Estratto Tesi di laurea: Studio e progettazione di facciate attraverso l'analisi della radiazione solare e il visual scripting

L’utilizzo di software parametrici e l’influenza dei parametri ambientali nella progettazione preliminare: Vasari & Dynamo

 

“La sostenibilità di un edificio si decide in larga parte nelle prime fasi dei processi di progettazione edilizia, alla base di Project Vasari c’è la volontà di dare una risposta a questa problematica offrendo al mercato soluzioni concrete per affrontarla e superarla. Project Vasari consente a chiunque, non solo agli utenti di Revit, di vedere e sperimentare molti dei benefici derivanti dall’applicazione delle analisi energetiche alle prime fasi di sviluppo concettuale dei progetti architettonici.”₂₇

Si tratta di un modellatore stand-alone, che non richiede l’installazione di Autodesk Revit, ma è stato sviluppato con lo stesso linguaggio. Permette quindi di effettuare le prime analisi di un progetto nelle prime fasi della progettazione.

Lo strumento Conceptual Energy Analysis è incluso all’interno di Project Vasari per consentire di convertire in modo automatico un modello concettuale in un modello analitico per l’analisi energetica così da poter raccogliere informazioni sui consumi e costi energetici sin nelle primissime fasi del processo di progettazione.

Inoltre con Vasari è possibile calcolare la radiazione solare che colpisce le superfici. Dato importantissimo come vedremo in seguito, soprattutto nelle prime fasi della progettazione.

L’irraggiamento e la misurazione della radiazione solare

L’irraggiamento è uno dei tre modi in cui può essere trasferito il calore, (conduzione, convezione e irraggiamento). In termodinamica e elettromagnetismo esso viene inteso come un passaggio di energia tra due corpi mediante onde elettromagnetiche. Nel nostro caso parliamo più precisamente di Irraggiamento termico.

L’energia trasmessa dal sole è tale da giungere sulla terra e trasmettere calore ai corpi che investe. La quantità di flusso che giunge su un corpo, per unità di tempo e superficie, si chiama irradianza, e si misura in W/m2 .

I fattori principali che influiscono sull’irragiamento che riceve un corpo (o un’edificio) sono essenziallmente:₂₈

• Posizione Geografica

• L’ora e il giorno

• Condizioni atmosferiche

• Orientamento e posizione della superfice stessa

 

Quest’ultimo in particolare è quello che ci interessa maggiormente, poichè è quello sul quale possiamo intervenire a livello progettuale. Lavorando in un clima caldo, dobbiamo sempre tener presente che il maggior quantitativo di energia viene utilizzato per raffrescare, quindi il nostro obbiettivo è quello di ridurre la temperatura all’interno del nostro edificio sin dalle prime fasi della progettazione. Un metodo molto efficace è per l’appunto quello di evitare l’iraggiamento diretto di quest’ultimi.

Sappiamo che la radiazione solare è importante per il raffrescamento e il raffredamento passivo dell’edificio e per l’illuminazione naturale, ma anche per la produzione di energia pulito in situ. Sapere l’incidenza della radiazione solare sul nostro progetto è nell’intorno si rileva un dato estremamente importante.

L’intensità del sole varia a secondo delle condizioni atmosferiche e dell’angolo di incidenza sulla superfice terrestre. Più i raggi saranno perperdicolari alla superficie maggiore sarà la loro potenza.

 

Il sole visto dallo SKYLABS, Nasa.       

Power from the Sun by by William Stine and Michael Geyer, capitolo 2

 

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Power from the Sun by by William Stine and Michael Geyer, capitolo 2.

La radiazione solare incidente viene espressa in unità di energia per area (nello specifico di Vasari in W/mq, kW/mq oppure BTU/ftq) edè uno dei dati più utili nella progettazione preliminare. Viene anche chiamata  Insolation (da INcident SOLar radiATION) e può essere espressa in unità di energia accumulata per unità di tempo (ore, giorni, anni).

