Quali Software per la Simulazione Energetica Dinamica degli Edifici?



Ho già affrontato il tema della simulazione energetica (progettare nZEB con la simulazione dinamica) cercando di distinguere tra le metodologie di calcolo più idonee all’ottenimento di valori di verifica e di confronto, ovvero in regime stazionario o semi-stazionario e le metodologie di calcolo più idonee allo studio del comportamento dell’edificio, ovvero in regime dinamico.

In questo secondo articolo cercherò invece di addentrarmi maggiormente nel mondo della simulazione energetica dinamica parlando dei software che implementano tali metodi di calcolo.

Software-simulazione-energetica-dinamica-degli-edifici

Mi soffermerò in particolare sul motore di calcolo EnergyPlus, sviluppato dal U.S. Department of Energy, in quanto disponibile gratuitamente e aperto agli utenti che vogliono contribuire al suo sviluppo. Cercherò dunque di far conoscere ciò che sta dietro ai sistemi energetici dinamici, particolarmente interessanti nelle diagnosi energetiche, nella progettazione bioclimatica e nella realizzazione di edifici nZEB.




I Software per la Simulazione Energetica Dinamica degli Edifici

L’intensa attività degli studiosi di fisica dell’edificio di tutto il mondo ha fatto sì che sono oggi disponibili metodologie di calcolo in regime dinamico molto dettagliate che permettono di tenere in considerazione contemporaneamente la maggior parte dei fenomeni termofisici che si instaurano durante l’utilizzo del sistema edificio-impianto.

L’enorme numero di dati processati unita alla caratteristica intrinseca delle metodologie dinamiche di avere intervalli temporali di simulazione molto brevi, comporta oneri di calcolo molto elevati. Per questo motivo le università e gli enti istituzionali che hanno sviluppato tali metodologie le hanno fin da subito implementate in software dedicati.

D’altra parte però, le risorse dei calcolatori moderni permettono di condurre simulazioni energetiche dinamiche di modelli di edifici anche di notevole complessità in tempi ragionevoli, estendendo di fatto a chiunque la possibilità di effettuare questo tipo di analisi.

Oltre però alla complessità degli algoritmi di calcolo c’è anche l’enorme mole di dati di input necessari alla simulazione. Bisogna pensare che per effettuare una simulazione sono necessarie tutte le informazioni geometriche e termofisiche dell’involucro, tutte le caratteristiche prestazionali degli impianti, tutti i dati di utilizzo degli ambienti (apporti gratuiti, occupazione, ecc.), nonché tutti i dati climatici del luogo. Inoltre, ogni simulazione, porta con sé moltissimi dati di output di non facile lettura.

Per tale ragione alcuni software, come TRNSYS, ESP-r e Tas, sono stati dotati di un’interfaccia grafica user friendly che permette la modellazione solida dell’edificio, l’inserimento schematico dell’impianto, l’impostazione di tutti i restanti dati necessari e la visualizzazione grafica dei risultati.

Altri software come EnergyPlus, sono invece privi di tale interfaccia grafica. In soccorso a questi ultimi, sono stati realizzati numerosi software capaci di generare il file processabile dal motore di calcolo EnergyPlus e, in alcuni casi, di visualizzare graficamente i risultati.

Per dovere di cronaca faccio notare che alcuni dei motori sopra citati sono disponibili a pagamento come TRNSYS e Tas, mentre altri, come ESP-r ed EnergyPlus sono disponibili gratuitamente.

Per quel che riguarda invece le interfacce grafiche di EnergyPlus si ha che, salvo rare eccezioni come Simergy che però non supporta al momento EnergyPlus V8 o come BEopt pensato per l’edilizia residenziale, queste interfacce sono per lo più a pagamento. Cito per completezza i software DesignBuilder, AECOsim Energy Simulator, N++ e Sefaira, rimandando alla relativa pagina di EnergyPlus per maggiori informazioni riguardo questi e gli altri software disponibili al momento.

L’unica interfaccia grafica open source e gratuita per EnergyPlus competitiva con quelle a pagamento è il software OpenStudio sviluppato anch’esso dal U.S. Department of Energy. Openstudio è un plugin di Sketchup, noto software per la modellazione architettonica tridimensionale distribuito da Google.

Cosa c’è Dietro a una Simulazione Energetica con EnergyPlus

Essendo al di fuori degli obiettivi di questo articolo la trattazione dettagliata dei metodi di simulazione utilizzati da tutti i sopracitati software, mi soffermerò su quello che, a parere mio, è il motore di calcolo più completo tra quelli disponibili gratuitamente, ovvero su EnergyPlus.

Come detto in precedenza EnergyPlus è stato sviluppato dal dipartimento dell’energia degli Stati Uniti d’America con la collaborazione delle maggiori università mondiali.

EnergyPlus deriva direttamente dai programmi DOE-2 e Blast. Questi ultimi sono nati a seguito della crisi energetica agli inizi degli anni ’70 e sono stati sviluppati e rilasciati tra la fine degli anni ’70 e gli inizi degli anni ’80.

EnergyPlus è strutturato in molti moduli di programma (vedi figura sottostante) che lavorano simultaneamente per calcolare, utilizzando un’ampia varietà di sistemi e fonti di energia, il fabbisogno energetico di riscaldamento e di raffrescamento di un edificio e l’andamento di tutti i parametri prestazionali e di comfort collegati all’utilizzo dello stesso. Ciò viene fatto simulando l’edificio ed i sistemi energetici associati ad esso in funzione delle diverse condizioni ambientali ed operative.

