A Pavio Passarelli Pula,
maestro, esempio, nonno.
Sommario
Figurei Premessa
ii Stato dell’arte
iii Simulazione dinamica
iv Obiettivo della tesi
Parte I: Simulazione dinamica di edificio
L’edificio ... 17
1.1 Stratigrafie dei corpi opachi e trasparenti ... 23
L’impianto ... 25
2.1 Logica di funzionamento ... 26
2.2 La centrale termo-frigorifera ... 26
2.3 L’unità di trattamento aria e l’impianto di ventilazione ... 29
2.4 Componenti di impianto secondari ... 32
Modellazione di involucro: TRNSYS Build ... 33
3.1 Creazione dei Layers ... 33
3.2 Compartimentazione delle zone ... 34
3.3 Gli impianti, gli apporti interni e le infiltrazioni ... 46
Simulazione dinamica: TNSYS Simulation Studio ... 48
4.1 I risultati ... 49
Parte II: Modelli di calcolo Introduzione ai modelli ... 59
I modelli ... 60
5.1 Impianto a tutt’aria – condizioni estive ... 61
5.2 Impianto ad aria primaria – condizioni primaverili ... 68
5.3 Impianto ad aria primaria – condizioni invernali ... 70
Parte III: Risultati e analisi Risultati ottenuti ... 75
Conclusioni e propositi futuri ... 82
Appendice I ... 84
Appendice II ... 87
Appendice III ... 100
Figure
Figura 1 - Scuola Primaria Di Via Brocchi, Milano ... 17
Figura 2 - Planimetria Generale ... 18
Figura 3 - Ingresso Principale ... 18
Figura 4 - Prospetto Nord E Sud ... 19
Figura 5 - Prospetto Est E Ovest ... 19
Figura 6 - Sezione 1 ... 19
Figura 7 - Sezione 2 ... 20
Figura 8 - Piano Terra ... 21
Figura 9 - Piano Secondo ... 22
Figura 10 - Piano Primo ... 22
Figura 11 - Vista Da Sud Ovest ... 23
Figura 12 - Particolare Delle Lamelle Ombreggianti ... 24
Figura 13 - Vista Sulla Facciata Sud ... 24
Figura 14 - Particolare Della Pompa Di Calore ... 28
Figura 15 - Particolare Dell'unità Di Trattamento Aria ... 29
Figura 16 - Ventilatore ... 30
Figura 17 - Filtri Piani ... 30
Figura 18 - Filtri A Tasche Rigide ... 30
Figura 19 - Grafico Prevalenza-Portata Ventilatore ... 30
Figura 20 - Dettaglio Delle Batterie Gemellari ... 31
Figura 21 - Dettaglio Di Uno Scambiatore A Piastre Saldobrasate ... 31
Figura 22 - Dettaglio Di Un Pannello Solare Termico ... 32
Figura 23 - Trnbuild, Walltype Manager ... 34
Figura 24 - Pianta Hall Piano Terra ... 35
Figura 25 - Pianta Hall Piano Primo ... 35
Figura 26 - Pianta Hall Piano Secondo ... 35
Figura 27 - Trnbuild, Creazione Delle Zone ... 37
Figura 28 - Pianta Piano Terra Lato Nord Est ... 38
Figura 29- Pianta Piano Terra Lato Nord Ovest ... 38
Figura 30 - Pianta Piano Terra Lato Sud Est ... 39
Figura 31 - Pianta Piano Terra Lato Sud Ovest ... 39
Figura 32 - Pianta Hall Piano Terra ... 40
Figura 33 - Pianta Hall Piano Primo ... 40
Figura 34 - Pianta Hall Piano Secondo ... 40
Figura 35 - Pianta Piano Primo Lato Nord Est ... 41
Figura 36 - Pianta Piano Primo Lato Nord Ovest ... 42
Figura 37 - Pianta Piano Primo Lato Sud Est ... 43
Figura 38 - Pianta Piano Primo Lato Sud Ovest ... 43
Figura 39 - Pianta Piano Secondo Lato Nord Est ... 44
Figura 40 - Pianta Piano Secondo Lato Nord Ovest ... 44
Figura 41 - Pianta Piano Secondo Lato Sud Est ... 45
Figura 42 - Pianta Piano Secondo Lato Sud Ovest ... 45
Figura 43 - Simulation Studio ... 49
Figura 44 - Trnexecution ... 50
Figura 45 - Schema Dell'unità Di Trattamento Aria Modellata ... 60
i
Premessa
La tesi è incentrata sulla simulazione dinamica di edificio e sullo sviluppo di un modello di calcolo per l'analisi del funzionamento dell’impianto di una scuola primaria in fase di costruzione. La simulazione è stata effettuata sul corso di un anno e si basa sui dati forniti dal progettista.
Sulla base dei risultati ottenuti, i modelli di calcolo simulano il funzionamento del sistema edificio-impianto e ne analizzano le caratteristiche.
Il testo si articola in tre parti principali.
La prima sezione descrive l’edificio in oggetto e gli impianti di cui sarà dotato; quindi viene relazionata la fase di simulazione, ottenuta tramite il software di calcolo TRNSYS; segue l’analisi dei risultati.
Nella seconda parte vengono creati dei modelli che simulano il comportamento dell’impianto progettato e ne analizzano le criticità; l’impianto ad aria è stato modellato in maniera dettagliata per monitorarne il comportamento delle singole parti; l’analisi dell’impianto si focalizza sul funzionamento estivo, invernale e primaverile.
La terza parte evidenzia i risultati ottenuti e propone alcune ipotesi migliorative che un tale approccio al progetto permette.
ii Stato dell’arte
Per un utilizzo corretto delle risorse energetiche, nel campo della progettazione edilizia, sono sempre più ricercati materiali e metodi di costruzione performanti e sistemi impiantistici efficienti. Il controllo ottimale dell’impianto permette di ridurre la richiesta di energia primaria e contemporaneamente rispondere con efficacia alle necessità del sistema, garantendo così un notevole comfort termoigrometrico. Il consumo di energia finale degli edifici è circa il 40% della richiesta totale: migliorare l’efficienza degli impianti HVAC è fondamentale. Chua, Chou, Yang e Yan (1) propongono nuove tecnologie di raffrescamento ambientale e più efficienti strategie di controllo della ventilazione al fine di ridurre i consumi energetici. Lo scambiatore di massa e di calore proposto dal Dr. Maisotsenko permette di abbassare la temperatura dell’aria con più efficacia rispetto ad un normale scambiatore a piastre. Si riscontra che l’utilizzo di compressori Scroll aumentino del 14% la potenza di raffrescamento rispetto ad un compressore convenzionale. Infine è stato sperimentato che è possibile garantire un’alta qualità dell’aria di ricambio e al tempo stesso ridurre i consumi attraverso sistemi di ventilazione a portata variabile intelligenti, dimostrando così che la ventilazione di strato permette un risparmio di energia fino al 44% rispetto alla ventilazione per dislocamento o per miscelazione.
Liang W. et al (2) propongono lo sviluppo di un model predictive control (MPC) con un approccio parametrico al fine di controllare i consumi di un impianto di ventilazione e condizionamento (HVAC). Il modello simula il comportamento di un’unità di trattamento aria a portata variabile e analizza la miscelazione della portata d’aria di rinnovo con la portata d’aria di estrazione: rispettando i rapporti di miscela che garantiscono una buona qualità dell’aria di immissione, vengono calcolati istante per istante i minimi volumi d’aria necessari per rispettare i carichi. Con un calcolo ottimale, si possono raggiungere risparmi del 27% rispetto al controllo convenzionale.
Kitzberger T. et al (3) hanno creato un programma di controllo temporale (TPC) per la gestione delle portate d’aria di ricambio con l’obiettivo di garantire il necessario fabbisogno con il minimo consumo energetico. Vengono indagati i potenziali benefici che un controllo della pressione dell’aria all’interno dei condotti possa portare: i ventilatori devono vincere perdite di carico variabili istante per istante; regolare la prevalenza con sistemi di controllo retroattivi, che agiscono sul ventilatore tramite un inverter, può portare a risparmi di energia elettrica del 55% ed energia termica del 34% rispetto a sistemi di regolazioni assenti o mal funzionanti.
