Verso edifici NZEB in clima mediterraneo: esperienze di ricerca applicata

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1 Verso edifici NZEB in clima mediterraneo: esperienze di ricerca applicata POLITECNICO DI BARI Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale, del Territorio, Edile e di Chimica - DICATECh Prof. Ing. Francesco Iannone

2 Verso edifici NZEB in clima mediterraneo: esperienze di ricerca applicata Progettazione ed ottimizzazione economica di un edificio residenziale a energia quasi zero (NZEB) in clima mediterraneo (39 th IAHS, The International Association for Housing Science, World Congress on Housing Science, Changing Needs, Adaptive Buildings, Smart Cities - September 17-20,2013, Politecnico di Milano)

3 VERSO EDIFICI A ENERGIA QUASI ZERO Nuove sfide sui livelli prestazionali per la riduzione delle emissioni climalteranti del settore delle costruzioni Raggiungimento dello standard Nearly Zero Energy Building (NZEB) per le nuove costruzioni a partire dal 2021 (Direttiva 31/2010/UE-recepimento D.L. N.63/2013) Ottimizzazione del sistema «edificio-impianto-fonti rinnovabili» per il raggiungimento dello standard NZEB, tenendo conto delle «condizioni locali e climatiche esterne, e dell efficacia sotto il profilo dei costi» Peculiarità del contesto mediterraneo che richiede particolare attenzione alla scelta delle tecnologie edilizie ed impiantistiche, per l equilibro tra esigenze invernali ed estive

4 OBIETTIVI E METODOLOGIA Definire strategie e soluzioni tecnologiche che permettano il raggiungimento dello standard NZEB in clima mediterraneo Ottimizzazione prestazionale del sistema «edificio impianti fonti rinnovabili» delle soluzioni e strategie proposte Riduzione dei consumi di energia elettrica o termica Riduzione della dipendenza dall approvvigionamento di energia elettrica o termica Caso studio di un edificio residenziale multipiano sito in contesto climatico mediterraneo di area costiera Analisi energetica in regime dinamico (TRNSYS) e analisi economica (costo totale globale nell arco temporale di 30 anni), di diverse soluzioni di qualificazione energetica

5 CASO STUDIO Edificio plurifamiliare del tipo in linea Tre blocchi in linea di m. 10 x 24 e cinque piani fuori terra Indice di compattezza pari a 0,65 Orientamento dell asse longitudinale conforme con i principi della bioclimatica, fronti principali esposti a sud e nord Camere da letto esposte a nord con ridotte superfici finestrate, zona giorno a sud con ampie superfici finestrate O E

6 SOLUZIONI PER L EFFICIENZA ENERGETICA SISTEMA EDIFICIO Modello della pianta tipo (Ecotect) schermature fisse sulle facciate esposte a sud; Aumento della resistenza termica delle chiusure opache rispetto ai limiti sanciti dal D.lgs. N.311/2006 (verticali ed orizzontali); Variazione delle proprietà ottiche e termiche degli infissi; Automazione dei dispositivi di schermatura mobile (tende interne, tende esterne, persiane); Ombreggiamento camera da letto Ombreggiamento sogg.pranz.cucina

