- AESS Modena

Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents”
A03p3/S04p2. Materiali freddi:
dimostrazioni pratiche e studi pilota
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
1
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Contenuti della lezione A03 part 3/S04 part 2
•
Metodologie
•
Dimostrazione pratica dei materiali freddi: School Building in Athens, GR
•
Dimostrazione pratica dei materiali freddi: Office Building in Trapani, IT
•
Dimostrazione pratica dei materiali freddi: Flisvos Project, GR
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
2
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
METODOLOGIE
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
3
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Metodologia: edifici
Applicazione di materiali freddi sull’involucro edilizio
•
Raccogliere tutti i dati disponibili sull'edificio (piante, configurazioni, uso
della costruzione, impianti, bollette, ecc)
•
Riflettanza solare iniziale e finale ed emissività dei materiali selezionati
•
Misurazioni, per quanto possibile, per calibrare e validare il modello.
•
Analisi dati e calcolo del risparmio energetico attraberso l’uso di
modellazione termica di tipo dinamico. Possibilità di testare più varianti
costruttive (maggiore isolamento, diverse efficienze impiantistiche, ecc),
confronto con altre misure di risparmio energetico.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
4
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Metodologia: edifici
Commonly used energy simulation software
DOE: http://apps1.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
5
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Metodologia: pavimentazioni
Applicazione di materiali freddi alle pavimentazioni (strade, piazze,
parcheggi, etc): da 1m – a qualche centinaio di m
•
Misure e raccolta di dati per
valutare la situazione attuale.
•
Modellazione della situazione
attuale con modelli numerici
3D ad esempio un modello
CFD come Phoenics o come
ENVI -MET.
Validazione del modello
utilizzando dati misurati.
Comparazione fra proposte di
intervento e situazione
attuale.
•
•
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
6
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
ESEMPIO A:
EDIFICIO SCOLASTICO AD
ATENE, GRECIA
A. Synnefa, M. Saliari, M. Santamouris, Experimental and numerical assessment of the impact
of increased roof reflectance on a school building in Athens, Energy and Buildings, 55, 2012
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
7
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
8
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
•
N
•
L’edificio scolastico è parte di
un complesso ed è collocato
in adiacenza all’asse stradale
principale di Kessariani, ad
Atene.
Microclima: urbano
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
9
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
•
•
•
•
•
Anno di costruzione: 1980
Tipo di edificio: scuola elementare
Forma: rettangolare, 2 piani
Materiali principali: c.a. e laterizio
Isolamento termico: finestre doppio
vetro (dimensioni tipiche
1.2mx1.8m), pareti non isolate
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
10
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
•
•
•
•
•
•
Riscaldamento: metano
Raffrescamento: nessuno
Ventilazione naturale
Luce naturale e lampade
fluorescenti
Occupazione: 8:00-14:00, da
lun a ven
120 bambini in totale & 15
adulti
Building
envelope:
Walls
U value =
2.846 W/m2K
Roof
U value =
SR = 0.2
1.971 W/m2K
Windows
U value = 2.95 W/m2K
g value = 0.777%/100
Frame U value = 8.17KJ/hm2K
Floor
U=
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
2.461 W/m2K
11
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
•
•
•
Condizioni iniziali del tetto
410 m2
Massetto sabbia e cemento
SR = 0.2, ε = 0.89
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
12
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali
Condizioni finali del tetto
• 410 m2
• Rivestimento
elastomerico
bianco
• SR
= 0.89,
ε = 0.89
freddi
e studi
pilota
13
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
Cool
Barrierroof
Roof
cool barrier
Grey
concrete
grey concrete
100
80
SR =0.89
60
ρλ [%]
40
20
SR =0.20
0
300
800
1300
1800
2300
wavelength [nm]
SR
SRUV
SRVis
SRNIR
SRI
0.20
0.08
0.95
0.89
113
0.89
0.16
0.2
0.2
18
BEFORE
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
