L’evidenza dei cambiamenti climatici e la “volatilità” dei costi dell’energia ci mostrano come l’imperativo nel progetto di nuovi edifici e retrofit di quelli esistenti sia ottenere costruzioni meno energivore e sostentate da fonti rinnovabili.
Tutta la produzione edilizia nei prossimi decenni non potrà ignorare la necessità di sfruttare il più possibile strategie “passive”.
Con strategie passive si vuole intendere tutto sforzo possibile in termini di design per fare in modo che il progetto in relazione al clima e peculiarità del sito, porti ad ottenere come risultato finale una costruzione che sia in grado di offrire le condizioni di comfort ai suoi occupanti per il tempo più lungo possibile senza ricorrere all’uso di impianti.
Principali strategie passive design che permettono di ridurre i consumi energetici:
- Sfruttare apporti termici gratuiti per irraggiamento nei mesi freddi, possibile grazie al design e la distribuzione intelligente delle aperture vetrate;
- Garantire ombreggiamento nei mesi estivi per ridurre dai carichi termici interni la quota dovuta al surriscaldamento per irraggiamento non controllato e limitare quindi fabbisogno di raffrescamento;
- Studio e applicazione strategie di ventilazione naturale notturna a evitare cumulo carichi estivi;
- Progettazione involucro in grado di sfasare, attenuare, accumulare calore nei mesi estivi e isolare e accumulare nei mesi invernali.
Il progettista contemporaneo ha la necessità di acquisire un quadro di dati in grado di supportare efficacemente la fase decisionale nella scelta della soluzione ottimale tra quelle prospettate.
Il bilancio energetico di un edificio è un processo complesso. Vista la complessità dei fenomeni termofisici in gioco, nell’operare le verifiche atte a simularne il comportamento (per testare le varie ipotesi di progetto) è fondamentale disporre di strumenti di calcolo adeguati e il tradizionale standard che prevede l’impiego di algoritmi di calcolo in regime stazionario appare superato.
Nel regime stazionario si esegue una simulazione in un intervallo di tempo che coincide con le stagioni di riscaldamento. Le temperature, gli apporti interni, i consumi previsti sono quindi ridotti a valori medi e il calcolo viene semplificato. È chiaro che considerare valori climatici esterni medi e le condizioni interne e di funzionamento dell’impianto costanti, allontana la simulazione dalla realtà.
HTB2 modello software di analisi dinamica – caratteristiche generali
Da tempo si sente parlare di analisi dinamica. La EN ISO 52016, sostituirà la EN ISO 13790 e diventerà il riferimento per il calcolo delle prestazioni energetiche degli edifici su base oraria o mensile.
A disposizione di chi volesse avvicinarsi alla comprensione della simulazione dinamica esistono diversi strumenti software (alcuni scaricabili e utilizzabili liberamente) tra i più conosciuti, energyplus, trnsys, eQuest, HTB2.
Tra questi, HTB2 è un algoritmo di calcolo sviluppato da Welsh School of Architecture University of Wales College of Cardiff e disponibile al seguente link: http://u001.arch.cf.ac.uk/plugin/
In comune con le altre soluzioni software si riscontra la difficoltà in termini di “usabilità” rispetto alle applicazioni a cui siamo normalmente abituati. Aspetto comprensibile trattandosi di applicativi nati in ambienti di ricerca governativi o universitari (es. US Department of Energy ) messi a disposizione open source alla comunità scientifica internazionale non proprio un target home consumer.
HTB2 vede l’edificio come una serie di spazi collegati tra loro e con l’esterno mediante elementi (pareti, finestre) e flussi di ventilazione. Questo edificio è condizionato dal clima esterno, dal sistema di riscaldamento, dal sistema di controllo e da un insieme di fonti di calore puntuali (carichi interni).
Il risultato di queste azioni termiche operanti nell’edificio è la generazione di una serie di flussi termici, movimenti d’aria e di umidità che danno luogo a un quadro di temperature e livelli di umidità relativa in ogni spazio interno confinato.
HTB2 si propone come uno strumento flessibile. è stato scritto in un formato modulare, ogni subsistema è stato isolato in una specifica subroutines. Questo significa che la sezione di codice che opera su uno specifico aspetto può essere facilmente individuato.
Per facilitare l’input dei dati il programma fornisce alcuni “editor” sotto forma di applicativi windows.
Scheme Editor, permette di creare il Layout del nostro modello inteso come volumi d’aria separati da elementi opachi e trasparenti dall’ambiente esterno.
Il Construction Editor permette la definizioni delle stratigrafie attingendo in una libreria standard fornita (si possono definire anche materiali utente).
Per la definizione degli altri parametri tipo servizi impiantistici, dati generatore calore, illuminazione, ventilazione, occupazione ecc, sarà necessario produrre un semplice file di testo ASCII (che può essere creato, modificato ed editato da un comune text editor) che includerà elenco di comandi e dati secondo un dizionario definito (presente nella guida del software) che fornirà al motore di calcolo le istruzioni e il quadro dei dati funzionali alle elaborazioni desiderate.