Noussan M. et al (4) evidenziano quanto sia importante analizzare correttamente il sistema impianto: un dettagliato monitoraggio delle grandezze caratteristiche può portare ad un elevato risparmio energetico. La disponibilità di dati operativi campionati con intervalli temporali brevi, permette di individuare un eventuale mal funzionamento, evidenziando ad esempio che il recuperatore effettua un
notevole recupero termico ma al contempo genera perdite di carico che aumentano il consumo di energia elettrica necessaria al ventilatore. L’analisi ha quindi suggerito di mantenere l’utilizzo del recuperatore ma di sostituire i ventilatori a velocità fissa con altri a velocità variabile in modo di adattare il carico alle necessità.
Per quanto riguarda gli edifici scolastici nello specifico, il buon funzionamento degli impianti di condizionamento risulta basilare non solo per limitare i consumi, ma anche per garantire un elevato comfort ambientale agli occupanti al fine di migliorare le loro prestazioni, nell’insegnamento e nell’apprendimento. Uno studio condotto da Marino, Minichiello e Ronga (5) mostra un’analisi dettagliata sulle prestazioni di tre tipologie di impianto nel medesimo edificio scolastico condotte attraverso una simulazione dinamica. È stato utilizzato il software di calcolo Energy Plus e la sua interfaccia grafica Design Builder. Sono stati confrontati il funzionamento di un impianto ad aria primaria a volume costante con recupero di calore e post trattamento di zona, un impianto ad aria primaria accoppiato a fan ,coil ed infine un impianto ad aria primaria accoppiato a riscaldamento/raffrescamento radiante a pavimento. Sono stati analizzati due giorni tipo per caratterizzare il funzionamento invernale ed estivo: i risultati mostrano come il miglior impianto per soddisfare il carico inverale sia quello con riscaldamento radiante a pavimento mentre il post trattamento di zona risulta il sistema più indicato per l’utilizzo estivo. In conclusione vengono evidenziati i benefici che la simulazione dinamica porta con sé: essa costituisce una parte insostituibile nel metodo di progettazione e di analisi di quegli edifici i cui consumi reali non sono ancora disponibili.
Uno studio condotto da Balocco e Colaianni (6) mostra come le simulazioni dinamiche di edificio e le tecniche CFD permettano di indagare nel dettaglio le criticità del sistema edificio-impianto. Emerge che la maggior parte delle scuole italiane hanno una buona inerzia termica ma generalmente sono poco isolate; inoltre la distribuzione dei locali non è quasi mai ottimizzata e l’occupazione risulta molto disomogenea: in conseguenza, gli impianti risultano sovradimensionati, i locali sono troppo caldi di inverno e scarsamente raffrescati d’estate; la ventilazione spesso non riesce a garantire un buon ricambio una buona qualità dell’aria. Eppure, sottolinea lo studio, basterebbero pochi accorgimenti in fase di progettazione (utilizzo di serramenti più performanti e ventilazione direzionata) per ottenere enormi miglioramenti sia sotto l’aspetto del risparmio che del comfort.
iii Simulazione dinamica
Nell’Unione Europea, circa il 40% della richiesta di energia primaria è legata al condizionamento degli edifici (7). È evidente pertanto che la diminuzione degli impatti ambientali ponga parecchia attenzione all’ottimizzazione delle prestazioni energetiche dell’impianto e dell’involucro.
Le direttive europee e nazionali forniscono metodi sempre più accurati per la stima delle richieste energetiche degli edifici, arrivando anche all'analisi dinamica. Si rende quindi necessario l’utilizzo di strumenti di valutazione transitoria più complessi al fine di valutare in maniera dettagliata l’effetto delle diverse strategie attive e passive sul miglioramento del comfort termico interno e delle prestazioni energetiche, ad esempio utilizzando metodi di simulazione dinamica.
Si possono individuare tre tipologie di simulazione: quelle cosiddette “stazionarie” che hanno come base di calcolo i giorni medi dei mesi che compongono la stagione; quelle “semi-stazionarie”, il cui intervallo di tempo base è il giorno medio mensile; quelle “transitorie” che possono analizzare
l’andamento delle grandezze con timestep orari o sub-orari. Ciò permette di
avere una descrizione minuziosa del comportamento dell’edificio ora per ora. I software di simulazione hanno radici negli anni settanta, quando la crisi petrolifera mise per la prima volta al centro dell’attenzione il problema del consumo energetico (8).
I modelli dinamici prevedono la risoluzione delle equazioni termodinamiche considerando tutti i fenomeni fisici in funzione del tempo che nei modelli stazionari non possono essere risolti quali per esempio:
- conduzione termica in regime transitorio.
- irraggiamento interno ed esterno agli ambienti.
- ombreggiature esterne.
- flussi d’aria dall’ambiente esterno verso l’interno oppure
reciprocamente tra gli ambienti interni.
- guadagni gratuiti interni.
- controllo degli impianti.
Tra gli altri si descrivono brevemente i principali software di simulazione: DOE-2 converte i dati d’input in una forma leggibile per essere utilizzati in seguito dai suoi quattro sottoprogrammi (moduli di simulazione) eseguiti sequenzialmente: LOADS, SYSTEMS, PLANT e ECONOMICS. Le principali interfacce grafiche sono RIUSKA ed eQUEST.
Energy-Plus è un motore di calcolo più preciso del precedente, utilizzando un metodo di bilancio energetico pesato su alcuni parametri auto dimensionati. Al momento gli input possono essere inseriti solamente tramite dei file di testo e questo rappresenta un importante limite. Tuttavia sono utilizzabili alcune interfacce grafiche come Design Builder. Inoltre nel programma è implementato
il metodo di calcolo dei carichi termici ASHRAE (9) che si basa sulla differenza di temperatura tra le varie zone.
TRNSYS è un software di simulazione energetica costituito da numerosi moduli
(10) sviluppato presso il Solar Energy Lab dell'Università del Wisconsin-Madison e il Solar Energy Application Lab dell’Università del Colorado. La sua struttura a moduli conferisce una grande flessibilità permettendo di raggiungere alti livelli di dettaglio (11). Il programma ha un risolutore robusto in grado di risolvere equazioni differenziali algebriche a partire dai dati di input. Nella sezione dedicata se ne approfondirà la descrizione.
TAS, acronimo di Thermal Analysis Software, è molto utile nelle verifiche di ventilazione, e per il controllo del surriscaldamento estivo. Per questi fini, oltre al modulo di simulazione dinamica, è stato sviluppato un modulo per l’analisi fluidodinamica computazionale bidimensionale, che consente di verificare in maniera veloce e intuitiva l’efficacia delle scelte di ventilazione naturale o meccanica adottata, integrando la possibilità di inserire carichi termici all’interno degli ambienti e di collegarli eventualmente a controlli regolabili nel tempo.
iv Obiettivo della tesi
Il progetto di un impianto parte sempre dall’analisi dei dati a disposizione: il compito del progettista è quello di fornire all’edificio un sistema in grado di rispondere alle esigenze di chi lo abita e di ottenere negli ambienti condizioni di benessere.
Un impianto funzionante non può però prescindere da un corretto dimensionamento delle singole parti, al fine di ridurre al minimo i consumi e razionalizzare le risorse.
La progettazione degli impianti si basa su una metodologia che prende in considerazione condizioni di funzionamento ipotetiche e spesso "limite", che possono portare a sovradimensionamenti dei vari componenti, limitandone l’efficienza. Grazie alla simulazione dinamica si può verificare il loro funzionamento nelle condizioni operative di esercizio, che possono essere anche molto diverse da quelle di progetto, e verificare quindi, quanto incida la scelta progettuale sull'efficienza del sistema.
