SOMMARIO : Renzo Piano Building Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torino Progetto Preliminare Modificato B 1

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2 SOMMARIO : SOMMARIO :... Introduzone : Il concetto boclmatco... Ventlazone naturale: 3 potenzal stratege... 3 I : Traggo termco (muro Trombe/Camno solare) e ventlazone del solao:... 3 II : Traggo termco (muro Trombe/Camno solare) e passaggo d ara negl uffc:... 3 III : Apertura delle fnestre... 3 I. La Doppa Pelle... 4 Prncp e composzone... 4 Restrzone prncpal della doppa pelle... 4 II. Il muro Trombe... 5 Funzonamento n perodo d raffrescamento... 5 Funzonamento nvernale... 6 Pannell Fotovoltac... 7 Restrzon prncpal per l muro Trombe... 7 III. Il solao a doppa soletta... 8 Composzone del solao a doppa soletta... 8 Restrzon prncpal per l solao... 8 IV. Fnture... 9 Restrzon prncpal per le nstallazon... 9 V. Il gardno d nverno... Inverno... Estate... Concluson... Rcaptolazone delle lmtazon... Stud prevst per l Progetto Defntvo... Allegato... 3 I. Introduzone... 4 II. Doppa pelle... 4 /. Ombreggamento... 4 /. Performance solare della doppa-pelle /. Rduzone degl apport solar e nfluenza su consum per l raffrescamento /. Performance solare dello store (PSS) Approfondmento... 7 Parte dretta trasmessa :... 9 Parte Dretta rflessa:... 9 Parte dffusa trasmessa : /. Calcol prelmnar d llumnazone naturale... 9 III. Muro Trombe... /. Traggo termco... /. Fenomeno d carca e scarca termca del muro d Trombe... Rappresentazone de fenomen fsc... I coeffcent d convezone... Il coeffcente d scambo radatvo... Massa Termca Modellazone per dfferenze fnte... Vetro Modellazone senza nerza termca... 3 Composzone del muro d Trombe... 4 Ventlazone del Muro d Trombe... 4 IV. Solao a doppa soletta... 5 IV. Solao a doppa soletta... 5 /. Perdte d carco... 5 Descrzone della struttura del condotto... 5 Correlazon mpegate:... 5 Consderazon general... 5 Corrdoo e faccata... 5 Regone «a monte»... 6 Regone «a valle»... 6 /. La scara termca del solao... 7 Determnazone de coeffcent termc... 7 Anals fsca: blanco termco nel condotto /. La carca termca del solao... 7 Determnazone de coeffcent termc... 7 Anals CFD... 8 V. Rsoluzone del sstema globale... 9 /. Procedmento globale... 9 /. Il programma Bsm... 9 Presentazone generale :... 9 Modellazone del solao /. Il programma Excel... 3 VI. Rsultat e performances /. Impatto su consum per la clmatzzazone /. Influenza dell ombreggamento sulla performance del sstema /. Influenza de pannell radant Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

3 Introduzone : Il concetto boclmatco Gl edfc consumano grand quanttà d energa. Al fne d rdurre l loro mpatto ambentale rsulta molto mportante controllare consum energetc legat al condzonamento dell ara. Nel caso d un edfco per uffc come la torre n questone, consum energetc per l raffrescamento sono d gran lunga superor a quell per l rscaldamento, vsta l mportanza degl apport ntern e dell esposzone delle faccate alla radazone solare. In seno a questo progetto, l nostro obettvo è d rdurre n manera sgnfcatva consum per l rafferscamento per pan tpo dell edfco. Per adempere a questo scopo sono prevst un certo numero d mportant accorgment: o Controllo degl apport solar e ntern, o Prncpo d ventlazone notturna del solao al fne d raffrescarlo, o Prncpo d esposzone del solao per benefcare della sua nerza durante l gorno. L evacuazone notturna del calore mmagazznato nel solao durante l gorno è l terzo prncpo del concetto boclmatco. Essa avvene graze al passaggo d ara all nterno del solao, garantto dalla presenza del muro Trombe n faccata Sud che funge da motore termco del sstema. Il prncpo del muro d Trombe è d mmagazznare l calore durante l gorno e d restturlo durante la notte. Muro Trombe Soletta del solao Tal accorgment s combnano n un unco e coerente prncpo charfcato nello schema seguente. Il controllo degl apport d calore permette nfatt d rdurre la superfce d pannell radant posta sul sofftto, ottmzzazone che permette una maggore esposzone del sofftto con conseguente possbltà d sfruttarne le propretà d nerza termca per regolare la temperatura dell ambente. Tra tutt quest dvers fattor esste una certa coerenza che puo essere spegata come segue. Il prmo prncpo del concetto boclmatco è lmtazone degl apport d calore. L elemento chave d questo obettvo è la faccata a doppa pelle nella quale è ntegrato un frangsole a lamelle orentabl automatzzato n funzone della poszone del sole e dell ntenstà della radazone solare, che permette cos d proteggere le faccate vetrate dal soleggamento. Il secondo aspetto mportante è la lmtazone delle potenze per l llumnazone artfcale ntegrato al progetto da COSIL e la gestone della compatbltà tra llumnazone naturale e artfcale che sarà studata durante l Progetto Defntvo. Radazone Solare Ara mmoble Calcestruzzo assorbmeto del calore rlasco d calore Gorno Notte Sezone schematca del muro Tombe e del solao a doppa soletta Questa rapda llustrazone de dfferent aspett del funzonamento boclmatco dell edfco permette d comprendere fno a che punto esso sa ntrnsecamente legato all archtettura e all ngegnera del progetto: la sua nfluenza nveste le faccate, la struttura, nonché le nstallazon (sofftto de pan tpo, etc). Pelle Esterna Frangsole Pelle Interna Controllo degl apport solar attraverso la doppa-pelle e l frangsole Il secondo prncpo del concetto boclmatco consste nel garantre al solao d assorbre calore durante l gorno. Tale necesstà rchede l esposzone all ara lbera del sofftto al fne d ottenere uno scambo convettvo tra l sofftto stesso e l ara calda e radatvo (solare e IR). Cò comporta delle restrzon ndspensabl sulla superfce ammssble de pannell radant per garantre una maggore superfce esposta del sofftto. D conseguenza questa relazone tratterà n manera sstematca dvers element archtettonc che contrbuscono al funzonamento boclmatco: le faccate Est e Ovest, la faccata Sud, l solao e le nstallazon (confgurazone del sofftto). Prma d passare alla trattazone d tal aspett, presenteremo una sntes delle soluzon che sono state prevste, con relatv vantagg e nconvenent. Calcestruzzo Ara mmoble Calcestuzzo Convezone Irraggamento Prncpo d carca termca del solao per convezone e rraggamento durante l gorno Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

4 Ventlazone naturale: 3 potenzal stratege E possble concepre e operare una stratega d ventlazone naturale, tenendo conto dell orentazone, della forma e della destnazone d uso dell edfco. La ventlazone naturale può essere prevsta secondo dverse stratege: Prncpo Benefc Vncol Economa d energa Regolazone Punt d mgloramento ulterore I : Traggo termco (muro Trombe/Camno solare) e ventlazone del solao: Questa soluzone permette d progettare un edfco ottmzzato dal punto d vsta de consum energetc asscurando le stesse condzon d confort degl utent rspetto a un edfco clmatzzato n manera tradzonale (con n aggunta un raffrescamento dolce con pannell radant possble graze alla presenza della dopp pelle). Evtando completamente l passaggo d ara negl uffc s conserva noltre la completa flessbltà de pano. Tale approcco «hgh-tech» è quello che è stato ntrodotto nel corso del Progetto Prelmnare, per l nseme de pan destnat agl uffc, ad eccezone degl ultm due (pan x ed y). II : Traggo termco (muro Trombe/Camno solare) e passaggo d ara negl uffc: Tale soluzone permette d progettare un edfco l cu funzonamento boclmatco s avvcna a quello della soluzone «I», ma con una restrzone supplementare: l mpossbltà d tramezzare l pano. La doppa pelle nvece permetterebbe d gestre l passaggo d ara negl uffc. Questa soluzone meno «hgh-tech» puo rvelars effcace se s accetta l passaggo d ara esterna attraverso gl uffc e se non s prevede una futura tramezzatura del pano. La complesstà prncpale d questo sstema s rscontra nell nterfacca uffc/muro Trombe (problem d scurezza ncend, dmnuzone della superfce d massa termca per la presenza d aperture). III : Apertura delle fnestre Tale soluzone a prma vsta molto semplce, rsulta n realtà assa complessa per quanto rguarda la sua regolazone nel caso n cu s esga l ntegrazone d un sstema d raffrescamento. Le condzon d utlzzo e d confort s avvcnano a quelle d un edfco non clmatzzato, n ragone dell apertura delle fnestre durante l gorno. L apertura delle fnestre a grand altezze è resa possble dalla presenza della doppa pelle. Tuttava tale soluzone mal s adatta a degl spaz d tpo open-space e sarebbe pù convenente adottarla per degl spaz tramezzat (ad esempo per gl uffc d drezone). Tuttava essa è raccomandata per due lvell pù elevat per qual l sstema a traggo termco non è pù possble. Tale approcco rstablsce un rapporto con l ambente esterno. Tale relazone con l esterno, assa opportuna nel caso d una torre, è tuttava gà asscurata ad ogn pano dalla presenza del gardno d nverno. III : APERTURA DELLE FINESTRE (durna) Controllo da parte degl occupant ed accesso all esterno Valorzzazone della doppa pelle: protezone al vento, al rumore ed alla pogga. Possbltà d ulteror partzon nterne Ventlazone n gornata e qund altro concetto d confort. Aprbl manual (alt e bass oppure su tutta l altezza) - chusura delle fnestre da gestre. Tpo e regolazone della clmatzzazone da rdefnre. : Maggor aperture motorzzate n faccata - % (funzone del comportamento degl occupant) S evnce dunque che ogn famgla d soluzon presenta un propro prncpo, de benefc e delle problematche. Gestone della clmatzzazone da approfondre. Pannell radant poco reattv; pù adatto con un sstema ad ara. Pù problematco n open space che per uffc ndvdual. Motorzzazone degl aprbl, regolarzzazone ottmale (potenzale d guadagno: -4 %) E possble combnare alcune stratege, ma è evdente che tal combnazon possono comportare delle dffcoltà elevate d regolazone del sstema d clmatzzazone e d ntegrazone archtettonca. S è molto dscusso sulle combnazon delle soluzon I, II e III. Al momento s è decso per la soluzone «I», con un possble complemento d ventlazone dretta degl uffc. Prncpo Benefc Vncol Economa d energa Regolazone Punt d mgloramento ulterore I : VENTILAZIONE DEISOLAI (Ventlazone Notturna) Flessbltà n panta (partzon possbl) Assenza d ara non fltrata negl uffc Confort d un edfco clmatzzato (clmatzzazone dolce) Superfce occupata da pannell radant lmtata a 5% (nerza). : Doppo solao (con punton trasversal ) e pannell aprbl motorzzat n rva del solao % (con 4% del sofftto accessble e sstema a punton trasversal ) Relatvamente semplce ed nvsble per gl occupant (ventlazone al mattno consglable per maggore effcaca) Estensone al gorno se : Text < Tnt (tpcamente durante la mezza stagone) II : TIRAGGIO DEGLI UFFICI I (Ventlazone Notturna) Sstema nteramente passvo: assenza d ventlazone notturna. Messa n valore della doppa pelle: protezone al vento. Confgurazone n open space necessara. Confort d un edfco clmatzzato salvo ventlazone notturna degl uffc sull esterno. Passaggo d ara degl uffc verso l muro Trombe complessa (superfc n goco, superfc tagl-fuoco, rscho d entrata d ara calda) -3 % (economa sulla consumazone degl auslar) Maggore complesstà, dpendenza dalle condzon clmatche, vent fort, ecc. Attvazone n gornata per : Text < Tnt ma con mpatto forte sulla percezone degl occupant : Aprbl motorzzat su tutto lo svluppo della faccata. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 3

