Simulazioni energetiche per progettazione

Simulazioni energetiche sugli edifici

Per definire in modo sintetico la simulazione energetica sugli edifici, si può dire che questa è la realizzazione di un modello numerico che rappresenta l'edificio, gli impianti tecnologici di cui si serve e le condizioni ambientali interne ed esterne.

Il calcolo che si effettua si propone di rappresentare il comportamento dell'edificio al fine di stabilire se questo sia più o meno efficiente.

Per la realizzazione del modello dell'edificio si deve disporre di tutti i dati geometrici e dei materiali che lo compongono, oltre a quelli relativi agli impianti tecnologici, ai dati climatici relativi alla località in cui sorge l'edificio ed in ultimo quelli relativi all'occupazione da parte degli utenti.

Il calcolo, che, vista la complessità e la mole di dati da utilizzare, viene realizzato mediante appositi softwares, effettua in sintesi la somma di tutti fattori causa di perdita di energia e di quelli che invece ne apportano, in particolare considera:

Dispersioni e perdite: tutta l'energia termica che esce dall'edificio per trasmissione (pareti, coperture), ventilazione (finestre, porte) e per inefficienze degli impianti.

Apporti (o guadagni): tutta l'energia termica che arriva dall'esterno senza costo energetico (riscaldamento e illuminazione solare ecc.) ed eventuali altre fonti di calore interne a costo zero (ad esempio calore prodotto da utenti, elettrodomestici, fonti di illuminazione, macchinari per lavorazioni industriali ecc.).

Ciò che risulta è detto Bilancio termico dell'edificio, che dovrebbe indicare l'energia necessaria al riscaldamento per la stagione invernale ed al raffrescamento per la stagione estiva.

Nei seguenti paragrafi si cercherà di motivare la ragione dell'uso del condizionale nel capoverso precedente, provando a fare chiarezza in un argomento complesso che anche gli addetti ai lavori non possono mai smettere di studiare ed approfondire.

immagine solar hemicycle progettato da Frank Lloyd Wright

reg stazionario e dinamico

Simulazione energetica in regime DINAMICO

Da quanto detto nel paragrafo precedente si intuisce la notevole differenza tra la simulazione (o calcolo) di un flusso termico in condizioni stazionarie, rispetto alla valutazione dello stesso in condizioni dinamiche.

Nella simulazione dinamica temperatura, umidità relativa, irraggiamento, ventilazione ecc. interne ed esterne (dette condizioni al contorno) sono considerate variabili nell'arco della giornata come avviene nelle condizioni di utilizzo reali.

Ma questa non è l'unica differenza tra i due tipi di simulazione, infatti:

Se si intende realizzare una simulazione che rappresenti in modo attendibile la situazione reale, questa deve necessariamente considerare periodi di calcolo sufficientemente brevi per recepire la continua variazione dei valori di temperatura, umidità relativa, irraggiamento solare, ombreggiamento ecc.

Quindi:

Si valuta un intervallo temporale di calcolo molto più ristretto.
Nel calcolo si impone che le condizioni iniziali relative a ciascun intervallo di tempo, siano il risultato dei calcoli effettuati per l’intervallo di tempo precedente.

Con questi due presupposti al calcolo, si riesce a tenere conto degli effetti dell'inerzia termica, ossia del calore accumulato nelle murature, che invece non viene considerata nel reg. Stazionario.

Infatti, come accennato nel paragrafo precedente, il flusso di calore attraverso l'involucro edilizio, in reg. Stazionario viene considerato costante, mentre nella simulazione in reg. Dinamico, questo varia intensità e direzione ad ogni intervallo di simulazione.

Gli intervalli temporali di calcolo, ossia il periodo considerato è variabile, generalmente si considera 1 ora, ma ci si può spingere anche a simulazioni sub-orarie (10 minuti o ogni minuto), a seconda del livello di precisione richiesto.

Questo tipo di simulazione implica l'impiego di softwares più sofisticati rispetto a quelli di utilizzo comune, ma consente di rappresentare l'edifico ed il comportamento di utenti ed impianti in modo molto più puntuale.

Il vantaggio principale è che il calcolo del Fabbisogno energetico complessivo risulta molto vicino a quello reale, e diviene quindi possibile conoscere, in fase di progettazione, caratteristiche e peculiarità dell'edificio analizzato.

Ma inoltre, la simulazione oraria apre uno scenario di possibilità di intervento finora inutilizzato nella pratica comune, essa dà la possibilità di intervenire sulle condizioni climatiche interne in modo preciso, quando richiesto dall'utenza, ossia quando davvero necessario.