La simulazione dinamica che viene condotta è il fattore caratterizzante di questo studio. L’obiettivo della tesi è quello di fornire al progettista, attraverso di essa, uno strumento che superi le approssimazioni ed eviti sovradimensionamenti. L’analisi dinamica di involucro fornisce un quadro completo dell’andamento delle grandezze di interesse quali temperature, umidità relative e carichi durante il completo corso dell’anno, con un elevato livello di dettaglio.
Accoppiando i risultati della simulazione dinamica ad un modello di calcolo parametrico che simula il funzionamento dell’impianto, il progettista sarà in grado di avere una visione di insieme del progetto, avere un feedback sul dimensionamento e controllare se le necessità degli occupanti saranno rispettate o, eventualmente, intervenire. La progettazione che muove i passi da un’analisi chiara e più aderente alla realtà, sarà sempre migliore rispetto a quella che si basa su condizioni di progetto cautelative, che potrebbero, in certi casi, essere sub ottimali.
Parte I:
L’edificio
Lo studio è stato applicato alla scuola primaria di via Brocchi a Milano, il cui progetto esecutivo è stato recentemente validato in attesa dell’inizio dei lavori. L’obiettivo del comune del capoluogo lombardo, di concerto con il MIUR, è stato quello di realizzare comparti scolastici a basso impatto ambientale, promuovendo la bioedilizia e il risparmio energetico. Tra le altre, la scuola in oggetto, sita nel quartiere Gallaratese, rappresenta un’eccellenza sotto questi punti di vista.
Ad aggiudicarsi la progettazione definitiva ed esecutiva è stato lo studio pisano ATI Project, che per gentile concessione, ha messo a disposizione i dati necessari all’analisi dell’involucro e degli impianti.
La progettazione è stata condotta attraverso il metodo BIM (Building Information Modeling) che permette di condurre una pianificazione e una gestione del progetto a livello integrato tra le discipline in modo da ottimizzare i tempi e le risorse e poter porre maggiore attenzione ai dettagli.
La scuola si articola in diversi comparti per una superficie totale di oltre 7.000 metri quadri: le aule sono state distribuite nel lungo edificio a tre piani con pianta rettangolare; un secondo edificio di due piani con pianta ad “L” ospita la palestra e l’auditorium mentre un terzo edificio ad un piano, adiacente al primo, comprende la mensa, la biblioteca e gli spazi collettivi; il tetto di quest’ultimo costituisce la piazza centrale su cui affacciano le aule.
Il principio del risparmio energetico è stato perseguito anche con la scelta di materiali quali il legno XLAM e l’acciaio che coniugano l’estetica alla tecnica.
L’analisi è stata effettuata sul corpo “Aule”, vero cuore pulsante del comprensorio. È stato ipotizzato avulso dal resto, essendo l’edificio principale: esso ospita le lezioni ed è il centro della fruizione; gli edifici attorno sono adibiti ad attività di corredo. La scuola è pensata per ospitare fino ad oltre settecento persone che per la maggior parte del tempo vivono le aule e i laboratori: è in questo edificio che il comfort ambientale è imprescindibile.
L’edificio a pianta rettangolare si sviluppa su tre piani. L’ingresso principale è situato sulla facciata rivolta a sud al piano terra, mentre è previsto un ingresso secondario dalla piazza principale sul lato nord. La hall è un volume unico con facciata continua in vetro su entrambi i lati. Una serie di lamelle orizzontali fanno da schermo ombreggiante sulla facciata sud. La copertura piana ospita un campo tecnico di pannelli fotovoltaici per un totale di 150 kilowatt installati e
90 metri quadri di pannelli solari termici per la produzione di acqua calda sanitaria.
L’analisi degli impianti di interesse verrà approfondita nel relativo capitolo.
Figura 2 - planimetria generale
Figura 4 - prospetto nord e sud
Figura 5 - prospetto est e ovest
Per le ipotesi assunte, si è ipotizzato inesistente il collegamento al piano terra con l’edificio “Mensa”; inoltre l’altezza interpiano è stata considerata costante, pari a tre metri.
Figura 7 - sezione 2
Di seguito una breve rassegna sulla disposizione dei locali con i relativi affollamenti di progetto. In appendice I, una tabella fornisce informazioni più dettagliate su ciascun locale, le relative superfici e gli affollamenti.
Al piano terra sono distribuiti i locali adibiti all’amministrazione e le aule insegnanti; sono presenti locali di servizio tecnico e locali riservati al personale; le aule più grandi sono adibite ad attività di laboratorio. Il piano ha una superficie totale netta di 793 metri quadrati e gli affollamenti di progetto contano 129 persone.
Il piano primo e il piano secondo sono maggiormente affollati: qui sono previste le aule per le lezioni, i laboratori e gli spazi per le attività interciclo.
La parte centrale dei piani superiori è caratterizzata dal vano scale tramite il quale si accede ai vari connettivi. I locali di servizio sono disposti in adiacenza alle scale e nella parte rivolta a nord est.
Il piano primo conta una superficie di 921 metri quadri avendo, in aggiunta al piano terra, le aule che poggiano su dei pilastri a vista e danno su una delle due scale antincendio.
Il piano è progettato per ospitare fino a 302 persone: è costituito da aule nella zona sud e laboratori nella zona a nord.
Il piano secondo ha una superficie di 956 metri, aggiungendo a quella del piano primo, la piccola porzione a ridosso della bussola di ingresso. Ospita 326 persone, conta ben 11 aule e 4 laboratori.
Fi gur a 8 - pi an o te rr a
Figura 11 - vista da sud ovest
1.1 Stratigrafie dei corpi opachi e trasparenti
La scuola è situata nel comune di Milano, la cui zona climatica è la “E” con 2404 gradi giorno. Per far fronte al fabbisogno termico, sono stati utilizzati materiali altamente isolanti: la superficie disperdente totale è di 3491 metri quadrati, di cui 400 è l’aria dei corpi trasparenti.
I corpi opachi verticali esterni hanno la seguente stratigrafia tipica (dall’interno all’esterno):
- 12,5 mm di lastra in cartongesso rinforzato con fibre di vetro - 12,5 mm di lastra in cartongesso rivestito con materiale cellulosico - 45 mm di isolante in lana di vetro
- 5 mm di intercapedine
- 120 mm di pannello in fibre orientate (tipo XLAM) - 5 mm di rasante minerale
- doppio strato di isolante (120 mm + 60 mm) in fibra di legno - 5 mm di rasante minerale
L’Xlam (acronimo di Cross Laminated Timber) è la caratteristica principale dell’involucro: i pannelli di legno sono sovrapposti in modo che le fibre di ciascuno siano ruotate di 90° rispetto a quello adiacente; ciò fornisce resistenza strutturale oltre che un’ottima resistenza termica. La trasmittanza media dei
corpi opachi delle superfici disperdenti è di 0,136 W/m2K.
I corpi trasparenti sono tutti del tipo vetrocamera con doppio vetro (6 mm di spessore). Il telaio è in alluminio. La trasmittanza media dei serramenti è di 1,003
Sul lato sud, i piani primo e secondo sono schermati da lamelle frangisole in alluminio. La trasmittanza media totale di involucro è di 0,48 W/m2K.
Si rimanda all’Appendice II per le schede tecniche di dettaglio delle stratigrafie.
Figura 12 - particolare delle lamelle ombreggianti
L’impianto
Il capitolo si propone l’obiettivo di descrivere il progetto impiantistico da un punto di vista generico per fornire al lettore una visione d’insieme dello schema e delle logiche di funzionamento.
Concordemente ai propositi del lavoro svolto si analizzano in maniera
maggiormente dettagliata gli impianti meccanici di interesse1.
Sebbene gli impianti a servizio dei vari edifici siano integrati, l’oggetto di analisi resta il corpo “Aule”: si tralascia perciò la descrizione dei componenti esterni ad esso, assumendo l’ipotesi che l’edificio possa considerarsi isolato non solo a livello architettonico ma anche impiantistico.
