Attività sperimentale ed analisi computazionale fluidodinamica di pareti ventilate con baffle inerziale - analisi dinamica di pareti ventilate fotovoltaiche

INTRODUCTION - The ventilation of the building and the thermal comfort are a very important aspect in the design of a building. While in the past the ventilation was considered especially in relation only to the control of indoor air quality, has recently shown a growing interest in the use of ventilation as applied to the element constructive way of ensuring even the comfortable environment inside the buildings during the period and summer seasons, limiting the use of refrigeration systems with a view to saving energy. Hence the desire to study the effects of the building ventilation for energy efficiency and welfare systems of the buildings. This experimental research has dealt thus to assess the impact of the building ventilation on comfort and consumption of buildings in summer and during spring and autumn, through experimental analysis and parametric analysis, the latter carried out by complex simulation models ( computational fluid dynamics, CFD). OBJECTIVES - To this end, it was developed a mathematical model of the ventilated wall based on measurements taken by monitoring activity on this component. CASE STUDY - The building on which it was decided to analyze the ventilated wall with facing brick exterior is the faculty of Dentistry and is located in the town of Ancona Towers, next to the Faculty of Medicine, near Regional Hospital . PHASES, TOOLS AND METHODS - He was made a simultaneous monitoring of the wall in different directions and different heights (6 m and 12 m) of the ventilation duct, fixing an air conditioning system through the internal temperature at 26° C. We have analyzed the distributions of speeds and temperatures in the walls and identified correlations between flow and thermal physical parameters. EXPERIMENTAL RESULTS - The study has allowed us to demonstrate how the wall of 12m found in warmer weather, the external surface temperatures, air temperatures in the cavity, and flow velocity in the duct substantially higher, but managing to get across at night layers lower temperatures. The data obtained allowed to calculate the Reynolds number and locate the regime of motion of the air cavity. Finally, correlations were obtained relating to the duct air speed, flow and Reynolds number in relation to the sun-air temperature, useful for modeling of ventilated walls, usually very complex, with walls equivalent. The comparison between the different orientations were identified in relation to exposure to peak temperatures and thermal mismatches. The thermographic analysis allowed us to demonstrate the behavior of uniform wall and the lack of thermal bridges. RESULTS OF ANALYTICAL STUDY ON THE FLUENT (CFD) - The development of the mathematical model of the ventilated wall on the Fluent had come to define the purpose of a virtual model, which, when calibrated on the basis of data obtained through the monitoring activities, enabling through simulation models based on complex computational fluid dynamics (CFD) to assess reliably the impact of the building ventilated with inertial baffle on comfort and consumption of buildings in summer and during spring and autumn, through parametric analysis. From the simulations it is showed that the two mathematical models of as-built ventilated wall, made using the Fluent software, are able to simulate the behavior of the thermo-physical component to changing climatic conditions during the year. The comparison between the two sides highlighted as the ventilated wall is characterized by a higher value of air speed in the ventilation duct higher, and consequently a higher heat flux, which therefore provides a greater ability energy efficiency of that component. RESULTS OF ANALYTICAL STUDY ON THE ENERGY PLUS - Thanks to mathematical modeling of the ventilated PV facades using Energy Plus software, there is evidence that these structural elements, as well as be equipped with active solar systems, capable of producing electricity to actively support needs of the building, turn out also passive solar systems. Referring to our climate, the installation of photovoltaic modules by creating a gap of ventilation before the existing building envelope, it is particularly useful for the proper ventilation of the photovoltaic panel with a consequent increase in its yield, both for the ability of the wall to mitigate the peak temperature variation, during the summer. The high surface temperatures accentuated by far the chimney effect inside the ventilated cavity, which in turn helps to improve the ability to remove the accumulated heat from the wall during the day, and this shows how we can link quite easily technology to support the building and the thermal comfort of the same humidity.

