Development of an integrated methodology for the daylight assessment of commercial buildings employing dynamic shading devices or kinetic envelope systems

Natural light has many positive effects on the human behavior, physiology and psychology by influencing our visual and non-visual systems, regulating the circadian clock, tough it might be the cause of several discomfort issues, such as eye strain, sleep/wake shifting, glare and so on. Lately, the importance of daylight in commercial buildings has been reconsidered and the best way to enhance it is through high performance envelopes: dynamic shadings, kinetic facades, adaptive skins, etc… represent the most stressed field of innovation in today’s architecture, allowing to achieve optimized solutions for a good distribution of daylight and reduced energy loads thanks to climate-based analyses, integrated design strategies and the adoption of efficient artificial lighting sources equipped with advanced control systems. The issue linked to these architectural solutions is the unavailability of a digital analysis tool able to directly assess their preliminary daylight and energy performance due to limitations of the existing software. The work developed consists in the definition of a strategy for the evaluation of the daylight metrics achieved in those buildings where dynamic envelopes are involved: after modelling the room and the shading geometries, including each shading configuration available, a set of annual simulations is run for each shading position (considered as a static one) and eventually, through post-processing operations, the results are used to define an optimized schedule represented by the shading configurations assumed at each time-step, which can be used to assess the daylight and energy performances achieved through the adoption of a specific dynamic shading optimized on a single (or multiple) parameter. The results deriving from the application of the method to a case study show that the proposed workflow can be very accurate and allows designers to understand the potential of a dynamic shading device, including the possibility of enhancements or adjustments of the same.

Il lavoro illustrato nelle seguenti pagine si ispira alle tematiche affrontate durante il corso di BIO-Design, promosso dalla Prof.ssa. Dr. Eugenia V. Ellis della Drexel University e la Prof.ssa Dr. Giuliana Iannaccone, in particolare ai moduli relativi allo studio dell’apparato visivo umano ed alla cronobiologia, che hanno catturato il mio interesse facendomi capire l'importanza che la luce naturale esercita nella vita quotidiana di tutti noi. Allo stesso modo, i contenuti trattati nel corso “Building Envelope Design Lab”, tenuto dal Prof. Dr. Marco Pesenti, hanno ricalcato argomenti simili ai suddetti, aiutandomi a delineare la struttura del lavoro svolto. Escludendo l’interesse sviluppato per il tema, la motivazione dietro tale lavoro è promuovere l’uso della luce naturale negli ambienti di lavoro, invitando i progettisti a valutare le prestazioni raggiungibili con l’uso di un particolare oscuramento dinamico già durante le fasi iniziali della progettazione, con lo scopo di ridurre tempi, costi ed il consumo di energia, migliorando sia le condizioni di comfort che di salute per chi vive gli spazi dell'edificio. Oggigiorno il compito dell’involucro edilizio si è evoluto da semplice barriera verso l’ambiente a mediatore di variabili esterne (come la radiazione solare), assumendo quindi un ruolo più attivo nel controllo delle condizioni di comfort visivo e termico all’interno di un edificio; negli ultimi anni l’avanzamento tecnologico ha coinvolto diverse sfere della ricerca, tra cui caratteristiche dei materiali, tipi di attuatori, dispositivi di oscuramento complessi, sistemi di illuminazione e controllo, etc ... consentendo di ridurre il quantitativo di apporti solari, aumentare la trasmissione di luce visibile, abbassare i costi di manutenzione e propensione ad un miglior adattamento al variare degli stimoli ambientali esterni, delineando quindi un’ormai chiara direzione in cui la tipologia di involucro impiegata in nuove costruzioni sta virando. La luce naturale gioca un ruolo importante su salute e psiche umana: aiuta il nostro organismo a regolare i vari cicli circadiani presenti in esso, inibisce l’insorgere di forme di depressione stagionali, stimola la produzione di vitamine D tramite irraggiamento della cute, stimola le capacità cognitive e la prontezza. D’altro canto, agli effetti positivi appena riportati se ne affiancano di negativi, come l’abbagliamento (diretto o per contrasto di luminanze), il surriscaldamento dell’ambiente per la porzione di radiazione infrarossa e talvolta bruciature dell’epidermide. Gli indici di valutazione sulla qualità di illuminamento all’interno degli ambienti di lavoro, stabiliti dalle norme vigenti, si basano su metodi (DF) che considerano le condizioni del cielo costanti per tutto il tempo (cielo coperto), sottostimando eventuali livelli