Calcolo energetico dell'edificio in regime dinamico, perché occorre seguire questa strada

13/10/2017 - A cura del Prof. Giuliano Dall'O', Professore Associato di Fisica Tecnica, Politecnico di Milano
A giugno è stata pubblicata la nuova ISO 52016 che cambia profondamente il metodo di calcolo delle prestazioni energetiche dell'edificio. E' giunto il momento di interrogarsi sugli ambiti di applicazione del nuovo metodo di calcolo e sulle differenze di approccio e di risultato tra l'attuale metodo stazionario che si basa sulle UNI TS 11300 e il nuovo calcolo dinamico orario introdotto dalla ISO 52016.

Rispetto alla classica valutazione in regime statico, il vantaggio principale del metodo dinamico è avvicinare il calcolo teorico alla realtà ed ottenere una previsione del comportamento del sistema edificio-impianto sempre più fedele al vero comportamento dell'edificio.
Per potere arrivare a cogliere questo vantaggio è necessario che l'analisi dinamica diventi veramente efficiente fin dalle prime fase di input dei dati che finora sono state molto onerose e a carico del progettista, a favore invece di un numero maggiore e più accurato di risultati di calcolo. Il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG, scritto in base alla ISO 52016, consente di partire dallo stesso modello creato per l'APE o il progetto e ottenere la risposta oraria dell'edificio. Il professionista può supportare così le proprie diagnosi e le proprie scelte di progetto con un dettaglio orario che non richiede l'introduzione di dati diversi da quelli fino ad ora conosciuti.

Approfondiamo in questo focus l'importanza della simulazione dinamica, ospitando il contributo del Prof. Giuliano Dall'O', Professore Associato di Fisica Tecnica, Politecnico di Milano
Logical Soft ha sviluppato il Motore DINAMICO ORARIO in collaborazione con il Politecnico di Milano: lo sviluppo del motore è affiancato dal monitoraggio delle condizioni termoigrometriche interne di un edificio dotato di data-logger che permetterà di ottenere il confronto tra i dati rilevati e i risultati del calcolo dinamico orario.
I primi risultati di questa attività di monitoraggio e il nuovo Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG verranno presentati nel corso di questi eventi gratuiti:
25/10/2017, POLITECNICO DI MILANO, Aula ROGERS >>>
09/11/2017, POLITECNICO DI TORINO, Aula Magna, Sede Lingotto >>>
Calcolo energetico dell'edificio in regime dinamico, perché occorre seguire questa strada
Di Prof. Giuliano Dall'O', Professore Associato di Fisica Tecnica, Politecnico di Milano

Come funziona un edificio dal punto di vista energetico? Quali sono le previsioni di consumo? E se viene riqualificato che vantaggi reali si ottengono in termini di riduzione dei consumi e di costi? Possono sembrare domande banali ma non lo sono. Non sempre, infatti, il consumo energetico di un edificio calcolato attraverso una modellizzazione che si basa su algoritmi che integrano le equazioni della trasmissione del calore si avvicina a quello reale: le differenze tra il teorico e l'effettivo possono essere inaccettabili.
Cosa c'è che non funziona? La complessità del calcolo innanzitutto. Quelli che a noi sembrano modelli complicati in realtà sono modelli molto semplificati. Nell'immaginario l'edificio è un oggetto statico, in realtà in un edificio succedono tante cose. Le pareti che definiscono il suo involucro separano due mondi che funzionano secondo logiche difficili da prevedere. All'interno ci dobbiamo confrontare con il comportamento individuale delle persone che lo abitano. Nonostante siano definiti dei parametri ambientali standard per il comfort, si pensi ad esempio ai 20 °C per la temperatura dell'aria nella stagione invernale, le cose vanno diversamente. A volte gli utenti, quando possono, modificano la temperatura perché hanno troppo caldo o troppo freddo. Altre volte il sistema di regolazione non è in grado di mantenere una temperatura dell'aria costante all'interno di tutti i locali. Resta poi il problema della gestione temporanea degli impianti. Non è detto che siano rispettate le 14 ore canoniche e queste ore in tutti i casi possono essere definite sempre dall'utente con una variabilità notevole.
La contabilizzazione dei consumi attraverso i sistemi di ripartizione del calore ci era stata presentata come una soluzione interessante per responsabilizzare l'utente nei condomini. Ebbene, se andiamo ad analizzare i risultati pratici della sua applicazione riscontriamo un ulteriore incremento delle incertezze. Pagare per quanto si consuma è una regola sacrosanta, una regola che spinge l'utente ad essere più sensibile ed a immaginare dei possibili interventi di riqualificazione. Se però analizziamo tutta questa libertà alla luce del bilancio energetico ci rendiamo conto che è ancora più difficile definire un bilancio energetico molto vicino a quello reale.
La variabilità riguarda ovviamente anche il clima esterno. La normalizzazione delle condizioni climatiche, almeno in inverno, viene fatta utilizzando i Gradi-Giorno. A parità di Gradi-Giorno, tuttavia, possiamo avere climi molto diversi, ad esempio stagioni con variazioni della temperatura esterna abbastanza prevedibili oppure stagioni caratterizzate da forti variabilità.
Ci fa comodo immaginare che la trasmissione del calore che attraversa la parete di un edificio avvenga in modo stazionario. Purtroppo non è così. Ogni edificio è caratterizzato da una sua inerzia termica. Le pareti reagiscono alla variabilità delle condizioni climatiche interne ed esterne in modo dinamico.
In questa nostra analisi abbiamo accennato solo ad alcuni aspetti.

