Modeling and simulation of fluidized glazing elements for office buildings

Energy conservation themes have gained worldwide more and more relevance in recent years. Particularly in the field of energy optimization applied to buildings. This must not surprise. This fact does not surprise when we look at the increasing weight of this sector on the total energy consumption. In Germany, for example, the primary energy consumption corresponds to 400 Mrd. m3 of oil, and almost the 50% of this amount is for the energy supply of buildings. Therefore, the efforts made in this sector, in order to research new solutions, to reach better efficiency and enhance a deeper integration of different systems, are evident. This thesis is about this idea. As title shows, it deals with the modeling of fluidized glazing elements for office buildings. Its aim is to develop a new system of glass façade elements, which can function as an active element in the regulation of indoor comfort and permits to achieve higher energy efficiency. The innovation consists in the circulation of water in appropriate interspaces, which are arranged on the inside and outside of a classical triple insulated glass. On the one hand solar radiation can be controlled by coloring the water and on the other hand indoor temperature can be controlled by the circulation of heated or cooled water. The goal is to model this glazing system and to validate the model with the measurements that have been performed on a prototype, giving an answer to the possible applications and the opportunities offered by the technology.

Negli ultimi anni il tema del risparmio energetico ha guadagnato un’importanza sempre maggiore sulla scena mondiale. In particolar modo il settore dell’edilizia si è trovato a confrontarsi con i concetti di sostenibilità ed efficienza. Il perché tale settore sia al centro di questo dibattito è facilmente spiegabile osservando i dati sui consumi energetici correlati all’edilizia, che incidono sul fabbisogno di energia primaria di un paese come la Germania per il 50%. Questi dati, le esigenze di risparmio energetico e al contempo la crescente domanda di energia hanno fatto sì che la ricerca s’indirizzasse verso lo sviluppo di soluzioni innovative che possano garantire consistenti risparmi energetici, assicurando al contempo adeguate condizioni di comfort negli ambienti. Questo è il contesto all’interno del quale si sviluppa il lavoro di tesi, il cui titolo recita: “Modellizzazione e simulazione di elementi finestrati con circolazione d’acqua. Attualmente, in ambito architettonico, il vetro risulta essere un materiale largamente impiegato, intere facciate di edifici vengono costruite in vetro. L’impiego di tale materiale comporta però due problematiche di particolare rilevanza: da una parte la presenza d’ingenti carichi termici imputabili alla radiazione solare e dall’altra la difficoltà nel realizzare un adeguato isolamento termico. Come conseguenze si hanno alti costi di climatizzazione e difficoltà di mantenere le condizioni di comfort negli ambienti interni. Queste considerazioni hanno fornito lo stimolo di partenza al progetto “Fluidglas” per lo sviluppo di elementi finestrati che possano svolgere un ruolo attivo nel controllo delle condizioni termiche degli ambienti. Il progetto “Fluidglas” è seguito e portato avanti dal “Centre for Energy Efficient and Sustainable Design and Building” della Technische Universität München e dalla Università del Liechtenstein. La peculiarità che permette che un componente tipicamente passivo, possa partecipare attivamente al comfort interno è la presenza di camere, nelle quali viene, in modo continuo, fatta circolare dell’acqua. Per la realizzazione di questo sistema si è partiti da un vetro-camera triplo al quale sono stati applicati altri due vetri, uno sull’esterno e uno sull’interno in modo da creare ulteriori due camere per la circolazione dell’acqua. Lo spessore dei vetri è di 6 mm mentre le due camere originarie hanno uno spessore di 16 mm e sono riempite con argon. L’acqua circola in camere dello spessore di 2 mm. In totale la finestra risulta avere uno spessore di 66 mm. La separazione termica tra il circuito esterno di acqua e quello interno è garantita, oltre che dalle 2 camere riempite con argon, anche dal trattamento delle superfici del vetro che danno verso il centro del componente con un film basso emissivo. Il circuito d’acqua interno è stato pensato per occuparsi della climatizzazione degli ambienti. Può essere quindi alimentato con acqua proveniente da una centrale termica o da un chiller. In questo modo la finestra si comporterebbe a tutti gli effetti come una superficie radiante. Il circuito esterno, per contro, è stato concepito per l’assorbimento dell’energia dovuta all’irraggiamento solare. Le proprietà di assorbimento dell’elemento vengono variate tramite addizione di un colorante all’acqua. Così il componente svolge la funzione di collettore e di sistema di ombreggiamento. Nello specifico il ruolo di questa tesi all’interno del progetto “Fluidglas” è la modellizzazione dell’elemento finestrato, dal punto di vista del comportamento nei confronti della radiazione solare. L’obiettivo è la realizzazione di un modello che possa fornire dati riguardo radiazione trasmessa, riflessa e assorbita al variare della configurazione inserita. Il modello serve per la realizzazione di un data base che possa venir letto da un programma di simulazione energetica come TRNSYS. Si tratta, quindi, di preparare il terreno per una futura campagna di simulazioni che avrà lo scopo di determinare le reali capacità della nuova tecnologia, i limiti e le possibili modifiche e migliorie apportabili. Ad esempio si vuole stabilire se il vetro centrale sia realmente necessario per garantire la separazione termica o possa essere eliminato in modo da rendere la struttura più semplice, leggera e meno costosa. Nonostante vi sia un accenno alla parte di simulazione, il cuore del lavoro di tesi riguarda la modellizzazione. Tale processo è stato verificato e convalidato in due modi: 1. confronto con i principali software attualmente disponibili in commercio; 2. confronto con le misure effettuate su un prototipo dell’elemento finestrato. I due software utilizzati sono CALUMEN II e WINDOW 6.3. Il primo è un programma sviluppato da Saint-Gobain, che è anche il fornitore dei vetri utilizzati per realizzare il prototipo. Il secondo programma, molto più dettagliato e versatile del primo, permette l’inserimento di quasi ogni componente finestrato attualmente presente sul mercato, variando la configurazione dello stesso, agendo su parametri, quali: numero di vetri, caratteristiche dei trattamenti superficiali, caratteristiche delle camere, etc. Tali programmi, non presentano la possibilità di inserire camere d’acqua, e per tanto sono stati utilizzati in una fase iniziale della realizzazione del modello. Il completamento del modello è stato possibile solo grazie alle misure effettuate sul prototipo e a quelle fornite dalla Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs. Una volta completato il modello sono cominciate le prime simulazioni, riproducendo in TRNSYS le condizioni di laboratorio, in modo da cercare un’ulteriore verifica del modello attraverso il confronto dei risultati ottenuti dalla simulazione e delle misure svolte sul prototipo.