Progettazione di un sistema schermante automatizzato fotovoltaico per il controllo del benessere termico e luminoso

ABSTRACT This document explains all steps you can followed for the development of the preliminary design of a solar shading, followed by a feasibility studies in order to assess their competitiveness in the market. The project was inspired by the study of the different solutions currently used for shielding glass facades of buildings for tertiary sector, which were determined by comparing them, the positive and negative characteristics. Based on these assumptions, it was chosen as the basic system solar shading mobile automated, as is the type with the most room for improvement. These are products with a tent or screen venetian rewindable and operated automatically according to detected environmental conditions which, these showed the following limits:  Poor ability to take advantage of the free solar gains, when these can be positive for the building.  Potential inefficiency to ensure the desired level of thermal comfort with the possible occurrence of localized thermal gradients.  Low or no transparency of the solar shading that, once lowered,it prevents the external view.  Potential inefficiency to ensure the desired level of lighting comfort due to problems of glare.  Setting the operation logic of the specific system activation, a possibility which suffers from any installation errors. The project has the objective to improve performance reviewing the solar shading system chosen in terms of design, and management the characteristics refer to a single office of 18m2, with a glass facade of 9m2, valuated for different orientations and locations. It was adopted a solution with screen in fabric having different degrees of transparency and with double motorized roller shutter on the lower or on the higher side of the frame; this allows the system to better respond to the alternation of light and shadow agents on the facade:  The tent with different transparency, allows the user to always be able to look through the shield without suffering from the effects of glare or heat.  The packaging system with double roller allows the shielding to move from the top to the down obscuring only a portion of the window required The review of the software for the control and automation of the system, necessary to ensure the efficient operation of the same, was based, on the adoption of a new sensor for detection of the incident radiation, which can return a better information on where and how this comes on the surface to be monitored. Functionality is performed by a photovoltaic installation realized directly on the solar shading system that, in addition to producing electricity, then distributed on the electricity network, can return all the information that the software needs. The paneling covers most of the tent, although not all, has function of sensor, allowing this to become a source of green energy and contribute to building needs. Thanks to the best quality of the background data, the management program has been redefined in order to achieve the objectives of the project, by excluding the safety parameters, wind strength and intensity of rainfall, which have an effect on the behavior of priority the shield, the software runs in parallel with two different operating modes, to control light and the heat. Each of the two, has different internal parameters that govern the various operating thresholds, the system will be able to define, in each time, the correct placement of the solar shading in order to ensure the conditions of comfort Concerning the glare control the values identified to counter this type of phenomenon are:  Solar Radiation acceptable limit for a specific time and position below which no glare occurs, approximately equal to the amount the diffused light.  Position of the tent to eliminate the problem of glare when the radiation threshold is exceeded. For the thermal control of the environment, the parameters used are:  Solar Thermal radiation limit above which it becomes dangerous for the maintenance conditions of comfort.  Setting time’s weekly and seasonal, various operating modes according to the configurations of occupation and ambient temperature.  Minimum load limit for lighting system, correspond to the thermal contribution when is operative, brings to withdrawal of the shield. For all values identified have been implemented the necessary checks for their efficacy, also have been identified mathematical models able to automatically recalculate the variation of certain conditions. It was also discharged the technical and technological feasibility of the project nodes solving the most difficult parts of the project, such as:  Choice a suitable technical fabric for the tent, resistant, durable and able to block the heat radiation without completely obscure the indoor environment.  Identification of photovoltaic technology and its basic characteristics, as they are not currently sold products directly adaptable for our purpose, but are realizable with the normal technologies in use.  Definition of wiring and connecting rods, respectively elements necessary to transfer the production of electricity and sensor information from the tent to the building, to ensure stability and mobility at the solar shading.  Choice of tubular motors, diameter and shape of the rollers and detection of special parts, such as brake and freewheel mechanism, necessary for the proper operation of the movement system. All products and solutions have been identified and designed to be fully compatible with each other. Designed the product was analyzed its validity in terms of economic point of view by analyzing the cost of installing and running the same, compared to other competing systems, specifically low-e glass, mobile automatic solar shading, and different installations, changing location or orientation. The payback time of the initial investment, made over the competitors, were considered satisfactory, since the concept is found better than the competition. In the end we can conclude that the preliminary draft developed has the potential necessary to satisfy the objectives initially places, however, will be required a number of additional steps to aimed to developing and testing the final product, in order to verify the validity of the identified solutions, even for installations very different from that base considered.

