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Ottimizzazione energetica di un componente di facciata caratterizzato da un comportamento dinamico

Longo, Valeria

Ottimizzazione energetica di un componente di facciata caratterizzato da un comportamento dinamico.

Rel. Valentina Serra, Stefano Fantucci, Francesco Isaia. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile, 2017

Abstract:

1. INTRODUZIONE

Humanity has the ability to make development sustainable to ensure that it meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs.

La prima definizione di "sviluppo sostenibile" risale al 1987, quando venne stilato il Rapporto Brundtland. Essa si riferisce ad una forma di sviluppo che introduce il concetto di prestito e che è in grado di soddisfare le esigenze delle attuali generazioni, senza minare la possibilità alle generazioni successive di soddisfare le proprie.

Questa tipologia di concetto iniziò a progredire negli anni '70, più precisamente dopo la crisi petrolifera del 1973 e quella energetica del 1979 , quando si capì che le risorse energetiche fino ad allora utilizzate, seppur presenti in elevate quantità, erano limitate e dunque destinate ad esaurirsi.

Nel corso degli ultimi cinquant'anni si è fatto ricorso a varie strategie volte al risparmio energetico e definite durante molteplici conferenze delle parti della Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Climatici. La terza conferenza, denominata COP3, risale al 1997 ed è la più conosciuta poiché, alla sua conclusione, venne stilato il Protocollo di Kyoto. Si tratta di un trattato internazionale che stabilisce obiettivi precisi per far fronte al problema dell'emissione dei gas serra e del riscaldamento globale1.

La direttiva europea 2012/27/UE del 25 ottobre 2012, si rifà al Protocollo di Kyoto e definisce strategie aggiornate per aumentare l'efficienza energetica dell’Unione Europea, in modo da raggiungere nel 2020 un risparmio del consumo di energia primaria pari al 20%. Inoltre, la direttiva dedica attenzione anche alla riduzione delle emissioni dei gas serra legata agli edifici sostenendo che:

gli edifici sono fondamentali per conseguire l'obiettivo dell'Unione di ridurre dell'80-95 % le emissioni di gas serra entro il 2050 rispetto al 1990.

Infatti uno dei settori che fa più uso di risorse non rinnovabili è proprio quello edile. Secondo la direttiva 2010/31/UE del parlamento europeo e del consiglio il 40% del consumo globale di energia all'interno dell'Unione Europea è dovuto proprio agli edifici. Essendo un settore in forte crescita, la tendenza risulta quella dell'aumento dei consumi delle materie prime, dell'utilizzo di risorse non rinnovabili e dell'emissione dei gas serra (GHGs).

Ad oggi gli edifici, sia di nuova costruzione che ristrutturati, per norma devono essere in grado di fornire un certo livello di comfort termo-igrometrico e devono essere salubri. Ai fini di mantenere gli standard sempre più restrittivi previsti dalla legge, si fa uso di impianti di riscaldamento, raffrescamento e ventilazione2. Il 50% dell'energia totale richiesta in Europa viene utilizzata per coprire il fabbisogno di raffrescamento e riscaldamento degli edifici. Di questo 50%, il 75% viene coperto ancora con l'utilizzo dei combustibili fossili.

Per quanto riguarda la situazione italiana, l'ENEA - Ente per le nuove tecnologie, l'energia e l'ambiente ha raccolto dati sui consumi energetici primari e finali, mostrando come il 37.5% dei consumi primari sono di petrolio, mentre quelli finali sono legati ai trasporti (33%) e al settore residenziale (24%).

Successivamente all'accordo sui cam¬biamenti climatici avvenuto durante il COP21 nel dicembre del 2015, in Italia si aggiornò la Strategia Energetica Nazionale (SEN 2017) nella quale si stabiliscono nuovi obiettivi generali volti al risparmio energetico da raggiungere entro il 2030 e coerenti con quelli definiti a livello europeo.

La SEN impone una riduzione dei consumi di circa 9 Mtep3da raggiungere, dal 2021 al 2030, principalmente da ottenere tramite interventi mirati al settore residenziale e a quello dei trasporti. Inoltre definisce anche quale tipologia di azione è possibile applicare al primo settore citato.

Negli ultimi decenni la comunità scientifica ha cercato di fornire soluzioni tecnologiche che provvedessero a diminuire la domanda di energia primaria da parte del HVAC System, cercando inoltre di utilizzare fonti rinnovabili per coprire il fabbisogno richiesto.

