Dynamic energy simulation of different pneumatic and air-supported membranes and proposals for energy saving strategies​

The necessity to reduce energy consumption has recently leaded to an evolution of air-supported and pneumatic structures, starting from a single layer envelope and passing to a double membrane, either based on cushions or on a continuous air gap. However a quantitative assessment of the energy performance of the mentioned fabric structures is still lacking. Therefore this research aims at assessing the thermal-physical behavior and the energy performance in winter conditions of air supported and pneumatic halls, by taking the case study of PVC coated polyester skins for sports halls. The actual energy saving potential of the advanced generation membranes compared to traditional ones is investigated. The methodology adopted for the study consists in on site measurements on running sports hall and in dynamic energy simulations in ESP-r environment. In order to set up the simulation model , some assumptions and simplification were adopted, regarding the complex skin geometry, the homogeneity of the indoor thermal conditions, the thermal bridges and so on. A special approach is needed for modelling so called 3rd generation membranes, namelly double skins with a continously ventilated air gap, i.e. air flow network approach. The models set up is described in Chapter 3.2 The simulation results show the dynamic behaviour of the membranes, focusing on the low thermal inertia, the role of the solar gains, of the infiltration losses and of the long wave radiation to the sky. The importance of thermal brigdes in the cushion made double skin and the role of the air gap in the third generation membrane are identified. Finally the energy demand reduction, the comfort improvement and the condensation risk reduction achievable with double membranes in respect to the single are quantified. The final part of the thesis is dedicated to proposing strategies and technologies for further energy savings in air-supported sports halls. Some final considerations on the possibility to generalise the results referring to the chosen case study to other air-supported and pneumatic structures are derived.

La necessità di ridurre il consumo di energia ha recentemente guidato ad una evoluzione delle strutture gonfiabili e pneumatici, partendo da un singolo strato di busta e passando per una doppia membrana, sia basato su cuscini o su un traferro continua. Tuttavia una valutazione quantitativa delle prestazioni energetiche delle strutture di tessuto di cui è ancora carente. Pertanto questa ricerca si propone di valutare il comportamento termico-fisico e il rendimento energetico in condizioni invernali di sale gonfiabili e pneumatici, prendendo il caso di studio di PVC pelli di poliestere rivestito per palestre. L'attuale potenziale di risparmio energetico delle membrane avanzate generazione rispetto a quelli tradizionali è indagato. La metodologia adottata per lo studio consiste in su misurazioni sito sull'esecuzione palazzetto dello sport e nelle simulazioni dinamiche di energia in ambiente ESP-r. Per configurare il modello di simulazione, alcune ipotesi e semplificazione sono state adottate, per quanto riguarda la geometria della pelle complessa, l'omogeneità delle condizioni termiche interne, i ponti termici e così via. È necessario un approccio speciale per la modellazione cosiddette membrane 3a generazione, namelly doppie pelli con una intercapedine d'aria ventilata continua, cioè approccio di rete del flusso d'aria. I modelli creati è descritto nel capitolo 3.2 I risultati della simulazione mostrano il comportamento dinamico delle membrane, concentrandosi sul bassa inerzia termica, il ruolo dei guadagni solari, delle perdite di infiltrazione e della radiazione onda lunga al cielo. L'importanza di brigdes termici nel cuscino in doppia pelle e il ruolo del traferro nella membrana terza generazione sono identificati. Infine, la riduzione della domanda di energia, il miglioramento comfort e la riduzione del rischio di condensazione ottenibile con doppie membrane rispetto al singolo vengono quantificati. La parte finale della tesi è dedicata a proporre strategie e tecnologie per un ulteriore risparmio energetico in palazzetti dello sport gonfiabili. Alcune considerazioni finali sulla possibilità di generalizzare i risultati relativi al caso di studio scelto per altre strutture gonfiabili e pneumatici sono derivati.