Naturally ventilated double skin facade : CFD and simplified model for parametric energy simulation

The Double Skin Façade (DSF) is a well-known technology that is useful to design energy efficient buildings with all-glazed façades. However, evaluating the energy and thermal performances of double skin constructions is still a difficult task, especially in the case of naturally ventilated façades. Two main approaches can be used to tackle this kind of problem, CFD analyses and simplified models. This work aims at studying both approaches through the development and the validation of a three-dimensional CFD model and of a simplified model based on a one-dimensional temperature profile. The validation is performed by comparing the results of the two models with the measurements of the mass flow rate and air temperatures obtained from a full-scale test facility. The predictions of the two models are in good agreement concerning the airflow rate and the vertical temperature profile suggesting that the the hypotheses introduced in the simplified model are reasonable. Furthermore, the simplified model shows good accuracy in the prediction of the heat flux towards the inside, which is the parameter that mostly matters when performing the energy balance of a building. The CFD model takes approximately 30 hours to perform the analysis of a single timestep, while the simplified model can simulate the behaviour of the DSF over a year in about 60 seconds. For this reason, the simplified model is a suitable tool for preliminary parametric analyses. The last part of this work is an example of how the simplified model could be used to perform a parametric study on a DSF in different climates and for different orientations. To perform such analysis, the simplified model is upgraded to feature an integrated shading system. The DSF is compared with a double and a triple glazing system equipped with internal roller blinds. The output of the analysis is that the DSF performs respectively 60% and 30% better in reducing the total entering heat flux than the other two technologies during the cooling season, while these values decrease respectively to 50% and 10% during the middle season.

Le facciate a doppia pelle sono una tecnologia di involucro utile nella progettazione di edifici trasparenti a basso consumo energetico. La valutazione termica ed energetica di questa soluzione risulta essere tuttavia difficile da effettuare, specialmente nei casi in cui la facciata è ventilata in modo naturale. Esistono due approcci che possono essere impiegati per tentare di risolvere il problema: analisi fluidodinamiche (CFD) o modelli semplificati. L’obiettivo di questo elaborato è quello di sviluppare e validare un modello CFD tridimensionale e un modello semplificato basato su un profilo lineare di temperatura. La validazione avviene comparando i risultati dei modelli con le misure ottenute da una facciata in scala 1:1. I risultati dei due modelli sono in linea tra loro rispetto al calcolo della portata d’aria e del profilo verticale di temperatura nella cavità, suggerendo quindi che le ipotesi alla base del modello semplificato sono ragionevoli. Inoltre, il modello semplificato ha dimostrato di essere in grado di predire con un buon grado di accuratezza il valore del flusso scambiato verso l’interno, che è il parametro più importante quando si considera il bilancio energetico di un edificio. Il grande vantaggio del modello semplificato è la sua abilità di condurre un’analisi annuale in 60 secondi contro le 30 ore che il modello CFD impiega per calcolare un singolo istante di tempo. Questa caratteristica rende il modello semplificato adatto per analisi parametriche e predimensionamenti. L’ultima parte del lavoro è perciò dedicata ad offrire un esempio di un’analisi parametrica tra una doppia pelle con schermatura integrata, un doppio vetro e un triplo vetro con tenda interna in quattro differenti località e per i quattro orientamenti cardinali. Il risultato dell’analisi mostra che nei casi considerati la doppia pelle si comporta rispettivamente meglio per il 60% e per il 30%, rispetto alle altre due soluzioni confrontate, nel ridurre il flusso termico entrante durante la stagione di raffrescamento, mentre questi valori scendono a 50% e 10% durante la stagione intermedia.