Simulazione in regime dinamico con IES VE

La simulazione energetica in regime dinamico è stata condotta per verificare la bontà delle soluzioni adottate per migliorare le condi- zioni di comfort indoor nello spazio dell’atrio del capannone 15b in raffronto alle condizioni presenti allo stato attuale.

Essa, a differenza delle simulazioni in regime statico, ci permette di calcolare step by step il valore delle condizioni ambientali all’interno del sistema edificio conseguenti alla variazione delle condizioni al contorno.

La modellazione energetica è stata realizzata tramite il software IES VE ed in particolare ai suoi moduli:

• ModelIT per modellare l’edificio;

• Components per modellare i componenti di arredo/ingombro in-

terno (nel nostro caso i padiglioni, il percorso e la galleria);

• MacroFLO per impostare le condizioni per l’apertura delle porte

e delle finestre;

• Apache Sym per elaborare la simulazione complessiva dei com-

portamenti dell’edificio in funzione dei parametri stabiliti e calco- lare i successivi parametri di output;

• Vista PRO come motore grafico di visualizzazione ed elabora-

zione dei dati;

•

•

Il file climatico utilizzato è riferito ai dati climatici della città più vici- na, Parma. Con i dati reperiti attraverso la piattaforma Dexter di Arpa Emilia Romagna avevamo messo a punto con il software

zione di Reggio Emilia nella zona urbana, ma purtroppo la lacuno- sità di alcuni dati non ha reso possibile la stesura di un file com- pleto ed attendibile per la successiva simulazione.

IES VE è un programma dalle potenzialità enormi e per la nostra indagine di tesi abbiamo studiato solo una parte delle applicazioni che lo costituiscono: il software è dotato di un’interfaccia molto più user-friendly di altri programmi di simulazione dinamica attualmen- te sul mercato come per esempio Energy Plus o Simergy (i quali a differenza di IES VE sono reperibili gratuitamente).

Il primo modulo utilizzato, ModelIT, permette di modellare l’edificio anche servendosi di disegni al CAD importati in formato .dxf; con questo abbiamo ricostruito la sagoma dell’atrio allo stato attuale e di progetto, con le rispettive parti vetrate alle quali successivamen- te abbiamo attribuito una specifica caratterizzazione utilizzando MacroFlo.

Nello SDF i due nastri di finestre rettangolari sono apribili in modo alternato facendo perno sul bordo superiore, in maniera analoga alle aperture in sommità. La composizione del pacchetto delle chiusure verticali e orizzontali sono determinabili dallo stesso mo- dulo. In questo caso all’interno non sono presenti volumetrie, per cui l’utilizzo di Components non è stato necessario.

Nel progetto, le finestre di 1,5m x 1,5m presenti sulle quattro facce del parallelepipedo sono fisse, mentre le finestre in sommità si aprono facendo perno sul lato superiore (top-hung) solo quando la temperatura supera i 26°C.

Le porte di ingresso hanno una dimensione di 3m x 3m mentre quelle di sicurezza sono 1.5m x 3m e anch’esse si aprono per temperature > 26°C.

All’interno del volume abbiamo inoltre inserito attraverso il modulo Components i volumi addizionali dei padiglioni, del percorso espo- sitivo e della passerella, considerandoli semplicemente come in- gombri.

Definita in entrambi i casi la volumetria dello spazio da sottoporre ad analisi e determinate le caratteristiche delle aperture con il mo- dulo MacroFlo, abbiamo lanciato la simulazione riferita all’intero arco annuale (2013) con ApacheSym.

L’output ottenuto viene aperto direttamente in VistaPro, dove il programma rende possibile la selezione dei dati elaborati rispetto a numerosissime variabili climatiche sia all’esterno che all’interno del perimetro dell’edificio. Qui è anche possibile estrapolare dei grafici e mettere a confronto più variabili insieme.

La cosa interessante, è anche la possibilità di interrogare in rela- zione a ciascuno dei parametri quando il software rileva il valore massimo e minimo con precisione ai 30 min.

Fig. 69_ MacroFlo opening types, SDP

Nel nostro caso, scegliendo come variabile la temperatura dell’aria interna all’edificio, abbiamo individuato il 3 Dicembre alle h. 8.30 come momento più freddo dell’anno con una temperatura di -6°C, e il 9 Luglio alle h.14.00 come giorno e orario più caldo dell’estate. Una volta individuati i giorni dei quali interessa la simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics), si esportano le condizioni al con- torno (boundary conditions, .bcf) e si introducono nel modulo Mi- croFlo.

La simulazione CFD consiste nella risoluzione di equazioni di Na- vier-Stokes per ciascun punto di una griglia tridimensionale di ma- glia regolabile. Nel nostro caso la dimensione scelta per la nostra griglia era di 0.40 x 0.50 m.

