2. DZLoad
3.5 Serra
3.5.1 Descrizione della simulazione
La struttura presa in considerazione per la seguente simulazione è una serra adibita alla coltura di vegetali.
Nella progettazione di una serra l’ambiente interno deve essere adeguatamente controllato durante la stagione invernale. A tale proposito è particolarmente importante la temperatura zero di vegetazione, temperatura-soglia al di sotto della quale lo sviluppo vegetativo della pianta si arresta. All’interno della serra dunque si dovrà sempre garantire una temperatura maggiore di essa. La temperatura zero di vegetazione varia a seconda delle specie vegetali.
Per la simulazione corrente è stata scelta una serra adibita alla coltivazione di pomodori situata presso Castellina Marittima (temperatura esterna di base pari a -1°C), comune in provincia di Pisa. Per poter validare i risultati, tuttavia, anche in questo caso sono stati considerati i dati climatici di Algeri, dal momento che sono gli unici dati climatici disponibili per le località algerine per Energy+.
I dati relativi alle planimetrie sono stati forniti da MPS, studio di progettazione di impianti di condizionamento civili ed industriali.
Si riporta in Fig. 3.28 la vista complessiva della serra.
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Il materiale di copertura è costituito da un film singolo di polietilene (6 mm) con un coefficiente di scambio termico pari a
- 5.4 W/m2K per le pareti verticali della copertura;
- 6.3 W/m2K per le pareti orizzontali.
La differenza nei coefficienti di scambio termico non risiede nella natura o nello spessore del materiale che costituisce la copertura bensì nel differente valore del coefficiente di scambio termico convettivo per pareti verticali e orizzontali (v. Par 2.1.2.1).
La principale differenza rispetto alle altre simulazioni è dovuta al fatto che non è presente alcun tipo di pavimento e lo scambio termico con il terreno avviene in maniera diretta. Per ovviare a questo problema è stato ipotizzato di avere un pavimento molto sottile con conducibilità infinita. Il coefficiente di scambio così calcolato è pari a
𝑘𝑝𝑎𝑣 = (𝑠 𝜆+ ℎ𝑒𝑥𝑡) −1 ⋍ ℎ𝑒𝑥𝑡−1 = 8.33 𝑊 𝑚2𝐾 dove
- Kpav è il coefficiente di scambio termico [W/m2K];
- s è lo spessore del pavimento fittizio [m]; - λ è la conducibilità termica [W/mK];
- hext è il coefficiente di scambio superficiale convettivo [m2K/W].
Il suolo viene quindi simulato assumendo un pavimento fittizio con un coefficiente di scambio termico pari all’inverso del coefficiente di scambio convettivo.
Sempre riguardo allo scambio termico col suolo è stata posta particolare attenzione alla determinazione della temperatura del terreno durante l’anno nella simulazione con Energy+. Il software, infatti, impone di default una temperatura del suolo di 18°C. Sebbene questo valore sia valido per grandi edifici commerciali [12] (la temperatura interna di tali edifici è generalmente intorno ai 20°C), ciò non può essere valido per una serra la cui temperatura minima interna può scendere fino a 8°C. Per questo motivo è stata calcolata in dettaglio la temperatura del suolo tramite il preprocessore “Slab”, utility accessoria di Energy+. Tale approccio è utilizzato anche nello studio di Fabrizio [13] nel quale sono state analizzate le richieste termiche di una serra a tunnel in varie località italiane.
I dati di input del preprocessore sono:
- La temperatura di setpoint della struttura climatizzata; - Il rapporto superficie/perimetro del pavimento;
- I dati climatici relativi all’ambiente esterno della struttura; - Le proprietà termiche del pavimento.
Si riporta in Tab. 3.27 le temperature del terreno calcolate al di sotto della serra per i mesi invernali.
Mese Temperatura del suolo [°C]
Gennaio 8.3
Febbraio 8.29
Novembre 8.38
Dicembre 8.33
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Sempre facendo riferimento allo studio di Fabrizio [13] per simulare le infiltrazioni di aria è stato imposto un ricambio orario di aria pari a 1 h-1.
La struttura è utilizzata in inverno per la coltivazione dei pomodori e non è stato quindi calcolato il fabbisogno energetico estivo dal momento che la serra non viene climatizzata in questa stagione.
