Ecotect, prove di calcolo termico e dell'irraggiamento solare su modello semplificato - PARTE I: carichi termici

Ciao a tutti, dall'ultimo post ho avuto modo di fare un po' di prove di calcolo con Ecotect, portate avanti grazie al supporto scientifico della Prof. Lucia Fontana, che mi ha suggerito che tipo di analisi fare, quali dati del modello modificare per osservare come cambiavano i risultati dei calcoli etc. Insieme stiamo controllando che i dati di output siano effettivamente affidabili e coerenti.

In questo post vi mostrerò su cosa stiamo lavorando, fermo restando che sebbene per ora il programma sembri lavorare con una certa accuratezza, non possiamo essere sicure che i dati siano effettivamente affidabili!

Tanto per cominciare, dal momento che mi serviva un modello facilmente modificabile direttamente su ecotect, per quanto riguardava almeno la parte di involucro opaco/trasparente, ho importato da Revit un modello (vedi post precedente: http://design.rootiers.it/node/281) la cui facciata è interamente composta da facciate continue. Dal momento che Ecotect lavora per masse e superfici bidimensionali, cui POI si assegnano materiali (e dunque spessore, consistenza), al programma non interessa che quella sia una facciata continua, ma solamente se ogni singolo pannello sia interpretato come "wall" o come "window" a cui assegnare il materiale scelto.

 

 

Avere la facciata composta da pannelli influenza parecchio i tempi di calcolo, che sono molto più lunghi, ma per me era necessario per avere un modello facilmente modificabile e controllabile.

per preparare il modello al calcolo ho seguito tutti i passaggi spiegati nel post precedente (http://design.rootiers.it/node/281).

L'intento era quello di capire cosa influenzasse maggiormente le prestazioni di un edificio, come tutti i vari parametri (materiali, aperture, utilizzo dell'edificio, geometria) collaborassero per generare una situazione finale complessa. Perciò abbiamo deciso di annullare più parametri possibili e di analizzarne il meno possibile alla volta.

Perciò all'interno della finestra "zone management" abbiamo annullato tutti i valori riguardanti impianti, persone, carichi interni, ventilazione, in modo che non ci fossero apporti positivi o negativi di energia legati a questi fattori. Volevamo avere un'idea di come lavorasse l'involucro da solo.

 

 

proprio per questo, la prima prova che ho fatto era sul modello con l'involucro completamente opaco.

Ci sono diversi tipi di analisi che si possono fare con ecotect, e nel pannello "Analysis" sono divisi in diversi pannelli. Vi spiego quelli che ho usato maggiormente per le mie analisi.

 

Come vedete dall'immagine, nella parte bassa del pannello "analysis" troviamo un'altra serie di pannelli, ognuno dei quali ci consente di fare una tipologia di analisi differente.

In questo pannello visulizzato nell'immagine, quello delle "thermal Analysis", si possono scegliere di visualizzare tutta una serie di grafici legati agli aspetti termici dell'edificio. Ad esempio qui è visualizzato il profilo delle temperature nell'arco di una giornata.

Nella parte bassa a sinistra della schermata ci sono le impostazioni dei diversi tipi di calcolo.

Thermal Calculation: serve ad individuare quale tipo di calcolo vogliamo fare

Highlight Zone: qui possiamo decidere (vale per le thermal analysis ma non per la solar exposure, come vedremo) se applicare l'analisi all'intero modello o solo ad una zona specifica

Select Date: serve a specificare il giorno. cliccando su "search data for..." si possono importare dei giorni specifici, come il più caldo dell'anno o il più freddo, o quello con più luce etc. che lui prende dalle statistiche del weather data applicato al modello. come vedete si può impostare anche da qui (pulsante "weather data file") come anche le caratteristiche delle zone (zone settings...)

Come detto già nel post precedente, si possono salvare sia l'immagine del grafico, sia il testo con i dati.

 

Un'altra delle analisi con cui ho lavorato molto è quella che calcola le dispersioni ed i guadagni termici del modello, dovuti a diversi fattori.

 

il nome di questa analisi è "hourly gains and losses". Come si può vedere dall'immagine, avendo annullato tutta una serie di parametri, e non avendo aperture sull'involucro, l'unica cosa che concorre nel bilancio termico dell'edificio è l'involucro opaco, con l'energia che passa per conduzione.

Analizzando il grafico, possiamo affermare che l'altezza della curva, che esprime in Wh la quantità di energia che l'edificio scambia col contesto, ha un andamento ovviamente proporzionale alla temperatura, ma il suo picco è spostato in avanti rispetto alle ore più calde della giornata. Volendo semplificare, l''altezza del picco dipende dalla trasmittanza del materiale di cui l'involucro è composto, quindi dalla sua capacità di scambiare energia, mentre lo sfalsamento del picco dipende dall'inerzia del materiale, quindi dal tempo che questo impiega ad assorbire e poi a rilasciare energia (calore). Più avanti cercherò di dare delle definizioni un po' più precise.

Partendo da questo ho fatto un po' di prove, creando dei materiali diversi per vedere cosa succedeva.

