INTRODUZIONE ALLE SIMULAZIONI ENERGETICHE

L’analisi energetica consiste nel- la realizzazione di un modello numerico capace di descrivere le caratteristiche dell’edificio e de- gli impianti e nell’esecuzione di calcoli finalizzati all’ottenimen- to di informazioni energetiche del sistema edificio-impianto quando sottoposto a particolari solleci- tazioni.

In pratica è necessario costruire una procedura di calcolo con tut- ti gli algoritmi necessari, inse- rire tutte le informazioni geome- triche e termofisiche dell’edificio da simulare, nonché tutte le in- formazioni prestazionali degli im- pianti, impostare le forzanti del sistema edificio-impianto (interne ed esterne) e compiere i calcoli. Grazie all’intensa attività degli studiosi di fisica dell’edificio di tutto il mondo, sono disponibili oggi varie procedure di calcolo, utilizzanti metodologie più o meno dettagliate in funzione delle ne- cessità di simulazione, già pronte all’uso; così come sono disponibi- li numerosi software che implemen- tano tali procedure.

Per effettuare una simulazione energetica è quindi sufficiente, una volta selezionata la procedu- ra più adatta ai propri scopi o il relativo software, inserire i dati necessari ed avviare la procedura di calcolo.

Ciò che però è possibile fare è distinguere tra procedure che si

basano su metodologie di calcolo in REGIME STAZIONARIO o semi-sta- zionario e procedure che si basano su metodologie di calcolo in REGI- ME DINAMICO.

Le differenze principali tra le due metodologie sono:

- la diversa entità dell’interval- lo temporale di simulazione

- la diversa modalità di gestione delle forzanti

- la diversa modalità di calcolo del flusso di calore.

Nella SIMULAZIONE ENERGETICA IN REGIME STAZIONARIO l’intervallo temporale di simulazione coincide con la stagione di riscaldamento o con la stagione di raffrescamen- to, mentre nel caso di simulazione energetica semi-stazionaria l’in- tervallo temporale di simulazione coincide con un singolo mese.

Il modello numerico, che possiamo definire semplificato, prevede dun- que un trasferimento di energia tra edificio e ambiente esterno in condizioni fisse. Vengono mantenute cioè costanti all’interno dell’in- tervallo temporale di simulazio- ne sia le modalità di utilizzo dell’edificio (occupazione, apporti interni, ecc.) sia le condizioni climatiche (temperature e condi- zioni atmosferiche).

Il calcolo energetico viene perciò effettuato come semplice bilancio termico, tra condizioni interne ed esterne all’edificio, attraverso l’utilizzo dell’analogia termoe- lettrica. Il flusso di calore dovuto al potenziale termico causato dal- la differenza di temperatura tra interno ed esterno viene rallen-

tato dalla resistenza costituita dalla trasmittanza del componente di involucro edilizio.

Il consumo energetico (elettricità, gas naturale, ecc.) viene anch’es- so calcolato in regime stazionario o semi-stazionario sulla base del fabbisogno energetico dell’involu- cro, rispettivamente stagionale o mensile, utilizzando dei fattori di correlazione che tengono conto del tipo di sistema impiantistico applicato.

Come accennato in precedenza, un altro metodo di simulazione ener- getica è quello in REGIME DINAMI- CO.

Esso segue i principi della simu- lazione energetica in regime sta- zionario o semi-stazionario e, in aggiunta alle caratteristiche re- sistive dell’involucro, sono prese in considerazione anche le carat- teristiche capacitive, ovvero si tiene conto anche della proprietà di immagazzinamento del calore degli elementi massivi dell’involucro. Si valorizza pertanto la cosiddet- ta inerzia termica dell’involucro edilizio opaco.

Ciò è possibile utilizzando un in- tervallo temporale di simulazio- ne più breve rispetto al caso di simulazione energetica in regime stazionario o semi-stazionario e facendo in modo che le condizio- ni di partenza nei calcoli ener- getici per ciascun intervallo di tempo sia il risultato dei calcoli condotti per l’intervallo di tempo precedente.

È così che l’intervallo temporale di simulazione può arrivare fino al

minuto e che la temperatura interna ai locali non sia un dato imposto, ma un risultato della simulazione energetica. È quindi possibile no- tare come la temperatura interna varia al passare del tempo.

Anche gli impianti seguono in ma- niera continuativa l’evoluzione dei parametri interni ai locali. L’impianto si attiva solo quando la temperatura di setpoint, o tem- peratura di comfort, non è sod- disfatta, seguendo curve presta- zionali e di rendimento funzione delle condizioni operative proprie dell’intervallo di tempo di simu- lazione.

