analisi globale

(1)

(2)

109

Intro

L’analisi energetica che segue questa pagi-na è l’approfondimento di ciò che in fase concorsuale era stato già affrontato a livello di concept. Nonostante la consecutio tempore, essa fa comunque parte del ‘progetto’, appro-fondendolo da un punto di visto tecnico-e-conomico.

Si procede con una prima analisi del settore urbano al fine di considerare quale compar-to (edificio) è più complesso nella gestione. Esso diventa il tema dell’analisi energetica da cui traiamo un metodo applicabile per il resto dell’area.

Per conseguire ciò che è semplice nel con-cetto ma macchinoso nella pratica, ovvero la gestione di dati riguardo il comportamento dell’edificio è stato scelto di usare una sola piattaforma. E’ stato scelto Grasshopper con l’aggiunta degli add-on LadyBug e Honey-Bee per l’analisi energetica e Launchbox per il dialogo in tempo reale con Microsoft Excel. Questa strategia permette non solo di eseguire il lavoro scrivendo di fatto un algoritmo che gestisce l’intero processo, ma di aggiungere in un secondo momento

ap-profondimenti ulteriori sul comportamento dell’edificio sia da un punto di vista energa-tico, sia in altri ambiti come l’analisi acustica.

Settore urbano

Defininiamo il settore urbano (fig.4.1) di interesse all’interno del quale faremo una prima suddivisione quantitativa delle aree occupate associando ad ognuna di esse i re-lativi fabbisogni per fascia oraria. La super-ficie (fig. 4.2) è costituita per il 79% da spazi pubblici mentre gli edifici occupano il 21% definendo la superficie coperta. Vi è si una netta prevalenza in tal senso in cui le aree pubbliche assolvono il compito di spazi di aggregazione, niente che richiede necessità specifiche. Il fabbisogno si riduce alla sola componente dell’illuminazione e dell’even-tuale irrigazione delle aree a verde durante il periodo estivo. Per questo secondo punto la posizione geografica del lotto non lascia molto spazio all’immaginazione trovandoci alla confluenza di due fiumi.

Profili di utilizzo

Procediamo con il computo metrico degli edifici stilando un profilo di utilizzo relativo

B

2438 5771

5555

3582

mq

14% 33%

32%

21%

edifici

superfici

pavementate

a piazza

superf.

perme-abile

parco fluviale

e aree verdi

Come è ripartita la superficie del lotto?

S M

M

S

B

B 2438 5771 5555 3582mq 14% 33% 32% 21% edifici superfici pavementate a piazza superf. perme-abile parco fluviale e aree verdi

Come è ripartita la superficie del lotto?

S M

M

S B

4.1 Definizione del settore urbano di studio. M municipio, S sala della comunità, B biblioteca. 4.2 Grafico della distribuzione delle superfici.

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111 al programma (fabbisogni) ed agli orari di

utilizzo degli edifici da parte degli addetti ai lavori e degli utenti.

Il computo metrico delle superfici utilizzate deriva dalla prima fase. Il progetto, sviluppa-to a livello preliminare, non conteneva dati per effettuare una lettura in tal senso. Solita-mente queste informazioni vengono incluse in softwares di tipo BIM. Al fine di eseguire un computo che fosse rivalutabile in sede di analisi (ad esempio se una determinata area fosse stata calcolata come somma di sotto-aree o tutta in una sola volta) è stato deciso di collegare le piante CAD direttamente ad excel in maniera dinamica. Come già accen-nato si è impiegato Launchbox. Questo è stato quindi il primo passo per rendere pa-rametrico un disegno che non lo era sem-plicemente disegnando delle superfici che sovrascrivessero le superfici degli ambienti. L’alternativa poteva essere quella di ridise-gnare l’intero progetto con l’impiego di un software BIM (e.g. Revit, Allplan, ecc...) oppure eseguire i conti manualmente con il rischio di dover rifare tutto da capo nel caso si presentasse la necessità di variare anche un singolo parametro.