La scuola è pensata per una fruizione annuale che prescinde dal periodo scolastico e sia aperta di inverno come d’estate. Gli impianti sono pensati per fornire riscaldamento e raffrescamento con l’intento di minimizzare il consumo energetico.
La generazione è affidata ad una pompa di calore polivalente alimentata dal campo fotovoltaico posto in copertura: la macchina è posta in prossimità del locale tecnico di fronte alla facciata ovest della mensa, schermata sia visivamente che acusticamente da una siepe. Una caldaia a gas metano posta nel locale tecnico fornisce integrazione alla pompa di calore per il circuito idronico di riscaldamento e al campo di pannelli solari termici per la produzione di acqua calda sanitaria.
La distribuzione idronica a partire dai collettori posti nel locale tecnico del piano terra, alimenta un impianto di riscaldamento a pannelli radianti a pavimento a cui è affidato il riscaldamento degli ambienti.
Il trattamento dell’aria è delegato ad una centrale posta nel secondo locale tecnico del piano terra: da essa, attraverso un cavedio tecnico, si dirama la distribuzione aeraulica a controsoffitto di mandata e ripresa dell’aria fino ai terminali di diffusione ed estrazione posti in ambiente.
Si rimanda all’Appendice III per la descrizione dettagliata dei dimensionamenti delle portate d’aria di rinnovo secondo EN 15251 (12) e dell’impianto di riscaldamento a pannelli radianti.
1È avulsa dall’obiettivo la descrizione dettagliata degli impianti elettrici e di automazione, così come l’impianto idrico sanitario, antincendio e di scarico.
2.1 Logica di funzionamento
Il condizionamento ambientale viene perseguito sulla base delle condizioni esterne. L’impianto descritto è caratterizzato da un’indubbia flessibilità che gli permette di adattare le logiche di funzionamento alle esigenze stagionali.
Nei periodi invernali, il riscaldamento è demandato alla pompa di calore integrata dalla caldaia a condensazione a metano. Il calore prodotto, viene distribuito in ambiente tramite i terminali di riscaldamento. Il ricambio dell’aria viene assicurato dall’impianto aeraulico che tratta l’aria in ingresso tramite l’unità di trattamento: viene effettuato un riscaldamento dell’aria per portarla alla temperatura di set point (20 °C), inviando in ambiente aria neutra per un funzionamento dell’impianto ad aria primaria.
Nei periodi primaverili, l’edificio necessita ancora di essere riscaldato ma al contempo, l’aria esterna ha un’umidità relativa troppo alta: il trattamento dell’aria è più complesso. L’unità di trattamento deve effettuare una deumidificazione tramite una batteria di raffreddamento. In questa configurazione la pompa di calore funziona da polivalente, inseguendo la produzione di freddo per alimentare la batteria, ed utilizzando il recupero per alimentare il circuito di riscaldamento ambientale e post riscaldamento dell’aria. In estate, l’impianto ha un funzionamento a tutt’aria, sebbene una minima parte del raffrescamento venga assicurato dai pannelli radianti: terminali di questo tipo funzionano ottimamente in riscaldamento perché le rese permettono una bassa temperatura di mandata e un conseguente funzionamento ottimale dei componenti di generazione; in raffrescamento invece presentano evidenti controindicazioni tra cui la possibile condensa determinata da una temperatura superficiale minore della temperatura di rugiada dell’aria. Per tali ragioni, in questa analisi si è proceduto ad assumere l’ipotesi che, in periodo estivo, il raffrescamento ambientale fosse deputato esclusivamente alla centrale di trattamento aria. La pompa di calore funziona da chiller con possibilità di recupero parziale per un’integrazione alla produzione di acqua calda sanitaria.
2.2 La centrale termo-frigorifera
La centrale si compone di una pompa di calore polivalente per la produzione di acqua riscaldata e/o refrigerata e una caldaia a condensazione a gas metano per l’integrazione dei circuiti idronici e della produzione di acqua calda sanitaria. È prevista l’installazione di uno scambiatore di calore a piastre saldobrasate per un potenziale accoppiamento ad un circuito di teleriscaldamento passante nei pressi degli edifici: in questa trattazione ci si riferisce allo stato di fatto, omettendo eventuali varianti nel progetto.
Questo studio parte dall’ipotesi di isolare l’edificio in oggetto dai restanti, astraendolo dal contesto ed immaginando che esso sia servito da un impianto completamente autonomo ed indipendente dal resto: l’ipotesi viene assunta per porre maggiore attenzione sull’analisi dinamica e i suoi risultati, andando a cercare quei suggerimenti nel dimensionamento dei componenti che altre analisi di involucro non permettono. Ci si limita pertanto alla descrizione dei componenti e delle loro funzionalità, omettendone le dimensioni. I risultati cercati saranno la base su cui effettuare un corretto dimensionamento.
La caldaia a condensazione a gas metano alimenta un circuito idronico con temperatura di mandata e ritorno di 70/60 °C che integra:
- il collettore di distribuzione principale deputato al riscaldamento degli ambienti e ad alimentare le batterie di post riscaldamento;
- la serpentina del preparatore di acqua calda sanitaria innalzando, se necessario, la temperatura dell’acqua preriscaldata dall’impianto solare
La caldaia è posta nell’apposito locale tecnico al pari della componentistica di sicurezza2.
La pompa di calore è deputata alla produzione di acqua riscaldata e/o refrigerata alimentando il collettore idronico di distribuzione principale. Due serbatoi inerziali, posti in adiacenza
all’uscita di mandata e
all’ingresso di ritorno,
permettono il
disaccoppiamento idraulico tra generazione e distribuzione, in modo da diminuire il numero di accensioni ed aumentare il rendimento.
La figura accanto descrive il tipico funzionamento di una pompa polivalente: - in riscaldamento, il funzionamento non è dissimile da una convenzionale - in raffrescamento, il refrigerante, una volta compresso e portato alla pressione di condensazione, viene inviato ad un desurriscaldatore che scambia calore con una determinata
portata d’acqua
innalzandone la
temperatura;
raggiunta la
temperatura di
condensazione, il refrigerante viene fatto condensare in un condensatore e il calore viene recuperato come in precedenza. Al netto di ovvie perdite, il recupero può considerarsi quasi totale
I compressori sono ermetici rotativi tipo Scroll: ne sono installati quattro in parallelo a quattro gradini di compressione.
2 La trattazione esula dalla descrizione dei componenti di sicurezza, del funzionamento dei sensori e degli attuatori, se non propriamente necessario.
Gli scambiatori lato acqua sono di tipo a piastre saldobrasate mentre lo scambiatore lato aria è una batteria alettata costituita da tubi di rame e alette in alluminio.
Completano la macchina gli elettroventilatori elicoidali e le relative pompe di mandata3.
La macchina è fornita di refrigerante R410A.
Figura 14 - particolare della pompa di calore
3 La macchina mostrata in figura è una RHOSS TXAEQY 4400 in configurazione standard: la macchina dispone di una gamma di accessori (qui assenti) che le conferiscono una notevole modulabilità. La macchina fa parte delle serie scelta dal progettista.
2.3 L’unità di trattamento aria e l’impianto di ventilazione
L’unità di trattamento aria (di seguito chiamata UTA) provvede al ricambio d’aria secondo le portate definite dalla normativa e al suo trattamento secondo la configurazione relativa.
Posta nel locale tecnico n°2, al piano terra lato nord-est, dialoga con l’esterno tramite un cavedio tecnico; attraverso lo stesso cavedio si dirama la distribuzione aeraulica di mandata e ripresa, caratterizzata da condotti isolati (pannello sandwich antimicrobico) e staffati nel controsoffitto. Opportune serrande di regolazione determinano il flusso dell’aria e minimizzano le perdite di carico. Terminali di diffusione e di estrazione sono posti nei controsoffitti dei rispettivi ambienti.
