RICERCA ITALIANA     

Studio termofluidodinamico di componenti di facciata adattativi per il comfort ed il risparmio energetico

Università degli Studi di Salerno

Abstract

L'esigenza di rispettare il protocollo di Kyoto, unita alla consapevolezza del fatto che gli impianti di climatizzazione contribuiscono drammaticamente all'inquinamento atmosferico sia esterno che interno, hanno portato ad un notevole sviluppo della ricerca nei settori del risparmio energetico e della qualità microclimatica negli edifici; in particolare, grandi sforzi sono stati fatti per aumentare le prestazioni dei componenti dell'involucro edilizio e degli impianti. Tale attività di ricerca, che ha finora condotto a buoni risultati, va certamente proseguita, in quanto esistono ancora notevoli margini di miglioramento, soprattutto in riferimento ai componenti attivi dell'involucro edilizio e all'integrazione di questi ultimi con gli impianti di climatizzazione; infatti, è ormai assodato che la promozione e l'ottimizzazione dell'uso di tali componenti costituisce una grande potenzialità di sviluppo per le nuove tecnologie.

I componenti attivi, anche detti adattativi, sono tutti quei componenti edilizi che, in relazione funzionale con i sistemi impiantistici, contribuiscono a mantenere un adeguato compromesso fra le prestazioni energetiche del sistema edificio-impianto e la realizzazione di condizioni microclimatiche interne confortevoli, reagendo in modo dinamico alle condizioni al contorno e sfruttando in modo ottimale le risorse climatiche. In tal modo, gli elementi stessi con cui è realizzato l'edificio, dai pavimenti alle strutture, sono logicamente e razionalmente combinati e integrati con i cosiddetti "building services" per contribuire a svolgere le funzioni di riscaldamento, raffrescamento e ventilazione.
L'adattabilità del componente, a seconda dei casi, può essere controllata in modo automatico dal sistema di gestione degli impianti climatici, sulla base di parametri ambientali interni o esterni, oppure può essere gestita direttamente dagli utenti; quest'ultimo aspetto è di particolare interesse in quanto è dimostrato che la possibilità di gestire in maniera autonoma il "proprio microclima" risulta molto gradita agli occupanti.

