L'OTTIMIZZAZIONE PER IL RISPARMIO ENERGETICO NEGLI EDIFICI - ANALISI E CALCOLO
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u simulazione sistema edificio-impianto u
L’ottimizzazione
peR iL RispaRmio
eneRGetiCo neGLi eDiFiCi
marco manzan, roberta padovan
Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università di Trieste
introduzione
Per raggiungere gli elevati
Il fabbisogno di energia per la climatizzazione
standard richiesti i progettisti degli edifici copre ormai oltre il 30% del consu-
possono avvalersi di nuovi mo energetico totale nei paesi industrializzati.
Risulta evidente che ogni strategia di risparmio
strumenti presenti sul messa in atto da tali paesi non può esimersi
mercato. Tra questi assume dall’intervenire in questo settore con politiche
mirate alla riduzione di questo fabbisogno. È
sempre maggiore importanza anche evidente che il settore della climatizza-
la simulazione dinamica del zione degli edifici deve obbligatoriamente sot-
sistema edificio-impianto. tostare a vincoli particolarmente stringenti, in-
fatti tutte le strategie messe in campo saranno
Diversi sono i software tali se garantiranno non solo un basso consu-
disponibili, sia commerciali sia mo energetico, ma dovranno garantire i livelli di
benessere termoigrometrico ormai richiesti da
open-source, che consentono tutti gli utenti.
un’accurata analisi delle A complicare ulteriormente il panorama nei
prestazioni sia degli involucri paesi mediterranei, come l’Italia, si sta assi-
stendo ad un cambiamento culturale piuttosto
edilizi sia dell’interazione di marcato con lo spostamento dei fabbisogni
questo con sistemi impiantistici energetici degli edifici dal periodo invernale a
quello estivo. Questo fenomeno è una diretta
sempre più complessi. Il conseguenza dell’aumento del livello di isola-
vantaggio rispetto al tradizionale mento termico imposto da vincoli normativi e
calcolo semistazionario su base dalla crescente installazione di impianti di con-
dizionamento. La tendenza è ancora più accen-
mensile o stagionale, è quello tuata per quegli edifici caratterizzati da elevate
di poter effettuare analisi orarie superfici finestrate ed elevati carichi interni,
come avviene per gli edifici adibiti ad uffici.
o suborarie che consentono In questo panorama importanti risultano i
di prevedere compiutamente provvedimenti legislativi, sia nazionali che eu-
la dinamica dell’edificio, ropei, miranti alla riduzione del consumo ener-
getico.
naturalmente a spese di un Il provvedimento fondamentale in questo
tempo di calcolo maggiore ambito è la direttiva europea del Parlamento
2002/91/CEE, meglio conosciuta come diret-
e soprattutto di un impegno tiva EPBD, (European Performance of Buildings
ed una competenza richiesta Directive), che ha imposto la certificazione
decisamente maggiore. energetica degli edifici. A livello nazionale tale
direttiva è stata recepita da tutta una serie di
42 a&c - analisi e calcolo|marzo 2013
u simulazione sistema edificio-impianto u decreti, quali i Decreti Legislativi 19 agosto Da questo breve excursus normativo si evin- 2005 n. 192, 29 dicembre 2006 n.311 ed in- ce quanto importante sarà in futuro un’attenta fine il Decreto del Presidente della Repubblica progettazione dell’edificio al fine di raggiungere 2 aprile 2009 n. 59, senza dimenticare il De- sia i molteplici vincoli imposti dalla legislazione creto Ministeriale 26 giugno 2009 “Linee Guida attuale, sia le crescenti richieste da parte de- Nazionali per la Certificazione Energetica”. Due gli utenti in termini di risparmio energetico e di provvedimenti recenti hanno imposto ulteriori comfort interno. vincoli di natura energetica al settore delle co- Per raggiungere gli elevati standard richiesti struzioni e precisamente la Direttiva 2010/31/ i progettisti possono avvalersi di nuovi stru- EU del Parlamento e del Consiglio, detta anche menti presenti sul mercato. Tra questi assume EPBD recast, che spinge gli stati membri ad im- sempre maggiore importanza la simulazione porre vincoli più stretti agli edifici, in particola- dinamica del sistema edificio-impianto [1]. Di- re dal 2020 (2018 per quelli pubblici) tutti gli versi sono i software disponibili, commerciali edifici nuovi dovranno essere ad energia quasi e open-source, che consentono un’accurata zero, valore che dovrà essere stabilito a livello analisi delle prestazioni sia degli involucri edi- nazionale. A livello nazionale il Decreto Legi- lizi, sia dell’interazione di questo con sistemi slativo 3 marzo 2011 n. 28 - Fonti rinnovabili impiantistici sempre più complessi. Il vantaggio e certificazione energetica – stabilisce la per- rispetto al tradizionale calcolo semistazionario centuale di energia consumata dall’edificio che su base mensile o stagionale, è quello di poter dovrà essere prodotta da fonte rinnovabile, tale effettuare analisi orarie o suborarie che con- quota cresce gradualmente fino al 1 gennaio sentono di prevedere compiutamente la dina- 2017 quando raggiungerà il 50%. mica dell’edificio, naturalmente a spese di un a&c - analisi e calcolo|marzo 2013 43
