Metodi di calcolo e misura della prestazione dei Sistemi Vetrati Complessi

L’uso di sistemi vetrati complessi è molto diffuso nell’edilizia odierna, che, inoltre, presenta requisiti prestazionali sempre più stringenti sui temi di comfort e sostenibilità. La progettazione e la verifica prestazionale di tali sistemi è, però, ancora poco basata su strumenti capaci di apprezzare la complessità delle fisiche coinvolte e la variazione temporale. Questo contributo riporta i risultati principali del progetto Interreg Italia-Austria FACEcamp nel campo della prestazione di tali sistemi.

Il sistema vetrato e le sue funzionalità

Nel contesto odierno del settore dell’edilizia, temi come il comfort interno per l’utente, la qualità dell’aria, l’efficienza energetica, la riduzione dei costi operativi sono sempre più centrali. Inoltre, sono sempre più intrecciati tra loro, creando un sistema integrato di requisiti e obiettivi prestazionali da raggiungere in fase di progettazione e realizzazione, in modo da garantirli durante la fase di funzionamento.

Questo è ancor più vero e complesso quando l’oggetto è la finestra, in particolare la sua parte vetrata. Infatti, a fianco a criticità di tipo più tradizionale (legate alla corretta posa, alla qualità del serramento, etc.), anche la vetrazione (intesa come il sistema vetrato, l’assemblato della parte vetrata, inclusa di eventuali sistemi ombreggianti) in sé assume, ed assumerà, sempre più connotati innovativi.

Questa tendenza è il frutto della ricerca e innovazione di prodotto, volta a soddisfare esigenze sempre più stringenti, sulle funzionalità del sistema vetrato, incluso di sistemi ombreggianti.

Il sistema vetrato, infatti, deve controllare:

  • Il flusso di calore entrante, a seconda del clima e del comfort termico;
  • Il rischio di abbagliamento, nel garantire anche il rapporto visivo con l’esterno;
  • L’ingresso della luce diurna ai fini di favorire comfort visivo e ritmo circadiano, nonché di riduzione dell’illuminazione artificiale.

In quest’ambito, diversi sistemi vetrati già presentano caratteristiche che variano nel tempo (dinamiche) in funzione della radiazione incidente, dell’angolo di incidenza, o comunque di azionamenti automatico-manuali.

Tali sistemi vengono definiti in inglese “Complex Fenestration System” (CFS), proprio per sottolinearne la complessa interazione con la radiazione solare ai fini di garantire un ambiente interno confortevole e con ridotti consumi energetici. Esempi di tali sistemi sono i sistemi schermanti altamente riflettenti, oppure con geometrie non lineari, oppure ancora i vetri smart con proprietà di re-indirizzamento della radiazione solare oppure di filtrazione selettiva.

Il progetto interregionale "FACEcamp" sui sistemi vetrati complessi

Il progetto interregionale tra Italia ed Austria “FACEcamp” ITAT 1039, finanziato dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale e dal programma Interreg ITA AUT e coordinato dall’Istituto per le Energie Rinnovabili di Eurac Research di Bolzano, ha lavorato quasi tre anni proprio sul tema dei sistemi vetrati complessi.

Obiettivo generale è stato quello di avvicinare il mondo della ricerca e l’innovazione ai diversi attori operanti sul tema dell’edilizia sostenibile. Grazie al lavoro congiunto di partner di ricerca (Eurac Research, Università di Innsbruck, IDM) ed aziende (glassAdvisor, Bartenbach, Hella, Frener&Reifer) nel progetto, ci si è focalizzati su vari aspetti legati sia all’analisi prestazionale, sia alla creazione di una rete locale funzionante da Centro di Competenza.

Questo è stato ottenuto attraverso lo sviluppo e la diffusione di metodologie, strumenti tecnici, a fianco di attività di formazione e disseminazione tecnica e al coinvolgimento di tutti gli attori della filiera locale.

Il progetto si è concluso a fine 2019 e sul sito di FACEcamp è possibile consultare i principali risultati ottenuti.

Il presente articolo ha l’obiettivo specifico di presentare i principali risultati nell’ambito delle metodologie di calcolo e misura per sistemi vetrati complessi finalizzati alla loro valutazione prestazionale, con particolare enfasi relativa alla loro possibile applicazione nel settore.

Riguardo quindi alle prestazioni sono trattati qui di seguito i seguenti due macro-temi:

  • metodi e strumenti di calcolo;
  • possibilità offerte dagli strumenti di misura.

Le prestazioni considerate sono in termini di:

  • prestazione ottica;
  • termica;
  • effetti “non-visivi” sull’uomo (in inglese “non-visual comfort”).

 

Calcolo della prestazione per sistemi vetrati complessi

Sono state considerate le metodologie e gli strumenti di calcolo per analizzare le prestazioni dei sistemi vetrati complessi a vari livelli, dal singolo elemento fino all’impatto a scala di edificio. 

