In arrivo il nuovo calcolo dinamico italiano

Ultimo aggiornamento: 24/06/2019 - Prof. Pietro Stefanizzi, Politecnico di Bari  |  Ing. Annachiara Castagna, Ricerca e Sviluppo Logical Soft  |  Ing. Alberto Boriani, Responsabile della formazione Logical Soft - Riproduzione riservata

Il metodo approvato dalla Commissione Tecnica 202 del CTI è il più accurato d’Europa

La norma europea per il calcolo dinamico orario UNI EN ISO 52016:2018 è stata pubblicata in Italia il 1° marzo 2018 senza alcuna variazione rispetto al testo europeo già in vigore.

A gennaio 2019 la Commissione Tecnica 202 del Comitato Termotecnico Italiano ha approvato l’Appendice nazionale italiana che modifica in modo importante il modello di calcolo delle strutture utilizzato dalla norma europea, proponendo una soluzione ancora più dettagliata. L’Appendice italiana, di prossima pubblicazione, è la versione a cui fare riferimento in quanto destinata ad essere recepita nel nostro paese.

L’Appendice nazionale, appunto Appendice A, è già prevista dalla struttura della UNI EN ISO 52016:2018, e in generale di tutte le norme del pacchetto EPB 52000: l’obiettivo è rendere la norma più adattabile alle tecniche costruttive diffuse all’interno di ogni nazione. L’Appendice A racchiude infatti le scelte di ogni paese, i modelli e i dati di base per l’applicazione della norma sul territorio.

Logical Soft è la prima software house ad implementare nel software TERMOLOG la nuova appendice A per la simulazione dinamica. Grazie alla conformità con l’Appendice italiana, il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG, sviluppato nel 2017, produce con questo aggiornamento risultati di calcolo ancora più precisi ed accurati.

Come cambia in Italia il calcolo dinamico per il progetto e la diagnosi energetica?

In questo articolo approfondiamo il metodo di calcolo delle strutture introdotto dall’Appendice Nazionale italiana, ospitando il contributo del Prof. Pietro Stefanizzi del Politecnico di Bari che ci mostrerà un confronto a tre metodi per tre diversi tipi di struttura:

  • il modello previsto dalla norma europea
  • il metodo dei volumi finiti
  • il nuovo calcolo dinamico italiano

Il metodo di calcolo previsto dalla norma europea

Il metodo di calcolo dinamico della 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 schematizzazione del modello riportato nella norma, si noti che le resistenze sono espresse in termine di conduttanza h

Nel modello implementato dalla norma europea il numero di nodi, di resistenze e di condensatori è fisso e non rappresenta il numero di strati reali della struttura.

Questo vuole dire che qualsiasi tipo di stratigrafia con qualsiasi numero di strati e con qualsiasi tipologia di materiale deve essere ricondotto ad una tipologia standard all'interno di questi cinque casi, in funzione della distribuzione della massa.

Per ricavare dalla struttura il modello di calcolo in 5 punti, è necessario classificare l'elemento opaco disperdente secondo cinque classi distinte a seconda del posizionamento della massa.
Per ricavare dalla struttura il modello di calcolo in 5 punti, è necessario classificare l'elemento opaco disperdente secondo cinque classi distinte a seconda del posizionamento della massa

Prendiamo ad esempio la stratigrafia di una chiusura in laterizio con cappotto esterno e costruiamo il modello RC per la struttura Classe I, secondo le regole previste dalla norma europea.

In arrivo il nuovo calcolo dinamico italiano
s
[m]
ρ
[kg/m3]
λ
[W/mK]
Cp
[J/kgK]
Rasatura minerale0.00514360.608850
EPS0.08180.0361450
Laterizio Alveolato 1.1.140.36930.319836.8
Intonaco0.01516000.7850
Stratigrafia e proprietà termofisiche dei materiali della stratigrafia di esempio: la struttura isolata esternamente ricade nella Classe I, con massa interna

L'immagine rappresenta i valori di conduttanza e capacità per la stratigrafia di esempio sopra riportata. Per la Classe I tutta la massa viene concentrata sul condensatore più interno, nella posizione numero 5.
L'immagine rappresenta i valori di conduttanza e capacità per la stratigrafia di esempio sopra riportata. Per la Classe I tutta la massa viene concentrata sul condensatore più interno, nella posizione numero 5.