A titolo esemplificativo:

Se diviene noto l'orario di arrivo del picco di calore estivo all'interno dell'abitazione attraverso la muratura, ad esempio si vede che dalle 22.00 alle 3.00 del mattino la temperatura interna sarà troppo alta, e si renderà necessario raffrescare l'ambiente, si potranno predisporre opere di raffrescamento naturale (free cooling) mediante l'apertura automatica di bocchette di aspirazione che sfruttano l'effetto camino, oppure di finestre.

Questo può consentire di evitare l'impiego di impianti di raffrescamento e di tutti gli oneri correlati (messa in opera, energia elettrica, manutenzioni ecc.).

Inoltre si possono predisporre adeguati ombreggiamenti per le strutture di un edificio più soggette a surriscaldamento estivo, quali: alberature, pergolati con rampicanti, tende, pannelli fotovoltaici, lamelle (brisè soleil) ecc.

Oppure si possono limitare o aumentare le dimensioni delle finestre o degli sporti di falda, in base alle condizioni d'utilizzo specifico dell'ambiente considerato.

Le stesse murature possono essere più pesanti dove occorre opporre resistenza alla radiazione oppure più leggere per essere più predisposte alla captazione solare.

In conclusione:

Con l'utilizzo di questi strumenti diviene dunque possibile calibrare gli interventi sull'edificio, predisponendo strutture ed impiantistica senza alcuna approssimazione.

Si può tener conto sia del reale utilizzo dell'edificio che del comportamento dell'edificio stesso al mutare delle condizioni ambientali, con minimi margini di errore, aumentando i livelli di comfort abitativo e riducendo la spesa sia per l'installazione che per la gestione (manutenzioni e alimentazione) dell'impiantistica.

Dimensionamento e funzionamento degli impianti tecnologici, infatti, ad oggi sono realizzati molto più spesso sulla base dell'esperienza diretta degli operatori che su calcoli adeguati (facendo riferimento a quanto illustrato fin qui...), con il relativo e ben noto strascico di malfunzionamenti e aumento di costi di gestione che un po' tutti hanno toccato con mano.

Gli scenari futuri sono molto promettenti dal punto di vista della gestione dell'energia per gli edifici, l'unica cosa che ancora non è adeguata è la normativa, per la quale sarà necessario, verosimilmente, ancora qualche anno.

Confortante è sapere che gli strumenti tecnologici per chi volesse progettare con vera attenzione al Risparmio e ed Comfort sono già disponibili, bisogna solo imparare a servirsene.

Quali Software si usano:

La simulazione dinamica si esegue prevalentemente con:

Energy Plus messo a punto dallo U.S. Department of Energy’s (DOE), molto preciso sul calcolo del fabbisogno dell'edificio e molto utilizzato per il corretto dimensionamento degli impianti. https://energyplus.net/
WUFI, messo a punto dal Fraunhofer Institute di Stoccarda, quest'ultimo molto più specifico per la simulazione del comportamento termoigrometrico delle murature. http://www.wufi.it/
TRNSYS, messo a punto dalla University of Wisconsin-Madison, utilizzato per la simulazione dinamica di edificio ed impianto. Questo software è stato creato, nella sua prima versione, nel 1982. http://sel.me.wisc.edu/trnsys/

grafico richiesta di energia annuale di un edificio

Principali fattori considerati nel calcolo in regime Dinamico (temperature variabili)

Simulazione energetica in regime STAZIONARIO

In ottemperanza alle più recenti normative nazionali e regionali (DM 26 giugno 2015 - Requisiti minimi, Decr. 6480_30 luglio 2015 - Reg. Lombardia), il metodo per il calcolo del fabbisogno energetico per riscaldamento e raffrescamento degli edifici è effettuato in regime detto semi-STAZIONARIO e considera un bilancio energetico risultante dalla differenza tra dispersioni ed apporti termici (perdite e guadagni), valutate con riferimento a:

Temperatura esterna media mensile
dati della Radiazione solare mensili,
condizioni di Temperatura ed Umidità Relativa interna costanti.

In questa sede non si vuole entrare troppo nel dettaglio del calcolo che si effettua con i software d'uso comune, a norma di Legge, ma si intende fare luce su alcuni aspetti lacunosi, che rendono opportuno il condizionale utilizzato in precedenza a proposito della verosimiglianza dei risultati ottenuti ai consumi reali dell'edificio.

Regime Stazionario o semi-Stazionario:

Nella simulazione in regime Stazionario il periodo temporale considerato è la stagione, ossia nell'anno si considerano solo 2 periodi (o stagioni), quello di invernale di riscaldamento e quello estivo di raffrescamento.