u simulazione sistema edificio-impianto u
tempo di calcolo maggiore e soprattutto di un
impegno ed una competenza richiesta decisa-
mente maggiore. Un ulteriore strumento a di- Sistema schermante
sposizione dei progettisti è rappresentato dalle
tecniche di ottimizzazione che possono guida-
re il progettista alla scelta di differenti confi-
gurazioni caratterizzate da vincoli e obiettivi
2.7 m
molto spesso contrastanti. In letteratura sono 5m
presenti diversi lavori che pongono l’accento finestra
sul problema dell’ottimizzazione nelle proble-
matiche energetiche degli edifici. Diakaki et al. 2.7
m
[2] applica l’ottimizzazione multi-obiettivo per
migliorare le prestazioni energetiche di un edi- Sistema schermante piano inferiore
ficio, attraverso l’utilizzo delle utility functions
per ricondurre a un obiettivo il problema, sotto- Fig. 1 - Geometria dell’ufficio con pannello schermante
lineando l’importanza dell’ottimizzazione per la
riduzione dei costi. Algoritmi genetici sono stati
argomenti puramente energetici altri due pun-
utilizzati da Znouda et al. [3] per il problema
ti devono essere debitamente tenuti in conto:
del progetto di edifici nell’area Mediterranea,
l’impatto architettonico sull’edificio e l’inter-
significativamente il lavoro puntualizza come
ferenza con la distribuzione di luce naturale
le migliori caratteristiche dell’edificio per il pe-
all’interno degli ambienti. Per questi motivi la
riodo estivo ed invernale sia sempre un com-
progettazione di un sistema schermante coin-
promesso tra contrastanti obiettivi, un punto
volge un’analisi energetica, estiva ed invernale,
interessante è che le soluzioni per il risparmio
un’analisi illuminotecnica e di impatto visivo. Il
energetico ed economico possono essere so-
problema è stato affrontato da un autore del
stanzialmente differenti. Un Pattern Search
presente lavoro utilizzando una formulazione
generalizzato è stato sviluppato da Wetter e
semplificata per il calcolo dell’illuminamento
Polak [4] per minimizzare il consumo annuo
interno utilizzando i fattori di luce diurna [6] e
in un edificio tenendo in conto riscaldamento,
successivamente con il metodo attualmente
condizionamento ed illuminamento. Manzan et
proposto [7].
al. [5] hanno utilizzato l’ottimizzazione genetica
I molteplici aspetti del problema possono es-
per analizzare gli effetti della ventilazione not-
sere affrontati simultaneamente grazie all’utiliz-
turna e del benessere interno in un edificio con
zo di codici di calcolo specializzati: nel presente
diverse esposizioni.
lavoro il codice ESP-r [8] è stato utilizzato per
Nel seguito, questo nuovo approccio alla pro-
il calcolo dei fabbisogni per condizionamento e
gettazione viene presentato analizzando due
riscaldamento, DAYSIM [9] per il calcolo dei li-
problemi progettuali relativi all’involucro edili-
velli di illuminamento interno ed i carichi dovuti
zio ed all’utilizzo di fonti rinnovabili.
all’illuminamento artificiale, mentre l’ottimizza-
zione è stata effettuata utilizzando il software
ottimizzazione modeFRONTIER [10]. ESP-r è un software di
di una schermatura solare Fissa simulazione dinamica di edificio capace di risol-
vere le equazioni di bilancio per un edificio con
Il già citato DPR 59/2009 ha introdotto richie- una schematizzazione ai volumi di controllo. E’
ste specifiche nella progettazione degli edifici stato creato presso l’Università di Strathclyde,
al fine di ridurre il consumo energetico duran- Glasgow, ed è costantemente aggiornato da una
te il periodo estivo. Il più importante è sicura- comunità di sviluppatori diffusa a livello mon-
mente l’obbligo di adottare schermature solari diale. DAYSIM è un software illuminotecnico
esterne, fisse o mobili, atte a ridurre l’energia che consente di determinare in modo dinamico
solare in entrata. La scelta della geometria e il livello di illuminamento dovuto alla radiazione
della tipologia è lasciata al progettista e tuttora solare all’interno di un ambiente.
