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Documento PDF - Università degli Studi di Padova

1. Alcuni di questi metodi sono ben conosciuti e vengono utilizzati frequentemente ma vi la necessit di convalidare questi modelli per aumentare la fiducia nel loro utilizzo Il report che andremo a presentare descrive i test per gli impianti di riscaldamento e raffrascemento radiante RADTEST proposti dall IEA SHC Task 22 Subtask C Similmente a tutti i lavori dell IEA lo scopo del documento quello di fornire una serie di casi test non ambigui per la diagnostica e il confronto tra software Non tutti i programmi richiedono gli stessi dati di input pertanto si cercato di fare una descrizione che permetta l utilizzo di pi software Il documento dapprima presenta la procedura di test successivamente raccoglie e commenta i risultati ottenuti coi software di simulazioni presi a riferimento La procedura divisa in due parti Parte I viene usato un metodo semplificato con uno strato a temperatura costante Parte II viene usato un modello dettagliato di impianto ad acqua Casi semplificati La raccolta RADTEST contiene in tutto 14 prove di validazione partendo dal caso 800 fino al caso 2810 La procedura si sviluppa in maniera sequenziale ovvero i vari casi si ottengono introducendo piccole modifiche dall esercizio precedente Il caso 800 schematizza una singola zona rettangolare ad elevata massa termica due finestre opache che sono delle pareti altamente conduttive di massa trascurabile e non hanno alcuna tr
2. La ratio del EPBD come si legge all art 1 quella di promuovere il miglioramento del rendimento energetico degli edifici nella Comunit tenendo conto delle condizioni locali e climatiche esterne nonch delle prescrizioni per quanto riguarda il clima degli ambienti interni e l efficacia sotto il profilo dei costi a conferma della maggiore attenzione verso una pi efficace integrazione dell edificio nell ambiente circostante a cui vuol spingere i progettisti europei il punto 8 delle considerazioni iniziali richiede che tenuto conto delle condizioni climatiche del luogo e nel rispetto del benessere degli occupanti l edificio ed i relativi impianti devono essere progettati e realizzati in modo da richiedere in esercizio un basso consumo di energia Se progettato secondo un corretto approccio riconducibile ai principi dell architettura sostenibile l involucro edilizio dovrebbe rispetto al problema termico invernale disperdere poco calore e captare energia solare nelle ore diurne e nei periodi caldi al contrario chiamato a respingere nel periodo estivo la radiazione solare e cedere calore quando necessario A differenza di climi tipicamente pi freddi come quelli dell Europa centro settentrionale il clima temperato dell Europa meridionale propone la sfida sotto questo aspetto pi difficile progettare soluzioni che sappiano rapportarsi bene tanto con il freddo quanto con il caldo Con
3. che i collegamenti tra i neuroni della ANN di figura sono consentiti solo tra quelli di layer successivi pertanto questa configurazione prende il nome di feed forward model Esistono anche altri schemi pi complessi che consentono collegamenti anche tra i neuroni dello stesso layer come la SelfOrganizing Map nella quale e la rete stessa a cambiare durante il processo di apprendimento Una sfida con questa tecnologia consiste nel creare una rete sufficientemente complessa da non richiedere eccessivi tempi computazionali La strada per eseguire il processo di apprendimento network training inizia con una modesta quantit di numeri casuali successivamente il peso dei vari coefficienti viene aggiustato iterativamente con l ausilio di una serie di coppie di dati input output cosicch l applicazione di determinati valori produce i desiderati risultati 18 I software di simulazione Questi modelli sono stati usati soddisfacentemente nella modellazione dei consumi energetici di edifici commerciali per predire ci che dovrebbe fare un edificio che funzioni correttamente rispetto al funzionamento attuale Se esiste qualche diversit si pu usare un sistema pi complesso per produrre diagnosi preventive per la risoluzione dei problemi predire quale sarebbe stato il consumo prima di una miglioria energetica alle condizioni attuali Confrontando i due casi si ottiene una buona stima del risparmio energetico ottenuto
4. 15 I software di simulazione 2 3 Generalit sulla modellazione Un modello matematico la descrizione del comportamento di un sistema ed formato tra tre componenti principali 1 variabili in ingresso che animano il sistema queste possono essere di due tipi controllabili e non controllabili es clima 2 struttura del sistema e suoi parametri propriet che provvedono alla necessaria descrizione fisica del sistema es massa termica o propriet degli elementi 3 dati in uscita che descrivono la reazione del sistema quand sollecitato dalle variabili in ingresso Possono essere variabili di risposta es fabbisogno energetico o dipendenti es temperatura interna Esistono due strade con distinti criteri di modellazione il cui uso dettato dall obiettivo dell analisi Il metodo classico coinvolge la determinazione della terza componente di un sistema quando le altre due sono note l approccio inverso Data Driven Approach invece si propone di determinare la struttura e le propriet del sistema 2 3 1 Metodo diretto L obiettivo quello di predire le variabili di output di un modello specificato con struttura e parametri noti quando soggetto a dei dati in ingresso specificati Per assicurarne l accuratezza i modelli tendono a diventare altamente complessi specialmente con l avvento di calcolatori pi potenti ed economici Questo approccio presume la conoscenza dettagliata non solo dei
5. Un ulteriore criterio di classificazione che compare pi volte in letteratura divide i programmi di simulazione in modulari Modular Simulation Environment e tradizionali Al fine di chiarire il I software di simulazione concetto di software modulare si riportano due condizioni che devono essere osservate per rientrare in questa categoria I modelli sono interscambiabili Il punto centrale di un MSE che l architettura del software permette l uso di modelli altamente differenti e interscambiabili per rappresentare lo stesso fenomeno fisico Gli algoritmi usati per la modellazione sono separati da quelli impiegati per la risoluzione L ambiente applicativo consente lo scambio tra diverse procedure risolutive Al momento solamente in qualche MSE possibile l interscambio tra 1 risolutori implementati tuttavia sotto questo aspetto appaiono molto flessibili 2 2 Cenni sulla complessit dei fenomeni da analizzare Il cuore del successo dei software di simulazione l approccio integrato usato nella modellazione atto a preservare l integrit dell intero sistema edificio impianto analizzando simultaneamente tutti 1 flussi energetici con un livello di dettagli adeguato agli obiettivi del problema ed alla quantit dei dati in possesso A tal riguardo un edificio deve essere visto come sistemico la totalit del sistema formato da molte parti distinte dinamico le parti evolvono con velocit differe
6. 3 2 Necessit normativa di validare un codice I report contenenti una serie di casi test come le prove descritte nell ASHRAE Standard 140 o i vari BESTEST sui quali si basa sono citati e vengono usati da un crescente numero di specialisti per la promulgazione di leggi o altre normative di carattere energetico prestazionale L ASHRAE Standard 90 1 prevede che i software utilizzati per dimostrare la conformit con le prestazioni energetiche definite nello stesso devono essere testati utilizzando l ASHRAE Standard 140 Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs L TEA BESTEST viene usato inoltre per eseguire 1 test di certificazione energetica nei Paesi Bassi Australia Nuova Zelanda Tutti gli stati membri della Comunit Europea devono seguire le linee normative dettate dal CEN il quale come vedremo pi avanti in seguito all EPBD ha promulgato diverse norme di validazione verificandone 1 risultati con la procedura BESTEST Negli Stati Uniti NASEO RESNET ha adottato 1 HERS BESTEST come base per la validazione dei software atti alla certificazione energetica degli edifici secondo lo standard promosso dalla stessa associazione nazionale Al fine di soddisfare la direttiva europea sul rendimento energetico EPBD la Germania e 1 Paesi Bassi hanno sviluppato la loro Energy Diagnosis Reference EDR la quale basata sui BESTEST elaborati dall IEA anche il Portogallo sta utilizzando questi
7. impianto continuo 24h intermittente 8 00 18 00 Potenza massima di riscaldamento raffrescamento fissa illimitata Condizioni climatiche esterne Dati di un intero anno latitudine 49 N 2 E Tabella 6 Panoramica sui parametri usati nei vari casi di validazione Fonte Zweifel 2007 38 Standard di validazione La norma UNI EN 15265 suddivide i software di simulazione in tre diverse classi di accuratezza in base all errore percentuale tra il fabbisogno energetico previsto e quello di riferimento considerando separatamente il fabbisogno energetico per il riscaldamento e quello per il raffrescamento Lo standard sul calcolo del carico sensibile di raffrescamento UNI EN 15255 invece classifica le procedure di calcolo in base alla loro abilit di modellare differenti tipi di impianti di raffrescamento per ognuna di queste classi ci sono due sottocategorie in base al tipo di controllo che il modello pu simulare La Tabella 7 e Tabella 8 riportano queste classi Sistemi di raffrescamento Classe del metodo di calcolo 1 2 3 4 Capacit di raffrescamento infinita a v funzionamento in continuo Impianto EE ENTE Capacit di raffrescamento infinita puramente V V v funzionamento in continuo o intermittente convettivo mE ET Capacit di raffrescamento limitata y sistemi di ombreggiatura mobili Impianto convettivo raffrescamento a superficie V Tabella 7 Classificaz
8. variazione di 3 4 K La Figura 56 rappresenta la temperatura nel circuito di ritorno di un caso dettagliato Dalla stessa si pu osservare che sebbene i vari programmi utilizzino differenti procedure di calcolo la temperatura dell acqua di ritorno tutto sommato uguale durante i periodi di reale funzionamento dell impianto dalle 20 00 alle 6 00 Le differenze diventano pi significative nei periodi di ferma dell impianto comunque queste fasi non hanno effetto sul bilancio energetico dell impianto Maximum surface temperature active zone 1840 1850 1860 1870 1880 1890 2800 2810 E TRNSYS m DOE OIDA o CLIM2000 m ESP Figura 54 RADTEST temperatura massima della superficie radiante dal caso 1840 al 2810 Fonte Zweifel e Achermann 2003 110 Standard di validazione C Delta Max surface temperature active zone Figura 55 RADTEST temperatura massima della superficie radiante delta results Fonte Zweifel e Achermann 2003 Return water temperature floor heating cooling case 2810 30 0 28 0 gt 26 0 ira pr mol gf di X4 Xl 20 0 27 07 27 07 28 07 28 07 29 07 29 07 30 07 30 07 31 07 00 00 12 00 00 00 12 00 00 00 12 00 00 00 12 00 00 00 4 TRNSY S 8 DOE IDA lt CLIM200 ESP Figura 56 RADTEST temperatura dell acqua di ritorno del circuito caso dettagliato 2810 Fonte Zweifel e Achermann
9. 1 Part Load Ratio PLR COP Degradation Factor CDF PLR Net Refrigeration Effect Adjusted Net Total Capacity Figura 39 HVAC BESTEST coefficiente correttivo per funzionamento a carico variabile Fonte Neymark e Judkoff 2002 78 Standard di validazione Zone data Weather Internal gains Setpoint Sensible Latent EDB ODB Case no W W C C Comments Dry zone series E100 5400 0 22 2 46 1 Base case dry coil High PLR E110 5400 0 22 2 29 4 High PLR Tests low ODB versus E100 E120 5400 0 26 7 294 High PLR Tests high EDB versus E110 Tests ODB amp EDB interaction versus E100 E130 270 0 292 46 1 Low PLR test versus E100 E140 270 0 22 2 29 4 Tests ODB at low PLR vs E130 Tests PLR at low ODB vs E110 Humid zone series E150 5400 1100 22 2 29 4 High PLR High SHR Tests latent load versus E110 E160 5400 1100 26 7 294 High PLR High SHR Tests EDB versus E150 E165 5400 1100 23 3 40 6 High PLR High SHR Tests ODB amp EDB interaction with latent load versus E160 E170 2100 1100 222 29 4 Mid PLR Mid SHR Tests low sensible load versus E150 E180 2100 4400 222 294 High PLR Low SHR Tests SHR versus E150 Tests high latent load versus E170 E185 2100 4400 222 46 1 High PLR Low SHR Tests ODB versus E180 E190 270 550 22 2 29 4 Low PLR Low SHR Tests low PLR at constant SHR vs E180 Tests latent load at low PLR versus E140 E195 270 550 22 2 46 1 Low PLR Low SHR Tests ODB at
10. COP S e 9 e nd e BDOE 21E NREL BHDOE 2 1E CIEMAT B TRNSYS 14 2 TUD S CLIM2000 A EDF amp CLIM2000 B EDF EProme A KST EProme B KST Figura 41 HVAC BESTEST COP prima della correzione degli errori tramite diagnostica BESTEST Fonte Neymark et al 2002 S235 Standard di validazione COP eS BCASIS EDF SCLIM2000 EDF DDOE 21E CIEMAT ODOE 2 1E NREL GENERGY GARD amp PROMETHEUS KST BITRNSYS ideal TUD B amp ITRNSYS rea TUD MlAnalytica TUD DAnalyticaVHTAL1 DAnalytical HTAL2 Figura 42 HVAC BESTEST COP dopo la correzione degli errori tramite diagnostica BESTEST Fonte Neymark et al 2002 Dopo la correzione degli errori utilizzando la diagnostica HVAC BESTEST la media di tutti 1 risultati simulati del COP e del fabbisogno energetico totale per 1 programmi di simulazione sono mediamente entro una banda lt 1 rispetto alle soluzioni analitiche con variazioni fino al 2 per i casi a basso carico parziale senza deumidificazione casi E130 E140 Altri intervalli di disaccordo separati per i casi con o senza deumidificazione e per diversi parametri di output sono riassunti nella Tabella 21 In ogni caso questa gamma di discordanza si basa sulla differenza fra ciascun risultato di simulazione rispetto alla media dei risultati delle soluzioni analitiche diviso per la media dei risultati analitici max min media Questa tabella di sintesi esclude i risultati per il soft
11. Empirical EMPA Shading Task 22 US i cate Vili dos Daylighting Load IEA 34 43 ERS Economizer Control yd d Switzerland Task 22 US Canada ERS Daylighting HVAC 2 IEA TUD ERS Hydronic Systems 34 43 US IEA 34 43 Germany AAU Double Facade Tests IEA 34 43 Denmark Tabella 5 Panoramica sulle procedure di validazione Fonte adattamento da Judkoff e Neymark 2009 amp Judkoff 2008 amp Neymark et al 2006 36 Standard di validazione 4 2 Validazione secondo norme UNI EN In seguito alla direttiva europea sul rendimento energetico in edilizia 11 CEN ha sviluppato o aggiornato oltre 50 norme incentrate sui diversi aspetti dell EPBD e sui metodi di calcolo per l efficienza energetica dell intero complesso edilizio I vari paesi membri seguono filosofie diverse in relazione ai requisiti per la procedura di calcolo La semplicit una delle esigenze pi importanti tuttavia oramai consolidato che molte aree di interesse non possono essere oggetto di approcci semplificati e richiedono simulazioni svolte al calcolatore su base oraria e talvolta inferiore Tra le serie di norme pubblicate ce ne sono alcune in particolare che forniscono alcuni test di validazione UNI EN ISO 13791 Prestazione termica degli edifici Calcolo della temperatura interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione Criteri generali e procedure di validazione UNIEN ISO 13792 Prestazione termic
12. Fonte Neymark e Judkoff 2002 eee ertt etse deese t ree Eee Re eee tre gen 77 Figura 39 HVAC BESTEST coefficiente correttivo per funzionamento a carico variabile Fonte Neymark e Judkoff 2002 iia E e t Hte RC HER ee ROCs 76 Figura 40 HVAC BESTETS problema con variabile a semplice precisione in TRNSYS TUD Fonte Neymark e Judkoff 2002 ii 81 Figura 41 HVAC BESTEST COP prima della correzione degli errori tramite diagnostica BESTEST Fonte Neymark et al 2002 83 IV Indice Figura 42 HVAC BESTEST COP dopo la correzione degli errori tramite diagnostica BESTEST Fonte Neymark etal 2002 64 Figura 43 HVAC BESTEST diagramma diagnostico per i casi in regime stazionario E100 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2002 iii 86 Figura 44 HVAC BESTEST geometria del caso base E300 Fonte Neymark e Judkoff 2004 87 Figura 45 HVAC BESTEST schema impianto di climatizzazione casi El00 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2004 clas its S Rt Dah nv RR EA A er ae Oa 88 Figura 46 HVAC BESTEST totale consumo elettrico prima della diagnostica BESTEST Fonte Neymark e Judkoff 2004 93 Figura 47 HVAC BESTEST totale consumo elettrico dopo la diagnostica BESTEST Fonte Neymark e Judkoff 2004 uite i ee ari Pee Meet eee en enel 93 Figura 48 HVAC BESTEST diagramma diagnostico per i casi in regime dinamico 300 E440 Fonte Neymark e Judkoff 2004 iii
13. OR TRANSMITTANCE PROB E W SHADING PROB 440 600 B10 A10 280 276 All 320 270 E 2 8 V V wv Y Y y il Figura 17 BESTEST diagnostica per i casi con bassa massa termica 50 Standard di validazione QUALIFICATION HIMASS CASES DIAGNOSE START um P MASS SOUTH SOLAR INTERACTION PROBLEM 3 cr Aa MASS SOUTH SHADE INTERACTION PROBLEM a cs 920 amp 920 900 MASSIE W SOLAR INTERACTION PROBLEM O cs S BACK INTERACTION PROBLEM O es MASS VENT INTERACTION PROBLEM C e MASS INTERZONE HEAT TRANSFER PROBLEM complex case many possibilities 990 4 990 900 GROUND COUPLING PROBLEM lex case man sibilities P STOP ote 1 Only run those high mass cases for which ihe analoguous low mass cases have been passed For example don t run case 910 if you failed case 610 Note 2 PASS means to agree with the reference range for the case itself and the sensitivity case For example to pass case 910 agreement must be shown with the reference range for case 910 and case 910 900 FAIL means to show disagreement with the reference rang Figura 18 BESTEST diagnostica per i casi con elevata massa termica Standard di validazione suonoejejui UMOUNUN Jeujo jo esne eq ejqejejep rsnojAeJd jou SEM j2ejje eu 9 10 51010 Buyesueduos jo esne eq ejqej ejep Ajsnojne d jou sem Pee ay q 10 uesed sj sseu ueuw ejqejoejep Alp
14. Si deve riscontrare una buona congruenza 1 per la serie di modelli numerici rispetto alla soluzione analitica 2 tra 1 risultati degli uni e degli altri metodi numerici per i vari casi test successivi Infine si deve verificare l intera procedura usando le soluzioni numeriche come una sorta di seconda verit matematica basata sulla gamma di disaccordo tra i loro risultati Utilizzare i risultati gi verificati del modello numerico come riferimento per le prove di altri modelli che sono stati incorporati nei programmi di simulazione dell intero sistema edificio impianto Questo approccio rappresenta un importante progresso metodologico di estensione del metodo di verifica analitica in quanto supera quei vincoli inerenti alle classiche soluzioni analitiche Esso consente di sviluppare una secondaria verit matematica nella forma di una serie di dettagliati modelli numerici stand alone soluzioni quasi analitiche Una volta verificato con tutte le classiche soluzioni analitiche disponibili e confrontato con gli altri modelli numerici per i casi che non hanno soluzioni analitiche l insieme dei modelli numerici verificati pu essere utilizzato per testare altri modelli come quelli integrati nei software di analisi e simulazione dell intero sistema 60 Standard di validazione edificio impianto Questo permette una capacit diagnostica di gran lunga maggiore rispetto al metodo puramente comparativo e permette l imp
15. TESS BFLUENT PAAET m MATLAB DIT E GHT NREL E SUNREL GC NREL EnergyPlus GARD f4VA114 ISO13370 VABI ta ESP r BASESIMP NRCan BASECALC NRCan Figura 31 GC BESTEST conduzione termica in regime periodico prima delle correzioni Fonte Neymark Judkoff et al 2008 IEA BESTEST Ground Coupling In Depth Floor Slab Steady Periodic Annual Floor Conduction 45000 Floor Heat Flow kWh SAS GC40a GC40b GC45b GC50b GC55b GC70b GC80b GC40c GC45c GC55c GC80c ideal films h 100 AR 36x4 large 2m depth hint 7 95 0 5 hint 7 95 AR 36x4 Smdepth k 0 85 slab 10 hext 11 95 hext ideal BE TRNSYS TESS FLUENT PAAET m MATLAB DIT E GHT NREL B SUNREL GC NREL EnergyPlus GARD E VA114 I5O13370 VABI Z ESP r BASESIMP NRCan RBASECALC NRCan Figura 32 GC BESTEST conduzione termica in regime periodico dopo le correzioni Fonte Neymark Judkoff et al 2008 69 Standard di validazione Floor Heat Flow W or Wh h 2500 2000 1500 1000 IEA BESTEST Ground Coupling In Depth Floor Slab Steady State Floor Conduction RRA A S I4 4 4 BA 4 I4 I4 4 4 4 1 4 1 M I4 E X 154 Y r4 Es RSS SS SS IRR gt rr r e gt gt gt a SENEGENCE SCREENS v lt C lt rna GC10a GC30a GC30b GC30c GC60b GC65b linear dT adiab wall adiab wall h int 7 95 h int 7 95 h int 7 95 ideal films h 100 h ext ideal h ext 100 h ext 11
16. Two output reporting issues by FLUENT No effect on overall floor Fixed conduction TRNSYS First noding algorithm improvement 10 GC10 Fixed TRNSYS Second noding algorithm improvement 2 GC10a Fixed 0 496 GC10a i TRNSYS Third noding algorithm improvement 1 2 GC30a GC80c Fixed A 100 70 preliminary Task22 aE VA114 ISO 13370 One dimensional conduction modeling cases GC100 and GC180 Fixed VA114 ISO 13370 Insensitive to variation of ground depth 29 49 GC50b GC55b Fixed VA114 ISO 13370 Late time ofoccurrence for peak heat flow Peak delayed 700 300 500 hours No change GC55b other cases Acronyms and abbreviations DIT Dublin Institute of Technology GARD GARD Analytics h int interior surface heat transfer coefficient h ext exterior surface heat transfer coefficient ISO 13370 z European Standard EN ISO 13370 Thermal performance of buildings Heat transfer via the ground Calculation methods ODB Outdoor Dry Bulb temperature PAAET Public Authority for Applied Education and Training v versus P Rffects are for floor conduction unless otherwise noted specific cases relevant to the described effects are included in parentheses For disagreements listed as fixed listed percentage values are the effect of the change for new results versus previous results for a given model otherwise percentage values are remaining disagreement versus verified numerical models C Program developer
17. allowed by 1 4 other c cases Fixed correlations i E 1 4 GC30b GC30c DIT MATLAB Surface convection modeling by DIT GC60b GC65b Fixed DIT MATLAB Slabedge loss modeling by DIT 0 3 GC30a Fixed DIT MATLAB Near surface temperature reporting by DIT No effecton floor conduction Fixed EnergyPlus User cannot input floor slabanterior 270 Task22 Case GC180 Fixed surface coefficient User cannot define deep ground boundary No effecton test results EnergyPlus temperature Tdg Tdg annual average ODB Dee User cannot define groundsurface h ext Not isolated by participant EnergyPlus h extcalculatedfrom wind speed probably minor effect BRA E PI Unclear documentation regarding inputs 4 1 GC40c GC70c Fixed Ai for ground depth and far field dimension Simulation crash GC55b d Input error related to manual interface of EnergyPlus Slab subprogram and main EnergyPlus PESO pee EnergyPlus User cannot define ground depth 3596 GC55b v GC55 Fixed Disagreement for variation of ground Authors EnergyPlus surface heat transfer coefficient CLO notified EnergyPlus Disagreement for variation of ground depth 15 GC55b o Integration of GHT model with SUNREL 5 GC30b v GC30 GHT SUNREL GC GC 8 GC40b v GC40 Fixed Disagreements versus verified numerical 7 10 a series cases Authors SRESENERIZGE models 5 8 b series cases notified PAAET FLUENT PAAET modeling error 0 7 GC30b Fixed PAAET FLUENT
18. base oraria 990 COOLING HEATING 990 IN SRES SUN BLAST US IT amp DOE2 S3PAS ESP DMU amp TASE ASRES BRE BESTEST Casi con accoppiamento verso terra riscaldamento e raffrescamento annuale Figura 25 57 Standard di validazione 4 3 2 IEA Ground Coupled BESTEST Il trasferimento di calore verso terra una importante componente nell analisi termica degli edifici con un alto rapporto tra superficie a diretto contatto col terreno e volume Tali edifici includono edifici residenziali insieme a capannoni centri commerciali ed altri edifici commerciali Il trasferimento di calore col terreno un fenomeno complesso che coinvolge la conduzione termica tridimensionale 3 D thermal conduction la migrazione di umidit lunghe costanti di tempo e le propriet di accumulo termico del suolo Sulla base delle simulazioni le dispersioni termiche con una tipica lastra piana paragonabile al pavimento addossata al terreno possono variare dal 15 al 45 del fabbisogno energetico per il riscaldamento annuale Questo risultato dipende da una variet di parametri tra cui il clima le propriet termiche dell edificio fuori terra la presenza di isolamento perimetrale e il modello di calcolo per il trasferimento di calore geotermico Le stime dell ampiezza del disaccordo tra i modelli utilizzati per il calcolo del flusso di calore tra una superficie piana non isolata verso terra sono dal 25 al 60 supe
19. del calore tuttavia a causa dell elevato dispendio sia di risorse umane che economiche si preferisce limitare il suo utilizzo a delle casistiche ben definite VALIDAZIONE ANALITICA passa fallisce Riparare il codice VALIDAZIONE EMPIRICA passa fallisce Riparare il codice VALIDAZIONE COMPARATIVA fallisce Identificare le fonti passa Y Il software validato entro il range definito dai casi test Figura 9 Metodo di validazione Fonte Judkoff R e J Neymark 2006 Nel percorso mostrato in Figura 9 il primo passo consiste nell esecuzione del codice di calcolo secondo le modalit definite dal caso di prova analitica Questo consente di verificare la soluzione matematica dei principali modelli di trasferimento del calore pur rimanendo nel campo dei casi test pi economici qualora si individui una discrepanza tra i risultati della simulazione e quelli forniti 28 La validazione dal metodo analitico si dovr provvedere alla riparazione del codice prima di eseguire qualunque altro tipo di verifica Nel secondo step si lancia il codice di calcolo ed in seguito si procede al confronto dei risultati con quelli forniti dall investigazione empirica dove si sono misurati il pi precisamente possibile in relazione alla loro influenza sulla previsione finale sia 1 parametri di output es temperatura fabbisogno energetico che quelli di input es radiazione solare velocit
20. di sviluppo appena presentato quello pi largamente accettato e riproposto in letteratura la tabella seguente ne vuole riassumere le peculiarit 5 Prima Approccio da manuale Risultati indicativi generazione Semplificato Applicazioni limitate Utilizzo limitato a specifici campi Difficolt d uso Seconda Dinamica pi importante generazione Meno semplificato a Ancora di utilizzo limitato Soluzione a seconda del tipo di problema generalit d impiego di un unico software Terza Utilizzo di metodi numerici generazione Visione integrata dei sottosistemi energetici attuale Vengono considerati i flussi termici e massici Interfaccia con l utilizzatore migliorata Integrazione parziale delle funzioni CABD Totale integrazione delle funzioni CABD Cee Metodi numerici avanzati fut ra Basato su una conoscenza intelligente Predittivo autoapprendimento Generalizzato Software ingegneristici avanzati Facile da usare Tabella 1 Evoluzione dei software Fonte Clarke 2001 Si vuol sottolineare che alla 1 e alla 2 generazione corrispondono i cosiddetti metodi semplificati in quanto le formulazioni matematiche implementate sono molto scarne e caratterizzate da molte ipotesi semplificative di fondo es regime stazionario ai software di 3 e 4 generazione si associa solitamente il nome di simulazioni o metodi dinamici
21. diviso in tre parti Parte I spiega i vari test e come applicare la procedura HVAC BESTEST Cases E300 E545 con un approccio molto schematico se non addirittura manualistico Parte II descrive la procedura adottata per lo sviluppo nel campo dei test svolti e la produzione dei dati di riferimento Parte III presenta i risultati dei programmi di riferimento in forma di tabelle e grafici In questo volume sono presenti 20 casi test addizionali in grado di verificare l abilit di analisi e previsione di un software di simulazione delle prestazioni dell impianto schematizzato usando dati realistici su base oraria e dati climatici annuali per climi caldi e umidi La configurazione dell edificio base di questi test caso E300 una singola zona rettangolare con un volume pari a 588 m vedi Figura 44 quasi adiabatica con carichi interni definiti dall utente e dati climatici esterni dinamici assegnati Z ami Figura 44 HVAC BESTEST geometria del caso base E300 Fonte Neymark e Judkoff 2004 L impianto meccanico rimane a compressione di vapore ma diverso da quello usato nei casi E100 E200 infatti come si evince dalla Figura 45 stato introdotto un sistema di miscelazione dell aria cosicch risulta possibile testare la miscelazione con l aria esterna e il sistema di controllo dell economizzatore Come mostrato in Tabella 22 per sviluppare compiutamente 1 vari test si fanno variare i segu
22. generali della struttura come i coefficienti di trasmissione termica in regime stazionario e l effettiva massa termica nA La validazione MODELLO seleziona e O descrive i vari l I I I I I l l l I meccanismi ane I I I I I I I I l l l I misure del caso reale temperature flussi energetici consumo energetico i SOLUZIONE NUMERICA risolve il sistema di equazioni definito dal modello risolvere casi semplificati con soluzioni analitiche validazione empirica validazione analitica confrontare i risultati analitici con quelli del software PREVISIONE DEL SOFTWARE temperature flussi energetici gt consumo energetico confrontare i dati misurati con i risultati calcolati semplice o complesso I I 1 I I I I I MODELLO i l MODELLO i I A I 1 B I I I I l l I I I l I I l I I 1 I 1 I I I I I I I I I I I I I SOLUZIONE SOLUZIONE i A 1 i B 1 I I I I I I I I ra CERRI validazione comparativa dq confrontare i PRESE risultati dei c diversi software Figura 8 Tecniche di validazione analitica empirica comparativa Fonte Judkoff et al 2008 25 La validazione La metodologia proposta dal NREL divide ulteriormente la validazione empirica in differenti livelli di precisione Questo si rese necessario in quanto molti degli sforzi condotti precedentemente nonostante u
23. gestione della domanda energetica dell edificio oppure per la modellazione di apparecchiature come pompe ventilatori caldaie e chiller nel caso in cui si abbia a disposizione la necessaria quantit di dati prestazionali Sebbene questo metodo permette l individuazione dei difetti di macchine ed edifici sono di scarso utilizzo per l individuazione delle cause che concorrono a determinare tali fenomeni con una possibile eccezione per le Artificial Neural Network input 1 input 2 input 3 input 4 input output layer hidden layers layer Figura 7 Schema di rete neurale FeedForward Fonte Neto e Fiorelli 2008 Le ANN sono considerate intuitive in quanto apprendono attraverso esempi piuttosto che seguire algoritmi predefiniti L abilit di autoapprendimento delle regole che controllano un determinato fenomeno fisico uno degli aspetti chiave del loro successo Una rete neurale consiste in una serie di fogli denominati layer dove il primo contiene tutti i dati in ingresso es costituiti dai dati storici sul consumo energetico e sulle condizioni climatiche esterne seguito da altri fogli nascosti attraverso 1 quali si dirama la rete e l ultimo include tutti gli output corrispondenti agli input forniti La Figura 7 mostra il modello di rete neurale usato in uno studio comparativo tra la tecnologia ANN ed i pi diffusi software di simulazione 18 formato da undici neuroni disposti su 4 layer Da osservare
24. gli algoritmi difettosi Nelle operazioni di confronto tra i risultati del software in esame con quelli di riferimento risultano molto utili i file allegati al report completo in formato excel in quanto prevedono l inserimento dei nuovi dati confrontandoli automaticamente coi risultati di riferimento in grafici e tabelle Esempio pratico Un software mostra dei buoni risultati col caso E100 ma le anomalie con la soluzione analitica sulla previsione del fabbisogno energetico per il caso E130 sono evidenti Il diagramma diagnostico suggerisce un potenziale errore nell algoritmo che include gli effetti delle operazioni a carico parziale sul consumo energetico per una batteria alettata senza deumidificazione 85 Standard di validazione DRY COIL PROBABLE CAUSE OF DISAGREEMENT WET COIL START CONTINUE B AT E100 gt Basic Performance Model D lt Outdoor Dry Bulb Sensitivity S and or Extrapolation E110 E100 gt lt E120 E110 B Entering Dry Bulb Sensitivity 4 and or Extrapolation lt B ODB EDB Interaction 4 D Part Load Ratio high ODB D D Part Load Ratio low ODB D B ODB sensitivity at low PLR S E120 E100 lt E130 E100 E140 E110 E140 E130 GOTO CONTINUE B Latent loading v dry lo PLR lo ODB D WET COIL Latent loading v dry lo PLR hiODB D f SHR PLR interaction f sens gain D f SHR PLR interaction f late