7 SOLUZIONI PER L EFFICIENZA ENERGETICA SISTEMA EDIFICIO schermature fisse sulle facciate esposte a sud; incremento della resistenza termica delle chiusure opache rispetto ai limiti del D.lgs. N.311/2006 (verticali a cappotto ed orizzontali di copertura del tipo tetto caldo); variazione delle proprietà ottiche e termiche degli infissi; automazione dei dispositivi di schermatura mobile (tende interne, tende esterne, persiane); U-values (W/m 2 K) Surface Mass (kg/m 2 ) Decrement Factor (-) Thermal Lag (hr) Periodic Therm. Transm. (W/ m 2 K) Areic Heat Capacity (KJ/m 2 K) Roof 1 0, , , Roof 2 0, , , Roof 3 0, , , Wall 1 0, , , Wall 2 0, , , Wall 3 0, , , Proprietà termiche di differenti chiusure opache Glass Type U-value (W/ m 2 K) SHGC (-) WIN 1 (insul.glass -Ar) 2,60 0,75 0,80 WIN 2 (insul.glass low e- Ar) WIN 3 (insul.glass solar control -Ar) Proprietà termiche ed ottiche di differenti infissi Shielding Type VT (%) 1,26 0,62 0,75 1,27 0,40 0,50 Reflection Coeff. Of Intern. Device (-) Additional Therm. Resistance (h m 2 K/Kwh) External-internal Shading Factor (-) Shutters 0,5 215,82 0,8 External blinds 0,5 107,91 0,45 Internal blinds 0,5 107,91 0,35 Caratteristiche dei sistemi di schermatura mobile

8 SOLUZIONI PER L EFFICIENZA ENERGETICA SISTEMA IMPIANTO Ventilazione notturna (free cooling); ventilazione meccanica controllata (VMC) con recuperatore di calore; Percorso del flusso d aria di mandata Percorso del flusso d aria di uscita VMC con scambiatore interrato (pozzo canadese); VMC con recuperatore di calore e scambiatore interrato

9 SOLUZIONI PER L EFFICIENZA ENERGETICA SISTEMA FONTI RINNOVABILI Potenza elettrica Superficie totale (Kw) dei pannelli (mq) 1 caso 1,2 8,4 2 caso 2,7 19,6 Incremento della dotazione di impianti da fonti rinnovabili rispetto ai limiti di legge D.Lgs. N. 28/2011 (50 % acqua calda sanitaria e potenza minima dell impianto fotovoltaico pari a S/80- valore limite fino al 31/12/2013) Pensilina fotovoltaica Potenza termica (Kw) Superficie totale dei collettori (mq) F.C. 50% 1,8 2,5 F.C. 90% 5,4 7,5 Pannelli solari termici in copertura

10 OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA EDIFICIO IMPIANTO FONTI RINNOVABILI COMBINAZIONI DELLE SOLUZIONI DI EFFICIENZA ENERGETICA COS1 COS2 COS3 CV1 CV2 CV3 Vetrocam. argon Vetri basso emiss. Vetri contr. Sola. venez.au to. aum. Solar.Ter m aum. solar. PV p.d.c. ariaaria caldaia VMC Caso 0 X X X X X Caso 1 X X X X X X X Caso 2 X X X X X X X Caso 3 X X X X X X X Caso 4 X X X X X X X Caso 5 X X X X X X X Caso 6 X X X X X X X Caso 7 X X X X X X X X Caso 8 X X X X X X X X Caso 9 X X X X X X X X Caso 10 X X X X X X X X Caso 11 X X X X X X X X Caso 12 X X X X X X X X

11 OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA EDIFICIO IMPIANTO FONTI RINNOVABILI COMBINAZIONI DELLE VARIE SOLUZIONI DI EFFICIENZA ENERGETICA Heat.energy need (KWh) Cool.energy need (KWh) Global cost ( ) L impianto di VMC può consentire il raggiungimento dello standard di prestazione NZEB - L iperisolamento non è una condizione necessaria e sufficiente per raggiungere un NZEB

12 CONCLUSIONI i costi globali per la realizzazione di edifici a basso consumo energetico sono confrontabili con quelli degli edifici costruiti secondo gli attuali limiti di legge; le soluzioni di iperisolamento non sono adatte al clima mediterraneo ; la Ventilazione Meccanica Controllata è indispensabile per ottenere elevate prestazioni energetiche, ma a scapito di un significativo incremento dei costi globali; gli impianti solari risultano particolarmente favorevoli per il clima mediterraneo e presumibilmente, stante il trend decrescente dei costi di alcune tecnologie e l incremento delle prestazioni, sembrano trovare limitazioni soprattutto nei vincoli di contesto.