non ci sono indicazioni riguardo alla metodolo- Poiché il processo decisionale coinvolge di-
gia di calcolo da adottare. versi fenomeni, risulta necessario utilizzare un
La dimensione e la posizione della struttu- software capace di gestire le diverse funzioni
ra schermante dipendono dall’orientamento e di integrare tra loro i diversi codici di calco-
dell’edificio, dalle dimensioni della superficie lo utilizzati. A questo fine è stato usato mode-
vetrata e dall’importanza relativa dei carichi FRONTIER, un software di ottimizzazione mul-
di riscaldamento e condizionamento. Oltre ad tidisciplinare e multi-obiettivo che, attraverso
44 a&c - analisi e calcolo|marzo 2013
u simulazione sistema edificio-impianto u
g t u
W/m2k
Vetro standard 0.522 0.792 1.4
Vetro a controllo solare 0.234 0.538 1.4
complessi algoritmi, consente di individuare Tab. 1 - Caratteristiche dei sistemi vetrati
l’insieme delle migliori soluzioni possibili, ri-
spondendo a diverse esigenze disciplinari e
conciliando obiettivi anche tra loro contrastan- DESCRIZIONE ............................... CASO
ti. Inoltre, grazie a questo software, è stato Vetro normale senza rientranza .......1.1.1
possibile integrare in un unico ambiente diversi
Vetro normale con rientranza.......... 1.2.1
strumenti di progettazione ingegneristica auto-
matizzando l’intero processo di analisi. Si trat- Vetro normale senza rientranza ...... 1.1.2
ta tra l’altro di un prodotto “made in Italy” dal Vetro normale con rientranza..........1.2.2
momento che modeFRONTIER è sviluppato da Vetro normale senza schermatura .. 1.1.0
ESTECO, una software house con sede a Trie-
Vetro speciale senza rientranza .......2.1.1
ste, specializzata in applicativi per l’ottimizza-
zione e per l’integrazione delle fasi del proces- Vetro speciale con rientranza ......... 2.2.1
so di design e simulazione. Vetro speciale senza rientranza ...... 2.1.2
Vetro speciale con rientranza .........2.2.2
Descrizione del problema Vetro speciale senza schermatura .. 2.1.0
L’effetto delle schermature esterne è determi- Tab. 2 - I casi analizzati
nato dalla forma e dalla posizione delle stesse.
In questo lavoro viene effettuata un’ottimiz-
zazione per un ufficio con una superficie di
20 metri quadrati ed una superficie finestrata
esposta a sud larga 4 m ed alta 1.5 m. L’ufficio
può essere considerato come il primo piano di
un edificio su diversi livelli, è alto 2,7 m, largo
5 m e profondo 4 m. La Figura 1 riporta la geo-
metria della stanza con il sistema schermante.
Le superfici esterne hanno una trasmittanza di
0,32 W/(m2 K), inoltre sono state utilizzati due
diversi tipi di vetri, un doppio vetro standard
ed un vetro a controllo solare capace di ridurre
notevolmente il flusso solare termico. Le carat-
teristiche dei sistemi vetrati sono riportati in
Tabella 1. Si è considerato anche il possibile ef-
fetto di un posizionamento della superficie ve-
trata a filo della parete esterna o rientrata per
un profondità di 20 cm. Fig. 2 - Geometria del pannello e parametri per
Il mix di geometrie e tipologie di vetri consen- l’ottimizzazione
te di definire i casi analizzati come riportati nel-
la Tabella 2. I casi vengono nominati seguendo de a 2 W/m2 nei periodi di non occupazione.
il seguente schema: il primo numero identifica Durante le ore lavorative è stata considerata
il tipo di vetro, il secondo la presenza della ri- una ventilazione di 3 ricambi orari, altrimenti
entranza della finestra, il terzo la dimensione settata a 0.3 ricambi orari. L’analisi è stata ef-
massima del sistema di ombreggiamento Il fettuata utilizzando i dati climatici di Trieste.