25. gli odierni modelli dettagliati di simulazione richiederebbe l imposizione di ipotesi non documentate nella relazione tecnica causando cos delle ingenti variazioni tra i risultati Diversi produttori di software di analisi energetica hanno sviluppato dei modelli relativamente dettagliati di trasferimento del calore col terreno e li hanno integrati nei programmi di simulazione dell intero sistema edificio impianto Tuttavia c poca o addirittura nessuna informazione riguardante l esattezza di questi nuovi modelli o su come si comportano nel confronto tra gli uni e gli altri o rispetto a quelli pi semplificati gi sviluppati in precedenza Inoltre estremamente difficile e costoso raccogliere dei buoni dati empirici a causa del disturbo sulla terra e sui profili di temperatura causato dalla costruzione edilizia e dal posizionamento dei sensori dalle lunghe costanti di tempo associate alla grande massa della terra e dalla variabilit delle condizioni sul campo Per queste ragioni il NREL ha collaborato col programma IEA SHC Task 22 per 58 Standard di validazione sviluppare una metodologia BESTEST per provare e diagnosticare 1 pi avanzati modelli si simulazione del trasferimento del calore verso il suolo La IEA SHC Task 22 ha studiato vari casi relativamente realistici di scambio termico col terreno e costruzioni con zone semi interrate I casi sono stati definiti per verificare i seguenti aspetti della trasmissi
26. i risultati della TRNSYS TUD with Realistic Controller Single Precision simulazione risultano notevolmente E TRNSYS TUD with Realistic Controller Double Precision E Analytical Solution E migliorati Figura 40 HVAC BESTETS problema con variabile a semplice precisione in TRNSYS TUD Fonte Neymark e Judkoff 2002 81 Standard di validazione Software Error description Disagreement Resolution CA SIS No extrapolation of Possibly up to 10 power Manually performance data allowed E110 E100 fixed CA SIS ony eteenre eon E200 would not run Fixed problem 496 sensible coil load 496 f CA SIS Fan heat not added to coil load powa amp SHR Fixed Indoor and outdoor fan power Cr CA SIS not f PLR 2 power mid PLR Fixed CLIM2000 Verify new model Up to 50 COP change from Verified improvements earlier model improved Compressor and fan powers c CLIM2000 exclude COP f PLR 20 power low PER Fixed 13 power mid PLR degradation CLIM2000 Performance map extrapolation 9 power E110 Fixed problem DOE 2 1E Minimum suppl temperature coding error in early RESYS2 36 COP earlier base case Fixed JJH ver w54 system DOE 2 1E Pp a for 5 sensible coil load atlow Verified JJH ver 133 RESYS2 at low SHR SHR improved DOE 2 1E Bypass factor f EWB ODB c Verified JJH ver 133 insensitivity Vo power AER improved DOE 2 1E Indoor fan power not f PLR Verified JH 133 ESTS
27. infil OA interaction versus E300 and E320 or E330 E350 Thermostat set up mid mid 25 35 0 1 734 Tests thermostat set up control versus E300 E360 Undersize high mid 25 0 1 734 Tests overloaded system versus E300 Economizer Series Min OA Temperature control E400 E410 E420 E400 Temperature control mid mid 25 0 1 734 Tests temperature economizer versus E300 E410 Compressor lockout mid mid 25 0 1 734 Tests E400 with compressor lockout versus E300 E420 ODB limit mid mid 25 0 1 734 Tests ODB limit 20 C control versus E300 Enthalpy control E430 E440 E430 Enthalpy control mid mid 25 0 1 734 Tests enthalpy control versus E300 E440 Outdoor enthalpy limit mid mid 25 0 1 734 Tests outdoor enthalpy limit control versus E300 0 OA Cases OA Wet coils E500 E525 y Like E100 but with dynamics amp expanded performance data Supply fan E200 PRE md migz 9 Me cycles ON OFF with Li Hourly sat tests COP ODB _ E510 High PLR high2 high2 25 0 0 High PLR SHR same as E500 Tests PLR versus E500 E520 Low EDB 15 C mid2 mid2 15 0 O Tests EDB 15 C versus E500 E522 Low EDB 20 C mid2 mid2 20 0 O Tests EDB 20 C versus E500 E525 High EDB mid2 mid2 35 0 O Tests EDB 35 C versus E500 E520 Dry coils E530 E545 Tests dynamic dry coil expanded performance versus E500 d AU mida 1 n 9 Loi Ho tel COP KODB E540 Dry Coil Low EDB mid2 0 15 0 O Tests EDB 15 C versus E530 E545 Dry Coil High EDB mid2 0 35 0 0 Tests E
28. infiltrazioni sono considerati come carichi della sola zona esterna In questo modo noto l andamento orario dei carichi interni la descrizione fisica dell edificio la tipologia e la configurazione dell impianto di climatizzazione e i dati meteo possibile quantificare per ogni ora e per diversi giorni all anno l energia richiesta all impianto utilizzando un modello semplificato 2 3 2 3 Approccio Grey Box Questo criterio inizialmente formula un modello fisico per rappresentare la configurazione dell edificio o del sistema impiantistico o dell intero sistema edificio impianto poi individua importanti parametri di rappresentazione di alcuni fenomeni fondamentali i parametri fisici aggregati e le caratteristiche delle analisi statistiche A vantaggio di questo criterio si ha che analogamente al metodo diretto il sistema da risolvere si basa su un modello ben noto e con significato fisico mentre la trattazione dei dati accomunabile all approccio empirico Questo richiede un elevato livello di competenze da parte degli utenti sia nella creazione di appropriate equazioni di modellazione che nella stima di questi parametri Questo approccio ha un grande potenziale soprattutto per l individuazione dei guasti e la diagnosi e il controllo on line ma la sua applicabilit all intera domanda energetica dell edificio risulta limitata 2 3 3 Panoramica sui principali metodi d analisi energetica La Tabella 2 elenca i p
29. o di un algoritmo vengono confrontati con la soluzione analitica di casi test ideali caratterizzati da condizioni al contorno semplificate 2 Validazione empirica Gli output di un programma di una subroutine o di un algoritmo vengono confrontati con i dati monitorati e registrati di una reale costruzione fisica celle test o esperimenti di laboratorio 3 Validazione comparativa Un software viene confrontato con se stesso o con altri applicativi che possono essere considerati maggiormente verificati o pi dettagliati e presumibilmente pi corretti Queste tecniche sono mostrate schematicamente in Figura 8 mentre la Tabella 3 ne elenca 1 principali vantaggi e svantaggi Pur incorrendo nella possibilit di sembrare ripetitivi vogliamo sottolineare la differenza tra il termine modello e procedura di risoluzione Qui un modello la rappresentazione della realt per un dato comportamento fisico Ad esempio un metodo per modellare il trasferimento di calore attraverso una parete si attua utilizzando ipotesi semplificative come la conduzione monodimensionale La procedura di risoluzione un termine che comprende la matematica e la sua codifica a computer per risolvere un determinato modello es un approssimazione alle differenze finite per risolvere una equazione differenziale e la tecnica per l integrazione dei singoli modelli e le condizioni al contorno in una metodologia risolutiva globale es un bilancio energetico iterativo tra
30. riportiamo le principali procedure di diagnostica e convalida disponibili in letteratura suddividendole sia per il campo di applicazione involucro edilizio impianto HVAC produzione energetica sul posto che per la tecnica di validazione adottata accanto al nome della procedura pubblicazione riportato anche il gruppo di lavoro che l ha sviluppata mentre entro parentesi ritroviamo il paese di prova pilota per la nuova serie di test On site Building Fabric HVAC Generation Equipment Slab on Grade ground coupling IEA 34 43 US Airflow and multi zone air IEA 34 43 Japan HVAC BESTEST cases E100 Working Document of Task 22 E200 Task 22 US Analytical Subtask A l Analytical Tests HVAC BESTEST fuel fired Verification Finland furnace Task 22 Canada ASHRAE RP 1052 TC 4 7 ASHRAE RP 865 TC 4 7 ENISO 13791 amp 13792 EN 15255 EN 15265 Envelope BESTEST IEA 12 21 US ASHRAE Standard 140 2001 HVAC BESTEST cases E300 HERS BESTEST NREL E545 Task 22 US Residential Comparative i RADTEST Tak 22 C Tests and Expanded ground coupling test as ogen Diagnostics cases Task 22 US Switzerland Annex 42 Multi Zone Non Airflow IEA Hydronic Systems IEA 34 43 Canada 34 43 US Germany Double Fagade Working Document IEA34 43 Denmark ETNA GENEC Tests Task 22 France BRE DMU Tests IEA 12 21 ERS VAV Task 22 US UK ERS Daylighting HVAC 1 Residential
31. test come riferimento per il controllo 29 La validazione di qualit dei software di simulazione energetica degli edifici Austria Danimarca Grecia e Paesi Bassi sono stati recentemente coinvolti in alcuni studi pilota nei quali si avuto modo di testare il prototipo del software nato dal progetto europeo EPA ED Energy Performance Assessment of Existing Dwellings conclusosi nel 2004 Il motore di calcolo di questo strumento incorpora degli algoritmi alcuni dei quali sono stati verificati seguendo la procedura BESTEST basati direttamente sulle procedure di calcolo dettare dalle norme europee disponibili Nel Regno Unito il Charted Institute of Building Services Engineers CIBSE sta raccogliendo le prove per la certificazione e verifica dei software di simulazione energetica CIBSE TM33 Le prove si focalizzano sulla necessit britannica di avere un meccanismo di regolamentazione per l accreditamento dei modelli di analisi termica dettagliata come parte della loro approvazione formale per l utilizzo nella metodologia di calcolo nazionale Il CIBSE osserva che le prove TM33 sono principalmente allo scopo di infondere la fiducia degli utenti piuttosto che fornire la convalida completa di un programma Per coloro che intendono validare un programma pi profondamente la CIBSE Technical Memorandum 33 cita le prove e i parametri di riferimento disponibili in ASHRAE Standard 140 IEA BESTEST ricerche e rapporti finali ASHRAE e CE
32. un algoritmo indipendente per rappresentare i processi interni del componente L equazione matriciale della rete rappresenta con riferimento all analogo circuito elettrico il collegamento con resistenze e capacit tra i vari volumi finiti ovvero con gli algoritmi usati per descrivere il comportamento dei vari componenti Ad ogni modo sia nel caso di bassa o alta discretizzazione i problemi connessi all approccio sequenziale sono ormai superati 2 2 9 Controllo AI fine di creare un software di simulazione che segua un percorso pi veritiero possibile si deve introdurre un modello di simulazione degli organi di regolazione dell impianto A differenza delle schematizzazioni viste finora questo comporta la creazione di molti cicli chiusi ognuno dei quali comprende un sensore per misurare uno o pi parametri simulati un attuatore che riceve il segnale di controllo e conseguentemente agisce sull organo regolato e una legge di regolazione che relaziona il valore misurato con l azione esplicata dall attuatore I modelli usati nei software di analisi energetica invece oltre a riprodurre le normali funzioni di regolazione programmazione ottimizzazione limitazione e sicurezza a cui sono adibiti questi automatismi vengono usati anche per trasferire informazioni da un modello all altro ad esempio si pu aggiornare un coefficiente di trasmissione termica oppure si impone l esecuzione un modello pi dettagliato
33. vincolati utilizzati nei software di simulazione dell intero sistema edificio impianto es EnergyPlus ed i metodi di calcolo della ISO 13370 permettendo in questo modo il confronto coi modelli pi dettagliati e o flessibili Adapted ISO 13370 European standard ground heat transfer calculation method 61 Standard di validazione 662 serie c sono i casi dove si applicano le condizioni al contorno compatibili con BASESIMP consentendo cosi il confronto di BASESIMP con gli altri modelli Un caso di verifica preliminare caso GC10a incluso per confrontare i dettagliati modelli numerici tridimensionali con la soluzione analitica 3D in regime stazionario che incorpora le condizioni al contorno che possono essere difficili da modellare nei tipici software di analisi dell intero sistema edificio impianto Il caso GC10a fornisce un risultato analitico di riferimento per verificare la correttezza complessiva e la corretta applicazione Le specifiche di prova sono strutturate in modo tale che la serie b che probabile che sia la pi nan non attuabile per molti pi software rispetto alle serie a e c viene presentata prima delle altre I o mn casi delle serie a e c che sono derivati dai casi della serie b sono presentati nelle sezioni successive Se il programma che viene testato pu eseguire i casi di serie a nel modo in cui sono o descritti si deve eseguire la s
34. volti a sviluppare o integrare i casi test noti come BESTEST In un documento di lavoro interno dell TEA SHC Task 22 Gennaio 1996 Dicembre 2002 sono state riportare le principali tecniche sviluppate finora Questa collezione comprende lavori sulla conduzione termica radiazione infrarossa portata d aria multi zona ombreggiatura solare guadagni solari scambi radiativi ad elevata lunghezza d onda frangisole Tra le pubblicazioni afferenti alla Task 22 ritroviamo i cosiddetti HVAC BESTEST dove sono inclusi alcune di queste prove di convalida analitica altri test pubblicati dal medesimo ente fanno riferimento invece alla Task 34 Ottobre 2003 Dicembre 2007 L ASHRAE ha sponsorizzato un progetto di ricerca noto come ASHRAE 1052 RP Development of an Analytical Verification Test Suite for Whole Building Energy Simulation 2001 che ha sviluppato delle prove di validazione analitica Questi test ricoprono la convezione la conduzione in regime stazionario e dinamico comprese quelle rivolte verso il terreno radiazione solare trasmittanza dei vetri ombreggiatura distribuzione solare interna infiltrazione a scambio radiativo infrarosso interno ed esterno guadagni termici gratuiti Questo lavoro riprende e sviluppa il lavoro precedente citato e comprende alcuni nuovi casi di test Test relativi ai sistemi a tutt aria negli edifici commerciali invece sono contenuti in ASHRAE 865 RP Development Of Accuracy Tests For Mechanical System S
35. 0 2931 0 15625 0 0 00 Apr 21 Oct 12 0 00 8 00 7034 0 37500 0 0 00 8 00 12 00 9379 0 50000 1466 1 00 12 00 14 00 14069 0 75000 1466 1 00 14 00 16 00 18758 1 00000 1466 1 00 16 00 20 00 9379 0 50000 1466 1 00 20 00 24 00 7034 0 37500 0 0 00 Oct 13 Oct 18 0 00 8 00 2931 0 15625 0 0 00 8 00 16 00 9379 0 50000 1466 1 00 16 00 24 00 2931 0 15625 0 0 00 Oct 19 Nov 5 0 00 8 00 2931 0 15265 0 0 00 8 00 12 00 9379 0 50000 1466 1 00 12 00 14 00 14069 0 75000 1466 1 00 14 00 16 00 18758 1 00000 1466 1 00 16 00 20 00 9379 0 50000 1466 1 00 20 00 24 00 7034 0 37500 0 0 00 Nov 6 Dec 31 0 00 8 00 2931 0 15625 0 0 00 8 00 20 00 293 0 15625 366 0 25 20 00 24 00 2931 0 15625 0 0 00 Note listed values are the internal gain for each hour within the specified period i frac v max is the corresponding fraction for the given hourly value relative to the maximum value for the year This is included for convenience of users who may need to provide this input Same schedule as for Jan 1 through Mar 10 Tabella 23 HVAC BESTEST carichi interni caso E300 Fonte Neymark e Judkoff 2004 00 Standard di validazione ODB 23 89 C EWB EDB C C 12 78 15 56 18 33 21 11 23 89 26 67 2944 32 22 35 00 TC 24 88 4 44 SHC 24 88 kW TE TC 25 06 26 59 28 31 7 22 SHC 24 52 26 59 28 31 kW TA 7 3 7 6 TC 27 20 27 29
36. 0 666 0 428 0 803 0 718 0 643 0 411 0 786 0 411 0 803 1 952 0 618 990 1 001 1 640 1 841 1 387 0 714 0 616 1 388 2 989 1 227 Tabella 13 BESTEST risultati di riferimento raffrescamento annuale dei casi test di qualificazione QUOIZEPIEA Ip prepuris Standard di validazione AZAR X X ENLLEL EL OLE FP z MELLEL a a aa LLL ea SS SS YA x gt b gt gt gt gt A SAS 640 630 S SHADE EW WIN EW SHADE SETBACK LISIS IES ISO IS IS ES IES IS IS SS ISS CZ A IA ES WE FAT EFEZ ITEF DI S NN aaa AAAS aTaTaT aa a a DA COR ACEON CALITO E VSSSSSSSSSSSNSNS ISSS N SRES SUN MH Tsvs BEL BRE EX TASE Figura 20 BESTEST Casi a bassa massa termica riscaldamento annuale KZ Zr A UN UN UN UN ON S S VIZLA QC C LLL LLL LL LA SSIS 620 XT AAA A RR Ta a ZA e TTI N TRITATA TOT PART ROTO TOTO SAS SASSSSASASSASY 610 AT ATA NI NF NINN NINN ELELELEL ELE LS LESA AAA VALLLALEALEL ELL CLLLELLLLLLALA xn no wa ce wo d Mea a 7 ON NN E SS SS 600 S WIN UWEFFFKTEFNF EFATEPFEFFFFFFFFFFFFS a a a 2 a a a TE II caian A SSSSSSSSSSSS E BLAST USIIT BADOE2 S3PAS 430 OP WIN RZSZAAZSZZZSZSZASZENINZNA CALLALALLLLA LL EL ELL L A 5 WALL ULTI AO SASS 3 eo wo N o ESP DMU FA SRES BRE 55 650 IN SRES SUN 630 li Tsvs BEL BRE X TASE 620 S SHADE EW WIN EW SHADE NT VENT 610 S WIN 600 E
37. 00 sono ancora soddisfacenti allora il problema probabilmente isolato alla mappa dei parametri prestazionali che sono funzione f ODB EWB EDB e quindi sensibili all estesa quantit di dati prestazionali oppure si dovranno ricercare altri problemi relativi alla modellazione dinamica oraria 97 Standard di validazione START PROBABLE CAUSE OF DISAGREEMENT DIAGNOSE GOTO Dynamic Load 15 Outside Air Continuous Indoor Fan and or Performance f EDB EWB ODB PLR Latent Load Removal B1 thru B10 CONTINUE B Infiltration Psychrometrics 100 Outside Air E330 amp E330 E300 Psychrometrics and or Performance f EDB EWB E340 amp E340 E300 Infiltration Outside Air Interaction E330 E340 E350 amp E350 E300 Thermostat Setup and or Performance f EDB EWB Undersized System E360 E360 E300 Equipment Capacity Zone Temp and or Performance f EDB EWB PLR E400 amp E400 E300 Economizer w Temperature Control A AAA KI E410 amp E410 E300 Economizer w Temperature Control Po Compressor Lockout E420 amp E420 E300 Economizer w Temperature Control ODB Limit Economizer w Enthalpy Control A ERE 21 iI Economizer w Enthalpy Control Outdoor Enthalpy Limit E430 amp E430 E300 E440 amp E440 E300 STOP ABBREVIATIONS A Agree D Disagree For the E300 series agreement disagreement is determined relative to example simulati
38. 0b Harmonic Variation harmonic 12x 12 100 100 15 15 1 9 GC40 GC30 tests annual mean q for varying versus steady To GC45b Aspect Ratio AR harmonic 36x4 100 100 15 15 1 9 GC45b GC40b tests aspect ratio high perimeter heat transfer fraction GC50b Large Slab harmonic 80 x 80 100 100 15 15 1 9 GCS50b GC40b tests large slab high core heat transfer fraction GC55b Shallow Deep Ground harmonic 12x12 100 100 2 15 19 GC55b GC40b tests shallow deep ground temperature high core heat Temp transfer fraction GC60b h int rd 12x 12 7 95 100 15 15 1 9 GC60b GC30b tests h int and resulting floor surface Temp distribution steady GC65b GC60b tests h ext and resulting ground surface Temp distribution GC65b h int and hext state j iat Tes 11 95 15 15 1 9 GC65b GC30b tests combined effects SE h int and h ext i Harmonic h int and GC70b GC40b tests combined effects of h int and h ext in dynamic context Ec h ext metmome Ele Tm Hes n I n GC70b GC65b tests annual mean q for varying versus ed To GC80b Ground Conductivity harmonic 12x12 100 100 15 15 1 9 GC80b GC40b tests ground conductivity Abbreviations direct T direct input temperature varies hourly Temp temperature b c boundary condition dT temperature variation Ti slab interior surface temperature Cond slab amp soil conductivity h ext exterior surface convective coefficient Ti a zone air temperature const T direct input constant temperature h int interior surface convectiv
39. 2003 111 Standard di validazione 112 Conclusioni 5 CONCLUSIONI In questa relazione informativa si potuto osservare come a partire dal 1995 si sia iniziato un laborioso ed efficace studio di verifica degli oramai comuni software di simulazione energetica del sistema edificio impianto La procedura ENVELOPE BESTEST si focalizzata sulla validazione degli algoritmi basilari di analisi energetica Da questo studio sono emerse alcune lacune nei software presi a riferimento Tali problemi sono stati poi individuati e corretti migliorando cos l efficacia di tali strumenti informatici A conclusione di questo progetto i partecipanti hanno sottolineato la necessit di ulteriori investigazioni nel campo della validazione specialmente nei confronti dei modelli di analisi degli impianti HVAC in quanto esclusi da questo lavoro Con la procedura HVAC BESTEST si potuto completare la verifica degli algoritmi fondamentali di modellazione In questo progetto sono stati individuati e corretti oltre 40 bug nei programmi analizzati Tali aggiustamenti permettono la convalida degli attuali strumenti di analisi energetica consentendo cos la divulgazione di programmi sempre pi precisi e veritieri e pertanto pi facilmente accettati dagli operatori del settore I partecipanti alla Task 22 dell IEA SHC a conclusione del loro lavoro hanno suggerito per i successivi studi di validazione di porre particolare enfasi
40. 28 31 30 08 10 00 SHC 19 12 24 80 28 31 30 08 kW 7 4 7 4 7 6 7 8 TC 29 72 29 77 29 81 30 26 31 86 12 78 SHC 13 22 19 05 24 78 29 74 31 86 kW 7 7 17 17 7 8 8 0 TC 32 44 32 48 32 52 32 74 33 68 35 53 15 56 SHC 13 09 18 83 24 54 29 94 33 68 35 53 kW 8 0 8 0 8 0 8 1 8 2 8 4 TC 35 29 35 42 35 47 35 54 35 99 37 39 18 33 SHC 12 84 18 56 24 22 29 70 34 61 37 39 kW 8 4 8 4 8 4 8 4 8 4 8 6 TC 38 38 38 48 38 56 38 57 38 83 39 51 21 11 SHC 12 52 18 17 23 78 29 26 34 48 38 90 kW 8 7 8 7 8 7 8 7 8 8 8 8 TC 41 59 41 75 41 85 41 89 41 97 23 89 SHC 12 11 17 71 23 27 28 74 34 04 kW 9 1 9 1 9 1 9 1 9 1 TC 44 96 45 17 45 30 45 37 26 67 SHC 11 64 17 19 22 69 28 12 kW 9 4 9 4 9 5 9 5 TC 48 48 48 76 48 92 29 44 SHC 11 12 16 61 22 06 kW 9 8 9 8 9 9 TC 52 09 52 49 32 22 SHC 10 56 15 98 kW 10 2 10 2 TC 55 98 35 00 SHC 9 98 kW 10 6 Notes 1 TC gross total capacity KW thermal 2 SHC gross sensible heat capacity kW thermal 3 kW compressor power kW 4 ODB ambient dry bulb temperature air temperature C entering condenser 5 EDB dry bulb temperature C entering indoor coil 6 EWB wet bulb temperature C entering indoor coil 7 Airflow rate indoor coil airflow rate 6796 m3 h 4000 CFM for all data 8 Blue background potential for freezing indoor coil 9 Red background compressor outside operating envelope CANNOT RUN HERE for prolonged operation 10 Each poi
41. 306 4 143 5 335 1 522 4 940 940 0 793 1 021 1 239 1 231 1 411 1 179 1 080 1 323 0 793 1 411 1 779 1 160 950 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 960 2 311 2 664 2 928 2 884 2 851 2 943 3 373 2 816 2 311 3 313 1 460 2 846 990 2 222 3 448 3 425 2 972 4 324 4 301 3 813 1 946 3 501 Tabella 12 BESTEST risultati di riferimento riscaldamento annuale dei casi test di qualificazione ANNUAL COOLING MWh ESP BLAST DOE2 SRES SUN SERIRES S3 PAS TRNSYS TASE RANGE RANGE ALLCODE ALLCODE CASE UK DMU US IT USA SUN UK BRE SPAIN BEL UK FINLAND MIN MAX MAX MIN MEAN 600 6 137 6 433 7 079 7 2778 7 964 6 492 6 492 6 778 6 137 7 964 1 298 6 832 610 3 915 4 851 4 852 5 448 5 778 4 764 4 601 5 506 3 915 5 778 1 476 4 964 620 3 417 4 092 4 334 4 633 5 004 4 011 3 901 4 351 3 417 5 004 1 464 4 218 630 2 129 3 108 2 489 3 493 3 701 2 489 2 416 1 721 2 129 3 701 2 150 2 693 640 5 952 6 183 6 759 7 026 7 811 6 247 6 246 6 508 1 312 6 592 650 4 816 5 140 5 795 5 894 6 545 5 088 5 119 5 456 4 816 6 545 1 359 5 482 900 2 132 2 600 2 455 3 165 3 415 2 572 2 485 2 599 2 132 3 415 1 602 2 678 910 0 821 1 533 0 976 1 872 1 854 1 428 1 326 1 767 0 821 1 872 2 280 1 447 920 1 840 2 616 2 440 2 943 3 092 2 457 2 418 2 613 1 840 3 092 1 680 2 552 930 1 039 1 934 1 266 2 173 2 238 1 439 1 416 0 894 1 039 2 238 2 503 1 550 940 2 079 2 536 2 340 3 036 3 241 2 489 2 383 2 516 1 559 2 578 950 0 387 0 526 0 538 0 921 0 589 0 551 0 561 0 771 0 387 0 921 2 380 0 605 960 0 488
42. 4 3 2 1 Definizione dei casi test Un insieme di casi di verifica analitica e diagnostica stato sviluppato per l uso nella validazione dei modelli di trasferimento del calore nei sistemi con solaio accoppiato al terreno Questi casi test sono stati sviluppati dall IEA SHC Task 34 in collaborazione con l ECBCS Allegato 43 IEA 34 43 1 quali hanno prodotto una relazione tecnica nota come NREL TP 550 43388 alla quale faremo riferimento nel seguito di questa sezione La logica per i casi test pu essere riassunta come segue Identificare o sviluppare delle soluzioni analitiche esatte che possano essere utilizzate come standard di verit matematica per le prove sui modelli numerici dettagliati utilizzando i parametri e le ipotesi semplificative della soluzione analitica Applicare un processo di soluzione numerica che dimostri la convergenza nei domini di spazio e tempo per i casi test con soluzione analitica e per la risoluzione di casi di test supplementari in cui sono applicati i modelli numerici Una volta validato con le soluzioni analitiche usare i modelli numerici per sviluppare i risultati di riferimento per casi di test che procedono verso condizioni pi realistiche meno idealizzate di cui non si hanno soluzioni analitiche esatte Controllare i modelli numerici con attenzione confrontando i risultati gli uni agli altri mentre si sviluppano i casi pi realistici ed apportare le eventuali correzioni necessarie
43. 40c tests ground conductivity Abbreviations direct T direct input temperature varies hourly Temp temperature Cond slab amp soil conductivity const T direct input constant temperature Dimen dimension h ext exterior surface convective coefficient h int interior surface convective coefficient q heat flow through floor slab Ti a zone air temperature To exterior ground surface temperature Notes A B C For models that require air temperature inputs which do not allow direct input of surface temperatures convective surface coefficients are effectively infinite Distance from slab edge GC30c GC30a also includes minor difference in amount of soil modeled Tabella 15 GC BESTEST descrizione casi test serie c Fonte Neymark Judkoff et al 2008 ouorzepi eA Ip prepuris Standard di validazione Geometria serie b Conditioned 0 Zone ULL F A Floor Slab a 0 da Soil RRS EE y ad Elevation Section Figura 27 GC BESTEST geometria con condizioni al contorno caso GC30b Fonte Neymark Judkoff et al 2008 no scale Above Grade Wall Grade Figura 28 GC BESTEST dettagli sulla geometria al bordo caso GC30b Fonte Neymark Judkoff et al 2008 65 Standard di validazione North Adiabatic W 0 24 m Walls Conditioned Zone W 0 24 m Floor Slab Not to Scale Plan View
44. 95 B Analytical Solutio CSIRO B TRNSYS TESS B FLUENT PAAET B MATLAB DIT B GHT NREL B SUNREL GC NREL EnergyPlus GARD VA114 ISO13370 VABI 4 ESP r BASESIMP NRCan E BASECALC NRCan Figura 33 GC BESTEST conduzione termica in regime stazionario prima delle correzioni Floor Heat Flow W or Wh h Fonte Neymark Judkoff et al 2008 IEA BESTEST Ground Coupling In Depth Floor Slab Steady State Floor Conduction Seer UE RUCU LEERE ARIE 2 ARIA FN ER A n NN NENNEN NNI ILLA E Z LLL LLL P LP B Bg g g A GC10a GC30a GC30b GC30c GC60b GC65b linear dT adiab wall adiab wall h int 7 95 h int 7 95 h int 7 95 ideal films h 100 h ext ideal h ext 100 h ext 11 95 m Analytical Solution C SIRO g TRNSYS TESS fa FLUENT PAAET m MATLAB DIT e GHT NREL E SUNREL GC NREL EnergyPlus GARD VA114 ISO13370 VABI fa ESP r BASESIMP NRCan BASECALC NRCan Figura 34 GC BESTEST conduzione termica in regime stazionario dopo le correzioni Fonte Neymark Judkoff et al 2008 70 Standard di validazione 4 3 2 3 Bugs riscontrati nei software analizzati Floor Conduction Effect A inan Model Error Description or Disagreement Resolution BASECALC Input error 1 5 c series cases Fixed BASECALC Perimeter heat flow disagreement 9 GC45c No change Test configurations fall outside range of 21 GC80c BASESIMP ESP r parameter variations
45. 98 Figura 49 HVAC BESTEST diagramma diagnostico per i casi in regime dinamico E500 E545 Fonte Neymark e Judkoff 2004 ii 99 Figura 50 RADTEST vista in sezione dell edificio di riferimento esses 101 Figura 51 RADTEST geometria dettagliata dell impianto radiante cesses 102 Figura 52 RADTEST panoramica dei risultati casi 800 1830 Fonte Zweifel e Achermann Figura 54 RADTEST temperatura massima della superficie radiante dal caso 1840 al 2810 Fonte Zweifel e Achermann 2003 110 Figura 55 RADTEST temperatura massima della superficie radiante delta results Fonte Zweifel e Achermann 2003 ii 111 Figura 56 RADTEST temperatura dell acqua di ritorno del circuito caso dettagliato 2810 Fonte Zweifel e Achermann 2003 iii 111 Figura 57 Diagramma sulle scelte progettuali che portano all esecuzione o meno delle simulazioni Fonte Wilde e Prickett 2009 sese eene enne 115 Indice VI Indice INDICE DELLE TABELLE Tabella 1 Evoluzione dei software Fonte Clarke 2001 iii 6 Tabella 2 Classificazione dei metodi per l analisi energetica degli edifici Fonte ASHRAE 2005 T 21 Tabella 3 Tecniche di validazione Fonte Neymark J e R Judkoff 2002 sss 24 Tabella 4 Tipi di estrapolazioni
46. Adiabatic Walls 0 24m 7 h ext C Floor Slab Elevation Section Figura 29 GC BESTEST geometria con specifiche dimensionali caso GC30b Fonte Neymark Judkoff et al 2008 66 Standard di validazione Geometria serie a Figura 30 GC BESTEST geometria caso analitico GC10a Fonte Neymark Judkoff et al 2008 Lunghezza L 12m Larghezza B 12m Dimensione bordi esterni W 0 24 m Temp Superficiale interna pavimento 30 C Temp Superficiale esterna terreno 10 C Conducibilita termica del suolo e della lastra 19W mK Tabella 16 GC BESTEST geometria caso analitico GC10a Fonte Neymark Judkoff et al 2008 Devono essere applicate le seguenti ipotesi e condizioni al contorno Temperatura interna della superficie del pavimento Ti costante e uguale ovunque Temperatura esterna del terreno To costante e uguale ovunque imposta una variazione lineare tra Ti e To lungo la superficie perimetrale di larghezza W solo sulla superficie rivolta verso terra questo consente una discontinuit sul contorno interno esterno Geometria semi infinta la superficie del suolo si estende verso l esterno infinitamente in tutte le direzioni orizzontali a partire dal bordo perimetrale definito in Figura 30 e il terreno si estende infinitamente verso il basso a partire da tutti 1 punti della superficie orizzontale includendo le superfici di Figura 30 Condizioni al contorno all
47. Agree D Disagree For these test cases agreement disagreement is determined relative to quasi analytical solution results including listed sensitivity cases Figura 36 GC BESTEST diagramma diagnostico per i casi della serie b Fonte Neymark Judkoff et al 2008 A Standard di validazione START c Series Diagnostic Logic PROBABLE CAUSE OF DISAGREEMENT A c Series Steady State Base Case GC30c D gt Constant ODB h int h ext 100 W m K k i 1 9 W mK adiabatic above grade wall A c Series Steady Periodic Base Case GC40c amp GC40c GC30c D Harmonic ODB h int h ext 100 W m K Koi 1 9 W mK adiabatic above grade wall GC45c amp GC45c GC40c Di Aspect Ratio high perimeter h t fraction Shallow Deep Ground Temperature Depth high core heat transfer fraction Slab Soil Conductivity ksoil 0 85 W mK ABBREVIATIONS A Agree D Disagree For these test cases agreement disagreement is determined relative to quasi analytical solution results including listed sensitivity cases Figura 37 GC BESTEST diagramma diagnostico per i casi della serie c Fonte Neymark Judkoff et al 2008 75 Standard di validazione 4 3 3 HVAC BESTEST Cases E100 E200 Nel progetto IEA SHC Task 22 Subtask C la metodologia di test comparativa ENVELOPE BESTEST stata ampliata in modo da poter validare anche i modelli di simulazione dei sistemi meccanici Questa e
48. BLAST USIT B DOE2 OP WIN S3PAS 430 WALL 395 Figura 21 BESTEST Casi a bassa massa termica raffrescamento annuale ZZ ESP DMU A SRES BRE Standard di validazione ES xxx CLIMALLLA ACA VLC C AL A SGL Gb NN n AAA VA SS O O AE AO AO AO A A SPSS ie SS SS Cee eee eee ee eee ee UIL LIRA LIUTO EAS SSSSSSSSASSMN JOJN TZEL EL LL LALALA AI AL aaa A Cadetti CORO RANIA RMN MOR RR RN CA AC AL SSS SASSAAAASASSSSYASASSS 960 N SRES SUN 960 HM TSYS BEL BRE 4 TASE IN SRES SUN MH rsvs eEL BRE A TASE 950 Figura 23 BESTEST Casi ad alta massa termica raffrescamento annuale 940 S SHADE EW WIN EW SHADE NT VENT SUNSPACE war AA h Add hd hhh Sp UA 930 930 920 920 usit B3DOE2 S SHADE EW WIN EW SHADE SETBACK SUNSPACE 910 910 EJBLAST usit W DOE2 900 S WIN Ss3PAS Figura 22 BESTEST Casi ad alta massa termica riscaldamento annuale 900 S WIN E BLAST N S3PAS 800 OP WIN A SRES BRE 800 OP WIN LA SRES BRE ZA ESP DMU ESP DMU 56 Standard di validazione degrees C NOIA CAALALL ALLA LAMA LALA AMAA ALAM SILA arai aad dd A LE ESO BEE EEE 960 950FF LOMASS VENT HIMASS VENT SUNSPACE 650FF 900FF HIMASS 600FF LOMASS N SRES SUN MH Tsvs BEL BRE X TASE amp 8 DOE2 Ed BLAST US IT Ws3Pas ESP DMU A SRES BRE Figura 24 BESTEST Casi a temperatura flottante media della temperatura annuale su
49. C 088 RESYS2 and PTAC PONE ME een DOE 2 1E ra note for 2 sensible coil load at low Verified ESTSC v 088 PTACS at low SHR SHR improved Up to 2500 coil load at low ENERGYPLUS Reported coil loads not f PLR PLR 0 power Fixed ENERGYPLUS a Or SHR alby Des J y power Fixed ENERGYPLUS O a as Fixed coil calculation ENERGYPLUS Indoor fan power not f PLR 2 power mid PLR Fixed Compressor COP f PLR C PROMETHEUS calculated in external post 20 DPE NOW RE EO ao post processor calc notified processor to software TRNSYS TUD Use of some single precision 45 power lo PLR Fixed realistic control variables 14 power midPLR TRNSYS TUD Wrong data compiled for coil 4 power E150 Fixed realistic control latent load output 3 latent coil load E170 Abbreviations PLR Part Load Ratio ODB outdoor drybulb temperature EDB entering drybulb temperature vs versus SHR Sensible Heat Ratio Specific cases or conditions relevant to the described disagreement are included in parenthesis Total system power Current results include non automated version of the fix Percentage disagreement is greatest at high SHR and decreases as SHR decreases The software authors used HVAC BESTEST to document the improvement of their new model relative 7 m oA ow to a previous model that they were in the process of replacing when IEA SHC Task 22 began system and PTAC is for modeling a packaged terminal air condi
