Dipartimento di
Ingegneria Industriale
MODELLAZIONE ENERGETICA IN REGIME
DINAMICO
La parola ai software
Verona - 9 ottobre 2013
INTRODUZIONE ALLA MODELLAZIONE
ENERGETICA IN REGIME DINAMICO
Roberto Zecchin
Il concetto di simulazione
Simulare:
Il simulatore di volo,
più o meno …professionale:
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Il concetto di simulazione
Un banale esempio di modello di simulazione:
f = m a
=> a = f/m
Se p.es. m = 2:
f = 4 N => a = 4/2 = 2 m/s2
f = 6 N => a = 6/2 = 3 m/s2
ecc. …….
quindi
- Struttura di ingresso dei dati (input)
- Algoritmo di calcolo
- Struttura di uscita dei risultati (output)
……ecco fatto il software di simulazione
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Un esempio più vicino:
la conduzione di calore
Postulato di Fourier
T
Q A
x
.
Conduttività termica [W/(m K)]
Nota la conduttività termica del materiale
si può calcolare il flusso termico in
funzione di ∆t = ∆t (τ)
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La modellazione
del sistema edifico-impianto
Analisi dell’efficienza energetica di un edificio mediante
modelli computazionale e trecniche di simulazione.
Si possono analizzare molte cose:
Comportamento termico;
Comfort e condizioni ambientali;
Ventilazione e infiltrazione;
Illuminazione naturale e ombreggiamento;
Consumo energetico degli impianti;
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La modellazione
del sistema edifico-impianto
I principali elementi:
Modello dell’edificio;
Modello del sistema HVAC;
Modello del sistema di controllo;
Possono essere considerati anche modelli economici
(p.es. tariffari) o di LCA (life cycle assessment).
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La modellazione
del sistema edifico-impianto
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Il modello matematico
Il caso più semplice, il regime stazionario:
QT k [ H T ,k ( i e,k )]
HT,k = coefficiente globale di trasmissione termica
calcolato secondo EN 13789.
È valido ipoteticamente anche in regime variabile….ma non è adatto
a rappresentare un sistema avente una capacità termica non
trascurabile
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Il problema del regime variabile
La capacità termica delle strutture e l’accumulo di energia:
- Può essere usata per smorzare le oscillazioni di temperatura interna o
limitare I picchi di temperatura, p.es. anche con tecniche di
iperventilazione notturna;
- Può essere problematica nei casi in cui si voglia una risposta termica
molto rapida.
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La variabilità delle condizioni al contorno
La variabilità delle condizioni al contorno:
le condizioni esterne, ma anche, p.es.,profili di carico
% of peak
occupancy
peak
average
reality
how we account
for internal gains
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Sistemi lineari e non lineari
• Il riferimento a sistemi fisici rappresentabili
mediante equazioni algebriche e differenziali
“lineari” (la funzione incognita e le sue derivate
vi compaiono alla prima potenza) semplifica
molto la costruzione e l’operatività del modello.
• La “linearità” della rappresentazione assicura la
validità del principio di sovrapposizione degli
effetti.
• Equazioni lineari consentono di scrivere sistemi
di equazioni lineari, la cui soluzione è assai più
semplice di quelli contenenti equazioni non
lineari.
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La conduzione termica:
differenze finite e funzioni di trasferimento
2t
Equazione di Fourier:
2
c x
t
t i , j 1 t i , j
t
t
x i 1, j x i , j
c
x
Funzione di trasferimento
O(τ) = D * F(τ)
RISPOSTA
CONVOLUZIONE
SOLLECITAZIONE
FUNZIONE
DI TRASFERIMENTO
Op
D
z 1 ,
z
Fp z 1
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La conduzione termica:
le funzioni di trasferimento
Esiste un valore di N per cui
La risposta all’istante p è:
Op D1 H p D2 H p 1 ... DN H p N 1 c DN H p N c 2 DN H p N 1 ...
La risposta all’istante p - 1 è :
Op1 D1 H p1 D2 H p2 ... DN H p N c DN H p N 1 c2 DN H p N 2 ...
