INTRODUZIONE ALLA MODELLAZIONE ENERGETICA IN REGIME DINAMICO

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1 Dipartimento di Ingegneria Industriale MODELLAZIONE ENERGETICA IN REGIME DINAMICO La parola ai software Verona - 9 ottobre 2013 INTRODUZIONE ALLA MODELLAZIONE ENERGETICA IN REGIME DINAMICO Roberto Zecchin

2 Il concetto di simulazione Simulare: Il simulatore di volo, più o meno professionale: 2

3 Il concetto di simulazione Un banale esempio di modello di simulazione: Se p.es. m = 2: f = 4 N => a = 4/2 = 2 m/s 2 f = 6 N => a = 6/2 = 3 m/s 2 ecc.. f = m a => a = f/m quindi - Struttura di ingresso dei dati (input) - Algoritmo di calcolo - Struttura di uscita dei risultati (output) ecco fatto il software di simulazione 3

4 Un esempio più vicino: la conduzione di calore Postulato di Fourier. Q T A x Conduttività termica [W/(m K)] Nota la conduttività termica del materiale si può calcolare il flusso termico in funzione di t = t (τ) 4

5 La modellazione del sistema edifico-impianto Analisi dell efficienza energetica di un edificio mediante modelli computazionale e trecniche di simulazione. Si possono analizzare molte cose: Comportamento termico; Comfort e condizioni ambientali; Ventilazione e infiltrazione; Illuminazione naturale e ombreggiamento; Consumo energetico degli impianti; 5

6 La modellazione del sistema edifico-impianto I principali elementi: Modello dell edificio; Modello del sistema HVAC; Modello del sistema di controllo; Possono essere considerati anche modelli economici (p.es. tariffari) o di LCA (life cycle assessment). 6

7 La modellazione del sistema edifico-impianto 7

8 Il modello matematico Il caso più semplice, il regime stazionario: Q T k [ H ( T k i e,, k )] H T,k = coefficiente globale di trasmissione termica calcolato secondo EN È valido ipoteticamente anche in regime variabile.ma non è adatto a rappresentare un sistema avente una capacità termica non trascurabile 8

9 Il problema del regime variabile La capacità termica delle strutture e l accumulo di energia: - Può essere usata per smorzare le oscillazioni di temperatura interna o limitare I picchi di temperatura, p.es. anche con tecniche di iperventilazione notturna; - Può essere problematica nei casi in cui si voglia una risposta termica molto rapida. 9

10 La variabilità delle condizioni al contorno La variabilità delle condizioni al contorno: le condizioni esterne, ma anche, p.es.,profili di carico % of peak occupancy peak average reality how we account for internal gains 10

11 Sistemi lineari e non lineari Il riferimento a sistemi fisici rappresentabili mediante equazioni algebriche e differenziali lineari (la funzione incognita e le sue derivate vi compaiono alla prima potenza) semplifica molto la costruzione e l operatività del modello. La linearità della rappresentazione assicura la validità del principio di sovrapposizione degli effetti. Equazioni lineari consentono di scrivere sistemi di equazioni lineari, la cui soluzione è assai più semplice di quelli contenenti equazioni non lineari. 11

12 La conduzione termica: differenze finite e funzioni di trasferimento Equazione di Fourier: t 2 t t t t t x x x 2 c x c i, j 1 i, j i1, j i, j Funzione di trasferimento RISPOSTA O(τ) = D * F(τ) FUNZIONE DI TRASFERIMENTO SOLLECITAZIONE O p CONVOLUZIONE z1, D z F pz1 12

13 Esiste un valore di N per cui La conduzione termica: le funzioni di trasferimento La risposta all istante p è: O D H D H... D H cd H c D H... 2 p 1 p 2 p1 N pn1 N pn N pn1 La risposta all istante p - 1 è : O D H D H... D H cd H c D H... 2 p1 1 p1 2 p2 N pn N pn1 N pn2 Combinando le due relazioni: O p z1, N D' z H pz1 c O p1 D ' D 1 1 Dz ' Dz cdz 1 for (per z = z=2,n) N 13