50. DB 35 C versus E530 Abbreviations ACH air changes per hour COP coefficient of performance EDB entering dry bulb temperature OA outside air ODB outdoor dry bulb temperature PLR part load ratio SHR sensible heat ratio Notes mid internal gains schedules are relatively high daytime and low nighttime periodically seasonally adjusted values See case descriptions for details mid2 is similar to mid but with 0 cooler month internal gains to get 0 cooling at ODB lt 55 F for 0 OA See case descriptions high and high2 are greater loads relative to mid and mid2 respectively Apr 21 Oct 12 8 00 20 00 only see case descriptions for specific schedule OA 0 implies fan cycles ON OFF with compressor Tabella 22 HVAC BESTEST descrizione casi test E300 E545 Fonte Neymark e Judkoff 2004 ouorzepi eA Ip p1epuejg Standard di validazione Come si pu riscontrare in Tabella 23 che mostra i carichi interni che l utente deve impostare per il caso E300 1 carichi interni sensibili e latenti variano sia nell arco dell anno che della fascia oraria giornaliera Inoltre nella relazione tecnica completa presente una raccolta espansa dei dati di funzionamento a pieno carico dell impianto Le tabelle usano ODB EDB ed EWB come paramentri indipendenti e mostrano la capacit termica lorda dell unit ovvero la totale capacit termica senza detrarre il calore acquistato dall aria
51. Fonte adattamento da Neymark J e R Judkoff 2002 27 Tabella 5 Panoramica sulle procedure di validazione Fonte adattamento da Judkoff e Neymark 2009 amp Judkoff 2008 amp Neymark et al 2006 ene 36 Tabella 6 Panoramica sui parametri usati nei vari casi di validazione Fonte Zweifel 2007 38 Tabella 7 Classificazione dei metodi di calcolo Fonte UNI EN 15255 39 Tabella 8 Sottoclassificazione dei metodi di calcolo Fonte UNI EN 15255 sess 39 Tabella 9 BESTEST descrizione dei test di diagnostica con bassa massa termica Fonte Judkoff e Neymark 1995 se mde re ems eee e ORE ABSENT e ERES 42 Tabella 10 BESTEST descrizione dei test di qualificazione e dei test realistici di diagnostica Fonte Judkoff e Neymark 1995 43 Tabella 11 Panoramica risultati ENVELOPE BESTEST ii 53 Tabella 12 BESTEST risultati di riferimento riscaldamento annuale dei casi test di QUGUUfICA ZION E 54 Tabella 13 BESTEST risultati di riferimento raffrescamento annuale dei casi test di qualificazione eig tie debeo ete Ra ag Sg dan 54 Tabella 14 GC BESTEST descrizione casi test serie a e b Fonte Neymark Judkoff et al Tabella 17 GC BESTEST intervalli di discordanza tra i risultati finali Fonte Neymark Judkoff etala LODO news tree d Re HR UR aLaaa 69 Tabella 18 GC BESTEST riassunto sui problemi individuati con la diagnostica BESTEST Fonte Neymark J
52. N 7 Per ulteriori informazioni sul progetto EPA ED si rimanda al sito internet http www epa ed org Per ulteriori informazioni si rimanda al sito www cibse org dal quale possibile scaricare previa registrazione il CIBSE TM33 30 Standard di validazione 4 STANDARD DI VALIDAZIONE 4 1 Panoramica sui principali studi di validazione 4 1 1 Verifica analitica Nei primi anni 80 il NREL condusse molti studi di validazione analitica empirica e comparativa focalizzandosi principalmente sui fenomeni di trasmissione del calore attraverso l involucro edilizio includendo conduzione termica delle pareti trasmissione del calore attraverso le superfici vetrate irraggiamento solare e infiltrazioni Questi test e diversi studi comparativi hanno facilitato l individuazione e la diagnosi di un problema di convergenza nel programma DEROB 3 che stato poi corretto in DEROB 4 14 Questi studi hanno anche dimostrato una buona congruenza tra i risultati pervenuti con DOE2 1 BLAST 3 SunCat 2 4 e DEROB 4 rispetto alle soluzioni analitiche anche se stato osservato un notevole disaccordo in alcuni degli studi comparativi Ci ha confermato nell ambito della metodologia globale di convalida la necessit di eseguire sia le prove analitiche che di tipo comparativo Ulteriore sviluppo alla convalida analitica si verificato in Europa dove soprattutto per mezzo dell IEA che ha promosso anche recentemente pi studi di ricerca
53. OJ93 09 JEJOS i N SUE fuormqrustp TETOS 4 a es SLD 2p 08 sBumuado af x tiajs fs ejos aapoy A sadi xoq e Ysaly ne ums PRODEL pf surxryy TTE jue d enug wg roj 109 fee jonp Ajddng Y mog sunoo Suneazy Bi pom ua A x ursjs s Suruornrpuo MY mede Y I p mud IHEM WYA eura uone nsur w E Jpog gt Y 1 qonuoo s ufejs s SuneaH Jenua i Mops RE angiq mare e e A A juonenpgu g s sso MT suoronisqo pue PUTAL UONETper amuesadua 4xojuo2 3 gum T Figura 2 Flussi energetici in un edificio Fonte Hand J W 1998 I software di simulazione 2 2 1 Conduzione termica in regime transitorio Col termine conduzione termica si identifica il processo col quale una fluttuazione del flusso di calore all estremit di un materiale si propaga verso l altra estremit essendo smorzata in intensit e sfasata nel tempo a causa dell inerzia termica del materiale Specificatamente alle strutture edilizie la conduzione in regime variabile ovviamente funzione del tempo e dipende dal gradiente termico della temperatura e dall umidit parametri a loro volta condizionati dalle propriet termo igrometriche dei singoli materiali e dalla loro posizione relativa L obiettivo dei modelli quello di valutare la diffusione dell umidit e il gradiente della temperatura nei materiali costruttivi e quindi la variazione dinamica del flusso di calo
54. Questa serie di dati stata sviluppata da un costruttore usando il software che la societ normalmente adopera per la redazione dei dati inseriti nei cataloghi Questa mole di dati va oltre il normale range di dati pubblicati nei cataloghi ed inoltre ricopre anche quelle zone dove sono concesse solo limitate operazioni Tali intervalli sono indicati nelle tabelle con lo sfondo rosso e blu nel caso si faccia riferimento alla versione elettronica di questo documento Lo sfondo rosso indica la zona in cui la temperatura del refrigerante scaricato dal compressore pi alta di quanto dovrebbe essere un funzionamento prolungato in questa regione potrebbe ridurre la durata del compressore Lo sfondo blu invece indica l intervallo dove si possono formare le condizioni di gelo sullo scambiatore di calore il che influisce sulle prestazioni del sistema La Tabella 24 fornisce un estratto di questi dati SENSIBLE LATENT frac v frac v Period Hours Watt max Watt max Jan 1 Mar 10 0 00 8 00 2931 0 15625 0 0 00 8 00 20 00 2931 0 15625 366 0 25 20 00 24 00 2931 0 15625 0 0 00 Mar 11 Apr 10 0 00 9 00 2931 0 15625 0 0 00 9 00 18 00 7034 0 37500 1466 1 00 18 00 24 00 2931 0 15625 0 0 00 Apr 11 0 00 8 00 2931 0 15625 0 0 00 8 00 20 00 2931 0 15625 366 0 25 20 00 24 00 2931 0 15625 0 0 00 Apr 12 Apr 20 0 00 8 00 2931 0 15625 0 0 00 8 00 19 00 9379 0 50000 1466 1 00 19 00 24 0
55. T Gli impianti di riscaldamento e o raffrescamento radiante sono conosciuti in tutto il mondo Esistono diverse tipologie di questi impianti tuttavia il pi noto e realizzato quello a pavimento Questo tipo di impianto si compone di un circuito immerso nello strato di cemento del pavimento la trasmissione del calore dal circuito dove scorre il fluido termovettore verso l ambiente risulta ritardata a causa della consistente massa termica e la temperatura superficiale risulta inferiore conseguentemente alla resistenza termica dello strato cementizio Questo comportamento crea un clima assai confortevole all interno degli ambienti e probabilmente questa una delle ragioni che portano a questo largo impiego I sistemi di raffrescamento si ottengono solitamente con pannelli radianti a soffitto tuttavia non sono radi impianti a pavimento adottati sia per il raffrescamento estivo che per il riscaldamento invernale Per tener conto del comportamento degli impianti di riscaldamento e raffrescamento radiante nei programmi di simulazione dinamica sono disponibili specifici modelli o metodi di modellazione A seconda del livello di dettaglio del programma specifico e del metodo di calcolo 1 circuiti ad acqua possono essere facilmente aggiunti agli elementi da costruzione o se vi la necessit di astrazione ad esempio si possono introdurre sotto forma di strati con una temperatura che pu essere impostata su un modello operazionale predefinito
56. TERMICI temperatura nuvolosit vento Descrizione dell impianto ANALISI tipologia configurazione DELL IMPIANTO Descrizione delle macchine ANALISI DELLE rendimento tipo combustibile MACCHINE ANALISI Dati economici ECONOMICA manutenzione costi iniziali Figura 6 Struttura di un software di simulazione energetica degli edifici Fonte ASHRAE 2005 2 3 2 Metodo inverso L obiettivo quello di definire un modello che rappresenti accuratamente un edificio realmente esistente consentendo cosi la previsione pi accurata del comportamento futuro in determinate circostanze specifiche Il metodo inverso diversamente dal metodo diretto pu contenere solo un numero relativamente piccolo di parametri a causa delle limitate informazioni e spesso ripetitive contenute nei dati prestazionali quindi un modello molto pi semplice che contiene meno termini per rappresentare dei parametri aggregati o macroscopici es le costanti la perdita di calore complessiva dell edificio e il tempo rilevati direttamente in loco La raccolta dei dati prestazionali e la formulazione del modello devono essere opportunamente calibrati per ogni specifica circostanza spesso si richiede un pi alto livello di abilit e competenze dell utente In generale modelli inversi sono meno flessibili rispetto ai modelli classici nella valutazione di differenti alternative architettoniche e o impiantistiche e quindi non sono un sostit
57. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Energetica RELAZIONE FINALE SOFTWARE DI SIMULAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI E LORO VALIDAZIONE Relatore Prof Roberto Zecchin Correlatore Ing Giuseppe Emmi Dipartimento di Fisica Tecnica Laureando Marco Binotto ANNO ACCADEMICO 2009 10 Indice INDICE IHSMPALOIDME T HG I INDICE DEELE FIGURE eere rear entr a see srt eser TE ess III INDICE DELLE TABELLE uri TRA RENI i ESRI VII INTRODUZIONE iraniane ivan ino isan ia teas teas bes 1 1 1 NORMATIVA ITALIANA E SUOI LIMITI 00 20 2 2 I SOFTWARE DI SIMULAZIONE n 5 21 CLASSIFICAZIONE fili E a OU ERE NN DEA CEDE ERI E ER Den 5 2 2 CENNI SULLA COMPLESSIT DEI FENOMENI DA ANALIZZARE 7 2 2 1 Conduzione termica in regime transitorio esses 9 2 2 2 Irraggiamento interno ad elevata lunghezza d onda 10 2 2 39 Irraggiamento esterno ad elevata lunghezza d onda 10 2 2 4 Irraggiamento a bassa lunghezza d onda ii 10 2 2 5 Ombreggiature cui ete re irae edet E E kcu 11 DEBIO Flussi d atia e e enc o A A AA A A 12 227 Guadagni gra tulti cui da elit 13 2 2 8 Impianti di riscaldamento ventilazione e condizionamento dell aria HVAC systems A Er teste bees es eda eid dees 14 229 Controllo rile 15 2 3 GENERALIT SULLA MODELLAZIONE IH ee eee 16 DS Metodo difetto ois se et
58. a degli edifici Calcolo della temperatura interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione Metodi semplificati UNI EN 15255 Prestazione energetica degli edifici Calcolo del carico sensibile di raffrescamento di un ambiente Criteri generali e procedimenti di validazione UNI EN 15265 Prestazione energetica degli edifici Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento degli ambienti mediante metodi dinamici Criteri generali e procedimenti di validazione 4 2 1 Norme perla validazione dei metodi di simulazione dell intero edificio La UNI EN 15265 definisce un criterio per verificare l accuratezza di previsione di un software di simulazione questo documento strettamente legato ad una serie di altre norme tra cui UNI EN ISO 13791 UNI EN ISO 13792 e UNI EN 15255 Questi documenti non impongono un particolare metodo di calcolo sebbene in qualche aspetto della modellazione le ipotesi da assumere sono precise e fissate Il contenuto delle norme organizzato in due parti la prima definisce tutte le ipotesi le condizioni al contorno e le semplificazioni che sono obbligatorie es i coefficienti di trasmissione superficiale del calore fattori per la divisione della radiazione solare la seconda parte definisce una serie di test di validazione che deve essere effettuata con un qualsiasi metodo di calcolo o software informatico al fine di rispettare lo standard normativo Tutte le predette n
59. a la nuova punta massima estiva in potenza nello stesso giorno si realizzato altresi il massimo storico della richiesta giornaliera di energia elettrica Fonte TERNA Introduzione richieda peraltro alcun calcolo In particolare fissare un unico limite uguale per tutte le localit alla massa superficiale parametro semplice da calcolare ma poco significativo dei componenti opachi appare come una prescrizione semplicista in quanto non pesa l effetto che i vari parametri termici solari di utenza ed ambientali hanno sui carichi e sui fabbisogni estivi di energia Infine l unico indicatore di prestazione energetica introdotto da dette normative riferito alla climatizzazione invernale EP ci appare in contrasto con la direttiva 2002 91 CE la quale comprende la totalit dei consumi energetici dell edificio riscaldamento invernale condizionamento estivo produzione di acqua calda sanitaria illuminazione ventilazione Alcuni tra i software che quantificano le prestazioni energetiche di un edificio hanno un ampio consenso fra gli addetti per effetto della loro immediatezza d uso anche se per contro forniscono un risultato semplificato Le simulazioni effettuate in regime stazionario consentono di indagare solo parzialmente le reali prestazioni di un edificio perch partono dall assunto che la variazione periodica delle temperature e il contributo della radiazione solare possono essere trascurati per cui possibil
60. a profondit infinita del suolo To Conducibilit termica del suolo e della lastra piana uguali Non c scambio radiativo 67 Standard di validazione 4 3 2 2 Risultati di riferimento Prove sperimentali con i nuovi casi IEA BESTEST Ground Coupled cases sono stati condotti con un certo numero di dettagliati modelli numerici rappresentativi dell attuale stato dell arte tra i software di simulazione energetica dell intero edificio impianto che contenevano una serie di modelli per la rappresentazione di situazioni con accoppiamento col terreno provenienti da tutto il mondo Il processo seguito si pu considerare iterativo ovvero le simulazioni condotte hanno portato al perfezionamento dei casi test ed i risultati hanno portato al miglioramento dei modelli stessi L accordo tra i risultati delle simulazioni migliorato ad ogni iterazione I miglioramenti sui programmi di simulazione sono evidenti quando si confrontano il primo set di risultati vedi Figura 33 per i casi in regime stazionario Figura 31 per i casi in regime dinamico con quelli finali vedi Figura 34 per i casi in regime stazionario Figura 32 per i casi in regime dinamico In queste figure 1 modelli numerici verificati sono evidenziati dallo sfondo blu mentre per il risultato analitico caso GC10a si adottato lo sfondo magenta I partecipanti erano tenuti a fornire miglioramenti ai programmi di simulazione o agli input sulla ba
61. a seguito della ristrutturazione 2 3 2 2 Simulazione calibrata Questo approccio utilizza gli esistenti software di simulazione del sistema edificio impianto e mette a punto o calibra i vari dati in ingresso per il programma affinch il consumo energetico misurato coincida perfettamente con quello previsto dal software Dopo aver fatto questa procedura si possono eseguire previsioni molto pi attendibili che con approcci statistici La simulazione calibrata incentivata nei casi in cui sono disponibili solamente le misurazioni che riguardano l intero sistema e si vuol procedere con un analisi comparativa per la stima del risparmio energetico conseguente a ristrutturazioni o altri adattamenti Molti sono gli studi riportati in letteratura nei quali si utilizzano i classici software di simulazione come DOE 2 o ESP r per calibrarli con 1 dati di performance I dati energetici monitorati su scala oraria pi compatibili con il passo temporale adottato nei maggiori software di simulazione permettono lo sviluppo di modelli calibrati pi accurati Gli analisti solitamente devono lavorare con una minor quantit di dati talvolta vengono impiegati un aggregato di dati su base mensile oppure settimanale probabilmente il modello risultante sar meno preciso al decrescere della quantit dei dati utilizzati per la calibrazione Le sfide principali nella simulazione calibrata riguardano l intenso lavoro richiesto all utente sono necessar
62. accuratezza Ammesso che la simulazione abbia una rappresentazione teoricamente perfetta del funzionamento di un edificio essa non pu replicare perfettamente le reali dinamiche che regolano il comportamento energetico Ad esempio il clima pu variare rispetto ai dati meteorologici disponibili gli impianti non lavorano mai precisamente come previsto dalle curve di funzionamento a carico parziale le prestazioni possono anche variare con l et dell impianto e con il numero effettivo di ore lavorate dall ultima opera di pulizia o manutenzione Conseguentemente bisogna porre particolare attenzione nell interpretazione dei risultati in quanto costituiscono una rappresentazione relativa di come funziona o pu funzionare un sistema edificio impianto Tuttavia un software di simulazione degli edifici una risorsa preziosa se interpretata ed usata propriamente Ad esempio il confronto fatto sotto le stesse ipotesi fondamentali tra due o pi soluzioni impiantistiche o architettoniche risulter molto significativo oppure per un edificio esistente la simulazione pu essere finalizzata all abbattimento delle spese energetiche od anche per replicare fedelmente il consumo energetico in un determinato periodo Una comprensione generale ma chiara delle metodologie e dei loro limiti usate in un programma di simulazione essenziale se si vuol applicare soddisfacentemente tale strumento L incomprensione di questi aspetti pu portare ad
63. amic versus Steady State Modeling h int h ext 100 W m K Dynamic Model Dynamic versus Steady State with h int and h ext Oc GOTO Continue A and Remaining b Series Dynamic Cases AND GOTO Continue SSb remaining Steady State Cases ABBREVIATIONS A Agree D Disagree For these test cases agreement disagreement is determined relative to quasi analytical solution results including listed sensitivity cases T M Figura 35 GC BESTEST diagramma diagnostico per i casi della serie a Fonte Neymark Judkoff et al 2008 ung e Standard di validazione START PROBABLE CAUSE OF DISAGREEMENT DIAGNOSE GOTO Steady State Base Case 1D Constant ODB h int h ext 100 W m K Ksoi 1 9 W mK adiabatic above grade wall b Series Dynamic Cases Steady Periodic Base Case GC40b amp GC40b GC30b D Harmonic ODB h int h ext 100 W m K CONTINUE SSb Ki 1 9 W mK adiabatic above grade wall A NY GC50b amp GC50b GC40b Slab Area high core heat transfer fraction Shallow Deep Ground Temperature Depth high core heat transfer fraction Interior and Exterior Surface Coefficients CONTINUE B1 amp B2 hint 7 95 W m K h ext 11 95 W m K SSb gt Interior Surface Coeff h int 7 95 W m K Steady State Model B2 GC65b amp GC65b GC60b Exterior Surface Coeff h ext 11 95 W m Steady State Model STOP ABBREVIATIONS A
64. arativa tra software i risultati delle simulazioni sono stati pi o meno equivalenti tra loro IEA SHC Task 34 ECBCS Programme Annex 43 Nelle prove ERS l obiettivo del progetto era quello di valutare l accuratezza delle previsioni sulle prestazioni di un edificio reale ed il suo impianto Quattro software di simulazione sono stati confrontati con 1 risultati sperimentali sia con i sistemi a portata d aria variabile che con quelli a portata costante Le conclusioni indicano che dopo il miglioramento dei modelli e delle specifiche dei test 1 risultati della simulazione erano generalmente in buono accordo con 1 dati misurati entro l incertezza degli strumenti I test sulle pareti ventilate DSF e sulle celle EMPA si sono svolti entrambi nell ambito dell IEA SHC Task 34 Subtask E Ottobre 2003 Dicembre 2007 tenutasi in collaborazione con l ECBCS Programme Annex 43 Nelle prove sulle pareti ventilate sono stati eseguiti due diversi esperimenti nel primo tutte le aperture della facciata ventilata erano chiuse contrariamente nel secondo esperimento le aperture superiori e inferiori erano aperte verso l esterno La maggior differenza tra 1 due test che lo scambio di massa d aria tra la cavit e l esterno nel secondo caso era causato dalla ventilazione naturale mentre nel primo era completamente inibito In quest occasione si sono confrontati i risultati sperimentali con quelli previsti da cinque diversi software di sim
65. arichi di picco sia per il riscaldamento che per il raffrescamento per vari casi differenti Come si evince dalle figure non tutti i casi test sono stati effettuati da tutti i programmi In acuni casi con certi programmi non possibile fare le necessarie semplificazioni richieste dalle specifiche ad esempio in DOF 2 la suddivisione radiativo convettivo del coefficiente del film della superficie interna non pu essere influenzata Si nota inoltre che la variazione tra i software considerevole Si pu ancora osservare che le modifiche da un caso all altro sono abbastanza uniformi ci indica che i programmi analizzano correttamente i cambiamenti fisici tra i diversi casi test Questo si pu rendere maggiormente visibile diagrammando le differenze tra i risultati dei test delta results un esempio coi risultati della temperatura mostrato in Figura 55 Tuttavia con questo tipo di grafici si potrebbe sopprimere eventuali errori di tipo sistematico La Figura 54 mostra che il programma DOE 2 dal caso 1850 in avanti sono i casi dove presente una finestra reale presenta una differenza sistematica con la temperatura superficiale massima del pavimento Nella Figura 55 che mostra le differenze aritmetiche tra i risultati per la stessa temperatura della Figura 54 questo fatto riscontrabile solamente in un punto DOE 2 mostra uno zero nella differenza tra i casi 1850 1840 dove al contrario tutti gli altri software presentano una
66. asmittanza di radiazione solare ed assente l accoppiamento col terreno A questo stadio lo spazio da modellare corrisponde al caso 800 dell ENVELOPE BESTEST 10 La spiegazione di questo caso che l utente ha a disposizione un modello di riferimento per il suo algoritmo di calcolo Se qualche risultato fallisce in questa fase l utente dovrebbe prima eseguire i casi diagnostici dell EVELOPE BESTEST cfr par 4 3 1 Dato che i sistemi radianti sono spesso inseriti in elementi da costruzione di solito le parti emettono calore verso due zone situate su entrambi i lati dell elemento anche se non previsto 100 Standard di validazione Pertanto doveva essere aggiunta una seconda zona in tutte le prove successive Una zona fortemente isolata quasi adiabatica circondata da terra inserita sotto la zona primaria come mostrato nella Figura 50 Primary Zone Secondary Zone Basement Tground 10 Figura 50 RADTEST vista in sezione dell edificio di riferimento Dal caso 1800 al 1820 al fine di eliminare ulteriormente l influenza del clima esterno rispetto al caso base 800 anche la zona attiva viene rappresentata come una zona fortemente isolata Nei casi 1800 e 1805 viene osservato il flusso di calore tra le due zone Dal caso 1810 in avanti uno strato a temperatura costante disposto al centro degli elementi costruttivi del pavimento Questo rappresenta in forma semplificata l impianto radiant
67. ato simile ad un tipico catalogo di un costruttore Questi dati comprendono totale capacit termica elaborabile sensibile latente potenza del compressore punto di rugiada del macchinario come funzione di f ODB EWB dove EWB indica la temperatura bulbo umido in ingresso Inoltre il carico sensibile elaborabile dato come funzione di f ODB EWB EDB P mentre per considerare l abbassamento del COP ai carichi parziali viene fornita una curva ideale funzione di f PLR riportata in Figura 39 Abbreviazioni ODB Outdoor Dry Bulb EWB Entering Wet Bulb EDB Entering Dry Bulb T7 Standard di validazione Per facilitare l inserimento degli input in conformit con quelli richiesti dai vari software di simulazione sono incluse delle istruzioni dettagliate che solitamente sono assenti nei cataloghi Gli stessi dati seguendo tali istruzioni sono stati raccolti in tabelle con tre diverse forme Capacit termiche nominali al netto del calore nominale assorbito dall aria rapportato al nuovo valore di portata elaborata che diverso da quello attuale Capacit termiche totali includendo il calore assorbito dall aria con la nuova portata elaborata Capacit termiche aggiustate con gli attuali valori di riferimento capacit termiche nominali includendo il calore assorbito dall aria con la nuova portata al netto dell attuale quantit di calore assorbita 0 01 02 03 04 0 5 06 07 08 09
68. atter when glass area is 0 Tabella 9 BESTEST descrizione dei test di diagnostica con bassa massa termica Fonte Judkoff e Neymark 1995 ouorzepi eA Ip pIepue s SETPOINTS OPAQUE SURFACE OPAQUE SURFACE CASE H C V MASS INTGEN ACH INT IR EXT IR INTSW EXTSW GLASS ORIENT SHADE COMMENTS see note 2 C W INFILTR EMISSIV EMISSIV ABSORPT ABSORPT m m 395 20 27 L 0 0 9 9 NA wl see note 3 S no Case 395 tests solid construction 400 20 27 L 0 0 9 9 NA d 0 S no Cases 400 395 test surface convection see note 4 410 20 27 L 0 5 9 9 NA wl 0 S no Cases 410 400 test infiltration 420 20 27 L 200 5 9 9 NA wl 0 S no Cases 420 410 test internal heat generation 430 20 27 L 200 5 9 9 NA 6 0 S no Cases 430 420 test exterior solar absorptance amp incident solar 440 20 27 L 200 5 9 9 E 6 12 S no Cases 430 420 test interior solar absorptance amp cavity albedo 600 20 27 L 200 5 9 9 6 6 12 S no Cases 600 430 test south solar transmission 610 20 27 L 200 2 9 9 6 6 12 S 1 0mH Cases 610 600 test south overhang 620 20 27 L 200 5 9 9 6 6 6 6 E W no Cases 620 600 test East amp West solar transmission incidence 630 20 27 L 200 5 9 9 6 6 6 6 E W 1 0mHV Cases 630 620 test East amp West overhangs amp fins 640 SETBACK L 200 5 9 9 6 6 12 S no Cases 640 600 test night setback 650 IN L 200 Sol 9 9 6 6 12 S no Cases 650 600 test venting 800 20 27 H 200 a 9 9 NA 6 0 S no Cases 800 430 test normal mass with no transmit
69. avimento la profondit della temperatura profonda del terreno conducibilit termica della lastra e della terra e i coefficienti di scambio termico superficiale della lastra coefficiente interno e della terra coefficiente esterno I casi test usano condizioni al contorno sia in regime stazionario che armonico applicate con una serie di dati meteorologici annuali costruiti artificialmente insieme ad una struttura edilizia fuori terra adiabatica cos da poter isolare gli effetti dello scambio termico col terreno Ci comodo per testare i programmi che non riescono facilmente a separare nei loro output i valori legati alle perdite per conduzione associati alla superficie accoppiata col suolo Valori di output diversi includendo 1 risultati in regime stazionario totali annui e di picco in regime periodico vengono confrontati e usati in combinazione con un metodo diagnostico formale per determinare gli algoritmi responsabili delle differenti previsioni I casi di test sono suddivisi in tre categorie 6699 serie a sono i casi per i programmi numerici pi dettagliati e complessi es modelli numerici 3D che sono stati sviluppati per l analisi energetica dell intero edificio come TRNSYS e SUNREL GC e modelli similari sviluppati utilizzando FLUENT e MATLAB l intento di questi casi quello di dimostrare che 1 modelli numerici sono stati correttamente applicati serie b sono i casi per modelli pi
70. ble will be from the opaque window Increased differences between codes will be from the different film convection amp IR algorithms Tabella 10 BESTEST descrizione dei test di qualificazione e dei test realistici di diagnostica Fonte Judkoff e Neymark 1995 ouorzepi eA Ip p1epuejg Standard di validazione 60m 27m 20m 02m Figura 11 BESTEST geometria base finestre a sud senza ombreggiatura Fonte Zweifel e Achermann 2003 Figura 12 BESTEST sezione dell edificio con aggetto ombreggiante le finestre a sud Fonte Judkoff e Neymark 1995 44 Standard di validazione Figura 13 BESTEST vista assonometrica con finestre ombreggiate ad est e ad ovest Fonte Judkoff e Neymark 1995 ELEVATION 2 7m PLAN VIEW Figura 14 BESTEST vista in pianta con finestre ombreggiate ad est e ad ovest Fonte Judkoff e Neymark 1995 45 Standard di validazione a e T x e lt a E lt gt z o Wu N z u e N lt m o i o E E 5 wu n zl n o o z e or un f Y ES Figura 15 BESTEST vista in pianta e in sezione della zona tampone soleggiata Fonte Judkoff e Neymark 1995 46 Standard di validazione 4 3 1 1 Diagrammi diagnostici I diagrammi di flusso possono essere usati in due modi contrapposti Il pi potente ma che richiede molto tempo quello di eseguir
71. carichi di picco dal 17 al 35 rispetto al calcolo dei carichi annuali dal 28 al 66 C pi diversita tra il calcolo dei carichi annuali di raffreddamento dal 37 al 66 che il calcolo dei carichi annuali ri riscaldamento dal 28 al 39 Inoltre generalmente sono pi in disaccordo i risultati per i casi ad elevata massa dal 27 al 60 che quelli a bassa massa dal 17 al 37 A conclusione di questa sezione nel seguito riportiamo alcuni dei risultati di riferimento che si trovano nella III parte del documento 53 ANNUAL HEATING MWh ESP BLAST DOE2 SRES SUN SERIRES S3 PAS TRNSYS TASE RANGE RANGE ALLCODE ALLCODE CASE UK DMU US IT USA SUN UK BRE SPAIN BEL UK FINLAND MIN MAX MAX MIN MEAN 600 4 296 4 773 5 709 5 226 5 596 4 882 4 872 5 362 4 296 5 709 1 329 5 090 610 4 355 4 806 5 786 5 280 5 620 4 971 4 970 5 383 4 355 5 786 1 329 5 146 620 4 613 5 049 5 944 5 554 5 734 5 564 5 073 5 728 4 613 5 944 1 289 5 407 630 5 050 5 359 6 469 5 883 6 001 6 095 5 624 7 018 5 050 6 469 1 390 5 937 640 2 751 2 888 3 543 3 255 3 803 3 065 3 043 3 309 2 751 3 803 1 382 3 207 650 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 900 1 170 1 610 1 872 1 897 1 988 1 730 1 655 2 041 1 170 2 041 1 744 1 745 910 1 575 1 862 2 254 2 174 2 282 2 063 2 097 2 220 1 575 2 282 1 449 2 066 920 3 313 3 752 4 255 4 093 4 058 4 235 3 776 4 300 3 313 4 300 1 298 3 973 930 4 143 4 347 5 335 4 755 4 728 5 168 4 740 6
72. cia grafica e di impiego limitato poich sono finalizzati alla risoluzione di problematiche specifiche come il dimensionamento dei canali d aria oppure la determinazione dei carichi termici Nell attuale generazione viene simulato il comportamento dell intero complesso edificio impianto accoppiando procedure sia analitiche che numeriche specifiche per la risoluzione dei vari quesiti in particolare vengono risolti simultaneamente le modellazioni dei flussi termici elettrici luminosi acustici e del comportamento degli occupanti Questi software sebbene presentino un interfaccia grafica pi facile ed intuitiva e siano state introdotte diverse funzioni per aiutare il processo di inserimento dei dati richiedono un esperienza non trascurabile da parte dell utilizzatore Al momento gli sforzi che si stanno compiendo in questo settore comprendono certamente lo studio e la formulazione di tecniche di modellazione pi precise ed efficienti in termini computazionali ma anche lo sviluppo di software pi completi ad esempio con una totale integrazione di strumenti per rappresentare la forma e le caratteristiche dell edificio Computer Aided Building Design ed in grado di risolvere un pi vasta gamma di situazioni sfruttando tecniche risolutive differenti in quest ottica va osservato il lavoro di scrittura del codice sorgente di EnergyPlus dove si posto una particolare enfasi per quanto riguarda la modularit Il processo
73. col range di riferimento del caso 610 che con quelli di sensibilit del caso 610 600 In questo report il termine passare significa mostrare una ragionevole congruenza coi range di risultati ricavati con i programmi di riferimento il termine fallisce invece indica sostanzialmente la mancanza di questa congruenza Ci sono alcuni casi dove possibile proseguire sebbene i problemi non siano stati scoperti dalle prove precedenti Ad esempio nel caso 610 l incapacit di modellazione di un sistema con ombreggiature esterne quali aggetti fissi non dovrebbe comportare alcun effetto sulle capacit di simulazione degli edifici con finestre non ombreggiate Nei casi collegati con una singola freccia viene richiesto un risultato soddisfacente prima di continuare coi test Ad esempio nel caso 620 l inabilit di modellare la radiazione trasmessa attraverso una finestra senza ombreggiature rivolta ad est praticamente indica che il software non in grado di proseguire con l analisi energetica dell intero sistema edificio impianto Pertanto non ha senso proseguire finch il problema non Viene risolto Esempio pratico Un software passa il caso 600 ma per il caso 610 mostra una forte discordanza con le previsioni di riferimento sui carichi di raffrescamento annuali Il digramma di Figura 16 suggerisce un potenziale errore con l algoritmo per l analisi delle ombreggiature e invita l utente ad osservare i risultati di sen
