Sistema costruttivo aria : analisi CFD per l'ottimizzazione delle prestazioni energetiche e life cycle assessment

The research project, developed within the A.B.C. Department of Politecnico di Milano in collaboration with Woodbeton S.p.A., concerns the energy performance and environmental impact evaluation of the product ARIA®, a prefabricated ventilated wall system, in order to increase the knowledge and the awareness about its potential and make it more competitive. The first part of the work, carried out in collaboration with the Department of Energy of Politecnico di Milano, is focused on the study of the energy efficiency of the ARIA® system during the summer season, in order to quantify the energy saving, given certain boundary conditions. For this purpose, a complete CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis of the ventilated façade was developed, which allows to combine the heat transfer and fluid motion phenomena and therefore accurately evaluate the real performance of the system. The simulations are performed using ANSYS Fluent software for different operating conditions: natural and forced convection and unventilated façade. The results are discussed and compared with the simplified procedure proposed by the Italian standard UNI EN ISO 6946 for calculating the thermal resistance of ventilated façades. The second part, developed in collaboration with the Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering "Giulio Natta" of Politecnico di Milano, concerns the evaluation of the environmental impact related to the production stage of the ARIA® wall through the LCA (Life Cycle Assessment) methodology, according with the ISO 14040 standard, using the SimaPro software. Following the indications given by EN 15804 for construction products, A1-A3 production stages are analysed, in order to identify potential improvements for the process. The results are discussed and compared with the impacts related to other alternative façade technologies. Further developments may concern experimental tests on samples to evaluate the actual thermal performances of the ARIA® system to be compared with the results obtained by the model developed in Fluent. Once the model is correctly calibrated and verified, it may be used to study the façade performance under different summer and winter boundary conditions. Regarding the LCA, it could be implemented and used to achieve the EPD (Environmental Product Declaration) for the ARIA® system.

Il presente lavoro di tesi affronta lo studio delle prestazioni energetiche e dell’impatto ambientale del sistema costruttivo ARIA®, prodotto dall'azienda Woodbeton S.p.A e costituito da pareti ventilate prefabbricate. Il progetto di ricerca, sviluppato all’interno del Dipartimento ABC del Politecnico di Milano ed in collaborazione con Woodbeton S.p.A, è volto allo studio e all’ottimizzazione della soluzione costruttiva, al fine di accrescere la conoscenza e la consapevolezza delle sue potenzialità e criticità e renderla maggiormente competitiva. La prima parte dell’elaborato, svolta in collaborazione con il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, è dedicata allo studio dell’efficienza energetica della parete ARIA® in regime estivo, in modo da valutare, a seconda delle condizioni al contorno, il risparmio ottenibile in termini energetici. A tale scopo, viene sviluppata l’analisi fluidodinamica (CFD Computational Fluid Dynamics) della parete ventilata, con l’ausilio del software ANSYS Fluent, che permette lo studio accoppiato dei fenomeni di trasferimento del calore e moto del fluido e dunque una valutazione accurata delle performance reali del sistema. Le simulazioni condotte abbracciano diverse ipotesi di funzionamento, in regime di ventilazione naturale, forzata e con intercapedine chiusa. I risultati ottenuti vengono infine confrontati con la procedura semplificata proposta dalla UNI EN ISO 6946 relativa al calcolo della resistenza termica delle pareti ventilate. La seconda parte del lavoro è stata condotta presso il Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” del Politecnico di Milano ed è dedicata alla valutazione dell’impatto associato alla produzione della parete. A questo scopo, viene impiegata la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), normata dalla UNI EN ISO 14040, per analizzare il ciclo di vita del prodotto mediante il software SimaPro. Seguendo le indicazioni della UNI EN 15804, relativa ai prodotti da costruzione, vengono analizzate le fasi A1-A3 della parete, ossia quelle che vanno dall’estrazione delle materie prime fino alla produzione della parete ARIA® finita, al fine di evidenziare eventuali migliorie attuabili nel processo. Infine, i risultati ottenuti vengono confrontati con gli impatti associati a tecnologie di chiusura alternative, in modo da valutare la convenienza di un sistema rispetto all’altro. I futuri sviluppi di tale lavoro riguarderanno lo svolgimento di prove su campioni al vero per valutare l’effettivo comportamento termico della parete ARIA® e verificare la rispondenza dei risultati con quelli ottenuti dal modello sviluppato in Fluent nel presente lavoro di tesi. Una volta verificata l’adeguatezza del modello, questo potrebbe essere impiegato per lo studio delle prestazioni della parete con condizioni al contorno estive differenti ed in regime invernale. Per quanto riguarda le valutazioni condotte in merito all’impatto ambientale, queste potranno essere implementate ed utilizzate per l’ottenimento dell’EPD (Environmental Product Declaration) per il sistema ARIA®.