Heat transfer simulation in energy-efficient solutions: an application to three different case studies

Abstract

Energy efficiency is increasingly becoming a relevant issue both in the European and national regulations, which are aimed at reducing greenhouses gas emissions and to strengthen fossil fuels independence. Since buildings of tertiary sector and residential structures account for approximately 40% of the total energy consumption, it is important to immediately act. According to the Energy Efficiency Report, the most effective interventions should involve opaque and transparent enclosures, thermal and electrical energy production and distribution, and general services (lighting, refrigeration). Hence, the present Doctoral thesis is addressed to investigate the thermal behaviour of some energy-efficient solutions and to evaluate the improvement which may be reached. It concerns the use of the Finite Element and Finite Difference Methods in order to solve the differential equations describing the specific phenomenon. The following examples will be investigated: · case study 1: use of a Downhole Heat Exchanger for heating in the Province of Viterbo; · case study 2: thermal behaviour of the external opaque enclosures in a public building in Sabaudia (Latina), both in winter and summer conditions; · case study 3: use of active IR thermography for glasses thermal behaviour, during the heating and cooling phases.

L'efficienza energetica occupa un posto di rilevante importanza nel complesso delle misure e delle azioni necessarie a rafforzare l’approvvigionamento energetico e contemporaneamente a ridurre le emissioni di gas climalteranti in atmosfera. Tale ruolo di spicco è stato ulteriormente sottolineato dai recenti documenti programmatici sia a livello comunitario sia all’interno della Strategia Energetica Nazionale. Se si considera che circa il 40% del consumo finale di energia negli Stati Membri è attribuibile direttamente al settore terziario e residenziale (case, uffici pubblici e privati, negozi e altre categorie di edifici), si evince immediatamente che il potenziale di risparmio in tale settore è estremamente elevato. In base all'analisi condotta dall'Energy Efficiency Report, realizzato dall’Energy & Strategy Group del Politecnico di Milano, gli interventi di miglioramento dell'efficienza energetica devono riguardare l'involucro edilizio, sia chiusure opache che trasparenti, la produzione e distribuzione di energia termica ed elettrica, ed i servizi generali (ad esempio illuminazione, aria compressa, refrigerazione). L'attività di ricerca ha pertanto riguardato l'analisi dello scambio termico di alcune soluzioni energeticamente efficienti -attraverso il metodo degli elementi finiti e delle differenze finite- al fine di valutare l'effettivo miglioramento della scelta proposta. La tesi comprende: · caso studio 1: utilizzo di uno scambiatore di calore geotermico per la fornitura di energia termica presso il Vivaio Daniel Plants (Viterbo); · caso studio 2: analisi del comportamento termico di una superficie opaca in presenza ed assenza di cappotto esterno, in condizioni invernali ed estive, nella Caserma del Corpo Forestale dello Stato di Sabaudia (Latina); · caso studio 3: utilizzo della termografia IR attiva nell'analisi del comportamento termico degli infissi, sia in fase di riscaldamento che di raffreddamento.