Radiazione solare incidente, simulata dal software Autodesk Project Vasari.

La radiazione solare incidente è composta da due elementi principali:

1. Radiazione diretta dal sole che è sempre misurata perpendicolarmente ai raggi solari.

2. Radiazione diffusa che dipende sia dalla nuvolosità che dall’atmosfera. Viene misurata su una superficie orrizzontale.

3. 

Esempi di differente distribuzione dellenuvole nel cielo, Autodesk Sky Illumince Ecotect.

I dati per la radiazione diretta e la radiazione diffusa, sono inclusi nei Wheather Files che il software utilizza.

 

Confronto tra l’insolation in assenza di nuvole (teorica) e la presenza di nuvole.

Un cielo nuvolo riduce l’ammontare di radiazione diretta a favore di una radiazione diffusa. Dell’energia totale che viene dal sole più di un terzo vine riflessa nello spazio, e circa il 20% raggiunge la superficie sotto forma di radiazione diffusa, tutto il resto arriva sotto forma di radiazione diretta.

I valori della radiazione solare incidente che vengono calcolati e visualizzati da software come Vasari, Revit o Ecotect, sono basati sulla specifica forma dell’edificio in analisi. Il risultato finale deriva dai dati di radiazione diretta e diffusa dei wheater data, la forma dell’edificio e l’intervallo di tempo in cui si esegue l’analisi.

Il calcolo usato dal software tiene conto dell’ombreggiamento dato dagli edifici circostanti (Fshading), la porzione di cielo visbile dalla superfice in analisi(Fsky), e l’angolo di incidenza tra il sole e la superficie analizzata (theta). Essendo la radiazione solare incidente la misurazione di quanta energia colpisce l’elemento, il materiale dello stesso, non ha alcuna influenza all’interno del calcol in questione.

 

L’ammontare della porzione di cielo visibile da una superficie (Fsky) viene determinata applicando una maschera solare sulla volta celeste, Autodesk Sustainabilty Workshop.

L’equazione che sta dietro i valori forniti dal programma è:

Incident solar radiation = (Ib* Fshading * cos(theta)) + (Id * Fsky)+ Ir

Dove:

Ib = Radiazione solare diretta

Id  = Radiazione solare diffusa

Ir = Radiazione riflessa dal terreno

Fshading = Fattore d’ombreggiamento (=1 non ombreggiato, =0 ombreggiato)

Fsky = Fattore di cielo visibile

Theta = Angolo d’incidenza tra il sole e la superficie

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La radiazione solare quindi, è la quantità di energia che colpisce una superfice. Non ci dice necessariamente quanta radiazione è assorbita dalla facciata dell’edificio, trasmessa dalle finestre o riflessa indietro. Questo dipende dalle proprietà del materiale irradiato e segue generalmente questa regola:

100% incident – reflected = Absorbed  + Transmitted 

Attreverso Vasari o Revit, non possiamo calcolarci questi valori direttamente. Tuttavia possiamo sfruttare le informazioni sulla radiazione solare per progettare adeguatamente aperture, ombreggiamento, zone massive e la forma stessa dell’edificio.

Per un analisi più dettagliata delle prestazioni termiche dell’involucro, come vederemo nel capitolo successivo ci affideremo ad altri software come ad esempio THERM sviluppato da Lawrence Berkeley National Laboratory e dal dipartimento per l’energia degli Stati Uniti.

L’obiettivo quindi è quello di creare una schermatura che possa assorbire la maggior quantità possibile di radiazione solare diretta in modo da proteggere l’edificio. Per fare questo dobbiamo essere in grado di determinare la quantita di radiazione solare colpisce la nostra schermatura in ogni posizione e orientamento possibile e scegliere la migliore.

Ovviamente anche riducendo il range di possibilità a quelle concesse dai vincoli strutturali, dell’intorno e architettonici le possibilità da vagliare sono troppe per poter essere valutate. Da qui l’idea di utilizzare un software che unisca il calcolo della radiazione solare incidente e la possibilità di gestire e far variare geometrie parametricamente. In poche parole guideremo il modello attraverso lo studio della radiazione solare.