5 I. La Doppa Pelle Le faccate a doppa pelle Est e Ovest sono un elemento essenzale del funzonamento boclmatco del progetto e del confort garantto agl utent. Senza la doppa pelle gl apport solar sarebbero talmente elevat che le scelte del sstema d raffrescamento rsulterebbero molto lmtate. Un sstema d clmatzzazone dolce, a pannell radant, la cu potenza rmane lmtata, non sarebbe suffcente ad asscurare l confort termco degl utent e s dovrebbe dunque prevedere un sstema pù tradzonale a ventlconvettore, con gl nconvenent ad esso legat (mot d ara fredda, acustca, etc.) Prncp e composzone La doppa pelle permette d bloccare gl apport solar graze alla presenza d un frangsole a lamelle al suo nterno, l quale contrbusce al rscaldamento dell ara all nterno della doppa pelle stessa. Tale ara calda sale naturalmente e nduce una ventlazone naturale della doppa pelle, che permette d elmnare gl apport solar S deve pero consderare che nel caso d un sstema a lamelle come l frangsole, tale approcco presenta delle approssmazon grossolane. S è prevsto qund n fase d Progetto Defnto lo svluppo d un metodo d calcolo pù precso Alcun rsultat per quest dvers metod d valutazone dell effcaca della doppa pelle sono presentat n allegato. Infne, la faccata doppa pelle ha anche un mpatto sulla penetrazone della luce naturale nella zona uffc. La presenza d llumnazone naturale è fondamentale per garantre: Il confort degl utent, La rduzone degl apport ntern d llumnazone (stmata da COSIL par a W/m²) e d conseguenza de consum d elettrctà per l llumnazone artfcale e de consum per l raffrescamento per combattere tal apport ntern. Gl sud prelmnar mostrano un buon potenzale d llumnazone naturale graze alla presenza d una grande superfce vetrata e cò nonostante la presenze del cammnamento e della sporgenza della trave d bordo. S tratterà dunque d preservare tale potenzale ottmzzando la poszone delle lamelle del frangsole, per evtare che s trovno chuse troppo spesso, bloccando così la luce n entrata (rsultat n Allegato). Nella tabella seguente è presentata una sntes de benefc e de lmt della doppa pelle. Restrzone prncpal della doppa pelle Lo schema seguente presenta le restrzon della doppa pelle che verranno ntegrate nel corso del progetto. Prncpo Benefc Vncol Economa d energa DOPPIA FACCIATA A VENTILAZIONE NATURALE Pelle nterna : doppo vetro Protezone solare (venezane a lamelle automatzzate) Pelle esterna: lamelle e aprbl Ventlazone naturale della cavtà Protezone dal vento e dalla pogga «mcro-clma» : Protezone solare: Insermento delle venezane automatzzate: eccellente controllo solare et durata d vta aumentata. Grgla con effetto protettvo. Utlzzazone possble d una clmatzzazone dolce (tpo pannell radant) poché gl apport solar sono controllat. Confort Vsvo: Penetrazone ottmale della luce naturale (venezane a lame automatche) Elmnazone del parapetto graze alla grgla tagla-fuoco. Ventlazone naturale della cavtà Le calore mprgonate sono evacuate attraverso traggo termco. Possbltà d ntergazone degl aprbl sulla pelle nterna Possbltà d ventlazone naturale degl uffc attraverso l apertura delle fnestre (protette dal vento). Acustca Profondtà mportante (> 7 cm) per la manutenzone. Necesstà d compartmentare n altezza: tagla-fuoco, evtare la stratfcazone della temperatura, ntegrazone degl aprbl sulla pelle esterna (per accentuare la ventlazone naturale della cavtà) : 5% d costo supplementare (rspetto ad una faccata semplce). 5 % (rspetto a uno stesso edfco con delle faccate vetrate tradzonal ) Prncpo d ventlazone della faccata a doppa pelle con frangsole abbassat Dal punto d vsta boclmatco gl element mportant della doppa pelle sono: Il cammnamento a grgla metallca per la manutenzone o l cammnamento taglafuoco (presente ogn due pan), che creano sul vetro nterno un ombreggamento non trascurable. Il frangsole, elemento chave della rduzone degl apport solar. Il frangsole è a lamelle sollevabl e orentabl automatcamente per ottmzzare l ombreggamento n funzone della poszone del sole. Il vetro semplce esterno che deve permettere d ventlare la cavtà verso l esterno, sa attraverso la permeabltà delle lamelle della pelle esterna, sa tramte apertura delle lamelle. L effcaca della doppa pelle può essere valutata nnanztutto n termn d ombreggamento, da un calcolo puramente geometrco. In seguto s può calcolare l fattore solare che rappresenta un valore medo (emsferco) della trasmssone dell energa solare dall esterno verso l nterno. Tradzonalmente è questo parametro che vene utlzzato per dmensonare l sstema d clmatzzazone. Protezone solare Illumnazone naturale Qualtà archtettonca Doppa pelle: protezon solar e llumnazone naturale Crter Importanza Lamelle del frangsole d colore scuro ** Inclnazone de frangsole perpendcolare a ragg solar *** Ventlazone della cavtà : aperture sulla pelle esterna ** Massmzzazone della trasmssone lumnosa de vetr *** Orentazone ottmale de frangsole (llumnazone vs apport termc) ** Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 4

6 II. Il muro Trombe Funzonamento n perodo d raffrescamento Il muro Trombe è stato concepto prncpalmente per benefcare del suo effetto sul traggo termco durante la mezza stagone e l perodo estvo, anche se attualmente s prevede un possble prncpo d recupero del calore durante l perodo nvernale. Il sstema è composto d quattro mur Trombe, due per ogn lato della faccata. Il traggo termco è ottenuto da mur post a lato Sud (v sono due mur d Trombe ndpendent per ogn lato). Ogn muro Trombe è nterrotto ogn quattro pan e provvede a trare l ara d due pan. Il muro Trombe è l motore del traggo termco. Esso asscura l rscaldamento dell ara e la sua rsalta lungo la sua altezza (la teora del traggo termco è spegata nell Allegato). La sua poszone permette una doppa funzonaltà. Posto n faccata Sud, durante l gorno l muro accumula l calore dovuto dalla presenza della radazone solare e la notte lo resttusce all ara presente nell ntercapedne. E presente noltre una dfferenza d altezza assa elevata tra l entrata e l uscta d ara (da a 4 m, a seconda de pan), l che permette un funzonamento «a camno» ottmale. Radazone solare Accumuo termco Rlasco termco Traggo termco nel muro d Trombe (camno A) Dsposzone qunconcale de camn Gorno : carca termca del muro trombe Notte : scarca termca del muro trombe Il muro Trombe costtusce un ottmo motore per l traggo termco: esso accumula l calore durante l gorno e lo resttusce la notte, creando un dfferenzale d temperatura tra l ara presente nell ntercapedne del muro Trombe e l ara esterna, che crea un rchamo d ara. In seguto mostramo le temperature per una settmana d aprle e d luglo : la temperatura rmane elevata, l che favorsce l traggo termco. La temperatura supera occasonalmente 7 C nelle ore durne. Al fne d evtare l ecessvo rscaldamento degl element struttural d faccata, la cavtà del muro Trombe sarà ventlata se la temperatura dell ara al suo nterno supera 6 C (saranno prevst de sensor d temperatura n sommtà d cascun camno solare). Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 5

7 T muro (est) T muro (nt) T ara T vetro T esterna Influenza del vento sul traggo termco del camno solare La ventlazone naturale è dovuta al traggo termco del camno solare : l aumento della temperatura dell ara conduce a una dfferenza d pressone che genera un movmento d ara. Il vento che nveste l edfco crea a sua volta una dfferenza d pressone tra l entrata e l uscta d ara (tra la faccata Nord e Sud). Tale dfferenza d pressone nfluenza anch essa l traggo termco, n manera postva o negatva. Temperatura [ C] Nel nostro caso, lo studo de vent per la cttà d Torno c ha mostrato che la drezone prvlegata del vento va da Nord verso Sud. Co sgnfca che l ara tende a nvestre la faccata Nord (faccata controvento), creando una sovra-pressone locale, mentre a Sud (faccata sottovento), osserveremo un fenomeno d depressone. D conseguenza, dovrebbe essere presente un dfferenzale d pressone tra la faccata Nord e Sud che contrburebbe al traggo termco. Orentazone del vento Depressone Sovrapressone Temperatura [ C] Proflo d temperatura nel muro Trombe, mese d Aprle T muro (est) T muro (nt) T ara T vetro T esterna USCITA USCITA Stma prelmnare del campo d veloctà ntorno all edfco per una veloctà del vento d 4 m/s (caso meteorologco pù frequente) ENTRATA ENTRATA Proflo d temperatura nel muro Trombe, mese d Luglo Tuttava la quantfcazone dell azone del vento è questone assa delcata, vsta la dffcoltà nel determnare l esposzone al vento dell edfco. D altra parte, l nfluenza locale della zona ascensor a nord e del Gardno d Inverno a sud, è anch essa dffcle da valutare. Spermentalmente attraverso l «Wnd Testng» su un modello a scala rdotta dell edfco, c sarà possble valutare tale nfluenza con relatva precsone. Poché la data del test sarà puttosto tardva, nel corso del Progetto Defntvo verrà comunque effettuato uno studo numerco dell effetto del vento ntorno all edfco. Tale studo c permetterà d compere un anals pù precsa de fenomen e qund d comprendere come prenderl n consderazone n manera affdable, nonché d ndvduare all occorrenza una stratega preventva. D altra parte, degl stud numerc prelmnar hanno gà messo n evdenza l nfluenza del fattore vento sul campo d presson ntorno all edfco (ved mmagne sopra). Funzonamento nvernale In nverno, la ventlazone naturale non vene utlzzata. E dunque possble recuperare l calore mmagazznato nella massa termca n calcestruzzo durante l gorno. Infatt, senza ventlazone dell ntercapedne, la temperatura all nterno del camno n nverno resta comunque elevata (tra 5 e 45 C), l che suggersce una potenzale fonte d calore. Inoltre, l recupero d calore da parte del muro d Trombe, n nverno può -sotto certe condzon- aggungere de punt d bonus secondo quanto defnto dall «Allegato Energetco Ambentale al regolamento edlzo della cttà d Torno» (CFT. Manens) Evdentemente, tale stratega è utlzzable solo n nverno, poché l recupero del calore n estate mpedrebbe l buon funzonamento del traggo termco (meno calore dsponble per rscaldare l ara durante la notte). Esstono potenzalmente numeros sstem per recuperare tale energa, ma devono essere rspettate due lmtazon essenzal : Non ostrure la crcolzone d ara, Non rdurre la superfce d calcestruzzo esposto alla radazone solare, I possbl sstem da tenere n consderazone sono dunque : De condott ntegrat al calcestruzzo del muro Trombe, ne qual crcolerebbe dell acqua che s rscalda durante l suo passaggo; s tratta s uno scambatore d calore rudmentale ma effcace. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 6

