Dynamic Thermal Modeling and Energy Assessment of a Multi-Zone in F3 Apartment in an Arid Climate of Bechar, Algeria
Questo articolo presenta un modello termico dinamico multi-zona di un appartamento standard F3 a Bechar, in Algeria, sviluppato utilizzando MATLAB/Simscape per analizzare i rischi di surriscaldamento estremo e quantificare l'importante domanda giornaliera di energia per il raffrescamento necessaria a mantenere il comfort termico nel clima iper-arido della regione.
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Nelle zone più calde del mondo, la battaglia per il comfort si combatte all'interno delle pareti delle nostre case. Gli edifici non sono solo gusci statici; sono sistemi viventi che assorbono, immagazzinano e rilasciano calore, reagendo al sole e alle persone al loro interno. Quando l'aria esterna si gonfia di un calore intenso e il sole colpisce con una forza implacabile, l'aria all'interno può diventare pericolosamente calda, costringendo le persone a fare affidamento sull'aria condizionata per sopravvivere. Tuttavia, non basta accendere una macchina per comprendere il problema. Per progettare case che rimangano fresche senza sprecare energia, gli scienziati devono capire come il calore si muove attraverso un edificio nel tempo, come il sole colpisca diverse pareti in momenti diversi della giornata e come il ritmo quotidiano della vita umana aggiunga il proprio calore alla miscela. Ciò richiede di guardare oltre i semplici scatti fotografici della temperatura e invece osservare l'edificio che respira e si trasforma con il passare delle ore.
Un team di ricercatori a Bechar, in Algeria, ha deciso di costruire un gemello digitale di un appartamento standard per osservare esattamente come queste forze si manifestino in uno dei climi più impegnativi della Terra. Bechar sorge in una regione iper-arida dove le giornate estive sono roventi e le notti offrono solo un breve e fresco sollievo. I ricercatori si sono concentrati su una comune disposizione di un appartamento a tre stanze, nota localmente come F3, che rappresenta una grande parte del patrimonio edilizio della regione. Hanno creato una simulazione computerizzata dettagliata che ha suddiviso l'appartamento in sei zone distinte: un soggiorno, una cucina, due camere da letto, un corridoio e un bagno. Invece di trattare l'edificio come una singola scatola, hanno modellato il flusso di calore attraverso le pareti spesse, il tetto piano e le finestre a vetro singolo, tenendo conto anche del calore generato dalle persone che vi vivono e dalle unità di aria condizionata che cercano di mantenerle al fresco.
La simulazione è iniziata eliminando l'aria condizionata e le persone per vedere come si comportava l'edificio da solo. Senza sistemi di raffreddamento, l'appartamento è rapidamente diventato un forno. I ricercatori hanno scoperto che i materiali dell'edificio, che includevano mattoni forati e cemento, assorbivano l'intensa energia solare durante il giorno ma non riuscivano a rilasciarla abbastanza velocemente durante la notte. Ciò ha causato un aumento della temperatura interna giorno dopo giorno, fino a raggiungere un picco pericoloso. Il soggiorno e una delle camere da letto, entrambi rivolti a ovest e a sud, sono stati i più colpiti, con temperature che raggiungevano i 46 gradi Celsius. Questo accadeva perché il sole calante colpiva queste pareti direttamente proprio mentre l'aria esterna era già al suo massimo calore, creando una tempesta perfetta di calore che la struttura dell'edificio non riusciva a resistere. Persino le stanze senza esposizione diretta al sole, come il bagno, si sono riscaldate significativamente perché il calore viaggiava attraverso le pareti interne dalle stanze più calde adiacenti.
Quando i ricercatori hanno reinserito le vite quotidiane di una tipica famiglia nel modello, il quadro è cambiato in modi sorprendenti. La presenza di persone ha aggiunto un flusso costante di calore corporeo, ma, cosa più importante, ha spostato la tempistica dei momenti più caldi. La simulazione ha mostrato che i picchi di temperatura nelle camere da letto e nel soggiorno non seguivano solo il sole; seguivano il programma della famiglia. Mentre le persone tornavano a casa la sera, il loro calore metabolico si combinava con il calore già immagazzinato nelle pareti, creando picchi di temperatura netti e irregolari che rispecchiavano i loro movimenti. Il soggiorno, dove la famiglia si riuniva la sera, è diventato lo spazio più critico, raggiungendo temperature di 47 gradi Celsius in presenza di persone. Ciò ha dimostrato che la prestazione termica di un edificio non riguarda solo le sue pareti e le sue finestre, ma è profondamente legata a quando e dove le persone si trovano all'interno.
Per rendere l'appartamento vivibile, i ricercatori hanno quindi acceso l'aria condizionata nella simulazione, impostando un obiettivo rigoroso di mantenere una temperatura confortevole di 25 gradi Celsius. I risultati sono stati netti. L'energia necessaria per combattere l'estremo calore era enorme. Il solo soggiorno richiedeva più potenza di raffreddamento di qualsiasi altra stanza, consumando quasi 15,6 kilowattora di elettricità ogni singolo giorno. Nel corso di un mese, l'intero appartamento avrebbe utilizzato più di 1.600 kilowattora di elettricità solo per rimanere fresco, una cifra che evidenzia l'ingente carico posto sulla rete elettrica in tali climi. Lo studio ha anche testato quanto importasse l'efficienza dell'unità di aria condizionata. Hanno scoperto che l'uso di una macchina più efficiente poteva ridurre la bolletta energetica di quasi il 15%, mentre un'unità più vecchia e meno efficiente aumentava il consumo del 20%. Ciò ha dimostuto che la scelta dell'attrezzatura è importante tanto quanto il design dell'edificio stesso.
Lo studio è concluso che l'attuale stile di costruzione in questa regione, con le sue pareti sottili e le finestre a vetro singolo, non è semplicemente costruito per gestire il calore estremo di Bechar senza aiuto meccanico. I ricercatori hanno suggerito cambiamenti pratici che potrebbero fare la differenza, come l'aggiunta di schermature alle finestre rivolte a sud per bloccare il sole prima che colpisca il vetro, o l'aggiornamento a finestre a doppio vetro che intrappolano meno calore. Hanno anche proposto una strategia di apertura delle finestre durante la notte per lasciare che l'aria fresca lavi le pesanti pareti dell'edificio, raffreddandole prima che il sole sorga di nuovo. Comprendendo il modo preciso in cui il calore si muove attraverso una casa e come le persone interagiscono con quel calore, gli scienziati possono aiutare gli architetti a progettare edifici che siano non solo più freschi, ma anche molto più efficienti, trasformando la lotta contro il calore del deserto in una sfida gestibile.
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