caso con 0 nella terza posizione indica l’assen- L’ostruzione solare è un pannello piano po-
za del sistema schermante. sizionato parallelamente alla facciata ed incli-
L’ufficio è considerato occupato dalle ore nato lungo l’asse orizzontale, come presenta-
7:00 alle ore 18:00 nei giorni feriali, in questo to in Figura 2. Il pannello protegge la finestra
periodo si considera un carico dovuto ad appa- dalla radiazione diretta riducendo i carichi di
recchiature elettroniche di 15 W/m2, che scen- condizionamento, ma riducendo anche i carichi
a&c - analisi e calcolo|marzo 2013 45
u simulazione sistema edificio-impianto u
solari nel periodo invernale. Un altro effetto è Tabella 2. Il calcolo illuminotecnico con DAYSIM
quello di ridurre l’illuminamento naturale dispo- è effettuato nel nodo runRadSill che si occupa
nibile, con un aumento del consumo di energia di determinare i livelli di illuminamento interno
per l’illuminamento artificiale. Al fine di mini- ed i carichi elettrici dovuti all’illuminamento ar-
mizzare il consumo energetico è stata condotta tificiale; tale nodo si occupa anche di generare
un’ottimizzazione per identificare le geometrie i carichi termici dovuti alle persone in funzione
del sistema schermante con minor consumo. dell’occupazione dell’ufficio. Questi dati sono
Le variabili che identificano la geometria del trasferiti al codice ESP-r che utilizzando il mo-
sistema schermante sono riportate in Figura 2 dulo “bps” si occupa della determinazione dei
ed in particolare sono: l’altezza h, la larghezza fabbisogni di riscaldamento e raffrescamento. I
L, l’inclinazione α, la distanza dal muro esterno file generati dal calcolo termico sono utilizzati
d. e la larghezza L. quindi dal nodo “PrimaryEnergy” per calcolare,
Per ogni individuo della popolazione durante utilizzando l’Equazione 1, la funzione obiettivo
l’ottimizzazione il software DAYSIM viene uti- da minimizzare.
lizzato per determinare i carichi termici dovuti I campi di variazione delle variabili del pro-
all’illuminamento artificiale ed alle persone. Il cesso sono presentate in Tabella 3, per la lar-
controllo delle luci artificiali è stato implemen- ghezza massima dell’ostruzione solare sono
tato considerando un sistema ad attenuazione presenti due valori L e L’ , la seconda è stata
collegato con un sensore di presenza: una foto- inserita per cercare soluzioni con un ridotto
cellula attenua le luci artificiali in modo tale da impatto architettonico sull’edificio. Ciascuna
ottenere sul piano di lavoro un valore di illumi- ottimizzazione, eseguita da modeFRONTIER, è
namento pari a 500 lux, le luci sono disattivate stata effettuata con 100 generazioni di 16 in-
se tale valore viene raggiunto solo con l’illumi- dividui ciascuna. Nonostante il problema sia a
nazione solare, altrimenti la potenza elettrica obiettivo singolo si è scelto l’algoritmo NSGA-II:
viene variata linearmente, considerando una si è preferito utilizzare un algoritmo genetico in
potenza specifica massima di 15 W/m2. Il livel- quanto più adatto a trattare un problema con
lo di illuminamento è calcolato al centro della discontinuità, come spesso accade nei proble-
stanza ad un’altezza dal pavimento di 0.9 m. mi riguardanti l’edilizia.[4]
Ai fini del calcolo illuminotecnico la riflettenza I parametri riportati nella Tabella 3 non sono
delle pareti, del pavimento e del soffitto sono totalmente liberi, sono stati imposti vincoli al
state impostate a 0.6, 0.3 e 0.7 rispettivamen- fine di ridurre l’impatto visivo dell’ostruzione
te. Il codice DAYSIM genera un file con i carichi solare. Il primo vincolo è che l’ostruzione sola-
elettrici dovuti all’illuminamento, questo file re non deve sporgere dalla parete esterna per
viene quindi letto dal codice ESP-r che proce- più di 2 m, il secondo vincolo garantisce una
de al calcolo energetico su base annuale, viene visione libera dall’interno dell’ufficio. In forma
così determinata la potenza termica necessaria matematica tali vincoli si possono tradurre nel-
al mantenimento delle condizioni di benessere le seguenti due disuguaglianze:
all’interno dell’edificio, impostate, secondo le
normative nazionali a 20 °C nel periodo inver- (2)
nale e 26 °C nel periodo estivo. È possibile defi-
nire quindi la funzione obiettivo da minimizzare (3)
e, per tener conto simultaneamente dell’utilizzo
di diversi vettori energetici, calcolare il consu-
mo annuale di energia primaria, definita come: risultati
La Figura 4 riporta la storia della funzione obiet-
(1) tivo e dell’inclinazione del pannello per il caso
2.1.1: si può notare coma l’algoritmo converga
verso una soluzione ottima rapidamente. Grazie
dove Qh è l’energia fornita per riscaldamen- all’ambiente di visualizzazione dati offerto dalla
to, Qc l’energia fornita per raffrescamento e Qel piattaforma modeFRONTIER, è possibile notare
l’energia elettrica assorbita per illuminamento, (vedi Figura 4) come soluzioni quasi ottimali si
mentre ηh =0.8, ηc = 0.8 and ηel =0.4 sono effi- ottengano dopo poche generazioni, infatti l’al-
cienze che consentono di ricavare l’energia pri- goritmo si attesta rapidamente attorno ad un
maria dall’energia fornita da ciascun sistema. valore di energia primaria pari a 56 kWh/m2.
