La simulazione termo-energetica dinamica e l'integrazione tra prestazione energetica e comfort degli ambienti confinati

La simulazione termo-energetica dinamica e l'integrazione tra prestazione energetica e comfort degli ambienti confinati

La natura del problema e il contesto in cui si colloca La domanda di energia per riscaldamento, raffrescamento e illuminazione negli edifici è strettamente legata ai livelli richiesti di comfort termico e visivo. L'indagine del rapporto reciproco tra qualità dell ambiente interno e domanda di energia è di basilare importanza per il conseguimento dell'obiettivo della realizzazione di edifici near carbon neutral., come indicato dalla recente direttiva europea 2010/31/UE. Per ottenere prestazioni elevate e bassi consumi energetici, un approccio progettuale integrato, dalla fase di concept design sino alla costruzione è necessario per accoppiare istanze progettuali con le problematiche connesse alle prestazioni energetiche e ambientali dell edificio.

La natura del problema: lo sviluppo del concept Con riferimento alla proposta di norma ISO/WI 12655 Presentation of real energy use in buildings, il progettista deve avere presente che il sistema energetico con il quale si confronta è essenzialmente suddiviso in tre moduli: il sistema edificio, che esprime una domanda di energia Eb costituita dagli usi finali e dunque sotto forma di energia elettrica, termica e frigorifera; il sistema impiantistico di cui l edificio è dotato, che esprime una domanda di energia Et (comprensiva di Eb); il sistema di produzione/trasformazione dell energia di cui è dotato l edificio (o un insieme di edifici), che esprime la domandaenergetica Ed (comprensiva di Et). Il concept energetico di un edificio, a partire da questa struttura, deve svilupparsi in uno studio di successivo affinamento che, con lo sviluppo del processo procettuale, consenta di conseguire gli obbiettivi di efficienza energetica

Strumenti di progetto e valutazione Rating system per la certificazione del livello di sostenibilità Metodi qualitativi (metodi a punteggio) Basati su liste di requisiti (criteria) a ciascuno dei quali viene attribuito un giudizio di valutazione su scala numerica (score). Si perviene ad un punteggio globale che esprime quanto è sostenibile l edificio in esame (pagella ambientale)

Il quadro dei requisiti connessi alla prestazione energetica: LEED NC 2009

Il quadro dei requisiti connessi al comfort degli spazi confinati: LEED NC 2009

Il quadro dei requisiti connessi al comfort degli spazi confinati: LEED NC 2009

Strumenti di calcolo: Modelli per la simulazione termoenergetica dinamica Stimare: 1. i consumi energetici per riscaldamento e raffrescamento, ma anche: 2. le condizioni di comfort termico e visivo 3. il consumo elettrico per illuminazione artificiale 4. le emissioni di inquinanti in atmosfera 5. la producibilità di impianti alimentati a fonti rinnovabili.

Panorama Europeo Panorama Nazionale DECRETO DEL PRESIDENTE DELLA REPUBBLICA 2 aprile 2009, n. 59 Regolamento di attuazione dell'articolo 4, comma 1, lettere a) e b), del decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192, concernente attuazione della direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico in edilizia. 27. L'utilizzo di altri metodi, procedure e specifiche tecniche sviluppati da organismi istituzionali nazionali, quali l'enea, le università o gli istituti del CNR, e' possibile, motivandone l'uso nella relazione tecnica di progetto di cui al comma 25, [ ] o) per gli edifici di nuova costruzione del settore terziario con volumetria maggiore di 10.000 m 3, l'influenza dei fenomeni dinamici, attraverso l'uso di opportuni modelli di simulazione, salvo che si possa dimostrare la scarsa rilevanza di tali fenomeni nel caso specifico.

