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

Salutini, Tommaso

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

Rel. Valentina Serra, Roberto Giordano, Stefano Fantucci. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile, 2014

Abstract:

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.

Relatori: Valentina Serra, Roberto Giordano, Stefano Fantucci
Tipo di pubblicazione: A stampa
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 Per Il Progetto Sostenibile
Classe di laurea: NON SPECIFICATO
Aziende collaboratrici: NON SPECIFICATO
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3718
Capitoli:

INDICE

Abstract

1. Introduzione

1.1 Obiettivi

2. Stato dell’arte sui sistemi di involucro ventilati

2.1. FACCIATE VENTILATE

2.2. Facciate a doppia pelle

2.3 Sistemi ad isolamento dinamico (breathing wall)

2.4 Sistemi ad isolamento dinamico (ventilated cavity wall)

3. Caso studio

3.1. Descrizione prototipo

3.2. Meccanismi di funzionamento

3.3. Campi di applicazione

3.4. Descrizione apparato sperimentale

3.4.1. Descrizione della BET-CELL

3.4.2. Allestimento del sistema di monitoraggio

4. Analisi prestazionale sperimentale

4.1. Misure termoflussimetriche

4.1.1. Strumentazione di prova

4.1.2. Ipotesi di base e requisiti sulle condizioni di misura

4.1.3. Procedura

4.1.4. Metodo delle medie progressive

4.1.5. Incertezze di misura

4.1.6. Misure termoflussimetriche nella BET-CELL

4.2. Misure termografiche

4.2.1. Principio di funzionamento

4.2.2. Risultati delle misure

4.3. Gas traccianti

4.3.1 Introduzione e inquadramento teorico

4.3.2. Indicatori di distribuzione dell’aria

4.3.3. La misura del tasso di ricambio dell'aria - metodo del decadimento

4.3.4. Misure di portata d’aria di ventilazione nella bet-cell

4.3.5. Risultati gas traccianti 4.4 Piastra calda

4.4.1. Risultati piastra calda

4.5. Misura della potenza elettrica assorbita dai ventilatori

4.5.1. Risultati derivanti dall’utilizzo dell’amperometro

5. Analisi prestazionale numerica

5.1. Descrizione modello fisico

5.2. Software di simulazione

5.3. Dati di input

5.4. Descrizione modello numerico

5.5. Risultati misure termoflussimetriche

6. Confronto dei risultati: numerico-sperimentale

7. Analisi tecnologica

7.1. Analisi di anteriorità

7.1.1. Selezione casi studio appropriati per il progetto di ricerca

7.1.2. Valutazione di prestazione dei casi analizzati

7.1.3. Discussione brevetti (Patent) analizzati

8. Conclusioni

9. Riferimenti

10. Appendici

10.1. Allegato A: Valori monitorati sperimentalmente

10.2. Allegato B: Valori ottenuti mediante simulazioni software (Numerici)

Bibliografia:

BIBLIOGRAFIA:

- D. Lanzoni, Diagnosi e certificazione energetica: prove strumentali sugli edifici. Termografia. Blowerdoor.Termoflussimetro, Maggioli editore, 2010.

- I. Paoletti. Costruire forme complesse innovazione, industrializzazione e trasferimento pei l’involucro architettonico. Alinea Editrice, 2007

- L. Bianco e M. Perino. Il ruolo dell 'involucro edilizio nell 'edificio a basso consumo energetico

- the role of energy-efficient building envelope. Atti e rassegna tecnica - Società degli ingegner, e architetti in Torino, vol.LXVI -N.l 2 3 n. 145, pages 53-60, 2012

- M. Perino (Ed.). State-of-the-art Review. Vol. 2A. Responsive Building Elements. Oyvind

Aschehoug: Norwegian of science and technology (NTNU), Trondheim, Norway, Marco Perino. Politecnico di Torino. Dipartimento di Energia (Torino),2010

- Bilancio energetico Nazionale 2012 - Ministero dello sviluppo economico italiano.

- M. Ciampi, F. Leccese,G. Tuoni. Pareti ventilate e normative tecnica. Articolo - 56° Congresso Nazionale Ati

- M. Ciampi, F. Leccese, G. Tuoni. Sul comportamento termico di facciate e coperture ventilati

- La Termotecnica - Gennaio/Febbraio 2002

-A. Lucchini, Le pareti ventilate, I manuali del SAIE, Bologna, Ottobre 1999

- Imbabi M S, A passive-active dynamic insulation system for all climates, international journa of Soustainable Built Environment p. 247-258 (2013)

- W. Heusler, A. Compagno, Facciate doppie sistemi a confronto -Antologia ragionata, Parte II in “NuovaFinestra”, ottobre 2001

- F.Gioia, L.Bianco, M.Perino,V.Serra, Energy performance assessment of and advancet integratedfacade throught experimental data analysis. International conference on Solar Heal ins and Cooling for Buildings and Industry, Settembre 23-25-2013, Germania

SITOGRAFIA:

http://www.gas.asolo.it/Publi/Blog/Bioedilizia_III/Alamo%20Photonics%20-%20Termografiapdf (ultimo accesso 10/04/2014)

http://www.abacosolutions.com/facciate-ventilate/facciate-a-ventilazione-naturale-in-vetro-a doppia-pelle.php (ultimo accesso 29/06/2014)

http://www.tecnomb.com/prodotti-e-soluzioni/soluzioni-per-ledilizia/diagnosi-energetiche-e termografie.html (ultimo accesso 8/04/2014)

http://www.facciateventilate.it/it/default.asp (ultimo accesso 29/06/2014) http://www.abacosolutions.com/facciate-ventilate/facciate-a-ventilazione-naturale-in-vetro-adoppia-pelle.php (ultimo accesso 29/06/2014)

http://www.iablite.co.uk/products/show/iablite-dynamic-cavitv (ultimo accesso 02/07/2014)

NORMATIVA TECNICA DI RIFERIMENTO:

- UNI EN 13187: 31 Ottobre 2000. Prestazione termica degli edifìci - Rivelazione qualitativi delle irregolarità termiche negli involucri edilizi - Metodo all’infrarosso

- UNI EN ISO 10211-2: 2003 Ponti termici in edilizia - Flussi termici e temperature superficiali

- Metodi generali di calcolo.

SOFTWARE UTILIZZATI:

- Bisco - Physibel, Heirweg 21, B-9990 Maldegern, www.physibel.be

- Testo - Ir Soft versione 3.3, Via F.lli Rosselli 3/2 - 20019 Settimo Milanese MI - Italia,www. testo.it

-Autodesk Inventor, versione 2013-Autodesk Italia di via Tortona 37, Milano, www.autodesk.it

- Autodesk Simulation CFD, versione 2013- Autodesk Italia di via Tortona 37, Milano, www. autodesk.it

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