eccessivi raggiungibili in condizioni di cielo sereno che possono causare discomfort; negli ultimi anni l’interesse di alcuni ricercatori ha contribuito a sensibilizzare i progettisti nell’ adottare metodi di analisi più avanzati, che tengano conto delle condizioni atmosferiche del luogo scelto, e nel definire il livello di prestazione mediante indici più idonei a livello qualitativo (DA, UDI, sDA, ASE). Ad oggi, l’analisi prestazionale di ambienti provvisti di oscuramenti dinamici risulta complicata per via di limitazioni nei software utilizzati per le simulazioni: il cambio di configurazione geometrica, per esempio, da un time-step al successivo farebbe ricominciare l’intera simulazione creando così un’iterazione infinta, inoltre non sarebbero disponibili informazioni sulle configurazioni assunte dal sistema oscurante e programmate per ogni time-step, se non tramite una definizione a priori del progettista. Le informazioni sopra riportate mostrano che nell'architettura odierna si sta delineando una chiara tendenza al dinamismo, all'efficienza energetica, all’ottimizzazione, ad analisi basate sul clima locale ed al crescente interesse nell'efficienza luminosa. Il lavoro proposto è quindi finalizzato alla definizione di un metodo di analisi standardizzato da applicare ogni qualvolta oscuramenti, o involucri, dinamici siano inseriti durante la progettazione di un edificio, con lo scopo di valutare le prestazioni di illuminamento (ed energia) nella fase di progettazione preliminare: la valutazione viene definita tramite l'ottimizzazione di uno o più indici (che definiscono la qualità dell’illuminamento all’interno dell’ambiente di analisi) strettamente legati alla specifica configurazione geometrica assunta dall’oscuramento dinamico. Questo metodo consente di visualizzare l’effettivo potenziale sistema ombreggiante adottato e permette al progettista di capire se siano necessarie ulteriori regolazioni o migliorie per raggiungere risultati migliori, sia per la prestazione di illuminamento naturale che per la prestazione energetica. Il lavoro descritto parte analizzando le caratteristiche, l'influenza, i benefici ed i disagi legati alla luce naturale, nonché i suoi effetti sul comportamento umano, la produttività, la fisiologia e la psicologia (cap. 2). Le nuove tendenze nella progettazione di edifici per uffici sono introdotte nel capitolo 3, in cui vengono marcate le ragioni per cui vengono preferite a soluzioni statiche; successivamente, si illustrano i sistemi di illuminazione più diffusi negli edifici per uffici ed il loro impatto energetico, i sistemi di controllo dell'illuminazione più comuni, ed infine l'influenza che il comportamento degli utenti esercita sui precedenti (cap. 4). Nel capitolo 5 il flusso di lavoro adottato viene descritto ed illustrato, partendo dalla definizione digitale delle geometrie coinvolte e da tutte le configurazioni definite per l’oscuramento dinamico, seguite da simulazioni annuali (per illuminamento naturale e consumo energetico), estrapolazione dei risultati ottenuti ed infine la post-elaborazione dei valori ottenuti per definire un programma orario ottimizzato delle configurazioni assunte (cap. 5). Infine, viene effettuata una valutazione finale delle prestazioni energetiche, di illuminamento naturale e delle condizioni favorevoli alla regolazione del ritmo circadiano legati all'ambiente analizzato ed ottimizzato. Il metodo proposto è stato applicato ad un caso di studio consistente in un ambiente interno standard – lo IEA BESTEST – a cui viene applicato in facciata un oscuramento dinamico esistente (sprovvisto di valutazione di illuminamento/consumo energetico), valutato per verificare l'accuratezza del flusso di lavoro definito precedentemente. Le simulazioni sono state effettuate per lo stesso caso studio secondo tre orientamenti diversi (Est, Sud, Ovest) e confrontati con un caso base uguale a quello definito, ma sprovvisto di oscuramenti e dotato di un sistema di illuminazione artificiale tradizionale. I risultati ottenuti non evidenziano errori di forma legati alla modellazione digitale od alla definizione del programma ottimizzato delle configurazioni assunte dall’oscuramento, al contrario risultano affidabili e fluttuano tra gli estremi ipotizzati: con tale metodo un progettista può essere in grado di stimare l’efficacia di un oscuramento e di valutarne la validità, la sostituzione od il suo miglioramento. I risultati derivanti dall'analisi dei livelli di illuminamento utili alla regolazione del ritmo circadiano degli utenti possono fornire importanti informazioni sulla qualità dell’ambiente di lavoro, tuttavia una restituzione grafica più efficiente si rende necessaria per capire al meglio la questione. Il DGP è un indice molto utile per stimare la potenziale insorgenza di fenomeni di abbagliamento ed è considerato il più affidabile tra i vari indici disponibili, tuttavia è noto che, nel caso in cui la luce solare ricada direttamente sull’utente, l’accuratezza risulti ridotta.