14 INTERNO (t si ) ESTERNO (t se ) 1 C IMPULSO FUNZIONE X La conduzione termica: le funzioni di trasferimento 0 C RAMP 1 RAMP 3 0 C 1 C IMPULSO FUNZIONE Y RISULT C 1 C IMPULSO 2 2 FUNCTION Z RAMP 2 RISULT

15 Alcune osservazioni preliminari Obiettivi dei diversi gradi del progetto Progetto preliminare: Regole empiriche + valori parametrici (stima di massima) Progetto definitivo o esecutivo: Stima dei carichi (approssimativa) Valutazioni progettuali (e.g. usando metodi semplificati) Progetto dettagliato: Calcolo dei carichi (dettagliato) Calcoli energetici + simulazioni dell edificio o del sistema edificio-impianto 15

16 Flussi di energia negli edifici 16

17 Metodi non geometrici : Transfer Function Method Transfer Function Method o Metodo delle funzioni di trasferimento: 1. Molto adoperato per le analisi energetiche 1. Tre componenti: 1. Conduction transfer function (CTF) 2. Room transfer function (RTF) 3. Space air transfer function (SATF) 2. Implementato numericamente usando fattori di ponderazione, cioè I coefficienti delle funzioni di trasferimento per pesare l importanza dei valori storici dei flussi termici e dei carichi termici sulle condizioni interne correnti. 17

18 Il bilancio termico: Metodi geometrici (Source: ASHRAE Handbook Fundamentals 2005) 18

19 Room Mesh 19

20 Metodo di bilancio geometrico Si usano le equazioni di bilancio per calcolare: - Per ogni superficie il bilancio tra I flussi conduttivo, radiante e convettivo - Il bilancio termico convettivo dell aria Il processo di calcolo: - Si trovano le lemperature superficiali delle strutture dell edificio a seguito del bilancio termico - Si calcola la somma del flusso termico dalle superfici e dei carichi interni 20

21 Alcune osservazioni Dalla stima dei carichi ai calcoli energetici Non è sufficiente determinare I carichi di picco Occorre valutare I fabbisogni dell edificio e I consumi del sistema HVAC Per supportare le decisioni progettuali (e.g. per valutare alternative di scelta) Per migliorare il progetto del sistema e l operatività dell edifiicio Pre soddisfare i requisiti di legge o altri I calcoli energetici sono più complessi dei calcolo di progetto Formano la base dell analisi energetica ed economica dell edificio 21

22 Alcune osservazioni La stima dei carichi e I calcoli energetici Sono basati sugli stessi principi Ma con differenti modalità applicative La stima dei carichi di progetto Si focalizza sul massimo carico e le peggiori condizioni ai fini del dimensionamento, dell edificio (e.g. isolamento termico) o dell impianto I calcoli energetici Si focalizzano su condizioni realistiche (e.g. Test Reference Year) Possono riguardare analisi economiche e di costo del ciclo di vita 22

23 ..ecco fatto il modello di simulazione!!!! Dati climatici Building description Simulation tool (computer program) Simulation outputs - Dati fisici - Parametri di progetto - Consumo energetico (kwh) - Potenze (kw) - Condizioni ambientali 23

24 Validazione e verifica dei software 24

25 Validazione e verifica dei software Verification and Validation (software) From Wikipedia, the free encyclopedia In software project management, software testing, and software engineering, Verification and Validation (V&V) is the process of checking that a software system meets specifications and that it fulfils its intended purpose. 25

26 Un cenno su UNI EN La norma riporta i dati per alcuni casi campione (edificio e dati climatici) e i relativi risultati di riferimento in termini di fabbisogni energetici annuali di riscaldamento e raffrescamento. Indica il modo di valutare gli scostamenti percentuali tra il software in esame e i valori di riferimento. Stabilisce una classificazione in base all entità degli scostamenti

27 Le caratteristiche dell edificio di riferimento

28 I dati climatici di riferimento

29 I risultati e la validazione

30 grazie dell attenzione e..buon lavoro!!! 30

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