13 Verso edifici NZEB in clima mediterraneo: esperienze di ricerca applicata Progettazione di un camino solare per il raffrescamento passivo di un edificio pluripiano in clima mediterraneo (39 th IAHS, The International Association for Housing Science, World Congress on Housing Science, Changing Needs, Adaptive Buildings, Smart Cities - September 17-20,2013, Politecnico di Milano)

14 OBIETTIVI E METODOLOGIA Progettazione di un sistema di ventilazione naturale con l azione combinata di camini solari e serre solari posti ai vari livelli di un edificio residenziale Valutazione del contributo della ventilazione notturna nella riduzione dei consumi energetici per raffrescamento Caso studio di un edificio residenziale pluripiano sito in contesto climatico mediterraneo (Putignano BA)

15 Wind Direction ( ) Wind Velocity (m/s) Air Temperature ( C) CASO STUDIO IL CONTESTO CLIMATICO Dry Bulb Ext. Temp. Wet Bulb Ext. Temp. Wind Velocity Day time Wind direction Night time Il night purge non può avvenire per effetto del vento a causa di velocità quasi nulle e assenza di direzione prevalente. E invece ipotizzabile la ventilazione notturna per effetto camino a causa dell elevato gradiente termico giornaliero, tipico delle aree climatiche continentali.

16 CASO STUDIO CONCEPT DEL SISTEMA DI VENTILAZIONE Il sistema di ventilazione naturale aumenta l effetto camino durante le ore notturne. Le serre e il camino solare sulla facciata sud operano come collettori dei flussi d aria provenienti dalle camere degli alloggi. I camini solari producono un più intenso, costante e stabile flusso d aria rispetto a semplici camini di estrazione.

17 COMPUTATIONAL MODEL Il funzionamento del sistema di ventilazione naturale è influenzato da: carichi termici interni (occupazione, attrezzature); carichi termici esterni e condizioni climatiche ; strategie bioclimatiche; carichi termici sul camino solare Fattori che influenzano in modo dinamico la ventilazione naturale La ventilazione naturale rimuovendo il calore dagli appartamenti influenza i flussi di calore all'interno dell'edificio Simulazione integrata delle condizioni termiche dell edificio e del sistema di ventilazione mediante DesignBuilder+EnergyPlus

18 Thermal loads (kw) Thermal loads (kw) Thermal loads (kw) MODEL SETUP Doors Windows Sunrooms Chimney Ventilation If: Opening time Text < Tint Closing time Tint > Tset Tset = 22/26 C

19 Temperature ( C) Solar Radiation (kw) Illuminated surface fraction Thermal Loads (kw) 00:30 03:00 05:30 08:00 10:30 13:00 15:30 18:00 20:30 23:00 2,5 1,5 NATURAL VENTILATION SYSTEM PERFORMANCE Thermal Loads - 4 th Floor Walls Floors 0,5 Ceilings -0,5 Windows solar gains -1,5 hours Occupancy Ventilation -2, Solar Radiation on Solar Chimney External Glazing 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Incident solar radiation Transmitted solar radiation 0 00:30 03:00 05:30 08:00 10:30 13:00 15:30 18:00 20:30 23: Solar Chimney Internal Temperature 0 Outdoor air temperature Internal absorber surface temp. Internal glazing surface temperature Internal air temperature 15 00:30 03:00 05:30 08:00 10:30 13:00 15:30 18:00 20:30 23:00

20 ACH Air Flow Rate (mc/s) 00:30 03:00 05:30 08:00 10:30 13:00 15:30 18:00 20:30 23:00 NATURAL VENTILATION SYSTEM PERFORMANCE 0 AIR FLOW RATE ACH Solar Chimney Inlets - Balanced Air Flow -0,05-0,1-0,15-0,2-0,25-0,3 P1 P2 P3 P4-0,35-0,4 6 Air Change Hour - Balanced Air Flow :30 03:00 05:30 08:00 10:30 13:00 15:30 18:00 20:30 23:00 P1 P2 P3 P4