L'appendice Nazionale Italiana

La struttura della nuova UNI EN ISO 52016, e in generale di tutte le norme del pacchetto EPDB 52000 (ISO 52000-1, 520003-1, 52010-1, 52016-1 e 52018-1), è studiata per rendere le norme flessibili e maggiormente adattabili alle tecniche costruttive diffuse all'interno di ciascuna nazione che adotterà questo metodo di calcolo.

Per ciascuno standard sono presenti due appendici:
Annex A: appendice a carattere normativo che contiene le scelte tra i metodi, i dati di input richiesti ed i riferimenti ad altre norme che ciascuna nazione può adottare autonomamente.
Annex B: appendice a carattere informativo che fornisce un set di valori di default per l’applicazione del pacchetto EPB.

Le modifiche introdotte dall'appendice Italiana riguardano:

  • Un nuovo modello RC per le strutture
  • Il calcolo orario dell'extraflusso termico verso la volta celeste
  • Il fattore Fw dei serramenti che riduce l'apporto solare entrante in funzione dell'orientamento e del trattamento eventualmente eseguito sui vetri
  • I valori di default delle frazioni convettive per diversi tipi di impianto, a radiatori, a pannelli radianti, a ventilconvettori, a tutt'aria.

La versione italiana, sviluppata dalla commissione tecnica UNI/CTI 202, si distingue per il miglioramento del modello RC delle strutture opache implementato nella norma EN ISO 52016, al fine di poter meglio rappresentare le stratigrafie delle pareti.

Questo ha portato allo sviluppo di un modello molto più elaborato dove il numero di nodi è variabile ed è legato alla reale composizione e sequenza di materiali della parete.
In pratica, per determinare il modello italiano rappresentativo della struttura opaca si seguono questi quattro passaggi:

PASSO 1

Si determina il numero di Fourier per ciascuno strato (j) di materiale, in funzione delle caratteristiche termiche dello strato e utilizzando la formula:

Si determina il numero di Fourier per ciascuno strato (j) di materiale, in funzione delle caratteristiche termiche dello strato

PASSO 2

Si calcola il numero di nodi di capacità di ciascuno strato: questo numero è al minimo pari ad 1 e rappresenta il numero di nodi di calcolo in cui verrà suddiviso un singolo strato nell'analisi dinamica con l'appendice italiana. Questo significa che al minimo il modello Resistenza – Capacità italiano ha un numero di nodi pari al numero di strati che compongono l'elemento opaco.

Si calcola il numero di nodi di capacità di ciascuno strato: questo numero è al minimo pari ad 1 e rappresenta il numero di nodi di calcolo in cui verrà suddiviso un singolo strato nell’analisi dinamica con l’appendice italiana.

PASSO 3

Si aggiungono due nodi: il nodo interno e il nodo esterno. Questo significa che i nodi totali di una struttura saranno pari al numero totale di nodi di capacità più 2.

Si aggiungono due nodi: il nodo interno e il nodo esterno. Questo significa che i nodi totali di una struttura saranno pari al numero totale di nodi di capacità più 2.

PASSO 4

Si determinano le capacità ai nodi e le resistenze intermedie seguendo queste formule:

La tabella riporta le formule di calcolo delle capacità e delle resistenze per ogni nodo della struttura opaca secondo la Appendice italiana A della UNI EN ISO 52016. I nodi non sono più fissi, ma variano a seconda delle proprietà dei materiali e in funzione dei nodi di capacità. Ai punti di calcolo, al minimo pari al numero di strati costituenti la stratigrafia, si aggiungono un nodo per l'esterno e un nodo per l'interno.
La tabella riporta le formule di calcolo delle capacità e delle resistenze per ogni nodo della struttura opaca secondo la Appendice italiana A della UNI EN ISO 52016. I nodi non sono più fissi, ma variano a seconda delle proprietà dei materiali e in funzione dei nodi di capacità. Ai punti di calcolo, al minimo pari al numero di strati costituenti la stratigrafia, si aggiungono un nodo per l'esterno e un nodo per l'interno.

Il modello italiano riesce così a superare i problemi legati alla semplificazione del modello 52016 che, per esempio, non è in grado di distinguere tra una parete con un cappotto ad alta inerzia termica ed una con un cappotto a bassa inerzia termica.

Di contro però, il modello italiano potrebbe far crescere a dismisura il numero e la complessità delle equazioni differenziali da risolvere, con ricadute sulle prestazioni dei solutori.