74. componenti possono essere semplificati ad esempio interpolando con opportune formule di regressione i dati forniti dai costruttori oppure dettagliati ad esempio applicando le relazioni matematiche fondamentali della termodinamica Questa tecnica presenta tre vantaggi principali a differenti metodi di modellazione possono essere applicati al componenti permettendo cos la coesistenza di metodi dettagliati e di metodi semplificati ove possibile b viene favorita una rapida codifica di modelli prototipo in quanto possono essere inizialmente rudimentali c la discretezza dell approccio previene un impatto negativo dei nuovi modelli sulla soluzione globale Le lacune di questo metodo emergono quando viene incluso un controllo dinamico oppure quando i dati in ingresso di un modello dipendono dagli stessi dati in uscita Nell approccio simultaneo ogni componente impiantistico rappresentato da un numero discreto di volumi finiti ognuno dei quali caratterizzato da una serie di equazioni di conservazione energia massa energia cinetica ecc L equazione matriciale che emerge per la rete dei componenti pu essere combinata con quella che descrive i flussi energetici nell edificio in questo modo possono essere risolte simultaneamente adottando appropriate tecniche numeriche Per ridurre la complessit dell intera rete dell impianto possibile limitare il numero dei volumi finiti in genere a 1 o 2 e quindi utilizzare
75. da Medola 2006 3 Figura 2 Flussi energetici in un edificio Fonte Hand J W 1998 8 Figura 3 Propagazione della radiazione solare su superfici vetrate iii 11 Figura 4 Fattori che influenzano la distribuzione dei flussi d aria negli edifici Fonte Tuomaala 8 8 Figura 5 Approcci risolutivi sequenziale e simultaneo Fonte Bush 1996 sss 14 Figura 6 Struttura di un software di simulazione energetica degli edifici Fonte ASHRAE 2005 Figura 7 Schema di rete neurale FeedForward Fonte Neto e Fiorelli 2008 18 Figura 8 Tecniche di validazione analitica empirica comparativa Fonte Judkoff et al 2008 NN 25 Figura 9 Metodo di validazione Fonte Judkoff R e J Neymark 2006 sss 28 Figura 10 Stanza di riferimento per la validazione secondo norme UNI EN Fonte UNI EN ISO 13792 A NRO 38 Figura 11 BESTEST geometria base finestre a sud senza ombreggiatura Fonte Zweifel e Achermann 2003 0 A A AA A AA fe 44 Figura 12 BESTEST sezione dell edificio con aggetto ombreggiante le finestre a sud Fonte J dkoff eNeymurk 1995 calli ai ia 44 Figura 13 BESTEST vista assonometrica con finestre ombreggiate ad est e ad ovest Fonte Judkoffe Neymark 1995 aa ita 45 Figura 14 BESTEST vista in pianta con finestre ombreggiate ad est e ad ovest Fonte Judkoff e Neymark 1995 l ati ian ali e MERA n 45 Fig
76. del vento parametri prestazionali dei materiali da costruzione L individuazione delle fonti di errore pu risultare molto difficoltoso e costituisce tuttora un campo in continua esplorazione negli ambienti di ricerca Le tecniche comparative possono essere usate per creare delle procedure di diagnosi e per definire pi precisamente i successivi esperimenti sperimentali L ultimo passo coinvolge l esecuzione di pi codici di calcolo seguita dal controllo e un confronto diretto tra i risultati ottenuti Al fine di eseguire una verifica il pi precisa possibile nella selezione dei software da confrontare preferibile operare con programmi che abbiano gi superato altri studi di validazione e che utilizzino modelli per la rappresentazione della realt diversi I casi in cui le previsioni degli applicativi a confronto divergano indicano le aree che richiedono un ulteriore investigazione Qualora un programma completi con successo questi tre stadi li consideriamo validati per i domini di applicazione nei quali stata riscontrata una buona conformit tra la realt e i risultati previsionali ovvero i software sono validi nel range di edifici e zone climatiche rappresentate dai casi test e limitatamente all attuale stato dell arte nel campo informatico e nel campo degli strumenti di misura Un software si simulazione pertanto non in grado di rappresentare fedelmente la realt in ogni suo aspetto ed in qualunque situazione
77. di tali apparecchi pu essere vista come indice di sensibilit dell algoritmo per l analisi dei carichi termici rispetto ai sistemi ombreggianti 41 SETPOINTS OPAQUE SURFACE OPAQUE SURFACE CASE H C V MASS INTGEN ACH INT IR EXT IR INTSW EXT SW GLASS ORIENT SHADE COMMENTS see note 3 C W INFILTR EMISSIV EMISSIV ABSORPT ABSORPT n m 195 20 20 L 0 0 ni A NA l see note 1 S no Case 195 tests solid conduction see note 1 see note 1 see note 4 see note 2 200 20 20 L 0 0 sl wl NA 1 0 S no Do cases 200 thru 215 only if you can explicitly adjust Infra red emissivity in your code Cases 200 195 test film convection algorithms The major portion of the change in results between 200 amp 195 will be from the opaque window Increased differences between codes will be from the different film algorithms 210 20 20 L 0 0 A 9 NA l 0 S no Cases 210 200 test ext ir with int ir off 215 20 20 L 0 0 9 A NA l 0 S no Cases 220 215 test ext ir with int ir on Cases 215 200 test int ir with ext ir off 220 20 20 L 0 0 9 9 NA wl 0 S no Cases 220 210 test int ir with ext ir on Case 220 is base for 230 270 230 20 20 L 0 1 9 9 NA wl 0 S no Cases 230 220 test infiltration 240 20 20 L 200 0 9 9 NA 1 0 S no Cases 240 220 test internal gaing 250 20 20 L 0 0 9 9 NA 9 0 S no Cases 250 220 test exterior solar absorptance incident solar 270 20 20 L 0 0 9 9 9 wl 12 S no Cases 270 220 test south solar transmittance incident
78. difici come finestre con diversi orientamenti sistemi ombreggianti orizzontali e verticali ventilazione notturna con economizzatore zona tampone soleggiata cfr Figura 15 accoppiamento col terreno Si inizia col caso 600 che il primo caso test della serie a bassa massa termica e si prosegue con 1 rimanenti della serie dal 600 al 650 La sequenza ed il significato di queste prove mostrata nel diagramma di Figura 16 Dopo aver inserito accuratamente tutti gli input necessari per il caso 600 i rimanenti si derivano modificando leggermente il caso base come si evince dalla Tabella 10 Ad ogni modo non si deve proseguire coi test finch le anomalie riscontrate non vengono corrette La geometria base una costruzione senza divisori interni di volume pari a 129 6 m 6 x 8 x 2 7 m volume dello spazio interno ovvero senza considerare lo spessore delle pareti con due aperture vetrate orientate verso sud La Figura 11 riproduce tale geometria mentre nelle successive sono riportate le geometrie derivate dal caso base necessarie per l implementazione degli altri test 40 Standard di validazione Quando gli output appaiono soddisfacenti si procede con l inserimento dei dati caratterizzanti il caso base 900 Gli input necessari alla specificazione dei rimanenti casi della serie 900 dal 900 al 990 si ottengono modificando leggermente il caso base come mostrato dalla Tabella 10 I casi addizionali con temperatura fl
79. do gruppo viene spesso associato il nome di ventilazione naturale che si contrappone alla ventilazione forzata solo nel modo adottato per effettuare il ricambio d aria effettuato tramite apparecchiature meccaniche nel caso di ventilazione forzata Avvenimenti casuali come l apertura di porte e finestre e l utilizzo intermittente degli impianti di ventilazione incidono fortemente sulla valutazione dei flussi d aria in quanto influenzano non solo gli spazi direttamente interessati ma anche gli ambienti adiacenti A scopo indicativo riportiamo in Figura 4 i principali fattori che influenzano la distribuzione dei flussi d aria Il movimento dell aria spesso rappresentato con una maglia dove i nodi rappresentano dei volumi fluidi caratterizzati da parametri termodinamici quali la temperatura la pressione l umidit mentre le connessioni nodali rappresentano i percorsi comprensivi delle perdite che connettono questi volumi e attraverso i quali l aria pu fluire Per determinare i parametri di ogni nodo della rete vengono solitamente impiegate tecniche di calcolo numerico Nei casi di fine discretizzazione si coinvolge la soluzione delle equazioni di Navier Stokes congiuntamente alle equazioni di continuit di massa e del bilancio energetico 12 I software di simulazione Vento Sistemi di D Differenze di IAA Velocit temperatura direzione forzata Caratteristiche di ventilatori e canali Forma Res
80. dotti una serie di otto esperimenti con complessit progressivamente crescente i primi due erano preposti all individuazione dei parametri fisici della cella test mentre i successivi sei esperimenti si sono svolti coi carichi solari I primi due esperimenti si sono svolti senza apporti solari in modo da poter specificare dettagliatamente le propriet termo fisiche della struttura includendo i ponti termici Il primo si svolto in regime stazionario che in congiunzione con un software di simulazione 3D ha permesso di quantificare e descrivere i ponti termici Nel secondo esperimento alla temperatura dell aria interna era permessa la fluttuazione in risposta ad una sorgente di calore pseudo casuale Questo esperimento stato simulato con sette programmi di simulazione 1 risultati calcolati permisero di concludere che le caratteristiche della cella test individuate siano molto accurate al fine della validazione Prima della sperimentazione sull irraggiamento solare un esercizio preliminare stato effettuato per identificare in ogni programma il modello pi accurato per l analisi della radiazione incidente sulle superfici Una serie di test sempre pi complessi stata poi realizzata per valutare i modelli di apporto solare nei software di simulazione energetica Una unit vetrata selettiva senza ombreggiamenti con schermi solari interni ed esterni una veneziana esterna e una mini tapparella interna sono state impiegate Un
81. e maggiore e diminuisce nei casi dove il fenomeno di conduzione del calore prevalentemente monodimensionale Lo studio BRE si svolto nel contesto dell IEA Energy Conservation in Buildings and Community Systems ECBCS Program Annex 21 1988 1993 Venticinque serie di risultati da 17 diversi applicativi si simulazione sono stati confrontati La maggior parte dei programmi di simulazione sottostimava il consumo energetico con notevoli variazioni tra vari programmi La modellazione di convezione interna e l influenza della stratificazione termica stati indicati come due delle cause principali per tali discrepanze Questi dati sono stati utilizzati nella successiva ricerca per verificare l adeguatezza dei vari modelli di convezione interna per varie condizioni dell aria in diverse zone IEA SHC Task 22 I dati francesi delle celle di prova ETNA e GENEC sono stati usati dall IEA SHC Task 22 1996 2002 In tutto dieci diversi programmi di simulazione sono stati confrontati con 1 risultati misurati su tre esperimenti separati Nei primi due esperimenti con le celle ETNA un ideale fonte di calore 32 Standard di validazione puramente convettivo stata confrontata con un tipico riscaldamento elettrico convettivo a zona Nel primo esperimento la previsione della temperatura delle zone era basata sulla potenza fornita per il riscaldamento nel secondo esperimento invece era dato il valore di set point del termostato e le sim
82. e proposta in questa sezione 4 3 3 2 Errori trovati nei software di simulazione Nella fase di verifica la metodologia diagnostica dell HVAC BESTEST ha soddisfacentemente evidenziato errori in ognuno dei software di simulazione selezionati dall IEA SHC Task 22 Questa lista riassunta in Tabella 20 Molti degli errori elencati in tabella erano significativi con un effetto talvolta maggiore del 50 sul fabbisogno energetico totale o in taluni casi sul COP In altri casi per alcuni programmi qualche errore provocava un effetto relativamente marginale sul fabbisogno energetico totale lt 2 tuttavia quando un programma affetto da pi errori di minore intensit tali errori non si compensano necessariamente l un l atro e in alcuni casi potrebbero essere cumulativi Inoltre alcuni errori che hanno un effetto secondario sul consumo energetico globale potrebbe avere un effetto ben pi rilevante per dei casi test non previsti in questa procedura pertanto la correzione di errori minori parimente importante di quelli pi evidenti Una breve descrizione del processo diagnostico usato per l individuazione di specifici bug inclusa pi avanti mentre una discussione dettagliata in merito all utilizzo della tecnica diagnostica HVAC BESTEST coi software CA SIS e CLIM2000 presentato in Hayez et al 2001 7 TRNSYS TUD problema con l uso di variabili in semplice precisione TRNSYS il programma principale per l anal
83. e 1 NREL TP 472 7332a National Renewable Energy Laboratory Golden CO Novembre 1995 http www nrel gov docs legosti fy96 7332a pdf Judkoff R e J Neymark Home Energy Rating System Building Energy Simulation Test HERS BESTEST Volume 2 NREL TP 472 7332b National Renewable Energy Laboratory Golden CO Novembre 1995 http www nrel gov docs legosti fy96 7332b pdf 119 Bibliografia 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Judkoff R e J Neymark Model Validation and Testing The Methodological Foundation of ASHRAE Standard 140 NREL CP 550 40360 National Renewable Energy Laboratory Golden CO Luglio 2006 http www nrel gov docs fy060sti 40360 pdf Judkoff R e J Neymark What did they do in IEA 34 43 Or how to diagnose and repair bugs in 500000 lines of code Procedeeing of Building Simulation Luglio 2009 http www ibpsa org proceedings BS2009 BS09 1091 1098 pdf Judkoff R B Wortman B O Doherty e J Burch A Methodology for Validating Building Energy Analysis Simulations NREL TP 550 42059 National Renewable Energy Laboratory Golden CO Aprile 2008 Questa una pubblicazione del lavoro publbicato come bozza finale nel 1983 e riportato in bibliografia in numerosi documenti come SERI TR 254 1508 I due documenti sono identici salvo alcune modifiche minori per completare la bozza precedente http www nrel gov docs fy080sti 42059 pdf Medola Matteo Analisi d
84. e coefficient To exterior ground surface temperature Dimen dimension q heat flow through floor slab To a outdoor dry bulb temperature Notes For models that require air temperature inputs i e that do not allow direct input of surface temperatures convective surface coefficients are effectively infinite Distance from slab edge GC30c GC30a also includes minor difference in amount of soil modeled B C Tabella 14 GC BESTEST descrizione casi test serie a e b Fonte Neymark Judkoff et al 2008 ouorzepi eA Ip p1epuejg Slab Gound Far Dimen h int h ext Depth Field Cond Case Description test Dynamic mxm W m K W m K m Bound W mK Comments Comparative Base Case steady Most robust version of GC30 that can be done by BASESIMP GC30c for c serjes state 12 x 12 7 95 const T 15 8 1 9 Inputs To 10 C Ti a 30 C GC30c GC30a tests reduced h int versus direct TC A A GC40c tests phase shift of varying q versus varying To GC40c Harmonic Variation harmonic 12x 12 7 95 direct T 15 8 1 9 GC40c COME ini Se a dn steady To GC45c Aspect Ratio AR harmonic 36x4 7 95 direct T 15 8 1 9 GC45c GC40c tests aspect ratio high perimeter heat transfer fraction GC55c Shallow Deep Ground harmonic 12x12 7 95 direct TA 5 8 19 GC55c GC40c tests shallow deep ground temperature high core heat transfer Temp fraction GC80c Ground Conductivity harmonic 12x 12 7 95 direct T 15 8 0 85 GC80c GC
85. e la cui temperatura mantenuta ad un valore costante che varia solo stagionalmente 40 C 24 ore giorno dal 1 Ottobre al 30 Aprile 20 C 24 ore giorno dal 1 Maggio al 30 Settembre Nel caso 1830 viene rimosso l isolamento dall involucro edilizio della zona primaria e ad ogni test successivo nella struttura viene introdotta prima una finestra opaca caso 1840 che sar successivamente sostituita con una finestra reale caso 1850 e seguenti La scelta del metodo pi appropriato per la modellazione di questi casi test lasciata all utente il quale dovr procedere diversamente a seconda delle caratteristiche del software in esame Lo scambio di calore dallo strato a temperatura costante verso la zona attiva viene osservato in dettaglio la potenza e il fabbisogno energetico sono i parametri osservati in tutti 1 casi test Il controllo della temperatura nella zona primaria viene realizzato con un impianto di riscaldamento e o raffrescamento separato ideale puramente convettivo con setpoint costante Questo significa che per controllare la zona attiva non viene usato il sistema radiante stesso ma certamente questo impianto influenza il bilancio energetico dell ambiente climatizzato Gli impianti reali di questo tipo sono spesso progettati per funzionare su uno schema predefinito piuttosto che su un sistema di controllo collegato alla condizioni dell ambiente da climatizzare in quanto spesso impossibile a causa della forte inerzia
86. e sia 1 consumi complessivi sia i carichi massimi che determinano il dimensionamento degli impianti di climatizzazione La massa non costituisce di per s una soluzione applicabile indiscriminatamente per migliorare automaticamente le prestazioni energetiche L uso di un involucro pesante sottintende una conoscenza profonda delle propriet dinamiche delle chiusure ed una soluzione che si sposa felicemente con le strategie di raffreddamento passivo richiamate anche dall EPBD nella nota iniziale n 18 La direttiva europea in questa nota ricorda che negli ultimi anni nei paesi del sud Europa si assistito ad un maggior ricorso ad impianti per la climatizzazione dell aria ponendo cosi gravi problemi di carico massimo In questi paesi dovrebbe essere data priorit al rispetto dei consumi energetici per il raffrescamento anzich per il riscaldamento magari ricorrendo anche a tecniche di raffreddamento passive Con riferimento alla climatizzazione estiva i D Lgs 192 05 e 311 06 impongono solo per alcune zone climatiche e destinazioni d uso l adozione di determinate soluzioni d involucro senza che si 2 Tra le ricerche scientifiche sviluppate in quest ambito ricordiamo quelle descritte dal periodico Costruire In Laterizio consultabili all indirizzo www laterizio it costruire Negli anni 2006 e 2008 il picco di potenza estiva si manifestato superiore a quello invernale Venerd 20 luglio 2007 con 56 6 MW stata registrat
87. e tutti i test e successivamente analizzare i risultati seguendo la logica diagnostica indicata nei diagrammi Il modo che richiede meno tempo quello di lanciare i test in sequenza seguendo le indicazioni dei diagrammi come descritto nel seguito Le figure riportate alla fine di questo paragrafo contengono una serie di digrammi di flusso per i test di qualificazione e di diagnostica Questi diagrammi mostrano l ordine da seguire per l esecuzione dei vari test dando una breve descrizione delle caratteristiche che vengono verificate e indicano dove applicare la diagnostica nei casi in cui vengano riscontrati dei risultati anomali Il primo digramma ricopre i casi dal 600 al 650 Iniziando col caso 600 che una semplice stanza isolata con bassa massa termica e una larga superficie vetrata rivolta a sud se gli output del programma concordano soddisfacentemente coi risultati di riferimento vedi par 4 3 1 2 allora si prosegue in maniera sequenziale come specificato in Figura 16 Dopo aver completato con successo 1 casi test a bassa inerzia termica si procede coi casi di qualificazione ad elevata massa Figura 18 e Figura 19 Per passare un test un software deve mostrare una ragionevole congruenza sia nei risultati assoluti che in quelli di sensibilit dedotti coi programmi di riferimento Ad esempio per passare il caso 610 600 del diagramma dei test di qualificazione a bassa massa gli output del software devono essere confrontati sia
88. e utilizzare dati climatici molto aggregati Le simulazioni effettuate in regime dinamico invece permettono un analisi molto pi realistica e completa valutando nel dettaglio la risposta dell involucro edilizio sollecitato da vari fattori esterni quali la temperatura esterna la radiazione solare la ventilazione naturale il comportamento degli occupanti l impianto di climatizzazione A livello professionale dunque importantissimo approfondire quanto pi possibile le analisi energetiche dotandosi dei mezzi e delle competenze per utilizzare gli strumenti che operano in regime dinamico gli unici che possono dare un informazione completa tangibile sostegno alla progettazione 4 Molti sono gli esperti che lamentano questa lacuna nell attuale normativa italiana Tra questi citiamo il lavoro pubblicato da RockWool Italia di Vincenzo Corrado e Matteo Serraino del dipartimento di energetica dell universit di Torino Il nuovo quadro legislativo italiano sull efficienza energetica degli edifici D Lgs 192 2005 D Lgs 311 2006 accessibile all indirizzo www rockwool it Lei I software di simulazione 2 I SOFTWARE DI SIMULAZIONE Una simulazione di un edificio una rappresentazione matematica del comportamento fisico di ogni suo comportamento Tuttavia essa non pu replicare precisamente una costruzione reale in quanto tutte le simulazioni sono basate su una serie di ipotesi fondamentali che ne pregiudicano l
89. e y ejdu exe 104 Poe 99M SOSED SSEW moj snonDojeue eui uni jou a MONA 40 seses ssew yf esoul Og SION waBosdXov8l3s 00 009 079 Wa18Oud IN3A 1 aiou ees SSVIN IH 0109 ar _ 009 059 9 069 IL HA OU 30VHS M 3 0 9 9 0 9 Gg tiv HA Wa180Ud 3ONVLLWSNVBUSONSGIONI M 3 009 029 029 zv _ A W3180Ud 30VHS HILNOS e SALSONOVIO Se 018 NYHL 18 Ho a o i VIO 1Hvi1S 3 V3 SSVWO1 NOILVOIITWNO _ Wa 180d U3ISNVHL 1vaH disval d i 008 Figura 16 BESTEST diagnostica per i casi con bassa massa termica 49 Standard di validazione If your code cant do A then do B B is less certain than A because more interactions are inciuded in B SOUD CONDUCTION PROB AZ 200 195 _F gt SURFACE CONVECTION PROB FA3a 210 200 EXTERIOR IR PROB int IR of ASb 220 215 EXTERIOR IR PROB int IR on a Adal 215 200 INTERIOR IR PROB ext IR off A4b 220 210 INTERIOR IR PROB ext IR on URFACE CONVECTION AND OR IR PROB INFILTRATION PROB amp 31906 1 86 INTERNAL GAINS PROB EXT SOLAR ABSORPTANCE AND OR INCIDENCE PROB SOUTH SOLAR TRANSMITTANC AND OR INCIDENCE PROB SOLAR ABSORPTANCE AND OR CAVITY ALBEDO PROB THERMOSTAT DEADBAND PROB A12 290 270 E OUTH SHADE PROB E W SOLAR INCIDENCE AND
90. ealt delle cose e qualche semplificazione del reale sistema fisico analiticamente risolvibile Pertanto le soluzioni analitiche hanno alcuni elementi di interpretazione sull esatta natura delle condizioni al contorno che causano piccole difformit tra i risultati Ad esempio nella modellazione del controller un gruppo ha derivato la soluzione analitica per un controller ideale che mantiene la temperatura della zona esattamente al valore di setpoint mentre l altro gruppo ha sviluppato una soluzione numerica per un controller realistico che permette una piccola variazione della temperatura di zona all interno di un limitato lasso di tempo Ogni soluzione produce risultati leggermente diversi ma entrambe sono corrette nel contesto di questo esercizio Questo potrebbe essere imperfetto dal punto di vista di un matematico ma abbastanza accettabile da un punto di vista ingegneristico Specifici esempi di piccole differenze rimanenti nelle soluzioni vengono discussi nella Part II della relazione tecnica completa 18 Il restante disaccordo tra le soluzioni analitiche abbastanza piccolo tale da consentire l individuazione di bug nei software che altrimenti non sarebbero emersi dal confronto diretto tra 14 Hochschule Technik Architektur Luzern HTAL e la Technische Universit t Dresden TUD 80 Standard di validazione software e di conseguenza migliora la capacit diagnostica della procedura di validazion
91. eee ee ete SER SUE Ie cdi 16 2 3 2 Metodo ANVETSO sc tr 17 2 3 3 Panoramica sui principali metodi d analisi energetica 20 LA VALIDAZION Evans 23 3 1 METODOLOGIA DI VALIDAZIONE iii 23 3 1 1 Principali estrapolazioni adottate essen 27 3 1 2 Metodologia globale di validazione eese 28 3 2 NECESSIT NORMATIVA DI VALIDARE UN CODICE 29 STANDARD DI VALIDAZIONE eens 31 4 1 PANORAMICA SUI PRINCIPALI STUDI DI VALIDAZIONE 31 4 1 l Verifica adnal sport riada 31 41 2 Verifica emplFiC scoprirai ela ERR Dee 31 4 1 3 Verifica comparatlivd s s0pa sarei 35 4 1 4 Tabella riassuntiva i iii 36 4 2 VALIDAZIONE SECONDO NORME UNI EN 00 37 4 2 1 Norme per la validazione dei metodi di simulazione dell intero COLPIU CL ORS AAA I ed 37 Indice 4 3 VALIDAZIONE SECONDO IEA BESTEST esee 40 4 3 1 IEA ENVELOPE BESTEST oiiaii e A Eee emen 40 4 3 2 IEA Ground Coupled BESTEST ili 58 4 3 3 HVAC BESTEST Cases E100 E200 i 76 4 3 4 HVAC BESTEST Cases E300 E545 iii 87 4 3 25 YEA RADIES Tc erem d eS 100 S EONCEUSIOND oett netter mene e ES 113 6 ACRONIMI lele ele eer erm em EE EET RES 117 T BIBLIOGRAEB TA veces ei aida FRA dad dass das 119 II Indice INDICE DELLE FIGURE Figura 1 Effetti dell inerzia sull onda termica Fonte adattamento
92. el 2009 113 Conclusioni A conclusione di questo progetto e delle relative subtask si sono individuati oltre 100 bug dei quali almeno 80 sono stati corretti come riassunto in tabella Progetto Discordanze Modelli Identificate Corrette Testati Ground Coupled Slab on Grade subtask A 24 19 9 Multi Zone Non Airflow subtask B1 48 32 9 Airflow subtask B2 1 1 di Shading Daylighting Load Interaction subtask C 14 14 7 Mechanical Equipment and Control subtask D 10 8 5 Double Skin Facade subtask E2 9 6 5 TOTALE IEA SHC 34 ECBCS 43 106 80 24 molti modelli sono stati testati in differenti subtask Tabella 28 Riassunto correzioni dovute all IEA 34 43 Fonte Judkoff e Neymark 2009 Questo ci permette di affermare che gli attuali software di simulazione energetica possono essere considerati validi entro il range dei test effettuati ovvero tali programmi se utilizzati consapevolmente forniscono dei risultati pi che affidabili A tal proposito a modesto parere dell autore si dovrebbe incentivarne maggiormente il loro utilizzo specie negli ambienti professionali invece che accademici in modo da infondere maggior fiducia nell impiego di nuove soluzioni impiantistiche piuttosto che nuovi materiali edili o configurazioni architettoniche A conferma di tale affermazione riportiamo il diagramma elaborato in seguito alla DNE A 16 2 a s NE somministrazione in forma riservata di un ques
93. el rapporto di carico PLR Questo comportava una sopravalutazione del carico latente allo scambiatore e del totale fabbisogno energetico del 30 115 e del 7 22 rispettivamente nei casi con funzionamento continuo e con carichi parziali medi mid PLR Fino a poco tempo fa DOE 2 stato il principale software di analisi energetica sponsorizzato dal dipartimento di energia statunitense Department Of Energy molti dei suoi algoritmi sono stati incorporati in EnergyPlus DOE 2 2 Isolamento e correzione di un errore relativo al calcolo della temperatura a bulbo bagnato in ingresso EWB Questo provocava una sovrastima del 20 50 sul picco orario del carico latente dello scambiatore nei casi ad elevato rapporto di aria esterna DOE 2 2 basato su DOE 2 1E con ulteriori sviluppi da parte di James J Hirsch amp Associates EnergyPlus Isolamento e correzione di un errore relativo al calcolo della temperatura di raffreddamento in uscita dalla batteria alettata e il rapporto di umidit durante il funzionamento a secco dello scambiatore Questo portava al non funzionamento dell apparecchiatura HVAC in determinate ore della giornata ci influenzava il fabbisogno energetico annuo sia del compressore che del ventilatore lato condensatore e un consumo di picco orario discordante del 1 2 nei casi E300 E360 DOE ha recentemente rilasciato EnergyPlus che costituisce il suo programma di simulazione energetica dettagliata di prossi
94. elle configurazioni che stressano quei meccanismi pi rappresentativi del maggior parte degli edifici Sarebbe troppo costoso realizzare gli stessi test con lo stesso livello di strumentazione e controllo in un grande edificio commerciale rispetto ad una pi piccola abitazione Sar l abilit dell utente che andr ad investigare se nei due casi si manifestano gli stessi meccanismi di trasmissione termica cosi da poter individuare il modello pi idoneo Tabella 4 Tipi di estrapolazioni Fonte adattamento da Neymark J e R Judkoff 2002 27 La validazione 3 1 2 Metodologia globale di validazione La Figura 9 mostra un processo col quale possibile usare congiuntamente la tecnica analitica empirica e comparativa in modo tale da sfruttare i vantaggi dell uno e dell altro approccio Praticamente non esiste una procedura migliore di un altra per quanto riguarda l utilizzo delle varie tecniche ad esempio il confronto tra pi modelli pu essere eseguito prima della validazione empirica al fine di definire con maggior precisione l obiettivo delle successive prove di validazione e aiuta a stimare l incertezza sperimentale dovuta alla propagazione di tutte le sorgenti di errore note attraverso uno o pi software di simulazione energetica L esecuzione della validazione empirica prima di altre consigliabile in quanto l unica tecnica che consente un confronto con la realt fisica dei processi di trasmissione
95. elle prestazioni termiche dell involucro in laterizio valutate in regime dinamico nel sistema edificio in un contesto climatico mediterraneo Sito Web del Consorzio Alveolater Dicembre 2006 http www alveolater com ricerche termica relazione0207 pdf Medola Matteo Prestazioni termiche Costruire In Laterizio Num 118 Luglio Agosto 2007 http www laterizio it costruire Neto A H e Fiorelli F A S Comparison between detailed model simulation and artificial neural network for forecasting building energy consumption Energy and Buildings Volume 40 Issue 12 Pages 2169 2176 2008 http linkinghub elsevier com retrieve p11 S0378778808001448 Neymark J e R Judkoff International Energy Agency Building Energy Simulation Test and diagnostic method for heating ventilating and air conditioning equipment models HVAC BESTEST vol 1 Cases E100 E200 NREL TP 550 30152 National Renewable Energy Laboratory Golden CO Gennaio 2002 http www nrel gov docs fy02osti 30152 pdf Neymark J e R Judkoff International Energy Agency Building Energy Simulation Test and diagnostic method for heating ventilating and air conditioning equipment models HVAC BESTEST vol 2 Cases E300 E545 NREL TP 550 36754 National Renewable Energy Laboratory Golden CO Dicembre 2004 http www nrel gov docs fy050sti 36754 pdf Neymark J Judkoff R et al International Energy Agency Building Energy Simulation Test and Diagnostic Me
96. enti parametri Carichi interni sensibili Carichi interni latenti Infiltrazioni Frazione d aria esterna Setpoint del termostato Impostazioni del sistema di controllo dell economizzatore 87 Standard di validazione Near Adiabatic Conditioned Zone gt Supply air Compressor o Indoor air distribution fan O O gt O O Condensing lt gt a C Unit oS Thermostat O gt i O Condenser SS Evaporator coil C2 coil O DI Expansion device CN Condenser Condensate drain ae fan 6 Air mixing Outside y Relief damper alr controller The thermostat senses only the zone air temperature IDB Entering dry bulb and wet bulb temperatures Figura 45 HVAC BESTEST schema impianto di climatizzazione casi E100 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2004 88 Cooling Outside Internal gains A Infiltration f setpoint air Case no Sensible Latent C ACH ACH Comments Preliminary Series E300 Base Case 15 OA mid mid 25 0 1 734 Supply fan runs continously compressor cycles as needed expanded performance data Tests outside air versus E500 E310 High latent load mid high 25 0 1 734 Tests high latent load versus E300 E320 Infiltration mid mid 25 11 558 0 000 Tests high infiltration versus E300 E330 E330 Outside air mid mid 25 0 11 558 Tests high outside air versus E300 E320 E340 Infil OA interaction mid mid 25 5 779 5 779 Tests
97. entre nel caso di superfici trasparenti si ha assorbimento riflessione e trasmissione Una modellazione accurata della radiazione solare richiede metodi di calcolo per la previsione della posizione relativa tra le superfici e il fascio solare Le propriet termo fisiche interessate includono i coefficienti di assorbimento riflessione emissione degli elementi i quali dipendono dall angolo di incidenza e dalla lunghezza d onda del raggio incidente Il modello inoltre funzione dalla latitudine e longitudine del sito ora del giorno mese anno e della geometria della superficie 2 2 5 Ombreggiature Questo fattore controlla l intensit e il punto di applicazione dell energia solare gravando profondamente sull accuratezza dell intero algoritmo di simulazione solare Si richiedono tecniche proiettive e di previsione temporale per la stima delle aree ombreggiate le quali necessitano dell esatta conoscenza della configurazione geometrica sia degli elementi costruttivi che della dislocazione dell arredamento interno Usualmente si assume che l ombreggiatura riduca l intensit della radiazione diretta mentre quella diffusa rimane inalterata fintanto che l effettivo angolo solido a cui afferisce la superficie in questione viene drasticamente ridotto 11 I software di simulazione SI possono individuare tre fonti principali di ombreggiatura ombreggiatura propria dovuta alla proiezione dell ombra di alcuni element