21 00:30 01:30 02:30 03:30 04:30 05:30 06:30 07:30 08:30 09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 19:30 20:30 21:30 22:30 23:30 00:30 01:30 02:30 03:30 04:30 05:30 06:30 07:30 08:30 09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 19:30 20:30 21:30 22:30 23:30 Air Change Hour (ACH) Air Change Hour (ACH) 00:30 01:30 02:30 03:30 04:30 05:30 06:30 07:30 08:30 09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 19:30 20:30 21:30 22:30 23:30 00:30 01:30 02:30 03:30 04:30 05:30 06:30 07:30 08:30 09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 19:30 20:30 21:30 22:30 23:30 Air Change Hour (ACH) Air Change Hour (ACH) SYSTEM PERFORMANCE 6 5 INFLUENZA DEL COMPORTAMENTO DELL UTENTE Air Change Hour 1 st Floor 6 5 Air Change Hour 2 nd Floor st Floor sunroom opened All sunrooms closed 1st Floor sunroom opened All sunrooms closed 6 5 Air Change Hour 3 rd Floor 6 5 Air Change Hour 4 th Floor st Floor sunroom opened All sunrooms closed 1st Floor sunroom opened All sunrooms closed

22 ANALISI DI COMFORT MODELLO ADATTIVO UNI EN Category = 98% seasonal time 1 category= 100% seasonal time 1 category= 99% seasonal time 1 category= 99% seasonal time

23 COMPUTATIONAL FLUID DINAMIC (CFD) ANALYSIS CFD code: FLUENT 6.3 Model type: Two-dimensional Mesh type: structured mesh Y + values: Y + < 0.8 Simulation type: Steady state Time: 23:00, 5 August Inlet height: 0,5m Chimney air gap width: 60 cm Indoor thermal fluxes: 5W/mq Chimney absorber thermal fluxes: 50W/mq

24 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI La combinazione del camino solare e delle serre solari, sia su edifici nuovi che esistenti, consente di ottimizzare e migliorare la ventilazione naturale, che ha un ruolo fondamentale in clima mediterraneo. Lo studio ha dimostrato l applicabilità di questo tipo di raffrescamento passivo per gli edifici pluripiano, ma è risultato indispensabile l integrazione di un sistema di building automation, che in condizioni climatiche e comportamenti dell utente differenti, consenta un corretto funzionamento dell impianto. Sviluppi futuri della ricerca riguarderanno l analisi di modelli tridimensionali di CFD, per identificare eventuali condizioni critiche di funzionamento, e l ottimizzazione dei dettagli costruttivi.

25 Verso edifici NZEB in clima mediterraneo: esperienze di ricerca applicata Soluzioni bioclimatiche e di building automation per la riqualificazione energetica di un edificio residenziale in clima Mediterraneo (Convegno ISTEA 2014, Energia, Sostenibilità e Dematerializzazione operativa Luglio 10-11,2014, Politecnico di Bari)

26 OBIETTIVI E METODOLOGIA Determinare l efficacia e le modalità di gestione di componenti solari passivi ed impianti ad alta efficienza energetica, integrati da sistemi di building automation Caso studio di un edificio residenziale unifamiliare del tipo a schiera, sito in contesto climatico mediterraneo di area costiera Analisi in regime dinamico, mediante il software TRNSYS, del comportamento energetico e delle prestazioni di comfort adattivo di diverse soluzioni di intervento Ottimizzazione prestazionale del sistema edificio-impianto delle soluzioni e strategie proposte

27 CASO STUDIO Edificio a schiera tipo simplex di circa 110 mq Orientamento dell asse longitudinale non conforme con i principi della bioclimatica (fronti finestrati esposti ad est ed ovest) Indice di compattezza pari a 0,88 Camere da letto con esposizione est ed ovest, zona giorno ad ovest e studio ad est O E