Questa problematica viene risolta completamente in TERMOLOG: il professionista che si occupa di progetto o diagnosi energetica può infatti scegliere se calcolare con la norma europea o con l’appendice italiana.
Il software genera in automatico il modello di struttura opaca previsto dalla norma europea oppure il modello di struttura introdotto dall’appendice italiana, direttamente dalla stratigrafia dei materiali, senza alcuna ricaduta sul numero di informazioni aggiuntive necessarie nel modello.

Italia ed Europa: i due metodi a confronto

Grazie al Prof. Pietro Stefanizzi, docente del Dipartimento DICAR del Politecnico di Bari, mettiamo ora a confronto i due metodi di calcolo attraverso alcuni esempi numerici.

Abbiamo scritto l'equazione analitica di equilibrio per tre tipologie di pareti con diverse caratteristiche: una chiusura con cappotto esterno, una parete con strato isolante interno e una stratigrafia costituita da blocchi in calcestruzzo aerato autoclavato.

Per tutte le simulazioni condotte le condizioni al contorno sono state:

  • Temperatura esterna variabile nell'arco delle 24 ore secondo una sinusoide
  • Temperatura interna costante pari a 20°C

PRIMO CONFRONTO: calcolo analitico Vs WUFI Vs 52016

La struttura di parete esterna è composta dai seguenti materiali, dall'esterno verso l'interno:

  1. Rasatura minerale
  2. EPS
  3. Laterizio Alveolato
  4. Intonaco di calce

Soluzione analitica: La parete, con le proprietà dei materiali riportate sopra, viene considerata sottoposta alle seguenti condizioni al contorno: a) scambio liminare sulla superficie esterna con temperatura dell'ambiente esterno variabile sinusoidalmente tra 10 e 30°C ogni giorno (Δθe=10°C) ; b) scambio liminare con l'ambiente interno alla temperatura costante di 20°C.

Condizioni al contorno utilizzate nel confronto tra i tre metodi di calcolo. Temperatura esterna con funzione sinusoidale e ampiezza che oscilla tra 10°C e 30°C; temperatura interna fissa a 20°C.
Condizioni al contorno utilizzate nel confronto tra i tre metodi di calcolo. Temperatura esterna con funzione sinusoidale e ampiezza che oscilla tra 10°C e 30°C; temperatura interna fissa a 20°C.

La soluzione analitica dell'equazione della trasmissione del calore nella parete fornisce il flusso termico sulla superficie interna, funzione della trasmittanza termica periodica Yie:

La soluzione analitica dell’equazione della trasmissione del calore nella parete fornisce il flusso termico sulla superficie interna, funzione della trasmittanza termica periodica Yie

Soluzione ISO 52016
La struttura viene modellata con lo schema RC a 5 nodi, illustrato sopra:

Modello Resistenza- Condensatori introdotto dalla norma europea ISO 52016. A sinistra l'esterno, a destra l'interno degli ambienti. Lo schema rappresenta una singola struttura opaca disperdente di involucro attraverso 5 punti di calcolo, indipendentemente dalla sequenza dei materiali nella stratigrafia.
Modello Resistenza- Condensatori introdotto dalla norma europea ISO 52016. A sinistra l'esterno, a destra l'interno degli ambienti. Lo schema rappresenta una singola struttura opaca disperdente di involucro attraverso 5 punti di calcolo, indipendentemente dalla sequenza dei materiali nella stratigrafia.

Metodo ai volumi finiti
Il software utilizzato per la modellazione ai volumi finiti è WUFI® Pro 6.1. La struttura viene discretizzata suddividendola in 70 volumi finiti e per ciascuno di essi il software considera il bilancio di energia arrivando a risolvere un sistema di 70 equazioni in 70 incognite per ogni step temporale.

Rappresentiamo insieme le tre soluzioni all'interno di un grafico che riporti l'andamento orario del flusso termico sulla superficie interna. La sinusoide in blu che è ottenuta dalla valutazione secondo il modello europeo EN ISO 52016 presenta una ampiezza maggiore rispetto alle soluzioni analitiche ed uno sfasamento di 7 ore in anticipo.