98. er report realizzati con questo programma per vari test di validazione Infine ricordiamo che in ASHRAE Fundamentals Handbook cap 32 1 inserito un paragrafo che focalizza alcuni concetti chiave sulla scelta del software di simulazione energetica da adottare per scopi professionali Complessit degli input o semplicit velocit di utilizzo largamente influenzato dalla presenza di valori predefiniti che possono essere impiegati in analisi semplificate o quando la progettazione dell edificio convenzionale Nel caso di esigenze pi dettagliate il programma usa 1 valori predefiniti richiedendo solamente quelli mancanti Qualit dei risultati Le relazioni finali devono essere facili e intuitive con titoli non ambigui unit di misura adatte incorporando grafici e tabelle riepilogative Inoltre devono essere disponibili anche dei report pi dettagliati e approfonditi adatto ad un pubblico esperto Disponibilit dei dati meteorologici Si deve valutare attentamente la disponibilit di database aggiornati compatibili col software considerato Inoltre alcuni software dispongono di specifici algoritmi per la conversione del formato dei dati meteorologici Funzioni ausiliarie La presenza di funzioni aggiuntive come quelle di analisi economica sono importanti per la scelta finale Disponibilit di corsi di insegnamento Completezza del manuale tecnico I risultati delle simulazioni devono sempre essere veri
99. ergy Simulation Software Building Energy Simulation Test Computer Aided Building Design Coefficient Of Performance Charted Institute of Building Services Engineers Unites States Department Of Energy Entering Dry Bulb temperature Energy Performance of Buildings Directive Entering Wet Bulb temperature Home Energy Rating System Heating Ventilation and Air Conditioning International Energy Agency International Energy Agency Solar Heating and Cooling Programme Modular Simulation Environment National Association of State Energy Officials Residential Energy Services Network National Renewable Energy Laboratory Nato nel 1977 come SERI Outdoor Dry Bulb temperature Part Load Ratio Solar Energy Research Institute Dal 1991 NREL Sensible Heat Ratio Variable Air Volume system 117 Acronimi 118 Bibliografia 7 BIBLIOGRAFIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ASHRAE Energy estimating and modeling methods Cap 32 in ASHRAE Handbook 2005 Fundamentals SI 2005 Baratta A Venturi L Prestazioni termiche di pareti perimetrali in regime dinamico Costruire In Laterizio Num 122 Marzo Aprile 2008 http www laterizio it costruire Bush Robert D Methods of Energy Analysis Cap 4 in Fundamentals of Building Energy Dynamics di Bruce D Hunn The MIT Press 1996 Campioli A Ferrari S Lavagna M Il comportamento ene
100. erie a prima di procedere con uno qualsiasi degli altri casi test 62 Slab Gound Far Dimen h int h ext Depth Field Cond Case Description test Dynamic mxm W m K W m K m Bound W mK Comments Analitycal Verification Tests Analytical verification of detailed numerical methods models including set up Analitycal Base Case of node meshing and boundary conditions GC10a Rectangular floor slab steady 12x12 const T const I infinite infinite 19 Boundary Conditions constant temperature floor Ti and exterior ground To Steady state state surfaces linear dT across slab perimeter surface boundary 3D conduction Other Inputs 24 cm perimeter boundary width To 10 C Ti 30 C suppress all other modes of heat transfer Comparative Tests GC30a Comparative Base Case steady 12x12 const T const T 30 20 19 Boundary Conditions slab perimeter surface is adiabatic GC30a GC10a tests for a series state adiabatic versus linear dT slab perimeter surface b c Comparative Base Case steady Most robust version of GC30a possible for EnergyPlus and SUNREL GC GC30b for b series ls 12x 12 100 100 15 15 1 9 Inputs To a 10 C Ti a 30 C a GC30b GC30a tests h 100 versus direct T GC40a Harmonic Variation harmonic 12x12 direct T direct T 30 20 1 9 Annual harmonic variation of To or To a mean 10 C low 2 C high 18 C A AR CG c ee GC40 tests phase shift of varying q versus varying To GC4
101. ervare le principali fonti di errore che intercorrono nel processo di validazione stessa e le semplificazioni estrapolazioni ipotesi adottate A conclusione di questa parte si fornisce una panoramica sugli adempimenti normativi in merito al processo di validazione sia su scala europea che internazionale a cui devono soddisfare i software di simulazione energetica per poter esser impiegati La terza parte espone in maniera semplificata i principali studi di validazione che in conclusione vengono riassunti in una tabella riepilogativa In seguito vengono analizzate in maniera pi dettagliata alcune tra le predette procedere Questa parte si suddivide in due macro aree la validazione secondo norme UNI EN e quella proposta dall International Energy Agency IEA denominata BESTEST Per quanto concerne la seconda si optato per l esposizione di quattro tra i numerosi progetti IEA due inerenti gli scambi termici tra l involucro edilizio e l esterno e i rimanenti si concentrano sulla validazione dei modelli si simulazione degli impianti di climatizzazione degli ambienti interni Introduzione 1 1 Normativa italiana e suoi limiti Il problema del risparmio energetico si pose all attenzione del mondo occidentale nel 1973 all indomani della guerra israeliani arabi in seguito alla quale gli arabi cercarono di condizionare il comportamento delle nazioni occidentali limitando le forniture di petrolio grezzo Successivamente il proble
102. es eow sy joejje eui e esneoeq esodxe jou pip seseo sseu moj eu jeu swejqojd jeeAe Aew sese ssew y6y eur yey i sjse voneoyyenb sseuw moj eui pessed pee re esey Aew wes6oid ey u6nou vese sonsouBeip sseui moj O UNE seuaulos am VOSEB eu Z SION SOHd NOILIVBILNI ONIQvHS W3 SSVW lt A 065 068 SOHd NOILOVH3INI 3ovuss ssvw lt 019 016 018 006 oig 018 Jo BOHd NOILOVH3INI ora oi 88 BOHd NOILOVHU3INI 4v10S S SSVW C Soudssvwoisv8 3 Llocroos Figura 19 BESTEST diagnostica per i casi con elevata massa termica E Standard di validazione 4 3 1 2 Output di riferimento I risultati finali ricavati dai programmi di riferimento BLAST 3 0 level 193 v 1 DOE2 1D 14 ESP R v8 SERIRES SUNCODE 5 7 SERIRES 1 2 S3PAS TASE TRNSYS 13 1 sono presentati nella parte finale del report in forma tabellare e grafica In alcuni grafici sono stati riportati i range di riferimento massimi e minimi tuttavia si vuol ora sottolineare che questi intervalli non rappresentano uno standard di verit assoluta Per ogni caso se un programma cade nella mezzeria dell intervallo non significa che sia migliore di altri che invece cadono agli estremi I range rappresentano le differenze tra gli algoritmi considerati come 1 pi rappresentativi dello stato dell arte attuale 1995 Un software che cade all esterno dell intervallo di riferimento sta producendo risultati differenti dai programmi esaminati in ques
103. esempio se l isolamento localizzato nella posizione pi interna della parete allora ogni radiazione solare a bassa lunghezza d onda che entra dalle finestre e colpisce la superficie interna non pu essere assorbita velocemente dalla parete poich l isolante funge da barriera Inoltre l energia solare causer un aumento della temperatura superficiale che conseguentemente far crescere la quantit di energia rilasciata all aria tramite il processo di convezione naturale con un conseguente sovra riscaldamento fenomeno che colpisce principalmente gli ambienti ad elevata P penetrazione di energia solare Viceversa se lo strato isolante posto esternamente soluzione comunemente chiamata a cappotto i carichi interni a bassa lunghezza d onda possono essere accumulati dalla capacit termica della struttura e quindi smaltiti anche con tecniche passive D altro canto un elevata capacit termica comporta il rischio di aumentare la richiesta energetica di picco da parte degli impianti soprattutto nei casi in cui si adotta uno schema di regolazione intermittente o comunque in fase di avviamento questo pericolo viene a scemare nel caso in cui si ot I software di simulazione utilizzi una regolazione modulante che intrinsecamente predisposta per un funzionamento a pieno carico dell impianto con conseguenti vantaggi prestazionali Il rischio di condensazione interstiziale maggiore nel caso di isolamento posto interna
104. esperimento finale con una finestra vale a dire superficie vetrata ed intelaiatura stata effettuata In questi esperimenti la potenza di riscaldamento raffreddamento stata aggiustata per mantenere la temperatura dell aria quasi costante nella cella di prova Fino a sette software di simulazione sono stati valutati per ogni esperimento includendo HELIOS EnergyPlus DOE 2 1E ESP r TRNSYS TUD IDA ICE TRNSYS ULg L impatto di questi test di validazione gi stato realizzato Finora numerosi sono gli errori e le deficienze identificate nei riguardi della radiazione solare superfici vetrate ombreggiature trasmissione del calore superficiale Questi risultati mostrano anche che questa una serie di dati test di qualit elevata Per maggiori informazioni si rimanda all indirizzo www empa ch ieatask34 dal quale possibile scaricare la descrizione dettagliata degli esperimenti condotti e i dati raccolti per eseguire la validazione di altri software 34 Standard di validazione In generale questi studi hanno dimostrato l importanza di realizzare studi di validazione con un alto grado di controllo sulle gi citate fonti di errore esterne Per questo motivo la metodologia NREL sottolinea i seguenti punti per la validazione empirica Iniziare con dei test molto semplici prima di procedere a costruzioni pi complesse Utilizzare un livello di controllo dettagliato per monitorare i processi fisici ta
105. ettagli sulla geometria al bordo caso GC30b Fonte Neymark Judko f et l 200 a AA gen AA 65 Figura 29 GC BESTEST geometria con specifiche dimensionali caso GC30b Fonte Neymark Judkoff et al ZOOS ceee atada its cedros 66 Figura 30 GC BESTEST geometria caso analitico GC10a Fonte Neymark Judkoff et al tp 67 Figura 31 GC BESTEST conduzione termica in regime periodico prima delle correzioni Fonte Neymark Judkoff etal 2008 e ttt RT e AO ode da i 69 Figura 32 GC BESTEST conduzione termica in regime periodico dopo le correzioni Fonte Neymark Judkoff et al 2008 M ii 69 Figura 33 GC BESTEST conduzione termica in regime stazionario prima delle correzioni Fonte Neymark Judkoff et al 2008 70 Figura 34 GC BESTEST conduzione termica in regime stazionario dopo le correzioni Fonte Neymark Judkoff et al 2008 cniri nnno i 70 Figura 35 GC BESTEST diagramma diagnostico per i casi della serie a Fonte Neymark SUK OFF etal 2008 3 tse ote tete ce T CR Case baa C ER ere EI ees 73 Figura 36 GC BESTEST diagramma diagnostico per i casi della serie b Fonte Neymark J dkoff et al 2008 3 3 ne A Weder iine cha LES Sete e 74 Figura 37 GC BESTEST diagramma diagnostico per i casi della serie c Fonte Neymark Judkoff et al 2008 e tin ertet eit re ce bere eae ee PR eed lange Cais ais 75 Figura 38 HVAC BESTEST schema impianto di climatizzazione casi El00 E200
106. ezione e alla ripetizione del caso test Se in un ottica ingegneristica il disaccordo causato da una differenza ragionevole tra i risultati degli algoritmi testati e quelli di riferimento allora si pu proseguire con il successivo caso di prova I percorsi alternativi es doppia freccia come nei casi E410 E420 indicano la possibilit di passare oltre in quanto eventuali problemi riscontrati non pregiudicano l efficacia dei test successivi Nelle operazioni di confronto tra i risultati del software in esame con quelli di riferimento risultano molto utili i file in formato excel allegati al report completo 06 Standard di validazione Esempio pratico Un programma mostra discordanze col caso E300 Visto che questo il caso di base per la serie E300 la Figura 48 suggerisce una serie di potenziali fonti di discrepanze tra gli algoritmi includendo la variazione dinamica del carico il 15 d aria esterna miscelata con aria di ritorno funzionamento continuo del ventilatore interno o prestazioni dinamiche su base oraria delle apparecchiature come f EDB EWB ODB PLR L utente viene indirizzato ad eseguire la diagnostica C1 e C2 Se il disaccordo persiste con C1 e o C2 queste eliminano tra le cause del problema la miscelazione dell aria esterna e il funzionamento in continuo del ventilatore L utente quindi indirizzato a ricontrollare i risultati provenienti dai casi E100 E200 cfr Figura 43 Se i risultati E1
107. ficati da esperti anche perch gli sviluppatori del software non si accollano alcuna responsabilit in merito A tal proposito bene conoscere quali algoritmi vengono usati quando si lancia una simulazione semplice o dettagliata e quale modello matematico viene adottato in tali routine informatiche Un importante punto di partenza per tale scelta pu essere la consultazione del file pdf disponibile sempre nel sito del dipartimento di energetica statunitense che confronta diverse caratteristiche tra cui 1 test di validazione superati di 20 software considerati rappresentavi dell attuale stato dell arte In questa categoria rientrano software semplificati es operanti solo in regime stazionario finalizzati al solo calcolo dei carichi termici valutazioni economiche energetiche analisi e dimensionamento di specifici impianti come sistemi a tutt aria o impianti a pannelli radianti 18 Disponibile al seguente collegamento diretto http www eere energy gov buildings tools_directory pdfs contrasting_the_capabilities_of_building_energy_performanc e_simulation_programs_v1 0 pdf 116 Acronimi 6 ACRONIMI ANN ASHRAE BEAS BESS BESTEST CABD COP CIBSE DOE EDB EPBD EWB HERS HVAC IEA IEA SHC MSE NASEO RESNET NREL ODB PLR SERI SHR VAV system Artificial Neural Network American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers Building Energy Analysis Software Building En
108. gruenza migliorata anche tra i modelli numerici dettagliati risultati mostrati con sfondo blu dove le divergenze iniziali che raggiungevano il 12 sono state ridotte a 0 4 per i modelli verificati in questo progetto La Tabella 17 riassume tali risultati dividendoli per tipo di dati osservati e separandoli per i modelli numerici verificati ed 1 software di simulazione la Tabella 18 invece riporta gli errori individuati ed eventualmente corretti durante questo progetto Modelli numerici verificati FLUENT 6 0 20 MATLAB 7 0 4 365 R14 TRNSYS 16 1 Programmi di simulazione BASECALC V1 0e EnergyPlus 2 0 0 025 ESP r BASESIMP GHT SUNREL GC 1 14 01 VA114 2 20 ISO 13370 Fonte Neymark Judkoff et al 2008 68 Standard di validazione Verified Numerical Output Models Other simulations Conduction Wor Whih 0 3 0 5 GHT only Other Cases W of Wh 0 1 4 2 10 16 a o ald coma ma Steady Periodic Annual Peak Hour 1 0 4 2 se age Floor Conduction W or Wh h Tabella 17 GC BESTEST intervalli di discordanza tra i risultati finali Fonte Neymark Judkoff et al 2008 IEA BESTEST Ground Coupling In Depth Floor Slab Steady Periodic Annual Floor Conduction Floor Heat Flow kWh GC40a GC40b GCA5b ideal films h 100 AR 36x4 GC55b GCT0b GC80b GC40c GC45c GC55 2mdepth hint 7 95 k 0 5 hint 7 95 AR 36x4 5m depth k 0 85 hext 11 95 hext ideal BI TRNSYS
109. i dell edificio su altre porzioni dell involucro ombreggiatura generata da ostacoli vicini come schermi fissi aggetti orizzontali o verticali o schermi mobili veneziane tende ecc ombreggiatura generata da ostruzioni dell ambiente circostante all edificio quali possono essere costruzioni vegetazione alta oppure rilievi orografici I sistemi di ombreggiamento artificiale comportano la modifica del campo di moto convettivo dell aria nei dintorni delle aperture trasparenti In particolare nel caso di tapparelle poste all esterno il moto convettivo viene spesso considerato solo in funzione degli agenti ambientali quali la velocit e la direzione del vento mentre nel caso di veneziane posizionate all interno la distanza dal vetro la finitura superficiale delle lamelle e la loro inclinazione sono solo alcuni dei parametri che devono essere considerati 2 2 6 Flussi d aria Negli edifici tre sono i predominanti flussi d aria che provocano un incremento dello scambio termico per avvezione infiltrazioni flussi con gli ambienti confinanti e ventilazione forzata AI termine infiltrazione si associano tutti gli ingressi d aria provenienti dall esterno questi possono essere suddivisi in due categorie infiltrazioni d aria incontrollabili sia attraverso le tenute dei serramenti che tramite l involucro edilizio stesso ingressi d aria desiderati attuati con l apertura di porte e finestre A questo secon
110. i vari strati di una singola parete tra tutte le superfici di una data zona o tra pi zone ed i sistemi matematici ad esso connesso Il processo di soluzione per un modello pu essere perfetto mentre il modello rimane difettoso o inadeguato per un determinato scopo o situazione fisica ad esempio utilizzando un modello monodimensionale di conduzione termica per rappresentare una situazione in cui la conduzione bidimensionale dominante 23 La validazione Tecnica Vantaggi Svantaggi Empirica Approssimazione veritiera della Incertezza sperimentale Test del modello e del realt entro i limiti di precisione o calibrazione degli strumenti processo di risoluzione sperimentale discretizzazione spazio temporale o conoscenza specificazione imperfetta degli oggetti sperimentali che devono essere simulati Misurazioni dettagliate e di elevata qualit costose e tempo dispendiose Solo un numero limitato di test sono funzionali Qualunque livello di complessit Analitica Nessuna incertezza sui dati di Non possibile verificare la Test del processo di input validit di un modello risoluzione Soluzione matematica esatta per Lamitata a casi altamente il modello dato vincolati per i quali possibile Economica ricavarne una soluzione analitica Comparativa Nessuna incertezza sui dati di Approssimazione non veritiera Test di confronto del input della realt consigliabile u
111. ic ACH INFIL Air changes per hour infiltration l LOC LATTE e INT EXT IR EMISS Internal external infrared emissivity TEMP Temperaire ot active layer INT EXT SW ABSORP Internal external short wave absorption ORIENT Oriensbon S south SCHED Schedule of active layer NEXT TO Boundary from the floor of active zone HC W S Highly conductive wall south AD Adiabatic floor BA B NA Not Active No input value required 7 DADO MR Tabella 27 RADTEST descrizione dei casi test Fonte Zweifel e Achermann 2003 QUOIZEPI EA Ip prepuris Standard di validazione 4 3 5 1 Output di riferimento I partecipanti al progetto IEA SHC Task 22 hanno prodotto una serie di risultati di riferimento che sono inclusi nella seconda parte del report esposto in questo paragrafo Questi risultati sono stati raccolti in una prima fase in forma chiusa ovvero gli incaricati alla modellazione delle varie prove non conoscevano 1 risultati degli altri programmi e pertanto non potevano confrontarli tra loro Questa una buona soluzione per migliorare le specifiche dei vari casi test Concordemente coi risultati della prima fase sono stati individuati e successivamente corretti alcuni errori nelle specifiche dei vari test In una seconda fase le ovvie discordanze tra 1 risultati dei vari programmi sono state discusse e migliorate mentre in alcuni casi si rese necessaria una terza fase dove si provveduto all individuazione e correzione di alc
112. ie infatti competenze e abilit nella gestione pratica degli edifici e conoscenze di simulazione Diverse difficolt pratiche impediscono di raggiungere una simulazione calibrata che rifletta da vicino le prestazioni dell edificio attuale tra cui la misurazione e l adeguamento dei dati meteorologici per l uso da parte dei software di simulazione ad esempio la conversione della radiazione solare orizzontale globale in radiazione diffusa e diretta la scelta dei metodi utilizzati per calibrare il modello la scelta dei metodi utilizzati per misurare i parametri di input necessari per la simulazione cio la massa della costruzione o coefficienti di infiltrazione e i coefficienti di ombreggiatura Modelli veramente calibrati sono stati raggiunti solo in poche applicazioni in quanto richiedono un gran numero di parametri di input un elevato grado di competenza ed enormi quantit di tempo di calcolo pazienza e risorse finanziarie 19 I software di simulazione Alcuni studi suggeriscono l utilizzo di modelli pi semplici in modo da permettere l esecuzione della calibrazione pi velocemente in quanto ci sono meno parametri da modificare Tipicamente l edificio viene diviso in due zone la zona perimetrale e la zona interna La zona interna si assume che sia perfettamente isolata dalle dispersioni attraverso l involucro edilizio mentre gli apporti di calore solare quelli per conduzione e le
113. ifiche per l immissione di input veritieri I casi dal 395 al 440 cercano di risolvere questo problema presentando una serie di test alternativi che sono leggermente pi realistici rispetto ai casi primitivi anche se non sono in grado di fornire una diagnosi precisa a causa dei molteplici effetti operanti simultaneamente Se il software non pu modellare esplicitamente implicitamente o approssimare un effetto di una prova diagnostica non si deve eseguire quel caso ma cercare un percorso diagnostico alternativo tramite i diagrammi Ad esempio se un programma non in grado di procedere seguendo il percorso A probabilmente si pu usare efficacemente il percorso B cfr Figura 17 Il percorso B non cos chiaro come quello A in quanto pi effetti interagiscono simultaneamente tuttavia questi test rimangono ancora utili per individuare le probabili fonti di discrepanza Gli esercizi di qualificazione stessi forniscono alcune informazioni diagnostiche basate sui risultati derivati da casi individuali la sequenzialit dei test e le differenze tra 1 risultati di alcuni test particolari sono alcuni dei fattori che aiutano nel processo diagnostico Queste differenze possono essere considerate come la sensibilit di un programma in quanto esso riesce a marcare propriamente la presenza o la mancanza di alcune peculiarit dell edificio Ad esempio la differenza tra i carichi estivi di una struttura dotata di sistemi ombreggianti e una sprovvista
114. imulations 2002 4 1 2 Verifica empirica Diversi studi di validazione sperimentale sono stati svolti sia in Europa che negli Stati Uniti 1 quali si sono avvalsi di differenti strutture costruite a tale scopo Solar Energy Research Institute SERI Validation Test House in Golden Colorado National Research Council of Canada NRCan Test House in Ottawa Canada Los Alamos National Laboratory Sunspace Test Cell in Los Alamos Nuovo Messico US 3 Standard di validazione Building Research Establishment BRE Test Rooms in Cranfield Inghilterra Electricit de France ETNA e GENEC Test Cells in Francia Iowa Energy Resource Station ERS Ankeny Iowa US EMPA Test Cell in Duebendorf Svizzera Double Skin Fa ade DSF Test Facility AAU Aalborg University Danimarca I dati sono stati raccolti dalla casa test del NREL negli inverni del 1982 e 1983 due studi si sono succeduti utilizzando DOE 2 1A e BLAST 3 0 Nel primo basato sui dati del 1982 si sono eseguiti globalmente nove casi test si iniziato con un caso base dove si sono utilizzati solo valori provenienti dai manuali e si concluso con l ultimo caso dove si sono adoperati come dati di input i valori misurati per l infiltrazione temperatura del suolo temperature interne conduttanza termica delle superfici opache e vetrate Le previsioni sul fabbisogno energetico per il riscaldamento fornite dai software in esame nel p
115. ione 3 LA VALIDAZIONE Le prestazioni crescenti dei calcolatori hanno generato una proliferazione di software di simulazione per l analisi energetica degli edifici Tali strumenti utilizzano una serie di approcci diversi per il calcolo del fabbisogno energetico e ci vuole poco affinch un qualsiasi controllo di qualit non riesca a sottolineare le falle di alcune delle procedure di calcolo impiegate Uno dei primi studi di valutazione tra i vari strumenti di progettazione condotto dal National Renewable Research Laboratory NREL allora denominato Solar Energy Research Institute nei primi anni ottanta mostr delle grandi ed inspiegabili differenze tra questi software di previsione anche nel caso in cui le simulazioni venissero eseguite da esperti e con gli stessi dati in ingresso Lavori pi recenti per sviluppare dei test sui software e sulle procedure di validazione mostrano che le cause delle diverse previsioni possono essere isolate e che i bug che potrebbero causare queste anomalie possono essere individuati e risolti con un conseguente miglioramento del programma 3 1 Metodologia di validazione La procedura di validazione sviluppata in quegli anni oggi seppur con leggere revisioni ed aggiustamenti largamente accettata dalla comunit scientifica La validazione completa di un software si compone di tre differenti tipi di test strettamente interconnessi 1 Validazione analitica Gli output di un programma di una subroutine
116. ione dei metodi di calcolo Fonte UNI EN 15255 Tipo di controllo Sottoclasse a b Temperatura dell aria V V Temperatura operativa V Tabella 8 Sottoclassificazione dei metodi di calcolo Fonte UNI EN 15255 Ad esempio un metodo di classe 3b in grado di operare con sistemi puramente convettivi di capacit rinfrescante infinita con funzionamento continuo o intermittente di capacit rinfrescante fissa con sistemi di ombreggiatura mobili e con un controllo sulla temperatura dell aria nella stanza o sulla temperatura operativa Non in grado di modellare superfici rinfrescanti 39 Standard di validazione 4 3 Validazione secondo IEA BESTEST 4 3 1 IEA ENVELOPE BESTEST Il report a cui si fa riferimento in questa sezione disponibile in letteratura come NREL TP 472 6231 10 fornisce una serie di casi test per confrontare direttamente tra loro pi software di simulazione dinamica e se del caso effettuarne la diagnostica per individuare le fonti di diversit Questo documento diviso in tre parti Parte I spiega i vari test e come applicare la procedura BESTEST con un approccio molto schematico se non addirittura manualistico Parte II descrive la procedura adottata per lo sviluppo nel campo dei test svolti e la produzione dei dati di riferimento Parte III presenta i risultati dei programmi di riferimento sotto forma di tabelle e grafici Globalmente questa raccolta racch
117. ione della struttura test di base caso E100 una singola zona rettangolare senza finestre quasi adiabatica con soli carichi interni definiti dall utente geometria identica a quella dell ENVELOPE BESTEST ma ora senza finestre Dal momento che due programmi non richiedono esattamente gli stessi input si cercato di descrivere i vari casi test in modo da permetterne l esecuzione su pi software pur mantenendo le specifiche geometriche e dei materiali il pi semplici possibili cosicch da minimizzare l eventuale introduzione da parte dell utente di errori sui dati di input Indoor air distribution fan O Supply air Conditioned Zone Compressor Supply air duct Evaporator coil Expansion device Condensate drain EDB EWB Thermostat 0000000 Condenser Cre fan Return Ambient air air exhaust The thermostat senses only the zone air temperature IDB Location of entering dry bulb and wet bulb temperatures Figura 38 HVAC BESTEST schema impianto di climatizzazione casi E100 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2002 L impianto mostrato in Figura 38 rappresenta un sistema separato formato da una unita condensante esterna che raffredda l aria e una unit interna che racchiude l evaporatore Le caratteristiche tecniche del sistema meccanico sono incluse nel documento completo a cui si fa riferimento Vengono forniti i dati a pieno carico in un form
118. isi dei sistemi solari negli Stati Uniti TRNSYS TUD una versione personalizzata con gli algoritmi sviluppati da Technische Universit t Dresden TUD Germania Per la serie iniziale dei risultati a bassi carichi parziali casi E130 E140 E190 e E195 ci sono stati grandi errori 43 48 nei carichi sensibili e latenti scambiati dalla batteria alettata che si sono propagati attraverso le previsioni del fabbisogno energetico Per il caso a carico parziale medio caso E170 mid PLR l errore sul consumo energetico stato elevato 14 La diagnostica ha indicato che il problema potrebbe essere l applicazione della curva di carico parziale in un ulteriore revisione del codice gli autori hanno scoperto un problema con l utilizzo delle variabili in singola precisione in una delle subroutine di calcolo associate con il loro modello che simula un controller realistico Questo ha causato errori di arrotondamento che sono diventati rilevanti nei carichi ridotti La Figura 40 documenta i risultati delle e 200 4 simulazioni prima e dopo la correzione del 150 problema e include un confronto con la soluzione analitica TUD successivamente 100 verificata coi risultati analitici HTAL La 50 figura mostra che al variare della precisione 6 4 E130 low PLR dry 190 low PLR wet 1 Total Electric Consumption kWh February di calcolo di determinate variabili da singola a doppia precisione
119. istenza al dell edificio flusso verticale Distribuzione della pressione del vento Stratificazione Pressione termica flottante imposta EDIFICIO Comportamento Configurazione degli occupanti delle perdite Distribuzione della pressione interna DISTRIBUZIONE FLUSSI D ARIA Figura 4 Fattori che influenzano la distribuzione dei flussi d aria negli edifici Fonte Tuomaala 2002 2 2 7 Guadagni gratuiti Principalmente negli edifici non residenziali gli effetti dei carichi termici e luminosi delle apparecchiature elettroniche degli occupanti e di altri sistemi energetici possono essere considerevoli Risulta pertanto importante simulare il loro comportamento nel modo pi realistico possibile tenendo conto anche del loro reale utilizzo nei vari momenti lavorativi della giornata Tipicamente gli apporti termici convettivi e radiativi vengono processati separatamente dalle emissioni di umidit per permetterne la modulazione in funzione di prescrizioni sul comportamento degli occupanti oppure seguendo quelle dettate dai sensori nei locali Normalmente si considera che la cessione di calore per convezione avvenga istantaneamente come se fosse un carico termico direttamente fornito all aria al contrario il calore scambiato per irraggiamento viene simulato alla stregua delle radiazioni a bassa lunghezza d onda che penetrano nell edificio si andr quindi ad analizzare a seconda dei materiali e della loro dislocazio
120. itions for the use of simulation in M amp E Engineering Procedeeing of Building Simulation Luglio 2009 http www ibpsa org proceedings BS2009 BS09_0414_419 pdf 121 Bibliografia 32 33 34 Zweifel G e M Achermann RADTEST Radiant Heating and Cooling Test Cases A report of IEA Task 22 Subtask E Aprile 2003 http www iea shc org task22 publications RADTEST_final pdf Zweifel G e M Achermann RADTEST The extension of program validation towards radiant heating and cooling Procedeeing of Building Simulation Agosto 2003 http www ibpsa org proceedings BS2003 BS03_1505_1512 pdf Zweifel Gerhard New EPBD related standards and their relation to building and HVAC system simulation Procedeeing of Building Simulation 2007 http www ibpsa org proceedings BS2007 p440_final pdf 122
121. iude 36 casi test pi 4 varianti dei casi 600 650 900 e 950 contrassegnati dal suffisso FF nei quali la temperatura lasciata libera di oscillare tuttavia se un utente non interessato ad eseguire la diagnostica deve solamente effettuare 14 test di qualificazione le prove rimanenti sono solo per scopi diagnostici In Tabella 9 e Tabella 10 si sono evidenziati i principali parametri afferenti ad ogni singolo test La sequenza nella numerazione delle prove va dal caso pi semplice verso il pi complesso pertanto il caso 195 il numero pi basso rappresenta un test diagnostico molto semplice e primitivo mentre il caso 990 il numero pi alto riproduce un caso relativamente realistico con un accoppiamento col terreno complesso Le serie 600 e 900 costituiscono i test di qualificazione e quindi devono essere eseguiti per primi tutti gli altri sono di diagnostica e vanno eseguiti secondo le modalit riassunte nei diagrammi di flusso di Figura 16 e seguenti Un approccio alternativo ma pi oneroso prevede prima l esecuzione di tutti i test e poi l analisi dei i risultati secondo la logica esposta nei predetti diagrammi I test di qualificazione dal 600 al 650 e dal 900 al 990 riproducono una serie di edifici a bassa e alta inerzia termica che sono relativamente realistici per quanto riguarda le loro caratteristiche termiche Questi test verificano l abilit di modellazione di diversi aspetti fondamentali nella dinamica degli e