8 Una presa d ara sopra l muro Trombe, combnata con uno scambatore d calore o una PAC ( Pompa d calore ) (ara/ara o ara /acqua) stuata nel contro-sofftto della zona Sud del corrdoo, se lo spazo lbero è suffcente. Un nvo dretto d ara calda verso l gardno d nverno, per rscaldarlo e asscurare delle mglor condzon d confort. La seconda soluzone pare al momento la pù opportuna, ma tale possbltà è ancora n fase d anals n collaborazone con Manens; tuttava essa permetterebbe d destnare l recupero d tale calore verso qualsas parte dell edfco. Il recupero potrebbe avvenre ad ogn nterruzone del muro (dunque ogn due pan) o solamente n sommtà dell edfco. Cò mplcherebbe che sstem d nterruzone del muro Trombe present ogn quattro pan possano ruotare per dare luogo a un camno d grande altezza n nverno. Un passaggo dretto dell ara del muro Trombe verso l gardno d nverno rmane una soluzone possble, ma presenta un certo numero d nconvenent: o o o In condzon soleggate l gardno d nverno non ha bsogno d apport supplementar. L apporto del muro Trombe rsulterebbe dunque utle ne gorn con celo coperto o d notte (mattno presto e sera n nverno). Il gardno d nverno è termcamente poco solato a causa della presenza d un vetro semplce e degl effett d nfltrazone dell ara attraverso la faccata a lamelle. Apportarv del calore, anche se gratuto, è senza dubbo opportuno dal punto d vsta del confort, ma rsulta dffcle da gustfcare da un punto d vsta ambentale/sostenble. La regolazone del passaggo d ara dal muro Trombe verso l gardno dovrebbe essere precsa e scura, per evtare un surrscaldamento del gardno d nverno e delle ntroduzon sgradevol d ara calda. Il grafco presenta un calcolo delle temperature d parete e dell ara nel caso n cu non v sa rcambo d ara o recupero del calore. Un sstema d recupero del calore, qualsas esso sa, comporterà una forte dmnuzone della temperatura nell ntercapedne. Converrebbe dunque regolare precsamente tale recupero del calore per conservare una temperatura ottmale all nterno del muro Trombe. Pannell Fotovoltac I pannell solar fotovoltac non partecpano alla stratega boclmatca n quanto s tratta d un sstema d produzone attva dell energa. Il loro poszonamento nell edfco è stato l oggetto d dverse dscusson durante la fase del Progetto Prelmnare. Ad ogg le superfc prortare per l nstallazone de pannell sono (n ordne decrescente): Il tetto n sommtà della torre, Il canopé n basso della torre, La faccata Sud del gardno d nverno., Una sporgenza de gardn d nverno su lat. Un avanzamento su lat del gardno d nverno ha un mpatto negatvo sul funzonamento del muro Trombe (ombreggamento) ed è dunque preferble evtare tale soluzone o al lmte d contenere l pù possble la sporgenza. Restrzon prncpal per l muro Trombe La seguente tabella rcaptola le prncpal restrzon per l muro Trombe : Temperatura [ C] T muro T ara T vetro T esterna Evoluzone delle temperature nel muro d Trombe (chuso) nel mese d Gennao Lmtare l ombreggamento Lmtare le perdte d calore Ottmzzare l condotto Massmzzare lo scambo termco Sfruttare l effetto del vento Camno solare : traggo termco Crtero Importanza Assenza d tub sulla parete **** Mnmzzare la sporgenza del gardno d nverno *** Evtare pannell PV **** Presenza del vetro doppo ** Parete a bassa emssvtà ** Mnmzzare gl ostacol (grgle, tub) *** Massmzzare l rapporto d superfce uscta/entrata *** Presenza d rugostà nel muro ** Verfcare con test (numerco e/o spermentale) l nfluenza postva del vento nel caso generale Controllare la drezone del moto dell ara (anemometro nel condotto, chusura delle aperture se la drezone è occasonalmente contrara) Recuperare gl apport solar Vetro esterno molto trasparente (extra-charo) *** Immagazznare gl apport solar Calcestruzzo a forte nerza termca *** Calcestruzzo d colore scuro ** *** * Temperatura [ C] T muro T ara T vetro T esterna Spessorer cm ** Evoluzone delle temperature nel muro d Trombe (chuso) nel mese d Gennao (ZOOM) Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 7

9 III. Il solao a doppa soletta Il passaggo d ara nel solao asscura l raffrescamento della struttura n calcestruzzo del solao; l ara è trata per ventlazone naturale (traggo termco del muro Trombe, stratega d ventlazone «I»). Orgne : Expedton Engneerng Queste «doppe solette» sono pensate n modo da essere faclmente costrute e messe n opera, dentche a ogn pano, economche (utlzzo d blocchett n calcestruzzo nvece che magla n accao galvanzzato) al fne d asscurare l mantenmento d tale confgurazone nel corso delle future fas del progetto, n costruzone e nel corso della vta dell edfco. L evoluzone della concezone del progetto nel corso della fase Prelmnare è dettaglata n Allegato. Restrzon prncpal per l solao La seguente tabella rcaptola le prncpal restrzon legate alla solao a doppa soletta. Solao: fattore d resstenza «Scarca termca» del solao : raffrescamento del solao durante la notte Ottmzzare gl ostacol Crter Importanza Mnmzzarne l numero **** Forma aerodnamca *** Massmzzare le dmenson **** Composzone del solao a doppa soletta La struttura a lato cavtà è lavorata n modo da lmtare le perdte d carco contnue e localzzate. Infatt, meglo l fludo crcola, maggore è la portata e mglor sono gl scamb termc che avvengono sulla parete. Inoltre, la geometra è stata pensata e ottmzzata sa dal punto d vsta strutturale (Expedton Engneerng) che dal punto d vsta del passaggo d ara, prvlegando la formazone d canal d ara suffcentemente largh, senza ostacol ulteror, prvlegando le forme aerodnamche e garantendo la presenza d paret con scabrezza mnma. Ottmzzare l condotto Propretà termche del calcestruzzo Aggungere un «deflettore» ** Mnmzzare la scabrezza ** Lmtare le «scalanature» ** Dffusvtà termca massmzzata : λ.ρ. Cp (Conduttvtà termca, denstà e calore specfco Calcestruzzo pesante ) Spessore del solao cm spessore 5 cm ** *** Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 8

10 IV. Fnture Il trattamento delle paret, e n partcolar modo del sofftto, goca un ruolo mportante nella stratega boclmatca del progetto. Infatt, l accesso alla massa dell edfco (struttura n calcestruzzo) è fondamentale per permettere a questa massa d assorbre l calore accumulato all nterno dell edfco durante l grono (soleggamento, utent, etc), per restturlo po durante la notte. Tale processo d «carca/scarca» termca, chamato anche nerza d assorbmento, conduce ad una dmnuzone delle potenze e de fabbsogn per l raffrescamento. Per massmzzare questa «proporzone lbera», è possble gocare sugl apport solar, con un controllo ottmzzato de frangsole, nonché sul sstema d raffrescamento stesso (pannell pù effcac, proporzone d raffrescamento per rcambo d ara, etc). A rguardo sarà condotto uno studo approfondto nel corso del Progetto Defntvo, n partcolare sulla valutazone degl apport solar entrant. Restrzon prncpal per le nstallazon Scambo termco (carca-scarca) Crter Fnture Importanza Massmzzare la proporzone lbera d sofftto ( 5%) **** Rcambo d ara lontano dal sofftto *** Massmzzare l emssvtà del sofftto ** Lmtare l numero e la superfce dell mpanto d llumnazone (rdurre l ombreggamento) * Illumnazone naturale Superfc e arredamento charo ** «Carca termca» del solao : assorbmento del calore durante l gorno Nella stratega d ventlazone naturale «I», è partcolarmente mportante permettere la carca termca del calcestruzzo poché l raffrescamento della soletta per passaggo d ara al suo nterno è possble solo se v è stato un rscaldamento precedente della stessa. D conseguenza, una proporzone mportante della superfce del sofftto deve restare accessble all ara presente nello spazo uffc (l ara calda sale ed, essendo pù calda del sofftto, scamba calore con quest ultmo per convezone naturale) e all rraggamento n drezone d questa superfce. E necessaro dunque garantre una lmtazone del rcoprmento della superfce del sofftto da parte de pannell radant, che bloccano lo scambo termco. Fno ad ora è stato stmato che una proporzone d 5% d superfce lbera permetterebbe un utlzzo energetco relatvamente effcace della massa (econome d crca 5% su consum per l raffrescamento) ; ma sappamo che l aumento della denstà d personale nella zona uffc e l aumento degl apport termc ad essa legat rappresentano una dffcoltà per quanto rguarda la possbltà d dsporre d tale superfce lbera. Il grafco seguente mostra l nfluenza dretta della superfce accessble su rsparm energetc, per la stratega d ventlazone «I» (ventlazone del solao per traggo termco). 3% 5% Economa d Energa % 5% % 5% % % 5% 5% 75% % Proporzone d Sofftto esposta Influenza della proporzone d sofftto esposta sull effcaca della ventlazone naturale, n termn d rduzone de bsogn d clmatzzazone S comprende dunque le mplcazon legate a tale parametro. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 9

11 V. Il gardno d nverno Proflo d temperatura del gardno d nverno, per dverse permeabltà della faccata Il gardno d nverno costtusce una valorzzazone mportante rspetto alla sua destnazone orgnara (scala d emergenza). Infatt esso asscura un ruolo termco d spazo tampone n nverno e d confort vsuale e socale degl utent, nonché un surplus d qualtà archtettonca. Inoltre, l ntegrazone de pannell fotovoltac sulla sua parete nord gl confersce un ruolo energetco evdente. Infne, degl stud d soleggamento mostrano che le solette ntermede del gardno d nverno costtuscono delle eccellent protezon solar graze all ombreggamento creato da un lvello su quello nferore. Per quanto rguarda l soleggamento dretto, l confort degl occupant sarà dunque n lnea generale asscurato, permettendo l utlzzo d tale spazo nel corso delle gornate estve. Inverno In nverno, è necessaro evtare la presenza d gelo nel gardno d nverno. A questo scopo, l recupero degl apport solar e l loro mantenmento all nterno del gardno d nverno (asscurando una permeabltà mnma delle paret), permette d mantenere una temperatura suffcentemente superore alla temperatura esterna. 3 5 Temperature [ C] 5 5 Gugno ore 9-5 Extéreur Permeablté mm lgne à 45 Permeablté mm - Proflo d temperatura del gardno d nverno, per dverse permeabltà della faccata Inoltre, secondo quanto è gà stato detto, non s esclude l dea d uno scambo dretto d calore tra l camno solare e l gardno d nverno, l che permetterebbe d aumentare all occorrenza la temperatura del locale. Tuttava tale soluzone non è al momento ntegrata al progetto poché presenta un certo numero d nconvenent. Estate E necessaro evtare l surrscaldamento del gardno d nverno durante la stagone calda. S deve dunque cercare d prvlegare la ventlazone naturale dello spazo favorendo la sua permeabltà all ara (apertura delle lamelle) e dunque l rcambo d ara dretto con l esterno. S constata dunque (v. Grafco seguente) che la temperatura nterna, nvece d aumentare per effetto serra, raggunge la temperatura esterna graze all apertura d alcune lamelle, ntellgentemente scelte (n alto e n basso della faccata) al fne d prvlegare la ventlazone naturale dello spazo. Gugno ore Temperatura [ C] Esterno Permeabltà mm 4 bande a 45 Tutto a Gugno ore 7 Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