La temperatura minima raggiungibile è pari a 8°C e corrisponde alla temperatura zero di vegetazione.
Si riporta desso i risultati della simulazione con Energy+ e con il SW sviluppato considerando la struttura ad Algeri in regime invernale.
- Riscaldamento
Si riporta in Tab. 3.28 le richieste termiche della serra durante la stagione invernale analizzando le varie voci che costituiscono il bilancio termico.
SW completo (W) SW semplificato (W)
Energy+ (W)
Copertura 243111 43050
Dispersione al suolo 2695 69696
Perdite termiche dovute alla ventilazione
e alle infiltrazioni 46660
46660
TOTALE 292406 159350 277069*
Tab 3.28 Richieste termiche in regime invernale
*potenza di picco annua invernale (ottenuta il 28 febbraio alle ore 6:00)
Si riporta in Tab. 3.29 le principali caratteristiche dell’aria esterna (Algeri) nel momento di picco energetico invernale per la simulazione con Energy+.
Algeri, 28 Febbraio, Ore 6:00
Temperatura (°C) -0.8
Umidità relativa (%) 95
Velocità vento (m/s) 0
Tab. 3.29 Condizione climatiche esterne (secondo Energy+)
L’unico dato climatico in regime invernale che necessita DZLoad è la temperatura di base esterna che per Algeri assume il valore di 3°C.
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Si riporta in Fig 3.29 l’andamento delle richieste termiche e della temperatura esterna secondo quanto calcolato dal software DZLoad (versione completa).
Fig 3.29 Profilo orario della potenza termica necessaria in regime invernale,
Come si osserva dal grafico il picco massimo della potenza richiesta per il riscaldamento in regime invernale si ha alle 6 di mattina e coincide con la temperatura minima esterna in quanto nel calcolo invernale il software DZLoad non prende in considerazione l’inerzia termica della struttura
3.5.2 Analisi dei risultati
Si osserva anche in questo caso che i valori predetti del SW sviluppato, versione completa, sono in grado di soddisfare le richieste termiche calcolate con Energy+. In particolare l’errore relativo al sovradimensionamento è pari al 5.4%.
Per quanto riguarda il SW semplificato invece si osserva per la prima volta che la versione semplificata sottostima le richieste termiche in maniera notevole (v. sotto “Valutazione del grado di sovradimensionamento”).
Analizzando il profilo giornaliero delle richieste termiche si osserva che l’eventuale impianto di riscaldamento ha un funzionamento discontinuo; nelle prime ore del pomeriggio, in particolare dalle ore 14 alle ore 20, le richieste termiche della struttura sono nulle in quanto la temperatura esterna è superiore agli 8 gradi, limite minimo per l’accrescimento dei pomodori coltivati che deve essere garantito all’interno della serra. Un comportamento discontinuo di questo tipo influenzerà anche la scelta del sistema termico più adeguato al riscaldamento della serra.
La richiesta termica calcolata con il SW completo è pari a 50.3 W/m2 mentre quella
calcolata dalla ditta MPS è pari 75 W/m2. Il motivo di questa differenza risiede nelle differenti condizione climatiche utilizzate; le richieste termica della struttura sono state valutate secondo MPS considerando la serra situata presso il comune di Castellina
2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Te m p era tu ra [ °C] Ric h ie sta term ica [W] Ore
Riscaldamento
Riscaldamento Temperatura135
M.ma, con una temperatura di base invernale esterna pari a -1°C, mentre nella simulazione effettuata con il software sviluppato DZLoad si sono utilizzati i dati climatici di Algeri, con una temperatura di base invernale esterna pari a 3°.
Si riassume in Tab. 3.30 i risultati ottenuti da MPS e tramite il software DZLoad (versione completa).
Temperatura di base esterna [°C]
Richieste termiche [W/m2]
Castellina M.ma (Secondo MPS)
-1 75
Algeri (Secondo DZLoad) 3 50.3
Tab 3.30 Confronto fra i risultati ottenuti dall’azienda MPS e da DZLoad (versione completa)
Si riporta in Fig. 3.30 il peso delle componenti sul bilancio termico invernale.
