Modellazione matematica e numerica delle pareti traspiranti

This work deals with dynamic insulation, also known as breathable wall: this technology is based on the passage of the ventilation air flow through air permeable insulating layers. The breathable wall works as a heat exchanger: ventilation air, passing through the porous envelope, recovers thermal energy from the wall reducing transmission losses and getting warmer. The aim of this work is the study of dynamic insulation wall integrated in a building with heating and cooling system, to evaluate its effects on the energy balance. The breathable wall here analyzed is made of two porous layers, fibrous insulation and no-fines concrete; their thermo physical properties are evaluated with the volume average method, which considers microscopic interactions between solid and fluid phases. To define the fluid motion inside the porous mdium, the relation between velocity and pressure gradient has been investigated. With all the parameters found, it’s possible to elaborate a numerical algorithm to calculate temperature distribution in the wall, thanks to finite differences and finite volumes models. The algorithm is used to build a TRNSys type which dynamically simulates the breathable wall in the building. Thanks to the simulations results, it’s possible to identify this best configuration: in winter time the air entering through the wall is preheated reducing ventilation losses; in summer time the air goes outside through the wall cooling it and reducing transmission loss; globally, the result is a reduction of the energy demand. In the end there is a comparison with a building with a traditional heating recovering system characterized by the same working principle of dynamic insulation.

Questo lavoro di tesi riguarda l’isolamento dinamico, sistema caratteristico delle pareti traspiranti basato sull’integrazione tra involucro e impianto di ventilazione dell’edificio in cui la chiusura è attraversata da un flusso d’aria e isola termicamente. Il componente traspirante agisce come un recuperatore di calore: l’aria destinata alla ventilazione, attraversando l’involucro permeabile, scambia con la parete il calore che verrebbe altrimenti disperso per trasmissione e quindi si preriscalda. Lo scopo di questo lavoro è quello di contestualizzare la tecnologia dell’isolamento dinamico e valutarne l’efficacia all’interno di un sistema edificio-impianto, per vedere il beneficio apportato sul fabbisogno di riscaldamento e raffrescamento. Il componente analizzato è costituito da due materiali permeabili, isolante fibroso e calcestruzzo no-fines, le cui proprietà termofisiche sono valutate tramite il metodo delle medie di volume al fine di tenere conto delle interazioni microscopiche fra matrice solida e fluido. Per analizzare il moto del fluido all’interno del mezzo, si studia il campo di velocità in funzione del gradiente di pressione e delle caratteristiche del materiale. Valutate le grandezze in gioco, si elabora un algoritmo che calcola la distribuzione di temperatura all’interno della parete con il metodo alle differenze finite e ai volumi finiti. L’algoritmo viene usato per costruire un type di TRNSys, che simula dinamicamente la parete traspirante integrata in un edificio. Dalle simulazioni emerge che i risultati migliori si ottengono con questa configurazione: in inverno l’aria entra attraverso la parete preriscaldandosi e riducendo le perdite per ventilazione; in estate l’aria attraversa la parete dall’interno verso l’esterno raffrescandola, diminuendo le perdite per trasmissione; nel complesso si rileva una riduzione del fabbisogno energetico rispetto a un caso con isolamento tradizionale. Visto il principio di funzionamento di questa tecnologia, viene fatto un confronto con un caso con solo recuperatore di calore.