I software di simulazione costituiscono lo strumento fondamentale per compiere una progettazione integrata che permetta di prevedere al tempo stesso le varie prestazioni (termiche, energetiche, ambientali, di comfort, illuminotecniche, ecc.ecc.); mediante modelli virtuali permettono di valutare in tempi brevi la prestazione  di un intervento di riqualificazione edilizia e/o di una soluzione  impiantistica “innovativa”, permettendo poi una ragionevole stima dei costi/benefici.  In generale, il rispetto dei codici di conformità (ad esempio le norme UNI) tutela gli ingegneri e gli architetti dalla progettazione di edifici non efficienti, ma non implica che le soluzioni adottate siano le migliori possibili. Infatti, è stato dimostrato che l’adozione di modelli virtuali in fase metaprogettuale può migliorare la performance energetica a tal punto da superare di ben oltre il 50% i corrispondenti requisiti di conformità e addirittura in alcuni casi ridurre i costi iniziali.

TRNSYS 15

Sviluppato dal Solar Laboratory della Wisconsin University, Madison (USA), il programma mediante una struttura modulare permette la simulazione di una vasta classe sistemi/impianti.  Il codice ha un pacchetto per la programmazione a blocchi tramite interfaccia grafico (IISIBAT3 e PREBID),  uno strumento di simulazione e una libreria di componenti standard che vanno dai modelli dei componenti per impianti a fonti energetiche rinnovabili a quelli per impianti tradizionali nonché tutti i componenti necessari per modellare un edificio. Il pacchetto di simulazione ibrido offre anche la possibilità di creare nuovi componenti da aggiungere alla libreria standard.  Tale codice può poi essere interfacciato con altri programmi (attraverso opportuni Types) come Excel, Matlab, EES, FemLab, ecc.

IISIBAT3

Attraverso l’interfaccia grafica IISIBAT3, l’utente compila il file di input che verrà utilizzato dal programma per eseguire la simulazione del modello realizzato. Ogni componente è rappresentato da un “box” (TYPE) che richiede un certo numero di parametri costanti, input tempo variabili e che produce un certo numero di output anch’essi variabili con il tempo. Il modello del sistema si ottiene a partire dai modelli dei componenti tenendo conto delle interconnessioni tra gli stessi componenti. La rappresentazione del modello può essere così ottenuta mediante diagrammi di flusso e/o a blocchi. I TRNSYS input file sono quindi generati usando l’interfaccia grafica, specificando la descrizione dei componenti del sistema mediante i parametri dei TYPE, i valori iniziali degli input e connettendo appropriatamente gli stessi TYPE in modo da riflettere i legami fisici tra i vari componenti del sistema, mentre i dati climatici sono dati in input mediante file ASCII.

Ad ogni TYPE è associata una sub-routine scritta in FORTRAN-77 che modella il componente in termini di equazioni differenziali del primo ordine e/o sistemi di equazioni algebriche. Al modulo di simulazione è affidato il compito di risolvere numericamente l’intero sistema di equazioni associato al sistema complessivo tenendo conto delle interconnessioni, che matematicamente si traduce nella necessità di trovare mediante processo iterativo i valori delle variabili d’uscita che soddisfino,  entro i limiti di tolleranza specificati, tutte le equazioni del sistema. Quando si lancia la simulazione un eventuale errore viene segnalato attraverso un messaggio che ne indica la tipologia,  ricorrendo al manuale si possono avere indicazioni su dove andare a ricercare il problema.

 PREBID

L’interfaccia grafica Prebid serve per generare il file che descrive la struttura dell’edificio che si vuole simulare. Si possono creare muri, finestre e materiali personalizzati nonché tabelle orarie (schedule) per la gestione degli impianti del sistema, come il riscaldamento, le luci, il ricambio d’aria ecc.

ESP-r 12

Il programma è un codice “open source” sviluppato dall’ ESRU, University of Strathclyde, ESRU UK; il primo prototipo risale al 1977 (Joe Clarke, University of Strathclyde, Glasgow), da allora la sua evoluzione è continuata in termini di estensione tecnica, attività di validazione, miglioramento dell’interfaccia, ad opera di vari centri di ricerca, europei e non, favorita dalla natura a sorgente aperta del codice e dall’approccio integrato alla soluzione dei sistemi, responsabili del software sono il Science and Engineering Research Council UK e la Commissione Europea DGXII. Il codice può essere interfacciato con altri programmi come il Radiance, gestire dati di altri programmi ( importare le geometrie da Autocad, i file clima da Energy plus, le proprietà di materiali trasparenti da WIS ecc.) e ha implementato il modulo Computational Fluid Dynamic per dettagliate analisi fluidodinamiche.

Il pacchetto di simulazione è composto da tre moduli principali interdipendenti: prj (project manager), bps (simulator) and res (results analyser).

Prj controlla tutti gli aspetti della creazione del modello, della simulazione e dell’analisi dei risultati. La preparazione dei dati di input è facilitata mediante l’uso di moduli satelliti come i database (che contengono dati standard/modificabili riferiti alle varie proprietà termo-fisiche dei componenti della struttura dell’edificio, dei componenti d’impianto, o i dati sul clima, necessari per  valutare le condizioni al contorno, e altri tipi di informazioni, ovviamente se necessario l’utente può aggiungere nuovi componenti o altri file clima). Controlla l’accesso a moduli di pre-simulazione, come quelli usati per calcolare l’insolazione e la schermatura solare o i fattori di vista di irraggiamento che permettono di trattare, se necessario, con più rigore il sistema studiato. Sottopone tutti i dati di input ad un range di controlli di legalità e fornisce la vista in prospettiva dell’edificio e gestisce l’accesso dell’utente agli altri due moduli principali. Gestisce l’import/export da/ai pacchetti del CAD e di altri specializzati ambienti di simulazione come il Radiance (specifico per valutare l’illuminazione degli ambienti).

Bps stabilisce e risolve le equazioni del modello, permette di variare il periodo e di controllare il passo temporale della simulazione. Comprende parecchi moduli responsabili della simulazione dei diversi domini tecnici (termico, i flussi fluidi, l’impianto, la potenza elettrica....). Questa struttura modulare facilita l’evoluzione dei singoli moduli e quindi dell’intero sistema permettendo ai ricercatori di concentrarsi sullo sviluppo del modulo di competenza verificando le modifiche in maniera indipendentemente dal  sistema complessivo.

Res permette l’analisi dei risultati generati dal simulator. Differenti forme di analisi sono disponibili: visualizzazioni in prospettiva, domande sui risultati, analisi statistiche,  grafiche e di comfort termoigrometrico, tabulazioni ecc.  

L’interazione tra i tre moduli è continua permettendo all’utente di valutare l’impatto delle sue decisioni: l’utente analizza i risultati cambia alcuni  parametri del  problema ed esegue nuove simulazioni in un loop iterativo.