L’UTA a moduli componibili prevede un recuperatore rotativo entalpico, una batteria di raffreddamento e una coppia di batterie di recupero sul circuito di ripresa e di mandata; a corredo della componentistica principale, sono montati un filtro sintetico piano sulla ripresa e una coppia di filtri a tasche rigide sulla mandata a monte e a valle delle batterie, come mostrato in figura.
Non è stata prevista una sezione di umidificazione.
Il recuperatore rotativo entalpico scambia calore per accumulo: mentre il cilindro ruota lentamente, l’aria di estrazione che lo
attraversa cede calore alla matrice che lo accumula e lo cede all’aria entrante che attraversa l’altra metà. La particolarità di questo recuperatore è che effettua un recupero anche sull’umidità: la matrice in alluminio viene trattata con silicato di sodio che garantisce un elevato trasferimento di umidità; prodotti fungicidi e batteriocidi evitano il formarsi di muffe e colonie batteriche.
I filtri a tasche rigide, grazie alla loro elevata
superficie filtrante, sono utilizzati come filtri finali e non sono rigenerabili: la
coppia viene posta a monte della batteria di raffreddamento per evitare l’entrata in batteria di particelle aerotrasportate e a valle del ventilatore di mandata per assicurare una elevata qualità dell’aria di immissione.
Il filtro piano sintetico, di classe di filtraggio inferiore ai precedenti, serve a pulire l’aria in ingresso alla centrale e ad evitare l’entrata i polveri sottili che danneggerebbero i componenti; viene posto a monte del ventilatore di ripresa.
I ventilatori sono entrambi di tipo a girante libera a pale rovesce accoppiata ad un motore asincrono: la girante centrifuga è accoppiata al modulo attraverso dei cuscinetti che interrompono la trasmissione delle vibrazioni il che assicura una certa silenziosità. Il motore varia il numero di giri per assicurare una portata d’aria costante al variare delle perdite di carico determinate dal probabile sporcamento dei filtri. La velocità dell’aria viene mantenuta costante a 2 m/s.
Figura 18 - filtri a tasche rigide
Figura 17 - filtri piani
Figura 16 - ventilatore Figura 19 - grafico prevalenza-portata ventilatore
Le batterie gemellari di recupero poste sul circuito di ripresa e di mandata costituiscono un sistema altamente ottimizzato per ottenere (in funzionamento estivo) un pre raffreddamento dell’aria in ingresso al recuperatore con recupero gratuito di calore che viene utilizzato nel post riscaldamento grazie ad un fluido termovettore (acqua o soluzione anticongelante):
la batteria sul circuito di ritorno effettua un raffreddamento sensibile dell’aria di espulsione aumentando la differenza di temperatura tra essa e l’aria di rinnovo a cavallo del recuperatore rotativo entalpico e favorendo un notevole risparmio sulla batteria di raffreddamento; il post riscaldamento, necessario a che venga immessa aria a temperatura non eccessivamente bassa, viene effettuato attraverso la batteria di recupero sul circuito di mandata che, tramite il calore proveniente dalla sua gemella, effettua un riscaldamento sensibile sgravando la pompa di calore e riducendo i consumi.
Le batterie, tra cui la batteria di raffreddamento, sono in tubi di rame e alette di alluminio; il passo standard è 2,5 millimetri mentre il numero di ranghi è variabile: fino a 10 per le batterie gemellari, 2 o 4 per la batteria di deumidificazione. Tutti gli attacchi son pensati per uno scambio in controcorrente e ogni scambiatore è dotato di una vasca raccogli condensa. L’ingresso dell’acqua in batteria è posizionato in basso per favorire lo sfiato delle bolle d’aria.
Figura 20 - dettaglio delle batterie gemellari
Figura 21 - dettaglio di uno scambiatore a piastre saldobrasate
2.4 Componenti di impianto secondari
L’impianto di riscaldamento radiante a pavimento è di tipo a secco ottenuto fresando il massetto ed inserendo le tubazioni nelle gole di fresatura: ciò fornisce una bassa inerzia termica ed un’elevata resa per inseguire le variazioni di carico con un minor consumo energetico e con maggior precisione. Le tubazioni sono in polietilene reticolato, caratterizzato da una grande resistenza termomeccanica. Il sistema è regolato tramite testine elettrotermiche che aprono o chiudono le serpentine a servizio dei relativi locali: sonde di temperatura di zona dialogano con una centralina che attua i relativi comandi con l’obiettivo di minimizzare gli sprechi. Questo sistema permette di raggiungere le temperature di set point dei locali con temperature di mandata particolarmente basse, in modo da ottenere temperature di pelle confortevoli e alte prestazioni per la pompa di calore. L’impianto solare termico sulla copertura della scuola consiste in un campo solare da 20 collettori a tubi sottovuoto con superficie di apertura di 4,5 metri quadrati ciascuno: il fluido termovettore è acqua senza aggiunta di glicole. I collettori sono dotati di CPC (Compund Parabolic Concentrator) e tubazioni sottovuoto.
L’impianto provvede alla produzione di acqua calda sanitaria tramite un bollitore provvisto di serpentina di
scambio: il sistema, in
condizioni di progetto,
aumenta la temperatura
dell’acqua di adduzione fino a 40 °C ed è eventualmente integrato dalla caldaia a metano. 1 ritorno freddo 2 mandata calda 3 cassetta di raccolta 4 lamiera conduttrice 5 tubo speciale in acciaio 6 tubo sottovuoto 7 specchio CPC 8 linea di ritorno 9 linea di mandata 10 isolamento termico
Modellazione di involucro: TRNSYS Build
Il software TRNSYS (TRaNsient System Simulation) adotta un approccio modulare, risolvendo equazioni algebrico differenziali attraverso una serie di componenti che simulano le parti del sistema edificio-impianto: esistono in libreria oltre 150 Types descritti in linguaggio FORTRAN che, una volta caratterizzati, possono essere collegati al simulatore. La flessibilità del programma permette anche di inserire dei componenti non presenti nella libreria. Ogni Type richiede dei dati in ingresso e fornisce dei dati processati in uscita: in questo modo è possibile monitorare un grande numero di variabili durante la simulazione. Il Type 56 è il componente che simula il comportamento dell’involucro a partire dalle informazioni che gli fornisce il file .BUI, creato appunto con il programma TRNBuild.TRNBuild è un’interfaccia che facilita la parametrizzazione delle informazioni riguardanti il sistema edificio-impianto: esso permette di modellare l’edificio dividendolo in zone integrate, di modellare il comportamento dell’impianto e di simulare gli eventuali apporti interni.
Di seguito viene descritta la modellazione del corpo “Aule” oggetto di studio passo per passo.
3.1 Creazione dei Layers
Una volta creato il file .BUI vengono parametrizzati gli orientamenti come di seguito:
- Superfici verticali rivolte a:
o Nord con angolo di 160° rispetto all’origine o Est con angolo di 250° rispetto all’origine o Sud con angolo di 340° rispetto all’origine o Ovest con angolo di 70° rispetto all’origine - Superficie orizzontale;
quindi sono state inserite le informazioni riguardanti le stratigrafie dell’edificio al fine di creare una libreria di
“walls” e “windows” layer da inserire nelle informazioni di involucro. I
muri sono stati nominati quindi sono stati inseriti i materiali e le loro caratteristiche in una libreria creata appositamente. Ogni materiale è stato caratterizzato per conducibilità termica [W/mK], resistenza termica [m2K/W],
massa volumica [kg/m3] e capacità termica specifica [kJ/kgK]. Sono stati così
modellati tutti i componenti opachi, sia verticali che orizzontali. 160°
Figura 23 - TRNBuild, walltype manager
Alla stessa maniera sono state inserite le stratigrafie dei corpi trasparenti, caratterizzati per trasmittanza termica del vetro, rapporto area telaio/totale e tipologia del telaio. Tutte le finestre sono state considerate verticali.
