Strategie di controllo avanzate di vetri elettrocromici per il risparmio energetico negli edifici: caratterizzazione sperimentale e analisi numeriche = Advanced control strategies of electrochromic glazing for energy saving in buildings: experimental characterization and numerical analysis

Negli ultimi decenni, le politiche energetiche europeo sono tutte focalizzate a ridurre drasticamente le emissioni di CO2 in atmosfera, incentivando l’efficientamento energetico sia nel settore residenziale che in quello industriale. Il settore energetico è il settore più energivoro e tra tutti i componenti di un edificio, i sistemi vetrati hanno un ruolo centrale nel bilancio energetico di un edificio e si stima che siano responsabili del 30% del fabbisogno energetico di un edificio. I vetri dinamici sembrano essere un’innovativa soluzione tecnologia a questo problema; in particolare i vetri elettrocromici sono delle tecnologie attive in grado di modulare le proprietà termo-ottiche, in risposta a un impulso esterno di tipo elettrico, cambiando la quantità di radiazione solare entrante in ambiente. Oggi questa tecnologia è abbastanza sviluppata e matura e le attività di ricerca sono tutte focalizzate sullo sviluppo e studio di strategie di controllo sempre più efficienti. In letteratura sono presenti semplici strategie di controllo per i vetri dinamici basati su parametri quali ad esempio la radiazione solare indicente o la temperatura dell’aria interna. I risultati hanno evidenziato che le prestazioni energetiche di tali tecnologie sono strettamente correlate alle strategie di controllo implementate; inoltre i vetri devono rispondere a dei requisiti prestazionali che molto spesso sono in conflitto tra di loro e quindi il controllo di tali tecnologie non è affatto banale. Per tali ragioni, l’obiettivo di questa tesi è trovare delle strategie di controllo avanzate dei vetri elettrocromici per minimizzare il fabbisogno energetico attraverso analisi numeriche e sperimentali. La sfida è trovare una tipologia di controllo che possa essere implementata per il controllo real-time dei vetri dinamici. In primo luogo, è stato calibrato un modello su EnergyPlus in base ai dati sperimentali acquisiti su una cella di prova del Dipartimento di Energia. La cella riproduce i moduli di facciata tipicamente utilizzati negli edifici adibiti ad ufficio e la facciata Sud presenta 3 finestre: la finestra in alto è un doppio vetro statico, mentre le altre 2 sono finestre elettrocromiche. La necessità di avere un modello calibrato è dovuta alla possibilità di avere simulazioni annuali impiegando meno tempo rispetto alle simulazioni sperimentali in cella. Il modello calibrato è stato poi utilizzato per la creazione di un modello ridotto, basato sull’analogia elettrica RC. Tramite il modello ridotto è possibile predire la temperatura dell’aria in funzione di tre grandezze esogene e una endogena. Il vantaggio di un modello RC è l’immediatezza della simulazione che può essere implementato in un microprocessore per il controllo real-time dei vetri elettrocromici. Dall’altro lato però si perde l’accuratezza di un modello simulativo deterministico quale EnergyPlus. L’ultima parte del lavoro è centrato sull’analisi di differenti strategie di controllo tramite simulazioni numeriche: il modello RC è stato implementato su Matlab e i parametri al contorno del sistema sono stati calcolati su EnergyPlus. Dopo l’analisi e i confronti dei vari tipi di controlli, è stato proposto una strategia di controllo avanzata con lo scopo di massimizzare il risparmio energetico della cella di prova. La funzione obiettivo del controllo tende a minimizzare la differenza tra la temperatura dell’aria interna predetta tramite il modello ridotto e la temperatura di set-point.