La modellazione energetica dinamica nella valutazione di strategie per il risparmio energetico legato all’illuminazione

Interazione tra luce naturale e artificiale nella simulazione realistica dei consumi energetici.

Il caso studio: modellazione energetica dinamica in un’importante azienda del settore automotive in Emilia Romagna.

In tutto il mondo, il 19% di energia elettrica è consumata per l’illuminazione. In Italia questo valore scende a circa il 4% del consumo globale di energia, ma negli edifici l’illuminazione pesa per il 20-40% del consumo totale.
Una buona progettazione degli impianti di illuminazione e di controllo della luce artificiale, integrata correttamente con i sistemi di condizionamento, può portare a notevoli risparmi sui consumi energetici dell’edificio. Inoltre, buone condizioni di illuminazione naturale sono fondamentali negli uffici e negli spazi di lavoro perché aumentano l’efficienza e la produttività degli utenti, aumentandone il senso di benessere.
In edifici molto vetrati, come sono tipicamente quelli ad uso uffici, il comfort visivo ottimale si può raggiungere solo con l’integrazione di sistemi schermanti nella facciata, che consentono di evitare l’abbagliamento. Inoltre, la presenza di sistemi di schermatura solare può migliorare le condizioni di comfort degli utenti, riducendo allo stesso tempo i consumi degli impianti di raffrescamento dell’edificio.
La regolazione automatica delle schermature (apertura, chiusura, movimentazione delle lamelle), integrata con il controllo dei sistemi di illuminazione, consente di mantenere ad un livello costante l’intensità e la qualità della luce. 

Le strategie di controllo dell’illuminazione
Le principali strategie di controllo della luce artificiale sono tre e si basano su principi diversi.
- Se sono noti gli orari di occupazione degli ambienti, si programma a priori l'accensione e lo spegnimento (totale o parziale) degli apparecchi di illuminazione sulla base di tabelle orarie. Questo può portare ad un risparmio energetico per illuminazione fino al 40%.
- Quando gli ambienti sono caratterizzati da un'occupazione prevalentemente discontinua, si possono utilizzare dispositivi che rilevano la presenza delle persone, in modo da mantenere accesi gli apparecchi di illuminazione solo quando effettivamente necessario. In questo caso, il fabbisogno energetico per illuminazione può essere puntualmente ridotto del 60%, ma questa strategia non è attuabile in tutte le tipologie di ambienti, per motivi di sicurezza e comfort degli utenti.
- Nei casi in cui i contributi naturali all’illuminamento possono rivelarsi significativi, l'impianto di illuminazione può essere regolato in base alla disponibilità di luce naturale proveniente dall'esterno, misurata attraverso un fotosensore. Il risparmio energetico che si può ottenere dipende da diversi fattori (clima, orientamento dell'edificio, caratteristiche dell’involucro, posizionamento dei sensori) e può raggiungere potenzialmente il 20% circa dei consumi per illuminazione.

Nell’ultimo caso, anche la presenza di sistemi di schermatura influenza il sistema d’illuminazione.

Figura 1 – Rappresentazione dei parametri che influenzano il sistema.

Attraverso l'associazione delle tre strategie di controllo della luce artificiale sull’intero edificio, si può ottenere una riduzione complessiva dei consumi per illuminazione fino al 50%.

Figura 2 – Rappresentazione delle tre strategie di controllo, applicate ad una finestra temporale di 24h.

I meccanismi di controllo variano continuamente, poiché, istante per istante, si modificano le condizioni climatiche esterne. In particolare, per quanto riguarda il controllo dell’illuminazione, la complessità deriva dalla variazione della posizione del Sole e delle condizioni di nuvolosità del cielo.

In presenza di un sistema di controllo automatico anche delle schermature, la complessità aumenta, perché si instaurano multiple interazioni tra gli elementi in campo. Ad esempio, l'abbassamento delle schermature riduce l'ingresso di radiazione solare -quindi il livello di luce naturale - e attiva l’accensione delle luci artificiali. Allo stesso tempo riduce i carichi solari sull'impianto di raffrescamento.

Vista la complessità del problema, l'uso della modellazione energetica dinamica risulta necessario per definire in maniera più accurata quali sono i risparmi ottenibili, in condizioni di esercizio reale, grazie all'applicazione delle strategie di controllo di luci e schermature.

APPROCCIO METODOLOGICO
Obiettivo del calcolo energetico dinamico è studiare il reale comportamento dell'edificio, mediante metodi dettagliati di simulazione. Le analisi così eseguite permettono uno studio realistico, valutando nel dettaglio le interazioni fra involucro, impianti e ambiente esterno. I consumi energetici stimati attraverso la simulazione dinamica consentono una valutazione più affidabile dei costi di gestione e del possibile ritorno economico legato all’investimento necessario per realizzare un impianto più sofisticato.

Il metodo di simulazione
Dal punto di vista pratico, in una prima fase sono state effettuate analisi su un volume semplificato per acquisire familiarità con lo strumento software e validare la procedura di calcolo. Successivamente, è stato analizzato più dettagliatamente un caso studio reale, che verrà descritto più avanti.
Per la simulazione dinamica dell’illuminazione è necessaria una mole di dati decisamente maggiore rispetto ad un’analisi convenzionale. In particolare, sono stati utilizzati i seguenti dati di input:
- dati climatici esterni su base oraria;
- geometria e caratteristiche ottiche dei materiali presenti;
- soglie d’illuminamento richiesto nei vari ambienti;
- potenza installata per illuminazione (W) e calore sensibile generato dalle luci (W);
- profilo giornaliero, settimanale e annuale dell’accensione e spegnimento delle luci;
- equazione che regola il dimmeraggio delle luci, in base alla disponibilità di luce naturale.

Lo sforzo aggiuntivo che il progettista/modellatore deve affrontare per eseguire un’analisi di questo tipo è ripagato dalla possibilità di ottenere risultati dettagliati, come ad esempio:
- energia totale consumata dall'impianto di illuminazione (kWh);
- carico endogeno generato dalle luci artificiali (kWh);
- livello di illuminazione naturale nei vari ambienti (lux).

Il software calcola, ora per ora, i valori di illuminamento in corrispondenza di un sensore virtuale, posizionato baricentricamente nell’ambiente all'altezza del piano di lavoro. Il profilo di dimmeraggio delle luci viene quindi definito in funzione del valore di illuminamento calcolato per quell’istante nel punto indicato.

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