Il primo materiale, che abbiamo visto sopra (due filari di mattoni con intercapedine isolata e rivestimento in intonaco) è caratterizzato da una trasmittanza media e da un'inerzia abbastanza elevata dovuta alla densità dei materiali e dunque al peso complessivo del muro.

Ho creato un secondo materiale, composto esclusivamente da isolante. Lo spessore resta lo stesso del primo materiale, perciò la trasmittanza scende moltissimo, trattandosi di un materiale isolante, e scende molto anche l'inerzia, perchè i materiali isolanti sono molto leggeri.

Infine un terzo, in cui ho alleggerito in maniera fittizia i mattoni, rendendoli meno densi e dunque più leggeri, e ho levato l'isolamento nell'intercapedine e l'intonaco. a parità di spessore, le caratteristiche sono inerzia più bassa (muro più leggero) e trasmittanza più alta (muro meno isolante).

 

per dare un'idea delle grandezze fisiche, queste sono le caratteristiche dei tre muri, per ognuno dei quali è stato mantenuto lo stesso spessore ma sono stati cambiati i materiali e le loro caratteristiche.

muro "normale":

  

 

muro "isolante":

  

 

muro "leggero":

  

I valori che influenzano le analisi termiche, che variando fanno variare i grafici che vedremo in seguito, sono i seguenti (le definizioni sono tratte dalla guida in linea di Ecotect, scusate ma non mi va di tradurle!):

U-Value (W/m2K): [trasmittanza] 

The U-Value is basically the air-to-air transmittance of a building material due to the thermal conductance of its constituent materials and the convective and radiative effects of its surfaces and cavities. It is the reciprocal of total resistance to heat flow and its SI units are W / m² °K.

Admittance (W/m2K): 

The Admittance of a building element represents its ability to absorb and release heat energy and defines its dynamic response to cyclic fluctuations in temperature conditions. Its units are also in W / m² °K. 

 

Thermal Decrement (0-1): [fattore di decremento (smorzamento)]

The Thermal Decrement represents the ratio of peak amplitude temperature fluctuation on one side of a material compared to the other. It is always given as a ratio (0-1). 

 

Thermal Lag (h): [ritardo del fattore di smorzamento (sfasamento)]

The Thermal Lag of a building material is the time taken for heat energy to pass from one side to the other. Thermal lag is always given in decimal hours.

N.B. Purtroppo, al contrario di tutti gli altri valori, Ecotect non riesce a calcolare in automatico il thermal lag, che invece è importante per la distribuzione dei carichi termici nel tempo. Gentilmente la Prof. Fontana mi ha messo a disposizione un foglio di calcolo excel prodotto dal Comune di Torino che calcola anche quello. Lo lascio in allegato, sperando che non sorgano problemi di copyright!

 

questi sono i grafici che vengono fuori:

Possiamo vedere che grosso modo la stessa curva si sposta verso destra o sinistra, e verso l'alto o il basso, a seconda delle variazioni di inerzia e trasmittanza. qui possiamo vedere i tre grafici sovrapposti:

In realtà, guardando questi grafici, ci rendiamo conto che l'incidenza della trasmittanza sulla quantità di energia assorbita dall'involucro non è poi così preponderante, nonostante sia l'unico valore che si considera di solito nei calcoli "statici" per i carichi termici, ad esempio quando bisogna progettare gli impianti nel regime invernale etc.

se guardiamo i valori molto diversi di U nei diversi casi non appare un'effettiva risposta sui picchi nel grafico. tanto per chiarire, sembrerebbe assurdo che un muro fatto di 27cm di materiale isolante (la linea blu) lavori praticamente allo stesso modo di un muro normale (linea arancione) con un valore di U (0.59 W/m2K) tralaltro superiore ai vincoli di norma.

Abbiamo detto che un altro parametro importante che influenza le analisi è la massa del muro, da cui derivano i valori di smorzamento e sfasamento termici. Il materiale isolante è molto leggero perchè ha una densità bassissima, e in qualche modo questo fattore è talmente invasivo da condizionare le prestazioni del muro e portarlo a comportarsi quasi come un muro normale.

Se andate a vedere le tabelle più in alto, il muro "normale" pesa 40 volte in più del muro "isolante", e ha una trasmittanza 4 volte più alta.

Per capire se è proprio la massa ad influenzare il comportamento del muro "isolante" in questo modo, ho creato un quarto tipo di muro, in cui ho semplicemente aumentato di 10volte la densità del materiale, e dunque il peso del muro.

Quest'operazione ha lasciato invariata la trasmittanza, ma ha influito notevolmente sugli altri valori. La "Admittance" è triplicata, il "Thermal Decrement" è diminuito di 14 volte, e il "Thermal Lag" è aumentato di 5.

  

In questa immagine possiamo vedere quanto ci sia differenza fra i due grafici. La linea blu rappresenta i carichi termici dovuti all'involucro fatto col nuovo materiale isolante e pesante, mentre quella rossa è il materiale isolante precedentemente definito.