122. iverse iterazioni della procedura diagnostica e grazie al miglioramento dei modelli i programmi testati appaiono affidabili nel campo dei parametri prestazionali analizzati e delle condizioni di lavoro dinamiche previste I programmi si mostrano attendibili anche nella modellazione della miscelazione con aria esterna infiltrazione impostazioni del termostato condizioni di sovraccarico e vari sistemi di controllo dell economizzatore Questo set di risultati possono quindi essere utilizzati come riferimento su cui ci si pu basare per validare un altro software Contrariamente ai casi in regime stazionario E100 E200 che sono stati risolti analiticamente la natura pi realistica dei casi E300 E545 permette di misurare l importanza delle divergenze nei risultati della simulazione in termini di prestazioni energetiche annuali e se lo si desidera di costi energetici annuali anche se non trattato in questa sede Questo un buon modo per comprendere l importanza delle discordanze tra 1 risultati Ad esempio una grande differenza percentuale per un certo risultato che ha solo un impatto marginale sul fabbisogno energetico annuo non pu essere preoccupante mentre una piccola differenza percentuale con un forte impatto sul consumo energetico annuo si pu considerare importante I 92 Standard di validazione carichi interni adottati per i casi E300 E545 combinano aspetti tipici sia dell involucro edilizio che di apporti ter
123. ivi interni ad elevate lunghezza d onda Ombreggiature dovute a sporgenze veneziane o altro Stanza di riferimento esposizione ad ovest Guadagni interni di calore a profilo fisso 50 convezione 50 radiazione Dimensione della finestra grande 7 0 m piccola 3 5 m Tipologia degli elementi vetrati vetro singolo doppio Massa termica alta bassa Tetto presente mancante Ventilazione fissa bassa alta ventilazione notturna Condizioni climatiche esterne cicliche estive Latitudine 40 N e 52 N Stanza di riferimento esposizione ad ovest finestra grande 7 0 m2 Guadagni interni di calore 5096 convezione 5096 radiazione Massa termica alta bassa Doppi vetri con senza dispositivi ombreggianti Sistema di controllo temperatura dell aria temperatura operativa Funzionamento dell impianto continuo 24h intermittente 8 00 18 00 Ventilazione con senza ventilazione notturna Potenza massima di raffrescamento fissa illimitata Con senza impianto di raffrescamento a superficie pavimento o soffitto Condizioni climatiche esterne cicliche estive Latitudine 52 N Stanza di riferimento esposizione ad ovest finestra grande 7 0 m Guadagni interni di calore 20 W m Dispositivi ombreggianti alle finestre presente mancante Tetto presente mancante Set point per il riscaldamento 20 C Set point per il raffrescamento 26 C Funzionamento dell
124. k humidity E310 E350 E545 10 25 daily humidity ratio E530 specific day results 20 50 peak latent coil loads E330 E340 E400 1 0 total consumption E340 20 50 peak latent coil loads E320 E340 Possible fatal error Negligible 196 256 consumption and total peak power E300 series input fixed Fixed No change fixed in EnergyPlus No change fixed in EnergyPlus Fixed Authors notified Fixed Fixed Fixed 05 Standard di validazione Weather data interpolation with 0 1 consumption E300 ENERGYPLUS RNA series 096 296 total peak power Fixed y P E300 series Economizer compressor lockout ts ENERGYPLUS allowed as input but not E410 gives same results as E400 e s notified implemented in the software ENERGYPLUS Moisture balance PO EU Tired E525 negligible consumption 4 total consumption 5 HOT3000 Outside air not properly modeled sensible coil 9 latent coil E330 Fixed only System performance parameters HOT3000 based on zone conditions from a peak cousampHon E10 AUD i E520 only notified previous time step A Dry Bulb temperature EWB Entering Wet Bulb temperature PLR Part Load Ratio Specific cases or conditions relevant to the described disagreement s are included in parentheses C D Fatal error occurs if ARI condition data point is not used for curve fit normalization Compressor OD fan Acronyms and abbreviation BF B
125. l confronto di sensibilit tra 1 risultati del caso GC45b con quelli del caso GC40b gi eseguito precedentemente In particolare si deve porre particolare attenzione all intensit della differenza tra i due risultati delta results ed il loro segno Se un software mostra delle difformit con i risultati di riferimento in primo luogo si consiglia di controllare la correttezza di tutti i dati di input Qualora non si siano individuati errori nei dati di input si prosegue la ricerca del problema nel codice sorgente del programma se si trova un errore allora si provvede alla sua correzione e alla ripetizione del caso test Se in un ottica ingegneristica il disaccordo causato da una differenza ragionevole tra i risultati degli algoritmi testati e quelli di riferimento allora si pu proseguire con il successivo caso di prova I percorsi alternativi es doppia freccia come nel caso GCSSb indicano la possibilit di passare oltre anche se sono state scoperte alcune divergenze nel caso precedente Ad esempio nel caso GC55b l incapacit di modellare la temperatura con basse profondit del terreno non pregiudica necessariamente l utilit o verificabilit del software per la modellazione di scenari con profondit della terra pi reali Cos il diagramma di flusso ha una freccia di collegamento in pi tra il caso GC55b e il caso GC70b che indica che si pu procedere a prescindere dai risultati del caso GC55b Qualora i ca
126. la 27 0 30 0 30 0 30 Return Temp 35 25 C 6 00 x m Supply Temp 40 20 C Figura 51 RADTEST geometria dettagliata dell impianto radiante Caso n Schema grafico Descrizione Scopo Corrisponde al caso 800 dell ENVELOPE BESTEST Un 800 edificio ad elevata massa termica con Caso base una finestra opaca Pavimento VILILIZIZIZIZIZIZIZZIZIZIZIZZZIZZZZA adiabatico con capacit di NPAT OPPO P POTATO immagazzinamento del calore 102 Standard di validazione 1800 1805 1810 1815 1820 1830 VL LLL Ec Modello a due zone completamente isolato infiltrazione assente carichi interni assenti Modello a due zone completamente isolato infiltrazione ACH 1 0 l h carichi interni 200 W dal 1 Maggio al 30 Settembre puramente convettivi Superficie a temperatura costante tra lo strato di cemento e quello isolante Coefficiente superficiale sul pavimento puramente convettivo Rimpiazzare il coefficiente superficiale puramente convettivo con un coefficiente combinato Radiazione dal pavimento verso il soffitto 100 Normale distribuzione della radiazione verso tutte le superfici Costruzioni reali per pareti e tetto Carichi interni puramente convettivi 365 giorni anno ACH 0 5 l h Trasmissione del calore attraverso gli elementi da costruzione interni Presenza di carichi interni Modello convettivo Modello radiati
127. le che idealmente consenta una misura in grado di determinare il bilancio energetico componente per componente Misurare sperimentalmente 1 principali parametri degli elementi costruttivi es coefficiente di dispersione termica complessiva in regime stazionario ed effettiva massa termica per consentire un controllo incrociato tra le specifiche dell edificio con quelle misurate Utilizzare diverse condizioni climatiche tipi di edifici e modalit di funzionamento cosicch da poter verificare pi domini all interno dello spazio n dimensionale di parametri Confrontare i dati misurati con quelli calcolati usando pi di scale di tempo e sulla base dei risultati sia intermedi che finali tra cui la temperatura ed i valori di potenza Questi studi hanno mostrato inoltre l efficacia della diagnostica basata sull utilizzo congiunto sia della tecnica empirica che di quella comparativa tra software specialmente per l identificazione degli errori di compensazione all interno dei codici di calcolo 4 1 3 Verifica comparativa Molti sono gli studi di convalida comparativa Tra i pi autorevoli disponibili in letteratura citiamo le varie procedure BESTEST vedi par 4 3 inoltre ricordiamo che tutti gli studi di cui sopra sono accompagnati da una serie di simulazioni comparative basate sui dati oggetto dell analisi 35 Standard di validazione 4 1 4 Tabella riassuntiva In conclusione di questo paragrafo in Tabella 5
128. low PLR amp SHR versus E190 Tests low PLR at constant SHR vs E185 Tests latent load at low PLR versus E130 Full load test at ARI conditions E200 6120 1817 22 2 35 0 Tests for ARI indoor wetbulb temperature at full sensible and latent loads Abbreviations PLR Part Load Ratio ODB outdoor drybulb temperature EDB entering drybulb temperature vs versus SHR Sensible Heat Ratio ARI Air Conditioning and Refrigeration Institute Internal Gains are internally generated sources of heat and humidity that are not related to operation of the mechanical cooling system or its air distribution fan Tabella 19 HVAC BESTEST descrizione casi test E100 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2002 79 Standard di validazione 4 3 3 1 Produzione dei risultati analitici Le soluzioni analitiche incluse nell HVAC BESTEST Cases E100 E200 rappresentano uno standard matematicamente veritiero ovvero definiti i casi test e note le varie assunzioni specifiche c una soluzione matematicamente corretta per ogni caso di verifica proposto In questo contesto le ipotesi e i dati caratterizzanti l impianto di climatizzazione sono rappresentativi di tipici dati costruttivi normalmente individuabili nei cataloghi dei costruttori e che molti software di simulazione sono predisposti ad utilizzare importante comprendere la differenza tra uno standard matematicamente veritiero e uno standard assolutame
129. ma generazione HOT3000 Isolamento e correzione di un errore relativo alla modellazione dell aria esterna Questo produceva una sottostima del 4 sul fabbisogno totale una sottovalutazione del 5 del carico sensibile della batteria alettata e una sottostima del 9 del carico latente allo scambiatore nel caso con il 100 di aria esterna HOT3000 sviluppato e mantenuto da CANMET Energy Technology 94 Standard di validazione Centre at Natural Resources Canada una versione modificata di ESP r autorizzata dall universit di Strathclyde in Scozia UK che mantiene lo stesso approccio di modellazione di ESP r ma include alcuni nuovi modelli come quelli per le attrezzature di raffreddamento dedicate a singole zone Software Error Description Disagreement Resolution Inconsistent accounting of fan heat main issue and dry coil 14 compressor consumption 9 SODXRUN modeling in neural i peak i E300 E3 10 Pied performance mapping 1 compressor consumption CODYRUN Moisture balance calculation E360 496 596 peak power Fixed E360 E300 E320 14 compr consumption E320 IDB does not float above set point E340 1 compressor SOLPEREN when equipment is dl consumption pina E3xx 0 Fixed 1 peak power E300 series Thermal balance calculation CODYRUN amalgamation of air infiltration Up to 4 total consumption Up to Fixed and outside air mixing and 3 peak consumption thermal capacitance i
130. ma venne riproposto in termini ben pi preoccupanti nella prospettiva di esaurimento delle fonti primarie tradizionali la preoccupazione per l impiego di energia nucleare le conseguenze inquinanti sull ambiente per effetto degli scarichi di combustione La legge 373 del 30 04 1976 si preoccup in particolare di determinare limitazioni nei consumi energetici nel riscaldamento degli ambienti imponendo che l involucro edilizio assicurasse il minimo possibile di dispersione di calore verso l esterno Con la legge 10 del 09 01 1991 l approccio al problema del risparmio energetico stato di diversa natura pur se nell analogo obiettivo di indurre l utente a limitare i consumi energetici per le proprie esigenze di riscaldamento ambientale In pratica le osservazioni vanno concentrate su quello che il fabbisogno d energia dell utente nell arco di un intero esercizio annuale portando in conto non solo gli effetti dell isolamento ma anche gli apporti gratuiti che contribuiscono al riscaldamento ambientale In seguito alla direttiva europea 2002 91 CE del 16 12 2002 sul rendimento energetico in edilizia Energy Performance of Buildings Directive in vigore da gennaio 2006 si visto un rinnovamento legislativo che ha portato alla promulgazione a livello nazionale del decreto legislativo 192 del 19 08 2005 successivamente integrato e corretto dal decreto legislativo del 29 12 2006 n 311 e relativi decreti attuativi
131. mente in quanto una porzione della parete potrebbe scendere sotto la temperatura di condensazione dell aria umida che si diffonde attraverso la parete in assenza di un efficace barriera al vapore Riassumendo la conduzione termica ha effetto sulla domanda energetica sui picchi di richiesta sul livellamento dei carichi sul rendimento con cui opera l impianto e la potenziale condensazione dell umidit con conseguente formazione di muffe Sfortunatamente non esiste un criterio che possa essere usato dai progettisti per selezionare la soluzione ottimale in ogni circostanza tuttavia i modelli di simulazione dinamica risultano essere un valido strumento per sopperire a questa carenza cercando di prevedere quali siano le prestazioni termodinamiche dell edificio 2 2 2 Irraggiamento interno ad elevata lunghezza d onda Lo scambio radiativo ad elevata lunghezza d onda tra le superfici funzione della temperatura in maniera non lineare dell emissivit dell estensione e del tipo di contatto visuale che sussiste tra le superfici fattore di forma e dalla natura della riflessione superficiale diffusa speculare o mista Naturalmente il flusso energetico tender a ristabilire l equilibrio tra le temperature superficiali raffreddando le superfici calde e riscaldando quelle pi fredde Questo interscambio energetico tra le superfici importante soprattutto in qui casi dove esiste una forte asimmetria tra le temperature c
132. mici gratuiti interni Poich non vi quasi alcuna incertezza sui carichi a cui il sistema meccanico deve rispondere tutte le divergenze nei risultati di simulazione possono essere attribuite ai modelli dell impianto HVAC quindi evidente dai risultati iniziali per il caso E300 che gli algoritmi difettosi nei modelli delle attrezzature HVAC possono facilmente rappresentare il 10 20 degli errori nelle previsioni del fabbisogno energetico per gli edifici reali sebbene molti dei programmi usati fossero gi stati corretti dagli errori riscontrati con gli esercizi E100 E200 60000 40000 30000 AAA LAA AN REA ESSE 20000 AN FA GIOVI na j Electricity Consumption kWh ATRNSYS TUD DOE21E J NREL MDOE21E E NREL EJENERGY GARD E CODYRUN UR BIHOT3000 NRCan Figura 46 HVAC BESTEST totale consumo elettrico prima della diagnostica BESTEST Fonte Neymark e Judkoff 2004 60000 50000 4 RM IIIA 40000 30000 20000 10000 Electricity Consumption kWh 0 o Se 9 aS s E FL amp E amp AS amp JI TRNSYS TUD DOE 2 2 NREL FDOE 2 1E E NREL ENERGY GARD BICODYRUN UR BHOT3000 NRCan Figura 47 HVAC BESTEST totale consumo elettrico dopo la diagnostica BESTEST Fonte Neymark e Judkoff 2004 93 Standard di validazione 4 3 4 2 Bugs riscontrati nei software analizzati I risultati ottenuti con i programmi di simulazione utilizzati in questo repor
133. mperature bin times load for that X X data driven bin method bin ASHRAE TC 4 7 modified bin Modified bin method with cooling load method B 7 factors i 1 Uses daily data to determine overall heat Multistep paramieter identification B E B gt loss and ventilation of large buildings Dynamic Methods Ti riil network P 7 x Uses equivalent thermal parameters data driven mode Tabulated or as used in simulation Response factors programs Fourier analysis x B X x Frequency domain analysis convertible to time domain ARMA model B n B X AutoRegressive Moving Average ARMA model PSTAR model X _ x x Combination of ARMA and Fourier series includes loads in time domain Modal analysis X Building described by diagonalized differential equation using nodes Differential equation X Analytical linear differential equation Computer simulation x x Hourly and subhourly simulation programs DOE 2 BLAST EnergyPlus E with system models Computer emulation 5 HVACSIM TRNSYS X Subhourly simulation programs Artificial Neural Networks X Connectionist models Tabella 2 Classificazione dei metodi per l analisi energetica degli edifici Fonte ASHRAE 2005 6 Si preferito riportare la tabella in lingua originale in quanto per alcuni metodi non esiste una traduzione univoca che non lasci dubbi all interpretazione 2 I software di simulazione DI La validaz
134. na spesa considerevole di risorse umane ed economiche non produssero risultati tali da sostenere delle conclusioni definitive I livelli di convalida dipendono dal grado di controllo esercitato sulle possibili fonti di errore in una simulazione Queste fonti di errore sono composte da sette tipologie divise in due gruppi Errori esterni Differenze tra l attuale microclima che interessa l edificio e i dati meteorologici usati nel programma Differenze tra l attuale programmazione strategie di controllo e gli effetti dei comportamenti degli occupanti e quelli assunti dall utilizzatore del software Errori dell utente nel derivare i file di input dell edificio Differenze tra le attuali propriet termiche e fisiche dell edificio includendo i sistemi impiantistici ed i relativi dati in ingresso scelti dall utilizzatore Errori interni Differenze tra gli attuali meccanismi di trasferimento del calore che si manifestano nell edificio reale e nel suo impianto di climatizzazione e il modello semplificato usato per simulare questi processi fisici Errori o imprecisioni nella soluzione dei modelli matematici Errori nel sorgente del software Nel livello pi semplicista l attuale utilizzo di energia nel lungo periodo viene confrontata con quello calcolato dal software senza alcun tentativo di eliminare le fonti di discrepanza Molti utenti preferiscono questo livello poich molto simile all att
135. ne la porzione di onde riflesse e assorbite A causa dell inerzia termica sia dell arredamento che dell involucro l irraggiamento assorbito dai 13 I software di simulazione materiali viene poi rilasciato sotto forma di calore con uno sfasamento temporale dipendente dalla capacit termica di ognuno Alcuni apporti termici casuali come gli apparecchi elettronici e luminosi richiederanno l elaborazione di un modello del loro comportamento elettrico al fine di modulare l emissione di calore in funzione del loro reale consumo elettrico 2 2 8 Impianti di riscaldamento ventilazione e condizionamento dell aria HVAC systems L intero sistema impiantistico nei riguardi della modellazione viene solitamente diviso in due categorie l impianto e le macchine L impianto consiste nei componenti atti alla distribuzione del fluido termo vettore aria e o acqua nelle varie zone dell edificio canali d aria tubazioni valvole pompe ventilatori serrande ecc I modelli per questi componenti sono finalizzati al calcolo dell energia necessaria per vincere le perdite prima di giungere ai terminali di riscaldamento o condizionamento dove l energia residua pari a quella calcolata nella modellazione dei carichi viene trasferita all ambiente da climatizzare Nella categoria delle macchine rientrano tutte quelle apparecchiature elettriche e meccaniche usate per la produzione di acqua refrigerata acqua calda o
136. nput error CDF PLR not properly accounted 8 18 indoor and outdoor fan CODYRUN for in indoor and outdoor fan consumption 1 3 total Fixed consumptions consumption E500 E525 Neural network performance 2L Ded pour sensible Lis 7 CODYRUN i E360 1 total consumption Fixed calculation E360 Balancing of zone air conditions 36 53 peak latent coil load CODYRUN and equipment performance 2 6 5 peak consumption Fixed parameters E520 E522 ii 30 115 latent coil loads 7 Authors DOE 2 1E ESTSC i 22 total consumption E300 notified DOE 2 1E ESTSC DOE 2 1E ESTSC DOE 2 1E ESTSC DOE 2 2 DOE 2 2 ENERGYPLUS ENERGYPLUS ENERGYPLUS continuous fan operation and typical range of PLRs Hard wired lower limit on EWB used with performance data Single pass HVAC calculation with 1 hour time step Variation of zone humidity ratio in dry coil cases with constant set point and cooling on Incorrect entering wet bulb temperature for high outside air with abrupt changes in conditions Possible incorrect entering wet bulb temperature for high infiltration air with abrupt changes in conditions Documentation improvement for when performance data for ARI rating conditions not included Latent cooling load calculation System control during part loading E350 E400 E440 65 109 fan consumption 6 8 total consumption low EDB E520 E540 only 20 50 peak latent coil load E320 E340 E400 20 80 pea
137. nt gain D Basic Performance Model Full load at ARI conditions also E tests set point w very small overload ABBREVIATIONS E185 E180 E160 E150 E165 E160 B4 Ny E190 E180 BS E195 E185 B5 ET95 E190 B6 Latent loading v low SHR D E180 E150 Latent loading v dry coil D E150 E110 E190 E140 E195 E130 E170 amp E170 E150 E170 amp E170 E150 E170 amp E180 E170 GOTO CONTINUE E300 A 7 Agree i e agree with analytical solution results for the case itself and the sensitivity case E g to check for agreement regarding Case E130 compare example results for Case E130 and E130 E100 sensitivity D Disagree i e show disagreement with analytical solution results NOTES It is better to perform analyze results of these tests in blocks such as E100 E140 and E150 E200 Figura 43 HVAC BESTEST diagramma diagnostico per i casi in regime stazionario E100 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2002 86 Standard di validazione 4 3 4 HVAC BESTEST Cases E300 E545 Il secondo volume della raccolta HVAC BESTEST rappresenta un estensione della serie di prove raccolte nel precedente volume I casi E100 E200 sono limitati al regime stazionario e possono quindi essere risolti analiticamente il secondo volume casi E300 E545 include gli effetti dinamici del sistema e altri casi test che non possono essere risolti analiticamente Questo documento
138. nt has optimum charge R22 charge not constant 11 Computer model used to generate catalog data 12 Computer model based on test data 13 Computer model validated within the operating envelope of compressor 14 Computer model iterates and determines if the coil is wet or dry 15 Data are for 38AKS012 matched with a 40RM012 6796 m3 h indoors 16 Original data provided 6 27 01 additional data provided 9 25 01 and 9 18 02 17 Data received from D Barkley and J Pegues of Carrier Corporation Syracuse New York US 18 SI data converted from original IP data by J Neymark J Neymark amp Associates Golden Colorado US Tabella 24 HVAC BESTEST prestazioni a pieno carico dell impianto Fonte Neymark e Judkoff 2004 9 Standard di validazione 4 3 4 1 Output di riferimento Si sono condotte prove di verifica con i nuovi casi HVAC BESTEST con sei programmi simulazione del sistema edificio impianto CODYRUN LGIMAT DOE 2 1E ESTSC version DOE 2 2 NT ENERGYPLUS HOT3000 TRNSYS 14 2 TUD con un modello realistico del controller Il processo era iterativo ovvero l esecuzione delle simulazioni serv per perfezionare i casi test e 1 risultati ottenuti permisero il miglioramento e la ricerca degli errori nei modelli di simulazione degli impianti La congruenza tra 1 risultati delle simulazioni e i miglioramenti fatti sono evidenti quando si confrontano 1 risultati mostrati nella Figura 46 risultati pre correzioni c
139. nte veritiero Nel primo caso si accettano le ipotesi date pur riconoscendo il fatto che rappresentano una semplificazione della realt Nell ultimo caso la validazione che segue uno standard assolutamente vero dovrebbe confrontare i risultati delle simulazioni con un esperimento pratico perfettamente eseguito il quale fornisce inoltre specificando perfettamente gli input necessari per eseguire la simulazione In realt un esperimento viene eseguito e l oggetto della sperimentazione viene descritto entro un margine di incertezza accettabile Due delle organizzazioni partecipanti all IEA SHC Task 22 svilupparono indipendentemente le soluzioni analitiche che successivamente sono state sottoposte ad una terza componente specializzata in matematica applicata Il confronto tra 1 risultati mostrava alcune divergenze che poi sono state risolte dopo aver consentito agli sviluppatori la lettura delle osservazioni della terza componente e di vedere e criticare a vicenda le due tecniche di soluzione Questo processo ha portato entrambi gli sviluppatori a modificare in maniera logica e non arbitraria le loro procedure risolutive cosicch la maggior parte dei risultati finali differiscono per meno dell 1 Le rimanenti difformit nelle soluzioni analitiche sono imputabili in parte alla difficolt con cui si devono imporre le condizioni al contorno In questo caso le condizioni al contorno sono un compromesso tra la totale r
140. nti non lineare i parametri dipendo dallo stato termodinamico e in primis complesso esistono una miriade di interconnessioni e iterazioni tra le parti Come illustrato in Figura 2 l ambiente interno degli edifici determinato da diverse fonti energetiche che evolvono con velocit e metodi differenti Le sorgenti principali possono essere identificate come clima esterno le cui variabili principali nel presente contesto sono temperatura dell aria temperatura radiante umidit radiazione solare velocit e direzione del vento occupanti che provocano un apporto energetico imprevedibile a causa del loro metabolismo dell utilizzo di apparecchiature elettriche e dell aggiustamento delle impostazioni di regolazione sistemi ausiliari che possono provvedere al riscaldamento al condizionamento oppure alla ventilazione dell ambiente interno Per comprendere la complessit degli scambi energetici che avvengono negli edifici nel seguito presenteremo seppur in maniera molto concisa le loro caratteristiche principali concentrandosi in particolare sui vari parametri che devono essere considerati per consentirne una corretta rappresentazione a computer I software di simulazione Je os DAM u A STOMOTTJSQO MIS ae x CINE Ne oe E vol ages UorjeAuoo a SPED ping umja1 s S OX L i gt SSE JOO e x gt ape Bri PS SUNG J
141. nziare che software come DOE 2 1E il quale non ha uno speciale algoritmo per l analisi di impianti radianti pu essere usato e modificato in modo tale da produrre risultati ragionevoli esclusione fatta per i calcoli della temperatura superficiale Ad ogni modo si ricorda che tutti 1 programmi selezionati per partecipare a questo progetto usano lo stesso metodo di calcolo per gli impianti radianti Gli autori di questo report 27 29 affermano che l uso di queste procedure per la stima delle temperature del pavimento e del fabbisogno energetico ragionevole 107 Standard di validazione Annual heating demand lhu 800 1800 1805 1810 1815 1820 1830 E TRNSYS g DOE DIDA OCLIM2000 m ESP Annual cooling demand E TRNSYS m DOE o IDA OCLIM2000 m ESP Max heating power 1805 1815 E TRNSYS m DOE OIDA OCLIM2000 MESP Max cooling power E TRNSYS I DOE OIDA OCLM2000 E ESP Figura 52 RADTEST panoramica dei risultati casi 800 1830 Fonte Zweifel e Achermann 2003 108 Standard di validazione Annual heating demand TTC 1840 1850 1860 1870 1880 1890 2800 2810 E TRNSYS m DOE DIDA OCLIM2000 m ESP Annual cooling demand 2800 E TRNSYS m DOE ODA OCLIM2000 m ESP Figura 53 RADTEST panoramica dei risultati casi 1840 2810 Fonte Zweifel e Achermann 2003 109 Standard di validazione Le figure mostrano una panoramica del fabbisogno energetico e dei c
142. ocedere ulteriormente con il compito della Task 22 o con altri casi di test realistici doveva essere sviluppata una diagnostica approfondita per risolvere o capire meglio le cause delle differenze riscontrate in questo lavoro IEA BESTEST Ground Coupling Heating Loads Annual Heating Load MWh Peak Heating Load 5 KW N PARADA ARA AA SOS TZ e HOT3000 SUNREL OVA114 amp EnergyPlus Figura 26 GC BESTEST risultati raggiunti dall IEA SHC Task 22 Fonte 21 59 Standard di validazione In parallelo alla Task 22 PASHRAE ha pubblicato una raccolta di soluzioni analitiche che includeva una soluzione 3D in regime stazionario per i fenomeni di trasmissione del calore tra una superficie piana a geometria rettangolare e il terreno a cui era addossata originariamente sviluppato da Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO Australia Questo ha generato l idea di sviluppare una suite di test a partire dalla soluzione analitica CSIRO che sarebbe poi progredita passo passo verso condizioni al contorno e ipotesi pi realistiche Inoltre se questi casi test fossero stati svolti con modelli numerici specifici per casi tridimensionali e si fosse verificata la convergenza ed una buona congruenza tra i risultati tali modelli numerici potrebbero costituire una soluzione quasi analitica
143. on quelli di Figura 47 risultati post correzioni Nella relazione completa sono presenti i cosiddetti modeler report dove sono state riportate e commentate dettagliatamente tutte le simulazioni fatte con ogni software In particolare in tali report si possono individuare le motivazioni di base scientifica e non arbitrarie che hanno indotto i programmatori alla modifica di alcuni algoritmi di calcolo Questi risultati indicano che inizialmente c era una discordanza variabile tra il 3 e il 21 per il fabbisogno energetico nei casi simulati e che c era molta dispersione tra tutti i programmi Col termine discordanza si sta facendo riferimento alla differenza tra il risultato massimo e minimo per ogni caso diviso per la media dei risultati per ciascun caso max min media Le incongruit iniziali risultano pi piccole in questi casi rispetto a quelli in regime stazionario 4 40 per i casi E100 E200 poich TRNSYS TUD DOE 2 1E ed EnergyPlus erano gi stai migliorati durante le precedenti verifiche Dopo aver corretto gli errori utilizzando la diagnostica HVAC BESTEST le rimanenti incongruenze nelle previsioni annuali sul totale fabbisogno energetico sono del 2 6 con una dispersione molto pi contenuta tra i vari programmi Questo dimostra come il metodo diagnostico HVAC BESTEST possa essere usato efficacemente per correggere algoritmi difettosi anche in complessi programmi di simulazione Sulla base dei risultati dopo d
144. on results or other user provided results and the sensitivity case Figura 48 HVAC BESTEST diagramma diagnostico per i casi in regime dinamico 300 E440 Fonte Neymark e Judkoff 2004 98 Standard di validazione CONTINUE C NY S PROBABLE CAUSE OF DISAGREEMENT DIAGNOSE GOTO Dynamic Load or ODB Intermittent ID fan and or performance f EDB EWB ODB B Outside Air Sensitivity Fan Operation Internal Gains D C3 thru C8 also A1 thru A6 B1 thru B10 C3 E500 Apr 30v Jun23 D Performance 008 8286 NY ca E510 6510 8500 D PlRSem vwy Bs NY cs x jD cs _es22 D gt __ PerformanceftEDB B C5 E525 E525 E820 D NY ce E530 E530 2500 D ______Dyy Coil Sensitivity _ _ATthruas NY C7 E530 Apr 30 v Jun23 D gt DryCoiPerformance ODB Azae NY C Diy Coil Performance EDS A3 ES E545 E545 E540 END ABBREVIATIONS A Agree D Disagree For the simulation results or other user p Figura 49 HVAC BESTEST diagramma diagnostico per i casi in regime dinamico E500 E545 E300 series agreement disagreement is determined relative to example rovided results and the sensitivity case Fonte Neymark e Judkoff 2004 99 Standard di validazione 4 3 5 IEA RADTES
145. one del calore tra pavimento terra e seminterrato edificio suolo interazione con l atmosfera radiazione solare interazione col suolo variazione dei coefficienti superficiali variazione della geometria effetto dell isolamento interazione dell edificio con le condizioni del terreno in profondit possibilit di modellare un seminterrato I risultati preliminari della Task 22 per i casi che isolano gli effetti dei modelli per il trasferimento di calore verso il suolo es costruzione senza finestre quasi adiabatica sopra il livello di campagna sono mostrati nella Figura 26 I risultati indicano alcune grandi divergenze tra 1i modelli di analisi dettagliata dello scambio termico verso terra collegati ai software di simulazione energetica dell intero edificio anche dopo che fosse stata implementata una importante limitazione sull algoritmo di analisi in uno dei programmi Tuttavia le cause di queste discordanze non potevano essere facilmente determinate perch i casi test sono stati progettati per essere relativamente realistici non diagnostici e non vi era alcun standard di verit matematica o empirica Tali incongruenze possono essere causate da legittime differenze nei metodi di modellazione errori di input o errori negli algoritmi stessi o nell utilizzo di un modello al di fuori del range previsto Sulla base di questi contrasti non risolti 1 ricercatori hanno concluso che prima di pr
