Valutazione energetica dei sistemi di controllo ad isolamento dinamico : analisi numerico sperimentale

INTRODUZIONE

Nel 2010 il settore dell’edilizia copriva una percentuale superiore al 35% del consumo di energia in Italia1. Gli edifici sono la causa di un elevato consumo di energia per cui un notevole miglioramento delle loro prestazioni è basilare per raggiungere gli obiettivi europei nella riduzione del 20% di energia entro il 2020, approvando il “Pacchetto clima-energia 20-20-20”, in attuazione del Protocollo di Kyoto. Esso consiste nel raggiungimento, entro il 2020. dei seguenti obiettivi2:

1. riduzione del 20% delle emissioni di gas a effetto serra rispetto ai livelli del 1990;

2. aumento, sino alla soglia del 20%, del consumo di fonti rinnovabili;

3. diminuzione del consumo di energia del 20%.

Con l’entrata in vigore della Direttiva Europea 2002/9 ICE (EPBD), Energy Performance Building Directive3, e la successiva emanazione della Direttiva Europea 2012/31/UE (EPBD recast) si pone l’attenzione verso la promozione di interventi volti alla costruzione di edifici ad energia quasi zero (NZEB - Nearly Zero Energy Building), ovvero edifici ad altissima prestazione energetica4.

In Italia tale direttiva è stata recepita e attuata con l’emanazione del D.Lgs. 192/2005 (con successive integrazioni e correzioni), relativa al rendimento energetico nell’edilizia” viene posta l’enfasi sulla corretta progettazione dell’involucro edilizio, fissando requisiti specifici di isolamento termico, inerzia termica e controllo della condensazione. Inoltre introduce l’obbligo di produrre energia elettrica sfruttando l’utilizzo di fonti rinnovabili. Tali normative hanno incentrato la loro attenzione sul problema dei consumi di riscaldamento (comune a tutti i Paesi europei) portando anche i paesi più caldi, come P Italia, all’imposizione di valori limite di trasmittanza (parametro stazionario o periodico) senza considerare il fatto che frequentemente, nei climi mediterranei con estati calde caratterizzati da una notevole variabilità climatica, l'esigenza predominante è quella di assicurare benessere durante la stagione calda. Si è quindi giunti, anche in tali climi, alla diffusione di involucri leggeri e superisolati.

Di recente, a livello comunitario, si è avuta una nuova spinta verso la progettazione dell’involucro in base al clima specifico, con indicazione riguardo le misure volte a migliorare il rendimento energetico degli edifici: esse dovranno essere economicamente efficaci e quindi valutate tenendo conto delle condizioni climatiche e locali, dell'ambiente termico interno sottolineando l’importanza anche del periodo estivo nonché dei costi.

La presente evoluzione legislativa seguita da quella tecnologica dei sistemi di involucro ventilati, studiati nel capitolo dello stato dell’arte, evidenziano la necessità di trasformare l’involucro da elemento passivo ad elemento attivo. Dato che, queste nuove tecnologie di involucro innovativo con un comportamento dinamico o attivo, non sono facilmente caratterizzabili dal punto di vista fisico-tecnico con parametri prestazionali sintetici. Infatti il comportamento della tecnologia non permette di essere descritto da indicatori sintetici normati. L'applicazione di queste tecnologie è ancora limitata.

In tale ottica è stato possibile individuare l’obiettivo fisico-tecnico della tesi: definire un modello di calcolo semplificato per valutare la prestazione energetica del sistema attivo, oggetto di studio, per una fase preliminare di progetto. Questtività sperimentali svolte, che hanno pere di dati sperimentali, utilizzati per fornire un cmerico, al isultati positivi in tal senso sono un enorme i non sarebbe più necessario l’utilizzo di un apendiologico, è stato necessario per comprenderoggetto di studi e brevetti. La ricerca di anteri e di dra attività di progettazione tecnologica.icolate nel seguente modo:

Con lo studio dello stae fornito un inquadramento generale, atto ad evidenziare i principali sistemi di chiusura verticale, orama in commercio, cioè le facciate ventilato di fornire un evoluzonsivi analizzati, per arrivare a comprendere i benefici dell’isolamento dinamico applicato a sistemi di involucro opachi, argomento ancora in stato primordiale di ricerca, come i Breathing Wall ed i Ventilateci Cavity Wall.

Lo studio in questione è stato condotto su un prototipo di parete in laterizio, ventilata meccanicamente, realizzata ad hoc all’interno di una cella sperimentale, all’interno della quale, riproducendo condizioni termiche tali da simulare un ambiente interno ed uno esterno, è stato possibile comprendere i meccanismi di scambio termico che caratterizzano l’involucro ad isolamento dinamico. Il prototipo analizzato rappresenta un sistema semplificato, realizzato a secco e privo di materiali permeabili all'aria. La scelta di utilizzare prodotti in laterizio, già presenti in commercio, a cui sono state apportate apposite modifiche, nasce dalla necessità di verificare il funzionamento termo-fisico della tecnologia, in una fase ancora preliminare della sperimentazione.

Questa fase della tesi, contenuta nel capitolo quattro, riguarda una serie di attività di monitoraggio avvenute direttamente in campo.

Per la misura dei parametri termici necessari alla valutazione dell'apparato tecnologico sperimentato, è stato necessario l’utilizzo di diverse tecniche di misura.

Le attività svolte sono essenzialmente:

- misure termoflussimetriche, per il calcolo dei parametri termici, stazionari e dinamici;

- misure termografiche, volte a valutare i ponti termici e l’omogeneità delle temperature superficiali;

- misure con gas traccianti, per quntificare la portata d'aria di ventilazione;

- misure in piastra calda, per l’individuazione dell’effettiva conducibilità dei materiali.

Per ogni prova esaminata sono stati elaborati dei risultati, in cui, specialmente quelli relativi al calcolo dei parametri termici dinamici, sono stati essenziali per fornire un confronto con i risultati ottenuti dall’analisi numerica.

Nel capitolo cinque è stato messo a punto un modello numerico del prototipo utilizzato, con il quale sono state condotte una serie di simulazioni atte a valutare l’omogeneità dei risultati ottenuti con i dati ricavati sperimentalmente, in condizioni reali di prova, con lo scopo di testare l’attendibilità del software.

Il modello utilizzato per l’analisi numerica è stato creato con il software “Autodesk Inventor” e successivamente importato in “Autodesk Simulation CFD”.

I risultati positivi in tal senso sono un enorme vantaggio per casi studio differenti, per i quali non sarebbe più necessario l’utilizzo di un apparato sperimentale, spesso di difficile

realizzazione e dispendioso.

Dopo aver elaborato i dati sia per le misure sperimentali che per l'analisi numerica, sono stati messi a confronto i risultati ottenuti relativi la conduttanza, la resistenza termica, sia in termini assoluti che percentuali, e la riduzione di flusso termico, per individuare il discostamento tra le due metodologie di analisi.

Questo consente di valutare l'attendibilità del metodo analitico, la quale faciliterebbe studi successivi che necessitino di analisi fluidodinamiche, senza aver bisogno di allestire apparati sperimentali, spesso di

difficile realizzazione.

In questo capitolo viene svolto un lavoro di ricerca tecnologica, mirato a sviluppare il prototipo ed a comprendere eventuali punti di forza e di debolezza. La ricerca sui brevetti, ha consentito la raccolta di informazioni, provenienti, da diversi Paesi, inerenti a soluzioni tecnologiche con simili

meccanismi di funzionamento. L’obiettivo è soprattutto quello di comprendere se le soluzioni di isolamento termodinamico sono state oggetto di studi e brevetti.