AFTER
14
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
15
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
Condizioni meteo (dati forniti dal National Observatory of Athens)
• Temperatura esterna
• Umidità esterna
• Radiazione Solare
• Velocità e direzione del vento
Misure sul sito
• Temperatura aria
• Umidità Relativa
• Temperatura superficiale
Raccolta di informazioni sulla costruzione e sul sue utilizzo
• Progetto dell'edificio scolastico, dati sugli impianti di riscaldamento /
raffrescamento / ventilazione, orari di funzionamento, il numero di
occupanti, ecc. Sono state raccolte bollette del riscaldamento e
dell'energia elettrica.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
16
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
17
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
L’edificio è stato modellato con TRNSYS, basandosi sulla descrizione della geometria
dell’edificio, delle sue proprietà termofisiche e delle condizioni di utilizzo
•
Fase 1: Calibrazione e validazione del modello con I dati misurati
•
Fase 2: Simulazione annuale per le diverse varianti
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
18
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
temperature (oC)
35
30
25
20
15
Meas ur ed
surface temperature 2/9/09
Pr edicted
10
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0:00
simulation time step (1h)
19
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
•
•
•
∆Τ = 1.5÷2°C in estate
∆Τ = 0.5°C in inverno
Impatto ridotto sull’edificio isolato
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
20
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
8
2
Annual Cooling Load (kWh/m )
9
7
-35%
-40%
6
5
4
3
2
1
0
Reference Roof,
uninsulated building
Cool Roof, uninsulated
building
Reference Roof,
insulated building
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
Cool Roof, insulated
building
21
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
35
2
Annual Heating Load (kWh/m )
+10%
30
25
+4%
20
15
10
5
0
Reference Roof,
uninsulated building
Cool Roof, uninsulated
building
Reference Roof,
insulated building
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
Cool Roof, insulated
building
22
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
23
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
Surface temperature (C)
Studio pilota A: edificio scolastico ad Atene
Reference building
60
40
•
22°C
20
•
0
0
2000
4000
6000
8000
Surface temperature (C)
s imulation s tep [1h]
Cool Roof
60
40
8°C
20
∆Τref-cool= 25C in
estate
Ridotte fluttuazioni
di Tsurf ⇒
allungamento della
vita dei materiali,
perchè la
sollecitazione
termica è maggiore
con oscillazioni di
temperatura più
elevati
0
0
2000
4000
6000
8000
simulation step [1h]
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
24
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*CASO B: UFFICIO A
TRAPANI, ITALIA
C. Romeo, M. Zinzi, Impact of a cool roof application on the energy and comfort performance
in an existing non-residential building. A Sicilian case study, Energy and Buildings, Volume 67,
December 2013, Pages 647-657,
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
25
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
•
•
•
•
Edificio pubblico in un campus scolastico
a Trapani (Sicilia occidentale).
Il test è stato condotto su una palazzina
di superficie calpestabile pari a 800 m2.
L’edificio è utilizzato anche in estate e
ed è affetto da pesanti surriscaldamenti
al suo interno.
La struttura dell’edificio è di cemento armato e la muratura è costituita
da blocchi di pietra calcarea vulcanica non isolati. La finitura della
superficie esterna è costiutita da un intonaco grigio e da tegole in
cemento.
Le finestre consistono di vetrate singole con telai in alluminio. Tutte le
superfici trasparenti sono dotate di dispositivi frangisole azionati
manualmente, e anche di elementi esterni verticali di cemento che
fungono da ostruzioni solari. Queste ultime sono particolarmente efficaci
per le pareti esposte a est e ovest.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
26
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
•
•
•
Il monitoraggio esterno comprendeva: temperatura dell’aria,
irradiazione solare globale su piano orizzontale, umidità relativa (dati
misurati all’aeroporto di Trapani), temperatura superficiale del tetto.