Combinando le due relazioni:
Op
D'
z 1, N
z
H p z 1 c O p 1
D1 ' D1
Dz ' Dz c Dz 1
(per
for
z =z=2,N)
2, N13
La conduzione termica:
le funzioni di trasferimento
INTERNO (tsi)
1°C
ESTERNO (tse)
IMPULSO
RAMP 1
0°C
FUNZIONE “X”
RAMP 3
1°C
IMPULSO
0°C
FUNZIONE “Y”
RISULT 1+2+3
1°C
IMPULSO
2
2
0°C
FUNCTION “Z”
RAMP 2
RISULT 1+2
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Alcune osservazioni preliminari
Obiettivi dei diversi gradi del progetto
Progetto preliminare:
• Regole empiriche + valori parametrici (stima di
massima)
Progetto definitivo o esecutivo:
• Stima dei carichi (approssimativa)
• Valutazioni progettuali (e.g. usando metodi
semplificati)
Progetto dettagliato:
• Calcolo dei carichi (dettagliato)
• Calcoli energetici + simulazioni dell’edificio o del
sistema edificio-impianto
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Flussi di energia negli edifici
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Metodi “non geometrici”:
Transfer Function Method
“Transfer Function Method” o Metodo delle funzioni di
trasferimento:
1. Molto adoperato per le analisi energetiche
1. Tre componenti:
1. Conduction transfer function (CTF)
2. Room transfer function (RTF)
3. Space air transfer function (SATF)
2. Implementato numericamente usando fattori di ponderazione,
cioè I coefficienti delle funzioni di trasferimento per “pesare”
l’importanza dei valori storici dei flussi termici e dei carichi
termici sulle condizioni interne correnti.
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Il bilancio termico: Metodi “geometrici”
(Source: ASHRAE Handbook Fundamentals 2005)
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“Room Mesh”
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Metodo di bilancio “geometrico”
Si usano le equazioni di bilancio per calcolare:
- Per ogni superficie il bilancio tra I flussi conduttivo,
radiante e convettivo
- Il bilancio termico convettivo dell’aria
Il processo di calcolo:
- Si trovano le lemperature superficiali delle strutture
dell’edificio a seguito del bilancio termico
- Si calcola la somma del flusso termico dalle superfici
e dei carichi interni
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Alcune osservazioni
Dalla stima dei carichi ai calcoli energetici
Non è sufficiente determinare I carichi di picco
Occorre valutare I fabbisogni dell’edificio e I consumi del sistema
HVAC
• Per supportare le decisioni progettuali (e.g. per valutare alternative
di scelta)
• Per migliorare il progetto del sistema e l’operatività dell’edifiicio
• Pre soddisfare i requisiti di legge o altri
I calcoli energetici
sono più complessi dei calcolo di progetto
Formano la base dell’analisi energetica ed economica dell’edificio
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Alcune osservazioni
La stima dei carichi e I calcoli energetici
Sono basati sugli stessi principi
Ma con differenti modalità applicative
La stima dei carichi di progetto
Si focalizza sul massimo carico e le peggiori condizioni ai fini del
dimensionamento, dell’edificio (e.g. isolamento termico) o
dell’impianto
I calcoli energetici
Si focalizzano su condizioni “realistiche” (e.g. Test Reference
Year)
Possono riguardare analisi economiche e di costo del ciclo di vita
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…..ecco fatto il modello di simulazione!!!!
Dati climatici
Building
description
Simulation tool
(computer program)
- Dati fisici
- Parametri di progetto
Simulation
outputs
- Consumo energetico (kWh)
- Potenze (kW)
- Condizioni ambientali 23
Validazione e verifica dei software
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Validazione e verifica dei software
Verification and Validation (software)
From Wikipedia, the free encyclopedia
In software project management, software
testing, and software engineering,
Verification and Validation (V&V)
is the process of checking that a software
system meets specifications and that it
fulfils its intended purpose.
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Un cenno su UNI EN 15265
• La norma riporta i dati per alcuni casi campione (edificio
e dati climatici) e i relativi risultati di riferimento in termini
di fabbisogni energetici annuali di riscaldamento e
raffrescamento.
• Indica il modo di valutare gli scostamenti percentuali tra
il software in esame e i valori di riferimento.
• Stabilisce una classificazione in base all’entità degli
scostamenti
Le caratteristiche dell’edificio di riferimento
I dati climatici di riferimento
I risultati e la validazione
…grazie dell’attenzione e ….
….buon lavoro!!!
[email protected]
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