Le condizioni esterne (temperatura, umidità, irraggiamento solare ecc.) e quelle interne all'edificio (quantità di occupanti ed attività svolte all'interno, illuminazione ecc.) vengono considerate costanti per ciascun periodo.

Regime Dinamico:

Nel calcolo in regime semi-Stazionario, attualmente utilizzato dai softwares che recepiscono le normative cogenti in Italia, il periodo di calcolo considerato è il mese.

Ciò significa che:

le condizioni esterne (temperatura, umidità relativa, irraggiamento solare, ventilazione ecc.) che si utilizzano per la simulazione, sono le medie mensili di ciascuno dei parametri, presi per la località in cui è situato l'immobile.

Le condizioni interne invece rimangono stagionali, ossia costanti per l'intera stagione di riscaldamento o raffrescamento.

A titolo esemplificativo:

In Regione Lombardia (software CENED+2.0) le condizioni interne di riferimento per il calcolo utilizzate sono:

Riscaldamento e/o Climatizzazione invernale:

Temperatura interna di 20°C e Umidità Relativa interna del 50%.

Raffrescamento e/o Climatizzazione estiva:

Temperatura interna di 26°C e Umidità Relativa interna del 50%.

Questi valori sono impiegati per tutti gli edifici, ad eccezione di alcune categorie di edifici con destinazioni d'uso particolari (E6,E8), per la quali si utilizzano altri parametri.

N.B.

Non si considera però che tali condizioni, nella realtà, sono variabili in ogni instante!

Dunque:

La principale causa di scostamento tra i risultati ottenuti ed il reale comportamento degli edifici è proprio dovuto a questa sostanziale differenza tra le condizioni climatiche reali (in costante variazione nell'arco della giornata) e quelle medie utilizzate nei calcoli.

Nel dettaglio:

La situazione descritta da un modello in regime Stazionario (o semi-Staz.) è, infatti, un flusso di calore uscente dall'edificio di intensità costante per tutta la stagione (o mese) dell'anno, rallentato dalla Resistenza termica dell'involucro (muri, finestre, solai..) che limita la dispersione dall'interno verso l'esterno.

Il grande problema è che questa situazione, in cui il flusso di calore attraverso l'involucro dell'edificio rimane sempre uscente dall'edificio, è abbastanza verosimile solo nella stagione invernale, mentre sia in quella estiva che nelle stagioni di transizione le differenze non sono trascurabili.

Conseguenza diretta di questo tipo di approccio è che il fabbisogno di energia dell'edificio stimato non risulta particolarmente aderente alla realtà.

N.B.:

Questa approssimazione sta alla base del calcolo eseguito con i softwares adeguati alla normativa attuale (Cened+2.0 ecc.) e spiega in larga misura la notevole differenza riscontrabile tra i risultati ottenuti da simulazioni per Certificazione energetica o Progettazione (ex Legge10/91) ed i reali consumi energetici degli edifici.

Va detto che questa non è l'unica approssimazione discutibile, ma è sicuramente quella di maggior entità.

Come per le condizioni esterne, è quasi superfluo dire che anche Temperatura ed Umidità Relativa interne variano molto con la presenza o meno di utenti nell'ambiente e di sicuro si può dire che non sono costanti durante l'arco della giornata.

In questa sede non approfondiremo ulteriormente le problematiche di queste simulazioni energetiche, rimandando a fonti più autorevoli, ma si proverà in seguito a far conoscere alcune soluzioni che i centri di ricerca di tutto il mondo stanno applicando da tempo.

immagine guadagni e dispersioni termiche

Esempio di dati climatici utilizzati in Regione Lombardia, a Cremona, per il calcolo del Fabbisogno Estivo (Energia necessaria a raffrescare l'edificio) nel mese di AGOSTO.

Sempre a Cremona, dati medi utilizzati per il calcolo del Fabbisogno Invernale (Energia necessaria a riscaldare l'edificio) nel mese di GENNAIO.

T° Ext T° Int

21,88 °C 26 °C

T° Ext T° Int

2,086 °C 20 °C

NOTA:

Le due immagini ritraggono un flusso termico che costantemente, nel mese, si propaga dall'interno verso l'Esterno.

Questa situazione è plausibile in Inverno, ma in Estate non è verosimile, in quanto la temperatura Esterna è praticamente sempre maggiore ai 26° interni, quindi il flusso ha una direzione opposta.

Significa che il calcolo considera che l'edificio cede sempre calore all'esterno, più freddo, mentre in realtà lo riceve, in quanto l'esterno è quasi costantemente (salvo per alcune ore notturne) più caldo!

Questa semplificazione è la principale causa imprecisione della simulazione in regime semi-Stazionario.