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Cambia la norma energetica di riferimento

Introduzione alla nuova ISO 52016 per il calcolo dinamico con metodo orario nella valutazione dei fabbisogni di riscaldamento e raffrescamento
08/09/2017 - Prof. Luca Sarto, Politecnico di Milano - Ing. Annachiara Castagna, Logical Soft
Sempre più spesso i bandi di gara che riguardano la riqualificazione di edifici pubblici e privati, come ad esempio il Bando Scuole o ancora i contratti EPC, richiedono e premiano l'impiego del metodo di calcolo in regime dinamico per la diagnosi energetica dell'immobile e il progetto di riqualificazione.

Anche quando si affronta la diagnosi energetica ed il progetto di edifici con sistemi impiantistici complessi e carichi termici molto variabili – pensiamo a edifici che ospitano uffici, negozi, oltre che unità abitative – il progettista deve tenere conto di come variano realmente le condizioni d'uso degli impianti e gli stili di vita degli occupanti per raggiungere un adeguato comfort climatico e soddisfare al contempo standard energetici sempre più elevati.

I metodi di calcolo adottati dalle attuali norme UNI TS 11300 sono definiti statici: si tratta di metodi efficaci per casi standard come la redazione dell'attestato di prestazione energetica o la determinazione degli indici di progetto ma mostrano tutti i loro limiti nei casi di progetto e diagnosi energetica appena descritti. Per questi casi solo un metodo di calcolo dinamico raffinato che sia comprensibile e replicabile offre risposte soddisfacenti.

Il 21 giugno 2017 è stata dunque pubblicata la nuova ISO 52016, norma che sostituisce la precedente ISO 13790 dalla cui versione europea sono derivate le attuali norme UNI TS 11300: questa nuova normativa abolisce completamente il metodo di calcolo stagionale, modifica il metodo di calcolo mensile ed opera una radicale riscrittura del metodo di calcolo orario definendo un metodo di calcolo dinamico orario per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti.

Il metodo di calcolo dinamico orario garantisce risultati più attendibili perché tiene conto delle condizioni d'uso reali dell'edificio e – oltretutto - è comprensibile, altamente riproducibile e trasparente.

Al di là dell'aggiornamento normativo la vera sfida è ora disporre di uno strumento di lavoro - un software - semplice da utilizzare e altamente affidabile che consenta di adottare diffusamente il metodo di calcolo dinamico orario grazie alla costruzione rapida e intuitiva del modello energetico e alla immediata rappresentazione dei risultati.

Logical Soft ha sviluppato in collaborazione con il Politecnico di Milano un nuovo motore di calcolo dinamico con metodo orario basato sulla ISO 52016. Il nuovo motore è disponibile come modulo aggiuntivo di TERMOLOG e consente di determinare l'andamento della temperatura interna ad intervalli di un'ora, la potenza degli impianti e il fabbisogno di riscaldamento e raffrescamento a partire da condizioni climatiche, profili occupazionali e condizioni d'utilizzo orarie. Il progettista può contare sulla rapida e intuitiva interfaccia di TERMOLOG per costruire il modello energetico, valutare gli scenari progettuali ed analizzare i risultati del calcolo dinamico attraverso report chiari e dettagliati.
TERMOLOG con Motore di calcolo dinamico con metodo orario sarà disponibile anche in versione didattica per università e studenti.

Con questo focus introduciamo il primo di una serie di approfondimenti dedicati alla nuova ISO 52016, ospitando il contributo del Prof. Luca Sarto del Politecnico di Milano: analizziamo i principi del metodo di calcolo dinamico orario e i vantaggi della sua applicazione per il progetto energetico, per lo studio di edifici nZEB ad elevate prestazioni e la valutazione delle condizioni d'uso reali necessaria nel caso di diagnosi energetica.

Il secondo focus, in pubblicazione tra pochi giorni, annuncerà inoltre date e sedi dei diversi seminari istituzionali già programmati per approfondire la nuova norma e per presentare il nuovo Motore di calcolo dinamico orario di TERMOLOG.

Clicca qui per prenotare la prova gratuita del nuovo Motore di calcolo dinamico con metodo orario e per ricevere informazioni sulla versione didattica >>>

Il nuovo motore di calcolo dinamico con metodo orario verrà presentato nel corso di questi incontri gratuiti:
25/10/2017, POLITECNICO DI MILANO, Aula ROGERS >>>
09/11/2017, POLITECNICO DI TORINO, Aula Magna, Sede Lingotto >>>


I metodi di calcolo dinamici
I calcoli normalmente utilizzati per la valutazione teorica dei consumi energetici degli edifici sono basati sulla attuale norma UNI TS 11300 che definisce metodi statici per la determinazione dei fabbisogni sia estivi che invernali. Questi metodi sono efficaci per il calcolo del riscaldamento nel caso di edifici semplici, ma presentano forti limiti nel caso di edifici complessi con carichi termici molto variabili, dove non è possibile trascurare l'effetto degli accumuli termici.

