Riqualificazione energetica e interventi sull’involucro

Caso pratico di calcolo dinamico e calcolo stazionario a confronto
22/11/2017 - Prof. Luca Sarto, Politecnico di Milano - Ing. Annachiara Castagna, Logical Soft
La norma europea EN ISO 52016 pubblicata a giugno ha introdotto in Italia il metodo di calcolo dinamico orario per la valutazione energetica degli edifici. In realtà questo metodo viene adottato già da tempo in caso di diagnosi e progetto energetico dato che garantisce risultati più attendibili e tiene conto delle condizioni d'uso reali dell'edificio. Finora la valutazione dinamica è risultata tuttavia di difficile applicazione perché gli strumenti software disponibili richiedevano di ricreare l'intero modello energetico dell'edificio e immettere numerosi dati aggiuntivi, a volte difficili da reperire.

L'analisi dinamica oraria introdotta dalla norma europea EN ISO 52016 ha invece il grande vantaggio di utilizzare le stesse tipologie di informazioni che già sono previste attualmente con il metodo stazionario: il modello di edificio è esattamente lo stesso che comunemente costruiamo per l'APE o il progetto energetico.

Cambiano invece i risultati di calcolo e il caso pratico di riqualificazione energetica presentato in questo focus lo dimostra chiaramente. Si tratta di un intervento su un involucro dove si valuta se posizionare il cappotto internamente o esternamente. Mentre col metodo stazionario non si evincono differenze apprezzabili tra le due alternative, il metodo orario mostra chiaramente che il posizionamento esterno o interno del cappotto determina prestazioni energetiche molto diverse. Per la simulazione dinamica si utilizza il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG, il software italiano basato sulla norma europea EN ISO 52016 e sviluppato dal Politecnico di Milano con Logical Soft. Il Motore DINAMICO ORARIO esegue il bilancio energetico e determina la reale risposta dell'edificio al clima e alle condizioni d'uso interne sfruttando la moderna interfaccia grafica di TERMOLOG che agevola la costruzione del modello energetico senza semplificazioni e conseguenti imprecisioni.

Introduce il caso pratico il contribuito del Prof. Luca Sarto del Politecnico di Milano con un approfondimento normativo su come sono considerati i componenti opachi nella EN ISO 52016.

Abbiamo organizzato un ciclo di seminari gratuiti sull'argomento presso le università italiane. I primi due incontri tecnici si sono svolti al Politecnico di Milano e al Politecnico di Torino:

Prof. Giuliano Dall'O', Politecnico di Milano

Prof. Vincenzo Corrado, Politecnico di Torino
I prossimi seminari in programma sono:Seguiranno altri appuntamenti a breve presso gli atenei di Udine, Bologna, Roma, Cagliari, Napoli, Potenza, Catania e Palermo.

I componenti opachi secondo il metodo dinamico della EN ISO 52016
Il metodo di calcolo dinamico della nuova norma EN ISO 52016 è basato su un modello a parametri concentrati RC (resistenza capacità) dove ogni elemento disperdente viene rappresentato tramite un circuito equivalente RC a parametri concentrati costituito da:
  • 5 nodi.
  • 4 resistenze.
  • 5 condensatori.
A cui si aggiungono:
  • 3 nodi per la temperatura dell'aria
  • 2 resistenze convettive
  • 2 resistenze radiative
La figura mostra la schematizzazione del modello riportato nella norma, si noti che le resistenze sono espresse in termine di conduttanza h.
La soluzione è decisamente più complessa rispetto al metodo R5C1 proposto dalla EN 13790 che si limitava a rappresentare una intera zona termica con un circuito equivalente costituito da 5 resistenze ed 1 condensatore. Con l'approccio della EN 13790 tutta la capacità termica della zona è racchiusa nell'unico condensatore, questo comporta delle evidenti limitazioni. Ad esempio il posizionamento dell'isolante all'interno o all'esterno non ha alcun impatto sul modello, ciò non è corretto poiché come è noto in condizioni stazionarie la posizione dell'isolante è ininfluente mentre in condizioni dinamiche lo è.

Il metodo della ISO 52016 consente di modellizzare in modo molto più accurato l'involucro della zona termica poiché viene utilizzato un circuito equivalente RC molto più complesso che rappresenta ogni elemento disperdente e non l'intera zona termica.

Questa maggiore complessità tuttavia comporta maggiori difficoltà nell'attribuire il valore ai singoli componenti del circuito RC partendo dai parametri fisici degli elementi disperdenti: pareti opache, coperture, serramenti, pavimenti contro terra.

La norma propone un metodo per determinare i valori delle conduttanze heli:n e delle capacità termiche specifiche keli;n da attribuire al modello RC.

Vediamo qui come si procede per le pareti opache multistrato. Il metodo non richiede la conoscenza della stratigrafia dettagliata dell'elemento ma richiede la conoscenza di:
  • resistenza di sola conduzione (Reli;c m2K/W)
  • capacità termica media per unità di superficie. (Celi;m J/m2K)
  • posizione della massa termica
Sono previste 5 differenti casi di posizionamento della massa termica indicati nella norma con le sigle I, E, IE, D, M.