Il monitoraggio interno all’edificio comprendeva: temperatura dell’aria,
MRT, Umidità relativa, velocità dell’aria
Il monitoraggio è stato condotto in condizioni di temperatura interna
non impostata (liberamente fluttuante) in due zone dell’edificio, dai
primi di Maggio agli ultimi di Settembre
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
27
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Tecnologia cool roof: un doppio strato di pittura bianca finita con un
rivestimento lavabile a emulsione lucida. Si tratta di una pittura ad acqua
organica basata su una miscela di latte e aceto, a basso impatto
ambientale.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
28
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Rivestimento
bianco
(SR=0.86,
ε=0.88)
Tegole di
cemento
grigio
(SR=0.25,
ε=0.9)
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
29
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Calibrazione modello e validazione
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
30
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Monitoraggio della temperatura dell’ambiente interno
Il ∆Tair giornaliero tra la stanza 5 (Lab/ufficio) e l’esterno è risultato
superiore a 2°C per il 91% del tempo e sempre maggiore di 0°C prima del
trattamento del tetto. La Tair media è risultata più alta dell’aria ambiente di
3.5°C, con i due valori rispettivamente pari a 27.9°C and 24.4°C.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
31
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Monitoraggio della temperatura dell’ambiente interno
Dopo l’applicazione del rivestimento, la differenza di temperatura media tra
aria interna e esterna è scesa a 0.4°C, con i due valori rispettivamente pari
a 28.6°C and 28.2°C.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
32
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Risultati del monitoraggio dell’edificio
•
•
La temperatura massima rilevata sulla superficie del tetto nel periodo
antecedente al rivestimento era di 57°C; essa è scesa a 40°C dopo
l’intervento.
Nell’arco di 24 h: prima dell’applicazione del cool roof si sono rilevati
sbalzi di temperatura fino a 40°C, mentre la differenza è scesa sotto i
18°C con il cool roof.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
33
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Risultati del monitoraggio dell’edificio
•
La differenza tra le temperature del tetto originale e dell’aria esterna
raggiungeva i 20°C, mentre la temperatura tra il cool roof e l’aria
esterna non ha mai ecceduto i 5°C.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
34
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Risultati del monitoraggio dell’edificio
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
12.00
22.00
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
35
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Risultati della
simulazione
dinamica
dell’edificio
Energy demand [kWh] and cooling savings [%] for the standard building and variations
16000
90
15000
14000
Net energy dem and kWh
13000
Cooling Saving s (%)
80
78
70
12000
11000
61
10000
61
60
54
-2 8%
9000
50
8000
44
7000
40
39
6000
30
5000
4000
22
20
3000
2000
10
1000
0
•
0
1 - standard
0
2 - cool roof
3 - roof
insulation
4 - night
ventilation
5 - external
shading
6 - 3+2
7 - 4+ 2
8 - 5+2
9 - insulation
(new building)
10 - 9+2
Il cool roof è risultata la più performante tra le diverse strategie valutate,
che includevano l’isolamento del tetto (0.38 W/(m2K), secondo gli
standard nazionali), la ventilazione notturna (4 ACH) e l’applicazione di
ombreggiature esterne (con fattore di ombreggiamento pari a 0.7).
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
36
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota B: uffici a Trapani
Risultati della
simulazione
dinamica
dell’edificio
Cumulative distribution of the operative temperature before and after the Cool Roof application [%]
Actual Building
100
90
room 2 before
room 2 after
80
room 3 before
room 3 after
70
room 5 before
room 5 after
60
50
40
30
20
10
0
>25
>27
>29
[°C]
•
•
La temperatura media operativa nelle tre stanze di riferimento diminuisce
di 2.3°C tra Giugno e Agosto, grazie all’applicazione del cool roof.