In particolare nel caso del raffrescamento, l'effetto della rapida variazione delle condizioni esterne (temperatura, umidità, radiazione solare) oltre che di quelle interne, rende molto poco affidabili i risultati ottenuti con metodi di calcolo statici su base mensile. Tuttavia la risoluzione dell'equazione del calore in regime variabile è notevolmente complessa e quindi risulta necessario definire dei metodi semplificati.

Un possibile approccio è costituito dal metodo agli elementi finiti che consente una risoluzione numerica attraverso una discretizzazione del problema. Un'altra modalità di calcolo è il metodo TFM (Transfer Function Method) implementato nel software libero ENERGY PLUS®, del DOE (Department of Energy degli USA), o ancora il metodo HB (Heat Balance) o il semplificato RTS (Radiative Time Series).

Tutti i metodi citati prevedono però un notevole impegno di risorse di calcolo e richiedono, in aggiunta al motore di calcolo, altri software specifici di pre e post processing come ad esempio DESIGN BUILDER®.

Grafico dell'irraggiamento solare e della temperatura interna calcolati con il motore dinamico orario di TERMOLOG

Ora la stesura della procedura ISO 52016 risponde all'esigenza, sempre più sentita, di disporre di un nuovo metodo di calcolo agevole e rapido per determinare sia i consumi energetici stagionali degli edifici che i carichi termici orari ai fini progettuali.

Già nel 2008 la norma UNI EN 13790 "Prestazione energetica degli edifici: Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento ed il raffrescamento" ha introdotto il calcolo dinamico semplificato che si basa sul modello elettro-termico (Thermal Networks) con cinque resistenze ed una capacità indicato con la sigla R5C1. Questa metodologia utilizza un circuito equivalente elettrico in grado di rappresentare il problema termofisico.

Il metodo introdotto dalla UNI EN ISO 13790:2008 presentava alcuni limiti nei criteri da utilizzare per ricondurre il caso reale al modello semplificato e non prevedeva il calcolo del calore latente.

La nuova norma ISO 52016-1:2017 appena pubblicata sostituisce completamente la ISO 13790. Le principali novità introdotte sono:
  • Abolizione del metodo di calcolo stagionale
  • Revisione del metodo di calcolo mensile
  • Integrazione all'interno del gruppo di norme EPB come specificato nella norma ISO 52000-1
  • Integrazione del calcolo dei carichi termici estivi ed invernali
  • Introduzione di un nuovo metodo di calcolo orario più affidabile e più chiaro da applicare.
Il metodo di calcolo orario proposto dalla ISO 52016-1 si basa sulla ISO 52017-1 che fornisce un metodo generale per il calcolo del bilancio termico di un edificio o zona termica in regime dinamico senza fornire criteri specifici di applicazione e di risoluzione. Le equazioni di bilancio sono scritte per tutte le superfici delle pareti interne ed esterne e di interfaccia tra tutti gli strati che le costituiscono. Sono presi in considerazione tutti gli scambi conduttivi, convettivi e radiativi. Tutte le equazioni di bilancio termico formano un sistema che cresce rapidamente di dimensione con l'aumentare del numero di pareti e degli strati che le costituiscono, quindi è necessario applicare alcune semplificazioni.

Perché utilizzare un metodo di calcolo dinamico?
Il calcolo dinamico consente di tenere in considerazione in modo adeguato le variazioni orarie del clima e le azioni dell'utente. È possibile determinare l'effetto della gestione dei sistemi di ombreggiamento, della presenza delle persone, dell'impostazione oraria dei termostati oltre che ovviamente delle scelte costruttive che modificano l'inerzia termica dell'edificio. Soprattutto nei calcoli relativi al periodo estivo, questo approccio è fondamentale per ottenere risultati validi sia per determinare i fabbisogni che i carichi termici.

La modellazione delle strutture dell'edificio avviene tramite il metodo RC (Resistenza – Capacità) in analogia alle regole dell'elettrotecnica. Le resistenze elettriche rappresentano le resistenze termiche dei diversi strati che costituiscono le pareti e le capacità le relative capacità termiche. La fonte di calore, come ad esempio la radiazione incidente su una superficie oppure il riscaldamento, è rappresentata nell'analogia elettrica dal generatore mentre la temperatura è l'equivalente della tensione ai nodi.

La figura mostra una modellizzazione molto semplificata dell'edificio che consente di capire meglio l'approccio utilizzato. Gli elementi rappresentati sono:
  • TO : Temperatura aria esterna (K)
  • TA: Temperatura aria interna (K)
  • TM: Temperatura massa edificio (K)
  • CA: Capacità termica aria (J/K)
  • CM: Capacità termica della massa dell'edificio (J/K)
  • UA: Coefficiente di scambio termico aria-interna aria-esterna (W/K)
  • HM: Coefficiente di scambio termico aria interna massa dell'edificio (W/K)
  • QA: Calore fornito all'aria (W)
  • QM: Calore fornito alla massa (W)
Per la soluzione del problema occorre risolvere le equazioni di bilancio ai nodi, considerando la temperatura esterna To nota, le equazioni da risolvere sono due per ogni intervallo di calcolo dt:
Si tratta di equazioni differenziali ma nel caso specifico l'intervallo di calcolo è discreto e vale un'ora, quindi
dt -> Δt = 3600 s
e
dT -> ΔT = Tn-Tn-1
ovvero la variazione di temperatura intervenuta nell'intervallo.

