Predictive Modeling for Innovative Design Strategies in Moisture Management in Sustainable Building Envelopes and Evaporative Cooling Systems

Il ruolo dell'umidità viene spesso trascurato nell'analisi delle prestazioni energetiche degli edifici e dei sistemi termici. Tuttavia, la durabilità dei materiali da costruzione, i requisiti di sicurezza e salute, la qualità dell'aria e il comfort termoigrometrico negli spazi interni, nonché l'efficacia dei sistemi di climatizzazione degli spazi, potrebbero essere fortemente influenzati dalle condizioni di umidità nell'ambiente circostante e nei materiali da costruzione. A tal fine, gli attuali modelli di simulazione utilizzati nella predizione delle prestazioni energetiche degli edifici dovrebbero integrare metodi di calcolo più avanzati che tengano conto di fenomeni complessi di trasferimento e di accumulo di calore e umidità nei materiali da costruzione. Considerando questi aspetti, questa tesi mira a fornire un'analisi ad ampio respiro degli effetti dell'umidità sulla valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici. In particolare, l'indagine presta attenzione alla strategia di progettazione e alla metodologia di modellazione relative a soluzioni innovative per l'involucro edilizio e tecnologie di sistemi di raffrescamento. A tale scopo, il seguente lavoro si compone di due parti. La prima parte ha come oggetto l’analisi numerica al fine di predire i rischi correlati all'umidità nei componenti edilizi. Più in dettaglio, sono state studiate le soluzioni di retrofit basate sul legno proposte dal progetto e-SAFE in termini di rischi correlati all'umidità, ovvero la crescita di muffe e l'aumento delle dispersioni termiche dovute al contenuto di umidità nei materiali da costruzione. Al fine di fornire utili raccomandazioni progettuali per un clima mediterraneo, sono state eseguite simulazioni dinamiche per il trasporto combinato di calore e umidità mediante il software Delphin 6.1.2. I risultati raccomandano l’utilizzo di un isolamento in fibra di legno, in quanto costituisca un buon compromesso tra mould-safety e sostenibilità, anche se il contenuto di umidità accumulato nella sua struttura porosa potrebbe aumentare fino al 12% le dispersioni termiche attraverso l’involucro. Inoltre, è sempre suggerita una membrana impermeabile traspirante da applicare sul lato esterno dell'isolamento, mentre una barriera al vapore sul lato esterno della parete esistente potrebbe peggiorare il rischio di formazione della muffa. Inoltre, è stato valutato il ruolo del file climatico nelle simulazioni termoigrometriche allo scopo di garantire risultati affidabili, accelerando al contempo le fasi di processing e pre-processing delle simulazioni. I risultati suggeriscono e giustificano l’uso di anni meteo tipo (Typical Years) soprattutto nel caso di pareti isolate esternamente. Diversamente, utilizzare Moisture Reference Years, come suggerito dalle normative e dalla letteratura, non sempre è la scelta più appropriata al fine di accelerare l’esecuzione delle simulazioni, almeno in un clima mediterraneo. La seconda parte di questa tesi si è concentrata sulla "Progettazione, sperimentazione, modellazione e valutazione delle prestazioni del sistema edilizio di un nuovo prototipo di raffreddamento evaporativo indiretto a flusso misto con punto di rugiada". Più specificamente, è stato progettato e costruito un nuovo prototipo che risponda all’obiettivo di combinare bassi costi di produzione, bassa complessità e compattezza. Il dispositivo è un prototipo a flusso misto realizzato con fogli di policarbonato con un volume complessivo di 31 x 25 x 30,5 cm. Il prototipo è stato testato sperimentalmente e le sue prestazioni (salto di temperatura, capacità di raffrescamento ed efficacia) sono state valutate in diverse condizioni di progettazione e operative. Gli esperimenti hanno rivelato che le prestazioni migliori sono ottenute dal prototipo i cui canali secondari sono rivestiti da un tessuto di cotone e avente distributore d'acqua con ugelli esterni. In questo caso, l'efficacia del punto di rugiada è approssimativamente costante e il suo valore medio è 0,2 quando la temperatura dell'aria in ingresso è di 35 °C. L'attuale prototipo ha ridotto la temperatura dell'aria in ingresso di 2,63 °C per unità di area di trasferimento di calore rispetto a 0,63 °C/m2 e 1,82 °C/m2 rispetto a configurazioni simili studiate in letteratura. Sulla base dei dati sperimentali, è stato sviluppato e implementato un modello matematico nel software TRNSYS 18. Il modello è sufficientemente coerente con gli esperimenti con un errore nel salto di temperatura dell'aria primaria tra il 12% e il 18%. Inoltre, un'analisi parametrica ha confermato la sua coerenza con la letteratura e i dati sperimentali. Infine, sono state valutate le prestazioni del dispositivo integrato a un piccolo ufficio di dimensioni 2,50 m x 2,50 m × 3,00 m e situato in un clima mediterraneo. I risultati principali hanno mostrato che il dispositivo riduce significativamente la temperatura dell'aria interna estiva di 4,1°C in media e fino a 6,7°C nei giorni più caldi e lo stress termico interno è notevolmente ridotto. Inoltre, l'umidità relativa interna non supera mai il 60% durante le ore di occupazione del lavoro d'ufficio.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• URSO, ALESSANDRA

Contributors dc:contributor

• NOCERA, FRANCESCO

• Moisture-related risk
• Building envelope
• Cooling system
• Heat and moisture transfer simulation
• DELPHIN
• Dew-point indirect evaporative cooler
• TRNSYS
• Transient building simulations
• Rischi legati all'umidità
• Involucro edilizio
• Sistemi di raffrescamento
• Trasporto combinato di calore e umidità
• Impianto di raffrescamento evaporativo a punto di rugiada
• Simulazioni dinamiche degli edifici

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/681575

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/681575