Molti studi hanno inoltre dimostrato che uno degli elementi che costituiscono un edificio, che influisce maggiormente sul consumo di energia richiesta per il riscaldamento, raffrescamento e ventilazione del fabbricato, risulta l'involucro esterno. Ne consegue dunque che agire sulle chiusure verticali e orizzontali superiori ed inferiori dell'edificio possa portare alla diminuzione del consumo energetico dello stesso.

A fronte di queste considerazioni, una delle strategie più vantaggiose e che garantisce una riduzione considerevole dei consumi di energia e quindi anche del possibile utilizzo di risorse non rinnovabili risulta quella di apportare migliorie all'involucro dell'edificio esistente, implementandone le prestazioni energetiche attraverso azioni di retrofit.

In merito, sono state ampliate le conoscenze su componenti di facciata che provvedessero, totalmente o in parte, al riscaldamento e alla ventilazione di un edificio sfruttando semplicemente la radiazione solare. Ne sono un esempio i cosiddetti Passive Solar Systems e in particolare il Trombe Wall e le sue varianti.

Dallo studio delle analisi condotte in merito all'argomento trattato, si nota che uno dei fattori che influisce maggiormente sul comportamento termico del Muro di Trombe e che mostra più potenzialità per lo sviluppo di studi futuri sia la ventilazione.

Fino ad ora la maggior parte delle sperimentazioni sono state attuate valutando la ventilazione naturale e poche ne sono state condotte sul controllo meccanico della portata d'aria che fluisce dalla cavità all'ambiente interno.

Questa mancanza di informazioni ha portato ad approfondire il tema della ventilazione meccanica applicata ad un sistema di facciata che sfrutta la radiazione solare per il riscaldamento degli ambienti interni.

L'utilizzo di quest'ultima all'interno degli edifici invece, a causa degli importanti vantaggi che presenta, risulta un argomento sempre più discusso e applicato. Uno dei compiti più comuni affidati alla ventilazione forzata è quello di variare le caratteristiche termo-igrometriche dell'aria dell'ambiente interno. Solitamente l'aria esterna viene trattata e immessa in ambiente ai fini di riscaldare e umidificare in inverno e raffrescare e deumidificare in estate. Esistono però impianti che trattano l'aria variando soltanto la temperatura dell'ambiente interno e non la sua umidità specifica.

Inoltre, è stata provata una correlazione tra l'utilizzo della ventilazione e la salute generale dell'occupante che ha portato allo sviluppo di ragionamenti atti ad utilizzare la ventilazione naturale e/o meccanica come strumento per diluire o eliminare gli inquinanti pericolosi che si accumulano negli ambienti interni. Da normativa vengono dunque definite delle portate areauliche minime di rinnovo dell'aria ambiente in base alla tipologia di edificio e al numero degli occupanti.

Obiettivi perseguiti nello studio presentato:

Uno degli obiettivi principali perseguiti in questo lavoro è quello di analizzare il comportamento dinamico di un componente di facciata che si presenta con caratteristiche tecnologiche simili al Trombe Wall classico, al quale però è stato aggiunto un ventilatore che immette in ambiente un flusso d'aria controllato. Il fine è quello di capire se l'elemento costruttivo studiato riesca a fornire all'ambiente interno sia aria preriscaldata ad una temperatura tale da ridurre la quota di fabbisogno di riscaldamento durante il periodo invernale, sia aria di rinnovo, con il solo consumo elettrico di un ventilatore presente all'interno del componente.

Per sviluppare un'indagine del componente il più completa possibile è stata eseguita sia un'analisi sperimentale sul campo, che una numerica tramite il software EnergyPlus.

Un ulteriore scopo infatti, risulta quello di sviluppare un modello digitale calibrato che risponda al comportamento reale del sistema studiato, in modo da offrire uno strumento di simulazione valido.

In questo modo il modello simulativo dapprima validato attraverso il confronto con i dati sperimentali, sarà in grado di riprodurre valori verosimili in presenza di materiali, portate d'aria, temperature di setpoint, orientamento dell'edificio e di climi esterni differenti, rispecchiando così il comportamento del componente in situazioni diverse.

Inoltre si ha l'obiettivo di caratterizzare il sistema, ottimizzandolo, di modo che variandone i materiali della parte opaca e trasparente e/o modulando le portate d'aria, si riesca ad ottenere un componente il più efficiente possibile.

