Software di simulazione dinamica

Tra i software principalmente utilizzati nella simulazione dinamica, in questo capitolo è stato analizzato il software Energy Plus, un motore di simulazione a struttura modulare sviluppato dallo U.S. Departement of Energy, al fine di evidenziarne i campi di impiego, le caratteristiche, le potenzialità e problematiche rispetto al riscontro con l’edificio reale e all’impiego di altri software.

5.5.1 Energy Plus

Energy Plus è un software di simulazione termo energetica. A differenza di BLAST e DOE-2, software a simulazione sequenziale dai quali deriva, Energy Plus nasce come programma innovativo in quanto è basato sulla simulazione integrata dell’ambiente e dell’impianto di climatizzazione. Ciò significa che tutte e tre le parti principali, costruzione, sistema e impianto, devono essere risolte simultaneamente, infatti l’informazione relativa al carico che l’impianto è effettivamente in grado di bilanciare viene utilizzata per determinare le condizioni di temperatura dell’aria in ambiente, seguendo con ciò un processo iterativo. L’architettura del software può essere descritta come l’interazione di tre moduli principali Fig. 5.1:

 Surface Heat Balance Manager, risolve il bilancio termico in corrispondenza di ciascuna parete

 Air Heat Balance Manager: risolve il bilancio dell’ambiente attraverso la simulazione simultanea degli scambi termici radianti e convettivi;

 Building Systems Simulation Manager: conduce la simulazione dei componenti impiantistici.

Fig. 5.1 - Architettura del codice EnergyPlus fonte: Energy Plus Documentation Questi moduli principali interagiscono con altri secondari e sono contenuti all’interno dell’Integrated Simulation Manager, che fa sì che i tre moduli siano risolti simultaneamente, e non in cascata, per ottenere una simulazione il più possibile realistica.

In Energy Plus si distinguono due time step; uno per l’analisi dell’interazione tra le zone termiche e l’ambiente esterno, che viene definito dall’utente (ad es. 15 min); il secondo variabile e non direttamente modificabile dall’utente è quello per l’analisi degli impianti di climatizzazione (System time step).

Il software 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 a quella di set-point.

5. METODOLOGIE DI SIMULAZIONE TERMOENERGETICA DEGLI EDIFICI VERSO NZEB Una volta 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 questo è in grado di fornire a quell’istante temporale; con questa potenza termica viene determinata l’effettiva temperatura della zona termica avendo approssimato la derivata temporale della temperatura dell’aria, nel termine che rappresenta la variazione di energia interna del sistema, attraverso una differenza finita del terzo ordine.

Questa procedura è nota come “predictor/corrector method”.

Le condizioni meteoclimatiche sono inserite attraverso specifici giorni di progetto definiti dall’utente (ogniqualvolta si voglia un calcolo di dimensionamento) oppure sono inserite attraverso un file.epw (EnergyPlus Weather data file) per le simulazioni in condizioni di esercizio. Tali files oltre alle principali grandezze climatiche dell’anno (temperatura, umidità), contengono dati sull’irradianza diretta normale, impiegata nel calcolo della quota diretta della radiazione solare su una superficie comunque orientata avendo assunto un modello di cielo anisotropo.

Al fine di condurre le simulazioni termo-energetiche, Energy Plus ha tre componenti: un modulo di simulazione del comportamento della struttura, un modulo di simulazione dei bilanci di massa e di energia e un modulo di controllo che sovrintende l’intero processo di simulazione (Fig.5.2).

Fig. 5.2 - Struttura, moduli di calcolo e logica operativa di Energy Plus

 Simulation Manager

Il gestore della simulazione consiste nella sezione di supervisione del codice numerico, che stabilisce e controlla le interazioni simultanee tra gli altri strumenti di simulazione. Questo modulo infatti guida lo scambio di dati tra il risolutore del bilancio termico e i vari sotto- moduli relativi alle simulazioni del sistema HVAC (cioè caldaie, refrigeratori, pompe,

ventilatori e tutti gli ausiliari), e amministra le attività del risolutore, fornendo e gestendo le condizioni al contorno in ingresso, nonché i dati in uscita.

 Heat and mass balance simulation

Questo modulo controlla la simulazione delle zone termiche dell’edificio, nell’ipotesi che in ciascuna zona termica l'aria interna possa essere considerata a temperatura uniforme (modello zero-dimensionale). Le altre ipotesi semplificative, relativamente ai modelli di bilancio termico, sono quelle di considerare che le superfici di ogni ambiente abbiano livelli termici uniformi, conduzione in regime monodimensionale e irradiazione superficiale diffusa e uniforme. Come mostrato nella Fig.6-7, il modulo del bilancio di energia e di massa funziona attraverso l’applicazione di strumenti di calcolo diversi:

 Comis: strumento di calcolo per il flusso d’aria multi-zona, infiltrazioni, aria di ventilazione e di contaminazione;

 Window 5: comprende strumenti di calcolo per i corpi finestrati e modulo del cielo anisotropo;

 Modulo della luce diurna: valuta l’illuminamento interno della luce diurna, l’abbagliamento attraverso i corpi finestrati ed i sistemi per il controllo dell’abbagliamento accoppiati con i sistemi di controllo per l’illuminazione elettrica;  Ground Heat Transfer: modulo per il calcolo del profilo di temperatura sotto il suolo

e la valutazione delle potenzialità del terreno in pre-riscaldamento e preraffreddamento.

 Building System Simulation Manager

Il modulo del bilancio di massa e di energia, come prima descritto, trasmette i risultati di ogni step di simulazione al gestore del sistema di simulazione dell’edificio. Il modulo di simulazione del comportamento della struttura controlla le simulazioni di HVAC, del sistema elettrico, di componenti e dispositivi e delle condizioni delle zone termiche fino al momento dell’inizializzazione, aggiornando le condizioni della zona per quanto riguarda il controllo del microclima indoor (fig. 5.3).

I risultati vengono ritrasmessi al modulo del bilancio di massa e di energia, in modo che gli effetti dell’HVAC possano essere calcolati nel nuovo bilancio della zona termica.

5. METODOLOGIE DI SIMULAZIONE TERMOENERGETICA DEGLI EDIFICI VERSO NZEB Questa sezione rappresenta una delle migliori caratteristiche e peculiarità di EnergyPlus: essa consiste in un metodo di simulazione non-sequenziale, che caratterizza invece tutti i precedenti motori di simulazione energetica di un edificio, in modo da rendere possibile una simulazione pienamente integrata dei carichi, dei sistemi e dei dispositivi attivi di energia. Da quanto riportato emerge, che attualmente Energy Plus risulta uno dei codici più adatti al fine di simulare il comportamento energetico in transitorio di edifici e impianti, sia per quanto riguarda le condizioni microclimatiche realizzabili che le richieste di energia. Naturalmente, tutti i risultati si riferiscono ad un singolo nodo che rappresenta tutta la zona termica (approccio zero-dimensionale).

Così, quando è richiesta un’analisi non nel dominio del tempo, ma nel dominio spaziale, l’uso della fluidodinamica computazionale rimane l’unico metodo di analisi per una simulazione affidabile. Nessun programma è in grado di gestire ogni possibile situazione di simulazione. Ciò nonostante, l’intento di EnergyPlus è quello di trattare molte opzioni di progettazione degli edifici e dei sistemi HVAC sia direttamente che indirettamente, attraverso collegamenti con altri programmi per il calcolo dei carichi termici e/o di energia richiesta per la climatizzazione invernale ed estiva.