Tn-1 è la temperatura calcolata al passo precedente, all'inizio del calcolo occorre quindi imporre dei valori di partenza.

Questo modello è molto semplificato poiché tutta la massa dell'edificio, incluso il contenuto, è rappresentata da un unico termine e quindi si suppone che si trovi tutta alla stessa temperatura.

La nuova norma ISO 52016-1 utilizza un approccio decisamente più complesso di quello sopra mostrato e di quello proposto dalla UNI EN ISO 13790:2008, senza però rinunciare a semplificazioni e standardizzazioni che non portano ad errori significativi nei risultati. Lo scopo è definire una metodologia di modellazione non eccessivamente complessa che possa essere applicata nella maggior parte dei casi senza difficoltà.

Contrariamente a quanto previsto dalla UNI EN ISO 13790:2008, dove l'intera zona termica veniva ricondotta ad un unico modello RC, nel metodo fornito dalla ISO 52016-1 ogni elemento costruttivo (parete, serramento, pavimento, copertura) è modellato separatamente e i dati aggiuntivi necessari per l'applicazione del metodo non sono molti di più rispetto al metodo mensile.

Chiaramente i dati climatici devono essere indicati su base oraria e sono ora reperibili elaborati a livello nazionale secondo le norme, altri dati come i periodi di occupazione standard sono disponibili dalla normativa.



Risultati ottenibili con l'applicazione del metodo di calcolo orario
Il metodo di calcolo orario può essere applicato ad edifici residenziali e non residenziali che devono essere suddivisi in zone termiche. Le zone termiche possono essere termicamente accoppiate o separate. Il calcolo è effettuato per zona termica e per ogni zona termica è possibile calcolare:
  • fabbisogno energetico sensibile orario per riscaldamento e raffrescamento
  • fabbisogno energetico latente orario (per umidificazione/deumidificazione)
  • valore orario della temperatura dell'aria dell'ambiente
  • carico termico sensibile e latente su base oraria per riscaldamento e raffreddamento per determinare i valori massimi ai fini del dimensionamento di terminali e centrali
  • condizioni termoigrometriche dell'aria da immettere per garantire la necessaria umidificazione o deumidificazione.
Il metodo di calcolo orario consente di calcolare con maggior precisione il fabbisogno energetico di un edificio in particolare per il periodo estivo, tenendo in adeguata considerazione gli aspetti legati anche all'inerzia termica dell'edificio e non solo le proprietà termoisolanti delle strutture. Ciò consente di valutare differenti soluzioni costruttive confidando su risultati molto vicini ai valori reali.


Grafico dell'energia richiesta per riscaldamento e della temperatura interna calcolate con il motore dinamico orario di TERMOLOG

In aggiunta il calcolo orario consente di determinare con elevata precisione i carichi termici di picco estivi ed invernali per dimensionare in maniera adeguata gli impianti, evitando il rischio di sovradimensionamenti che spesso si ottengono con metodi di calcolo semplificati soprattutto per il periodo estivo.

Infine è possibile determinare l'andamento orario di temperatura e umidità all'interno degli ambienti, che consente di valutare l'effetto dello spegnimento periodico degli impianti. I dati possono essere utili anche per ottimizzare la gestione di un edificio esistente potendo essere di ausilio alla scelta dei periodi di accensione degli impianti.

Contestualmente alla pubblicazione della ISO 52016-1:2017 è stata pubblicata anche la parte 2 ISO/TR 52016-2:2017. Si tratta di un documento di supporto per l'applicazione corretta delle ISO 52016-1 e ISO 52017-1 che non contiene prescrizioni normative.

La ISO 52016 sostituisce totalmente la ISO 13790 che è l'attuale riferimento per le norme UNI TS 11300: diretta conseguenza è una necessaria revisione dell'attuale procedura di calcolo dei fabbisogni di riscaldamento e raffrescamento contenuta nelle UNI TS 11300. La commissione tecnica del CTI - Comitato Termotecnico Italiano – sarà impegnata in questo mese di settembre a delineare i passi che permettano l'applicazione della ISO 52016 in Italia e definire i contenuti dell'appendice normativa nazionale.

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BIBILIOGRAFIA
  • A. Martino, R. Nidasio, G. Murano, Dossier CTI: Le nuove norme dell'EPBD, Energia e Dintorni, febbraio 2017.
  • V. Corrado, G. Murano, Il calcolo della prestazione energetica del fabbricato: La nuova EN ISO 52016, giugno 2017