3.2 Compartimentazione delle zone
La logica di compartimentazione è basata sull’orientamento dell’edificio: il corpo ha una pianta rettangolare con esposizione dei due lati lunghi in direzione nord e sud con un’inclinazione di circa 20° rispetto alla verticale.
Ciò suggerisce una prima divisione secondo una linea orizzontale
come da figura. La scelta dipende dal fatto che la radiazione solare incidente sull’edificio influisce nettamente sul calcolo energetico: ne deriva una netta differenza fra un locale esposto a
nord e uno esposto a sud e con una tale zonizzazione si cerca di rendere il modello quanto più aderente alla realtà.
Una seconda tipologia di
compartimentazione viene fatta
considerando che l’edificio si articola su tre piani: la quota, l’esposizione ma anche la funzione e i relativi affollamenti di ciascun piano rendono ogni zona diversa dall’altra.
Peculiarità dell’edificio è la grande hall centrale: il progettista ha pensato ad una zona di ingresso come un volume unico. Nello specifico le tre figure a lato mostrano le piante del piano terra, primo e secondo: emerge che la zona si compone di una bussola di ingresso al piano terra e un vano scale per l’accesso ai piani superiori; il lato nord è caratterizzato da una facciata continua finestrata per tutta l’altezza dell’edificio.
Al piano primo si nota la doppia apertura a vista sul piano inferiore e l’ingresso lato nord che dà sulla piazza principale.
Il piano secondo ed ultimo ha un affaccio sui piani inferiori solo nella zona nord: il lato sud non viene infatti considerato compreso nel volume hall.
Si è deciso di compartimentare la zona di ingresso come unica, seppur dividendola in tre nodi, ognuno a rappresentare ciascun piano.
Il risultato è la seguente zonizzazione: - P0_N - P0_S - HALL - P1_N - P1_S - P2_N - P2_S
Figura 24 - pianta hall piano terra
Figura 25 - pianta hall piano primo
Piano Terra
Piano Primo
Piano Secondo
Stabilita la divisione in zone, sono state adeguatamente modellati i volumi.
P0_N
P0_N
P0_S
P0_S
HALL
1
P1_N
P1_N
P1_S
P1_S
HALL
2
P2_S
P2_N
HALL 3
P2_N
Figura 27 - TRNBuild, creazione delle zone
P0_N
La zona, divisa in due dalla hall centrale, ha una superficie totale di 563 metri quadrati; si suppone per questa e per le altre un’altezza interpiano costante di 3 metri. Il volume totale è di 1690 metri cubi. Essa ha un’interfaccia adiabatica (boundary) che rappresenta il pavimento alla quale viene assegnata un’inclinazione orizzontale; è adiacente alla hall 1, alla zona P0_S tramite pareti verticali interne e adiacente alla zona P1_N tramite il solaio; affaccia all’esterno sui lati ovest, nord ed est.
Fi gur a 29 - pi an ta pi an o te rr a la to n or d ov es t Fi gur a 28 pi an ta p ia n o te rr a la to n or d es t
P0_S
Ha una superficie totale 425 metri quadrati per un volume di 1275 metri cubi.
Come la zona nord, ha un’interfaccia adiabatica che rappresenta il pavimento contro terra, mentre è adiacente tramite pareti verticali interne alle zone P0_N e alla hall 1 mentre alla P1_S tramite il solaio; affaccia all’esterno sui lati ovest, sud ed est. Fi gur a 31 pi an ta p ia n o te rr a la to s u d ove st Fi gur a 30 pi an ta p ia n o te rr a la to s u d es t
Hall
La hall di ingresso viene
compartimentata in
un’unica zona avente tre nodi a rappresentanza di ciascun piano.
Il piano primo ha una superificie di 346 metri quadrati per un volume di 1038 metri cubi: ha un’interfaccia adiabatica
che rappresenta il
pavimento contro terra mentre sui lati est e ovest è adiacente alle zone P0_N e P0_S tramite pareti verticali
interne e “massless
layer” a rappresentanza
delle aperture sui
corridoi. È adiacente al
nodo superiore
attraverso un solaio e
altri due “massless
layer” che
rappresentano gli affacci
a vista del piano
superiore. Sul lato nord e sud, il nodo affaccia
sull’esterno tramite
pareti finestrate.
Il nodo del piano secondo ha la stessa superficie del precedente. Omettendo la descrizione delle pareti di adiacenza già descritte, il nodo 2 confina con le zone
P1_N e P1_S
attraverso
pareti verticali interne e
“massless layer” per le due aperture
sui corridoi; è adiacente al nodo 3 della hall tramite un solaio e un unico “massless layer” e adiacente alla zona P2_S tramite il solaio. Il nodo affaccia sia a nord che a sud tramite pareti finestrate.
Il nodo 3, ha una superficie di 263 metri quadri e un volume di 789 metri cubi: come si evince dalle figure, la porzione che affaccia a sud, nel secondo piano fa parte della zona P2_S. A parte le pareti adiacenti al nodo 2 già descritte, il nodo 3 confina con le zone P2_N e P2_S attraverso pareti verticali interne e due
Figura 32 - pianta hall piano terra
Figura 33 - pianta hall piano primo
“massless layer” per le aperture sui corridoi, affaccia a nord sull esterno tramite una parete finestrata mentre a sud è adiacente alla zona P2_S tramite pareti interne; il tetto è rappresentato da una parete orizzontale rivolta all’esterno, sulla quale è stato inserito un fattore d’ombra di 0,5 a rappresentanza delle macchine, del campo fotovoltaico e del campo solare termico che sono installati in copertura4.
P1_N
La zona del primo piano nord ha una superficie e un volume pari alla sottostante. Oltre alle adiacenze già citate, confina a ovest, nord ed est con l’esterno mentre è adiacente alla zona P1_S tramite una parete verticale interna e alla P2_N tramite il solaio.
4 Si ipotizza che dei circa 1800 metri quadri di copertura, quasi 700 siano occupati dal campo fotovoltaico, 90 dal campo solare termico e si assume una distribuzione uniforme tanto da assumere costante a 0,5 il fattor d’ombra per ciascuna copertura di zona.
Fi gur a 36 pi an ta p ia n o pr im o la to n or d ov es t
P1_S
La zona ha una superficie e un volume pari alla sottostante. Oltre alle adiacenze già citate, confina a ovest ed est con l’esterno, mentre è adiacente alla zona P2_S tramite il solaio. La parete verticale che guarda a sud ha un fattore d’ombra pari a 0,7 in rappresentanza delle lamelle ombreggianti orizzontali.
Fi gur a 38 pi an ta p ia n o pr im o la to s u d ove st Fi gur a 37 pi an ta p ia n o pr im o la to s u d es t
P2_N
La zona posta a nord del piano secondo ha la medesima superficie e lo stesso volume della sottostante; oltre alle adiacenze già citate si affaccia all’esterno sul lato ovest, nord ed est mentre è adiacente alla zona P2_S tramite pareti interne verticali; in copertura, una parete esterna orizzontale con fattore di ombreggiamento di 0,5 fa da tetto. Fi gur a 40 pi an ta p ia n o se co n do la to n or d ove st Fi gur a 39 pi an ta p ia n o se co n do la to n or d es t
P2_S
La zona ha una superficie di 606 metri quadri per un volume di 1818 metri cubi; oltre alle adiacenze già citate, confina con l’esterno tramite una parete orizzontale con fattore d’ombreggiamento 0,5 mentre si affaccia a sud tramite una parete verticale esterna con fattore d’ombra 0,7 a rappresentanza delle lamelle ombreggianti orizzontali. Fi gur a 42 pi an ta p ia n o se co n do la to s u d ove st Fi gur a 41 pi an ta p ia n o se co n do la to s u d es t
Le finestre sono state assegnate alle pareti specificandone la superficie; ad ogni parete è stata assegnata un’orientazione, un’inclinazione rispetto all’orizzontale, una superficie, una categoria fra “External”, “Internal”, “Boundary” o “Adiacent” ed eventualmente è stato specificato il nodo di adiacenza; ad ogni parete esterna verticale è stato assegnato un fattore di vista della volta celeste di 0,5 mentre alle pareti orizzontali di copertura è stato assegnato un fattore di vista della volta celeste pari a 1; ai serramenti del lato sud sono stati assegnati fattori di ombreggiamento interno pari a 0,3 per rappresentare i tendaggi. Tutti i fattori sono stati considerati costanti durante il corso dell’anno.