12 Concluson Rcaptolazone delle lmtazon Protezone solare Illumnazone naturale Lmtare l ombreggamento Lmtare le perdte d calore Ottmzzare l condotto Orentazone ottmale de frangsole (llumnazone vs apport termc) ** Camno solare : traggo termco Assenza d tub sulla parete **** Mnmzzare la sporgenza del gardno d nverno *** Evtare pannell PV **** Presenza del vetro doppo ** Parete a bassa emssvtà ** Mnmzzare gl ostacol (grgle, tub) *** Massmzzare l rapporto d superfce uscta/entrata *** Massmzzare lo scambo termco Presenza d rugostà nel muro ** Verfcare con test (numerco e/o spermentale) l nfluenza postva del Sfruttare l effetto del vento vento nel caso generale *** Controllare la drezone del moto dell ara (anemometro nel condotto, chusura delle aperture se la drezone è occasonalmente contrara) * Recuperare gl apport solar Vetro esterno molto trasparente (extra-charo) *** Calcestruzzo a forte nerza termca *** Immagazznare gl apport solar Ottmzzare gl ostacol Ottmzzare l condotto Propretà termche del calcestruzzo Doppa pelle: protezon solar e llumnazone naturale Crter Calcestruzzo d colore scuro ** Spessorer cm ** Solao: fattore d resstenza Mnmzzarne l numero **** Forma aerodnamca *** Massmzzare le dmenson **** Aggungere un «deflettore» ** Mnmzzare la scabrezza ** Lmtare le «scalanature» ** Dffusvtà termca massmzzata : λ.ρ. Cp Importanza Lamelle del frangsole d colore scuro ** Inclnazone de frangsole perpendcolare a ragg solar *** Ventlazone della cavtà : aperture sulla pelle esterna ** Massmzzazone della trasmssone lumnosa de vetr *** (Conduttvtà termca, denstà e calore specfco Calcestruzzo pesante ) Spessore del solao cm spessore 5 cm ** *** Stud prevst per l Progetto Defntvo Il progetto presentato è coerente e realstco dal punto d vsta boclmatco. Gl stud che saranno svolt nel corso del Progetto Defntvo saranno dunque d due nature dfferent: Stud scentfc (fenomen fsc) e tecnc (problematche d realzzazone, posa n opera, regolazone, nterfacca e equlbro tra dvers aspett del progetto Approfondmento delle soluzon per due aspett: o L utlzzo del muro Trombe nella stagone nvernale, o La problematca dell apertura delle fnestre ne pan tpo. Su quest ultmo punto, l progetto sarà approfondto a partre dalle seguent pste d rflessone: Una ventlazone per apertura della fnestre sulle faccate Est e Ovest durante l gorno sarà possble solo durante la mezza stagone e a rgore nelle prme ore della gornata n estate. Le mplcazon sulla faccata saranno mportant : serrament supplementar, motorzzazon, servo-controll e automatsm, La ventlazone dovra essere unformemente rpartta lungo la faccate, La profondtà dell ala uffc costtusce un ostacolo alla ventlazone mono-orentata : è possble prevedere una ventlazone traversante durante l gorno senza compromettere l funzonamento notturno del muro Trombe? La tabella seguente rcaptola dvers stud : Component I. Doppa pelle II. Muro Trombe III. Solao a doppa soletta IV. Impanto d raffrescamento V. Gardno d nverno VI. Valutazone generale del confort e de consum d energa Descrzone Valutazone ora per ora degl apport solar (pù precso che l calcolo d un fattore solare medo) Studo dell nfluenza dell angolo d apertura del frangsole sulla penetrazone d luce Approfondmento del funzonamento nvernale Valutazone precsa dell mpatto de pannell delle cellule foto-voltache (se presente) Studo attraverso CFD dell mpatto del vento sulla performance del sstema boclmatco Valdazone per CFD delle perdte d carco Collaborazone con Manens per unformare calcol degl apport (llumnazone artfcale e apport solar) e permettere d ottmzzare la superfce de pannell radant Valutazone pù precsa de fenomen d scambo termco ara-soletta Approfondmento eventuale sul sstema d rscaldamento Utlzzo degl ultm rsultat ottenut per dvers component per confermare le econome d energa realzzate e la loro valdtà Pste d studo : complemento d ventlazone naturale? (mono-orentata, traversante) Scambo termco (carca-scarca) Fnture Massmzzare la proporzone lbera d sofftto ( 5%) **** Rcambo d ara lontano dal sofftto *** Massmzzare l emssvtà del sofftto ** Lmtare l numero e la superfce dell mpanto d llumnazone (rdurre l ombreggamento) * Illumnazone naturale Superfc e arredamento charo ** Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

13 Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

14 Allegato Allegato... 3 I. Introduzone... 4 II. Doppa pelle... 4 /. Ombreggamento... 4 /. Performance solare della doppa-pelle /. Rduzone degl apport solar e nfluenza su consum per l raffrescamento /. Performance solare dello store (PSS) Approfondmento /. Calcol prelmnar d llumnazone naturale... 9 III. Muro Trombe... /. Traggo termco... /. Fenomeno d carca e scarca termca del muro d Trombe... IV. Solao a doppa soletta... 5 IV. Solao a doppa soletta... 5 /. Perdte d carco... 5 /. La scara termca del solao /. La carca termca del solao... 7 V. Rsoluzone del sstema globale... 9 /. Procedmento globale... 9 /. Il programma Bsm /. Il programma Excel... 3 VI. Rsultat e performances /. Impatto su consum per la clmatzzazone /. Influenza dell ombreggamento sulla performance del sstema /. Influenza de pannell radant Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 3

15 I. Introduzone II. Doppa pelle La dnamca del sstema (campo d veloctà v(t), campo d temperatura T(t)) è dettata da dvers fenomen smultane. Per l fludo, essa è descrtta dall equazone d conservazone della massa, l equazone d Naver Stokes e la conservazone dell energa: Nel volume del fludo: ρ + ( v. ) ρ = t v μ + ( v. ) v = p + t ρ ρ T + ( v. ) T = α F T t v + g /. Ombreggamento Il prncpo della doppa pelle s fonda sulla lmtazone degl apport solar graze alla presenza, nel nostro caso, d un frangsole a venezana. Il frangsole prevsto è motorzzato per l dspegamento e per l orentazone delle lamelle e permette d creare un ombreggamento quas perfetto. Inoltre rsulta nteressante constatare che: o La presenza del cammnamento a grgla metallca per la manutenzone e del cammnamento taglafuoco (ogn due pan) creano anch ess un ombreggamento non trascurable. o S ha un ombreggamento anche quando le lamelle del frangsole sono n poszone orzzontale. Per lo studo dell ombreggmento s è utlzzato l programma Solar Tool dellla socetà Square One. Lungo le paret: v = T λ F t = φ S > F L approssmazone d Boussnesq, che traduce l evoluzone della denstà n funzone della temperatura, permette d semplfcare l sstema: ρ ρ = ρ β( T ) T (. ) = v μ + v. ) v = p + t ρ ρ T + ( v. ) T = F T t v (.) ( v + βtg (.) α (.I) Per l soldo, l equazone è quella della dffusone con flusso d parete mposto: Nel volume soldo: T t = α T (.V) S Lungo le paret: T t λ S = φ (.V) S > F Le equazon mostrano: Il legame tra anals dnamca e anals termca (legame tra T e v), Le nterazon fludo-soldo Modello d studo della protezone d una superfce vetrata graze a frangsole e cammnamento La seguente tabella sntetzza rsultat ottenut sul perodo ESTIVO d una faccata a doppa pelle d.5 m d profondtà meda. Effetto d ombra medo Faccata EST (%) Effetto d ombra medo Faccata OVEST (%) Solo cammnamento 7 Cammnamento + Store (lamelle orzzontal) Dall anals dmensonale, notamo che temp caratterstc dell evoluzone termca e dnamca del fludo sono molto pccol rspetto a quell del comportamento termco del soldo. D conseguenza, è l evoluzone termca del solao che determna l comportamento dnamco globale. Nell anals seguente consdereremo dunque l fludo n regme permanente. L anals proposta è complessa n ragone de numeros fenomen d scambo termco che varano secondo: dfferent regon (dpendenza spazale) dfferent confgurazon temporal (dpendenza gorno-notte) dfferent condzon al contorno (dpendenza clmatca). Per strutturare l anals dettagleremo d seguto dvers element costtutv del sstema per le due confgurazon temporal possbl (confgurazone gorno e confgurazone notte). Defnremo per cascun fenomeno una modellazone e un metodo d rsoluzone. Infne, defnremo a grand lnee l legame tra tal modellazon local e la loro ntegrazone nel tempo per descrvere la dnamca e la performance del sstema globale. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 4

16 /. Performance solare della doppa-pelle Com é stato gà spegato, l obettvo prncpale della doppa pelle consste nel lmtare gl apport solar graze alla presenza d un frangsole. Esso nfatt rflette una parte della radazone solare, un parte della quale vene pero assorbta portando l frangsole a rscaldars. Rsulta qund necessaro ventlare la doppa pelle per evacuare l calore accumulato. Se la doppa pelle non è ventlata a suffcenza, l frangsole s rscalda e rrada calore verso la zona degl uffc. Il fattore solare rappresenta la porzone d energa solare ncdente sul vetro che è trasmessa all nterno dell edfco, sa ndrettamente, sa per re-rradazone delle superfc rscaldate. E un valore globale che rappresenta la faccata ed è costante e ndpendente dalla poszone del sole. Questo valore è utlzzato per defnre gl apport solar ne calcol termc. Nel caso d una faccata a doppa pelle l fattore solare è nfluenzato dalla ventlazone dell ntercapedne d ara. Il fattore solare è calcolato graze a un software WIS (Wndow Informaton System) rsultato d un programma d rcerca europeo ntrapreso dal TNO ne Paes Bass. Tale programma permette d specfcare ogn elemento del sstema e ottenere l valore rsultante del fattore solare. D seguto specfchamo gl element modellat (a partre dall esterno): o Vetro semplce esterno o Intrecapedne d ara d crca.4m o Frangsole a lamelle orentabl e sollevabl o Intercapedne d ara d crca.5m o Vetro esterno del vetro doppo o Intercapedne d ara del vetro doppo o Vetro nterno del vetro doppo Le caratterstche de vetr modellat sono specfcate nelle seguente tabella: Pelle esterna Pelle nterna Prodotto Vetro semplce «extra charo» Doppo vetro con protezone solare (basato sul tpo «7/4» 6/6/6) Spessore (mm) Trasmssone lumnosa Rflessone lumnosa Trasmssone energetca Assorbmento energetca 8-8,83,4,79,8 /6/8-8,59,6,7,34 Faccamo notare che vetr, tenuto conto del loro spessore, hanno delle propretà rdotte rspetto a de vetr «standard». S prevedono gà le conseguenze che questo fatto ha sulla penetrazone d luce naturale; uno studo approfondto dovrà essere svluppato nel coro del Progetto Defntvo per affnare la scelta de dvers strat, al fne d determnare l optmum «apport termc/llumnazone». Il frangsole è modellato con lamelle orentate a 8 per permettere l passaggo d una pccola quanttà d luce. Partamo dall potes che le lamelle sano rflettent al 5%. In fase d Progetto Defntvo s affnerà tale potes tramte msure su provno. A partre da questo modello d doppa pelle abbamo calcolato le temperature e l fattore solare per dfferent confgurazon d ventlazone dell ntercapedne d ara n due moment dvers dell anno. Le dverse confgurazon fanno rfermento alla permeabltà delle lamelle d vetro ( o 4mm) e all apertura d una o due bande n basso e n alto d ogn modulo d 4 pan.. Consderamo che l modulo sa d 4 pan, ma mostramo per un caso partcolare l effetto d una suddvsone della doppa pelle ogn pan. Legenda della tabella precedente: o ΔT medo: dfferenza meda d temperatura tra la doppa pelle e l ambente esterno o FS : Fattore solare La tabella mostra che una ventlazone della doppa pelle è necessara, ma che la permeabltà delle lamelle goca d per sè un ruolo fondamentale, n partcolar modo se è d 3 mm. Condzon mezza stagone Durante la mezza stagone la temperatura dell ara è meno elevata, ma la radazone solare è pù mportante n ragone d una nferore altezza del sole. Condzon clmatche Temperatura esterna C Flusso solare dretto ncdente 8 W/m Coeffcente d convezone esterno W/(m K) Coeffcente d convezone nterno 4 W/(m K) Confgurazone Superfce utle permeable ΔT e-s Ara [ C] Faccata mpermeable 45 % Permeabltà 3 mm 5.8 6% Permeabltà 3 mm+ lnea attva % Tutto aperto a % Sono confermat rsultat osservat n estate. Una permeabltà d 3mm potrebbe essere suffcente, ma s prefersce una banda d lamelle apert n alto e n basso per un modulo d 4 pan. Essa permetterebbe d rdurre leggermente l fattore solare e d evtare una temperatura troppo elevata n sommtà del modulo, che s tradurrebbe n una temperatura pù elevata della superfce del vetro radante verso l nterno. Per quanto concerne l fattore solare, s osserva che è possble ottenere de valor nferor a %. Inoltre ulteror calcol hanno evdenzato che l fattore solare dpende dall angolo d chsura del frangsole, dpendente a sua volta dall altezza del sole. Quando quest ultmo è molto alto l frangsole presenta una poszone pù orzzontale, ne consegue una maggore penetrazone d radazone solare dffusa. Ne calcol termc n corso consderamo per precauzone un valore del 5%, che c sembra adeguato a questo stado del progetto, n consderazone del fatto che l frangsole è automatzzato (spegamento e orentazone) per gestre n manera ottmale gl apport solar drett e dffus. FS Condzon estve In estate la temperatura dell ara è elevata, ma la radazone solare ncdente è d meda ntenstà n ragone della superore altezza del sole. Condzon clmatche Temperatura esterna 3 C Flusso solare dretto ncdente 5 W/m Coeffcente d convezone esterno W/(m K) Coeffcente d convezone nterno 4 W/(m K) Confgurazone Superfce utle permeable ΔT e-s Ara [ C] Faccata mpermeable 5 % Permeabltà 3 mm 5 8 7% Permeabltà 3 mm+ lnea attva % Tutto aperto a % Nota : Nel programma s tene conto del rscaldamento vertcale dell ara. FS Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 5