Con questa ricerca si intende indagare, con metodi sia numerici che sperimentali, in laboratorio e in campo, il comportamento dei sistemi finestra integrati con l'impianto e delle facciate ad isolamento dinamico a doppio paramento in vetro, anche dette "facciate a doppia pelle" (FDP); queste ultime sono costituite da due superfici trasparenti separate da un'intercapedine in cui fluisce, in condizioni naturali o forzate, una portata d'aria ed in cui, di norma, è contenuta una schermatura solare. Gli obiettivi della ricerca sono molti: tra essi la definizione di procedure che consentano di valutare le effettive prestazioni e potenzialità di alcuni componenti adattativi in termini di controllo ambientale e risparmio energetico ottenibile, l'ottimizzazione di componenti adattativi esistenti e/o la proposta di nuove soluzioni, lo sviluppo di metodi di analisi sia sperimentale che numerica del comportamento e delle prestazioni dei componenti edilizi adattativi e dei sistemi integrati, la redazione di linee guida per i progettisti, che permettano la scelta ottimale delle modalità di integrazione fra i singoli componenti e l'impianto e la messa a punto di idonee strategie di regolazione e controllo.
In questa ricerca sono coinvolte 5 unità operative che fanno capo alle Università di Cassino e Salerno, ai Politecnici di Milano e Torino e allo IUAV di Venezia, ciascuna caratterizzata da "antica" e documentata esperienza nel proprio campo di ricerca, che si occupano di termofluidodinamica dell'involucro edilizio, di misure termofluidodinamiche e di microclima nell'ambiente confinato. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Francesca Romana D'AMBROSIO Università degli Studi di SALERNO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Attualmente, l'uso di componenti adattativi, così come quello di sistemi integrati, non è molto diffuso, se non in pochi edifici e, normalmente, su progetti dimostrativi; per quanto riguarda i componenti oggetto di questa ricerca, ciò è assolutamente vero per i sistemi integrati finestra/impianto, lo è un po' meno per le facciate ventilate a doppia pelle trasparente, spesso utilizzate per il loro aspetto estetico piuttosto che per le loro caratteristiche prestazionali, che negli ultimi anni sono state spesso criticate, anche se a torto.
E' indubbio che esistono alcuni aspetti di questi componenti che vanno migliorati, dal comportamento termofluidodinamico all' influenza sul comfort acustico, termoigrometrico e visivo, alle difficoltà che un nuovo tipo di approccio progettuale può indurre nel professionista, ma è altrettanto vero che il loro utilizzo rappresenta un ragionevole compromesso fra requisiti prestazionali opposti, quali la massimizzazione degli apporti gratuiti di energia e l'elevato isolamento termico dell'involucro edilizio nel periodo di riscaldamento, oppure la minimizzazione degli apporti solari e la possibilità di dissipare all'esterno i carichi endogeni nel periodo di raffrescamento.
A fronte di tale situazione gli obiettivi della ricerca sono quelli di:
1. sviluppare metodi di analisi sia sperimentale che numerica del comportamento e delle prestazioni dei componenti edilizi adattativi e dei sistemi integrati,in particolare facciate a doppia pelle e sistemi finestra/impianto,
2. utilizzare le procedure messe a punto al punto precedente per valutare le effettive prestazioni e potenzialità di alcuni componenti adattativi in termini di controllo ambientale e risparmio energetico ottenibile (sia con simulazioni numeriche che con misure in laboratorio e /o monitoraggi in campo di soluzioni già realizzate),
3. ottimizzare i componenti adattativi esistenti e/o proporre nuove soluzioni
4. individuare le strategie ottimali per l'integrazione e la gestione coordinata dei componenti adattativi e gli impianti per il controllo microclimatico
5. redazione di linee guida per i progettisti, che permettano la scelta ottimale delle modalità di integrazione fra i singoli componenti e l'impianto e la messa a punto di idonee strategie di regolazione e controllo.
6. definizioni di parametri sintetici prestazionali e di comfort, che consentano una corretta pre-progettazione o un progetto adeguato anche con l'impiego di strumenti di calcolo tradizionali;
7. tabelle di utilizzabilità e potenzialità di componenti e sistemi, con riferimento ai limiti imposti dal rispetto delle condizioni di comfort e di risparmio energetico. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

GENERALITA'
Negli ultimi anni è notevolmente cresciuta l'esigenza di una sempre più elevata qualità della vita in termini di microclima dell'ambiente costruito, esigenza che risulta sostanzialmente in contrasto con quella della conservazione dell'ambiente esterno nel rispetto del protocollo di Kyoto. Infatti, migliorare il microclima significa, tra l'altro, utilizzare per lunghi periodi dell'anno gli impianti di climatizzazione, aumentando l'emissione di gas serra e incrementando drammaticamente i consumi elettrici; a questo proposito si pensi a quanto è successo durante la passata stagione estiva, quando i picchi di potenza elettrica assorbita, principalmente legati all'elevatissimo numero di sistemi di condizionamento in funzione, ha determinato la crisi del sistema elettrico nazionale.
Per quanto detto e considerando che circa un terzo dei consumi totali di energia primaria nei paesi industrializzati è imputabile agli impianti di climatizzazione degli edifici, è facile concludere che la ricerca di sistemi e tecnologie che consentano di ottenere elevati livelli qualitativi del microclima indoor senza ricorrere ai sistemi tradizionali di climatizzazione rappresenta l'unica strada possibile per migliorare le condizioni di vita e di lavoro all'interno degli ambienti confinati pur preservando l'ambiente esterno.
I COMPONENTI ADATTATIVI
Quest'ultimo decennio ha visto un notevole sviluppo della ricerca nel settore della termotecnica degli edifici; in particolare, grandi sforzi sono stati fatti per quanto riguarda il miglioramento prestazionale ed energetico di componenti sia dell'involucro edilizio che degli impianti.

Tale attività di ricerca, che ha finora condotto a buoni risultati, va certamente proseguita, in quanto esistono ancora notevoli margini di miglioramento, soprattutto in riferimento ai componenti attivi dell'involucro edilizio e all'integrazione di questi ultimi con gli impianti di climatizzazione; infatti, è ormai assodato che la promozione e l'ottimizzazione dell'uso di tali componenti costituisce una grande potenzialità di sviluppo per le nuove tecnologie.