Questo passaggio a prima vista ostico, potrà essere facilitato una volta appreso il meccanismo generale, utilizzando i file forniti in diversi esempi (inclusi nella cartella del software) che possono essere e copiati presi come base per altre simulazioni e poi modificati.
Nei documenti del programma è disponibile una guida (in inglese) contenente tutte informazioni e approfondimenti necessari. Di grande importanza il file meteo legato alla località oggetto della simulazione. In rete è possibile trovare agevolmente dati metereologici in formato ENERGYPLUS .epw (https://energyplus.net/weather) ma che HTB2 non legge. Il problema si può risolvere utilizzando la piccola applicazione sempre a corredo che permette la conversione nel formato compatibile.
Alla fine del lavoro di creazione dell’insieme dei file contenenti istruzioni e dati, la simulazione potrà essere avviata dal Calculation engine caricando e processando il file di primo livello con estensione .TOP contenente i comandi principali e i collegamenti con tutti i file di secondo e terzo livello.
I risultati secondo diverse possibilità di combinazione potranno essere visualizzati graficamente mediante l’ultimo applicativo il Data Viewer preposto alla lettura e interpretazione del file contenente i dati di output.
Per chi conosce il software Sketchup al sito http://u001.arch.cf.ac.uk/plugin/ è scaricabile il plugin VirVil Sketchup extension che permette di facilitare la creazione del modello geometrico e collegarlo al software HTB2 per poi processare la simulazione.
HTB2 modello software di analisi dinamica – Principi del modello
Considerando che il problema centrale di ogni modello di analisi dinamica è come rappresentare il complesso insieme di relazioni che costituiscono il comportamento termico di un edificio, l’approccio adottato in HTB2 è di dividere il tempo in intervalli discreti ed assumere che, entro il tempo di intervallo o “time step”, ogni meccanismo di trasporto del calore rimanga costante e indipendente dagli altri.
Alla fine di ogni “time-step”, un nuovo set di condizioni sono calcolate sulla base degli effetti cumulativi di questi trasferimenti di calore. In aggiunta, ogni variazione delle condizioni al contorno, condizioni dell’impianto, ecc, vengono implementate. Tali nuovi valori sono di conseguenza mantenuti costanti per la durata del successivo intervallo di tempo e il ciclo si ripete per la durata del calcolo della simulazione.
Il tempo di intervallo impiegato deve essere piccolo abbastanza in modo che i sub-processi interagiscano all’interno delle scale di interesse. La durata di questo time step è effettivamente dettata dalle caratteristiche fisiche delle strutture dell’involucro e dovrebbe essere normalmente inferiore al minuto.
La struttura di HBT2 è stata sviluppata per massimizzare i vantaggi di questo piccolo intervallo di calcolo in modo che ad esempio le fonti di calore possano essere variate o i dati possano essere ottenuti per questa scala temporale.
I calcoli che hanno luogo per ogni intervallo di tempo (step-time) sono i seguenti:
- Determinazione nuove temperature degli spazi/zone;
- Determinazione trasferimenti per irraggiamento tra superfici interne;
- Allineamento con condizioni esterne (in funzione dei dati meteorologici orari);
- Determinazione dei flussi radiativi dovuti alla coibentazione;
- Calcolo del trasporto di calore nelle strutture;
- Calcolo del trasporto di calore per ventilazione e vapore latente;
- Determinazione della risposta dei sistemi di generazione e controllo del calore (impianto);
- Calcolo dei guadagni termici puntuali di calore e umidità relativa;
- Possibilità di impostazione e modifica dei parametri uso dell’edificio (occupazione, attività, carichi interni,ecc);
- Impostazione output dati.
HTB2 modello software di analisi dinamica – conclusioni
HTB2 è stato sviluppato per indagare il dettagliato funzionamento di un edificio, considerando i molti aspetti di trasferimento del calore e guadagni termici (es. conduzione dell’involucro, ventilazione, isolamento, riscaldamento e sistemi incidentali) fornendo dati su su una scala temporale di minuti e settimane, piuttosto che ore e anni.
Le sue caratteristiche ne consigliato l’uso in fase di sviluppo della comprensione del funzionamento generale dell’ipotesi di design.
A chi può essere utile:
- A chi nel proprio work flow operativo desidera disporre di strumenti di analisi sofisticatati più idonei nel descrivere i complessi fenomeni termodinamici negli edifici rispetto ai tradizionali modelli “stazionari”;
- A chi vuole utilizzare un programma gratuito;
- A chi vuole comprendere meglio i principi di calcolo dell’analisi dinamica prima di passare a un software commerciale;
- A chi ha un po’ di famigliarità con i linguaggi di programmazione.
NB: leggere attentamente le condizioni d’uso (Important notice) contenute nella guida utente (HTB2 User Manual) corredata al software. Per dettagli sul codice consultare il manuale tecnico (Technical reference manual) – Tutti i diritti fanno capo ai relativi autori.