17 3/. Rduzone degl apport solar e nfluenza su consum per l raffrescamento L obettvo fnale della protezone solare consste nel rdurre gl apport entrant negl uffc. A partre da dat meteorologc statstc (dat orar per un anno tpo) per la cttà d Torno abbamo calcolato per la faccata Est e Ovest la radazone solare ncdente sulle faccate. Nella seguente tabella mostramo valor cumulat tra Aprle e Octobre, con un confronto tra gl apport entrant ne cas d faccata con e senza frangsole: Faccata Est Faccata Ovest 6 5 Aprle Maggo Incdente (kwh / m² d faccata) W/m 4 3 Gugno Luglo Agosto Settembre Entrante con FS =.6 (faccata standard) (kwh / m² d faccata) Entrante con FS =.5 (kwh / m² d faccata) ora Radazone solare meda per m² d faccata Est n estate e mezza stagone Dfferenza (kwh / m² al suolo) Rsulta nteressante confrontare la rduzone degl apport solar, dovuta alla presenza de frangsole, con gl apport total (apport ntern d persone, luce e sstem nformatc compres). Ipotzzamo degl apport ntern med par a 45W/m² (persone+luce+sstem nformatc), ovvero 45Wh/m² al gorno. W/m Aprle Maggo Gugno Luglo Agosto Settembre Tra aprle ed ottobre s contano crca 5 gorn lavoratv, ovvero degl apport ntern total par a 56kWh/m². Ne consegue una rduzone degl apport total par a: Rduzone degl apport total (%) Faccata Est Faccata Ovest ora Radazone solare meda per m² d faccata Ovest n estate e mezza stagone Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 6

18 La smulazone termca-dnamca permette d stmare l mpatto su consum e le potenze necessare al raffrescamento. Seguono rsultat relatv alle due al d uffc del pano tpo (ala Sud-Est e ala Nord-Ovest). Fabbsogno per l raffrescamento [kwh/m] FS =.6 - Ala Est FS =.5 - Ala Est 4/. Performance solare dello store (PSS) Approfondmento L effcenza solare del frangsole è un tema molto mportante nel calcolo della potenza d raffrescamento che deve essere nstallata sul sofftto degl uffc. I calcol prelmnar sono stat effettuat consderando per le faccate Est e Ovest un fattore solare par a.5. Durante l Progetto Defntvo l calcolo sarà affnato per meglo comprendere come debba essere poszonato l frangsole n funzone delle condzon clmatche (celo lmpdo o nuvoloso, poszone del sole, stagone ). D seguto presenteremo tale calcolo per l caso partcolare (ore 9 del mattno d un gorno d mezza stagone). o Esempo: 5 aprle, ore 9. S studa una superfce vetrata d.6m x.5m con un frangsole a lamelle d 7 mm d larghezza posto a 5 mm dalla faccata orentata a Est. Aprle Maggo Gugno Luglo Agosto Settembre Fabbsogno per l raffrescamento [kwh/m ] Ala Sud-Est 5 FS =.6 - Ala Ovest Vsta dalla poszone del sole (5 aprle, ore 9). Fabbsogno per l raffrescamento [kwh/m] 5 5 FS =.5 - Ala Ovest Aprle Maggo Gugno Luglo Agosto Settembre Fabbsogno per l raffrescamento [kwh/m ] Ala Nord-Ovest Il 5 aprle alle ore 9 (ora legale), essendo l sole puttosto basso, l effcaca delle lamelle è rdotta. V è dunque un rscho elevato d rscaldamento degl ambent ntern. D seguto vene rportato l ombreggamento calcolato ad ogn ora per lo stesso gorno, potzzando una poszone delle lamelle costantemente orzzontale. Ombreggamento, 5 aprle Ala Est Ala Ovest fabbsogno per l raffrescamento [kwh/m².an] FS =.6 FS = Rsparmo energetco 5% 46% I rsultat confermano un rsparmo del 5 %. Alle 9 del mattno, l ombreggamento creato dalle lamelle orzzontal è del 39%, la trasmssone solare è dunque del 6%. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 7

19 Alla stessa ora, l sole s trova ad un altezza d.5, nclnamo dunque le lamelle a Le lamelle rsultano qund essere perpendcolar a ragg solar e la trasmssone solare dretta è rdotta a zero. Tuttava, cò mplca una rduzone elevata dell llumnazone naturale e della vsta verso l esterno. S cerca dunque un nclnazone ntermeda delle lamelle: La seguente tabella comprende tre rghe d rsultat e una rga d anals. 5 aprle, ore 9 Coeffcente d Rflessone ρe della lamella Trasmssone dretta 6% 35% % % 5 aprle, ore Trasmssone dretta (%) 6 35 I rsultat ottenut mostrano che anche con un nclnazone rdotta della metà (34 nvece che 67.5 ), l sstema d protezone solare rmane ancora molto effcace. Lamelle a 34 Trasmssone dretta + rflessone sulla lamella grga Trasmssone dretta + rflessone sulla lamella allumno Commento.38 76% 58% 4% %.53 8% 66% 36% % Tutt ragg bloccat vengono rfless una volta L 85% de ragg bloccat sono rfless una volta, l restante 5% sono rfless due volte La quas-totaltà de ragg bloccat sono rfless due volte I ragg bloccat sono rfless verso l esterno Se s consdera un nclnazone d 34 rspetto all orzzontale, s può osservare una dmnuzone mportante dell effcenza del frangsole e un mpatto molto forte del colore delle lamelle sulla proporzone d energa trasmessa verso l nterno. Cò è dovuto al fatto che ragg che nvestono la superfce esterna d una lamella sono rnvat verso la superfce nterna della lamella superore e qund verso l nterno. Tuttava se la lamella è grga, la trasmssone energetca è del 4%, che combnata con un vetro d fattore solare.4 conduce à una performance globale d crca., coè 3% pù performante del valore utlzzato ne calcol del Progetto Prelmnare (tra.5 a.). Conclusone Questo studo prelmnare effettuato su un caso partcolare sfavorevole è decsamente ncoraggante, n quanto dmostra che una buona scelta del colore delle lamelle permette d evtare una chusura eccessva del frangsole (sono certamente dsponbl de color ancora pù scur). Cò sarà a benefco non solo dell llumnazone naturale (e dunque della rduzone de consum e degl apport ntern dovut all llumnazone artfcale), ma anche della vsta verso l esterno. Il calcolo è stato svolto n manera del tutto geometrca. Durante la fase del Progetto Defntvo verrà svluppato un algortmo al fne d calcolare la performance de frangsole per tutte le ore dell anno e per ogn angolo d nclnazone delle lamelle. È noltre prevsto d effettuare un certo numero d smulazon che permettano d quantfcare l mpatto del frangsole sulla radazone solare dffusa e sull llumnazone naturale, Fenomen d rflessone Tale approcco d calcolo dell effcenza energetca della faccata è assa nnovatore (n generale c s lmta a un fattore solare medo, che non ha pù grande sgnfcato nel caso d un sstema a lamelle) e permetterà un calcolo molto pù precso de bsogn d raffrescamento per m d superfce al suolo e dunque della superfce d sofftto che dovrà essere coperta da pannell radant. o Prncpo d generalzzazone PSS=f(poszone sole, poszone store=frangsole) (nota: da svluupars n fase d Progetto Defntvo) «β» S tratta d svluppare un algortmo capace d determnare le part d trasmssone solare che attraversano ll frangsole sa dretta, per rflessone sulle lamelle, che dffusa, per tutte le poszon del sole (spostamento del sole nell arco dell anno), per ogn poszone delle lamelle e per delle propretà d rflessone parametrabl. «α» Mese Gorno ora Φ nc Globale Φ nc Dretta Φ nc Dffusa α β φ Ρ e- store Φ Dretto trasmesso Φ Dretto Rflesso Φ Dffuso trasmesso Φ Globale trasmesso FS = φ Glob trasmesso φ Glob ncdente Per completare l anals è necessaro consderare fenomen d rflessone sulle lamelle. S consderano due tp d lamelle, grge o d colore allumno, per le qual la documentazone del fabbrcante «Gresser» fornsce de valor d rflessone energetca. S otterrà dunque una defnzone fsca d fattore solare, che c permetterà d consderare l nfluenza de var parametr e d determnare noltre l fattore solare dmensonante (l pù sfavorevole, da un punto d vsta termco e clmatco, rspetto alla clmatzzazone) e dunque d svluppare una stratega «GTB» (Gestone tecnca degl edfc) ottmale (llumnazone naturale vs. lmtazone degl apport termc). Tale approcco c permetterà d verfcare l effettvo raggungmento d un fattore solare globale (dmensonante) nferore a %, l che c permetterà d ottenere una superfce necessara d pannell radant nferore al 5% della superfce del sofftto. Prncpo d calcolo delle frazon trasmesse e rflesse, drette e dffuse: (Nota : quest calcol sono n corso d svluppo e convaldazone) Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 8