Confronto del flusso termico sulla superficie interna calcolato con i tre metodi, analitico - volumi finiti - modello europeo ISO 52016, per la struttura con isolamento esterno (Classe I). Nel grafico si nota l'ampiezza molto rilevante della soluzione ottenuta con lo schema presentato dal modello europeo
Confronto del flusso termico sulla superficie interna calcolato con i tre metodi, analitico - volumi finiti - modello europeo ISO 52016, per la struttura con isolamento esterno (Classe I). Nel grafico si nota l'ampiezza molto rilevante della soluzione ottenuta con lo schema presentato dal modello europeo.

E se invertissimo l'ordine degli strati? Utilizziamo gli stessi materiali ma modifichiamo la posizione dell'isolante nella parete: da Classe I la struttura diventa di Classe E, con massa esterna.

Di nuovo rappresentiamo all'interno di un grafico l'andamento del flusso nelle 24 ore per i tre casi. Come si nota l'ampiezza del modello 52016 è ancora più elevata: per il caso della struttura con massa esterna, il modello europeo è decisamente più lontano dalla soluzione analitica.

Per la struttura con isolamento interno (Classe E) l'ampiezza di oscillazione del flusso interno ottenuta con il modello di calcolo europeo (in blu nel grafico) decisamente più accentuata, il che rende la soluzione europea meno aderente alla risposta analitica della stratigrafia.
Per la struttura con isolamento interno (Classe E) l'ampiezza di oscillazione del flusso interno ottenuta con il modello di calcolo europeo (in blu nel grafico) decisamente più accentuata, il che rende la soluzione europea meno aderente alla risposta analitica della stratigrafia.

L'ultimo caso è ottenuto valutando una struttura in calcestruzzo aerato autoclavato. Per questo caso, e per i casi con massa distribuita nello spessore della parete, le soluzioni sono invece molto più simili tra di loro.
Il modello europeo EN ISO 52016 è molto vicino ai risultati della simulazione analitica e di quelli ottenuti con WUFI® Pro 6.1.

Per la struttura totalmente isolata (Classe D) i tre metodi danno risultati decisamente confrontabili. Nel caso di Classe D infatti, la norma europea distribuisce la massa in tutti i condensatori del modello
Per la struttura totalmente isolata (Classe D) i tre metodi danno risultati decisamente confrontabili. Nel caso di Classe D infatti, la norma europea distribuisce la massa in tutti i condensatori del modello

A quanto ammonta l'errore introdotto dalla semplificazione della EN ISO 52016?
Nella tabella seguente possiamo vedere la valutazione dell'errore tra il calcolo analitico e la soluzione 52016 standard e WUFI® Pro 6.1:

Proviamo ora a ripetere il confronto utilizzando il metodo proposto dall'appendice italiana della norma:

SECONDO CONFRONTO: calcolo analitico Vs WUFI Vs appendice italiana 52016

Il modello proposto dall'appendice italiana ci fa calcolare il numero di nodi secondo regole ben determinate:

Questo ci porta a produrre un modello a 10 nodi che si trasforma in un sistema di 10 equazioni in 10 incognite:










Sistema che possiamo risolvere facilmente con TERMOLOG.

Ripetiamo ora gli stessi confronti che avevamo svolto in precedenza:

La soluzione ottenuta dal modello previsto dall'Appendice italiana alla UNI EN ISO 52016 rivela una totale aderenza ai risultati ottenuti con i metodi analitici per la struttura con isolamento interno (Classe E)
La soluzione ottenuta dal modello previsto dall'Appendice italiana alla UNI EN ISO 52016 rivela una totale aderenza ai risultati ottenuti con i metodi analitici per la struttura con isolamento interno (Classe E)

La parete con massa distribuita diventa:

Con i risultati riportati nel grafico seguente:

Anche per la struttura con isolamento distribuito, la soluzione ottenuta dal modello previsto dall'Appendice italiana alla UNI EN ISO 52016 è fedele ai risultati ottenuti con i metodi dinamici analitici.
Anche per la struttura con isolamento distribuito, la soluzione ottenuta dal modello previsto dall'Appendice italiana alla UNI EN ISO 52016 è fedele ai risultati ottenuti con i metodi dinamici analitici.

Conclusioni

Il metodo di calcolo della UNI EN ISO 52016-1:2018 integrato con l'Appendice nazionale può costituire uno strumento di analisi dinamica affidabile e precisa e si pone in diretta competizione con i metodi di calcolo implementati nei solutori dinamici analitici.