Version 1 Version 2 Version 3 ESRU Energy System Research Unit Strathclyde University - Glasgow

Implicazioni tra prestazione energetica ed ambientale ed effetti sul progetto Un tema significativo, legato allo studio della prestazione energetica di un edificio riguarda l interrelazione tra essa e le condizioni ambientali interne attese. La domanda di energia per riscaldamento, raffrescamento e illuminazione negli edifici è strettamente legata ai livelli richiesti di comfort termico e visivo. EN 15251 Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of building addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics

Il caso studio Il caso studio individuato per eseguire la valutazione connessa alla prestazione energetica e al comfort ambientale indoor è un edificio per uffici sito in Torino (Zona Climatica E). Il fabbricato scelto è articolato su 20 livelli fuori terra, ognuno dei quali presenta quattro uffici open space (A-B-C-D) disposti ai lati, serviti da due corridoio un vano centrale per servizi e quattro corpi scala. Le valutazioni vengono eseguite senza la proposta di un layout funzionale prestabilito che organizzi le postazioni di lavoro in modo puntuale. La suddivisione del volume climatizzato segue l articolazione degli ambienti, ognuno dei quali è modellato come una zona termica singola. I locali di servizio, scale e accessi sono stati considerati locali non climatizzati. Si è ipotizzato di applicare al volume edilizio tre soluzioni di involucro, per le quali le tecnologie edilizie impiegate sono le stesse, ma ne varia l estensione rispetto al totale della superficie di facciata disponibile. Nello specifico sono stati definiti tre valori di rapporto tra superficie trasparente rispetto a quella opaca, pari rispettivamente a 25%, 50% e 90% del totale delle superfici verticali delle facciate.

Il caso studio: edificio per uffici Tre soluzioni di involucro con progressivo incremento della superficie vetrata

Zone termiche SLP [m 2 ] Volume [m 3 ] Open space NORD 300 1050 (A) Open space EST 200 1050 (B) Open space SUD 300 700 (C) Open space OVEST 200 700 (D) Corridoio SUD 72 252 Corridoio NORD 72 252

Requisiti connessi al comfort termico La definizione dei dati di input utili alla valutazione delle condizioni di comfort termico per gli spazi confinati è basata della norma EN 7730:2005 per l analisi del livello di sensazione termica provata all interno dei locali. Basandosi su tale norma si definiscono i valori di resistenza termica del vestiario nel periodo invernale in quello estivo. Si conside una densità di occupazione tipica per locali e si fissa un livello di attività degli occupanti, di lavoro leggero da ufficio, con produzione di un flusso endogeno. Il riferimento in termini di output atteso è quello contenuto nella norma EN 15251:2007 Annex A tabella A.1 che individua i valori di PMV e PPD compresi nella diverse classi di qualità ambientale. Categoria Stato termico del corpo umano PPD [%] PMV I <6-0,2<PMV<+0,2 II <10-0,5<PMV<+0,5 III <15-0,7<PMV<+0,7 IV >15 PMV<-0,7 oppure PMV>+0,7

Requisiti connessi al comfort visivo La norma UNI EN 12464-1:2002 Light and Lighting Light of work places Part 1: Indoor work place specifica i requisiti illuminotecnici per i posti di lavoro negli ambienti interni attraverso una serie di indici. Tale norma fornisce una serie di criteri di progettazione illuminotecnica individuando le tre esigenze fondamentali: comfort visivo, la sensazione di benessere percepita dai lavoratori, che influisce sulla stessa loro produttività; la prestazione visiva, strettamente legata al compito visivo cui i lavoratori sono chiamati; la sicurezza. Tipo di interno E m [lx] UGR L [-] R a [-] Archivio 300 19 80 Scrittura dattilografia, lettura, elaborazione dati 500 19 80 Disegno tecnico 750 16 80 Postazioni CAD 500 19 80 Sale conferenze e riunioni 500 19 80 Reception 300 22 80 Archivio 200 25 80

Lo strumento di calcolo EnergyPlus EnergyPlus è un codice di calcolo per la simulazione dinamica del sistema edificio impianti basato su moduli coordinati attraverso un integrated solution manager I moduli principali interagiscono con altri secondari e sono contenuti all interno dell integrated solution manager che fa sì che i tre moduli siano risolti simultaneamente, e non in cascata, per ottenere una simulazione il più possibile realistica. Si procede secondo successive iterazioni tra la domanda di energia dell edificio e l offerta di energia dell impianto di climatizzazione: alla prima iterazione si stima il carico termico dell ambiente avendo fissato la temperatura interna pari alla temperatura di set point; assunto questo carico termico come potenza richiesta all impianto, viene simulato il comportamento dell impianto di climatizzazione e viene stimata l effettiva potenza termica che l impianto è in grado di fornire a quell istante temporale; con questa potenza termica viene determinata l effettiva temperatura della zona termica. C z dt z dτ = N i= 1 i,c Nsup i= 1 i i ( ts,i tz ) + m v cp ( t tz ) Q N Q + h A +