Grafico dell'energia mensile richiesta: in blu la climatizzazione invernale, in rosso la climatizzazione estiva.
Grafico dell'energia mensile richiesta: in blu la climatizzazione estiva, in rosso la climatizzazione invernale.

Ammesso poi che i dati di input siano corretti, e la situazione ideale in questo caso è il calcolo di progetto, i modelli, pur partendo da equazioni sostanzialmente corrette, si portano dietro le incertezze dei dati di input che in molti casi derivano da tabelle esistenti non sempre aggiornate.
Tornando all'involucro, una riserva ci permettiamo di evidenziarla nel calcolo della trasmittanza, laddove si utilizzano dei coefficienti liminari di progetto che, nel caso che a noi interessa di calcolo del bilancio energetico, dovrebbero essere calcolati tenendo conto della velocità media reale dell'aria che lambisce le pareti.
Una onesta valutazione del problema ci dovrebbe portare ad affermare che il calcolo di un bilancio energetico di un edificio non potrà mai essere preciso. Nella migliore delle ipotesi ci dovrebbe fornire un valore che "con buona probabilità" esprime il fabbisogno di energia ma non ci definisce una certezza.
Fatte le dovute premesse si pone il problema di trovare una soluzione perché per noi è necessario poter prevedere il fabbisogno di energia per le più disparate applicazioni.
L'introduzione della certificazione energetica a seguito del recepimento della Direttiva 2002/91/CE ha posto il problema di trovare una metodologia di calcolo che fosse sufficientemente precisa e non particolarmente complessa. La scelta italiana è stata quella di fare riferimento al pacchetto di norme europee CEN-EPDB. Sono nati così gli standard tecnici nazionali elaborati dal CTI meglio noti come pacchetto UNI-TS 11300.
Un pacchetto di norme particolarmente flessibile in quanto applicabile per tutti gli usi (climatizzazione invernale, climatizzazione estiva, ventilazione, produzione di acqua calda sanitaria, ecc.) e per tutte le esigenze (progettazione, certificazione energetica e diagnosi energetica).
Il modello di calcolo proposto, ed attualmente utilizzato, è un modello che valuta le prestazioni energetiche globali attraverso la somma di bilanci energetici mensili e questa è già una bella semplificazione.
Nel caso del calcolo finalizzato alla progettazione ed alla certificazione energetica si definiscono delle condizioni di utilizzo standard. Scelta questa coerente con l'obiettivo di fornire una prestazione energetica dell'edificio in quanto tale a prescindere dalla modalità con la quale viene utilizzato.

Il calcolo finalizzato alla diagnosi energetica, invece, può essere fatto adattando i profili di utilizzo alla situazione reale. Si tratta comunque, anche in questo caso, di un calcolo mensile.
Esiste uno scostamento tra i valori calcolati ed i valori reali? E se si di quanto?
Parecchi ricercatori hanno effettuato questa verifica ottenendo delle differenze anche apprezzabili.
Un contratto di ricerca promosso dal nostro Dipartimento ABC del Politecnico di Milano ci ha consentito di effettuare una valutazione prestazionale di un edificio reale situato a Milano[1][2]. Le differenze sono quindi state valutate "aggiustando" il fabbisogno di energia sulla base di una temperatura interna ipotetica pari a 20°C. Ciò è stato possibile attraverso un monitoraggio delle temperature ambiente di alcuni edifici campione che sono dotati di data-logger ed è stata fatta sia in estate sia in inverno.

Questa particolare esperienza ha evidenziato un incremento del consumo energetico stimato, sia in inverno che in estate. La maggiore differenza si è evidenziata nella stagione estiva nella quale il calcolo è risultato praticamente inaffidabile.