Le equazioni di Navier-Stokes descrivono il comportamento di un fluido dal punto di vista macroscopico. L'ipotesi di base è che il fluido possa essere modellato come un continuo deformabile e si enunciano attraverso la formula: 18

Fig. 70_ Vista Pro, SDP

18

Formula di Navier Stokes per flussi incomprimibili

I risultati ottenuti mediante la simulazione CFD sono visibili attra- verso il MicroFlo Viewer, applicazione che permette di visualizzare i valori di una o più variabili selezionate per ogni “fetta” della griglia

in cui il volume è suddiviso, per assi x,y,z, indicando una legenda e tre modalità di visualizzazione:

• filled • contour • vector. •

L’applicazione rende possibile anche l’esportazione di video che mettano in evidenza l’andamento del parametro per frame suc- cessivi.

Le variabili che abbiamo ritenuto più interessanti ai nostri fini pro- gettuali sono:

• temperatura dell’aria (°C) • velocità dell’aria (m/s)

• Indoor Air Quality (in particolare la concentrazione di CO2)

Fig. 71_ MicroFlo Viewer, SDP

• benessere percepito (indice PMV).

Quest’ultimo indicatore è visualizzabile solo dopo aver selezionato le condizioni dell’individuo tipo per ciò che riguarda:

• attività metabolica svolta (W/m2 ) • indice di abbigliamento (clo).

Nel nostro caso le condizioni che abbiamo scelto sono:

•

Very light work = 93,1 W/m2

per quanto riguarda l’attività fisica svolta sia in estate che in inver- no;

• Male/Office/Light = 0,7 clo (in regime estivo) • Male/Office/Heavy = 1,2 clo (in regime invernale)

per quanto riguarda l’indice di abbigliamento.

Fig.72_ Set point per il com- fort invernale

Fig.73_ Set point per il comfort estivo

Attraverso la lettura dei risultati con MicroFlo Viewer, abbiamo ap- purato una serie di miglioramenti delle condizioni ambientali inter- ne ed in particolare:

• un abbassamento e una maggiore omogeneità della temperatura dell’aria in estate, con valori che da 26-29 °C scendono a 22-25 °C (con una temperatura esterna di 32 °C);

Fig.74_ Output Temperatura aria estate SDF

Fig.75_ Output Temperatura aria estate SDP

• il contenimento delle dispersioni termiche in inverno grazie all’introduzione dell’isolamento e maggiore comfort termico: le temperature si attestano tra i 15-18 °C con una temperatura ester- na di -6 °C rispetto ai 4.5 °C dello SDF;

Fig.76_ Output Temperatura aria inverno SDF

Fig.77_ Output Temperatura aria inverno SDP

• il maggiore moto convettivo dell’aria in estate grazie al maggiore differenziale termico: l’aria a temperatura più bassa che entra dalle aperture sale riscaldandosi progressivamente (effetto camino) ed esce dalle finestre sommitali; la maggiore area del dispositivo che fa entrare l’aria e quella più piccola delle finestre sommitali per- mettono un aumento della velocità dell’aria per “effetto Venturi” (in questo modo si può garantire la costante estrazione dell’aria più calda);

• in inverno la situazione viene a capovolgersi: le finestre sommitali

sono chiuse e l’aria più calda in alto fa salire l’aria più fredda pre- sente alla base che a sua volta scende dopo essersi riscaldata in- nescando un moto laminare che genera un riscaldamento natura- le.

Fig.78_ Output Velocità dell’aria estate, vector

Per quanto riguarda la concentrazione di CO2 abbiamo verificato per mezzo della simulazione che i valori non superano mai le 400 ppm in inverno e 600 ppm in estate, (per un tasso di inquinamen- to derivante dalla presenza di 500 persone) attestandosi nella II categoria in inverno (livello normale) e nella III in estate (livello moderato) tra le 4 definite accettabili dalla norma tecnica UNI EN 15251:2007 (tabella B.4):

Fig.79_ Output Velocità dell’aria inverno, vector

Fig.80_ Tab. B.4 norma UNI EN 15251:2007

La UNI EN ISO 13779 (Tab. A.10) stabilisce invece dei valori limi- te di accettabilità della concentrazione di CO2 .

Attraverso l’indice di benessere percepito PMV abbiamo infine ve- rificato la condizione di comfort termico all’interno dell’atrio, verifi- cando un deciso miglioramento in tutti i punti di maggiore interesse

Fig.81_ Tab. A.10 norma UNI EN ISO 13779

Fig.82_Output concen- trazione di CO2 inverno, SDP

del nostro progetto, ovvero: il piano terra, il livello intermedio del percorso espositivo e il livello della galleria fotografica.

Fig.83_Output PMV estate, SDF

Fig.84_Output PMV estate, SDP

Fig.85_Output PMV in- verno, SDF

Fig.86_Output PMV in- verno, SDP