20 Parte dretta trasmessa : 5/. Calcol prelmnar d llumnazone naturale Sono stat svolt de calcolo prelmna del fattore d luce durna. Ess presentano la percentuale d luce dffusa del celo d cu possamo benefcare sul pano d lavoro degl uffc. Tale parametro è calcolato per un celo unformemente dffuso ed è dunque ndpendente dall orentazone. «β» «α» «d» Parte dretta «w» S tratta d determnare analtcamente gl angol sold (fattor d forma) vst da ragg: quello della lamella e quello dello spazo compreso tra le lamelle. Se lo spazo nfra-lamelle è superore allo spazo bloccato dalla lama, allora una parte della radazone solare è trasmessa n manera dretta. La porzone d Flusso Solare Dretto trasmesso è dunque: φ φ dr transm = dr nc d cos ( β ) w sn( α + β ) d cos( β ) Parte Dretta rflessa: Vsta del modello con grgla d calcolo all altezza del pano d lavoro rflessone «β» «ψ» rflesson «α» Il calcolo dventa pù complesso: Introducamo l angolo «ψ» (ψ = π/ - α - β) che defnsce, a seconda del segno, l orentazone delle rflesson (verso l nterno o l esterno). Se ψ è postvo, s calcola la porzone d frangsole nvestta da ragg: φ ( β ) e store ( α + β ) d cos = [ φ φ ] ρ w sn dr réfl dr nc dr transm Ottenamo dunque l calcolo della prma rflessone, ma solo una parte d questa entra drettamente all nterno; è necessaro dunque rpetere l calcolo fno a che le rflesson multple generano una radazone rsultante trascurable. Parte dffusa trasmessa : S tratta d determnare l ombreggamento creato dal frangsole sul pano stuato drettamente detro. Rsulta relatvamente semplce stmarlo n prma approssmazone, come una porzone d celo vsble: φ dff transm = φdff nc [ d w sn( α )] Tuttava tale potes è ottmsta, n quanto la radazone dffusa è per defnzone emsferca e cò complca molto l calcolo. S gunge nfatt a un calcolo del FLJ (fattore d luce durna) con e senza frangsole, per un orentazone α mposta: φ φ dff transm = dff nc FLJ ( avec store) FLJ ( sans store) Esstono dunque dvers grad d complesstà del problema: D, 3D, rflesson multple nfnte, FLJ, etc. C occuperemo dunque d svluppare l algortmo n fase d Progetto Defntvo. La stessa grgla ; scala d valor, zoom e valor numerc a 4, 7 e m dalla faccata I valor a 4m dalla faccata sono dell ordne d.8- %, l che è puttosto confortante. A 7m, raggungamo de valor compres tra e.%, che sono de valor gà abbastanza crtc ; a m (n fondo agl uffc), l FLJ raggunge.8-%, un valore puttosto debole. S nota dunque una lmtata penetrazone della luce naturale ; d altra parte s constata una certa eterogenetà, tenuto conto della profondtà degl uffc ( m). La presenza del sofftto, del pavmento e dell arredamento charo, capace d dffondere la luce, n partcolar modo verso l fondo degl uffc potrà contrbure a rendere pù omogenea la dstrbuzone della luce. D altra parte, è necessaro prevedere la combnazone con un mpanto d llumnazone artfcale, al fne d raggungere n ogn punto una suffcente lumnostà globale ( 3 lux). Il progetto deve permettere d benefcare al massmo dell llumnazone naturale per rdurre consum legat all llumnazone artfcale e gl apport ntern ad essa legat. Come è stato gà detto, uno studo pù approfondto sarà dunque svolto nel corso del Progetto Defntvo per la scelta de vetr (trasmssone lumnosa massma, Fattore solare mnmo);d altra parte, la poszone del frangsole sarà studata pù fnemente per trovare un optmum tra protezone solare e penetrazone della luce naturale negl uffc. Questo approcco condurrà noltre alla rcerca del massmo confort termco e vsuale. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 9

21 III. Muro Trombe /. Traggo termco a) Modello d traggo termco Obettvo: S cerca una relazone d tpo: veloctà fludo = f(temperatura fludo) Defnamo l asse neutro come luogo de punt n cu la pressone nterna è par a alla pressone esterna: P nt (z ) = P ext (z ) Tutte le aperture stuate al d sotto dell asse neutro sono delle entrate. Tutte le aperture stuate al d sopra dell asse neutro sono delle uscte In cascuna della aperture (, e 3) l fludo è accelerato o decelerato e d conseguenza è esposto a delle perdte d carco. In regme permanente e n caso d moto rrotazonale, ottenamo dall ntegrazone dell equazone d Naver-Stokes proettata sull asse del condotto: P nt ( z ) P ext ( z ) = ΔP a + ΔP ch arg e = ρ extv + fρ extvcondute = ρ D m * ext A Dove A è la sezone dell apertura. A * < A è la sezone effcace che tene conto delle perdte d carco, n questo caso nel solao. In fne, la conservazone della massa nel volume d controllo mplca: D = Coè: m z * (.I) A ( T T ) dz = z La rsoluzone d questa equazone permette d determnare la poszone dell asse neutro, nonché delle portate d massa e d volume. Nel caso d una temperatura omogenea all nterno del volume d controllo del camno, l equazone da rsolvere e l valore della portata rsultano: z=z 3 Sorte3 P> P nt (z), T nt (z) P ext (z), T ext g P= Axe neutre z=z Entrée z=z P< A * z z = * (.II) Dv = A gβ ΔT ( z z ) I calcol della portata sono fatt da un foglo d calcolo Excel che fornsce la soluzone dell equazone mplcta per l equazone (.II) n seguto alla determnazone del fattore d resstenza. In ragone della scarca termca del solao, l fludo s è gà rscaldato d qualche grado nel momento n cu arrva n prossmtà del muro d Trombe. In seguto, durante la salta verso l apertura superore, contnua a scaldars per scambo termco con la massa termca del muro d Trombe. S consdererà nel seguto dell anals un campo d temperatura lnearzzato della forma: T z) T = a( z z ) + b ( b) Anals del traggo termco dove a e b devono essere determnat n base all anals del rscaldamento del fludo. Entrée z=z Dpendenza da H Possamo osservare l evoluzone delle portate n funzone dell altezza H del camno. La portata vara n funzone della radce quadrata dell altezza H del camno..8.6 y =.389x.54 Ipotes : nel camno la veloctà del fludo è costante (sezone costante) e l moto del fludo s suppone essere lamnare. S ragona n termn d pressone statca per una denstà varable..4 Per un altezza z assegnata, n regme permanente, l ntegrazone n z delle equazon d Naver-Stokes fornsce la seguente equazone: z Pnt ( z) Pnt ( z ) = ρ nt g. dz ΔPcharg e _ nt z, dove Δ P charg e _ nt rappresenta le perdte d carco nel camno legate alle forze d dsspazone vscosa. All esterno, l fludo è a rposo e la sua denstà d mantene costante. débt volumque (m3/s) Debt volumque Pussance (Debt volumque ) P ext ( z) Pext ( z ) = ρ ext g ( z z ) In ogn punto del camno abbamo, z nt ( z) Pext ( z ) = ( ρ nt ρext ) g. dz ΔPcharge _ nt z P E ntroducendo l approssmazone d Boussnesq : z nt ( z) Pext ( z ) = ρ ext gβ ( T T ). dz ΔPcharge _ nt z P hauteur de la chemnée (m) Influenza dell altezza del camno sulla portata Portata = débt volumque Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

22 D conseguenza l altezza del camno deve essere la possble. La dsposzone delle entrate nvece deve essere pù bassa possble. Dpendenza dalla sezone d uscta.8 /. Fenomeno d carca e scarca termca del muro d Trombe Rappresentazone de fenomen fsc.7 débt volumque (m3/s) Debt volumque Irraggamento Solare Perdta Conduzone Perdta Irraggamento IR Conduzone. 5 5 Convezone naturale Convezone msta secton de sorte(m²) Influenza della sezone d uscta sulla portata Portata = débt volumque D conseguenza, l rapporto tra sezone d entrata e sezone d uscta deve essere preso l pù pccolo possble massmzzando l pù possble la superfce d entrata (dmnuzone delle perdte d carco). Gorno Notte Dpendenza della portata dalla scabrezza ( rugosté ) della parete I coeffcent d convezone débt volumque relatf.%.% 98.% 96.% 94.% 9.% 9.% 88.% 86.% 84.% rugosté(mm) D conseguenza, è preferble che la scabrezza sa nferore a mm. Debt volumque La convezone termca è uno de meccansm fondamental dello scambo d calore. Essa s genera fra un fludo e una superfce avent temperature dfferent. φ S > F = h ( TF TSparo ) La condzone fondamentale necessara affnché s svlupp la convezone è che l fludo sa n moto relatvo rspetto alla superfce nteressata. La sola dffcoltà nella determnazone del coeffcente d scambo convettvo è la scelta tra le molteplc defnzon del numero d Nusselt rscontrabl n letteratura. La mutua dpendenza tra l coeffcente convettvo e la temperatura del fludo può nvece essere rsolta per terazone. Le grandezze admensonal della convezone. Le grandezze admensonal della convezone sono: v D ρ Re = - Numero d Reynolds: μ μ Pr = λ - Numero d Prandtl: ar - Numero d Grashof: : - Numero d Nusselt: : - Numero d Raylegh: c p β g ΔT ρ D Gr = μ hc D Nu = = λ ar ; ; ; 3 β g ΔT ρ D Ra = Pr Gr = μ λ ; ar 4 Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

23 Nu è funzone d Ra (retta n dagramma blogartmco): Nu = A Ra k Dove T,j è la temperatura meda d T e T j n Kelvn. Calcolato Nu, possamo dunque calcolare: h c Nu λ = D La lunghezza caratterstca per dvers cas è rappresentata da: - Passaggo d ara attraverso l solao: D=dametro draulco (D H ) - Superfce vertcale: D=altezza della superfce - Intercapedne d ara: D=larghezza dell ntercapedne ar. Massa Termca Modellazone per dfferenze fnte Il metodo consste nel modellare l muro n n element, per cascuno de qual è possble consderare che la temperatura e l calore trasmesso sono costant durante un certo ntervallo d tempo Δt. Convezone naturale Muro d Trombe Nu Per K = A Ra, hc = Nu λar / D 7 3 < Ra possamo assumere: A=.3 e k=.33. < Tfl, Tsurf, - + n- n q q q q(+) qn q(n+) Tfl,n Tsurf,n Vetro esterno All esterno abbamo una combnazone d convezone naturale e convezone forzata, dunque l coeffcente d scambo convettvo deve essere aggustato n modo da tenere conto dell effetto del vento: h c = *.89 ( h ) (.38 v ) c + Convezone forzata Solao Muro d Trombe Nu =.8. Re Pr.33 Per ogn Δt, l flusso d calore trasmesso n ogn volume d controllo è da consderars costante e vale: T T q H T T j+ j+ j+ j+ j+ = = Δx Δx + + R λ λ ( ) Al passaggo d ara nella cavtà del muro d Trombe s ha un contemporaneo effetto d convezone naturale e forzata. Pertanto l coeffcente d scambo convettvo totale è valutato come: ( h ) ( h ) h = + c, tot c, n c, f Il coeffcente d scambo radatvo Le sollectazon radatve possono essere classfcate n due grand categore: l rraggamento a grande lunghezza d onda (flusso termco emesso dagl oggett rscaldat) e l rraggamento a corta lunghezza d onda (flusso solare ncdente). I vetr sono quas totalmente opach alle sollectazon delle grand lunghezze d onda, mentre sono trasparent alle sollectazon a corta lunghezza d onda. Il flusso netto globale scambato per radazone a grande lunghezza d onda tra due superfc parallele opache vale: Q, j A = ε eq σ ( T T ) = σ ( T T ) j + ε ε 5.67 σ = costante d Stefan-Boltzmann = ε = emssvtà della superfce Possamo lnearzzare l equazone: Q h, j A R = ε eq eq σ = ε σ j 8 W 4 K m j ( T T )( T + T ) = ε σ ( T T )( T + T )( T + T ) = h ( T T ) j ( T + T j )( T + T j ), j j S potrebbe eventualmente semplfcare l espressone del coeffcente d scambo termco eq j j j R j R è la resstenza fra due volum d controllo (resstenza convettva, dovuta alla presenza d uno spazo d ara), ma, vsto che nel nostro muro non sono prevste ntercapedn d ara, l termne R può essere consderato nullo. Il flusso d calore mmagazznato da ogn volume d controllo corrsponde ad un salto d entalpa tra due ntervall d tempo Δt successv (j, j+). h h Δx ρ c q q x T T K T T Δt Δt j+ j j+ j+ j+ j j+ j + =Δ ρ = = Dunque la soluzone può essere scrtta nella forma seguente: j ( + j j ) ( + j + j j ) ( ) K T T = H T T H T T ( ) H T + T K + H + H H T = T K j+ j+ j+ j A T + B T + C T = D j + j + j + + E n forma matrcale: ( ) ( ) j+ B C T D j A B C + T D j+ j+ = AT = D T = A D j+ An Bn T D n n Per quanto rguarda le superfc estreme del muro la defnzone de coeffcent della matrce A è dfferente, poché ntercorrono degl scamb d calore per convezone con l ara e per rraggamento con le altre superfc. h R eq 3 ( T + T )( T + T ) ε T = ε σ σ j j 4 eq, j T corrsponde a T s3, T n corrsponde a T s4, T fl corrsponde a T ag, T fln corrsponde a T nt et T surf, corrsponde a T s. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B