L’effetto della vernice cool è una forte riduzione delle ore di discomfort
nelle stanze 2 e 3, poiché il modello predice il verificarsi di temperature
superiori a 27°C per meno del 15% del periodo.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
37
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*CASO C: FLISVOS
PROJECT, ATENE
M. Santamouris, N. Gaitani, A. Spanou, M. Saliari, K. Giannopoulou, K. Vasilakopoulou, T.
Kardomateas, Using cool paving materials to improve microclimate of urban areas – Design
realization and results of the flisvos project, Building and Environment, Volume 53, 2012,
Pages 128-136
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
38
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
•
•
•
•
•
Sup. pavimentate: SR ≅
0.35÷0.45
Pavimenti di cemento: SR ≅ 0.21
Pavimenti di asfalto: SR ≅ 0.11
•
Il parco urbano di Flisvos è una zona
costiera situata nella parte sud-occidentale
di Atene
Superficie totale: 80,000 m2
Un lato del parco confina con un asse
viario principale, e l’altro lato lambisce il
mare
A dispetto della vicinanza al mare, l’area
presenta temperature più alte di circa 1–2
K, rispetto alle periferie nord e nordorientali della città: forte UHI
Il parco include aree verdi e percorsi che
portano al litorale. L’area verde presenta
piccoli alberi e cespugli disposti in maniera
piuttosto sparpagliata
Le aree pavimentate sono fatte di asfalto,
cemento e pavimentazioni scure
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
39
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
Si è fatto uso estensivo di materiali di
pavimentazione “cool”, allo scopo di ridurre
le temperature dell’ambiente durante
l’estate e migliorare la qualità ambientale.
I materiali per la pavimentazione sono stati
scelti in base ai seguenti criteri:
a) Alta riflettanza solare non speculare.
Materiali bianchi (SR >0.85) possono
causare alti livelli di contrasto e
abbagliamenti, e il deposito di polveri e
sale marino può ridurre la SR fino a
quasi 0.5.
b) Minimo decadimento della riflettanza per
invecchiamento.
c) Massima emittanza (caratteristica
comune per la maggior parte delle
pavimentazioni)
d) Massima durevolezza e estetica
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
40
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
ρλ
[%]
Piastrelle di cemento
giallo con pigmenti
riflettenti nel NIR
SR =0.6, ε=0.9
Alta durevolezza
wavelength [nm]
Riflettanza solare dei materiali
selezionati.
Sono stati applicati quasi 4500 m2 di cool pavements
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
41
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
Valutazione dell’intervento
Sono state misurate le condizioni
climatiche nell’area considerata prima e
dopo l’installazione dei cool materials. Le
misure includono: temperature
dell’ambiente e delle superfici, umidità
relativa, velocità e direzione del vento,
irradiazione solare.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
42
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
Valutazione dell’intervento
Dato che le condizioni al contorno
climatiche differivano notevolmente
durante le due diverse campagne di
monitoraggio, non è possibile fare un
paragone diretto. Per ovviare al
problema, sono state utilizzate tecniche
di simulazione fluidodinamica (CFD) per
riprodurre le condizioni climatiche
specifiche prima e dopo l’installazione
delle nuove pavimentazioni.
Dopo la validazione del modello CFD
tramite i due set di dati sperimentali,
sono state condotte simulazioni
comparative con e senza i cool
pavements sotto le stesse condizioni al
contorno climatiche.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
43
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
Temperatura superficiale dei pavimenti cool ombreggiato, (AR01),
convenzionale non ombreggiato, (AR02), e cool non ombreggiato (AR03).
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
44
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
Per la parte del parco
vicina al mare, le
temperature sono molto
simili e l’impatto dei cool
pavements è
trascurabile.
Al contrario, all’interno
del parco l’impatto dei
cool pavements è molto
importante, e
contribuisce a diminuire
la temperatura massima
dell’ambiente fino a
1.9°C.
Le temperature
superficiali si sono ridotte
fino a 12°C.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
45
Project MAIN – “MAtériaux INtelligents’”
*Studio pilota C: Flisvos project
Valutazioni delle condizioni di comfort termico nell’area hanno mostrato che
i cool pavements migliorano sensibilmente il comfort nelle aree urbane
esterne.
A03p3/S04p2. Dimostrazione pratica dei materiali freddi e studi pilota
46