Tali strumenti sono stati inoltre tra loro collegati seguendo il filo logico di modellazione dal singolo componente fino all’impatto energetico a scala di stanza/edificio. La concatenazione degli strumenti determina una serie di possibili “catene di strumenti”, denominate “Toolchains”.

La Figura 1 e la Tabella 1 rappresentano e riportano alcune possibili toolchains, così come usate e studiate nel progetto FACEcamp, comprendendo anche i tre principali domini fisici di analisi (energia, comfort visivo e non-).

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Figura 1 – Rappresentazione delle toolchains studiate ed analizzate nel progetto FACEcamp

 

Tabella 1: Riassunto di alcune possibili Toolchain individuate nel progetto FACEcamp per l’analisi della prestazione termica dei sistemi vetrati complessi.

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Componente: WINDOW e Radiance

Le toolchains presentate in questo rapporto e in generale tutte le simulazioni termiche e ottiche che coinvolgono strati del sistema vetrato con comportamenti fisici complessi rispetto al passaggio della radiazione solare, richiedono una fase di caratterizzazione dettagliata degli elementi del sistema stesso.

Quindi, una corretta caratterizzazione dettagliata a livello di componente è un primo requisito per ottenere risultati affidabili dalla toolchain. In particolare, la caratterizzazione delle proprietà bi-direzionali di riflessione e trasmissione mediante le matrici BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Functions) è essenziale per la valutazione delle prestazioni termiche, energetiche, visive e ottiche di sistemi vetrati complessi.

Per un sistema standard, la BSDF può essere calcolata direttamente, ad esempio, con il software LBNL WINDOW.

WINDOW fornisce anche un database (Complex Glazing DataBase, CGDB) di oltre 100 componenti e consente, quindi, di personalizzare i sistemi di vetrate multistrato per diverse configurazioni. Da questo software, i file di dati possono essere esportati per l'uso nelle toolchain.

Soprattutto quando si considerano sistemi di finestratura innovativi, può accadere che il comportamento ottico del sistema di finestratura non sia ancora disponibile nel CGDB.

In questo scenario, sono disponibili due strade per ottenere i dati ottici bidirezionali necessari:

  • la misura sperimentale mediante l’uso del gonio-fotometro (es. basata su scansione o basata su immagini);
  • la modellazione e simulazione utilizzando, per esempio, genBSDF 'Radiance.

Per far comprendere l’importanza di una caratterizzazione dettagliata, (De Michele et al., 2018)(3) presenta un approfondimento che confronta la procedura standard di modellazione del sistema di un sistema ombreggiante in WINDOW con una metodologia più accurata, basata sulla caratterizzazione sperimentale e BSDF simulato.

Il confronto evidenzia una possibile differenza fino all’108% in termini di consumo ideale di raffrescamento. Questo dato vuole rendere i progettisti più consapevoli delle possibili insidie nell'impiego di modelli non appropriati in strumenti di calcolo. Ulteriori approfondimenti sulle procedure di caratterizzazione dei componenti di facciata e sui risultati del confronto tra diverse metodologie possono essere trovati in (De Michele et al., 2018)(4) ed in (De Michele, 2019)(5).

Un affondo sul tema della simulazione (oltre che della misura) delle matrici BSDF è riportato nelle Milestones M5.1 e M5.2 del progetto FACEcamp.

>>> Continua la lettura dell'articolo sui risultati del progetto FACEcamp, scaricando il PDF in allegato

All'interno:

  • Stanza ed Edificio: le Toolchains di FACEcamp
  • Sistema: accoppiamento FEM e Ray Tracing
  • Le condizioni al contorno: FACADEgis
  • Misura della prestazione
  • BSDF (Bartenbach, UIBK)
  • g-value (Eurac, Bartenbach, UIBK)
  • Facade System Interaction Lab (Eurac)
  • PASSYS cell (UIBK)
  • Conclusioni

Note a piè di pagina:

(3) De Michele, G., Loonen, R., Saini, H., Favoino, F., Avesani, S., Papaiz, L., Gasparella, A. (2018). Opportunities and challenges for performance prediction of dynamic Complex Fenestration Systems (CFS). Journal of Facade Design and Engineering, 6(3), 101–115. LINK 

(4) De Michele, G., Loonen, R., Saini, H., Favoino, F., Avesani, S., Papaiz, L., Gasparella, A. (2018). Opportunities and challenges for performance prediction of dynamic Complex Fenestration Systems (CFS). Journal of Facade Design and Engineering, 6(3), 101–115. LINK 

(5) De Michele, G. (2019). Assessment of detailed thermal models for complex fenestration systems (cfs) and development of an effective control strategy. Ph.D. Thesis. Faculty of Science and Technology, Free University of Bozen-Bolzano.