SUNtool – A new modelling paradigm for simulating and optimising urban sustainability Il Sustainability of Urban Neighbourhoods tool “SUNtool” (ROBINSON, 2007) cerca di fornire uno

strumento completo per la pianificazione energetica in ambito urbano. L’articolo spiega la metodologia nei suoi dettagli ed esiste un sito dedicato7 _{sul quale sono disponibili informazioni dettagliate circa le} applicazioni fatte in alcune città europee (non ve ne sono italiane). Il tool è stato sviluppato da un team internazionale di ricercatori che mette a sistema una serie di proprie esperienze nei diversi aspetti dello sviluppo del modello, con una particolare attenzione alla funzione dello strumento quale sistema di aiuto alla decisione in ambito urbano.

L’architettura generale del software è divisa tra l’interfaccia e il solver, dall’interfaccia si possono gestire i dati di input, (dati climatici, gli edifici ecc) mentre le procedure di calcolo sono inserite nel solver (fig. n°5.9)

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Fig. n°5.9, Schema concettuale di SUNtool (ROBINSON 2007)

Il microclimate models parte dal presupposto che l’influenza dell’ombreggiamento e l’irradiazione reciproca tra gli edifici non siano un effetto trascurabile, così come non lo siano le variazioni delle condizioni climatiche generate dall’effetto isola di calore. Per valutare l’influenza dell’ombreggiamento hanno implementato un algoritmo semplificato per la valutazione della radiazione “SRA” tra gli edifici proposto dallo stesso Robinson (2005), mentre per l’atro aspetto, dopo un breve excursus sull’influenza dell’effetto isola, si è optato per non considerarlo nel modello. Per modellizzare il comportamento termico degli edifici in base ai dati di input si è scelto di applicare il modello semplificato tipo grey-box (DE’ QUE’ 2000) che permette di limitare i parametri di input e le operazioni computazionali. Grande rilievo è stato dato all’inserimento di una robot capace di stimare l’influenza delle abitudini degli utenti dell’edificio (PAGE 2007) tramite un modello stocastico di previsione della presenza umana. Supponendo l’utente razionale, ossia ritenendo prevedibili i suoi comportamenti al variare delle condizioni ambientali, la variabile casuale rimane solo la presenza umana negli ambienti; in questo modo si stima l’influenza delle abitudini dell’utente sui ricambi d’aria per ventilazione, l’uso delle schermature solari, l’uso degli apparecchi elettrici e la produzione di rifiuti. Per quanto riguarda la modellizzaione degli impianti, si è generato un algoritmo semplificato che considera tre nodi del sistema e le perdite tra questi. Le “zone” rappresentano il fabbisogno degli edifici, che deriva dai parametri fisico-comportamentali editati in precedenza; sempre in ogni edificio vi è il building energy centre (BEC) che contiene il possibile mix di tecnologie per la soddisfazione del confort interno. Il terzo nodo rappresenta eventuali sistemi di fornitura di servizi centralizzati a livello urbano al quale possono essere collegati naturalmente più BEC (fig 5.10).

Fig. n°5.10, Centri di produzione di energia e circuiti di distribuzione (BEC in SUNtool)

L’utente può editare le caratteristiche dei BEC e dei DEC tramite semplici interfacce (fig. n°5.11) che prevedono la presenza contemporanea di più sistemi al fine di modellizzarne l’interazione. Gli algoritmi di calcolo sono però molto semplificati: gli stessi autori avvertono che i risultati ottenuti non possono essere usati in sede di pianificazione energetica per il dimensionamento di impianti di fornitura di servizi, e sottolineano che l’utilizzo è principalmente rivolto alla valutazione delle alternative in sede di definizione preliminare di politiche di incentivazione o processi di trasformazione della città.

