Sistemi finestrati complessi per migliorare l’efficienza energetica degli edifici

Attraverso la simulazione multifisica è possibile elaborare strategie per migliorare l’efficienza energetica degli edifici, aumentando il comfort visivo e termico. Identificare i limiti dell’attuale approccio alla modellazione e definire un nuovo metodo confrontando i risultati della simulazione con i test effettuati su un modello di sistemi finestrati complessi installati presso i Living Labs della Libera Università di Bolzano. È questo l’obiettivo di uno studio guidato da Ingrid Demanega insieme ai colleghi del team di Eurac Research, in collaborazione con il gruppo di ricerca in fisica tecnica ambientale della Facoltà di Scienze e Tecnologie della Libera Università di Bolzano. Vediamo i dettagli qui di seguito. L’efficienza energetica può far risparmiare denaro agli addetti ai lavori, migliorare il comfort degli occupanti e ridurre l’impatto ambientale, perciò è un elemento fondamentale da considerare per qualsiasi costruzione e finestratura, termine che indica ogni apertura presente in un involucro edilizio. Componenti come telai, vetri ed elementi di schermatura di finestre, porte e lucernari danno un contributo significativo all’efficienza energetica. Controllando la luce solare diretta e l’apporto termico, si evita l’abbagliamento, si distribuisce la luce diurna in modo confortevole e si riducono i fabbisogni di raffrescamento e di illuminazione artificiale. L’interazione tra i componenti delle finestrature può tuttavia avere un’influenza inaspettata, non del tutto contemplata dalla norma ISO 15099:2003, che fornisce procedure di calcolo per determinare le proprietà di trasmissione termica e ottica dei sistemi di porte e finestre. La norma non tiene conto, per esempio, di caratteristiche come una complessa geometria dei sistemi di ombreggiamento o di particolari tipi di rivestimento applicati, come quelli altamente riflettenti.

Il metodo di calcolo standard tratta qualsiasi sistema di ombreggiamento come uno strato parallelo e non come una struttura 3D

“Il problema principale è che il metodo di calcolo standard tratta qualsiasi sistema di ombreggiamento (per esempio una tenda veneziana posta tra due lastre di vetro) come uno strato parallelo e non come una struttura 3D”, spiega Ingrid Demanega, ricercatrice dell’Eurac Research di Bolzano. “Le lamelle di una tenda sono considerate come semplici aperture 1D attraverso le quali scorre l’aria, anche se sono curve come in una veneziana, e lo scambio termico convettivo viene misurato solo in base alle perdite di carico. Si presume anche che le lamelle siano superfici a riflessione diffusa. Questo approccio influisce sulla precisione della modellazione ottica e termica” (Figura 1).

Definire un nuovo metodo confrontando i risultati della simulazione con i test effettuati su un sistema finestrato complesso

Sotto la guida di Ingrid Demanega, un team di Eurac Research, in collaborazione con il gruppo di ricerca in fisica tecnica ambientale della Facoltà di Scienze e Tecnologie della Libera Università di Bolzano, si propone di identificare i limiti dell’attuale approccio alla modellazione e di definire un nuovo metodo confrontando i risultati della simulazione con i test effettuati su un sistema finestrato complesso installato presso i Living Labs della Libera Università di Bolzano (Figura 2). Figure 1: Sistema finestrato standard (in alto) e complesso (in basso).

Modellare la radiazione solare

Il sistema finestrato complesso che il team si propone di simulare è un sistema a triplo vetro che incorpora due cavità sigillate con una tenda integrata nella cavità esterna. Questa tenda è dotata di lamelle curve con un rivestimento altamente riflettente, progettato per bloccare l’irraggiamento solare e offrire comfort alle persone all’interno dell’edificio. Il primo passo è stato quello di utilizzare la modellazione ottica per calcolare la quantità di radiazione solare assorbita dai vari elementi solidi del sistema. I principali strumenti di simulazione delle finestrature, come Window7, sono basati sulla norma ISO 15099 e sul metodo della radiosity; tuttavia è possibile modificare questo approccio aggiungendo dati più dettagliati per la modellazione. Lavorando con Radiance, il team di Eurac ha utilizzato dati basati sulla BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function). Questa funzione descrive il modo in cui un raggio solare si divide e come la sua intensità cambia passando attraverso una superficie, in modo da applicarlo a geometrie complesse e a superfici altamente riflettenti. Attraverso il ray-tracing e l’analisi di ogni lastra di vetro e di ogni componente ombreggiante, il team ha calcolato la quantità totale di radiazione solare assorbita dal sistema di vetri. 