Per l’utilizzo delle strutture durante la setti-mana è stata fatta una stima sulla base degli orari più comuni per gli edifici pubblici in Germania. Per i tre edifici cambiano i fabbi-sogni se l’edificio è aperto al pubblico oppure no: ad esempio il municipio ha un elevato numero di addetti rispetto ai visitatori possi-bili, mentre la sala della comunità ha un ele-vato numero di utenti rispetto agli addetti ai lavori. Faremo quindi una distinzione: • Municipio: verrà considerato l’orario

degli impiegati, indipendentemente

dall’apertura al pubblico;

• Sala della comunità: verrà indicato un orario congruente all’apertura al pub-blico;

• Biblioteca: in questo caso i due orari coincidono.

Riepilogo dei servizi necessari

Qua a fianco riportiamo uno schema1_che

riassume gli orari, i fabbisogni e le volume-trie in gioco relativi ad ogni edificio. È ab-bastanza evidente che il municipio rappre-senta l’edificio con la maggiore complessità dal punto di vista dei fabbisogni. Inoltre, da un punto di vista volumetrico, parliamo di dimensioni importanti rispetto a sala e bi-blioteca.

Il municipio sarà pertanto oggetto di ap-profondimento per ciò che si intende fare, servendo da modello per gli altri due edifici, ritenendo poco significativo un loro appro-fondimento. La modalità scelta per il calcolo sarà quella indicata dalla normativa italiana (d.m. 26/6/2009 ) dal momento che essa - al pari di quella tedesca - recepisce le diretti-ve europee assegnando il compito della loro attuazione a livello regionale. Procederemo quindi con le seguenti analisi per ricavarne i vari indici prestazionali EP (energy

perfor-mance):

• Riscaldamento [EPh]

• Acqua calda sanitaria [EPhw]

• Raffrescamento [EPc]

• Illuminazione [EPl]

• Dispositivi elettronici [EPe]

Per quanto riguarda i punti 1,3 e 4 il fabbiso-gno energetico, oltre che da fattori

architet-tonici e tecnici, dipende dalla localizzazione dell’edificio, mentre per i punti 2 e 5 soltanto dalla richiesta. Procederemo pertanto a ot-tenere una lista di dati climatici aggiornati relativi alla località interessata. Nella fatti-specie ci interesseranno per il calcolo di EPh,

EPc ed EPl i seguenti valori:

• Valori medi mensili di temperatura esterna (TE, °C);

• Valori medi mensili di irraggiamento solare (W, MJ/m2_{) su superfici}

orizzon-tali e verticali per le varie orientazioni (S, SW-SE, E-W, NW-NE, N) Si noti come i valori medi mensili della pres-sione parziale di vapore dell’aria esterna (pVE,

Pa) e il valore medio annuale della velocità del vento (v, m/s) e la direzione prevalente siano stati omessi. Non si ritengono neces-sari per il livello di approfondimento scelto. In Italia la normativa UNI EN 10349 forni-sce i dati richiesti: una possibilità potrebbe essere quella di ottenere i dati dal legislatore tedesco. Si è scelto però di non percorrere questa strada, ma di utilizzare il database dell’U.S. Department of Energy. Questa stra-da è stata suggerita per due motivi. 1) I stra-dati sono rilevati con cadenza oraria. 2) Vengono forniti in formato *.epw (EnergyPlus Wea-ther data) che è attualmente uno dei formati usati dai maggiori softwares per condurre analisi di questo genere (figura 4.3).

Prima di utilizzare tali dati, tuttavia, è stato scelto di verificarne l’attendibilità.

Municipio

Sala della comunità

Biblioteca

8:00 --:--14:00 10:00 9:00 18:00 --:--18:00 18:00 19:00 Lun-Ven Lun-Ven Lun-Ven Sab-Dom Sab-Dom Sab-Dom Chiuso Chiuso 26 4

Municipio

Sala della comunità

Biblioteca

8:00 --:--14:00 10:00 9:00 18:00 --:--18:00 18:00 19:00 Lun-Ven Lun-Ven Lun-Ven Sab-Dom Sab-Dom Sab-Dom Chiuso Chiuso

6612

mc uffici

75

vani

5705

mc sala polifunzionale

1

vano

2949

camerini

319 / 3

WC

352 / 1

corridoi in ordine (mc/vani):