La Figura 3 riporta il diagramma di flusso re- La Tabella 4 presenta le configurazioni ottime,
alizzato. Il progetto è stato sviluppato in modo mentre la Tabella 5 i risultati dell’ottimizzazio-
tale da processare tutte le opzioni riportate in ne. Le Figure 5 e 6 riportano invece i risultati in
46 a&c - analisi e calcolo|marzo 2013
u simulazione sistema edificio-impianto u
Fig. 3 - Diagramma di flusso in modeFRONTIER per l’ottimizzazione della schermatura solare.
h L L’ d α
m m m m -
min 2.8 0.01 0.01 0 -15°
max 3.5 2.0 1 0.5 45°
Tab. 3 - Campo di variazione delle variabili
Fig. 4 - Andamento dell’ottimizzazione per a) Energia Primaria Qp b) e inclinazione α
forma grafica. Dalla Tabella 5 si può notare che, va al 18%. Meno efficace risulta il caso dell’ac-
con il vetro a filo esterno, il consumo minore si coppiamento del pannello stretto con la vetrata
ottiene per il caso 2.1.2 cioè una finestra con standard. In questo caso l’alto consumo per
vetro a controllo solare e una larga superficie raffrescamento non è compensato dal ridotto
oscurante, per questa configurazione la ridu- carico di riscaldamento.
zione di energia rispetto al caso 2.1.0 è circa il Per quanto riguarda la larghezza del pannello,
19%, tuttavia buoni risultati sono presenti per il dalla Tabella 4, si può notare che l’ottimizzazio-
pannello più stretto con una riduzione che arri- ne per il pannello largo porta a dimensioni leg-
a&c - analisi e calcolo|marzo 2013 47u simulazione sistema edificio-impianto u
germente inferiori al valore limite di 2 m, men- k d L
tre viene sempre raggiunto il valore massimo m deg m m
di 1 m per quello più stretto, inoltre in questa
configurazione si ottengono angoli di inclinazio- 1.1.2 2.87 5.83 5.73e-2 1.92
ne attorno ai 30°. 2.1.2 3.21 6.8 8.14E-02 1.76
L’effetto del posizionamento della finestra, 1.1.1 2.80 44.9 9.36E-02 1.00
se a filo esterno o rientrante, si evidenzia nella
2.1.1 2.80 38.2 9.43E-02 1.00
seconda parte della Tabella 5, con un abbas-
samento del carico per raffrescamento e con 1.2.2 3.19 10.1 0.00E+00 1.97
un incremento marginale del carico per riscal- 2.2.2 3.17 9.1 1.24E-03 1.92
damento. La Figura 5 riporta i risultati grafica- 1.2.1 2.80 32.7 1.83E-01 1.00
mente, evidenziando come i carichi di riscalda- 2.2.1 2.94 30.4 2.04E-01 1.00
mento e condizionamento sono sempre obietti-
vi contrastanti, mentre il consumo dovuto all’il-
Tab. 4 - Geometrie ottimizzate per Trieste
luminamento segue principalmente il carico di
riscaldamento.