I componenti attivi, anche detti adattativi, sono tutti quei componenti edilizi che, in relazione funzionale con i sistemi impiantistici, contribuiscono a mantenere un adeguato compromesso fra le prestazioni energetiche del sistema edificio-impianto e la realizzazione di condizioni microclimatiche interne confortevoli, reagendo in modo dinamico alle condizioni al contorno e sfruttando in modo ottimale le risorse climatiche. In tal modo, gli elementi stessi con cui è realizzato l'edificio, dai pavimenti alle strutture, sono logicamente e razionalmente combinati e integrati con i cosiddetti "building services" per contribuire a svolgere le funzioni di riscaldamento, raffrescamento e ventilazione.
L'adattabilità del componente, a seconda dei casi, può essere controllata in modo automatico dal sistema di gestione degli impianti climatici, sulla base di parametri ambientali interni o esterni, oppure può essere gestita direttamente dagli utenti; quest'ultimo aspetto è di particolare interesse in quanto è dimostrato che la possibilità di gestire in maniera autonoma il "proprio microclima" risulta molto gradita agli occupanti.
Esempi di componenti adattativi sono i sistemi di facciata, tra i quali le facciate ventilate (trasparenti e non, integrate con gli impianti di climatizzazione o con sistemi per la ventilazione naturale) e i sistemi finestra integrati con l'impianto; le coperture, tra le quali i tetti verdi ed i roof ponds; le strutture, tra le quali i sistemi con canali d'aria incorporati nella struttura dell'edificio ed accoppiati agli impianti di climatizzazione e i sistemi di accumulo ed attivazione della massa,
La connessione fra componente adattativo ed impianto può essere:
- puramente funzionale, nei casi in cui il componente risulti fisicamente svincolato dagli impianti per il controllo dell'ambiente termico, ma attraverso la sua azione contribuisce alla riduzione dei carichi termici e inquinanti o al miglioramento delle condizioni di comfort interno; si pensi ai tetti verdi, all'attivazione della massa, ai sistemi a Phase Change Material.
- integrata, quando il componente è parte dell'impianto, come nel caso delle facciate ventilate integrate con gli impianti di climatizzazione, dei sistemi finestra o facciate ventilate utilizzati come elemento di sistemi di ventilazione naturale, dei sistemi ad attivazione della massa.
A testimonianza dell'importanza di quanto appena detto, si ricorda che nel documento di pianificazione strategica dell'IEA (International Energy Agency) per il triennio 2002-2005, due delle R&D strategies for Building Products suggerite sono: «Improve thermal performance of building envelopes to minimise cooling and heating loads, and integrate solutions with other building components» e «Improve the performance and energy-efficiency of HVAC and lighting systems, and optimise integrated solutions»; inoltre, sempre nell'IEA, si è recentemente costituito un gruppo di ricerca internazionale ad hoc (Annex 44, Integrating Environmentally Responsive Elements in Buildings).
I vantaggi conseguibili da ricerche sull'utilizzo di componenti attivi e sui sistemi integrati sarebbero notevoli per la realtà del nostro Paese, nel quale si è sempre posta molta attenzione agli aspetti di controllo climatico e contenimento dei consumo energetici connessi al solo riscaldamento invernale, con la conseguenza che nella stagione estiva gli edifici non sempre rispondono a criteri di ottimizzazione energetica e non garantiscono condizioni di comfort.
L'APPROCCIO «WHOLE BUILDING»
Da quanto detto risulta evidente che la corretta progettazione del sistema edificio-impianto risulta alquanto complessa in quanto richiede la necessità di trovare un ragionevole compromesso fra requisiti prestazionali opposti quali la massimizzazione degli apporti gratuiti di energia e l'elevato isolamento termico dell'involucro edilizio nel periodo di riscaldamento, la minimizzazione degli apporti solari e la possibilità di dissipare all'esterno i carichi endogeni nel periodo di raffrescamento. E' altrettanto evidente che tali risultati potrebbero essere raggiunti adottando un approccio approccio «whole building», con l'uso di elementi di involucro edilizio adattativi, che consentirebbe l'attuazione di un controllo passivo, almeno parziale, delle sollecitazioni termiche, riducendo quindi l'utilizzo dell'impianto di climatizzazione e consentendo un risparmio energetico senza peraltro compromettere i livelli di qualità ambientale interna.