Le valutazione connesse al comfort ambientale: ambiente visivo in luce naturale Illuminamento [lux] Distribuzione oraria DAYLIGHT - 25% trasparente/opaco - Ufficio 37231 Nord (Edificio per uffici - Torino - Condizione di esercizio - ore lavorative) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 331 661 991 1321 1651 1981 2311 2641 2971 3301 3631 3961 4291 4621 Ore Illuminamento interno al centro del locale (lux) Illuminamento medio richiesto per il compito visivo (500 lux) Illuminamento pari a 10 volte il livello minimo richiesto (5000 lux)

Le valutazione connesse alla prestazione energetica DYNAMIC SIMULATION - ANNUAL HOURLY SYSTEM LOADS ID_TO1 20 10 0 SYSTEM LOADS [kw] -10-20 -30-40 1 332 663 994 1325 1656 1987 2318 264 298 3311 364 3973 430 4635 496 5297 5628 5959 629 6621 6952 7283 7614 7945 8276 8607 Hour [hr]

Output: rapporto tra prestazione ambientale e prestazione energetica Confronto fra indicatori di prestazione energetica e comfort Ufficio NORD 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% [%] 25% 50% 90% Energia primaria per illuminazione artificiale Energia primaria per il raffrescamento Energia primaria per il riscaldamento Performance Index Classe II EN 15215:2007 PMV Daylight autonomy 100 90 80 70 60 50 40 30 Energia primaria [kwh/m 2 y] 20 10 0 Rapporto rasparente/ opaco [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% [%] Confronto fra indicatori di prestazione energetica e comfort Ufficio SUD 25% 50% 90% Energia primaria per illuminazione artificiale Energia primaria per il raffrescamento Energia primaria per il riscaldamento Performance Index Classe II EN 15215:2007 Daylight autonomy PMV 100 90 80 70 60 50 40 30 Energia primaria 20 10 0 Rapporto rasparente/ opaco [%] [kwh/m 2 y]

Output: rapporto tra prestazione ambientale e prestazione energetica Confronto fra indicatori di prestazione energetica e comfort Ufficio EST [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 25% 50% 90% Energia primaria per illuminazione artificiale Energia primaria per il raffrescamento Energia primaria per il riscaldamento Performance Index Classe II EN 15215:2007 PMV Daylight autonomy 100 90 80 70 60 50 40 30 Energia primaria [kwh/m 2 y] 20 [%] 10 100% 0 90% Rapporto 80% rasparente/ 70% opaco [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Confronto fra indicatori di prestazione energetica e comfort Ufficio OVEST 25% 50% 90% Energia primaria per illuminazione artificiale Energia primaria per il raffrescamento Energia primaria per il riscaldamento Performance Index Classe II EN 15215:2007 Daylight autonomy PMV 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Energia primaria [Kwh/m2y] 10 0 Rapporto rasparente/ opaco [%]

Conclusioni L analisi condotta sul caso studio ha consentito di definire il rapporto tra i diversi valori di fabbisogno di energia primaria, rispettivamente per la climatizzazione e per l illuminazione per una variazione della quota di superficie trasparente per il caso studio in oggetto. In tale caso studio la proposta che include una minor superficie vetrata non risulta la più efficiente, confrontata con le altre due soluzioni. Tale aspetto induce a ragionare sulle modalità di utilizzo della simulazione energetica per il progetto. La scelta di perseguire architetture trasparenti e leggere che conseguano elevate prestazioni energetiche può indurre a criticità significative se non si tengono in conto alcuni aspetti sin dalle fasi embrionali del processo

Conclusioni L analisi condotta sul caso studio ha consentito di definire il rapporto tra i diversi valori di fabbisogno di energia primaria, rispettivamente per la climatizzazione e per l illuminazione per una variazione della quota di superficie trasparente per il caso studio in oggetto. L ottimizzazione della prestazione energetica globale include infatti il sistema edificio impianti per interno, con tutte le diverse voci di domanda energetica che vi sono comprese. Pertanto occorre in prima battuta ragionare sulla riduzione di tali voci, sulle quali l involucro edilizio influisce sotto diversi aspetti, e in seconda battuta definire soluzioni di ottimizzazione tra domanda ed offerta di energia nella definizione dello schema energetico finale dell edificio.

Grazie per l attenzione Daniele Guglielmino guglielmino@onleco.com