450 / 10

magazzini

165 / 7

WC in ordine (mc/vani):

9 2657

conferenza

12

409

WC

9 3227

corridoi

-3600

atrio

1 1894

magazzini

1

909

foyer

1 3978

mc biblioteca

15

vani

881

eventi

7

401

uffici

5

909

magazzini

18 1028

palco

1 1316

scale/ascensori

6

(4)

tab. 4.1 Valori medi della temperatura mensile [°C ] dalle fonti considerate (UNI EN 10349, U.S. Dep. of Energy).

tab. 4.2 Valori medi mensili dell’irradianza solare giornaliera su una superficie orizzontale [MJ/m2_].

UNI EN 10349 U.S. Energy dep. Δ

Gennaio 3,8 4,4 0,6 Febbraio 6,7 6,6 -0,1 Marzo 11,6 11,9 0,3 Aprile 16,5 14,1 -2,4 Maggio 20,0 19,8 -0,2 Giugno 22,2 21,5 -0,7 Luglio 24,0 24,7 0,7 Agosto 19,4 19,1 -0,3 Settembre 14,0 13,8 -0,2 Ottobre 8,4 7,8 -0,6 Novembre 4,4 4,9 0,5 Dicembre 3,3 3,5 0,2

Gennaio 5,3 5,1 -0,2 Febbraio 8,3 8,7 0,4 Marzo 12,3 13,0 0,7 Aprile 17,8 15,9 -1,9 Maggio 22,3 21,8 -0,5 Giugno 24,4 24,7 0,3 Luglio 26,0 25,0 1,0 Agosto 22,0 21,2 -0,8 Settembre 16,6 15,3 -1,3 Ottobre 11,2 10,3 -0,9 Novembre 6,1 6,0 -0,1 Dicembre 4,7 4,6 -0,1

Gennaio 7,7 7,5 -0,2 Febbraio 11,1 10,8 -0,3 Marzo 15,7 14,8 -0,9 Aprile 20,8 20,3 -0,5 Maggio 25,2 23,6 -1,6 Giugno 27,9 26,2 -1,7 Luglio 27,9 26,4 -1,5 Agosto 25,2 23,9 -1,3 Settembre 19,6 18,0 -1,6 Ottobre 13,5 13,3 -0,2 Novembre 9,3 7,7 -1,6 Dicembre 6,9 6,4 -0,5

(MI)

(PI)

(PA)

UNI EN 10349 U.S. Energy dep. Δ IGDG Δ

Gennaio 1,7 0,3 1,4 0,6 1,1 Febbraio 4,2 2,2 2 2,9 1,3 Marzo 9,2 7,5 1,7 8,5 0,7 Aprile 14 10,9 3,1 12,8 1,2 Maggio 17,9 16,3 1,6 16,8 1,1 Giugno 22,5 19,7 2,8 19,9 2,6 Luglio 25,1 23,1 2 23,1 2 Agosto 24,1 22,2 1,9 22 2,1 Settembre 20,4 17,6 2,8 19 1,4 Ottobre 14 12,5 1,5 13 1 Novembre 7,9 6,5 1,4 7,5 0,4 Dicembre 3,1 2,2 0,9 2,4 0,7

Gennaio 6,7 7 -0,3 Febbraio 7,7 7,7 0 Marzo 10,6 9,1 1,5 Aprile 13,6 12,4 1,2 Maggio 17,2 16,7 0,5 Giugno 21,1 20,4 0,7 Luglio 23,5 23,5 0 Agosto 23,5 23,9 -0,4 Settembre 20,9 20 0,9 Ottobre 16,3 15,9 0,4 Novembre 11,7 11,4 0,3 Dicembre 7,8 7 0,8

Gennaio 11,1 12,7 -1,6 Febbraio 11,6 11,8 -0,2 Marzo 13,1 13,8 -0,7 Aprile 15,5 15,7 -0,2 Maggio 18,8 19,1 -0,3 Giugno 22,7 22,8 -0,1 Luglio 25,5 25,5 0 Agosto 25,4 27 -1,6 Settembre 23,6 24,1 -0,5 Ottobre 19,8 21,6 -1,8 Novembre 16 17,2 -1,2 Dicembre 12,6 13,9 -1,3

fig. 4.3 Dati estraibili dall’U.S. Department tramite il component “*.epw file import” di La-dybug 0.0.55.

fig. 4.4 (pagina seguente) Porzione dell’algorit-mo elaborato in Grasshopper; dati in ingresso: ir-radianza media oraria su un piano orizzontale [Wh/m2_].