ABSTRACT Nel presente documento vengono illustrati tutti i passaggi effettuati per lo sviluppo della progettazione preliminare di un nuovo sistema schermante, seguiti dal relativo studio di fattibilità, al fine di valutarne la competitività nel mercato. Il progetto ha preso spunto dallo studio delle diverse soluzioni per le quali si sono de-terminati pregi e difetti, nell’ipotesi di un installazione su edifici ad uso terziario. Più specificatamente si è analizzato l’impiego per i vari prodotti su immobili ad uso uffici aventi chiusure esterne tipo facciata continua o finestre a nastro. In base a tali ipotesi, si è scelta la schermatura esterna mobile automatizzata come sistema di base, in quanto appare quello avente i più ampli margini di miglioramento. I limiti da noi riscontrati per tale soluzione secondo il campo applicativo sopra descritto sono:  Modesta capacità di sfruttare gli apporti solari gratuiti, anche quando questi possono essere benefici per il sistema edificio.  Bassa o nulla trasparenza del corpo schermante che, una volta abbassato, impedisce la vista esterna.  Potenziale inefficacia a garantire i livelli di comfort luminoso e termico attesi a cau-sa di problematiche d’abbagliamento o alti gradienti termici localizzati.  Settaggio software specifico per ogni attivazione, possibilità che risenta di eventuali errori d’installazione. Il progetto di tesi si pone l’obbiettivo migliorare tali prestazioni rivisitando il sistema schermante scelto sia in termini di design, sia di software; gli studi effettuati per de-terminarne le caratteristiche fanno riferimento ad un ufficio singolo sito in Roma di 18m2, avente una facciata vetrata orientata a sud di 9m2 circa. È stata adottata una soluzione con schermo in tessuto a zone di trasparenza differen-ziata e con doppio rullo motorizzato, avvolgibile sia sul lato superiore sia sull’inferiore dell’infisso; questo consente al sistema di rispondere meglio all’alternarsi di luci e om-bre agenti sulla facciata:  La tenda suddivisa in zone consente all’utente di poter sempre guardare attraverso la schermatura senza risentire degli effetti d’abbagliamento o termici.  Il sistema d’impacchettamento a doppio rullo permette al corpo schermante di muo-versi dall’alto verso il basso e viceversa oscurando solo la porzione di serramento necessaria. La rivisitazione del software per il controllo e l’automazione del sistema, necessaria a garantire un funzionamento efficiente dello stesso, si è basata, innanzitutto, sull’adozione di un nuovo sensore di rilevamento della radiazione incidente, in grado di restituire un informazione migliore su dove e come questa giunge sulla superfice da controllare. Funzione assolta da un apposita istallazione fotovoltaica realizzata diret-tamente sul sistema schermante che, oltre a produrre energia elettrica distribuita poi in rete, è in grado di restituire tutte le informazioni di cui il software ha bisogno. La pannellatura ricoprirà buona parte della tenda, anche se non tutta la sua superfice avrà funzione di sensore, permettendo a questa di divenire una fonte di energia verde e contribuire ai fabbisogni dell’edificio. Grazie alla migliore qualità dei dati di partenza, anche il programma di gestione del si-stema è stato ridefinito in modo da raggiungere gli obbiettivi di progetto; ad esclusio-ne dei parametri di sicurezza, quali forza del vento o intensità di pioggia, che hanno effetto prioritario sul comportamento della schermatura, il software gestisce in parallelo due differenti logiche di funzionamento, per il controllo luminoso e termico. Ognuna delle due ha differenti parametri interni che regolano le diverse soglie d’intervento, introdotte in seguito, il sistema sarà in grado di definire, di volta in volta, il corretto posizionamento della schermatura al fine di assicurare le condizioni di com-fort desiderate. Per quanto riguarda il controllo dell’abbagliamento i valori individuati per contrastare questo tipo di fenomeno sono:  Radiazione luminosa solare limite accettabile per una data ora e posizione al di sotto del quale non si verifichi abbagliamento, pari circa alla quantità la luce diffusa.  Posizione della tenda tale da eliminare il problema dell’abbagliamento quando la ra-diazione di soglia viene superata. Per quanto riguarda il controllo termico dell’ambiente i parametri utilizzati sono:  Radiazione termica solare limite oltre la quale questa diviene dannosa per il mante-nimento delle condizioni di comfort.  Setting orario settimanale e stagionale, diverse logiche di funzionamento a seconda delle configurazioni di occupazione e temperature dell’ambiente.  Limite minimo per carico impianto d’illuminazione corrispondente all’apporto termi-co dovuto a questo quando è in funzione, porta al ritiro della schermatura. Per tutti i valori individuati sono stati realizzate le dovute verifiche sulla loro efficacia, inoltre si sono individuati modelli matematici in grado di ricalcolarli automaticamente al variare di alcune condizioni. È stata inoltre appurata la realizzabilità tecnica e tecnologica del progetto risolvendo i nodi progettuali più complessi quali:  Scelta di un adatto tessuto tecnico per la tenda, resistente, durabile ed in grado di bloccare la radiazione termica senza oscurare completamente l’ambiente interno.  Individuazione della tecnologia fotovoltaica e delle sue caratteristiche di base, in quanto non sono attualmente commercializzati prodotti direttamente adattabili al nostro scopo, ma sono realizzabili con le normali tecnologie in uso.  Definizione dei cablaggi e dei tiranti, elementi rispettivamente necessari a, trasferire la produzione elettrica e le informazioni dei sensori dalla tenda all’edificio, assicurare stabilità e mobilità allo schermo solare.  Scelta dei motori tubolari, diametro e forma dei rulli e individuazioni di parti speciali, quali freno e meccanismo a ruota libera, necessarie per il corretto funzionamento del sistema di movimentazione. Ovviamente tutti i prodotti e soluzioni individuate sono state studiate in modo da esse-re perfettamente compatibili fra loro. Definito il prodotto si è analizzata la sua validità dal punto di vista economico attraver-so l’analisi sui costi di installazione e gestione dello stesso rispetto ad altri sistemi con-correnti, nello specifico vetrata basso emissiva e schermatura mobile esterna automa-tica, e installazioni differenti, cambiando località o orientamento. I tempi di ritorno dell’investimento iniziale ricavati rispetto i competitor considerati sono stati soddisfa-centi, in quanto il concept è risultato comportarsi meglio della concorrenza. In definitiva si può concludere che il progetto preliminare sviluppato abbia le potenzia-lità necessarie a soddisfare gli obbiettivi posti inizialmente, saranno però necessari una serie di passaggi aggiuntivi atti a sviluppare e testare il prodotto finale, allo scopo di verificare l’effettiva validità delle soluzioni individuate, anche per installazioni molto differenti da quella base considerata.