Gruppo di lavoro:
MariaLeporelli



chiarimenti

Salve,

per il mio progetto di tesi mi sono cimentata con l'uso di questo software, devo dire anche con scarso successo. Questo perchè i risultati che mi ero prospettata non sono mai stati raggiunti. Mi spiego meglio: ho ipotizzato un edificio realizzato secondo la tecnologia a secco e quindi costituito da un involucro leggero. Ragion per cui per ottenere elevate  prestazioni inerziali  ho adoperato materiali isolanti ad alta densità. Ho realizzato 27 modelli modificando U del muro (0.36, 0.27, 0.18), U della finestra (2.4,1.8,1.2) e rapporto Sfinestrata/spavimentata per ogni ambiente (0.25,0.18,0.12). Analizzando il discomfort period per tutti i 27 modelli (ossia tutte le 27 possibili configurazioni) non è emersa alcuna variazione sensibile della percentuale di discomfort. 

quindi mi ricollego a quanto da lei scritto " sembrerebbe assurdo che un muro fatto di 27cm di materiale isolante (la linea blu) lavori praticamente allo stesso modo di un muro normale (linea arancione) con un valore di U (0.59 W/m2K) tralaltro superiore ai vincoli di normativi"  per chiederle se effettivamente sia possibile un comportamento del genere dell'involucro oppure se il software in questione non è in grado di cogliere tali variazioni.

grazie

Salve, purtroppo anch'io sono

Salve, purtroppo anch'io sono alle prime armi, sto imparando ora ad usare il programma per poi poterlo sfruttare, anch'io, per la tesi. Non sono un'esperta di fisica tecnica, quindi non mi sento di rispondere alla sua domanda. Per quello che ho capito il comportamento nei grafici è coerente, dal momento che ecotect fa un calcolo in regime dinamico e non statico, e dunque la densità dei materiali e tutto ciò che ne concorre (inerzia, sfasamento) influenzano i calcoli. Insomma, quello che mi è sembrato di capire è che la densità dei materiali utilizzati è talmente importante che in una condizione di confronto fra un muro pesante con trasmittanza bassa e un muro leggero con trasmittanza alta, il peso nelle analisi dei due parametri di fatto si compensa, facendo lavorare i due muri praticamente allo stesso modo, ad eccezione del ritardo. Infatti nell'ultimo grafico si vede come, avendo valori alti sia di trasmittanza sia di densità del materiale, i carichi termici che passano per conduzione siano bassissimi. Quello che posso dire appunto, è che i risultati sono coerenti, ma non siamo assolutamente in grado di dire fino a che punto sono attendibili. Probabilmente bisognerebbe utilizzare altri programmi sullo stesso modello e confrontare i risultati.

Posso chiederle come ha creato i materiali leggeri all'interno del programma? sto cercando di riprodurre una facciata ventilata, ma non so bene come fare...

Grazie comunque per la

Grazie comunque per la disponibilità

Per quando riguarda la creazione di nuovi materiali, alcuni tutorial indicavano un sito per poterli scaricare ma questo non è più attivo credo in seguito all'acquisizione del software da parte di autodesk. Comunque, dalla finestra element library io solitamente seleziono un materiale "x" dalla prima colonna, lo rinomino, clicco su apply changes, poi vado sul livello layers. Nella casella a sinistra della figura vi è un elenco dei materiali, cliccando su ognuno di essi con il pulsante destro e selezionando edit material Data apparirà una ulteriore finestra in cui sarà possibile modificare il nome e tutte le caratteristiche dei materiali.  Io li ho creati ex novo inserendo i parametri che mi servivano, l unico problema riscontrato è con i materiali della categoria air gaps...pertanto per realizzare l'intercapedine che volevo ho dovuto utilizzare come "base" un materiale di un'altra categoria. Spero di aver risposto alla domanda

grazie

Analisi solare

Ciao, mi sto cimentando da poco con ecotect

Sto cercando di capire un po’ questo software soprattutto per quanto riguarda l'analisi solarte per uno studio di pannelli fotovoltaici.

Pongo alcuni quesiti:

1-     c’è differenza se calcolo l’irraggiamento su una superficie utilizzando la ANALISYS GRID (step 5 voce 2 di Solar Access Analisys) oppure direttamente sulla superficie ottimizzandola con Surface Subdivision e selezionando allo step 5 la voce 1 (Object select)? Credo di si, in quanto facendo delle prove ottengo risultati completamente differenti e non sono dovuti alla differente unità di misura.

2-     Come mai l’irraggiamento diminuisce se inclino la superficie rispetto al piano orizzontale (orientandolo verso il sole) quando invece dovrebbe aumentare? Inoltre inspiegabilmente più inclino la superficie e tanto più evidente è la presenza di una fascia con un irraggiamento sensibilmente inferiore pur non essendoci alcun ostacolo ombreggiante. Da notare che nella tabella la % dell’ombra è > di 0%. Sapresti darmi una spiegazione?

Eventualmente se ti è possibile potresti fare un piccolo “tutorial” con i vari passaggi da eseguire per ottenere l’irraggiamento su una superficie?

Ciao e grazie

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