3.3 Gli impianti, gli apporti interni e le infiltrazioni
Una volta creato l’involucro sono state inserite le caratteristiche di funzionamento dell’impianto, sono stati simulati gli apporti interni e le infiltrazioni esterne.
Per quest’ultime è stato considerato un tasso fisso, per tutta la durata dell’anno di 0,1 volumi all’ora: per un volume totale di 10 297 metri cubi netti, un tasso del genere equivale a circa 0,35 kg/s di aria entrante nell’edificio se si considera costante la massa volumica dell’aria pari a 1,22 kg/m3
.
Gli affollamenti sono stati inseriti in base alla tipologia dei locali come segue:
P0_N P0_S P1_N P1_S P2_N P2_S
54 75 140 162 76 250
Tramite il comando “schedule type manager” sono stati inseriti gli orari di ingresso e di uscita delle persone:
- il 100 % entra alle 8:00 - il 50 % esce alle 13:30
- un ulteriore 30 % esce alle 17:30 (si suppone che ci siano attività pomeridiane
- i restanti escono alle 19:00 (si considera il personale e le eventuali attività post pomeridiane)
Come si evince dalla tabella nessuno affolla la hall di ingresso. Per i giorni festivi sono stati considerate le seguenti schede di programma:
- 30 persone entrano alle 8:00 ed escono alle 12:00 in considerazione del personale addetto alla pulizia e alla manutenzione
Per gli apporti luminosi sono stati considerati 5 watt al metro quadro per l’intero edificio, tenendo conto che nell’ingresso, i volumi doppi e tripli comportano la mancanza di parti di solaio: i metri quadri mancanti non sono stati considerati nel calcolo. Tramite “schedule type manager” sono stati inseriti i periodi di funzionamento dei corpi illuminanti:
- le luci si accendono alle 17:00 e si spengono alle 21:00 per tutta la durata dell’anno, nei giorni feriali e festivi.
Per quanto riguarda gli impianti, sono stati modellati sia l’impianto di riscaldamento che di raffrescamento, ipotizzando spenti gli umidificatori e i deumidificatori. L’ipotesi muove il passo dal fatto che l’obiettivo dello studio è
quello di ottenere un modello di calcolo, a partire dalla simulazione dinamica, in modo da poter manipolare i dati e le grandezze relative al progetto impiantistico: stabilita la tipologia di involucro, le stratigrafie e l’orientamento, definito l’impianto di riscaldamento e gli apporti interni, si ricercano i risultati relativi alle temperature e ai carichi di zona a cui dover rispondere con l’impianto di ventilazione ad aria primaria o a tutt’aria.
Pertanto, l’umidità relativa interna viene lasciata libera mentre si ricerca in output il carico sensibile da fornire in inverno ed estrarre in estate per mantenere la temperatura ai valori di set point; il carico latente verrà in seguito calcolato per impostare il valore di set point di umidità relativa desiderata.
Di fatto si stabilisce un regime di riscaldamento che si attivi appena la temperatura interna scenda al di sotto dei 20 °C e si accenda alle 7:00 e si spenga alle 20:00.
Il regime di riscaldamento viene assegnato a ciascuna zona e si attiva in maniera indipendente: esso costituisce un modello dell’impianto di riscaldamento radiante a pavimento, gli viene conferita una potenza pressochè infinita in considerazione del fatto che l’impianto è stato dimensionato per rispondere al carico massimo.
Alla stessa maniera viene stabilito un regime di raffrescamento che si accende appena la temperatura interna supera i 26 °C con un temporizzatore che parte alle 8:00 e si spegne alle 18:30 di ogni giorno feriale. Entrambi i regimi sono supposti spenti nei giorni festivi. Come per il riscaldamento, anche in raffrescamento ogni zona viene considerata indipendente dalle altre, in ragione dei diversi apporti interni ed esterni che possono portare a differenze di oltre 5 gradi tra una zona che affaccia a nord e una che affaccia a sud.
L’impianto di ventilazione non viene modellato in TRNSYS: in un secondo tempo, verranno creati dei modelli che simulano il comportamento dell’impianto ad aria e ne monitorano il funzionamento.
In Output si richiedono la temperatura, il calore sensibile (positivo se da estrarre, negativo se da fornire) e l’umidità relativa di ogni nodo: quest’ultima serve a monitorare l’evoluzione libera per capire quanto incide su essa il condizionamento ambientale.
Il calore latente da fornire o da estrarre verrà invece calcolato sulla base degli affollamenti e dell’umidità esterna.
Simulazione dinamica: TNSYS Simulation
Studio
Il pacchetto “Simulation Studio” contiene una serie di operatori in grado di effettuare una simulazione a partire da determinati input: i “types” citati nella precedente sezione vengono qui richiamati e collegati tra loro per ottenere in uscita i dati richiesti, con la possibilità di poterli monitorare durante la simulazione.
Si crea un file di lavoro in formato TPF: una finestra che permette di mettere in campo gli strumenti necessari al calcolo.
Per cominciare, tramite la finestra di calcolo si stabilisce il timestep scelto, ovvero l’intervallo di tempo unitario su cui verrà basata la simulazione. In questo caso si è scelto un timestep di 30 minuti. Si stabiliscono quindi l’istante di inizio e fine simulazione su base oraria: volendo ottenere una simulazione dinamica durante tutto il corso dell’anno, l’istante iniziale è stato posto uguale a 0 e quello finale uguale a 8760.
A questo punto vengono richiamati gli oggetti in campo.
Il type99 è lo strumento che processa i dati climatici e applica la radiazione solare alle superfici: dalla libreria del Comitato Termotecnico Italiano è stato scaricato il file in formato .txt relativo al comune di Milano. Il testo contiene tre colonne temporali che indicano mese, giorno e ora e altre colonne che indicano la radiazione solare (espressa in watt al metro quadro), la temperatura esterna (in gradi Celsius), l’umidità relativa (in percentuale) e la velocità del vento (in metri al secondo); sono quindi state inserite le coordinate esatte dell’edificio in oggetto. Sono quindi stati settati i parametri dello strumento:
- è stato inserito il percorso relativo al file climatico in input
- sono state inserite le direzioni caratteristiche di incidenza della radiazione solare sulle superfici in interesse stabilendo l’angolo di azimut e l’inclinazione rispetto all’orizzontale
- si è stabilito il numero e la tipologia degli output: si è scelto di estrarre la temperatura esterna e l’umidità relativa per ogni singolo intervallo di tempo; quindi le radiazioni solari dirette e diffuse incidenti sulle superfici di interesse.
Attraverso un operatore di calcolo è stata calcolata la temperatura del cielo a partire dalla temperatura dell’ambiente esterno secondo la seguente equazione:
!"#$ = !&'( − 11 [°.}
A questo punto è stato richiamato il type56 di cui si è accennato in precedenza per la simulazione del sistema involucro-impianto:
è stato inserito nell’input il percorso del file .BUI creato con TRNBuild relativo all’edificio.
Sono stati settati i parametri di processo, il numero di input e le unità di misura. Quindi sono state collegate in ingresso le radiazioni solari incidenti sulle relative superfici, la temperatura esterna, l’umidità relativa esterna e la temperatura di cielo ai relativi output provenienti dal type99 per effettuare i bilanci di involucro. Sono stati inseriti gli output che erano stati richiesti tramite TRNBuild:
- La temperatura di ogni nodo [°C] - L’umidità relativa di ogni nodo [%]
- Il calore sensibile da fornire/da estrarre da ogni nodo [kJ/h]
A questo punto sono stati messi in campo tre monitor per tenere sotto controllo le grandezze in analisi. Sono state scelte le unità di misura espresse dai grafici (°C, %, kW), sono state scelte le opportune scale e nominate le etichette.