È possibile porre rimedio a queste situazioni di incertezza? La risposta è affermativa, basta utilizzare metodi di calcolo più evoluti: i modelli dinamici.
Questi modelli richiedono molti più dati non solo riguardo le caratteristiche dell'edificio o dei componenti dell'impianto, ma anche riguardo il clima: in questo caso gli step di calcolo sono almeno orari (alcuni software eseguono calcoli con step sub-orari). Se un file climatico utilizzato da un modello che opera in regime stazionario prevede al massimo 12 valori della temperatura esterna, un file climatico che opera in regime dinamico ne prevede almeno uno ogni ora, quindi 8.760.
I modelli di simulazione dinamica o BSP (Building Simulation Programs) richiedono molto più impegno nella costruzione di un modello, che deve essere tridimensionale, nella descrizione dei sistemi impiantistici e nella descrizione dei profili di utilizzo. I tempi necessari per l'elaborazione, inoltre, si allungano notevolmente (anche se l'incremento della velocità di calcolo dei PC tende a risolvere questo problema) perché vengono verificate, sempre con lo step di calcolo definito dall'utente, non solo le interazioni tra l'ambiente interno e quello esterno ma anche quelle tra ambienti diversi, caratterizzati da differenti profili di utilizzo e da diversi modelli di gestione impiantistica, e le interazioni tra sistemi impiantistici diversi. Con un modello di simulazione dinamica l'impianto di climatizzazione e quello di illuminazione non sono più due entità separate ma sono sistemi che interagiscono tra loro simulando quello che è il comportamento reale dell'edificio.
Questo maggiore impegno nell'utilizzo dei modelli in regime dinamico garantisce al progettista, o dell'auditor, una notevole flessibilità nel costruire il modello dell'edificio o della parte di edificio da simulare ma soprattutto, se l'imputazione dei dati è corretta, restituisce risultati di bilancio ma anche prestazionali, molto vicini a quelli reali.

Andamento della temperatura interna operante e della potenza richiesta all'impianto
Andamento della temperatura interna operante e della potenza richiesta all'impianto

Con un modello di simulazione dinamica si possono ottenere diversi vantaggi, tra i quali:
  • un bilancio energetico estivo ed in invernale più realistico;
  • una valutazione previsionale dei consumi di energia primaria;
  • una valutazione dei parametri ambientali (temperatura, umidità relativa, velocità dell'aria);
  • una più corretta valutazione delle potenze termiche dei componenti sia in inverno che in estate;
  • una valutazione più corretta degli effetti della radiazione solare, in quanto viene simulato il percorso solare ora per ora;
  • una valutazione più corretta degli effetti dei sistemi di ombreggiamento o degli effetti delle ombre portate dagli altri edifici;
  • una valutazione corretta degli apporti energetici dovuti ai componenti bioclimatici come serre o sistemi a guadagno diretto;
  • una valutazione delle prestazioni energetiche di involucri particolari come facciate a doppia pelle o pareti ventilate.
Alcuni programmi di simulazione hanno al loro interno moduli per calcoli fluidodinamici (CFD) e questo consente di verificare sistemi a ventilazione naturale o di controllare meglio le condizioni ambientali di ambienti di notevole altezza come ad esempio gallerie.
L'utilizzo di sistemi di simulazione dinamica è oramai indispensabile per simulare il comportamento di edifici complessi con ampie superfici vetrate oppure per simulare il comportamento, e verificare quindi le prestazioni, di edifici ad alta o altissima efficienza energetica.
I modelli di calcolo dinamici non sono una novità. In alcuni paesi, come ad esempio gli Stati Uniti, vengono utilizzati nella prassi comune sia per la fase progettuale sia per quella di verifica.
Ma perché non sono così diffusi anche in Italia? L'impegno nell'utilizzare questi modelli è superiore, tuttavia le interfacce grafiche si sono notevolmente evolute e la costruzione del modello è notevolmente agevolata dalla presenza di template e di archivi che i progettisti o i tecnici energetici, a partire dagli Energy Auditor o dagli EGE (Esperti in Gestione dell'Energia) si possono costruire.

Passare al regime dinamico sicuramente richiede in maggior impegno nella fase iniziale, tuttavia l'investimento è abbondantemente ripagato dai risultati.
La simulazione dinamica riesce davvero a simulare un reale funzionamento dell'edificio nella sua globalità (ossia comprendendo gli impianti). Non poco se si considera che per chi investe in efficienza energetica la bontà di un calcolo in grado di stimare in modo affidabile i possibili risparmi può voler dire molto.
Passare al dinamico vuol dire incrementare la professionalità salendo su un treno che a livello internazionale è già partito da tempo.

BIBILIOGRAFIA
  • [1] Dall'O', G., Sarto, L., Galante, A., Pasetti, G. Comparison between predicted and actual energy performance for winter heating in high-performance residential buildings in the Lombardy region (Italy), (2012) Energy and Buildings, 47, pp. 247-253.
  • [2] Dall'O', G., Sarto, L., Sanna, N., Martucci, A. Comparison between predicted and actual energy performance for summer cooling in high-performance residential buildings in the Lombardy region (Italy), (2012) Energy and Buildings, 54, pp. 234-242.

I primi risultati di questa attività di monitoraggio e il nuovo Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG verranno presentati nel corso di questi eventi gratuiti:
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