I-moduli-di-Energyplus

A differenza dei suoi due progenitori DOE-2 e Blast che prevedevano una simulazione sequenziale, EnergyPlus è un programma a simulazione integrata.

Nei programmi a simulazione sequenziale le tre parti principali del modello, zona dell’edificio (zone), sistema di trattamento aria (system) e impianto centralizzato di generazione (plant), sono simulati sequenzialmente senza che vi sia feedback tra loro.

La soluzione sequenziale inizia con il bilancio termico di zona che aggiorna le condizioni operative della zona e determina il carico di riscaldamento-raffrescamento ad ogni step di simulazione. Queste informazioni sono trasferite alla simulazione dell’unità di trattamento aria per determinare la risposta del sistema. Questa risposta non influisce sulle condizioni operative di zona.

Allo stesso modo, le informazioni del sistema ad aria sono trasferite all’impianto centralizzato di generazione senza alcun feedback.

Questa tecnica di simulazione lavora bene in alcune situazioni, ma può portare talvolta a risultati non realistici fisicamente.

Al fine di ottenere una simulazione fisicamente realistica, gli elementi devono quindi essere connessi tra loro attraverso uno schema di risoluzione simultanea. L’intero programma integrato può essere rappresentato come una serie di elementi funzionali collegati tra loro da circuiti che distribuiscono i vettori fluidi (Air Loops, Water Loops) come mostrato nella seguente figura.

In EnergyPlus tutti gli elementi del modello sono integrati e controllati dal “Integrated Solution Manager”. I circuiti sono costituiti da un semi circuito di domanda e da un semi circuito di alimentazione, mentre, in generale, lo schema di risoluzione si basa sulla ricorsione e iterazione successiva per far convergere domanda e alimentazione in base alla filosofia di Gauss-Seidell dell’aggiornamento continuo.

Sistema-di-simulazione-energetica-dinamica-di-Energyplus

Il fulcro centrale della simulazione energetica dinamica è comunque il modello dell’edificio basato sui principi fondamentali di bilancio termico.

I metodi matematici di soluzione utilizzati da EnergyPlus per simulare la trasmissione di calore attraverso l’involucro edilizio sono due:

  • metodo di soluzione della Conduzione con le Funzioni di Trasferimento (Conduction Transfer Function – CTF)
  • metodo di soluzione della Conduzione alle Differenze Finite (Conduction Finite Difference).

Evitando di addentrarmi nella trattazione di questi due metodi, sottolineo che entrambi sono in grado di simulare il contributo della massa termica dell’edificio e che l’utilizzo di uno di essi rispetto all’altro non comporta variazioni significative nei risultati.

In linea generale il metodo CTF ha tempi di soluzione più contenuti, mentre il metodo alla Differenze Finite è necessario per alcune particolari tipologie di involucro come nel caso di utilizzo di PCM (Physical Change Materials) e nel caso dei tetti verdi.

I Punti di Forza della Simulazione Energetica Dinamica nella Progettazione Avanzata di Edifici

Tutta questa un po’ generica ed allo stesso tempo pesante trattazione serve a capire in linea generale come funziona EnergyPlus e come esso riesca a riprodurre fenomeni fisici particolari che molto interessano la progettazione avanzata.

L’utilizzo di metodi di soluzione della trasmissione di calore attraverso l’involucro edilizio che tengano conto dell’inerzia termica dell’edificio sono particolarmente utili nel caso di progettazione bioclimatica.

Se ad essi vengono associati moduli di EnergyPlus capaci di simulare in modo opportuno e dettagliato sia l’ingresso che la schermatura della radiazione solare, allora è possibile valutare la bontà delle scelte bioclimatiche nel progetto di un edificio.

Anche l’utilizzo di un modulo per la gestione della rete dei flussi d’aria è di grande aiuto nella progettazione bioclimatica.

Una diagnosi energetica si giova invece della possibilità di adattare all’utenza i profili degli apporti termici, oltre alla possibilità di simulare in modo dettagliato il funzionamento e il comportamento dell’impianto. Senza contare la possibilità di valutare l’impatto di tecnologie particolari come i PCM e i tetti verdi!

Se a quanto detto finora si aggiunge poi la possibilità di utilizzare un modulo di EnergyPlus capace di valutare la generazione in situ di elettricità da fonte rinnovabile in funzione delle condizioni climatiche della località in cui si trova l’edificio, ecco allora che abbiamo la possibilità di progettare al meglio il nostro edificio nZEB.

EnergyPLus è dunque un motore di calcolo complesso, ma modulare che permette all’utente esperto di valutare tutte e sole le caratteristiche più importanti del proprio progetto.

N.B.: Ti piacerebbe saperne di più?

Ti piacerebbe saperne di più sulla simulazione energetica in regime dinamico degli edifici, sull’utilizzo dei software e sulle potenzialità che essa offre nella progettazione di edifici nZEB, ma anche nella riqualificazione dell’esistente?

Aspetto la tua risposta qui sotto o un commento all’articolo!

A cura di Daniele Di Giorgio

Photo credit: EnergyPlus: DOE’s Next Generation Simulation Program

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