Modellare il flusso di calore e la fluidodinamica

La frazione di irraggiamento solare assorbita è stata poi trasferita in COMSOL Multiphysics® per una modellazione termica completa. Ingrid Demanega ha eseguito un’analisi di sensitività della mesh modellando il sistema finestrato installato localmente (Figura 3). Nella pre-analisi, ha considerato sia un fluido incomprimibile con l’approssimazione di Boussinesq sia un fluido comprimibile. “Ho notato che il tempo di simulazione era molto più lungo per un fluido comprimibile ma i risultati erano simili, così ho deciso di usare un fluido incomprimibile”, spiega. Figura 3: Tipologie di mesh per sistemi finestrati standard senza tende: normal structured (in alto), coarser unstructured (in mezzo) e normal unstructured (in basso). Per calcolare lo scambio di radiazione, Demanega ha utilizzato il metodo surface-to-surface (radiosity) per la radiazione a onde lunghe. Ha anche creato due gruppi di radiazione: uno per le pareti interne e le tende della prima cavità e un altro per tutte le pareti interne della seconda cavità. “Dopo aver considerato diversi approcci, ho scelto di risolvere il problema della fluidodinamica utilizzando il modello di turbolenza LowRe k-ε. Questo ha determinato una simulazione robusta con risultati accurati”. Utilizzando una mesh triangolare al centro e una mesh strutturata ortogonale sui solidi, Demanega ha finalizzato le impostazioni. “Ho modificato le dimensioni della mesh fino a quando ho raggiunto l’accuratezza desiderata. Alla fine, la mesh era di circa 20.000 elementi” (Figura 4). Figura 4: Da sinistra a destra – lastra di vetro, cavità contenente la tenda, seconda lastra di vetro, seconda cavità contenente argon e aria, terza lastra di vetro. In questo caso le due cavità sono sigillate, non ventilate. Particolare della mesh attorno alla tenda e vicino ai bordi della cavità.

Simulare in condizioni stazionarie

In base alle condizioni standard stabilite dal National Fenestration Rating Council (NFRC), la temperatura esterna è stata fissata a 32 °C / 89.6 °F, con 24 °C / 75.2 °F all’interno e un irraggiamento solare di 783 W/m². La tenda interna è stata modellata in tre posizioni differenti: completamente chiusa (angolo di 75°), quasi completamente aperta (18°) e una via di mezzo (37°) (Figura 5). I membri del team hanno eseguito due tipi di simulazione. Hanno utilizzato Radiance per la modellazione ottica, per calcolare la frazione assorbita dell’irraggiamento solare, poi COMSOL Multiphysics® per il trasferimento di calore e la fluidodinamica; hanno anche seguito il metodo standard utilizzando Window7 con calcoli ISO 15099. Per controllo, il team ha inoltre modellato un sistema finestrato standard con e senza tenda, utilizzando condizioni stazionarie. I risultati della simulazione hanno mostrato una evidente corrispondenza tra i due approcci per il sistema standard senza tenda e una corrispondenza quasi perfetta per il sistema standard con la tenda.  

Condizioni dinamiche

Per la simulazione del comportamento dinamico, il team ha utilizzato i dati della stazione meteorologica locale come input per la simulazione ottica e ha misurato le temperature superficiali delle vetrate interne ed esterne come condizioni al contorno per la simulazione CFD. Queste condizioni sono state implementate in COMSOL Multiphysics^® importando un set di dati con valori di temperatura discreti e intervalli di tempo di 300 secondi. Questi valori sono stati poi interpolati con una funzione polinomiale e assegnati alle vetrature appropriate. La simulazione del flusso di calore sulla superficie interna del sistema vetrato è stata confrontata con il flusso di calore misurato sperimentalmente sulla stessa superficie (Figura 6). “Siamo stati molto contenti di trovare una corrispondenza tra i risultati della nostra simulazione e le misurazioni sperimentali sulle tende in posizione completamente chiusa, soprattutto perché condurre la simulazione in due ambienti diversi comportava il rischio di fallire in uno o nell’altro caso”, commenta Demanega.

Uno strumento molto utile

La validazione di una tecnica che utilizza Radiance e COMSOL^® dimostra che il team di Eurac Research dispone ora di uno strumento molto utile per valutare accuratamente la temperatura dei componenti e il flusso di calore attraverso un complesso sistema di finestratura. Secondo Ingrid Demanega, i risultati dimostrano l’importanza di una modellazione ottica dettagliata per comprendere la radiazione solare primaria prima della modellazione termica per quantificare l’apporto termico secondario causato dall’assorbimento e dalla riemissione della radiazione. “In particolare, l’approccio standard non tiene conto della distribuzione verticale della temperatura. È importante analizzare più in dettaglio la distribuzione della temperatura da cima a fondo di cavità, vetro e tenda, perché la temperatura dei componenti influenza sia l’integrità strutturale della facciata di un edificio sia il comfort delle persone al suo interno”. Grazie alle conoscenze acquisite, il team sta ora validando l’approccio per diverse posizioni della tenda e non vede l’ora di applicare questo metodo a cavità naturalmente ventilate che contengono tende integrate, spesso presenti nelle facciate a doppia pelle. Il team sta inoltre studiando come diffondere queste informazioni nel settore edile e sta valutando la fattibilità di un’app di simulazione che consenta di rendere la modellazione di sistemi complessi di finestratura più ampiamente accessibile ai professionisti.

Ringraziamenti

Questo studio è stato sviluppato nell’ambito delle attività di ricerca del progetto FACEcamp,

1. ITAT1039, finanziato dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale e dal programma Interreg ITA AUT e dal progetto “IBAS – Intelligent Building Automation System for optimization of energy consumption and indoor environmental quality” della Libera Università di Bolzano.

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