28 CASO STUDIO I principali interventi di riqualificazione energetica sull involucro sono: inserimento di una serra solare esposta ad est ed una ad ovest; - Chiusure di base delle serre solari isolate termicamente e a rapporto nullo con il terreno sottostante; - Chiusure vetrate verticali e di copertura delle serre solari con telaio in alluminio e vetro del tipo a controllo solare magnetronico; - Chiusure verticali esposte a sud interne alle serre solari del tipo a cassetta con paramento interno di accumulo termico in cls;

29 CASO STUDIO I principali interventi di riqualificazione energetica sull involucro sono: isolamento termico a cappotto delle chiusure verticali esterne con camera d aria debolmente ventilata; nuova chiusura verticale del tipo a cassetta, e nuova copertura del tipo a tetto caldo nella zona di ampliamento; infissi con telaio in pvc e vetro del tipo a controllo solare magnetronico; pergolato con specie vegetali a foglia caduca per ombreggiare la zona pranzo

30 CASO STUDIO East side view Transmittance Surface Mass [W/m 2 K] [kg/m 2 ] Redeveloped walls 0, New wall (dining room) 0, Storage south wall (solar sunspaces) 0, Redeveloped flat roof 0, New roof (dining room) 0, Storage ground floor (solar sunspaces) 0, Thermal characteristics of building envelope Thickness [mm] Glass Trasmittance [W/m 2 K] Frame Trasmittance [W/m 2 K] Solar Factor g Glazed surfaces of sunspaces (aluminum frame) ,62 3,8 0,432 Windows (PVC frame) ,46 1,3 0,342 Thermal and optical characteristics of glazed surfaces West side view

31 CASO STUDIO I principali interventi di riqualificazione energetica sull impianto sono: generatore di calore dell impianto termico del tipo pompa di calore aria-acqua; terminali scaldanti del tipo a radiatore ; Torre di ventilazione sistema geotermico «passivo» a «Pozzo Canadese» per il raffrescamento estivo in free cooling; impianto solare termico a circolazione naturale con collettore piano per la produzione di a.c.s.; impianto solare fotovoltaico installato in copertura del tipo grid connected Scambiatore interrato

32 SOLUZIONI PER L EFFICIENZA ENERGETICA NEL PERIODO INVERNALE Controllo della ventilazione tra serra e ambienti adiacenti, in base alla temperatura della serra (portata di 1 vol/hr quando la Tserra > 20 C, rispetto ad una portata costante di 0,4 vol/hr del caso base) Aumento della potenza termica erogata dai radiatori (rispetto al caso base con potenza calcolata in base alla temperatura esterna pari a quella media giornaliera del mese più freddo) Variazione del profilo orario di accensione (1h e 2h di anticipo rispetto ad un profilo di riferimento della durata di 10 ore) e della temperatura di attenuazione dell impianto termico (da 16 C a 18 C) Automazione del sistema di attivazione dell impianto termico (mediante termostati per ogni singolo ambiente, sulla base dell occupazione reale dei vari ambienti, rispetto al caso base con sistema di controllo del tipo a zona con cronotermostato) Confronto della percentuale di comfort e dei fabbisogni energetici dei vari casi

33 ANALISI DEI RISULTATI NEL PERIODO INVERNALE La ventilazione automatizzata delle serre solari comporta benefici sia in termini di comfort che di consumi energetici L aumento della potenza termica dell impianto termico comporta un aumento del comfort a discapito dei consumi energetici Variando la temperatura di attenuazione e le ore di preriscaldamento si ha un incremento delle condizioni di comfort a scapito di un aumento dei consumi energetici L automazione dell impianto termico in base all occupazione dei vari ambienti consente elevate prestazioni di comfort senza incremento dei consumi energetici Case 0 Radiators Power As designed Ventilation Sunspaces - Bedrooms 0,4 ach constant Case 1 As designed Automated Case 2 As designed Automated Case 3 As designed Automated Case 4 As designed Automated Case 5 Increased Automated Case6 As designed Automated Space Heating time scheduling 1h anticipation and temperatures between 16 e 20 C 1h anticipation and temperatures between 16 e 20 C 1h anticipation and temperatures between 18 e 20 C 2h anticipation and temperatures between 16 e 20 C 2h anticipation and temperatures between 18 e 20 C 1h anticipation and temperatures between 16 e 20 C Personalized on the occupancy for every room Summary of simulated cases during winter season Thermal Comfort Percentage Energy needs [Kwh/m 2 year] 87,8% 19,1 88,1% 17,9 90,4% 18,7 96,5% 19,5 98,7% 19,8 96,4% 22,0 98,7% 17,1