LE FACCIATE A DOPPIA PELLE
Nell'ambito delle facciate lo sforzo di ottenere buone prestazioni energetiche realizzando contemporaneamente condizioni microclimatiche soddisfacenti e interessanti soluzioni architettoniche, ha portato all'utilizzo di facciate ad isolamento dinamico composte da più strati, tra le quali le più diffuse sono quelle a doppio paramento in vetro, dette «facciate a doppia pelle», FDP, costituite da due superfici trasparenti separate da una intercapedine in cui fluisce una portata d'aria naturale o forzata ed in cui di norma è contenuta la schermatura solare.
Agli inizi degli anni ‘90 sembrava che questo tipo di facciata fosse quasi la soluzione a tutti i problemi energetici in edilizia; col passare del tempo, invece, si è arrivati alla conclusione che alcuni problemi restano irrisolti. In particolare, in alcuni periodi dell'anno è indispensabile associare alla presenza delle FDP quella di un impianto di ventilazione meccanica, il che rappresenta comunque una soluzione costosa; inoltre, le simulazioni numeriche delle FDP disponibili in letteratura non sono sempre utilizzabili a causa delle definizioni delle condizioni al contorno; ancora, ci sono problemi di tipo fluidodinamico, legati al fatto che all'interno dell'intercapedine il flusso d'aria non è mai solo ascendente o solo discendente. Infine, per quanto riguarda gli aspetti di comfort, la presenza di aperture di ventilazione, così come la comunicazione tra piani dovuta alla presenza della cavità ventilata, può portare problemi acustici; l'aumento della temperatura dell'aria nell'intercapedine può generare discomfort termoigrometrico, l'eventuale presenza di schermature limita l'ingresso della luce naturale in ambiente.
D'altra parte, i vantaggi legati all'impiego di tali facciate in termini di risparmio energetico, prestazioni acustiche nei confronti del rumore urbano, miglioramento del comfort termico e sfruttamento della luce naturale sono potenzialmente tali da giustificare non solo l'utilizzo delle FDP così come oggi concepite, ma anche, e soprattutto, un grosso sforzo di ricerca per giungere all'ottimizzazione di questo tipo di componente sia dal punto di vista tecnologico che da quello progettuale.
Un altro aspetto molto importante del problema delle FDP è legato al fatto che la loro caratterizzazione termica non può essere basata sui parametri prestazionali tradizionali (trasmittanza termica, fattore solare) e su modelli di calcolo semplificati (come quelli contemplati nella normativa tecnica); inoltre, considerato che la facciata a doppia pelle è spesso integrata con il sistema di climatizzazione, l'efficienza energetica dell'involucro va valutata per il sistema nel suo complesso. Ne deriva la necessità di approfondire l'attività di ricerca sia sperimentale, in laboratorio e in campo, sia teorico numerica, in modo da rendere disponibili protocolli affidabili per la misura e la valutazione delle effettive prestazioni del sistema, mettere a punto strumenti di calcolo per simulare il comportamento del sistema in varie situazioni climatiche consentendo un'adeguata progettazione del componente, promuovere normative tecniche. In questo senso, l'impiego di codici di termofuidodinamica, CFD, di tecniche anemometriche e di tecniche PIV risulta di grande utilità.
DETERMINAZIONE SPERIMENTALE E MODELLAZIONE NUMERICA DELLE CARATTERISTICHE TERMOFISICHE
Uno dei maggiori problemi connessi allo studio sperimentale delle proprietà termofisiche e del comportamento fluidodinamico dei componenti adattativi è legato alla forte variabilità delle caratteristiche e delle condizioni operative del componente stesso che implicano, il più delle volte, la necessità di condurre analisi in transitorio; inoltre, i fenomeni fisici che hanno luogo nei componenti adattativi, e più ancora nei sistemi integrati, sono sempre molto complessi e vedono l'azione contemporanea dei tre meccanismi di scambio termico radiativo, convettivo e conduttivo, di flussi di massa e, talvolta, di cambiamenti di fase. La conseguenza è che le tecniche sperimentali e molti degli approcci numerici tradizionalmente usati risultano inadeguati alle specifiche esigenze e bisogna ricorrere a soluzioni alternative.