Inoltre vogliamo  ottimizzare anche l’esposizione della copertura, in modo da poter ottenere il massimo guadagno energetico dai pannelli fotovoltaici che la ricoprono.

Autodesk Project Vasari

Si tratta di un modellatore stand-alone, che non richiede l’installazione di Autodesk Revit, ma è stato sviluppato con lo stesso linguaggio. Permette quindi di effettuare le prime analisi di un progetto nelle prime fasi della progettazione.

 

Simulazione della radiazione solare eseguita dal software Autodesk Project Vasari.

Nelle pagine precedenti abbiamo detto che il dove è un parametro estremamente importante nell’analisi della radiazione solare, abbiamo anche accennato al fatto che Vasari attraverso dei Wheater Files tiene conto dei vari fattori che influenzano la radiazione solare come, incidenza dei raggi e nuvolosità media (in particolare negli studi annuali). Per fare questo, vasari si appoggia all'Autodesk Climate Server, una rete di rilevamento climatico si basa su 3 metodologie:

• Virtual wheather station: il sistema di staizoni meteo virtuali di Green Building Studio, basato su elaborazioni di dati meteorologici. Elaborate dal NOAA.

• Physical wheather station: basato su stazioni meteorologiche reali.

• Historical data: una banca dati dello storico meteo del luogo.

Ovviamente questa rete di dati costantemente aggiorna, si rileva utilissima anche per le analisi termiche e lo studio dei venti.

Il progetto elaborato in Revit o Vasari viene così georeferenziato, il sistema si aggangerà alla stazione di rilevamento più vicina (dovremo stare attenti tuttavia, se sia quella che monitora il clima più simile a quello del nostro edificio, guardando ad esempio l’altimetria).

 

 

Autodesk Climate Server, rete di rilevamento bioclimatica negli USA.

Tipologie di output per l’analisi della radiazione solare

L’analisi della radiazione solare in Vasari ci ha la possibilità di selezionare diverse tipologie di dati di output a secondo delle nostre esigenze.

Inanzitutto, la sommatoria della quantità di energia irradiata su una superficie può essere calcolata in tre modi: Peak, Average, Cumulative.

Peak - E’ il massimo valore rilevato durante il periodo di studio, viene utilizzata se vogliamo conoscere nell’arco di un lungo periodo la condizione più sfavorevole dal punto di vista termico per l’edificio. E’ molto utile nel calcolo degli impianti di condizionamento e nella progettazione preliminare per evitare situazioni estreme. La radiazione solare incidente è un parametro molto influente dal punto di vista del raffrescamento sia naturale che meccanizzato dell’edificio.

Average - E’ la media oraria di tutti i valori rilevati nel periodo di studio, (la media è calcolata solo in base alle ore diurne). Questa analisi viene utilizzata non solo per conoscere i valori di radiazione solare nell’arco di una stagione ma anche nei soli orari di funzionamento e di attività dell’edificio. Con questa analisi possiamo stimare il potenziale guadagno termico passivo dell’edificio nei mesi invernali, quando l’accumolo di calore è richiesto. Inoltre se messo in funzione di un coefficiente di efficienza di un impianto fotovoltaico possiamo stimare l’outpu di energia che possiamo ottenere.

Cumulative - E’ il totale di tutti i valori calcolati nel periodo di studi. Possiamo usarla per calcolare il totale dell’energia accumulato in qualunque intervallo di tempo ci interessi. E’ molto utile per capire con quali quantità di energia dobbiamo lavorare poichè rispotto a un calcolo di media rispiecchia maggiormente i valori reali, sarà il tipo di analisi che utilizzeremo maggiomente.

Dynamo

Dynamo  è un ambiente di programmazione visiva sviluppato per il Building Information Modelling. Nonostante isa Revit che Vasari, siano software parametrici, Dynamo estende le sue capacità di gestione a dati astratti e funzioni logiche, governabili attraverso un algoritmo grafico, molto simele a Grasshopper per McKneel Rhinoceros. Tutto questo permette all’utente di condividere facilmente il lavoro di altri o di complirare il codice lui stesso.

