, e in via esemplificativa, l’utilizzo della simulazione energetica permette di valutare gli effetti dell’orientamento dell’edificio e della distribuzione delle masse termiche, confrontare tipologie di involucri edilizi differenti, valutare l’influenza di schermature solari, di raffrontare tipologie impiantistiche per la climatizzazione e di valutare altresì le prestazioni di impianti energetici alimentati da fonti rinnovabili.

Queste valutazioni, se svolte fin dalle prime fasi della progettazione, permettono un efficace innesto di ogni singola scelta progettuale, ottimizzando il sistema edificio-impianto dal punto di vista energetico.

Un ulteriore campo di utilizzo può essere ricercato negli ormai diffusi protocolli di certificazione del livello di sostenibilità della costruzione edilizia. La certificazione LEED ad esempio prevede l’attribuzione di un punteggio massimo di 19 crediti se nella procedura di calcolo della prestazione energetica viene utilizzata una simulazione energetica in regime dinamico (ai sensi della norma ASHRAE 90.1) anziché il calcolo semplificato (con cui si possono ottenere al massimo 3 crediti).

Il processo di progettazione di edifici energeticamente efficienti si basa dunque su un metodo decisionale che mette in relazione le soluzioni progettuali con le performance ottenute. Tramite il confronto dei parametri che quantificano le performance è possibile confrontare diverse combinazioni progettuali, arrivando a lavorare in un’ottica in cui la forma non segue soltanto soluzioni progettuali formali ma anche requisiti di efficienza energetica. I parametri su cui si lavora nelle simulazioni sono principalmente: carichi termici, consumi energetici per riscaldamento e raffrescamento, confort termico e visivo, consumo elettrico per illuminazione artificiale, produzione energetica degli impianti alimentati da fonti energetiche rinnovabili.

Il lavoro del progettista deve mirare a raggiungere tramite l’ausilio delle simulazioni una serie di prestazioni prefissate in fase di concepì. Gli strumenti di simulazione delle performance dell’edifico assumono per queste motivazioni, un ruolo centrale nella progettazione.

L’elevato bagaglio di competenze necessarie per poter lavorare su un modello energetico hanno portato alla nascita di una nuova figura professionale, il “modellatore energetico”. In un team di progettazione integrata, caratterizzato dall’adozione di un approccio multidisciplinare sulle performance dell’edificio, la figura del modellatore energetico risulta fondamentale al fine di garantire l’integrazione dei diversi sistemi ed elementi che costituiscono il progetto. Egli supporta l’attività di progettazione tramite feedback e dati numerici che guidano il team di progettazione nelle scelte progettuali. Il modellatore energetico non si limita quindi a un lavoro di verifica delle performance dell’edificio in fase di pre-costruzione, ma svolge simulazioni specifiche per ogni fase della progettazione.

Per questo motivo l’obbiettivo della trattazione è quello di cercare di delineare in maniera esaustiva la metodologia di integrazione del processo di modellazione energetica all’interno dei vari livelli della pratica progettuale, valutando in maniera critica punti di forza e debolezze dell’utilizzo di questi strumenti. Molte delle considerazioni fatte, nascono dall'esperienza progettuale fatta all’interno del team di progettazione che ha lavorato sul progetto sunslice.

La trattazione è stata organizzata nel seguente modo:

1) Nel primo capitolo si è esplorata la pratica progettuale e le sue fasi, partendo da quella tradizionale per poi arrivare a quella integrata che meglio si addice alla progettazione di edifici energeticamente efficienti. Soprattutto per quanto riguarda l’organizzazione e la suddivisione nei vari step progettuali, è stato fatto riferimento non solo al caso Italiano, ma anche al panorama internazionale. Questo per poter comprendere appieno alcuni ragionamenti fatti nel capitolo successivo, la cui bibliografia proviene principalmente dal mondo anglosassone.

2) Successivamente si è entrati più nello specifico su quello che è il rapporto tra la modellazione energetica e il processo di progettazione di edifici energeticamente efficienti.

Per fare ciò sono stati delineati la pratica dell’Energy Modeling e sue tipologie e la metodologia della progettazione basata sulle performance. Sono stati esplorati gli obbiettivi, i livelli e i parametri della simulazione giungendo così alla definizione del processo di modellazione energetica articolato nelle varie fasi della progettazione.

3) A conclusione della parte teorica è stata effettuata una analisi sui principali software di modellazione energetica attualmente in uso. Nello specifico viene poi approfondito il codice di calcolo Energy Plus, utilizzato nella modellazione energetica del progetto sunslice e con il quale sono stati ottenuti i dati della parte sperimentale.

4) La seconda parte della tesi mira a raccontare l’esperienza pratica di modellazione energetica realizzata all’interno del progetto sunslice.

Dopo una breve panoramica sul concorso Solar Decathlon, viene presentata l'idea progettuale sotto il profilo compositivo e funzionale e quello sociale con lo scopo di inquadrare il tema di progetto.

5) Un capitolo è rivolto all’organizzazione e all’analisi critica delle simulazioni energetiche effettuate. Il metodo col quale vengono organizzate segue i blocchi/gruppi di modellazione energetica individuati (programmazione e studi preliminari, sistema edificio-impianto, ottimizzazioni e verifiche) per ogni fase progettuale.

6) Nel capitolo successivo vengono catalogate le tipologie di simulazione con delle schede che permettono di valutarne tempi, difficoltà, input necessari, utilità all’interno del processo progettuale. Per ogni tipologia di simulazione vengono inoltre descritti i passaggi fondamentali per effettuare la modellazione.