(5)

115 114

che le periferie presentino in media tempe-rature più basse.

Concludiamo che, visto il comportamento della divergenza dei dati, possiamo con buo-na approssimazione utilizzare le medie men-sili fornite dall’U.S. Department of Energy senza allontanarci in maniera significativa dalla situazione reale (tabella 4.1).

Irradiazione solare giornaliera media mensile; componente globale su superficie orizzontale

E’ stato ritenuto opportuno eseguire tale verifica per l’apporto di energia fornito dal

sole. Analogalmente alla verifica dei dati precedenti, è stata riscontrata una buona convergenza (figura 4.4, tabella 4.2).

Componente globale su superficie verti-cale

Il database preso a riferimento non presenta tali dati rendendo necessaria l’elaborazione dei dati forniti (latitudine, irradianza sul piano orizzontale, sul piano normale extra-terrestre e grado di copertura del cielo). Nel verificare tali dati sono state rilevate sensibili differenze per quanto riguarda i valori su

su-Verifica dati climatici

Per condurre la verifica dei dati dell’ente americano si sono confrontati i dati trovati con quelli forniti dalla UNI EN 10349; sono state quindi scelte tre città di diversa gran-dezza a diversa latitudine: Palermo, Pisa, Milano.

Temperature medie mensili

A pagine seguente riportiamo i valori riscon-trati: notiamo come i valori acquisiti a Paler-mo e Pisa non presentino grandi differenze. Per Milano bisogna invece fare un discorso diverso, poiché la temperature media di

apri-le si presenta piuttosto diversa. Rieseguiamo quindi il calcolo attingendo stavolta dai dati dell’Istituto G. Di Giorgio. I dati dell’istituto sono stati raccolti dalla stazione di Linate (si nota in planimetria), ovvero fuori dal centro: notiamo come in questo caso la differenza diminuisca. La spiegazione a tale differenze risiede nel fatto che Milano, a differenza del-la altre due città vicine al mare, presenta for-ti gradienfor-ti di temperatura a causa sia della sua estensione, sia della scarsità di venti. Le temperature registrate dall’U.S. Department

of Energy sono, per Milano, più basse.

Facciamo un parallelo con Stoccarda e l’a-nalogia del tipo di territorio (clima conti-nentale) è un dato in comune. Detto questo, le dimensioni della città di Stoccarda - più piccola di Milano porta a concludere che: le temperature registrate per la stazione di Stoccarda saranno probabilmente di poco più basse di quelle reali presenti nel centro città. Tuttavia il sito di intervento si trova in posizione periferica (per di più lungo la confluenza dei due fiume Rems e Neckar), di Remseck: in tal caso le temperature saranno più basse rispetto al mitte. È infatti cosa nota

fig. 4.5 Risultati dell’irradianza solare media giornaliera sulle superfici esposte rispettiva-mente a sud, est, nord, ovest, inferiore e superio-re a Pisa [MJ/m2_].

(6)

117 116

re e quella del terreno. Essa, da aggiungere all’irradianza solare diretta sulla medesima superificie (pari a Id,t=IdRd), vale:

F1 coefficiente di luminosità circumsolare;

F₂ coefficiente di luminosità dell’orizzonte;

a/b coefficiente di incidenza circumsolare.

Nella fattispecie abbiamo che:

θ angolo tra il Sole e il vettore normale alla

superficie;

θ_z angolo tra lo zenith e il vettore normale alla superficie.

F₁ e F2 dipendono invece da tre parametri che descrivono le condizioni del cielo, ovve-ro:

f_ij dipendono dalla limpidezza ε del cielo e sono tabellati secondo intervalli di quest’ul-tima;

Δ rappresenta il coefficiente di penetrazione dell’irradiazione solare attraverso l’atmosfe-ra. Data la complessità si rimanda l’appro-fondimento a testi specifici2_.