 

Dynamo rientra nei software open-source e chiunque può scaricare il codice sorgente del programma e migliorarlo.

L’ambiente di lavora di Dynamo è basato su un desk vuoto, in cui è possibile posizionare i vari Node e connetterli con i Wires.

 

I Node quindi sono elementi che si posizionano e collegano tra loro per formare un Visual Program, essi possono possono rappresentare  elementi di Revit come Model Lines o Reference Point oppure funzioni matematiche. Tutti in Node hanno un Input e un Output rispettivamente posizionati a sinistra e destra in modo da facilitare la compilazione dello script. Inoltre i Node possono essere modificati dall’utente sempre all’interno Dynamo in modo da creare Node personalizzati, formati da altre funzioni al loro interno.

Il modello guidato dall’analisi della radiazione solare.

 

Mazria, E. (1979). Passive Solar Energy Book, Rodale Press.

Come  abbiamo detto vogliamo ottimizzare la quantità di radiazione

solare che colpisce la schermatura andando a lavorare sull’orientamento di questa. Faremo in modo che Dynamo legga i risultati dell’analisi sulla radiazione solare di Vasari ad ogni variazione di un parametro che guiderà la rotazione della schermatura, ed individui la migliore.

Per quanto riguarda la copertura invece, essendo una superfice a doppia curvatura, che viene generata dall’elevazione di uno dei vertici, creeremo un parametro che guidi l’altezza di questo punto (quello a Nord per la precisione).

Parametrizzazione dell’orientamento

Il modello che utilizzeremo è stato realizzato in modo tale da seguire un parametro  increment, ruotando o spostandosi di n unità, quante stabilite in un altro partametro angleincrement o heightincrement. Useremo Dynamo per far compiere degli spostamenti iterativi alle superfici, in modo da trovare la posizione migliore in relazione al sole e all’ombreggiamento dato dall’intorno.

 

Impostare l’esportazione automatica della radiazione solare

Vasari permette di esportare l’analisi sull’irraggiamento in un file CVS, aggiornando i risultati in tempo reale in base alle variazioni eseguite sia sul modello che sui range di analisi. In questo modo ottiamo un sheet dei valori della griglia di analisi completamente interattivo con il modello.

A questo punto possiamo ripassare all’ambiente di Dynamo e creare lo script che ci permetta di:

• Variare l’angolo di rotazione o l’altezza dell’elemento un deteminato numero di unità compiendo un iterazione tramite una numero determinato di incrementi. Questo approccio è chiamato brute force poichè ogni incremento è prima eseguito e solo dopo calcolato.

• Leggere e analizzare i valori dell’analisi della radiazione solare. computare il totale per ogni incremento.

• Comparare le varie analisi tra loro al variare di ogni parametro.

• Quando tutte le iterazioni sono state eseguite, aggiornare il modello alla più performante.

Cominciamo con la creazione dello script. Nell’immagine sottostante possiamo vedere alcuni Input:

Il Family Instance Selection selezione la famiglia alla quale vogliamo far eseguire le iterazioni, String definisce il nome del parametro di incremento, con i due Number definiamo l’entità dell’incremento e il numero di iterazioni che vogliamo far compiere. Quest’ultimi sono scelti inbase ai vincoli imposti dal progetto stesso e dall’intorno. Infine nel node Filename indichiamo il CVS da cui importare le analisi.

L’operatore logico di tutto il procedimento è il node Solar Radiation Optimizer. Gli altri node rappresentano gli input. Lanciamo lo script ed osserviamo il programma compiere le iterazioni necessarie.

 

Example 7, Autodesk LTD, WikiHelp Autodesk Dynamo for Vasari.

Per capire meglio come lavora il Solar Radiation Optimizer guardiamo come è composto il node al suo interno.

