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Uso dati del modello per simulazione energetica semistazionaria e dinamica

Arch. Andrea Denza - EnUp Srl www.enup.it

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Indice

1. Analisi energetiche 2. Differenze tra simulazione stazionaria e dinamica3. Vantaggi della simulazione dinamica4. Personalizzazione ed approssimazione5. Campi di attività della simulazione dinamica6. File di interscambio (IFC e gbXML)7. Considerazioni sull’importazione da BIM a BEM

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Consumi energetici degli edificiE’ ormai chiaro per gli operatori del settore e in parte per l’opinione pubblica che buona parte dell’energia globale viene consumata dagli edifici

Obiettivo della ingegneria energetica applicata agli edifici è quello di: Minimizzare i consumi Migliorare il comfort interno Aumentare la sostenibilità ambientale

In base a numerosi studi questo è il settore dove sono possibili i maggiori risparmi energetici

ObiettivoMassimo comfort con il minimo consumo energetico

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Analisi energetiche e approccio BIMLe analisi energetiche vengono usate per: Gli edifici da costruire (progetto del nuovo) Gli edifici da riqualificare (progetto dell’esistente) Operational Maintenance (gestione)

LCA life cycle assessmentQuesta attenzione all’intero ciclo di vita dell’edificio è lo stesso che si ha nell’approccio BIM

Progettazione integrataValutare indipendentemente involucro edilizio e sistemi HVAC (termine molto utilizzato nel linguaggio tecnico inglese che sta per Heating, Ventilating and Air Conditioning ) è superato

Riprende il metodo di lavoro che prevede un approccio integrato nella progettazione tra architetti ed ingegneri

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L’edificio è un organismo complesso

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Strategie passive per il riscaldamentoSoluzioni che per essere efficaci devono essere opportunamente progettate calibrando lo spessore della parete d'accumulo e il tipo di vetrate

• Muro di Trombe• Serre solari• Apporti diretti• Orientamento

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Strategie passive per il raffrescamento

Ombreggiamento Massa termica

Ventilazione

• Fissi• Mobili (sensori)

• VMC• Free cooling

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Serre solari e doppia pelle

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Metodi di calcoloLa principale differenza tra i regimi sta nell’intervallo temporale di calcolo STAZIONARIO: stagione SEMISTAZIONARIO: mensile DINAMICO: fino al minuto

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Stazionario e Semi-stazionarioIl calcolo viene fatto con un trasferimento di energia tra edificio e ambiente esterno in condizioni fisse. Nell’intervallo temporale dell’analisi (mensile o stagionale) vengono mantenuti costanti:

Uso dell’edificio (occupazione, apporti interni, ecc.) Condizione climatiche (temperature)

Fanno parte di questa categoria i Software commerciali con cui si redige l’Attestato di Prestazione Energetica (APE)

Metodo TRADIZIONALE semplificato e approssimativoche non tiene conto di molti aspetti che riguardano la fisica dell’edificio.

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Prestazioni estive difficili da controllare

Clima mediterraneo e prestazione estiva

L’eccessivo isolamento è la soluzione più semplice ma funziona nei climi freddi, meno nel clima mediterraneo

Il clima caldo mediterraneo necessita di un attento controllo degli ombreggiamenti, della massa termica e della ventilazione.

I software tradizionali hanno prestazioni insufficienti sulla climatizzazione estiva.

La simulazione dinamica controlla bene il regime estivo

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Perche simulare con il regime dinamico? Tendenza futura verso gli NZEB Sviluppo delle tecniche passive (senza ausilio di impianti) Progettazione della ventilazione per il raffrescamento estivo (free-cooling) Progettazione dell’inerzia termica dell’involucro (pareti molto massive) sia

per inverno che per estate Progettazione degli impianti ad energia rinnovabile Progettazione di ambienti con molta superficie vetrata per il controllo

dell’irraggiamento (abbagliamento) e del surriscaldamento. Progetto dell'involucro (facciate, doppia pelle, pareti ventilate, etc) Evitare il sovradimensionamento degli impianti di riscaldamento e

raffrescamento Su edifici esistenti per prevedere e controllare i fenomeni metereologici e

adattare in anticipo gli impianti e le fonti rinnovabili Progetto o diagnosi di edifici complessi (musei, ospedali, palestre) Geotermia

Maggiore consapevolezza dell’edificio = RISPARMIO

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Controllo illuminazione e surriscaldamento