In tutti i casi, indipendentemente dalla localizzazione della massa termica, la resistenza totale è suddivisa sulle conduttanze tra i nodi in questo modo:
  
attribuendo maggiore potere isolante agli "strati" interni della struttura. La capacità termica invece è attribuita in modo differente in funzione del caso specifico.
Tipo I
La massa termica è sul lato interno della parete (es. parete cappotta) in questo caso tutta la capacità termica è attribuita al nodo interno 5:
  • keli;5 = Celi;m
  • keli;1 = keli;2 = keli;3 = keli;4 = 0
Tipo E
La massa termica è sul lato esterno della parete (es. parete isolata internamente) in questo caso tutta la capacità termica è attribuita al nodo esterno 1:
  • keli;1 = Celi;m
  • keli;2 = keli;3 = keli;4 = keli;5 = 0
Tipo EI
La massa termica è in parte sul lato interno in parte sul lato esterno della parete (es. parete isolata in intercapedine) in questo caso tutta la capacità termica complessiva è suddivisa tra i nodi interno ed esterno 1 e 5:
  • keli;1 = keli;2 = Celi;m/2
  • keli;3 = keli;4 = keli;5 = 0
Tipo D
La massa termica è distribuita su tutto lo spessore della parete (es. parete in laterizio termoisolante) in questo caso la capacità termica complessiva è suddivisa fra tutti gli strati in questo modo:
  • keli;2 = keli;3 = keli;4 = Celi;m/4
  • keli;1 = keli;5 = Celi;m/8
Tipo M
La massa termica è concentrata al centro della parete (es. parete isolata sia internamente che esternamente) in questo caso tutta la capacità termica complessiva è attribuita al nodo centrale:
  • keli;3 = Celi;m
  • keli;1 = keli;2 = keli;4 = keli;5 = 0
Questa metodologia consente di applicare il metodo dinamico senza che siano necessarie più informazioni rispetto a quelle utilizzate per il calcolo in regime stazionario. Infatti i parametri per il calcolo dinamico vengono ricavati dalla resistenza termica di conduzione complessiva della struttura e dalla capacità termica areica.

Caso pratico: intervento migliorativo sull'involucro
Realizziamo un esempio con TERMOLOG ed analizziamo i risultati ottenuti con il nuovo Motore DINAMICO ORARIO variando il posizionamento della massa delle chiusure esterne opache verticali ed orizzontali.

Il nuovo Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG determina automaticamente il posizionamento della massa dalla stratigrafia realizzata nel modello di involucro dell'edificio: TERMOLOG suddivide la struttura opaca in 5 nodi di calcolo come definito dalla EN ISO 52016 e dal modello RC ed attribuisce ai nodi la corretta capacità termica, rappresentata nello schema dal condensatore.

Dati di progetto
Edificio esistente destinazione d'uso E.2 - Ufficio
CASO 1 - massa interna CASO 2 - massa esterna
U parete: 0.502 W/m2K – isolamento esterno U parete: 0.502 W/m2K – isolamento interno
U serramento: 2.2 W/m2K U serramento: 2.2 W/m2K
U copertura: 0.678 W/m2K – isolamento esterno U copertura: 0.678 W/m2K – isolamento interno

Classe ottenuta con calcolo mensile UNI TS 11300

Classe ottenuta con calcolo mensile UNI TS 11300
Ovviamente la trasmittanza termica degli elementi nei due casi è identica. Il punto da cui partire è evidentemente il fatto che il calcolo stazionario UNI TS 11300 eseguito per l'edificio esistente e con valutazione forfettaria della capacità termica interna non subisce alcuna variazione. I risultati sono gli stessi sia che la massa si trovi all'esterno o all'interno della parete; non si modificano nemmeno le durate relative alle stagioni di riscaldamento e raffrescamento, ricavate in funzione del rapporto adimensionale tra apporti e dispersioni γ.

stagioni di riscaldamento e raffrescamento valutate con metodo mensile UNI TS 11300.
Eseguiamo ora il calcolo EN ISO 52016 con Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG. Nella simulazione abbiamo utilizzato i seguenti profili di temperatura e di occupazione:

Programmazione:
Riscaldamento:
  • set point 20°C dalle 7.00 alle 19.00 da lunedì a venerdì
  • Set back 18°C dalle 20.00 alle 6.00 da lunedì a venerdì
  • Temperatura libera nei giorni sabato e domenica
Raffrescamento:
  • set point 26°C dalle 7.00 alle 19.00 da lunedì a venerdì
  • Temperatura libera nelle altre ore e nei giorni di sabato e domenica
Calcoliamo il modello con il nuovo Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG e analizziamo per primo l'andamento della temperatura operante interna di zona:

CASO 1: Struttura opaca di classe I (massa interna – cappotto esterno)
Dall'andamento della temperatura interna operante degli ambienti si nota Tint,op massima 27°C
Il grafico rappresenta il fabbisogno energetico mensile per riscaldamento e raffrescamento ottenuto da calcolo dinamico orario.
Nella stagione di riscaldamento e raffrescamento l'impianto copre completamente la richiesta oraria.

CASO 2: Struttura opaca di classe E (massa esterna – cappotto interno)

Andamento della temperatura interna operante degli ambienti. Tint,op massima 32°C

il grafico mostra la somma delle energie mensili per riscaldamento e raffrescamento. Rispetto alla valutazione eseguita nella condizione di massa Interna è evidente l'incremento di fabbisogno energetico per raffrescamento e la dilatazione della stagione di climatizzazione estiva.
Conclusioni
In conclusione quindi lo schema RC introdotto dalla EN ISO 52016 consente di ottenere la simulazione dinamica delle condizioni di temperatura interne e di fabbisogno energetico che risponde in modo evidente al posizionamento della massa negli elementi di involucro siano esse chiusure verticali opachi o orizzontali, interne ed esterne.

Il metodo dinamico si conferma quindi uno strumento indispensabile di supporto alle decisioni quando si tratta di scegliere tra soluzioni progettuali alternative (come nel caso dell'isolamento termico), tiene conto dei reali utilizzi dell'edificio e del comfort abitativo e mostra i risultati ottenuti attraverso grafici chiari delle temperature, comprensibili anche dal committente.