Involucri: approfondimento progettuale

Infine passiamo al calcolo dei valori di tra-smittanza per gli involucri scelti nel

proget-I I F R Fa b F d,t = d ( − ) d+ + sin





1 1 1 2 β





a b z = = max[ , cos ] max[cos , cos ] 0 85 θ θ F f f f F f f f z z 1 11 12 13 2 21 22 23 0 180 180 = + + = + +

(

)









(

)

max , ∆ ∆ πθ πθ

to. Il calcolo, se non già specificato dal pro-duttore, come nel caso di alcune componenti vetrate, è stato eseguito secondo la UNI EN ISO 6946:2007 per i componenti opachi e la UNI EN 673:2011 per i componenti traspa-renti. Il calcolo è stato eseguito con Diather-mPRO 2.0 di Diasen s.r.l.

Per scelta riporteremo qui i risultati senza lo svolgimento dei conti. L’autore non intende infatti affrontare un tema conosciuto e ap-profondito a sufficienza in numerosi altri testi.

Tipologia involucro U [W/m2_K]

copertura - opaco 0,25 copertura - trasparente 0,80 facciata - infisso 0,30 facciata - tamponamento opaco 0,26 facciata - tamponamento trasparente 0,80 tamponamento opaco - PT 0,25 tamponamento opaco - P(-1) 0,24

solaio - 1P 0,23

solaio - fondazione 0,33 tamponamento vetrato - PT 1,00

Per i dettagli rimandiamo ai disegni a pagina seguente. Vogliamo tuttavia porre l’attenzio-ne sulla scelta dei tamponamenti trasparenti per le facciate nord, sud, ovest, est. I pacchet-ti qui presentapacchet-ti consentono l’integrazione del sistema di oscuramento interno al primo vetro:

• Pilkington cod.

12+140+C(70)6-16Ar-6 [A.01 a pag. 209]

• Pilkington cod. 12+140+S(5)6-16Ar-6

[A.02 a pag. 210]

• Pilkington cod.

12+140+S(3)6w-16Ar-6 [A.03 a pag. 211]

Per il pacchetto del lucernario si è optato per una stratigrafia che consentisse performance analoghe a quelle del tamponamento delle

facciate con uno spessore ridotto e con una buona resistenza ad eventuali carichi (neve, grandine):

• Pilkington

8.8LpC(70)-16Ar-4-16Ar-4 [A.04 a pag. 212]

Per ridurre al minimo l’apporto energetico solare all’interno degli ambienti, riguardo le facciate abbiamo scelto la prima soluzione. Questo dipende principalmente dal fatto che l’edificio è ampiamente vetrato, presen-tando criticità piuttosto negli apporti termi-ci che non nell’apporto di luce naturale (che nei casi 2 e 3 è maggiore). Riassumiamo qui sotto le caratteristiche di trasmissione del flusso solare che vedremo ci serviranno più avanti.

Tipologia involucro guadagno fattore di solare (g) fattore di schermatura solare (SC) facciata 0,34 0,39 lucernario 0,33 0,38

perficie verticale rivolta a Nord, Est e Ovest, ovvero dove la componente diffusa gioca un ruolo maggiore. A sud i valori sono ancora accettabili, mentre le superfici orizzontali presentano un valore quasi coincidente alla lettura dei valori senza alcuna elaborazione. Per semplicità riportiamo i dati della sola stazione di Pisa nei mesi di gennaio, mag-gio e settembre (figura 4.5). Le altre stazioni fino ad ora considerate (Milano, Palermo) ed i mesi omessi forniscono la medesima diffe-renza riportata in percentuale: siamo quindi in presenza del solito pattern di dati. La pro-cedura di calcolo verrà mostrata in seguito nella determinazione dell’apporto solare Qs nel riscaldamento [page 125].

Per concludere, la differenza riscontrata di-pende esclusivamente dal fatto che i model-li che schematizzano il cielo nel caso della UNI EN 10349 (modello di Liu-Jordan) e di Ladybug (modello di Perez) sono diffe-renti. Approfondiremo nelle pagine che se-guono questa differenza.