Qel QH QC QP %
impianto solare per acQua calda sanitaria kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2
1.1.2 2.60 19.16 20.87 56.54 17.74
Il secondo caso di ottimizzazione affrontato
2.1.2 2.72 22.47 16.78 55.87 18.71
riguarda una problematica impiantistica relati-
1.1.1 2.69 18.28 24.28 59.49 13.44
va all’utilizzo di fonti di energia rinnovabile. In
2.1.1 3.05 23.14 16.55 57.24 16.71
Figura 6 è riportato lo schema di un impianto
2.1.0 1.85 19.28 32.01 68.73 -
solare per la produzione di acqua calda sani-
1.2.2 2.60 19.32 19.94 55.57 11.24
taria (ACS) dove viene evidenziato l’accumulo
2.2.2 3.02 24.12 14.21 55.45 11.43
termico. Anche in questo caso le tecniche di
1.2.1 2.71 19.50 21.22 57.69 7.86
simulazione dinamica e di ottimizzazione pos-
2.2.1 3.03 23.45 15.74 56.57 9.65
sono essere di ausilio sia al progettista che al
2.2.0 2.06 21.06 24.91 62.61 -
produttore della componentistica. Un problema
simile è stato analizzato dagli autori conside- Tab. 5 - Risultati dell’ottimizzazione
rando la presenza di materiali a cambiamento
di fase (PCM) all’interno del bollitore, dapprima Il sistema solare è formato da due pannelli
senza considerare l’effetto della stratificazione con un’apertura totale di 4.4 m2 le cui carat-
[11], successivamente introducendo questo ef- teristiche termiche sono riportate in Tabella
fetto nella simulazione [12], e variando la quan- 7, Dove η0, η1, η2, rappresentano i coefficienti
tità di PCM. In questo caso viene presentata della curva di rendimento del pannello, e Scoll è
l’ottimizzazione di un componente tradizionale, la superficie utile del collettore solare.
senza l’aggiunta di materiali a cambiamento di L’acqua calda viene fornita ad un valore co-
fase, ma agendo solamente sulla geometria del stante di 40 °C, mentre il carico richiesto fa
bollitore. riferimento ad una famiglia di 4 persone (circa
L’impianto di Figura 6 è composto da diversi 240 litri al giorno) con la distribuzione oraria del
componenti, tra i quali i più importanti sono: il fabbisogno riportato in Figura 7. La pompa del
pannello solare 3, la pompa del sistema solare collettore è controllata dalla differenza di tempe-
5, l’accumulo termico con due scambiatori di ratura tra l’acqua nel collettore e quella a metà
calore elicoidali, la caldaia a condensazione 2 altezza del bollitore. Il controllo attiva la pom-
che mantiene elevata la temperatura all’interno pa quando questa differenza è superiore a 5 K,
del serbatoio quando il pannello risulta insuffi- mentre la disattiva quando questo valore scende
ciente, la pompa della caldaia 6 e la valvola a sotto 1 K. Analogamente la pompa della caldaia
tre vie 4. Le caratteristiche della caldaia sono viene attivata quando la temperatura in uscita
riassunte nella Tabella 2, dove sono anche in- dal bollitore scende sotto i 45°C per essere di-
dicati i parametri della curva di efficienza del sattivata quando la temperatura supera i 55°C.
generatore, calcolata come:
(4) ottimizzazione del bollitore
dove Tr rappresenta la temperatura di ritorno Un componente fondamentale per un impianto
in caldaia e fL il fattore di carico della caldaia di questo tipo è il serbatoio di accumulo, pun-
rispetto alla massima potenza. to 1 in Figura 6. Per sfruttare appieno l’energia
48 a&c - analisi e calcolo|marzo 2013u simulazione sistema edificio-impianto u
Fig. 5 - Confronto dei risultati per vetro a) senza rientranza b) con rientranza
descrizione valore
G m3/s 3.73E-003
H J/m3 3.50E+007
Tb,max °C 65
a1 1/°C 0.353
a2 - 141.45
a3 1/°C -2.333
a0 - 75.076
Tab. 6 - Parametri caratteristici della caldaia
Fig. 6 - Schema di un impianto per produzione di acqua
calda sanitaria con pannello solare.
descrizione valore
rinnovabile solare il volume dell’accumulo deve Scoll m2 4.4
essere sufficientemente elevato, occupando η0 - 0.819
spazi all’interno dell’edificio che potrebbero
non essere disponibili. η1 W/(m2K) 3.125
È stata effettuata pertanto un’ottimizzazione η2 W/(m K ) 2 2
0.022
al fine di valutare se è possibile sia migliorare
l’efficienza energetica del sistema complessivo, Tab. 7 - Caratteristiche dei pannelli solari
sia ridurre il volume del serbatoio di accumulo.
In questo caso viene cercata una configurazio-
ne ottima attraverso un’ottimizzazione multio-
biettivo, e gli obiettivi da minimizzare sono il
volume lordo del bollitore Vtank ed il consumo di
energia primaria per alimentare la caldaia Qp.