24 Superfce esterna = : ( ) ( ) q =Φ + h T T + h T T j+ j+ j+ j+ j+ s C fl, R surf, T T q H T T j+ j+ j+ j+ j+ = = Δx Δx + + R λ λ ( ) Vetro Modellazone senza nerza termca La dscretzzazone del vetro comporta degl spessor de volum d controllo molto rdott e d conseguenza l ntervallo temporale necessaro dventa troppo pccolo (~ sec), l che c obblgherebbe a de temp d calcolo troppo lungh. Dunque per l calcolo delle temperature d superfce del vetro abbamo adottato una modellazone che non tene conto dell nerza termca del vetro, tenendo presente l fatto che trascurarla non comporta degl error troppo mportant 3. Per descrvere gl scamb termc che ntervengono nel vetro, c servamo del modello analogco. Innanztutto bsogna effettuare un potes sulla dstrbuzone delle temperature per determnare la drezone del flusso d calore e, a partre da questa prma confgurazone, possamo qund scrvere le equazon che governano la trasmssone del calore. Partamo dall potes che (Text, Tcel)<Ts<Ts<Ts3, Tag. Il flusso d calore segurà dunque le drezon rappresentate n Fg. 4. Non bsogna noltre dmentcare l contrbuto della radazone solare assorbta dal vetro. T j+ j j+ j+ ( K + H + H ) T H = T K + Tsurf, hr + T fl, hc + Φ j+ s H = h c + h Con r. j+ j+ B T + C T = D Per la superfce nterna =n: ( ) ( ) q = h T + T + h T T j+ j+ j+ j+ j+ n Cn n fl, n Rn n surf, n T = T fl, n surf, n Ipotzzando, possamo semplfcare l equazone: j+ j+ j+ Tn Tn j+ j+ qn = = Hn ( Tn Tn x ) j j j j j Δ n Δx q + n n hcn hrn T + n T + fl, n Hn T + n T + + = + = + fl, n + + Rn λn λn j+ j+ j j+ Hn Tn + Tn ( Kn + Hn + Hn+ ) = Tn Kn + Tfl, n Kn A T + T B = D j + j + n n n n n ( ) ( ) ( ) La scelta dell ntervallo temporale approprato è molto mportante e una scelta sbaglata può condurre a degl error grossolan d calcolo. Consderando che è possble defnre degl spessor dfferent, l valore massmo che può assumere Δt é: Δ mn.5 x Δ = max a ( t) Modello analogco per l vetro Secondo l modello analogco, possamo scrvere le equazon della conduzone, della convezone e dell rraggamento facendo l equlbro a nod degl scamb termc n goco. Φ αeq λ noeud: + ( Ts Ts) hr ( T T sky ) hc ( T Text ) = e Φ αeq λ noeud : ( Ts Ts) + hr ( Ts3 Ts) + hc ( Tag Ts) = e 4 τ r ' αeq = α + r r ' Φ = radazone solare ncdente; Possamo rscrvere sotto forma matrcale le equazon e dedurre le temperature delle superfc. λ λ Φ αeq + hc+ hr hc Text hr Tsky e e + + Ts λ λ T = s Φ αeq + hc + h R + hc Tag + hr T s3 e e AT = b T= A b = = Cft manuale d Bsm. 3 Nel caso d un doppo vetro solante è possble e convenente modellare n element anche l vetro attrbuendo ad ogn strato un volume d controllo. 4 Flusso entrante (+), flusso uscente (-) dal nodo. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 3

25 Composzone del muro d Trombe La composzone del muro d Trombe avvene legando blanc degl scamb termc sulle superfc del vetro e della massa termca. Come gà specfcato, la mutua dpendenza tra valore del coeffcente d convezone/radazone e temperature d superfce e dell ara è rsolta per terazone graze a un codce d calcolo Vsual Basc mplementato nel foglo d calcolo Excel. La superfce nterna della massa termca è consderata perfettamente adabatca (h C =, h R =). Ventlazone del Muro d Trombe D gorno la temperatura nella cavtà dpenderà dagl scamb termc per convezone (naturale) con le superfc che la delmtano, ovvero la superfce nterna del vetro e la superfce assorbente del muro d Trombe. D notte, la ventlazone del camno comporterà un evacuazone d calore con conseguente dmnuzone della temperatura dell ara. Il valore d quest ultma puo essere dunque calcolato a partre dalla seguente equazone d blanco degl scamb termc n goco. Blanco: m c p ( T nlet T ag )+ h S ( T s T ag )+ h 3 S 3 ( T s3 T ag )= A ( T nlet T ag )+ B ( T s T ag )+ C ( T s3 T ag )= Dunque: T ag = A T nlet + B T s + C T s3 A + B + C (Durante l gorno, quando l sstema non è ventlato, l termne A=). Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 4

26 IV. Solao a doppa soletta /. Perdte d carco Obettvo: Descrvere qualtatvamente e quanttatvamente le perdte d carco n funzone della confgurazone geometrca e della veloctà. Descrzone della struttura del condotto Fasco d ostacol: ( D, x x ) f = Nobstacleg h, t, con N obstacle numero d ostacol, Dh dametro draulco, x l e x t dstanze longtudnal e trasversal tra gl ostacol, l g è una funzone emprca rcavata da tabelle. Localzzate: n s f = per un cambamento d sezone (n= per un apertura, n= per una chusura) S Il calcolo delle perdte d carco sarà affnato nel corso del Progetto Defntvo graze all auslo della CFD. Trombe wall A } Corrdor (, m large) Seguono le proporzon d tal fattor d resstenza per la confgurazone n esame: Percentuale delle Perdte contnue Perdte localzzate perdte d carco Ostacol n sere Condott n sere allargamento restrngmento Entrata 4.7% 7.7%.% 4.3% 4.% Notamo che la presenza degl ostacol rappresenta la fonte maggore d perdte per attrto. B In ordn d grandezza, la perdta d carco totale raggunge l valore d crca Pa, che costtusce crca l 5% del traggo termco totale. { Zone I II { Zone II II } Façade ( m large) Consderazon general In manera generale e ntutva, s deduce che nelle due regon: La superfce de condott e degl ostacol deve essere la pù lsca possble, La dstanza tra gl ostacol deve essere massmzzata, Il dametro draulco deve essere mnmzzato, Gl ostacol devono essere l pù possble sagomat. Nel nostro caso partcolare, alcune queston struttural dovranno essere studate n dettaglo. Il fludo entra nel solao e ncontra due sere d ostacol: quest sono costtut da raccord n calcestruzzo che garantscono la coesone della struttura. Nella regone I, gl ostacol sono fn e rettangolar. Nella regone II, gl ostacol sono puntual e a base crcolare. Lo scopo d tale confgurazone è d restture al fludo l moto che avrebbe n assenza d ostacol. Il nostro scopo consste nel mnmzzare l fattore d resstenza. Corrdoo e faccata Ne due lat del solao che delmtano l moto del fludo (lato faccata e lato corrdoo), la struttura non deve presentare cavtà, per evtare l nsorgere d zone morte, n prossmtà delle qual l fludo, fortemente rallentato, dsspa una grande parte della sua energa. Metodo: stma realstca del fattore d resstenza. Con le notazon usual, fenomen d attrto conducono a una dfferenza d pressone: Δ P charg e = fρ V condute Per l calcolo del fattore d resstenza f, utlzzamo le relazon emprche usual. Osservamo la presenza d: perdte d carco lnear dovute alla presenza de condott d dametro draulco basso e alla rpetzone degl ostacol n certe zone. perdte d carco localzzate dovute alla presenza d allargament e restrngment della sezone lungo l condotto. Le perdte d carco sono sommate n sere n modo da ottenere una dfferenza d pressone totale dovuta alle perdte per attrto. La larghezza della zona pena n lato faccata deve essere mnmzzata al fne d dmnure le perdte e massmzzare la superfce d scambo termco. Infatt, pù tale regone è stretta pù la sezone d passaggo dell ara è mportante. Correlazon mpegate: Lnear:.5 f =. k 5.74 log DH Re + L D h con L lunghezza del condotto, Dh dametro draulco, k rugostà, Re numero d Reynolds Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 5

27 Regone «a monte» Campo d veloctà e campo d pressone per otto fle Forma degl ostacol: Uno studo basato sul calcolo del fattore d resstenza rvela che dealmente è preferble scndere l moto n 9 condott pù strett (caso ) puttosto che d sottomettere l moto a una sere d 8 ostacol rettangolar che generano delle fort perdte vscose (caso ). Caso Caso 8 rows Dead flud Area II hgh pressure Area I Fattore d Perdte contnue n parallelo Perdte sngolar resstenza f Ostacol n sere Condott n sere allargamento restrngmento Totale Caso Caso L nstallazone d un deflettore mpedsce l accumulo d fludo ne press dello spgolo che genera una sovrapressone. Cò permette d rdurre l fattore d resstenza totale del 3%. In realtà tale dmnuzone è dovuta al fatto che l cambamento d sezone è meno brutale e d conseguenza le perdte d carco localzzate sono nferor. Vettore veloctà con e senza deflettore: Osservamo una dmnuzone del fattore d resstenza d crca 5%. I bord d attacco degl ostacol devono essere l pù possble sagomat. La dstanza tra l entrata del condotto e l uscta d ara nell edfco dev essere massmzzata per accorcare la regone de condott strett. Cò permette d lmtare l pù possble le perdte d carco contnue. Regone «a valle» In questa regone che precede l cambamento d sezone, l dmensonamento è essenzale n vsta della mnmzzazone del fattore d resstenza Forma degl ostacol Gl ostacol sono nvestt dal fludo con un ncdenza varable. Una forma crcolare permette d ottmzzare la sca dell nseme d ostacol. Numero d fle d ostacol L ottmzzazone della lunghezza della regone è una questone assa complessa. Rcordamo che l ruolo d questa regone è la modfcazone progressva del campo d veloctà prma del cambamento della sezone. È necessaro prevedere le seguent consderazon: Se la regone è troppo lunga, l numero d ostacol ncontrato dal fludo è troppo elevato e l fattore d resstenza dventa elevato. Se la regone è troppo corta, la transzone d sezone è brutale. Il fludo accelera fortemente ne press della parete e tale accelerazone dà luogo a delle fort frzon vscose. Uno studo basato sul metodo degl element fnt e utlzzando l programma FreeFem ++ c ha permesso d determnare la soluzone tecnca ottmale. Trovamo la soluzone dell equazone d Naver-Stokes (.II). S tratta d uno studo parametrco utlzzando una geometra approssmata per smulare l moto del fludo. Lo studo mostra che la scelta d 8 fle d plastr anzché d 6 mglora quanttatvamente l fattore d resstenza totale del %. Champ d pressone con deflettore Lower pressure Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 6