Cielo isotropo: modello Liu-Jordan

Esso considera la radiazione diffusa som-ma di due componenti: quella provenien-te dalla volta celesprovenien-te - schematizzata come una semisfera isotropa - e la riflessione di quest’ultima sul suolo. Componenti aniso-trope quali circumsolare e orizzonte chiaro non vengono prese in considerazione. Adot-tando il modello, e considerando una linea di orizzonte perfettamente rettilinea, l’irra-dianza solare I su una generica superficie è data dalla relazione:

I = I Rb b+I Rd d+ρ (g Ib+I Rd) r

I_b e Id rappresentano l’irradianza diretta (beam) e diffusa (diffused) per la località dove è eseguito il calcolo, ρg il parametro di riflessione del terreno, mentre Rb, Rd e Rr sono i fattori di inclinazione della radiazione diretta, diffusa e riflessa. Definiamo gli an-goli α, β e i. Sono rispettivamente l’altezza solare, l’inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale e l’angolo incidente dei raggi solari rispetto alla retta normale uscen-te dal piano. Scriveremo che:

Il coseno di quest’angolo è ricavabile dalla seguente relazione:

in cui λ è l’azimut solare, e γ è l’azimut della superficie considerata misurati in senso ora-rio considerando come partenza la superficie la cui normale è orientata verso sud.

Cielo anisotropo: modello di Perez

Qui di seguito viene descritto il metodo usato da Radiance ed implementato in Ho-neybee, Ladybug e Daysim per il calcolo dell’irraggiamento su una superficie comun-que orientata. Duncomun-que tutti gli studi che se-guiranno saranno condotti con tale metodo. Il modello di Perez è basato su una più det-tagliata analisi di tre componenti di luce diffusa: quella del cielo, quella

circumsola-R i R R b d r = = + = − cos sin cos cos α β ρ β 1 2 1 2

cosi =cos sinβ α+sin cos cos(β α λ γ− )

fig. 4.6 Schema di una superficie comunque in-clinata nel modello di Liu-Jordan.

fig. 4.7 Modello di cielo di Tregenza, utilizzato nell’algoritmo di Perez: la suddivisione della volta celeste in 145 areole (+3 per il terreno) si rende necessaria per rappresentare l’anisotropia.

(7)

fig. 4.8 esploso di un modulo per uffici: descrizio-ne del sistema di facciata.

fig 4.9 - 4.18 (pagine seguenti) dettaglio co-struttivo (scala 1:20) del sistema di facciata e di copertura.

vetr

o singolo

vetr

o doppio

_montante

(schermatura verticale)

traversi

(schermatura orizzontale)

oscuramento

(8)

sezione di dettaglio

+0,00

+3,80

air air

+11,40

+7,60

+15,30

finitura a secco

involucro di fondazione

zanca di ancoraggio

telaio

pavimentazione e sottofondo

coibente (16cm)

impermeabilizzante

coibente (12cm)

vetro doppio

vetro singolo

zanca di ancoraggio

controsoffitto tecnico

vetro doppio

oscuramento

fazzoletto di ancoraggio

montante

telaio vetro doppio

coibente (12cm)

telaio vetro singolo

pavimento flottante

doppia guaina

(9)

air air

+11,40

+7,60

+15,30

sezione di dettaglio

vetro singolo

zanca di ancoraggio

pannello coibente

carter di copertura

muratura (1/20/1cm)

telaio pannello

coibente (12cm)

montante (carter)

telaio vetro singolo

struttura CA

telaio secondario

doppia guaina

ancoraggio CA-carter

(10)

trave di copertura

lucernario, vetro triplo

tiranti di connessione

(11)

126

Note

1. Per il dettaglio si rimanda all’allegato A.05 a pag. 213.

2. Si consigliano nella fattispecie: J.A. Duffie, W.A. Beckman, Solar engineering of thermal processes, Wiley-Interscience, New York, 1991; Perez, R. et. al 1988. “The Development and Verification of the Perez Diffuse Radiation Model”. SAND88-7030.