146. oni geometrica per i casi GC45b GC45c e GC50c pu essere preferibile eseguirli alla fine Esempio pratico Un programma mostra delle divergenze nel caso GC80b La Figura 36 suggerisce la potenziale fonte di differenza algoritmica comprendendo la modellazione dei coefficienti di trasmissione del calore superficiali interni ed esterni L utente viene indirizzato a verificare la diagnostica B1 e B2 Se il disaccordo persiste per la B1 la causa probabilmente legata alla modellazione del coefficiente di scambio termico sulla superficie interna della lastra Se non vi disaccordo per la BI proseguire con la B2 Se il disaccordo appare per la B2 la causa probabilmente legata alla modellazione del coefficiente di trasmissione del calore della superficie esterna Se non vi disaccordo sia con la B1 che con la B2 la differenza potrebbe essere correlata agli algoritmi di modellazione dinamica rispetto allo stato in regime stazionario oppure a qualche altro tipo di problema START a Series Detailed Numerical Methods Models Only PROBABLE CAUSE OF DISAGREEMENT Analytical Solution Base Case GC10a gt Linearly Varying Perimeter Surface Temperature Constant Uniform Slab and Soil Surface Temps Basic Modeling e g Node Meshing GC30a amp GC30a GC10a GC30b amp GC30a GC30b h int h ext 100 W m K Steady State Model GC40a amp GC40a GC30a GC40b amp GC40a GC40b amp GC40b GC30b D Dyn
147. orme eccezione fatta per la UNI EN 15265 in un allegato informativo danno un esempio di metodo risolutivo che soddisfi i criteri generali e le prove di convalida della norma in questione Con questo approccio possibile catalogare ogni nuovo o esistente strumento di calcolo a condizione che soddisfi le ipotesi e le condizioni al contorno di cui alla norma e superi tutti i test di validazione in diverse classi di accuratezza 37 Standard di validazione La Tabella 6 mostra i principali parametri che devono essere considerati per eseguire le prove di convalida mentre in Figura 10 si riportata la stanza di prova per i vari casi di validazione che comune a tutte e quattro le norme Componente Geometria Geometria A B 2 8 m Area m Pareti opache esterne 6 58 3 08 Finestra Ay 3 50 7 00 Aw Parete sinistra 15 40 15 40 destra 15 40 15 40 dietro 10 08 10 08 Pavimento 19 80 19 80 North SI Soffitto 19 80 19 80 lt Volume m 5544 55 44 West Figura 10 Stanza di riferimento per la validazione secondo norme UNI EN Fonte UNI EN ISO 13792 Norma Parametri UNI EN ISO 13791 e 13792 Temperatura interna estiva in assenza di impianti di climatizzazione UNI EN 15255 Carico sensibile di raffrescamento UNI EN 15265 Fabbisogno di energia per il riscaldamento degli ambienti Componenti dell edificio Conduzione termica attraverso gli elementi opachi Scambi radiat
148. os come avviene negli ambienti con ampie superfici vetrate ma anche 1 quelli dotati di impianti a pannelli radianti 2 2 3 Irraggiamento esterno ad elevata lunghezza d onda Lo scambio radiativo ad elevata lunghezza d onda tra le superfici esterne opache e trasparenti e la volta celeste oppure con gli edifici circostanti e il terreno pu comportare un considerevole abbassamento della temperatura superficiale specialmente nelle notti serene Il trattamento adeguato di questo flusso energetico richiede l abilit di stima di molti fattori tra cui la temperatura effettiva del cielo come funzione del tipo di copertura nuvolosa prevalente la temperatura delle costruzioni circostanti la temperatura del terreno in funzione delle sue condizioni umidit composizione copertura superficiale la temperatura locale dell aria il riscaldamento superficiale causato da ogni radiazione a bassa lunghezza d onda incidente e dai fattori di forma che forniscono le informazioni geometriche dell accoppiamento tra gli elementi sopracitati 2 2 4 Irraggiamento a bassa lunghezza d onda In molti edifici l apporto energetico solare costituisce una porzione significativa della totalit dei carichi a cui deve sopperire l impianto di condizionamento ci evidenzia l importanza che si deve prestare nella modellazione della radiazione solare in quanto incide sull accuratezza delle prestazioni globali sia dell edificio che dell impian
149. osizione di condizioni al contorno pi realistiche rispetto ai casi test dove sono disponibili soluzioni puramente analitiche Una descrizione pi dettagliata della nuova metodologia disponibile nella seconda parte della relazione tecnica completa sezione 2 5 1 Come riassunto in Tabella 14 e Tabella 15 diciassette casi test sono stati sviluppati per utilizzare i risultati ricavati dai verificati modelli di analisi dettagliata del trasferimento del calore in mezzi direttamente accoppiati col terreno come una secondaria verit matematica nel confronto con quelli derivati dai modelli meno dettagliati tipicamente inclusi nei software di simulazione energetica degli edifici I nuovi casi test adottano una pavimentazione idealizzata non isolata posta al livello del piano di campagna come si vede dalla Figura 30 e precedenti Questa configurazione semplificata richiesta dalla soluzione analitica del caso GC10a soluzione analitica CISRO e appare idonea per lo sviluppo di robusti casi di prova per l analisi di strutture addossate al terreno ed compatibile con tutti i programmi testati nel progetto condotto dall IEA 34 43 inoltre ha facilitato lo sviluppo di risultati accurati minimizzando la possibilit di introdurre errori nei dati di input Variazioni parametriche rispetto al caso base in regime stazionario caso GC30b comprendono la periodica variazione della temperatura superficiale del terreno l area della lastra p
150. ottante 600FF 650FF 900FF 950FF devono essere comunque eseguiti come test di qualificazione se il software possiede le caratteristiche per calcolare e fornire l evoluzione della temperatura con passo orario Questo comporta la modifica dell impianto di riscaldamento condizionamento simulato finora nei casi 650FF e 950FF richiesta la ventilazione meccanica Qualora si osservino risultati anomali si devono seguire 1 percorsi diagnostici indicati nei diagrammi di flusso La logica sequenziale pertanto risulta importante l interpretazione dei risultati sia dei casi di qualificazione che di quelli diagnostici coerentemente con quanto mostrato dai diagrammi di flusso Non viene prevista una definizione di risultati anomali in generale qualunque output che si discosta significativamente dai risultati di riferimento dei quali forniamo uno scorcio nel paragrafo 4 3 1 2 deve essere verificato I casi diagnostici dal 195 al 320 rappresentano un tentativo per isolare gli effetti di singoli algoritmi facendo variare un solo parametro da caso a caso Questi casi test sono relativamente primitivi allo scopo di minimizzare il numero degli scambi di calore che interagiscono tra loro e possono confondere nel processo di accertamento Alcuni programmi potrebbero non essere in grado di eseguire alcuni di questi test in quanto non sono realistici questo il caso di programmi che includono algoritmi semplificati o assunzioni fissate o ver
151. ppure per il condizionamento dell aria I modelli di questi dispositivi relazionano la domanda di energia primaria come elettricit gas naturale olio combustibile con le richieste dell impianto carichi termici perdite Le prestazioni dinamiche di questi macchinari devono essere analizzate a carico parziale per far ci vengono introdotte formule di regressione per poter valutare le curve di funzionamento a partire dai pochi dati forniti dai costruttori Essenzialmente esistono due approcci per esplicitare la simulazione dei sistemi impiantistici cos come evidenziato in Figura 5 Modello dei Modello dell Modello delle DOMANDA CARICHI IMPIANTO MACCHINE ENERGETICA latenti e sensibili Approccio sequenziale I carichi non sono soddisfatti dalle macchine I carichi non sono soddisfatti dall impianto Modello dei CARICHI latenti e sensibili Modello dell IMPIANTO Modello delle DOMANDA MACCHINE ENERGETICA Approccio simultaneo Figura 5 Approcci risolutivi sequenziale e simultaneo Fonte Bush 1996 14 I software di simulazione Nell approccio sequenziale i componenti dell impianto sono sostituiti da una correlazione input output equivalente in modo che 1 dati in uscita da un componente costituiscono i dati in ingresso di quello successivo Un metodo risolutivo iterativo viene impiegato su tutta la rete fino alla convergenza Gli algoritmi che rappresentano i
152. questa materia complessa e oramai sempre pi comune Il lavoro seguente dopo una breve introduzione sull attuale normativa italiana si compone in tre parti fondamentali Nella prima parte si andranno ad identificare e definire i principali fenomeni fisici che interagiscono tra loro per formare le condizioni climatiche interne agli edifici Si forniscono inoltre alcune sottolineature sulla complessit e l eterogeneit dei fenomeni correlati dal medesimo principio fisico e che dovranno essere simulati dai software di analisi energetica In seguito mantenendo una visione dall alto si andranno a precisare le diverse tecniche di modellazione che vengono implementate al calcolatore per predire in maniera pi o meno dettagliata il fabbisogno energetico dell edificio o il benessere termo igrometrico negli ambienti oppure finalizzate al dimensionamento dell impianto o alla ricerca di un modello matematico che descrive nella maniera pi veritiera possibile compatibilmente con la potenza di calcolo degli attuali strumenti informatici il sistema edificio impianto reale o immaginario cosicch da rendere possibili anche i pi complessi studi di valutazione energetico economica Nella seconda parte si va a focalizzare l attenzione sulla verifica di tali strumenti di simulazione energetica ovvero si definisce il concetto di validazione le varie tipologie confrontandone i principali vantaggi e svantaggi si andranno poi ad oss
153. re delle superfici esposte alle condizioni ambientali esterne Le propriet termodinamiche di interesse includono la conduttivit A W m K la densit p kg m e il calore specifico c J kg K Queste propriet sono dipendenti dal tempo a causa della temperatura dei materiali e della fluttuazione del grado di umidit inoltre possono essere condizionate dalla posizione o dalla direzione nel caso di materiali non omogenei o anisotropi rispettivamente tuttavia in qualche applicazione queste dipendenze possono essere ignorate mantenendole costanti Suddette propriet possono essere combinate per fornire un indice da usare nella progettazione classica per catalogare delle differenti prestazioni energetiche dei materiali La trasmittanza termica globale U W m K data da M i 1 i 1 1 i Ho Hse Hc m gt dove N il numero dei diversi strati che formano il materiale da costruzione x lo spessore dello strato i esimo m H il coefficiente di adduzione W m K edi pedici si se c indicano la superficie interna la superficie esterna e la cavita rispettivamente Tradizionalmente i progettisti fanno riferimento a questo semplice coefficiente calcolato in regime stazionario per valutare le dispersioni termiche di un edificio In questo modo oltre ad ignorare del tutto gli aspetti dinamici si trascura completamente la posizione relativa tra 1 vari materiali che compongono l involucro edilizio Ad
154. re la precisione essenziale preservare l integrit spaziale e temporale dei sistemi energetici reali questo si ottiene attraverso la produzione di sistemi di equazioni alle derivate parziali che vengono 20 I software di simulazione risolti simultaneamente ad ogni passo di calcolo Secondo a differenza delle funzioni di risposta sono in grado di gestire le complesse interazioni tra i flussi energetici Terzo i parametri tempo dipendenti evolvono ad ogni passo di integrazione inoltre la velocit di trattazione pu essere adattata per gestire i cosiddetti sistemi rigidi nei quali le variabili temporali variano significativamente tra le diverse parti del problema involucro edilizio componenti impiantistiche elementi del sistema di controllo analisi fluidodinamica Data Driven ty S35 0 ak s PS Fa SS Ry ESTE Method 3 K Comments S Q SR om RF A NS Steady State Methods 7 One dependent parameter one independent Simple On u E se M parameter May have slope and y intercept Multiple linear regression x E E One dependent parameter multiple independent parameters Modified degree day method _ a fixed reference temperature of Variable hase degree day method X X X Variable base reference temperatures or 3 P change point models Change point models 4 P 5 P B x Hu x Uses daily or monthly utility billing data and average period temperatures ASHRAE bin method and Hours in te
155. rgetico ambientale di involucri in laterizio Costruire In Laterizio Num 120 Novembre Dicembre 2007 http www laterizio it costruire Clarke J A Energy Simulation in Building Design 2nd edition Butterworth Heinemann 2001 ESRU University of Strathclyde in Glasgow Building Energy Modelling and Simulation Self learning Modules periodo di consultazione Settembre 2009 http www esru strath ac uk Courseware Building_modelling index htm Hand J W Removing barriers to the use of simulation in the building design professions PhD Thesis ESRU University of Strathclyde in Glasgow Novembre 1998 http www esru strath ac uk Documents PhD hand_thesis pdf Hayez S Dalibart C Guyon G Feburie J HVAC BESTEST Clim2000 and CA SIS Results Procedeeing of Building Simulation Agosto 2001 http www ibpsa org proceedings BS2001 BS01_1127_1134 pdf Judkoff Ron Final Task Managment Report IEA SHC 34 ECBCS Annex 43 Maggio 2008 http www iea shc org publications downloads task34 Final_Mgmt_Report pdf Judkoff R e J Neymark International Energy Agency Building Energy Simulation Test BESTEST and Diagnostic Method NREL TP 472 6231 National Renewable Energy Laboratory Golden CO Febbraio 1995 http www nrel gov docs legosti old 6231 pdf http www iea shc org task22 publications 623 1 pdf Judkoff R e J Neymark Home Energy Rating System Building Energy Simulation Test HERS BESTEST Volum
156. rimo caso si sono rivelate sovrastimate del 59 66 mentre nel nono caso quando le inesattezze sui dati ingresso sono state eliminate utilizzando 1 valori misurati sottostimate del 10 17 Tuttavia la radice dell errore quadratico medio sulla temperatura prevista in realt stato maggiore per il caso 9 ci indicava l esistenza di errori di compensazione in alcuni dei programmi P Nel secondo studio basato sui dati del 1983 stato utilizzato un approccio di diagnosi comparativa per determinare le fonti di disaccordo nel confronto comparativo tra 1 programmi 25 e in quello sperimentale tra 1 programmi e dati misurati 13 Dalla diagnostica emerso che la maggior parte del disaccordo stato causato dagli algoritmi di modellazione solare e quelli per l analisi dell accoppiamento col terreno Inoltre il cambiamento nell entit di incongruenza tra 1 risultati del 1982 e del 1983 hanno confermato l esistenza di errori di compensazione Lo studio canadese sul guadagno solare diretto e quello condotto a Los Alamos si sono entrambi svolti nel contesto dell IEA SHC Task 8 1982 1988 In questi studi si sono utilizzate una combinazione delle tecniche analitiche comparative ed empiriche per determinare le fonti di incongruenza nel confronto diretto tra i risultati delle simulazioni e nel paragone tra le previsioni e 1 dati misurati Questi studi hanno dimostrato che il disaccordo aumenta nei casi in cui la forzante solar
157. rincipali metodi che vengono usati nell analisi energetica degli edifici dividendoli in metodi in regime stazionario a cui appartengono tutte quelle procedure che vengono usate per una rapida stima del fabbisogno energetico e metodi dinamici a ui si fa maggiormente riferimento in questo lavoro Si vuol evidenziare che diversamente dalla nomenclatura usata al capitolo 2 1 dove con metodi semplificati si sono indicate delle procedure sempre in regime stazionario ma semplificate nella terminologia attuale rientrano anche quei criteri pi complessi precedentemente esclusi La maggior parte dei programmi di simulazione contemporanei sono basati su metodi che adoperano le funzioni di risposta oppure su metodi numerici alle differenze finite o equivalentemente ai volumi finiti Il primo metodo appropriato per la soluzione di sistemi di equazioni differenziali caratterizzati da parametri lineari tempo invarianti I metodi numerici d altra parte possono essere utilizzati per risolvere variabili nel tempo e sistemi di equazioni non lineari senza aver bisogno di assumere un disaccoppiamento tra le equazioni come comodit di calcolo tuttavia i metodi alle differenze finite attuano una discretizzazione del dominio di analisi e pertanto contrariamente ai metodi basati sulle funzioni di risposta richiedono la definizione della geometria da analizzare I metodi numerici sono preferibili per una serie di motivi In primo luogo al fine di garanti
158. riori per 1 modelli semplificati rispetto ai modelli pi complessi a seconda dei modelli messi a confronto delle caratteristiche dell edificio e del clima 21 Precedenti studi di validazione nel campo del trasferimento di calore verso terra La procedure BESTEST sullo scambio di calore verso il suolo si sono evolute in parallelo con lo sviluppo dei modelli si simulazione L iniziale IEA ENVELOPE BESTEST comprende un caso test di trasferimento di calore verso terra caso 990 che stato sviluppato quando erano predominanti degli strumenti di simulazione semplificati Questo caso include un piano seminterrato ma non definisce tutte le condizioni al contorno che sarebbero necessarie per l utilizzo dei pi attuali modelli dettagliati ed ha avuto una vasta gamma di divergenza tra 1 risultati A causa della sua natura superficiale questo stato l unico caso dell IEA ENVELOPE BESTEST ad essere escluso dall ASHRAE Standard 140 L HERS BESTEST vedi 11 12 stato ideato per collaudare strumenti semplificati di uso comune nella modellazione residenziale e comprende casi test sviluppati per testare modelli semplificati per il trasferimento di calore in configurazioni pavimento suolo e con seminterrato Anche i risultati dell HERS BESTEST nei casi sopracitati mostrano un ampio intervallo di discordanza tra 1 modelli semplificati che sono stati analizzati A causa della natura semplificata delle prove l esecuzione dell HERS BESTEST con
159. s later included example floor model inputs to main EnergyPlus as output from the Slab subprogram however better automation of interface between the EnergyPlus subprogram and main engine is recommended D Fixed in later version of FLUENT before this testing E Adapted ISO 13370 European standard ground heat transfer calculation method Software developer indicates this disagreement is acceptable for this model Tabella 18 GC BESTEST riassunto sui problemi individuati con la diagnostica BESTEST Fonte Neymark Judkoff et al 2008 71 Standard di validazione 4 3 2 4 Diagrammi diagnostici Prima di procedere con l esposizione dei diagrammi diagnostici si vuol ora sottolineare alcuni aspetti fondamentali correlati al loro utilizzo I diagrammi forniscono un indicazione sulla probabile causa di eventuali anomalie tra i risultati in quanto ogni caso test mirato a stressare algoritmi di calcolo specifici In particolare esistono due metodi contrapposti per l applicazione della logica diagnostica schematizzata in tali diagrammi di flusso Il pi potente ma che richiede molto tempo quello di eseguire tutti 1 test e successivamente analizzare i risultati seguendo la logica diagnostica indicata nei diagrammi Il modo che richiede meno tempo quello di lanciare 1 test in sequenza seguendo le indicazioni dei diagrammi come descritto nel seguito I test indicati ad esempio con GC45b GC40 suggeriscono i
160. sare pi software che usano modelli differenti per rappresentare lo stesso fenomeno modello e del processo E di risoluzione Qualunque livello di complessita Sono possibili numerosi confronti diagnostici Economica e rapida Riesce ad individuare gli ambiti in cui sono necessari ulteriori investigazioni empiriche Tabella 3 Tecniche di validazione Fonte Neymark J e R Judkoff 2002 La validazione empirica necessaria per stabilire la fedelta con cui un programma analizza un reale comportamento fisico tuttavia questa tecnica di validazione possibile solo all interno della gamma di incertezza di misura che include sia l incertezza degli strumenti che l incertezza dovuta alla discretizzazione spaziale e temporale Le celle di prova e gli edifici stessi sono oggetti relativamente grandi e complessi risulta quindi difficile conoscere l esatta natura dei dettagli costruttivi le propriet dei materiali e la loro effettiva dislocazione e configurazione nel campo L operatore quindi lasciato con un certo grado di incertezza per quanto concerne i dati di input che rappresentano con precisione l oggetto sperimentale Nella descrizione degli apparati sperimentali richiesta una particolare cura e precisione cosicch gli utenti possano ridurre al massimo tale incertezza questo implica la determinazione sperimentale della maggior quantit di propriet di pi materiali possibili ci include anche 1 parametri
161. se di solidi principi matematici e o fisici e applicarli in modo coerente in tutte le prove Tutti i miglioramenti che sono stati necessari sono stati documentati e giustificati nei modeler report inclusi nella trattazione completa Questi risultati indicano che inizialmente vi era un 9 55 di disaccordo per il fabbisogno energetico simulato con una considerevole dispersione tra i vari programmi Col termine disaccordo si indicata la differenza tra i risultati di massimi e minimi per ogni caso diviso la media dei risultati per ciascun caso max min media Questi risultati includono due stime che si sono adottate prima delle correzioni effettuate durante 1 lavori dell IEA SHC Task 22 documentati nella sezione 2 4 del report completo che non erano stati precedentemente pubblicati e pertanto non compaiono in Figura 26 si vedano i risultati per il caso GC60b in Figura 33 e quelli per il caso GC70b in Figura 31 Dopo la correzione degli errori dei software utilizzando la diagnostica precisata al prossimo paragrafo dove sono state trovate 24 discordanze tra i programmi che hanno portato a 19 correzioni finora i rimanenti disaccordi sono tra l 1 e il 24 con ridotta dispersione tra i risultati Questo pu essere considerato un ragionevole range di discordanza data la complessit del problema da modellare anche se alcune pi marcate differenze evidenziate in questo lavoro potrebbero essere affrontate in un progetto successivo La con
162. si siano collegati da una sola freccia necessario un risultato soddisfacente per procedere col caso successivo Ad esempio nel caso GC60b l incapacit di modellare l effetto realistico del coefficiente della superficie interna rende difficile procedere col caso GC65b poich il disaccordo sarebbe ristabilito Nelle operazioni di confronto tra i risultati del software in esame con quelli di riferimento risultano molto utili i file allegati al report completo in formato excel in quanto prevedendo l inserimento dei nuovi dati confrontandoli automaticamente in grafici e tabelle con quelli di riferimento Durante il test con la serie a dei modelli numerici dettagliati l esperienza da prove sul campo consiglia di cominciare inizialmente dal controllo dei risultati di ogni singolo caso prima di passare a ulteriori casi In particolare prima si esegue solamente il caso GC10a e si verificano 1 risultati rispetto alla soluzione analitica Se il risultato soddisfacente si pu passare direttamente al caso GC30a e analogamente per i casi GC40a GC30b GC40b in quanto ognuno affronta un cambiamento fondamentale nelle condizioni al contorno per la modellazione in regime stazionario Standard di validazione e dinamico Dopo aver controllato ogni caso ragionevole procedere col gruppo di casi rimanenti si consiglia di eseguire prima i casi GC60b GC65b e GC30c seguiti dai rimanenti delle serie b e c A causa delle variazi
163. sibilit che sono rappresentati dalle differenze tra i valori di output del caso 600 e 610 I diagrammi di flusso non mostrano solo l ordine con cui eseguire i casi di verifica ma servono anche ad interpretare 1 risultati e identificare le fonti degli errori Pertanto se un software presenta una sensibilit inadeguata per i dispositivi ombreggianti il diagramma indica un potenziale problema nell algoritmo per l analisi delle ombreggiature e invita l utente a perseguire la verifica A12 cfr Figura 17 La diagnostica A12 potr confermare un problema nell algoritmo 47 Standard di validazione per gli ombreggiamenti mentre nel caso in cui tale algoritmo sia corretto all utente vengono suggeriti altri tipi di test La logica sequenziale ovvero fallire il caso 610 600 e passare la procedura A12 indica la presenza di errori di compensazione in alcuni degli algoritmi base sullo scambio di calore Fallire sia il caso 610 600 che A12 conferma un problema sull algoritmo di analisi degli ombreggiamenti Standard di validazione sR suse IO a GUI YUM JUSWOSIDESIP moys o sueeu y J 009 019 9829 pue 019 eses 10 ebues 62u616J0 OY uy umoys eq isnu juewes De 019 eses ssed oj ojdwexe 104 eses AyAmsues eui L__ 10j a0ues eoues BUI Ulm jueujee16e moys 0 Sueeu SSyd SION pue osy BSED ey EV er pe ei S pL Ojpue SUBO uSEJS V SION 016 SB9 UNI LUOP 019 ASEO po
164. solar 280 20 20 L 0 0 9 9 A wl 12 S no Cases 280 270 test cavity albedo 290 20 20 L 0 0 9 9 9 wl 12 S 1 0mH Cases 290 270 test south horizontal overhang 300 20 20 L 0 0 9 9 9 1 6 6 E W no Cases 300 270 test East amp West solar transmittance amp incidence 310 20 20 L 0 0 9 9 9 wl 6 6 E W 1 0mHV Cases 310 300 test East amp West overhang amp fins 320 20 27 L 0 0 9 9 9 1 12 S no Cases 320 270 test thermostat deadband NOTE 1 NOTE 3 TITLES Cases with O glass area except case 195 amp 395 have a High Conductance Wall H Heating C Cooling V Venting L Lightweight H Heavyweight in place of the window and with the same area as the window INTGEN 200 means a constant heat input of 200W 60 radiant 40 convective Case 195 has neither a window now a High Conductance Wall but consists ACH INFILTR Air Changes per Hour Infiltration INT Interior EXT Exterior of 100 normally insulated wall as specified for the light weight case EMISSIV Emissivity SW ShortWave ABSORPT Absorptivity ORIENT Orientation S South EW East amp West SHADE Window shading devise NOTE 2 1 0mH 1 meter deep Horizontal shade HV combination Horizontal amp Vertical shade The High Conductance Wall has the same exterior amp interior IR emissivity and the same solar absorptivity as specified for the normal wall in each case NOTE 4 The High Conductance Wall surface texture s very smooth like glass Interior short wave absorptance doesn t m
165. stensione nota come HVAC BESTEST Cases E100 E200 consiste in una serie di casi test in regime stazionario provvisti di soluzione analitica Tali casi test implementano un impianto HVAC semplificato operante in regime stazionario inserito in un involucro edilizio semplificato quasi adiabatico I carichi a cui deve soddisfare l impianto sono guidati da carichi interni sensibili e latenti definiti dall utente in modo che la sensibilit del programma di simulazione consenta di analizzare pi parametri prestazionali e quindi la verifica del software stesso I valori di output dei vari esercizi es consumo elettrico del compressore e del ventilatore carichi sensibili e latenti elaborati dalla batteria alettata COP temperatura e umidit nelle diverse zone vengono confrontati e usati congiuntamente in una logica diagnostica per determinare algoritmo responsabile di previsioni differenti da quelle di riferimento In questi casi test come riassunto in Tabella 19 si fanno variare i seguenti parametri carichi interni sensibili carichi interni latenti setpoint del termostato di zona temperatura a bulbo secco in ingresso EDB temperatura a bulbo secco esterna ODB Per ottenere una temperatura a bulbo secco esterna stazionaria nel file di dati meteorologici allegato al report originale le temperature ambiente a bulbo secco sono state impostate costanti Le variazioni dei vari parametri permettono di isolare singolarmen
166. sui seguenti aspetti continuare la produzione di casi test con soluzione analitica sviluppare una serie di casi diagnostici che mettono in rilievo fenomeni rilevanti nei grandi edifici commerciali come la suddivisione in zone determinazione del rapporto d aria di infiltrazione ed altri test sugli impianti di riscaldamento condizionamento e ventilazione sviluppare un insieme di dati ordinati di alta qualit per la validazione empirica L IEA SHC Task 34 ECBCS 43 recentemente conclusasi nasce proprio da queste necessit In questa occasione si avuto modo di analizzare in dettaglio diversi fenomeni di particolare rilevanza dal punto di vista energetico In particolare tra gli obiettivi della Task 34 ritroviamo e sviluppo di procedure BESTEST BESTEST sul trasferimento di calore verso terra BESTEST sul trasferimento di calore multi zona e ombreggiamento BESTEST sui flussi d aria includendo quelli multi zona e test di validazione empirica Ombreggiature luce naturale iterazioni coi carichi Sistemi meccanici e componenti ad acqua refrigerata e ad acqua calda Edifici con facciate ventilate Creare un unico sito internet che incorpori tutti i test di validazione IEA in particolare includendo quelli sviluppati da SHC Task 12 ECBCS Annex 21 SHC Task 22 e SHC Task 34 ECBCS Annex 43 15 In 14 Judkoff e Neymark affermano che tale sito sar disponibile online verso la fine d
167. sultabile all indirizzo ht1p eur lex europa eu Gazzetta Ufficiale L1 65 del 4 Gennaio 2003 D Introduzione Pi ricerche sono state svolte al fine di valutare le prestazioni degli edifici e dei loro materiali al variare dell inerzia termica L inerzia termica rappresenta la capacit dei materiali di attenuare smorzamento e ritardare sfasamento l ingresso in ambiente dell onda termica dovuta alla radiazione solare incidente sull involucro edilizio Questa capacit dipende dallo spessore del materiale dalla capacit termica e dalla conduttivit In altri termini l inerzia termica accumula il calore nella massa dell edificio per poi cederlo progressivamente In questo modo si determina all interno dell edificio uno sfasamento ed una riduzione delle fluttuazioni e dei picchi che caratterizzano la temperatura esterna esterno interno WML ZO LZ At smorzamento zi zza attenuazione d ampiezza t sfasamento h Figura 1 Effetti dell inerzia sull onda termica Fonte adattamento da Medola 2006 L uso consapevole della massa ha un notevole effetto positivo sulle condizioni di comfort sui consumi energetici fino al 30 inferiori rispetto a soluzioni struttura isolamento 4 e sui carichi per il raffrescamento in particolare quelli di picco che costituiscono uno dei motivi dei blackout estivi Nel valutare i costi energetici bisogna pertanto considerar
168. sults divided by the mean of the analytical solution results P Excludes results for TRNSYS TUD with realistic controller Tabella 21 HVAC BESTEST intervalli di discordanza sui risultati di simulazione Fonte Neymark e Judkoff 2002 4 3 3 3 Diagrammi diagnostici Similmente ad ogni procedura BESTEST il report completo corredato da un diagramma di flusso utile per la definizione dello scopo e dell ordine con cui eseguire i vari test Onde evitare inutili ripetizioni di quanto gi esposto nei paragrafi precedenti ci limitiamo a ribadire i seguenti concetti fondamentali L esecuzione di tutti i test per poi verificarne i risultati seguendo i diagrammi il metodo pi efficace ma richiede molto tempo in alternativa si consiglia l esecuzione dei vari casi seguendo le indicazioni dei diagrammi I diagrammi forniscono un indicazione sulla probabile causa di eventuali anomalie tra i risultati in quanto ogni caso test mirato a stressare algoritmi di calcolo specifici I test indicati ad esempio con E110 E100 suggeriscono il confronto di sensibilit tra i risultati del caso E110 con quelli del caso E100 In particolare si deve porre particolare attenzione all intensit della differenza tra i due risultati delta results ed il loro segno Se un test fallisce sconsigliato procedere con quelli successivi se non dopo aver individuato le fonti di tali discordanze ed eventualmente aver corretto
169. t sono rivolti alla valutazione di altri strumenti di simulazione dettagliata o semplificata delle previsioni sul fabbisogno energetico del sistema edificio impianto L esperienza collettiva del gruppo di esperti IEA ha dimostrato che quando un programma mostra importanti differenze con i risultati esposti nella Part II della relazione tecnica completa la causa di solito un bug un algoritmo difettoso o un problema nella documentazione Durante le prove dei casi E300 E545 la metodologia diagnostica HVAC BESTEST riuscita ad evidenziare questi problemi in tutti i programmi di simulazione energetica analizzati Gli esempi pi significativi per ciascun programma sono elencati di seguito in ordine alfabetico per nome del programma mentre una lista di 21 problemi riscontrati tra 1 programmi testati disponibile in Tabella 25 CODYRUN Isolamento e correzione dei problemi relativi sia all incoerente computazione del calore assorbito dall aria che alla mappatura delle prestazioni della rete neurale per condizioni senza deumidificazione Questo causava una sottovalutazione del 14 sulle stime del consumo energetico annuo del compressore e le stime sul picco erano sottovalutate del 9 CODYRUN un programma di simulazione oraria dettagliato patrocinato dall universit Universit di Reunion Island Francia DOE 2 1E ESTSC version Isolamento di documentazione fuorviante relativa alla regolazione del fattore di by pass in funzione d