Fig. n°5.11, interfaccia di personalizzazione del BEC e del DEC

Come si può notare nelle opzioni di personalizzazione degli impianti sono presenti anche le principali tecnologie per la micro-generazione da FER; la simulazione di scenari alternativi avviene facendo girare il software inserendo diversi mix di impianti, i risultati possono essere estratti in base a diversi intervalli temporali (annuali, stagionali, mensili). Ogni soluzione impiantistica proposta ha editabili le sue principali caratteristich;, per esempio per quanto riguarda il solare termico e fotovoltaico si può inserire la superficie.

Nell’interfaccia del software si è prestata molta attenzione ai formati tramite i quali questo può acquisire le informazioni circa le volumetrie e la forma dell’edificato, realizzando una forte compatibilità coi principali formati dei programmi commerciali. Oltre che essere capace di leggere le geometrie 3D da altri formati, SUNtool è in grado di crearle da sé in base a dati planimetrici ed informazioni inserite nella fase di immissione dei dati da parte dell’utente.

Tramite l’interfaccia, all’inizio di un nuovo progetto, si possono inserire i parametri climatici e una serie di ipotesi semplificative per il calcolo delle prestazioni energetiche attraverso il metodo grey box; in particolare le caratteristiche costruttive, i materiali, la superficie finestrata sono assegnate tramite l’implementazione da parte dell’utente dell’epoca di costruzione dell’edificio. Il software collega automaticamente le caratteristiche tipiche delle costruzioni in base alle consuetudini costruttive nazionali al variare del periodo storico; comunque, al fine di dare esplicitazione a caratteristiche locali, questi profili di base possono essere editati completamente, e vi è anche la possibilità di editare le caratteristiche puntuali anche di un solo edificio.

Il software è in grado con ragionevoli tempi di calcolo (100 edifici ogni 10min) di restituire output cartografici, confronti tramite grafici, visualizzazioni 3D. Si riportano qui due applicazione di SUNtool che ne mostrano le possibilità8.

La prima riguarda lo studio della proporzione ottimale tra il rapporto di superficie finestrata e la larghezza dei canyon urbani in un ipotetico progetto situato ad Atene: SUNtool prevede l’andamento dei guadagni solari e dei consumi (riscaldamento, raffrescamento, illuminazione) al variare della superficie finestrata e fornisce il calcolo delle emissioni di CO2 sul quale basare l’individuazione della soluzione ottimale (fig n°5.12).

L’altra applicazione riguarda la valutazione dell’installazione ottimale di impianti fotovoltaici per il villaggio olimpico di Atene. Dal calcolo del consumo elettrico annuale, ottenuto con SUNtool, si ottiene che sarebbero necessari circa 5mq di impianto a persona; ma da un confronto su base mensile si scopre che più del 49% della produzione viene mandata in rete a causa di surplus di produzione soprattutto nei mesi invernali per il mancato uso degli impianti raffescamento. Si ottiene quindi che una soluzione che la soluzione che massimizza l’impiego della potenza installata: il valore si attesta su poco più di 1mq procapite (fig. n°5.13).

I principali limiti di SUNtool sottolineati dagli stessi autori sono:

- la mancanza di moduli per la stima del ciclo dei rifiuti e dell’illuminazione stradale, l’estrema semplificazione dei tipi di impianti per la fornitura di energia che non permette la modellizzazione di molte tecnologie tra le quali quelle a biocombustibile;

- la mancanza di output valutativi circa la fattibilità economica degli scenari di progetto; - la mancanza di output valutativi circa il ciclo di vita dei materiali (LCA).

Per quanto riguarda l’ottica specifica della nostra ricerca SUNtool presenta due forti limiti:

1. la mancanza di parametri riguardanti la fattibilità economica che ridimensionano molto l’efficacia del DSS in un caso reale;

2. l’uso della modellizzaione Grey box che, pur alleggerendo il carico computazionale del calcolatore, non da alcuna evidenza agli elementi fisici riguardati l’involucro che sono l’oggetto di importati politiche di riqualificazione energetica differenziate per elemento di fabbrica.

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Nel sito www.suntool.net sono disponibili le documentazioni relative a varie applicazioni, qui cito solamente quelle presenti nell’articolo di riferimento.