L’alternativa ?Sovradimensionamento degli impianti

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Teoriastato iniziale > approssimazione > obiettivo

Edificio > Modello > Simulazione Il modello è una possibile approssimazione dello stato iniziale (edificio reale o progettato). E’ fondamentale quindi capire i confini del sistema e il dettaglio scelto ai fini dell’attività di simulazione e alla migliore analisi dei risultati Nelle simulazione dinamiche il modello è oggetto di un insieme di calcoli e variabili che dipendono dal tempo Vantaggio per l’utente è l’alta personalizzazione delle caratteristiche del modello e quindi dei risultati ottenibili dalla simulazione Fondamentale è capire in precedenza l’obiettivo della simulazione E’ necessario avere un approccio critico

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Software di Simulazione Dinamica (BPES)

I Building Performance Energy Simulation (BPES) software permettono di simulare un modello e valutare i comportamenti termofisici in innumerevoli condizioni.

Affidabilità dati in ingresso = Affidabilità della simulazione

File climatici aggiornati e validati Caratteristiche termiche dei materiali (su edifici esistenti si può utilizzare la

taratura tramite l’uso di sonde di temperatura)

I software sono solitamente composti da due parti: il motore di calcolo e il modellatore grafico

La simulazione dinamica necessita di esperienza e conoscenza dell’utilizzatore. Non si tratta di software immediati e semplici

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Principali Software sul mercatoEnergy Plus sponsored by the Department of Energy (DOE) USA (1996) ESP-r developed by British Energy System Research Unit (Uni. Glasgow Scozia

1977)IDA ICE developed by EQUA Simulation AB founded 1995 Stockholm (Sweden) IES Integrated Environmental Solutions (UK world experts)TRNSYS Thermal Energy System Specialists USEDSL TAS

NormativaIn Italia la Simulazione Dinamica è considerata in modo limitato dalla normativa

art. 4 comma 27 lettera o)  del DPR 59/2009 per gli edifici di nuova costruzione del settore terziario con volumetria maggiore di 10.000 mc, occorre prendere in considerazione l'influenza dei fenomeni dinamici, attraverso l'uso di opportuni modelli di simulazione, salvo che si possa dimostrare la scarsa rilevanza di tali fenomeni nel caso specifico.

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Criteri di qualità di un Software BPES1. SEMPLICITA’ D’USO2. INTEROPERABILITA’: capacità di modellare o di importare il modello con

approccio BIM e di esportare i risultati3. Importazione di database di materiali, impianti, dati meteo4. PRECISIONE e velocità di calcolo5. Possibilità di inserire elementi esterni e di intervenire sulle equazioni di

calcolo (componenti)6. RAPIDITA’ DI APPRENDIMENTO Assistenza della casa madre, guide e

tutorial, corsi7. VALIDAZIONE e riconoscimento internazionale (Es. usabili per certificati

LEED e BREEAM)

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Componenti di una simulazione

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Quanto è precisa la simulazione?

I picchi rossi indicano degli eventi imprevisti come avere lasciato le finestre aperte o una presenza elevata (non prevista) di persone all’interno di una stanza

Tratto da analisi Villa Mondragone di Ing. V.A. Puggioni

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Personalizzazione: i setpoints

personalizzazione degli indicatori al cui raggiungimento avvengono delle scelteEs. Al di sotto di una certa temperatura nel modello si accende il riscaldamentoSuperato un certo livello di CO2 si accende la ventilazione nella sala riunioni, ma solo tra le 10 e le 18 dal lunedi al venerdì, giorni in cui l’ufficio è aperto.

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Personalizzazione: gli apporti gratuiti

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Occupanti• La presenza delle persone all’interno degli ambienti è una delle variabili più difficile da stimare • Gli apporti gratuiti dovuti alle persone incidono molto sul fabbisogno interno• Rispetto al tipo di attività che una persona svolge all’interno di un ambiente abbiamo una potenza emessa variabile tra 72 w (sonno) e 700 w (sport)• In caso di destinazioni d’uso particolari come i DATACENTER l’apporto da valutare è dato dal calore emesso dagli strumenti elettronici

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Personalizzazione: impianti e controllo

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Quali risultati posso ottenere nella singola zona?

