Analysis of different weather datasets and their effects on the design of glazed facades. Static and thermal dynamic application

This paper will focus on the definition and effect of different weather database on an Insulated Glass Unit (IGU) for the cities of Milan, Bolzano and Eindhoven. Climate conditions such as temperature, pressure and solar irradiance, from both satellite and ground stations will be compared and analyzed with the aim of verifying the reliability of the selected dataset. This study is performed in collaboration with glassAdvisor, which main source of weather data is provided by the “European Centre of Medium-Range Weather Forecast” ECMWF (1). ECMWF uses forecast models and data assimilation system to ‘reanalyze’ archived observation, creating global datasets of atmospheric parameters such as air temperature, pressure etc... for different altitudes. In particular, ERA5 is the latest climate reanalysis produced, providing hourly data on regular latitude-longitude grids at 0.25° x 0.25° resolution, with atmospheric parameters on 137 pressure levels. Once having validated and properly understood the climate properties of each city analyzed a trial and error approach will be performed in order to understand the correct number of hours to be considered when searching for climate critical conditions. Being climate extremely susceptible to fluctuations over the years, it is crucial to exploit a time range large enough to be able to correctly define the location actual climate properties and at the same time include the worst scenario for summer and winter design. If possible, the resulting critical conditions using satellite station ERA5 will then be compared with those obtained with weather data from ground stations, available thanks to the support of Politecnico di Milano (2), and Eurac Research Institute of Bolzano (3). Following, the static and thermal dynamic behavior of different insulated glass unit will be studied, with the help of SJ Mepla Software. For the former, the effect of different climate loads on both triple and double glass units with typical dimensions in case of commercial and residential buildings will be considered. Critical climate load, better known as isochoric pressure, will be calculated following two different standard approaches and also resulting from the previously made analysis based over a 10 years period. In addition, the dimensioning process of the aforementioned insulated units will be performed combining the climate load together with wind load and horizontal live load due to the presence of people for the case of continuous glazed façade often used in commercial buildings. (Emanuela Polizzotti contribution) Finally, the effect of different weather dataset on the indoor air temperature and energy needs will be evaluated, with the help of Grasshopper Software and its plug-in Ladybug and Honeybee. Both free floating analysis and calculation designing an ideal cooling and heating plant will be performed in order to understand how indoor temperature varies according to several design parameters such as the solar factor and the window module dimension. Different weather file will be used and the results will be compared with those obtained using an Energy Plus file. As for the static analysis, two different intended use will be considered, and in particular, residential and office buildings being the energy demand increased over 75% in the last 40 years for this two sectors. (Mihaela Elena Sommer contribution) The main objective of this study is to create a unique calculation process to be applied for locations characterized by different climates and providing reliable results which in many cases are able to go beyond the limits often presents in the standards. The calculation performed in excel will then be converted in a script to be implemented in the glassAdvisor App, already present in the market and able to create any glass composition providing the main characteristics in terms of thermal, acoustic and light performance. What will be introduced following this analysis will be the thermal behavior of an Insulated or single glass unit for any climate conditions such as surface and gap maximum and minimum temperature, pressure and solar irradiance to be used for both static and dynamic analysis during the design of a glass façade.