Si sono quindi effettuati i relativi collegamenti:
- I monitor della temperatura e dell’umidità relativa sono stati collegati al type99 per ottenere la temperatura e l’umidità relativa esterna per ogni timestep; inoltre sono stati collegati alle 8 temperature e alle 8 umidità relative degli 8 nodi in uscita dal type56
- Per ottenere il calore sensibile in kilowatt è stato utilizzato uno strumento di calcolo che prende in ingresso i valori in uscita dal type56 e li processa secondo la seguente equazione:
0#1 =
0#2/4 3600
quindi è stato effettuato il calcolo per ciascun nodo e successivamente sono stati sommati tutti i valori per ottenere la richiesta totale di involucro di calore sensibile.
Poi i valori in uscita dal calcolatore sono stati collegati al monitor relativo. È stato inserito uno strumento di stampa che prende in ingresso tutti gli output interessanti e li scrive su un file .txt vuoto creato appositamente, il cui percorso è stato inserito nel relativo tag.
4.1 I risultati
Tramite il comando “run” è stata avviata la simulazione: i monitor hanno permesso di controllare gli andamenti delle grandezze analizzate per ciascun timestep. Il programma TRNExe è un accessorio che grafica i risultati prodotti dai monitor. Grazie ai grafici è possibile monitorare l’oscillazione delle grandezze, confrontarle fra loro e analizzare gli andamenti. Al termine della simulazione il
software permette di scrivere i risultati sul file di testo creato.
Esso viene quindi convertito in un foglio di calcolo in formato .xlsx:
il foglio riporta per ogni timestep (17 520) le grandezze richieste in output così nominate:
P0_N P0_S Hall_1 Hall_2 Hall_3 P1_N P1_S P2_N P2_S
Temperatura T_1 T_2 T_3 T_3P1 T_3P2 T_4 T_5 T_6 T_7 Umidità relativa RH_1 RH_2 RH_3 RH_3P1 RH_3P2 RH_4 RH_5 RH_6 RH_7 Calore sensibile Qs_1 Qs_2 Qs_3 Qs_3P1 Qs_3P2 Qs_4 Qs_5 Qs_6 Qs_7 Qs_tot Figura 44 - TRNExecution
È qui che si evidenziano i vantaggi della simulazione dinamica: tramite i software utilizzati, si ottengono i valori delle grandezze di interesse per un qualsiasi momento dell’anno, a differenza di metodologie quasi-stazionarie che prendono in esame la stagione o il mese.
Spesso i dati estratti da esse non sono significativi perché non caratterizzano perfettamente il comportamento del sistema edificio – impianto durante l’anno. Il dimensionamento dell’impianto e dei suoi componenti non può prescindere da un’analisi dei dati aderente alla realtà; il medico che prescrive la cura dopo un’attenta diagnosi del paziente è di gran lunga preferibile a quello che ne effettua una visita distratta e basata su pochi dati.
Alla stessa maniera, il lavoro del progettista deve essere focalizzato tanto sul dimensionamento, quanto sulla corretta valutazione delle necessità, altamente variabili nel corso dell’anno.
Il pericolo del sottodimensionamento non è minore di un dimensionamento eccessivo: sebbene un impianto sottodimensionato rivela subito le proprie mancanze, un impianto sovradimensionato è un impianto che lavora con poca efficacia e con molti sprechi.
I modelli di calcolo che verranno creati, saranno in grado di recepire in input i dati relativi ad ogni singolo timestep per procedere ad un corretto dimensionamento delle parti di impianto.
Vengono quindi estratti dei giorni caratteristici al fine di analizzare gli andamenti delle grandezze: si sceglie il 15 di ogni mese, se feriale.
L’analisi semplificata dei dati estratti permette di verificare le necessità dell’involucro durante l’anno e di isolare tre principali tendenze:
- In inverno, per ottenere una temperatura ambiente di almeno 20 °C e un’umidità relativa non inferiore al 50%, l’edificio richiede calore sensibile e latente: i dati suggeriscono un funzionamento dell’impianto di ventilazione ad aria primaria coadiuvato dal riscaldamento radiante a pavimento; la bassa umidità dell’aria esterna indica la probabile necessità di umidificazione. Viene scelto il 15 gennaio come giorno tipo.
- In primavera l’edificio necessita di riscaldamento e i dati suggeriscono ancora un funzionamento dell’impianto ad aria primaria accoppiato al riscaldamento radiante a pavimento; l’umidità dell’aria esterna, nettamente superiore ai mesi invernali, indica la necessità di deumidificazione. Viene scelto il 17 aprile come giorno tipo.
- In estate, l’edificio richiede raffrescamento e deumidificazione dell’aria esterna: ciò suggerisce un funzionamento dell’impianto a tutt’aria. Si sceglie il 15 di luglio come giorno tipo.
Di seguito vengono riportati i grafici relativi. Si analizzano le temperature di ogni nodo, il calore sensibile totale da fornire o da estrarre e le umidità relative di ogni zona, considerando spente le sezioni di umidificazione e deumidificazione: non avendo considerato acceso l’impianto di ventilazione, il calcolo del carico latente, in sede di simulazione, terrebbe conto solamente degli apporti interni e delle infiltrazioni, non considerando la portata d’aria esterna per ricambio; si preferisce quindi effettuare il calcolo del carico latente successivamente.
-5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
GENNAIO
Temperature
T1 T2 T3 T3P1 T3P2 T4 T5 T6 T7 T_EST -60,00 -50,00 -40,00 -30,00 -20,00 -10,00 0,00Calore sensibile - kW
RH1 RH2 RH3 RH3P1 RH3P2 RH4 RH5 RH6 RH7 % % % % % % % % % 7:30 34 33 37 38 39 35 35 39 40 8:00 31 31 33 33 34 32 32 33 34 8:30 30 33 29 29 29 32 34 32 34 9:00 32 38 29 30 31 37 41 37 40 9:30 35 41 30 32 34 42 47 41 44 10:00 37 44 32 34 37 47 52 45 48 10:30 40 46 34 36 40 51 56 48 52 11:00 42 48 37 39 43 54 60 52 55 11:30 44 49 39 42 45 57 63 55 57 12:00 46 51 42 45 48 60 65 58 59 12:30 48 52 44 47 51 63 67 60 61 13:00 51 53 47 50 54 65 69 63 63 13:30 52 53 50 53 56 67 71 63 63 14:00 52 53 52 55 57 67 72 62 63 14:30 52 51 53 55 57 66 69 61 62 15:00 52 50 54 56 58 65 67 60 61 15:30 53 50 54 56 57 63 65 60 60 16:00 53 50 55 57 58 62 64 59 60 16:30 53 51 55 57 58 61 63 59 59 17:00 53 52 55 57 57 60 61 57 57 17:30 52 51 55 56 57 59 59 56 56 18:00 52 51 55 56 56 57 58 55 55 18:30 51 50 54 55 55 56 56 55 55 19:00 51 50 54 55 54 55 55 54 54 19:30 51 50 53 54 54 54 54 53 53 20:00 50 49 53 53 53 53 53 52 52
La tabella evidenzia il periodo della giornata in cui è acceso il riscaldamento: con umidificazione spenta si nota un’umidità relativa inferiore al 50% in diverse zone e per diversi intervalli temporali. Si ricorda che i dati fanno riferimento ad una condizione in cui l’impianto di ventilazione risulta ancora inesistente.
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
APRILE
Temperature
T1 T2 T3 T3P1 T3P2 T4 T5 T6 T7 T_EST -9,00 -8,00 -7,00 -6,00 -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00Calore sensibile kW
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0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