 

Come vediamo anche qui abbiamo una serie di Input, che corrispondono a quelli immessi a livello superiore. Il nocciolo del lavoro viene eseguito dal node Solarradopt il quale esegue le iterazioni, o meglio le ricorsioni, attraverso le permutazioni. Il node Solarradupdate deriva dagli output del Solarradopt ed ha il compito di aggiornare a ogni iterazione la famiglia.

 

Come abbiamo detto il Solarradopt si occupa della parte principale del lavoro, ossia di leggere il CSV delle analisi attraverso il node ReadFile e ExtractSolarRadiationValue e dopo compararla con la precedente utilizzando Solarracomp.

Se notiamo bene all’interno del node Solarradopt troviamo un node Solarradopt. Questo tipo di situazione viene definito algoritmo ricorsivo, ossia un algoritmo espresso in termini di se stesso, ovvero in cui l'esecuzione dell'algoritmo su un insieme di dati comporta la semplificazione o suddivisione dell'insieme di dati e l'applicazione dello stesso algoritmo agli insiemi di dati semplificati.

Tale tecnica risulta particolarmente utile per eseguire dei compiti ripetitivi su di un set di variabili in input, come nel nostro caso dove lo stesso elemento viene analizzato più volte ma sempre in posizioni diverse. L'algoritmo richiama se stesso generando una sequenza di chiamate che ha termine al verificarsi di una condizione particolare che viene chiamata condizione di terminazione, che in genere si ha con particolari valori di input.

La tecnica ricorsiva permette di scrivere algoritmi eleganti e sintetici per molti tipi di problemi comuni, anche se non sempre le soluzioni ricorsive sono le più efficienti. Questo è dovuto al fatto che comunemente la ricorsione viene implementata utilizzando le funzioni, e che l'invocazione di una funzione ha un costo rilevante, e questo rende più efficienti gli algoritmi iterativi.

 

Il node Solarracomp  si occupa invece di comparare le varie analisi tra loro attraverso tre variabili. La variabile Old contiene i risultati dell’analisi e la sua iterazione. La variabile Data è la nuova analisi e newAmt è il numero della nuova iterazione. Se List è maggiore della vecchia iterazione allora si passa alla list successiva conservando quest’ultima altrimenti viene scartata. Tutto questo attreverso il node che contiene la funzione logica semplice If.

Torniamo infine al node Solarradupdate. Questo node esegue l’operazione finale. Il valore maggiore filtrato attraverso il node Solarradopt, il quale viene estrapolato attraverso tutte le ricorsioni fino al valore maggiore e verificato attraverso ognuno di esse. Quindi il valore finale viene mandato al Solarradupdate che ci resituirà un valore di incremento, quello ottimale, attraverso il node Get che inviarà quest’input  al node Set Instance Parameter.

 

In questo modo abbiamo ottenuto l’inclinazione della copertura e della facciata migliori, nei limiti imposti dal progetto e dall’intorno.

Attraverso l’utilizzo di software di programmazione visiva siamo stati di utilizzare gli strumenti di analisi ambientale di Vasari. Lo sviluppo di questi due software è ancora all’inizio, Vasari è una beta e Dynamo una versione alpha. Tuttavia continuando su questa strada sarà possibile realizzare componenti e famiglie in grado di scambiare informazioni di diverso genere in modo sempre più efficiente e completo. In questo modo il progettista avrà sempre più possibilità di sviluppare e reinterpretare i suoi strumenti, in modo da potersi muovere sempre più agevolmente tra essi, rendoci così in grado di poter sperimentare in modo molto più consapevole una vasata gamma di possibilità, riducendo sempre più le distanze tra chi crea il software e chi lo utilizza.

27. Phil Bernstein, Autodesk vice president of industry relations.

28. Arch. Maria Leporelli, L’influenza della radiazione solare sul comportamento energetico degli edifici – teoria e “numeri”.29. Solar Radiation Metrics, 29. Autodesk Sustainability Workshop.