Il seguente studio si focalizzerà principalmente sulla valutazione dell’effetto di diversi database climatici su una vetrata in facciata. L’analisi verrà condotta principalmente su tre città, caratterizzate da climi differenti: Eindhoven (Paesi Bassi), Milano (Italia) e Bolzano (Italia). L’obiettivo principale sarà di verificare l’accuratezza di diversi dataset confrontando i valori orari di temperatura, pressione e radiazione provenienti da stazioni di rilevamento a terra con quelli satellitari. L’intero processo avverrà in collaborazione con glassAdvisor, le cui fonti di dati climatici provengono dall’ECMWF (Europea Centre of Medium Range Weather Forecast) (1). ECMWF utilizza dei modelli di previsione e un sistema di assimilazione dei dati con l’obiettivo di rianalizzare i dati satellitari misurati, creando set di parametri atmosferici quali temperatura dell'aria, pressione, radiazione ecc. per diverse altitudini. In particolare, ERA5 è l'ultima rianalisi del clima che è stata prodotta da ECMWF, la quale fornisce dati orari su griglie regolari di latitudine-longitudine con risoluzione di 0,25 °x 0,25 °, basata su parametri atmosferici su 137 livelli di pressione. Dopo aver convalidato i dati satellitari attraverso un benchmark con le misurazioni a terra e aver studiato le proprietà climatiche di ogni città analizzata, verrà quindi definito quale sarà il numero più appropriato di ore da considerare nella ricerca delle condizioni climatiche critiche, attraverso un processo reiterativo trial and error. Essendo le condizioni climatiche estremamente sensibili alle fluttuazioni nel corso degli anni, è fondamentale sfruttare un intervallo di tempo sufficientemente ampio per essere in grado di definire correttamente le proprietà climatiche e allo stesso tempo includere lo scenario peggiore, per la progettazione estiva ed invernale. Quando possibile, per disponibilità di dati, le condizioni critiche risultanti che utilizzano la stazione satellitare ERA5 saranno successivamente confrontate con quelle ottenute con i dati meteorologici da stazioni di misurazione a terra, disponibili grazie al supporto del Politecnico di Milano (2)e dell'Istituto di ricerca Eurac di Bolzano (3). Di seguito verrà poi studiato il comportamento dinamico, statico e termico, delle diverse vetrate isolanti, utilizzando il Software di SJ Mepla. Inizialmente si prenderà in considerazione l'effetto di diversi carichi climatici su vetrate doppie e triple, con dimensioni tipiche di edifici commerciali e residenziali. Il carico climatico critico, meglio noto come pressione isocora, sarà calcolato seguendo due diversi approcci standard e inoltre sarà calcolato utilizzando anche quello risultante dall'analisi fatta in precedenza, basata su un periodo di 10 anni. Successivamente il processo di dimensionamento delle suddette unità coibentate verrà integrato eseguendo una combinazione di carichi tra il carico climatico, il carico del vento e il carico orizzontale dovuto dalla presenza di persone, poiché presente considerando una facciata vetrata continua per edifici commerciali. (Contributo di Emanuela Polizzotti) Infine verrà valutato come variano la temperatura dell’aria interna e i fabbisogni energetici, se utilizzati diversi database meteorologici. Il calcolo verrà fatto con il Software Grasshopper e i plug-in Ladybug e Honeybee. Verranno eseguite sia le analisi in free floating che il calcolo considerando un impianto ideale di raffrescamento e di riscaldamento, al fine di comprendere come varia la temperatura interna e la richiesta energetica in base a diversi parametri di progettazione, come il fattore solare e la dimensione del modulo della finestra. Diversi file meteo verranno utilizzati durante le simulazioni e i risultati verranno confrontati con quelli ottenuti da un file Energy Plus. Come si è proceduto per l’analisi statica, saranno presi in considerazione due diverse destinazioni d’uso: edifico residenziale ed ufficio. Il motivo per cui si sono scelti questi due settori deriva dal fatto che la domanda di energia in questi campi è aumentata di oltre il 75% negli ultimi 40 anni. (Contributo di Mihaela Elena Sommer) Concludendo, l'obiettivo principale di questo studio è quello di creare un processo di calcolo unico da applicare per luoghi caratterizzati da climi diversi e fornire risultati affidabili, che spesso superano i limiti imposti dalle Normative vigenti. Il calcolo eseguito in Excel verrà convertito in uno script da implementare nell'app glassAdvisor, già presente nel mercato e in grado di creare composizioni di vetro e fornire le principali caratteristiche in termini di prestazioni termiche, acustiche e luminose. Il proposito finale di questa analisi sarà quindi lo studio delle condizioni climatiche su una vetrata isolante e il successivo calcolo delle temperature massime e minime superficiali e di intercapedine, della pressione e dell’irradianza solare da applicare durante le analisi statiche e dinamiche nella progettazione di una facciata vetrata.