7) Un ultimo capitolo è dedicato alla raccolta e all’approfondimento dei dati di input utilizzati nelle schede.

Relatori: Marco Filippi, Enrico Fabrizio, Valentina Monetti
Soggetti: S Scienze e Scienze Applicate > SH Fisica tecnica
T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TE Tecnologia dei materiali
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in Architettura costruzione citta'
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3689
Capitoli:

Introduzione

PARTE I - La Teoria

1. Il processo di progettazione

1.1 Introduzione

1.1.1 Progettazione tradizionale

1.1.2 Progettazione integrata

1.1.3 Progettazione energetica

1.2 Impostazione metodologica

1.2.1. Pre-Design

1.2.2. Schematic Design

1.2.3. Design Development

1.2.4. Construction Document

2. L’Energy Modeling nella progettazione di edifici energeticamente efficienti

2.1. Introduzione

2.1.1. Nuove esigenze delia progettazione

2.1.2. Approccio alla progettazione integrata

2.1.3. Descrizione dell'Energy Modeling

2.1.4. Tipologie di Energy Modeling

2.1.5. I Rating System

2.1.6. Benefici dell’Energy Modeling

2.2.1. Criteri generali

2.2.2. Performance e simulazione

2.2.3. Evoluzione dei molo dell'architetto e nuove professionalità

2.2.4. Accuratezza dei processo

2.3. Il processo di modellazione energetica nella progettazione

2.3.1. Utilizzi della modellazione energetica (progettare, verificare, ottimizzare)

2.3.2. Livelli di modellazione

2.3.3. La geometria dell’edificio

2.3.4. Il processo di modellazione energetica

2.3.5. Il processo di verifica della conformità ad un rating system

2.3.6. Parametri della simulazione

2.3.7. Criticità e vantaggi

2.3.8. Caratteristiche ideali dei tools di Energy Modeling

3. I software di modellazione energetica

3.1. Panoramica generale

3.1.1. Modelli di calcolo

3.1.2. I principali motori di calcolo

3.2. Energy Plus

3.2.1. Introduzione al programma

3.2.2. La modellazione in Energy Plus

3.2.3. Il modello di calcolo

3.2.4. La simulazione degli impianti

3.2.5. L'Interfaccia Open Studio

3.2.6. Utility di Energy Plus

3.2.7. L’uso di Energy Plus: punti di forza e criticità

PARTE II – La Pratica

4. Il progetto sunslice

4.1. La competizione: Solar Decathlon

4.1.1. Il Concept di candidatura

4.2. Il progetto

4.2.1. Proposta per Torino

4.2.2. Proposta per Versailles

5. La modellazione energetica nel processo di progettazione sunslice

5.1. Introduzione

5.1.1. Cronoprogramma disposto dal Solar Decathlon Europe 2014

5.1.2. Fasi delle simulazioni

5.1.3. Output e Parametri di valutazione

5.1.4. Il ricettario come schedatura delle simulazioni

5.2.1. Tempo di preparazione e Livello di difficoltà

5.2.2. Livelli di dettaglio degli ingredienti delle simulazioni

6. Le schede delle simulazioni: le ricette

7. Gli input delle simulazioni: gli ingredienti

7.1 Le condizioni meteoclimatiche

7.1.1 Il file climatico

7.1.2 I giorni di progetto

7.1.3 Le temperature del terreno

7.2 Le zone termiche

7.2.1 Unica zona termica non climatizzata

7.2.2 Più zone termiche ugualmente climatizzate

7.2.3 Più zone termiche diversamente climatizzate

7.3 L’involucro edilizio

7.3.1 I componenti opachi monostrato

7.3.2 I componenti opachi standardizzati

7.3.3 I componenti opachi di progetto

7.3.4 L'involucro trasparente monostrato

7.3.5 L'involucro trasparente di progetto

7.4 I sistemi di schermatura solare

7.4.1 La schermatura esterna mobile parallela alla finestra

7.4.2 La tenda esterna mobile inclinata

7.5 I profili

7.5.1 I profili di occupazione

7.5.2 I profili di illuminazione

7.5.3 I profili delle apparecchiature elettriche

7.5.4 I profili di set point della temperatura dell'aria interna

7.5.5 Il profilo di set point della temperatura operativa interna

7.5.6 I profili di utilizzo delle schermature solari mobili esterne

7.5.7 I profili di ventilazione naturale e artificiale

7.6 Il modello geometrico

7.6.1 La modellazione geometrica semplice

7.6.2 La modellazione geometrica intermedia

7.6.3 La modellazione geometrica dettagliata

7.7 L’impianto di climatizzazione

7.7.1 L'impianto ideale

7.7.2 L’impianto reale

7.8 I rendimenti

Considerazioni finali

Allegati: manuale progetto sunslice, capitolo2.4 “energy efficiency design narrative”

Bibliografia

Bibliografia:

BIBLIOGRAFIA

Articoli su rivista

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Brunsgaard C., Dvoràkovà P., Wyckmans A., Stutterecker W., Laskari M., Almeida M., Kabele K., Magyar Z., Bartkiewicz P, Op ’t Veld P. 2014. Integrated energy design - Education and training in cross-disciplinary teams implementing energy performance of buildings directive (EPBD). Building and Environment. Febbraio 2014.

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Atti di congresso:

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Libri:

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Pubblicazioni di Enti:

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http://www.areenspacencr.org/events/IDProa dmap.pdf

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UN110339: 1995 “Impianti aeraulici a fini di benessere - Regole per la richiesta d’offerta, l’offerta, l’ordine e la fornitura - Generalità, classificazione e requisiti.”

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