In particolare, l'analisi termica può essere effettuata mediante tecniche di misura della temperatura a contatto, che rappresentano un vero e proprio problema di trasmissione del calore, dal momento che l'elemento sensibile altera i meccanismi di scambio termico determinando spesso errori grossolani, oppure con tecniche termografiche, molto utili per le analisi in campo, che richiedono però grande attenzione in quanto i risultati possono essere inficiati dal fatto che le variazioni dell'emissività delle superfici sono rilevanti. Inoltre, l'effettuazione di misure di caratteristiche termofisiche in condizioni al contorno dinamiche richiede l'impiego di tecniche di trattamento ed analisi dei dati misurati di carattere innovativo, la cui affidabilità e precisione resta ancora da valutare e validare.
Infine, non va dimenticata la necessità di rilevare, in continuo e per periodi di tempo prolungati, flussi termici di origine latente e scambi di massa fra componente e impianto o fra componente ed ambiente esterno.
ASPETTI MICROCLIMATICI DEL PROBLEMA
Come accennato più volte, l'utilizzo di componenti adattativi quali le facciate a doppia pelle e le coperture verdi, può influenzare le condizioni termoigrometriche degli ambienti, intese come insieme delle condizioni termoigrometriche e di qualità dell'aria, con ricadute non solo sulla qualità della vita ma anche, come ormai dimostrato, sulla produttività degli occupanti e può addirittura portare alla Sindrome dell'edificio malato, anche nota come SBS. In quest'ottica, la verifica delle condizioni microclimatiche in situazioni nelle quali tali componenti sono applicati costituisce indubbiamente un valido strumento di controllo della funzionalità di questi ultimi rispetto al raggiungimento di condizioni microclimatiche ottimali.
Sin dall'inizio degli anni ‘70 la ricerca nel settore degli ambienti termici è stata concentrata sugli ambienti dotati di impianti di condizionamento, per i quali è stato validato il ben noto indice PMV e sono stati definiti gli indici di discomfort locale cui fa riferimento la normativa attualmente in vigore. Da qualche anno, ci si è resi conto che il PMV non è effettivamente rappresentativo delle condizioni termoigrometriche negli ambienti non condizionati, soprattutto in quelli naturalmente ventilati, per cui si stanno facendo notevoli sforzi per giungere ad identificare fattori di correzione dell'indice da utilizzare in tali ambienti nei quali, peraltro, si potrebbero forse accettare percentuali di insoddisfatti (PPD) maggiori che non negli ambienti condizionati, in quanto gli aspetti psicologici legati alla possibilità da parte degli occupanti di «gestirsi l'ambiente termico», per esempio aprendo e chiudendo le finestre, hanno una notevole influenza sul benessere termoigrometrico. Va detto che in ambito ASHRAE si è giunti alla definizione di un modello di questo tipo, ma tale modello presenta una serie di limitazioni applicative tali da renderlo praticamente utilizzabile solo nelle situazioni in cui il mezzo principale per regolare le condizioni termoigrometriche è dato dall'apertura e chiusura delle finestre. È evidente che ulteriori ricerche vanno condotte per pervenire ad un modello che abbia una più larga scala di applicabilità e che, soprattutto, sia utilizzabile nelle situazioni in cui le condizioni termoigrometriche negli ambienti siano determinate dalla presenza di componenti edilizi integrati con l'impianto.
Altro aspetto del problema è quello che riguarda la qualità dell'aria interna, soprattutto in relazione alla necessità di garantire un adeguato ricambio d'aria anche in assenza di impianto di ventilazione meccanica. Se si pensa che attualmente non si è ancora giunti a definire un indice di qualità dell'aria che sia accettato da tutti e che non esistono protocolli di misura di IAQ riconosciuti a livello internazionale, si capisce quanto sia indispensabile sviluppare la ricerca in questo settore, tanto più per situazioni innovative quali l'applicazione dei componenti adattativi. <<<