PREMESSA - La ventilazione dell’elemento costruttivo ed il comfort termico costituiscono un aspetto molto importante nella progettazione di un edificio. Se in passato la ventilazione veniva considerata soprattutto in relazione al solo controllo della qualità dell’aria interna, recentemente si è dimostrato un crescente interesse nell’uso della ventilazione applicata all’elemento costruttivo quale strumento per garantire anche il comfort ambientale interno agli edifici nel periodo estivo e nelle stagioni intermedie, limitando il ricorso ai sistemi di refrigerazione in un’ottica di risparmio energetico. Da ciò nasce la volontà di studiare gli effetti dell’involucro edilizio ventilato sul risparmio energetico e sul benessere interno degli edifici. La presente ricerca sperimentale si è occupata pertanto di valutare l’incidenza dell’involucro edilizio ventilato su comfort e consumi degli edifici in fase estiva e durante le stagioni intermedie, attraverso analisi sperimentali e analisi parametriche, quest’ultime effettuate mediante modelli di simulazione complessi (Fluidodinamica computazionale, CFD). OBIETTIVI - A tal fine è stato messo a punto un modello matematico di parete ventilata sulla base delle misure effettuate da attività di monitoraggio su tale elemento costruttivo. CASO DI STUDIO - L’edificio su cui si è deciso di analizzare la parete ventilata con paramento esterno in laterizio è la facoltà di Odontoiatria ed è situato in località Torrette di Ancona, accanto alla facoltà di Medicina e Chirurgia, nei pressi dell’Ospedale Regionale. FASI, STRUMENTI E METODI - E’stato effettuato un monitoraggio simultaneo della parete nei diversi orientamenti e per diverse altezze (6m e 12m) del condotto di ventilazione, fissando attraverso un impianto di climatizzazione la temperatura interna a 26°C. Sono state analizzate le distribuzioni di velocità e temperature nelle pareti e individuate portate e correlazioni tra parametri termo fisici. RISULTATI SPERIMENTALI - Lo studio ha permesso di dimostrare come la parete di 12m presenti nelle giornate soleggiate, temperature superficiali esterne, temperature dell’aria nell’intercapedine, portate e velocità dell’aria nel condotto notevolmente superiori, riuscendo però a raggiungere di notte nei vari strati temperature inferiori. I dati ottenuti hanno permesso di calcolare il numero di Reynolds e individuare il regime di moto dell’aria nell’intercapedine. Infine sono state ricavate correlazioni relative a velocità dell’aria nel condotto, portate e numero di Reynolds in relazione alla temperatura sole-aria, utili per la modellazione delle pareti ventilate, generalmente molto complessa, con pareti equivalenti. Dal confronto tra i diversi orientamenti sono stati individuate le temperature di picco in relazione all’esposizione e gli sfasamenti termici. L’analisi termografica ha permesso di dimostrare il comportamento uniforme della parete e la mancanza di ponti termici. RISULTATI ATTIVITA’ ANALITICA SU FLUENT (CFD) - L’elaborazione del modello matematico di parete ventilata su Fluent ha avuto la finalità di arrivare a definire un modello virtuale, che, una volta tarato in base ai dati ottenuti grazie alle attività di monitoraggio, consentisse, mediante modelli di simulazione complessi basati sulla fluidodinamica computazionale (CFD), di valutare in maniera affidabile l’ incidenza dell’involucro edilizio ventilato dotato di baffle inerziale su comfort e consumi degli edifici in fase estiva e durante le stagioni intermedie, attraverso analisi parametriche. Dalle simulazioni avviate è emerso che i due modelli matematici as-built di parete ventilata, realizzati mediante il software Fluent, sono in grado di simulare il comportamento termofisico di tale elemento costruttivo al variare delle condizioni climatiche durante l’anno. Il confronto tra le due pareti ha messo in luce come la parete ventilata più alta sia caratterizzata da un valore di velocità dell’aria nel condotto di ventilazione più elevato, e conseguentemente da un flusso di calore maggiore, il che garantisce quindi anche una maggior capacità di efficienza energetica di tale elemento costruttivo. RISULTATI ATTIVITA’ ANALITICA SU ENERGY PLUS - Grazie alla modellazione matematica mediante il software Energy Plus delle facciate ventilate fotovoltaiche, è stato dimostrato che tali elementi costruttivi, oltre che essere dotati di sistemi solari attivi, in grado cioè di produrre attivamente energia elettrica a supporto dei fabbisogni dell’edificio, si rivelano anche e soprattutto sistemi solari passivi. Facendo riferimento ai nostri climi, l’installazione di moduli fotovoltaici attraverso la creazione di un’intercapedine di ventilazione prima dell’involucro edilizio esistente, si dimostra particolarmente utile sia ai fini di un’adeguata ventilazione del pannello fotovoltaico con conseguente aumento del suo rendimento, sia ai fini della capacità da parte della parete di attenuare i picchi termici diurni, in fase estiva. Le alte temperature superficiali accentuano di gran lunga l’effetto camino presente all’interno della cavità ventilata , il quale a sua volta contribuisce a migliorare la capacità di asportare il calore accumulato dalla parete nelle ore diurne; e questo dimostra come si possa unire abbastanza facilmente la tecnologia a supporto dell’edificio e del comfort termo igrometrico dello stesso.