L'ottimizzazione di un componente con un comportamento dinamico e al contempo passivo, cioè che reagisce, istante per istante, ai cambiamenti che avvengono nell'intorno avvalendosi di un consumo minimo di energia, può fornire indicazioni pratiche ed utili per una progettazione architettonica che mira alla riqualificazione di edifici esistenti e alla costruzione di fabbricati ad energia zero o quasi zero.

Fasi del lavoro:

Con lo scopo di raggiungere gli obiettivi sopracitati, si è provveduto ad effettuare in una prima fase:

Una campagna di misure in test-cell esterna finalizzata ad investigare il comportamento termo fisico del componente testato;

La costruzione di un modello di simulazione validato attraverso le misure sperimentali;

La validazione, attraverso il confronto con i dati sperimentali, del modello sopra citato; L'esecuzione di simulazioni annuali finalizzate alla determinazione dell'efficienza media stagionale del componente; e in una seconda fase del lavoro:

L'ottimizzazione tecnologica del componente, attraverso il confronto dei rendimenti ottenibili, valutati variando le proprietà dei materiali costituenti il sistema;

L'ottimizzazione del componente attraverso il controllo della ventilazione.

Relatori: Valentina Serra, Stefano Fantucci, Francesco Isaia
Tipo di pubblicazione: A stampa
Soggetti: S Scienze e Scienze Applicate > SE Ecologia
S Scienze e Scienze Applicate > SG Fisica
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/6324
Capitoli:

1. INTRODUZIONE

2. STATO DELL'ARTE

2.1 Radiazione solare

2.2 Sistemi di schermatura

2.3 Controllo e modalità di ventilazione

2.4 Spessore della cavità ed altezza del muro

2.5 Capacità termica della parte opaca

2.6 Trattamento superficiale della parte opaca

2.7 Spessore della parete opaca

2.8 Parte trasparente

3. METODOLOGIA

3.1 Analisi Sperimentale

3.1.1 Apparato Sperimentale

3.1.2 Strumentazione Utilizzata

3.1.2.1 Termocoppie

3.1.2.2 Piastra termoflussimetrica

3.1.2.3 Solarimetro

3.1.2.4 DataTaker

3.1.2.5 Anemometro

3.1.2.6 Gas traccianti

3.1.3 MISURAZIONI sul campo

3.2 Analisi Numerica

3.2.1 Introduzione

3.2.2 DesignBuilder

3.2.3 EnergyPIus™

3.2.3.1 File climatico

3.2.3.2 Compact Schedule

3.2.3.3 Algoritmi per il calcolo dei coefficienti convettivi

3.2.3.4 Modellazione del flusso d'aria

4. RISULTATI

4.1 Campagna Sperimentale

4.1.1 Calcolo dei rendimenti

4.2 Validazione dei Modelli

4.2.1 Richiesta degli output

4.2.1.1 Temperature superficiali

4.2.1.2 Temperatura dell'aria

4.2.1.3 Flusso termico per conduzione

4.2.2 Confronto dei dati numerici con quelli sperimentali

4.3 Analisi Stagionale del Componente Ventilato

4.3.1 Svolgimento della simulazione

4.3.2 Considerazioni sui risultati

4.3.2.1 Temperatura di Outlet

4.3.2.2 Efficienza del sistema

5. OTTIMIZZAZIONE DEL COMPONENTE

5.1 Introduzione

5.2 Ottimizzazione Tecnologica

5.2.1 Metodologia

5.2.1.1 Componente trasparente

5.2.1.2 Componente opaco

5.2.2 Risultati

5.2.2.1 Componente trasparente

5.2.2.2 Componente opaco

5.2.3 Conclusioni

5.3 Ottimizzazione Attraverso il Controllo della Ventilazione

5.3.1 introduzione

5.3.2 Metodologia

5.3.2.1 Controllo ON-OFF

5.3.2.2 Controllo PID

5.3.2.3 Energy Management System (EMS) di EnergyPIus™

5.3.3 Risultati

6. CONCLUSIONI

7. RINGRAZIAMENTI

8. APPENDICI

8.1 Appendice 1: Brevetti

8.2 Appendice 2: Costruzione dei due Modelli

8.3 Appendice 3: Modifica dei due moduli su EnergyPIus™

8.3.1 Modulo D

8.3.2 Modulo A

8.4 Appendice 4: Ottimizzazione tecnologica - modifica delle configurazioni su EnergyPIus

8.5 Appendice 5: EMS-Controllo PID

8.6 Appendice 6: Simulazioni - Valori dei modelli validati

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