• Temperatura dell'aria e temperatura percepita, anche al pavimento ed al soffitto• Temperatura e flussi di calore sulle singole superfici• Bilancio termico• Benessere Termoigrometrico secondo gli indici di Fanger (PPD, PMV)• Qualità dell'aria interna tramite ricambi d'aria/ora, livello di CO2 , umidità• Flussi d'aria e ventilazione meccanica controllata (VMC)• Dispersione dei flussi di calore attraverso l'aria, l'involcuro, le murature• Illuminazione solare• Controllo degli ombreggiamenti

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Bilancio termico (anche di una singola parete)

Valori positivi indicano la trasmissione del calore dall’esterno verso l’internoTratto da analisi Villa Mondragone di Ing. V.A. Puggioni

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Una piccola indagine

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Campi di attività della simulazione dinamica

PROGETTAZIONE• Consulenze per progettazione energetica (involucri, impianti, ventilazione)• Realizzazione edifici NZEB (Energia Zero) e Passivi• Edifici “delicati” dal punto di vista energetico come (sale museali, palestre, edifici vincolati, scuole)• Pareti ventilate, muri di trombe, serre solari

CERTIFICAZIONE• Punteggio aggiuntivo per il Protocollo LEED

INVESTIMENTI• Ritorno economico degli interventi di riqualificazione (ESCO) • Supporto alle banche per valutare la effettiva convenienza dei progetti di riqualificazione

FACILITY MANAGEMENT• Monitoraggio e controllo delle prestazioni energetiche di edifici e impianti

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Futuro della simulazione dinamicaNORMATIVANon si avvertono, dal punto di vista nazionale, obblighi sull’utilizzo della simulazione dinamica. Potrebbe arrivare qualche novità dall’UE

INCENTIVICome già accade per il LEED potrebbe essere favorito chi nelle gare d’appalto si avvale di questa tecnologia

MIGLIORAMENTO DEI SOFTWAREPiù intuitivi semplici e veloci

NZEBOltre agli obblighi normativi sarà indispensabile utilizzare la simulazione dinamica per progettare e controllare gli edifici ad energia quasi zero

REPUTAZIONELa simulazione dinamica permette di risparmiare perchè si valutano le prestazioni con precisione e affidabilità prima della realizzazione

FORMAZIONEA partire dall’Università in aumento i corsi di formazione e i seminari

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From BIM to BEM

BIM: Building Information Modeling

BEM: Building Energy Modeling

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Vantaggi del BIM (Building Information Modeling)- Interoperabilità tra i diversi settori in fase di progetto, realizzazione e

manutenzione (progettazione spazi, struttura, energia, impianti, costruzione, manutenzione,dismissione)

- Il modello contiene tutte le informazioni possibili sull’edificio.

Anche le analisi energetiche possono e devono far parte di questa visione

File *IFC- Formato di file aperto e libero per la condivisione dei dati di un edificio

secondo l’approccio BIM- IFC è sviluppato dall’associazione BuildingSmart -IFC segue la ISO 16739:2013

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- E’ leggibile come un semplice file di testo o con dei programmi di visualizzazione (BIM Viewer)

IFC e gbXML

- IFC : più semplice e leggibile, aperto, maggiormente utilizzato, pensato per i BIM in generale- gbXML (Green Building XML): formato di scambio pensato specificamente per i programmi di simulazione energetica

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Approccio BIM per la Simulazione Dinamica

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Caso studioImportazione di un edificio da REVIT a IDA ICE per l’analisi energetica in

regime dinamico

IFC FILE

MODELLAZIONE SIMULAZIONE DINAMICA

B.I.M.Building Information Modeling

B.E.M.Building Energy Modeling

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Prestare particolare attenzione a:- Definizione delle zone termiche da REVIT con il comando Locale- Definizione della stratigrafia degli elementi architettonici (solai, murature,

tramezzi, etc)

- Difficoltà legate al concetto di approssimazione e controllo del modello in dinamica

-Velocizzazione in caso di grandi edifici, meno in caso di piccoli edifici che si possono modellare direttamente in IDA ICE

IFC FILE

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In ordine di difficoltà nell’importazione troviamo:- Geometria e aspetti architettonici- Impianti HVAC- Controlli

Fondamentale è la definizione delle zone termiche e dei confini

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Video TutorialPagina Youtube di EnUp Srl

https://www.youtube.com/watch?v=B5ZS3F13-ag

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GrazieArch. Andrea Denza

Per informazioni www.enup.it

From BIM to BEM