Fig. n°5.12, alcuni output grafici del legame tra il rapporto superficie finestrata/larghezza strada ed il consumo energetico

5.4.3 CitySim: comprehensive micro-simulation of resource flows for sustainable urban planning.

In sostanziale prosecuzione con l’esperienza di SUNtool, CitySim (ROBINSON 2009a 2009b, PAGE 2007, KÄMPF 2007, RASHEED 2009) ne mantiene sostanzialmente la stessa struttura (fig. n°5.14) potenziandone il motore di calcolo, l’interfaccia di dialogo e la capacità di interagire con file di formati differenti: è in grado di accettare come input per la definizione della geometrie degli edifici sia file DXF o xml con le coordinate dei vertici delgi edifici, oppure è possibile utilizzare l’interfaccia grafica per disegnare speditamente le geometrie all’interno del software stesso. I dati riguardo a materiali, strutture ed impianti sono organizzati per tipologia edilizia e per anno di costruzione; l’input ancora una volta potrà essere fornito con un file xml, opportunamente compilato, o con un Data Base. Il nuovo potenziato algoritmo di calcolo termico permette di effettuare il calcolo in regime dinamico per più zone termiche in ogni edificio, che verranno impostate in maniera manuale tramite l’interfaccia grafica. Parimenti si dovrà assegnare manualmente ad ogni volume la tipologia edilizia e l’anno di costruzione al fine di legare le caratteristiche fisiche del’involucro ed il rendimento degli impianti a quelle geometriche spaziali degli edifici. L’ambizioso scopo del progetto è quello di integrare in un unico strumento più modelli dettagliati riguardo i flussi di energia in ambito urbano. Attualmente è in via di definizione l’integrazione tra il modello comportamentale per la stima dell’influenza della componente umana nel fabbisogno energetico degli edifici, ed un modello degli spostamenti in ambito urbano (MATSim-T, 1990, www.matsim.org/). Come nel caso precedente lo strumento incorpora anche la dimensione spaziale dei dati di input e dei risultati permettendo la rapida visualizzazione cartografica e tridimensionale direttamente nella sua interfaccia grafica (fig. n°5.15). Lo strumento incorpora procedure di calcolo molto raffinate che permettono di definire i fabbisogni ed i consumi del patrimonio edificato con il dettaglio di una simulazione dinamica generalmente applicata ad un singolo edificio, la precisione dipendente principalmente dall’accuratezza dei dati di input. Ciò rende CitySim uno tra i più completi strumenti bottom-up di estrazione ingegneristica per il calcolo delle prestazioni energetiche al livello urbano, ma la complessità e la numerosità dei dati di input non ne permetteono un facile utilizzo. Inoltre sembrerebbe fuori luogo l’uso di raffinati modelli comportamentali quando i dati relativi alle strutture ed ai materiali sono di fatto ipotizzati per tipologia e perciò, pur derivando da accurate campagne per la raccolta dei dati, essi contengono intrinsecamente alti gradi di arbitrarietà ed approssimazione. Un altro limite è ancora la mancanza di un algoritmo per la valutazione comparata tra scenari su base economica ed ambientale e, per quanto la sua dimensione spaziale lo renda particolarmente adatto a simulazioni a scala urbana e sub urbana, l’intrinseca difficoltà del software di interagire con gli altri tematismi territoriali generalmente trattati con metodi GIS, ne limita l’utilizzo.

Fig. n°5.14, struttura di CitySim, in alto i dati di input: dati sugli edifici, profili degli occupanti, caratteristiche degli impianti e dei combustibili utilizzabili.

Fig. n°5.15, l’interfaccia di CitySim si notano i volumi semplificati degli edifici e la finestra per l’assegnazione delle caratteristiche dei volumi (zone termiche, tipologie edilizie, anno di costruzione) in basso una visualizzazione dei diversi livelli di irraggiamento solare nelle superfici.