È evidente come una simulazione energetica condotta in regime di- namico fornisce molte informazioni su come il sistema edificio-impian- to risponde alle sollecitazioni (interne ed esterne).

Sia simulando in regime staziona- rio o semi-stazionario sia simu- lando in regime dinamico è pos- sibile conoscere il fabbisogno energetico ed il consumo di combu- stibile dell’edificio. Il maggiore livello di dettaglio nei risultati ottenibile nel caso di simulazione energetica dinamica indica che sia sempre preferibile utilizzare que- sto tipo di simulazione.

In realtà il maggiore dettaglio nei risultati viene ottenuto a fronte di un maggiore numero di input alla simulazione e a un maggior livello di conoscenza dei fenomeni fisici che stanno alla base del funziona- mento dell’edificio da parte di chi conduce la simulazione.

Effettuare simulazioni in regi- me dinamico ha quindi un maggior onere di tempo sia di conduzione della singola simulazione sia di apprendimento dei metodi matema- tici e degli strumenti software da utilizzare.

Conviene dunque, ove sia richiesta la sola conoscenza del fabbisogno energetico e dei consumi annuali o stagionali dell’edificio, utilizza- re metodologie stazionarie o semi- stazionarie. [1,2]

Le differenti analisi sono state affrontate con l’aiuto di due di- versi software: per la prima parte si è utilizzato il programma BE- STenergy, per la seconda il pro- gramma Fluent.

BESTENERGY

BESTenergy è una collaborazione tra due software come EnergyPlus (non avendo interfaccia grafica) e Google Sketchup.

Attraverso EnergyPlus è possibile accedere in modo completo a tutte le impostazioni del modello termi- co di un edificio nonchè ai report dettagliati in uscita.

Input e output dell’edificio vengo- no gestiti attraverso delle tabelle di dati che non hanno automatismi o elementi grafici semplificati- vi. Per ovviare a questo problema esistono delle interfacce grafiche esterne che facilitano la creazio- ne del modello termico dell’edifi- cio e l’inserimento delle proprie caratteristiche, come nel caso in questione Google Sketchup.

Dopo aver creato il modello termi- co dell’edificio, si passa alla ge- stione delle caratteristiche ter- miche di esso.

I suoi risultati mostrano un buon accordo con strumenti di simula- zione ben consolidati, come DOE- 2.1E, BLAST, ed ESP nonché con dati provenienti da ricerche sperimen- tali [3].

EnergyPlus è stato sviluppato dal dipartimento dell’energia de- gli Stati Uniti d’America [4] con la collaborazione delle maggiori università mondiali. Il softwa- re è strutturato in molti moduli di programma che lavorano simul- taneamente per calcolare, utiliz- zando un’ampia varietà di sistemi e fonti di energia, il fabbiso-

gno energetico di riscaldamento e di raffrescamento di un edificio e l’andamento di tutti i parametri prestazionali e di comfort colle- gati all’utilizzo dello stesso. Ciò viene fatto simulando l’edi- ficio ed i sistemi energetici as- sociati ad esso in funzione delle diverse condizioni ambientali ed operative.

ANALISI CFD - FLUENT

L’analisi CFD (Computational Flu- id Dynamics) permette di valutare qualitativamente i parametri ter- modinamici degli ambienti interni ed esterni di un edificio in modo da ottenere una rappresentazione det- tagliata dell’intero volume ana- lizzato. Con il CFD si raggiungono i più alti livelli di simulazio- ne oggi disponibili e si ottengono informazioni complete in differen- ti modi. Qualsiasi fattore può es- sere tenuto in considerazione ed i risultati vengono riportati con molteplici sistemi grafici, modula- bili a seconda degli aspetti og- getto della simulazione.

Le potenzialità del sistema di calcolo CFD consistono nella valu- tazione dei moti convettivi e del- le temperature per ogni porzione di volume riscaldato e nella valu- tazione dell’efficacia termica dei corpi scaldanti. In questo caso si sfrutteranno le prime due qualità dell’analisi CFD. Esse sono com- prese nel programma utilizzato per le successive analisi fluidodinami- che, cioè Fluent (versione 15).[5]

1.www.sgmconsulting.it/chi-siamo/simula- zioni-energetiche

2.www.mygreenbuildings.org/2015/05/05/ simulazione-energetica-dinamica-edifici- nzeb.html

3.Crawley, DB(2008). Test e validazio- ne di un nuovo programma di simulazione energetica degli edifici. Atti del Set- timo Internazionale IBPSA Conferenza Brasile:IB, DOE(2011), EnergyPlus Energy Simulation Software-Test e validazione, US Department of Energy

4.U.S.Department of Energy Building Technologies Office

5.www.mygreenbuildings.org/2015/05/20/ software-simulazione-dinamica-edifici. html