Fig. 3.30 Incidenza dei vari componenti durante la stagione invernale
La componente che pesa di più sul bilancio termico è quella relativa alla copertura (83%) data l’elevata superficie esposta (7723 m2) e l’elevato coefficiente di scambio
termico (5.4 W/m2K e 6.4 W/m2K rispettivamente per le superfici verticali e orizzontali).
Si osserva come le dispersioni legate al contatto con il suolo siano trascurabili: il principale motivo è legato al fatto che il SW completo calcola le dispersioni con il suolo considerando il perimetro della struttura ed essendo il rapporto area/perimetro della serra molto grande (pari 18.8 m2/m), le dispersioni termiche con il suolo diventano trascurabili nella valutazione dei carichi termici. Tale motivo è confermato dal fatto che anche nella valutazione effettuata da MPS le dispersioni al suolo non vengono considerate in alcun modo.
83% 0% 0% 0% 1% 16% 0%
Riscaldamento, Algeri
Copertura SuoloPerdite termiche dovute alla ventilazione e alle infiltrazioni
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- Valutazione del grado di sovradimensionamento
Si riporta in Tab 3.31 il grado di sovradimensionamento che si otterrebbe utilizzando il software DZLoad (nella sua versione completa e semplificata) e le Rule of Thumbs confrontando i risultati con quelli ottenuti tramite Energy+ durante la stagione invernale. Per la definizione del grado di sovradimensionamento si rimanda a Par 1.4.1. - Riscaldamento Rule of thumb** SW completo SW semplificato Energy+ Richieste termiche [W] 365904:1097712 292406 159350 277069 Grado di sovradimensionamento (rispetto a E+) 32%:296% 5.4% -42.48%
Tab 3.31 Confronto del grado di sovradimensionamento (Inverno)
** 63-189 W/m2 tratte da “HVAC: Equations, Data and Rule of Thumb” [10].
Analizzando le simulazioni si osserva che i risultati del SW completo sono quelli che più si avvicinano ai risultati ottenuti con Energy+ con un errore pari al 5.4%, molto inferiore al 25%, limite comunemente accettato nella pratica industriale [8].
Per quanto riguarda i risultati relativi a DZLoad nella sua versione semplificata si osserva per la prima volta una sottostima dei valori simulati con Energy+. La causa di questo errore è dovuta al fatto che nella versione semplificata i coefficienti di scambio termico della struttura sono fissati di default e sono pari ai coefficienti normativi minimi riportati nella norma algerina DTR C.3.2 in funzione della zona climatica. Il documento normativo tuttavia è relativo alla verifica regolamentare di strutture in muratura mentre l’edificio considerato nella simulazione è una serra, con coefficienti di scambio termico delle pareti di copertura molto più alti di un qualsiasi edificio convenzionale.
Coefficiente di scambio termico copertura [W/m2K]
Secondo DZLoad (versione completa) 5.4
Secondo DZLoad (versione semplificata) 1.1
Tab 3.32 Coefficiente di scambio termico
Dalla tabella si osserva che il coefficiente di scambio del film polietilenico, che costituisce la copertura della serra, e circa cinque volte più grande rispetto a quello di default assegnato dalla versione semplificata di DZLoad. Di conseguenza anche le dispersioni relative alla copertura saranno molto più grandi, come riportato in Tab 3.31.
Si osserva che anche la componente relativa al suolo è molto più elevata nella versione semplificata di DZLoad. Il motivo di questa differenza è dovuto invece al fatto che mentre nel SW completo le dispersioni con il suolo sono direttamente proporzionali al perimetro, nel SW semplificato le dispersioni con il suolo sono direttamente
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proporzionali all’area in contatto con esso. In un edificio così grande è quindi normale che si abbia una sovrastima di questa componente.
In ogni caso quindi si sconsiglia l’utilizzo della versione semplificata del SW sviluppato nella valutazione dei carichi termici di strutture non convenzionali.
Le “Rule of Thumb” infine anche in questo caso predicono valori estremamente più grandi e nel caso venissero utilizzate in fase di progettazione vera e propria produrrebbero un impianto di riscaldamento sproporzionato, come già osservato nelle simulazioni precedenti.
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