28 /. La scara termca del solao Determnazone de coeffcent termc La scarca termca (raffreddamento) del solao è asscurata prncpalmente dalla crcolazone notturna dell ara al suo nterno. Il traggo termco, che permette d generare l moto dell ara, è asscurato dal muro d Trombe stuato n faccata Sud. T F ( x) x = TF () + T pm e u / xc du e x / x x xc rappresenta la lunghezza fsca che deve avere la pastra affnché l fludo s scald sgnfcatvamente per raggungere la temperatura Tpm. Il suo valore decresce al crescere della veloctà. Infatt, se l fludo è troppo rapdo non ha l tempo d scaldars. La lmtazone da rspettare è dunque che la lunghezza del condotto sa crca uguale a xc. Inoltre xc non deve essere né troppo nferore (la soletta è nsuffcentemente ventlata), né troppo superore (la soletta è ben ventlata solo n parte). Calcestruzzo Calcestruzzo Convezone forzata Irraggamento IR Per una dfferenza d temperatura meda d 5 grad, abbamo stmato l valore d xc con parametr dmensonal per delle veloctà ottenute dal traggo termco: v (m/s).5. xc (m) L(m) 33 Uno studo temporale della temperatura all nterno del solao conduce alla rsoluzone totale del sstema (solao + locale uffc). Tale calcolo è eseguto dal programma d smulazone termca dnamca BSm (cft IV). 3/. La carca termca del solao Convezone naturale Prncpo d raffreddamento della soletta per convezone e rraggamento Nel condotto, c trovamo n convezone forzata turbolenta (Re>4 nel nostro caso). Il numero d Nusselt è determnato dalla correlazone:.8.3 Nu =.3.Re Pr, che c permette d determnare l coeffcente h d convezone per l caso analzzato. Nella zona uffc c trovamo nvece n convezone naturale con un sofftto caldo e una stanza pù fredda (caso sfavorevole); Nu =.7. Ra.5 Anals fsca: blanco termco nel condotto. Determnazone de coeffcent termc Il sofftto goca dunque un ruolo molto mportante : deve poter assorbre le calore dell ara durante l gorno per restturle po durante la notte, sa all ara che crcola nella cavtà del solao sa, sebbene n mnor quanttà, alla zona uffc ventlata n modaltà free coolng. Per permettere l acceso dell ara all nerza del sstema, è necessaro che parte del sofftto non rmanga coperta. Lo sfruttamento dell nerza termca è un punto fondamentale dell approcco boclmatco: essa permette d dmnure bsogn d clmatzzazone lmtando l aumento della temperatura nella zona degl uffc. Una parte dell energa termca vene nfatt accumulata dalla massa termca (l calcestruzzo) anzché rmanere nell ambente nterno. Ara mmoble Calcestruzzo Calcestruzzo Ambente nterno Convezone naturale Irraggamento Prncpo d «carca» n calore del sofftto per convezone e rraggamento S consdera un modello monodmensonale ed un blanco termco n x e n x+dx tra due pastre supposte d lunghezza nfnta. Sa v la veloctà del fludo n moto, s ottene: T h h Vρ c = + coè TF xc = ( T Tpm) x e e x F v p ( Tp TF ) ( Tp TF ) Nella zona uffc samo n presenza d convezone naturale con un sofftto caldo e una stanza fredda (caso favorevole) : Nu =.4. Ra / 3 con : Tp + Tp Tpm = e Nu e. x c = e. = Re 4Pr Re 4St (conduzone) e l flusso trasportato (convezone). dove St è un coeffcente admensonale che esprme l rapporto tra l flusso trasferto La soluzone per l caso generale s scrve: Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 7

29 Anals CFD All nzo del Progetto Prelmnare è stata effettuata una smulazone d tpo «CFD» (Computatonal Flud Dynamcs), al fne d studare l nfluenza de pannell radant sugl scamb termc tra gl uffc e l sofftto. Questo studo mostra qualtatvamente le mplcazon ndotte dal rcoprmento del sofftto nel processo d carca/scarca termca del solao. Pannell Radant Uffc: vsta n panta Modello 3D per l anals fludo-dnamca (CFD) Dall mmagne seguente s nota che le zone coperte benefcano d un coeffcente d convezone nferore a quello relatvo alle zone esposte. Zone esposte Zone coperte da pannell Proflo de coeffcent d convezone a lvello del sofftto (Valor n W/m².K] La presenza de pannell comporta noltre un effetto d maschera per quanto concerne gl scamb per radazone tra l sofftto e le altre superfc. D conseguenza la sola superfce utlzzable per la carca/scarca della massa termca è quella esposta. Un sofftto nteramente rcoperto d pannell annullerebbe ogn possbltà d sfruttamento dell nerza termca, la quale costtusce la ragone prmara del raffrescamento notturno. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 8

30 V. Rsoluzone del sstema globale /. Procedmento globale /. Il programma Bsm B sm Apporto termco uffc Per l anals s utlzzano due programm, (Excel e Bsm), che corrspondo rspettvamente a due regon del sstema (muro d Trombe e solao+spazo uffc). V sono essenzalmente due metod d calcolo: I metod della termodnamca per sold (dfferenze fnte e metod nodal) I metod della meccanca de flud n regme permanente (correlazon emprche e modell fsc analtc) h convettvo Portata meda Anals termca solao (metodo nodale) Temperatura d parete uffc+condotto Blanco termco uffc+condotto Consumo d energa Apporto termco uffc Dat meteo Dat geometrc Excel Portata meda h convettvo Bsm Consum d energa Temperatura solao Lo studo è effettuato per smulazone termca dnamca a patre dal modello del pano tpo, con l programma «BSm», creato dal Dansh Buldng Research Insttute. Presentazone generale : Temperatura Solao Defnamo dverse zone d studo (o zone termche), n partcolare gl uffc n prossmtà delle faccate. Il nostro studo s concentra sugl uffc orentat a ovest. Uno de parametr fondamental dello studo è l sto n questone caratterzzato dalle condzon clmatche e dall orentazone dell edfco. I dat clmatc sono fornt dal programma d rfermento Meteonorm 4. (meda su 5 ann delle msurazon meteorologche esegute nelle stazon meteo) e mportat nel programma. S tratta dunque d defnre le caratterstche dell nvolucro per ogn zona, con una descrzone geometrca dello spazo (n 3 dmenson) e una defnzone della natura delle paret (multstrato, component, propretà fsche, coeffcent termc, fattore solare, etc.) Tra le zone possono esserc scamb termc nelle tre forme: conduzone, convezone e rraggamento. La conduzone é defnta dalla propretà della parete : spessore e conduttvtà termca d ogn strato ; per la parete l programma utlzza l metodo nodale, con una dscretzzazone del tempo e dello spazo che può essere defnta dall utente La convezone s realzza tra le paret e le zone adacent ; coeffcent d convezone devono essere defnt dall utente. E stato realzzato uno studo specfco de coeffcent d ventlazone naturale per ogn parete : pavmento, mur vertcal, sofftto. L rraggamento è calcolato tra le paret, con l metodo de fattor d forma ; l emssvtà delle paret è anch essa defnta dall utente, sa per lo spettro solare che per l nfrarosso (IR). Inoltre, l nerza delle paret rappresenta un elemento fondamentale del comportamento termco dnamco ; parametr che nfluscono n questo fenomeno sono : la conduttvtà termca, la denstà e l calore specfco d ogn elemento. E comunque convenente nteressars alle zone termche stesse e a loro scamb termc : le font d energa dovute alla presenza delle persone, agl mpant d llumnazone, alle apparecchature o ancora la rscaldamento. Il tasso d occupazone o d utlzzo d queste dverse component deve anch esso essere defnto dall utente Nel nostro caso abbamo : 5 W/persona d apparecchature elettronche W/m² d mpanto d llumnazone 5 persone per la zona «open space», con W/pers per un attvtà d lavoro normale h d occupazone al gorno (tra le ore 9 e 8) Queste dverse font d energa sono consderate rpartte n manera omogenea, l che rappresenta una buona approssmazone. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 9

31 I coeffcent d convezone sulla superfce nterna della doppa soletta (cavtà del solao) sono calcolat per correlazon dal programma Excel, e sono qund nsert all nterno del programma. Durante l gorno, nella zona «Solao» non avvene nessun rcambo d ara e la temperatura d questa zona è uguale a quella della parete della soletta n calcestruzzo, non avvene dunque nessuno scambo convettvo. Al contraro, durante la notte, mponamo un rcambo d ara provenente dall esterno, la cu portata è determnata dal traggo termco del muro Trombe. Sappamo che l ara s scalda durante l suo percorso nella cavtà del solao ; per tener conto d questo rscaldamento,e per stmarlo n manera affdable, abbamo longtudnalmente dvso l solao n 9 porzon. Per la prma porzone l ara provene dall esterno, n seguto ogn porzone rceve l ara rscaldata dalla porzone precedente. modello Bsm S osserva che tale rscaldamento progressvo dell ara fra l esterno e l ultma porzone (appena prma dell ngresso nel muro Trombe). è dell ordne d.5 K (n meda) Allo stesso modo s defnsce una fonte fredda (clmatzzazone) per la quale l utente ndca l tpo d scambo energetco (proporzone d scambo per convezone/radazone), la potenza massma, la curva d funzonamento, la temperatura d consegna, etc. Inoltre, una componente evdente del blanco termco d un locale è l suo tasso d rcambo d ara. E possble defnre l ara come provenente drettamente dall esterno (nel qual caso, la clmatzzazone dovrà fornre l energa necessara a raffreddare l ara) oppure come drettamente raffreddata da una battera fredda corrspondente alla CTA (centrale d trattamento dell ara). Quest due metod sono equvalent dal punto d vsta de consum energetc. Nel nostro caso abbamo un rcambo d ara d vol/h nel perodo d occupazone e una ventlazone notturna d 4 vol/h. Nel corso della smulazone vene effettuato un blanco termco; esso è combnato allo scambo e all accumulo d energa nelle paret, e vengono esegute numerose terazon per asscurare la convergenza a ogn ntervallo temporale. Cf. «Help Fle» e «Mathematcal Bass» del programma E dunque nteressante studare n partcolare la modellazzone del solao a doppa soletta : Modellazone del solao Studamo l nfluenza dell nerza della soletta nferore del solao sulla zona uffc sottostante. Per smulare l passaggo d ara all nterno del solao, ntroducamo un elemento «zona» fra ogn pano, le cu dmenson sono rappresentatve della vera ntercapedne della doppa soletta (volume, superfce d scambo). E n questa tappa d calcolo che Bsm costtusce esso stesso un ngranaggo della catena d calcolo, poché tale rscaldamento è un fenomeno mportante nella valutazone dell elevazone globale della temperatura dell ara nel percorso dall esterno alla sommtà del camno. Inoltre questo rscaldamento medo deve essere ntrodotto nel termne d rscaldamento globale dell ara (all nterno della cavtà del muro Trombe) determnato dal programma n Excel. Il solao costtusce dunque anch esso una parte del motore termco del sstema d ventlazone naturale. Renzo Pano Buldng Workshop Progetto Torre Intensa Sanpaolo Torno Progetto Prelmnare Modfcato B 3