Quest’ultimo è stato calcolato come:
(5)
dove G è la portata di combustibile e H il potere
calorifico inferiore. Il problema è stato conside-
rato utilizzando un caso base consistente in un
bollitore da 300 litri con uno spessore di isolan-
te da 5 cm. La geometria del bollitore è stata
modificata variando l’altezza del serbatoio da
Fig. 7 - Distribuzione oraria del fabbisogno di ACS
un minimo di 1.29 m ad un massimo di 1.79 m
a&c - analisi e calcolo|marzo 2013 49u simulazione sistema edificio-impianto u
Fig. 8 - Variabili e lo spessore dell’isolan- tre la Tabella 8 riporta i risultati numerici dei
utilizzate te da un minimo di 1 cm casi identificati.
nell’ottimizzazione ad un massimo di 15 cm, Come si può notare, è stato possibile indivi-
come indicato nella Figura duare configurazioni con risultati migliori rispet-
8. Le dimensioni e posizio- to al caso base, in effetti tutte le soluzioni sul
namento degli scambiatori fronte di Pareto comprese tra le soluzioni 1 e 2
elicoidali, come il diametro di figura 9 rappresentano soluzioni ottimizzate
interno pari a 0.5 m non rispetto al caso 0, tuttavia si può notare che, se
sono stati variati. Anche la variazione di volume, ad esempio il caso 2, ri-
in questo caso i dati cli- sulta sensibile con una riduzione del volume to-
matici fanno riferimento a tale occupato di oltre il 14%, l’effetto sull’energia
Trieste. Il calcolo impian- primaria utilizzata risulta essere molto minore
tistico è ancora una volta con una riduzione di solo il 3% circa.
sviluppato dinamicamente Anche in questo caso l’utilizzo dell’ottimizza-
utilizzando il codice ESP-r, zione con un algoritmo genetico ha permesso
mentre l’ottimizzazione è l’individuazione di una serie di soluzioni migliori
stata eseguita con modeFRONTIER. rispetto al caso base, inoltre si è notato come
0 1 2
h serb: 154 cm h serb: 141 cm h serb: 130 cm
s. isol: 5,0 cm s. isol: 6,0 cm s. isol: 5,0 cm
Fig. 9 - Risultati dell’ottimizzazione
risultati
0 1 2
La Figura 9 presenta i risultati dell’ottimizza- h m 1.54 1.41 1.31
zione, in blu sono presentati i risultati appar- s m 0.050 0.060 0.050
tenenti al fronte di Pareto. Come si può notare V m3 0.463 0.462 0.396
valori bassi di energia sono ottenuti con elevati Qp kWh 2176 2110 2179
volumi del bollitore, val la pena di ricordare che
il volume lordo del bollitore dipende sia dalla Tab. 8 - Casi limite dell’ottimizzazione del bollitore solare
quantità d’acqua contenuta sia dallo spessore
dello strato di isolamento.
Nella Figura 9 è evidenziata la zona attorno sia tecnicamente fattibile ricercare volumi mi-
al caso base, soluzione ottenuta utilizzando i nori del bollitore senza inficiare le caratteristi-
dati di un serbatoio commerciale da 300 litri, che energetiche dell’impianto.
indicata come soluzione 0. In questa zona sono
stati evidenziati due individui limite, il primo, conclusioni
indicato con il numero 1, con volume del ser- In questo lavoro sono state presentate due
batoio simile a quello del caso base, ma carat- tecniche avanzate che possono essere di au-
terizzato da un fabbisogno di energia primaria silio al progettista nello sforzo di realizzare
minore, il caso 2 invece rappresenta un bollito- edifici con prestazioni energetiche elevate, un
re con volume minore, ma con un consumo di elevato standard di benessere interno ed uno
energia primaria simile a quello del caso base miglior sfruttamento delle energie rinnovabili.
0. In Figura 9 sono anche riportati i valori delle Tutte queste esigenze ormai sono imposte al
variabili e la forma ottenuta dal serbatoio, men- progettista da numerosi disposizioni legislative
50 a&c - analisi e calcolo|marzo 2013u simulazione sistema edificio-impianto u
e pertanto non possono essere disattese. [10] modeFRONTIER, version 4.4, http://www.