34 SOLUZIONI PER L EFFICIENZA ENERGETICA NEL PERIODO ESTIVO Discomfort during occupancy hours (adaptive comfort UNI EN 15251:2007) 35,00% 30,00% 29,90% 25,00% 24,20% 21,40% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% 0,50% 0,40% 2,70% Living Room Dining Room Bathroom Study Room Master Bedroom Children s Bedroom

35 ANALISI DEI RISULTATI NEL PERIODO ESTIVO Le migliori prestazioni in termini di comfort si ottengono dalla combinazione della ventilazione automatizzata (setpoint text = 26 C) e dell utilizzo di una tenda interna La completa risoluzione delle situazioni di discomfort nelle camere da letto si ottiene con la combinazione della schermatura in copertura (tende interne) ed una ventilazione della serra pari a 6 vol/hr Risulta sufficiente adottare semplici sistemi di automazione delle schermature e di apertura delle finestre, mediante timer programmabile Solar sunspace east/ovest Case 1 Case 2 Case 3 Simulated cases Discomfort during occupancy in Master Bedroom [%] Discomfort during occupancy in Children s Bedroom [%] Overheating Subcooling Overheating Subcooling Ventilation = 4 ach 24,2% 1,3% 21,4% 1,0% Ventilation = 6 ach 15,6% 1,2% 9,0% 1,1% Ventilation = 8 ach 10,7% 1,2% 5,9% 1,1% Ventilation = 10 ach 9,1% 1,2% 4,9% 1,1% Vent. = 4 ach + frontal shading Vent. = 6 ach + frontal shading Vent. = 8 ach + frontal shading Vent. = 10 ach + frontal shading Vent. = 4 ach + roof shading Vent. = 6 ach + roof shading Vent. = 8 ach + roof shading Vent. = 10 ach + roof shading Percentage during occupancy hours Oveheating Subcooling Ventilation 9,5% 2,8% Inner Curtain 7,6% 1,1% External Shading 0,2% 13,3% Ventilation + Inner Curtain 3,5% 2,2% Summary table of the simulated cases during summer season for studio room. 4,4% 0,0% 0,1% 0,0% 3,2% 0,0% 0,0% 0,0% 2,2% 0,0% 0,0% 0,0% 1,6% 0,0% 0,0% 0,3% 3,4% 0,0% 0,1% 0,0% 1,9% 0,0% 0,0% 0,0% 1,5% 0,0% 0,0% 0,0% 1,0% 0,4% 0,0% 0,3% Summary table of the simulated cases during summer season for bedrooms

36 CONCLUSIONI La tecnologia bioclimatica della serra solare nonostante sia considerata poco idonea per i climi caldi tipici dell area mediterranea e non sia orientata in maniera ottimale, può contribuire alla riduzione dei fabbisogni energetici nel periodo invernale ed estivo se presenti idonei dispositivi di controllo La gestione automatica dei componenti schermanti e dei sistemi di ventilazione risulta di fondamentale importanza per gli ambienti dotati di ampie superfici finestrate (specie se orientate in maniera non ottimale) che presentano nel periodo estivo situazioni di discomfort termico. Logiche di gestione per l attivazione delle schermature solari, dei terminali di erogazione e della ventilazione, mediante sensori esterni ed interni, unite a logiche di funzionamento della pompa di calore, nonchè l installazione di un impianto solare termico e fotovoltaico, consentiranno il perseguimento dello standard NZEB