170. tagione estiva la portata d acqua viene inviata solo dalle 20 00 alle 6 00 2810 Tabella 26 RADTEST descrizione qualitativa dei casi test Fonte Zweifel e Achermann 2003 105 901 Setpoint INTGEN ACH INTIR EXTIR INTSW EXT SW GLASS LAYER SHED NEXT Case H C W RAD CONV INFIL EMISS EMISS ABSORP ABSORP m ORIENT CONS LOC TEMP h TO 800 20 27 200 0 6 0 4 0 5 0 9 0 9 NA 0 6 HC W S AD NA NA NA AD 1800 20 27 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 9 NA 0 6 0 3L Mid NA NA BA 1805 20 27 200 0 0 1 0 1 0 0 9 0 9 NA 0 6 0 3L Mid NA NA BA 1810 20 27 200 0 0 1 0 1 0 0 9 0 9 NA 0 6 0 3L Mid 40 20 24 BA 1815 20 27 200 0 0 1 0 1 0 0 9 0 9 NA 0 6 0 3L Mid 40 20 24 BA 1820 20 27 200 0 0 1 0 1 0 0 9 0 9 NA 0 6 0 3L Mid 40 20 24 BA 1830 20 27 200 0 0 1 0 0 5 0 9 0 9 NA 0 6 0 3L Mid 40 20 24 BA 1840 20 27 200 0 6 0 4 0 5 0 9 0 9 0 6 0 6 HC W S 3L Mid 40 20 24 BA 1850 20 27 200 0 6 0 4 0 5 0 9 0 9 0 6 0 6 12 8 3L Mid 40 20 24 BA 1860 20 27 200 1 0 0 0 0 5 0 9 0 9 0 6 0 6 12 8 3L Mid 40 20 24 BA 1870 20 27 200 0 0 1 0 0 5 0 9 0 9 0 6 0 6 12 8 3L Mid 40 20 24 BA 1880 20 27 200 0 6 0 4 0 5 0 9 0 9 NA 0 6 12 8 3L Mid 30 18 24 BA 1890 20 27 200 0 6 0 4 0 5 0 9 0 9 NA 0 6 12 8 3L Mid 40 20 24 10 BA 2800 20 27 200 0 6 0 4 0 5 0 9 0 9 0 6 0 6 12 8 3L Mid 40 20 24 BA 2810 20 27 200 0 6 0 4 0 5 0 9 0 9 0 6 0 6 12 8 3L Mid 40 20 24 0 BA oo Heating and Cooling LAYER Active temperature layer i i INTGEN intemal pans CONS E se adiabat
171. te e in varie combinazioni predefinite gli effetti dei vari fattori in questo modo possibile verificare i modelli di simulazione focalizzandosi su differenti parametri prestazionali con diverse configurazioni valutando l influenza del funzionamento a carico parziale PLR Part Load Ratio della variazione del rapporto tra calore sensibile e latente SHR Sensible Heat Ratio delle operazioni di raffrescamento con o senza deumidificazione delle operazioni nelle condizioni standard ARI Air Conditioning and Refrigeration Institute Note le ipotesi caratterizzanti ogni caso test sono date anche le soluzioni analitiche che rappresentano una soluzione probabile matematicamente corretta dell esercizio Le assunzioni fisiche che riguardano l impianto HVAC sono rappresentative di tipici dati costruttivi normalmente usati dai progettisti che molti software di simulazione sono in grado di analizzare per consentire cosi una progettazione pi veritiera Inizialmente sono state sviluppate autonomamente due soluzioni analitiche che in seguito sono state confrontate e migliorate come descritto pi 12 Le condizioni standard ARI prescrivono EDB 26 7 C EWB 19 4 C ODB 35 0 C 16 Standard di validazione avanti Per valutare le possibili cause di difformit tra i risultati delle simulazioni e le soluzioni analitiche viene fornito un diagramma diagnostico riportato in Figura 43 La configuraz
172. ted solar 810 20 27 H 200 5 9 9 A 6 12 S no Cases 810 900 test interior solar absorptance amp mass interaction 900 20 27 H 200 5 9 9 6 6 12 S no Cases 900 600 test thermal mass amp solar interaction 910 20 27 H 200 5 9 9 6 6 12 S 1 0mH Cases 910 900 test south overhang mass interaction 920 20 27 H 200 2 9 9 6 6 6 6 E W no Cases 920 900 test East amp West transmittance mass interaction 930 20 27 H 200 No 9 9 6 6 6 6 E W 1 0mHV Cases 930 920 test East amp West shading mass interaction 940 SETBACK H 200 3 9 9 6 6 12 S no Cases 940 900 test setback mass interaction 950 AN H 200 5 9 9 6 6 12 S no Cases 950 900 test venting mass interaction 200 2AONE SS See specification in text of the reference document NREL TP 472 6231 a A testspassive solar sinterzone heat 2 poss See specification in text of the reference document NREL TP 472 6231 Case AS round couple 600FF NONE NOTE 1 NOTE 3 900FF NONE These cases labeled FF Free Float are exactly the same as the non FF Case 395 has neither a window nor an opaque window 650FF NONE V cases except there are no mechanical heating or cooling systems It consists of 10096 normally insulated wall as specified for the light weight cases 950FF NONE V Thus the interior temperatures are allowed to free float see note 1 NOTE 4 NOTE 2 Cases 400 395 test surface convection and IR radiation The major portion of the change in results For explanation of TITLES see note 3 at bottom of previous ta
173. termica Tuttavia il secondo impianto inserito in questo modello pu essere che manchi nella pratica costruttiva quando le oscillazioni della temperatura della stanza ricadono in un intervallo accettabile la verifica di questo aspetto uno dei compiti dei programmi di simulazione a cui mirano questi test 101 Standard di validazione Il sistema radiante lascito invariato in tutti 1 casi dal 1810 al 1870 le modifiche vengono eseguite sui carichi interni e sull ambiente da simulare al fine di analizzarne la risposta in combinazione con l impianto radiante L obiettivo dei vari casi test si pu vedere in Tabella 26 mentre in Tabella 27 Si possono individuare pi in dettaglio come variano i dati di input tra i vari casi Negli ultimi casi 1880 e 1890 vengono analizzate differenti strategie di controllo con differenti setpoint e diverse programmazioni Casi dettagliati I casi dettagliati casi 2800 e 2810 contengono la descrizione di un reale impianto di riscaldamento a pavimento vedi Figura 51 A questo punto all utente consigliato di modellare questo impianto nel modo pi dettagliato che il software permetta L obiettivo di questo caso test da un lato confrontare 1 risultati dettagliati con quelli semplificati e dall altro comparare i differenti approcci di modellazione I due casi differiscono solamente nella programmazione dei periodi di funzionamento come riassunto in Tabella 26 e Tabel
174. thod IEA BESTEST In Depth diagnostic cases for Ground Coupled heat transfer related to Slab On Grade construction NREL TP 550 43388 National Renewable Energy Laboratory Golden CO Settembre 2008 120 Bibliografia 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 http www nrel gov docs fy080sti 43388 pdf http www 1ea shc org publications downloads task34 Building Energy Simulation Test pdf Neymark J Judkoff R et al IEA BESTEST in depth diagnostic cases for ground coupled heat transfer related to slab on grade construction Procedeeing of Building Simulation Luglio 2009 http www ibpsa org proceedings BS2009 BS09 1099 1106 pdf http www nrel gov docs fy09osti 45742 pdf Neymark J Judkoff R Knabe G Le H T During M Glass A Zweifel G HVAC BESTEST a procedure for testing the ability of whole building energy simulation programs to model space conditioning equipment Procedeeing of Building Simulation Agosto 2001 http www ibpsa org proceedings BS2001 BS01_0369_376 pdf http www nrel gov docs fy010sti 29828 pdf Neymark J Judkoff R Knabe G Le H T During M Glass A Zweifel G Applying the building energy simulation test BESTEST diagnostic method to verification of space conditioning equipment models used in whole building energy simulation programs Energy and Buildings Volume 34 Issue 9 Pages 917 931 Ottobre 2002 http linkinghub else
175. tionario atto all individuazione delle scelte requisiti progettuali che portano all impiego di conoscenze pregresse o di tali applicativi 1 Con forma riservata si intende che tale questionario non stato stilato anonimamente ma che specifiche informazioni sui lavori eseguiti potevano essere omesse es committente nome dell opera edid Conclusioni request for specific analysis special need for building codes no regular building design yes yes innovative yes building systems unfamiliar climate use conditions sensitive building function no visualise predicted problem impress client marketing no no funding available yes sufficient time for sim simulation expertise yes tools models available sufficient information for sim yes regular engineering Figura 57 Diagramma sulle scelte progettuali che portano all esecuzione o meno delle simulazioni Fonte Wilde e Prickett 2009 115 Conclusioni Un buon punto di partenza per la loro divulgazione consiste nella directory online gestita e costantemente aggiornata dal NREL accessibile all indirizzo www buildingtools energy gov In questa pagina internet vengono elencati oltre 370 software di simulazione energetica In particolare nella sezione riguardante EnergyPlus si possono consultare i model
176. tioning system In DOE 2 1E the RESYS2 system is for modeling typical residential equipment e g a unitary split This error was discovered using a preliminary version of HVAC BESTEST which had a base case different from E100 Tabella 20 HVAC BESTEST panoramica sui bug individuati e corretti casi E100 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2002 oe Standard di validazione Valutazioni sui programmi di simulazione Nel complesso i miglioramenti ai software di simulazione risultano evidenti confrontando i risultati iniziali con quelli attuali In Figura 41 sono mostrati i risultati per il COP della simulazione iniziale ottenuti dopo il primo ciclo di simulazioni prima di sviluppare le soluzioni analitiche le abbreviazioni lungo l asse delle ascisse indicano la descrizione dei vari casi test cfr Tabella 19 Questi risultati indicano un disaccordo medio variabile dal 2 al 30 rispetto alla media dei risultati simulati la corrispondente incongruit sul fabbisogno energetico del 4 40 Nella Figura 42 sono inclusi i risultati attuali per il COP per tutti i casi test e le soluzioni analitiche le abbreviazioni lungo l asse orizzontale sono le stesse della Figura 41 Tre set di risultati analitici sono indicati nella leggenda Analytical TUD Analytical HTAL1 e Analytica HTAL2 Tali soluzioni analitiche sono descritte in dettaglio nella Part IT della relazione finale 18 4 5 3 5 2 5
177. to Nel caso di chiusure completamente trasparenti la radiazione solare a bassa lunghezza d onda che cozza sulla superficie pi esterna viene parzialmente riflessa e in parte trasmessa verso l interno il vetro risulta trasparente per la radiazione a bassa lunghezza d onda mentre appare opaco per quelle 10 I software di simulazione a pi elevata lunghezza d onda Nell attraversamento degli strati di vetro e dell intercapedine l onda radiativa viene in parte assorbita causando un innalzamento della temperatura mentre la porzione rimanete prosegue il suo percorso verso il materiale successivo dove si rimanifestano gli stessi fenomeni ESTERNO INTERNO radiazione solare trasmissione solare diretta riflessione solare assorbimento emissione emissione verso l esterno verso l interno Figura 3 Propagazione della radiazione solare su superfici vetrate A questo incremento di temperatura consegue un processo di conduzione pi solerte e la formazione di moti convettivi pi importanti infine la stessa temperatura superficiale influenza emissione radiativa ad alte lunghezze d onda La componente del fascio incidente che viene direttamente trasmessa colpir con uno sfasamento temporale impercettibile alcune delle superfici interne dove si comporta alla stregua della radiazione che colpisce le superfici esterne nel caso di superfici opache si ha assorbimento e riflessione m
178. to studio L investigazione delle sorgenti di queste differenze auspicato tuttavia l esistenza di una difformit non significa necessariamente che il software sia sbagliato I collaboratori di questo progetto ricordano che sulla base della loro esperienza quando alcuni software hanno mostrato differenze considerevoli con un range di riferimento spesso hanno individuano un bug nel codice di calcolo o comunque un algoritmo discutibile I risultati mostrano grandi difformit tra i software osservati per molti dei casi test e dei parametri in uscita considerati I range di riferimento riflettono questo trend presentandosi assai ampi In Tabella 11 si mostra per le serie 600 e 900 la differenza assoluta tra 1 valori dei range di riferimento massimi e minimi e quella percentuale rispetto alla media del range di riferimento max min Caso max min x 100 0 5 max min Riscaldamento annuale serie 600 1 3 MWh 28 96 Raffrescamento annuale serie 600 1 7 MWh 37 96 Picco di riscaldamento serie 600 1 0kW 23 Picco di raffrescamento serie 600 0 9 kW 17 Riscaldamento annuale serie 900 0 9 KW 39 Raffrescamento annuale serie 900 1 0 MWh 66 Picco di riscaldamento serie 900 1 0kW 27 96 Picco di raffrescamento serie 900 0 8 kW 35 Tabella 11 Panoramica risultati ENVELOPE BESTEST Questa tabella indica un minor disaccordo per quanto riguarda il calcolo dei
179. uale utilizzo nel campo industriale lavorativo di questi strumenti di previsione tuttavia risulta difficile l interpretazione dei risultati di questo tipo di esercizi di validazione in quanto tutte le possibili cause di errore operano simultaneamente Sebbene si sia raggiunto un buon accordo tra le prestazioni simulate e quelle misurate la possibilit di errori di compensazione impedisce il raggiungimento ad una conclusione definitiva per quanto riguarda l accuratezza del modello Si possono ottenere pi livelli informativi di convalida mediante il controllo o l eliminazione delle varie fonti di errore o delle loro combinazioni e aumentando il numero di dati direttamente confrontabili con quelli misurati sul campo es confrontando la temperatura degli ambienti o il consumo energetico sia su base stagionale che su scala oraria Nel livello pi dettagliato tutte le sorgenti di errore conosciute sono controllate al fine di identificare e quantificare altre fonti di errore attualmente incognite e per rivelare il rapporto causa effetto tra le diverse fonti di errore Questo stesso principio generale si applica sia ai metodi di validazione analitica che alle tecniche di convalida comparativa Il banco di prova pi realistico il pi difficile per stabilire cause ed effetti e per diagnosticare i problemi quello pi semplice e controllato invece il pi facile al fine di individuare le diverse fonti di errore o altre inesattez
180. udkoff et al 2008 iii 71 Tabella 19 HVAC BESTEST descrizione casi test El00 E200 Fonte Neymark e Judkoff 2002 Indice Tabella 21 HVAC BESTEST intervalli di discordanza sui risultati di simulazione Fonte Neymarke Judkoff 200 sa 85 Tabella 22 HVAC BESTEST descrizione casi test E300 E545 Fonte Neymark e Judkoff 2004 E E ATA ORSI CR SI NOIE SNO SORRISE De hath tran LO A E 89 Tabella 23 HVAC BESTEST carichi interni caso E300 Fonte Neymark e Judkoff 2004 90 Tabella 24 HVAC BESTEST prestazioni a pieno carico dell impianto Fonte Neymark e Judkoff DOOD 56 cse ertt re Et RI reete ai 91 Tabella 25 HVAC BESTEST panoramica sui bug individuati e corretti casi E300 E545 Fonte Neymark e Judkoff 2004 eese sees eese tenente enne te seen teneret ense E ERAS 96 Tabella 26 RADTEST descrizione qualitativa dei casi test Fonte Zweifel e Achermann 2003 BGencneaup GREEN deese eid eius 105 Tabella 27 RADTEST descrizione dei casi test Fonte Zweifel e Achermann 2003 106 Tabella 28 Riassunto correzioni dovute al IEA 34 43 Fonte Judkoff e Neymark 2009 114 VIII Introduzione 1 INTRODUZIONE Con questa trattazione si vuole introdurre il lettore al mondo dei software di simulazione energetica del sistema edificio impianto a tal fine si cercato di mantenere un approccio semplificato cos da rendere pi semplice l avvicinamento a
181. ulazione A causa dell elevato flusso d aria nel secondo esperimento importantissimo per la validazione che la temperatura dell aria nell intercapedine ventilata calcolata sia congruente con quella misurata in caso contrario a causa dell elevata portata d aria si pu pervenire ad un forte errore nel bilancio termico 33 Standard di validazione Gli studi basati sui risultati del secondo esperimento hanno mostrato che 1 modelli non prevedono correttamente la temperatura nell intercapedine e quelli che hanno raggiunto i migliori risultati possiedono ancora un errore di 1 5 C Infine gli scostamenti dai dati empirici nei periodi di maggior radiazione solare sono molto pi significativi solo nel periodo senza radiazione solare si raggiunto un buon accordo tra 1 risultati sperimentali e quelli calcolati Nel primo caso il quale non coinvolge lo scambio di massa nella cavit si ottenuto una buona approssimazione dei dati misurati nei periodi col picco di radiazione solare con diversi modelli Tuttavia questi modelli ancora non concordano quando si confrontano altri parametri come la potenza di riscaldamento condizionamento temperature superficiali ecc Lo scopo degli studi realizzati con le celle EMPA ara quello di creare una serie di dati da usare per la valutazione dell accuratezza dei modelli per le superfici vetrate e le finestre con o senza dispostivi ombreggianti Globalmente si sono con
182. ulazioni dovevano prevedere il consumo energetico Entrambi gli esperimenti incorporavano una variazione pseudo casuale della potenza fornita e della temperatura di set point rispettivamente e sono stati usati per verificare una nuova tecnica per la diagnosi degli errori nei modelli di analisi termica degli edifici Nel secondo esperimento le previsioni di consumo energetico erano inferiori circa del 10 30 rispetto alle misurazioni in entrambe le celle di test al contrario nel primo esperimento i risultati si dimostrarono coerenti sebbene la temperatura simulata risultasse maggiore di quella misurata nelle varie zone Le simulazioni che in genere assumono un ideale fonte di calore puramente convettiva hanno dato una migliore congruenza con i risultati di riscaldamento convettivo sperimentali che con la stufa ideale Le possibili ragioni di questo inaspettato risultato includono dei coefficienti di dispersione superiori a quelli specificati dalla costruzione e dei coefficienti dei film interni maggiori a causa dell elevato mescolamento dell aria rispetto al caso ideale Nel terzo esperimento con le celle di prova GENEC l obiettivo era quello di convalidare il calcolo dei guadagni solari attraverso superfici vetrate stimando le risultanti temperature flottanti In questo esperimento 1 risultati delle simulazioni hanno mostrato un maggior scostamento dai dati misurati rispetto agli esperimenti con le celle ETNA tuttavia in un analisi comp
183. una sovra o sottostima dei dati in ingresso oppure a dei risultati chiaramente irreali Inoltre l utente consigliato a familiarizzare con le procedure usate nel software specie nella fase di inserimento dei dati soprattutto se si deve eseguire una simulazione complessa o sofisticata A tal fine questo elaborato cercher di fornire una panoramica sulle tecniche di modellazione dei principali fenomeni fisici e non che animano il comportamento del sistema edificio impianto per poi focalizzare l attenzione sulla validazione di queste procedure 2 1 Classificazione I software di simulazione energetica esistono da prima della crisi petrolifera del 1973 tuttavia solo in seguito a tale episodio sia nel settore pubblico che in quello privato se ne incentivato lo studio e lo sviluppo I primi programmi o software nascono dall implementazione di procedure di tipo manualistico caratterizzate da uno schema semplificato operante in regime stazionario forniscono pertanto dei risultati solamente indicativi Successivamente si sono introdotti dei modelli che tengono conto parzialmente delle dinamiche energetiche che hanno luogo negli edifici Questi applicativi si In 15 e disponibile uno schema rappresentativo dell intreccio evolutivo di tali strumenti a partire dal 1967 fino alla fine degli gli anni 70 primi anni 80 I software di simulazione presentano difficili da utilizzare anche a causa della mancanza di un interfac
184. uni bug o revisione di alcune erronee interpretazioni delle specifiche dei vari test Bugs ed errori di modellazione sono stati riportati per ogni software in un modeler report anch esso incluso nella trattazione originale I risultati finali ricavati dai programmi di riferimento TRNSYS DOE 2 1E IDA ICE 3 0 CLIM 2000 ESP r HOT3000 sono presentati in forma tabellare e grafica Si vuol ora ribadire che questi risultati non rappresentano uno standard di verit assoluta Per ogni caso test se un programma cade nella mezzeria dell intervallo non significa che sia migliore di altri che invece cadono agli estremi o addirittura esternamente I range rappresentano le differenze tra gli algoritmi considerati come 1 pi rappresentativi dello stato dell arte attuale 2003 L investigazione delle sorgenti di queste differenze vivamente consigliato tuttavia l esistenza di una difformit non significa necessariamente che il software sia sbagliato L esperienza ha dimostrato che quando alcuni software mostrano differenze considerevoli con un range di riferimento spesso hanno individuano un bug nel codice di calcolo o comunque un algoritmo discutibile Il confronto col precedente ENVELOPE BESTEST non viene riportato in quanto tutti i risultati erano all interno del range I diversi approcci di modellazione degli impianti di riscaldamento e raffrescamento radiante hanno prodotto risultati soddisfacenti Riteniamo importante evide
185. ura 15 BESTEST vista in pianta e in sezione della zona tampone soleggiata Fonte Judkoff e N eymark LIO A A et ne tee d fd e edd ds 46 Figura 16 BESTEST diagnostica per i casi con bassa massa termica 49 Figura 17 BESTEST diagnostica per i casi con bassa massa termica eene 50 Figura 18 BESTEST diagnostica per i casi con elevata massa termica iii 51 Figura 19 BESTEST diagnostica per i casi con elevata massa termica iii 52 Figura 20 BESTEST Casi a bassa massa termica riscaldamento annuale sss 55 Figura 21 BESTEST Casi a bassa massa termica raffrescamento annuale no 55 Figura 22 BESTEST Casi ad alta massa termica riscaldamento annuale sess 56 Figura 23 BESTEST Casi ad alta massa termica raffrescamento annuale s 56 Indice Figura 24 BESTEST Casi a temperatura flottante media della temperatura annuale su base ar 57 Figura 25 BESTEST Casi con accoppiamento verso terra riscaldamento e raffrescamento GT cott a A eter eerte e et etre TAE teta ede ve ederet TAE ae A te 57 Figura 26 GC BESTEST risultati raggiunti dall TEA SHC Task 22 Fonte 21 59 Figura 27 GC BESTEST geometria con condizioni al contorno caso GC30b Fonte Neymark Judkoff etal 2008 ees tet cete t eere e ete e Pe CARERE e e DR ee ety RR Ug es 65 Figura 28 GC BESTEST d
186. uto a questo proposito L approccio diretto pu comunque essere usato per valutare le prestazioni future di edifici gi esistenti ripetendo l analisi fatta nella fase di progettazione La calibrazione consiste proprio nel mettere a punto un modello di simulazione classico tuttavia questo processo si rileva scomodo e faticoso 2 3 2 1 Approccio empirico o Black Box Con questo criterio si identifica un modello di regressione semplice o multipla tra il consumo energetico misurato e i vari parametri che lo influenzano es dati climatici occupazione dell edificio La forma dei modelli di regressione pu essere puramente statistica o basata su fondamentali formulazioni ingegneristiche ad ogni modo non possibile assegnare un vero e proprio significato fisico ai coefficienti identificati dal modello Questo criterio pu essere usato con qualunque scala di tempo mensile giornaliera oraria o inferiore se i dati necessari sono disponibili 17 I software di simulazione L identificazione del modello relativamente semplice di solito richiede poco sforzo e pu essere utilizzata in varie circostanze diverse per questo motivo l approccio empirico il pi usato tra i metodi inversi cfr Tabella 2 possibile utilizzare tecniche pi sofisticate di regressione di cui quella ai minimi quadrati la pi comune Il criterio puramente statistico solitamente adeguato per la valutazione di diverse soluzioni per la
187. vari fenomeni naturali che incidono sul comportamento del sistema ma anche dell intensit delle varie iterazioni Il principale vantaggio di questo metodo che il sistema edificio impianto non necessita di essere fisicamente esistente al fine di predirne il suo comportamento pertanto questo criterio ideale nella fase progettuale preliminare o nello stadio di analisi e risulta quindi il metodo pi usato La modellazione diretta dei consumi energetici di un edificio inizia con la descrizione fisica della struttura edilizia o di una sua porzione di interesse Ad esempio geometria dell edificio localizzazione geografica caratteristiche fisiche es materiali e spessori delle pareti tipologia di impianto di climatizzazione programmazione e regolazione dell impianto destinazione d uso degli ambienti ecc vengono specificati in questa fase Il consumo energetico di picco e medio oppure il grado di comfort nelle varie zone pu essere previsto o simulato tramite l approccio diretto La Figura 6 mostra la configurazione tipica di questi programmi i quali talvolta sono corredati da un analisi economica del progetto esaminato Il beneficio principale di questa procedura che essendo basato su principi fisici insegnati nelle universit viene accettato largamente dagli operatori 16 I software di simulazione Descrizione dell edificio ANALISI DEI Dati climatici forma materiali destinazione d uso CARICHI
188. viceversa Praticamente impossibile eseguire i test con qualunque condizione meteorologica si devono pertanto selezionare i climi pi rappresentativi e differenti al fine di stressare i diversi meccanismi di trasmissione del calore Praticamente risulta troppo oneroso eseguire test di lungo periodo annuali pertanto molti parametri devono essere testati nel breve periodo Sfortunatamente i test di breve periodo tendono a non esaltare piccoli errori additivi e permettono di stressare solo certi meccanismi di trasmissione del calore difficile dire quali effetti comportino le discrepanze delle temperature di breve periodo sull accuratezza della previsione dei consumi energetici Es se la temperatura calcolata oscilla all interno della banda morta superando saltuariamente i limiti di accensione spegnimento dell impianto mentre quella effettiva supera pi frequentemente tali limiti il consumo energetico previsto sar minore di quello reale e viceversa Sarebbe troppo oneroso realizzare gli stessi test con lo stesso livello di strumentazione e controllo in un grande impianto commerciale rispetto ad uno residenziale oppure per tutti i modelli di tutti i costruttori improponibile eseguire dei test di simulazione in ogni tipo di costruzione questo eliminerebbe il bisogno della simulazione stessa poich si sarebbe gi in possesso dei dati per ogni edificio da simulare Di conseguenza si dovranno selezionare qu
189. vier com retrieve pii S0378778802000725 Neymark J Judkoff R Knabe G Le H T During M Glass A Zweifel G An analytical verification procedure for testing the ability of whole building energy simulation programs to model space conditionig equipment HVAC BESTEST Presentazione per ASHRAE Symposium Honolulu Hawaii Giugno 2006 http tc47 ashraetcs org pdf Presentations Neymark_Honolulu pdf Tuomaala Pekka Implementation and evaluation of air flow and heat transfer routines for building simulation tools VIT Technical Research Centre of Finland 2002 http www vtt fi inf pdf publications 2002 P47 1 pdf UNI EN ISO 13791 2005 Prestazione termica degli edifici Calcolo della temperatura interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione Criteri generali e procedure di validazione UNI EN ISO 13792 2005 Prestazione termica degli edifici Calcolo della temperatura interna estiva di un locale in assenza di impianti di climatizzazione Metodi semplificati UNI EN 15255 2008 Prestazione energetica degli edifici Calcolo del carico sensibile di raffrescamento di un ambiente Criteri generali e procedimenti di validazione UNI EN 15265 2008 Prestazione energetica degli edifici Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti mediante metodi dinamici Criteri generali e procedimenti di validazione Wilde P e D Prickett Precond
190. vo Distribuzione della radiazione Carichi interni di zona pi realistici 103 Standard di validazione 1840 ALLA LILIA LLL LLL LL ELLER 1850 1860 LILA LALALA LAA AAA AA AAA A AAA AARACACA O 1870 aN LLL LL LLL LLL LLULLA 1880 1890 Viene aggiunta una finestra opaca Carichi interni impostati come il caso 800 Viene introdotta una finestra reale Coincide col caso 1850 ma i carichi interni sono solo radianti Coincide col caso 1850 ma i carichi interni sono solo convettivi Livello inferiore della superficie a temperatura costante Setpoint 18 C d estate 30 C d inverno Simile al caso 1850 ma nel periodo estivo il setpoint della seuperfiice a temperatura costante attivo solo dalle 20 00 alle 6 00 Influenza di pareti altamente conduttive Influenza della radiazione entrante dall esterno Influenza di sorgenti di calore radiante Influenza di sorgenti di calore convettive Influenza del cambiamento di temperature sul fabbisogno energetico per il riscaldamento e il raffrescamento Influenza di operazioni interrotte sul fabbisogno energetico per il raffrescamento 104 Standard di validazione Caso reale con un modello dettagliato di un circuito alimentato ad acqua Alimentazione della portata d acqua per l intero anno 24 h giorno 2800 Caso reale con un modello dettagliato di un circuito alimentato ad acqua Nella s
191. ware PROMETHEUS in quanto si sospettano uno o pi errori che non sono stati risolti entro la conclusione del presente progetto IEA Il livello di disaccordo pi elevato nei casi a secco senza deumidificazione si ha per il caso col pi basso carico parziale ed probabilmente collegato ad alcuni potenziali problemi che sono stati risolti e documentati per DOE 2 1E cfr Tabella 20 Le divergenze pi grandi per l umidit relativa della zona climatizzata si hanno con CLIM2000 e DOE 2 1E CIEMAT mentre le incongruenze maggiori tra le temperature si presentano coi risultati di TRNSYS TUD quando si applica un controller realistico con un breve periodo di tempo 36 s tutti gli altri risultati di simulazione modellano un controllore ideale Sulla base dei risultati ottenuti dall applicazione dell HVAC BESTEST i programmi sembrano affidabili per 1 parametri prestazionali analizzati quando l apparecchio funziona in condizioni pressoch nominali 84 Standard di validazione Cases Dry coil Wet coil E100 E140 E150 E200 COP and Total Electric 0 665 0 39 Consumption Zone Humidity Ratio 0 1196 0 795 0 0 C 0 7 C 0 0 C 0 5 C Zone Temperature 0 19C 0 0 C 0 1 C P Percentage disagreement for each case is based on the difference between each simulation result excluding one simulation participant that could not finish the project versus the mean of the analytical solution re
192. ypass Factor CDF COP Degradation Factor IDB Indoor Tabella 25 HVAC BESTEST panoramica sui bug individuati e corretti casi E300 E545 Fonte Neymark e Judkoff 2004 4 3 4 3 Diagrammi diagnostici Analogamente ad ogni procedura BESTEST la relazione tecnica completa corredata di un diagramma diagnostico utile per la definizione dello scopo e dell ordine con cui eseguire 1 vari test Onde evitare inutili ripetizioni di quanto gi esposto precedentemente ci limitiamo a ribadire 1 seguenti concetti base P I diagrammi forniscono un indicazione sulla probabile causa di eventuali anomalie tra i risultati in quanto ogni caso test mirato a stressare algoritmi di calcolo specifici I test indicati ad esempio con E310 E300 suggeriscono il confronto di sensibilit tra i risultati del caso E310 con quelli del caso E300 In particolare si deve porre particolare attenzione all intensit della differenza tra i due risultati delta results ed il loro segno Se un software mostra delle difformit con i risultati di riferimento in primo luogo si consiglia di controllare la correttezza di tutti 1 dati input L utilizzo dei diagrammi diagnostici aiuta ad isolare le fonti di discrepanza in taluni casi utile ricontrollare i risultati della serie E100 Qualora non si siano individuati errori nei dati di input si prosegue la ricerca del problema nel codice sorgente se si trova un errore allora si provvede alla sua corr
193. ze 26 3 1 1 Principali estrapolazioni adottate La validazione Ogni confronto tra le prestazioni misurate e quelle calcolate rappresenta una piccola regione in un immenso spazio n dimensionale di parametri Praticamente siamo costretti a esplorare relativamente poche regioni all interno di questo spazio ma vorremmo essere certi che 1 risultati non siano casuali e rappresentino la validit della simulazione anche nelle regioni rimanenti Le tecniche analitiche e comparative minimizzano l incertezza delle estrapolazioni che si devono compiere limitando cos il numero di test pratici che si devono condurre La Tabella 4 classifica tali estrapolazioni Dati noti o misurabili Estrapolazioni Commenti Qualche zona climatica Totale consumo energetico di breve periodo mensile Temperature e o flussi di calore di breve periodo su base oraria o inferiore Alcuni punti prestazionali degli impianti Alcuni edifici che rappresentino qualche serie di variabili miscelate Piccola scala semplici celle di prova edifici sistemi meccanici esperimenti di laboratorio Molte zone climatiche Totale consumo energetico di lungo periodo annuale o viceversa Totale fabbisogno energetico di lungo periodo o viceversa Molti punti prestazionali degli impianti Molti edifici che rappresentino molte serie di variabili miscelate Larga scala edifici complessi con impianti HVAC complessi o

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