La simulazione dinamica consente di prevede- esteco.com,
re il comportamento del sistema edificio impian- [11] R. Padovan, M. Manzan, Development of a
to anche nelle condizioni non stazionarie carat- Tank storage component for ESP-r with em-
teristiche del periodo estivo; utilizzando i codici bedded pcm modules, MicrogenII Conferen-
di calcolo già disponibili sul mercato è possibile ce, Glasgow, 4-6 April, 2011, on CD-ROM
effettuare previsioni più accurate del consumo [12] R. Padovan, M. Manzan, Development of a
energetico di un edificio. Gli algoritmi di ottimiz- stratified tank storage component for ESP-r
zazione sono uno strumento fondamentale per with embedded phase change material mo-
poter confrontare diverse soluzioni con molte- dules, Proceedings of the Institution of Me-
plici obiettivi, spesso contrastanti, in presenza chanical Engineers, Part A: Journal of Power
di vincoli anche stringenti. Nel presente lavoro and Energy; vol. 227, 1: pp. 53-61, 2013.
sono stati presentati due esempi di applicazione
dove questi due strumenti sono stati opportuna- gli autori
mente accoppiati al fine di sviluppare edifici ed
impianti particolarmente efficienti.
Naturalmente l’utilizzo di questi strumenti ri- marco manzan è Profes-
chiede un maggior onere al progettista per po- sore Associato di Fisica
ter acquisire le conoscenze utili all’applicazione Tecnica presso l’Università
degli Studi di Trieste, titola-
di tecniche avanzate di simulazione.
re dei corsi di Fisica Tecni-
ca e Impianti Termotecnici.
reFerenze Si è sempre occupato del-
la modellazione numerica
[1] Filippi Marco, Fabrizio Enrico, Introduzione di problemi ingegneristici,
alla simulazione termoenergetica dinamica con particolare riferimento
degli edifici, Milano, Editoriale Delfino, 2012 alla termofluidodinamica
[2] Diakaki Christina, Grigoroudis Evangelos, Ko- dei sistemi monofase e
lokotsa Dionyssia, Towards a multi-objective all’ottimizzazione di superfici per lo scambio termico.
optimization approach for improving energy In ambito civile si occupa della simulazione dinamica
efficiency in buildings, Energy and Buildings del sistema edificio-impianto, dell’analisi termofluido-
dinamica di problemi d’incendio e dell’applicazione
40, 1747–1754, 2008
delle tecnologie di ottimizzazione nel settore dell’edili-
[3] Znouda E., Ghrab-Morcos N., Hadj-Alouane zia sostenibile. Attualmente partecipa ai alvori dell’An-
A., Optimization of Mediterranean building nex 54 “Integration of Microgeneration and Related
design using genetic algorithms, Energy and Energy Technologies in Buildings” dell’International
Buildings 39, 148–153 2007 Energy Agency.
[4] Wetter M., Polak E.. Building design optimi- È autore di oltre 70 lavori pubblicati su riviste inter-
zation using a convergent pattern search al- nazionali e conferenze nazionali ed internazionali.
gorithm with adaptive precision simulations,
Energy and Buildings 37,603–612, 2005
[5] M. Manzan, F. Pinto, O. Saro, Thermal Com- roberta padovan ha
fort and Energy Saving Optimization for HVAC conseguito la laurea in
Systems with Night Ventilation Cooling, Pro- ingegneria edile, attual-
ceedings of Healty Buildings 2006, vol V, 175- mente è studentessa
di dottorato nell’am-
180, Lisbon, Portugal. June 4-8, 2006
bito dell’uso razionale
[6] M. Manzan, F. Pinto. Genetic optimization of dell’energia per l’edilizia
External Shading Devices. In: Building Simu- civile ed industriale. Ha
lation 2009. Glasgow (UK), 27th-30th July effettuato un periodo
2009, Glasgow: L.B. McElroy, J.S. Turley, p. di formazione presso la
75, 2009 Strathclyde University
[7] M. Manzan, Genetic Optimization for External – Glasgow, sulla simula-
Fixed Shading Devices , 67° Congresso Nazio- zione integrata edifici-impianti. Attualmente è im-
nale ATI, Trieste, 11-14 Settembre 2012 pegnata nello studio e nell’implementazione, all’in-
[8] Clarke J. A., Energy Simulation in Building terno del codice di simulazione dinamica di edificio
ESP-r, di modelli per materiali a cambiamento di
Design, Butterworth Heinmann, Oxford, GB,
fase all’interno degli accumuli termici. Nell’ambito
2001 dell’edilizia sostenibile ha ottenuto la qualifica di
[9] DAYSIM, version 3.1e, available at http:// Certified Passive House Consultant.
www.daysim.com
a&c - analisi e calcolo|marzo 2013 51Puoi anche leggere
