Modelling naturally ventilated double skin facades in Modelica

In recent years, interest regarding double skin façades (DSF) has increased exponentially for many reasons, including aesthetic motivation, sound insulation or improved indoor environment, but especially for its use as passive systems for energy saving in buildings. Compared to conventional glazed façades, DSF can preheat the ventilation air, allow for application of night cooling or even function as a barrier for solar radiation, when used in combination with solar shading devices. However, the use of double skin façades does not involve an immediate energy saving and therefore, climatological parameters and façade design have to be studied carefully. A bad design can lead to an actual loss in overall energy efficiency, meaning that the huge investment is made in vain. Therefore, it is highly recommended to build a numerical model in the early-design phase. For this purpose, DSF thermal performance has been widely studied in the literature during the last decades. Development of rapid, robust and accurate tools for performance evaluation of naturally ventilated double-skin façades is still considered a critical issue for the building physics research community, since only few and simple models are accompanied by a full experimental validation. Moreover, although some specific model and simulation tools able to deal with the transient and complex air flow in the ventilated cavity have been developed and validated, at the moment, integration and coupling with building energy simulation tools is not an easy matter. New programming languages, like Modelica, appear as a solution to this problem. Modelica is an open source object-oriented programming language that has gained popularity during the last decade, due to its ability to standardise and simplify modelling and its good performance when working with multi-domain systems. International building and energy institutions have already put Modelica at the centre of their research in building energy modelling, with the objective to create an open-source, freely available, documented, validated and verified Modelica library for the design and operation of building energy and control systems. In order to come one step closer to the aforementioned goal and to enable easier integration of DSF models, this work presents a methodology to implement a DSF model in Modelica from an object-oriented approach, through the creation of a DoubleSkinFacades library. The work also describes the empirical validation of the model and its subcomponents against the experimental dataset from the Aalborg full-scale test facility “The Cube”, and attempts to demonstrate how DSF modelling requires not only a reliable tool and experience in its application, but also special consideration to the inputs and the boundary conditions of the model. As a final step, a sensitivity analysis is carried with the objective to identify how changes in input parameters of the DSF model and its configuration influence the energy performance of the whole system.

Negli ultimi anni, l'interesse per le facciate a doppia pelle (DSF) è cresciuto molto per diversi motivi, architettonici, estetici e funzionali. Tra questi ultimi l'isolamento acustico e le possibilità di utilizzo come sistema passivo per il risparmio energetico negli edifici. Rispetto alle facciate vetrate tradizionali, le DSF, a seconda della configurazione, possono permettere di preriscaldare l'aria di ventilazione, consentire l'utilizzo del raffrescamento notturno e, se dotate di dispositivi di schermatura solare integrati, funzionare come barriera per la radiazione solare Tuttavia, l'uso di facciate a doppia pelle non comporta sempre un risparmio energetico, il contesto climatico e il disegno della facciata devono essere studiati e valutati con grande attenzione. Inadeguate scelte progettuali possono invero generare un incremento dei consumi anziché una riduzione, il che significa che l'enorme investimento è stato fatto invano. Pertanto, è di fortemente raccomandata la realizzazione di un modello numerico della facciata integrata nell’edificio nella fase di progettazione iniziale per valutare le sue prestazioni. Per questi motivi, negli ultimi decenni, le DSF e le loro prestazioni termiche sono state oggetto di numerosi studi in letteratura. Nonostante ciò, lo sviluppo di strumenti rapidi, robusti e accurati per la valutazione delle prestazioni delle facciate a doppia pelle naturalmente ventilate è ancora considerato un problema critico nell’ambito della fisica dell’edificio, poiché solo pochi modelli sono stati accompagnati da una completa validazione sperimentale, per lo più su semplici casi studio. Inoltre, sebbene alcuni modelli specifici e strumenti di simulazione siano stati sviluppati e validati, al momento l'integrazione e l'accoppiamento con gli strumenti di simulazione energetica degli edifici rimane un aspetto non semplice. A questo scopo, nuovi linguaggi di programmazione, come Modelica, rappresentano una soluzione promettente. Modelica, infatti, è un linguaggio di programmazione, object oriented e open source, che ha guadagnato popolarità nell'ultimo decennio, grazie alla sua capacità di standardizzare e semplificare la modellazione e grazie alle sue elevate potenzialità quando si lavora con sistemi multidominio. Le istituzioni internazionali di ricerca nell’ambito della simulazione energetica dinamica degli edifici hanno già messo Modelica al centro della loro attenzione con l'obiettivo di creare una libreria liberamente accessibile, modificabile, documentata e validata per la progettazione e il funzionamento degli edifici e degli annessi sistemi energetici e di controllo. In questa prospettiva si inserisce anche l’obiettivo specifico di questo lavoro volto all’implementazione di un modello per la simulazione dinamica di facciate a doppia pelle. In questa tesi viene infatti presentata la metodologia adottata per la realizzazione del modello di DFS in Modelica, utilizzando l’approccio ad oggetti per la creazione di una specifica libreria DoubleSkinFacades. Il lavoro presenta anche la validazione sperimentale del modello e dei suoi sottocomponenti utilizzando i dati di una campagna sperimentale su una DSF in scala reale "The Cube" che si è svolta ad Aalborg in Danimarca. Nell’implementazione e nella validazione del modello particolare attenzione è posta alla sua modularità e alla possibilità di lavorare con diverse condizioni al contorno. Infine, viene presentata un'analisi di sensibilità con l'obiettivo di identificare come i cambiamenti nei parametri di input del modello e nella configurazione della DSF influenzino le prestazioni del modello e le prestazioni energetiche del sistema.