Il procedimento si presenta comunque complesso senza adeguati strumenti di modellazione.
TERMOLOG, software validato e aggiornato alla Appendice italiana del calcolo dinamico orario, permette di adottare il nuovo metodo in maniera efficiente ed intuitiva garantendo la stessa accuratezza nei risultati.

Il metodo orario permette di simulare il comportamento dell’edificio nel suo utilizzo reale raggiungendo elevati standard energetici e di comfort anche per edifici nZEB o in presenza di sistemi di involucro ed impiantistici a comportamento fortemente dinamico.

BIBLIOGRAFIA:

  • ISO Standard 52016-1:2017
    Energy performance of buildings -- Energy needs for heating and cooling, internal temperatures and sensible and latent heat loads -- Part 1: Calculation procedures
  • ISO/TR Standard 52016-2:2017
    Energy performance of buildings -- Energy needs for heating and cooling, internal temperatures and sensible and latent heat loads -- Part 2: Explanation and justification of ISO 52016-1 and ISO 52017-1
  • Draft Standard Appendice Nazionale UNI EN ISO 52016-1 -- Energy performance of buildings - Energy needs for heating an cooling, internal temperatures and sensible and latent head load - Part 1: Calculation procedures
  • Atti del Workshop CTI "Prestazione energetica degli edifici - Come cambierà la normativa tecnica di riferimento" - MCE IN THE CITY 2019 - Milano, 18 marzo 2019
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Alberto Boriani

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Ingegnere Elettronico, esperto in analisi energetica degli edifici.
Attualmente in Logical Soft sono responsabile della formazione con particolare attenzione al software TERMOLOG, software leader per la certificazione, il progetto termotecnico, la diagnosi energetica e la simulazione dinamica. Coordino l’attività di formazione frontale e on-line di tutti i corsi relativi al prodotto TERMOLOG.
In Logical Soft affianco il team di ricerca e sviluppo di TERMOLOG e partecipo ai tavoli tecnici del Comitato Termotecnico Italiano (CTI) per la stesura delle norme italiane ed europee dedicate al calcolo energetico degli edifici e alla diagnosi energetica.
Dal 2019 sono amministratore di ISNOVA scrl, società consortile partecipata da ENEA, Logical Soft e EKN e membro del consiglio scientifico e docente della SUMMER SCHOOL 2019 di ENEA.
Dal 2017 sono membro del direttivo di ASSOBIM.


Annachiara Castagna - Ingegnere

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Ingegnere Edile, esperta in analisi energetica degli edifici.
Attualmente sono product manager del software TERMOLOG di Logical Soft, software leader per la certificazione, il progetto termotecnico, la diagnosi energetica e la simulazione dinamica. Gestisco e seguo lo sviluppo degli algoritmi di calcolo per la valutazione degli indici di prestazione energetica degli edifici, per la ripartizione delle spese negli edifici, per la progettazione degli impianti e la diagnosi energetica. Coordino le attività di sviluppo, ottimizzazione e controllo delle procedure e dell’interfaccia del software TERMOLOG.
Nel team di Logical Soft svolgo costante attività di ricerca e sviluppo e partecipo attivamente ai tavoli tecnici del Comitato Termotecnico Italiano (CTI) per la stesura delle norme italiane ed europee dedicate al calcolo energetico degli edifici e alla diagnosi energetica.
Sono docente all’interno di diversi master dedicati al BIM e all’analisi energetica, nei corsi abilitanti per la certificazione e nei seminari divulgativi sui temi relativi al calcolo dei ponti termici, alla contabilizzazione del calore e ai Criteri Ambientali Minimi per gli edifici pubblici. Nel 2019 ho partecipato come relatore al Convegno internazionale AICARR sull’influenza del comportamento umano nella prestazione energetica degli edifici.
Per Logical Soft sono redattrice di articoli di approfondimento sui temi energetici e seguo lo sviluppo del primo software di calcolo dinamico conforme alla EN ISO 52016 in Europa e in Italia.
Dal 2018 sono membro della commissione EA (Energia Ambiente) di GBC Italia.


Pietro Stefanizzi - Professore

Pietro Stefanizzi

Professore

Professore Associato di Fisica Tecnica Ambientale (ING IND-11) presso il Politecnico di Bari.
È stato relatore di oltre 200 Tesi di Laurea Specialistica nel campo della Termofisica degli Edifici e degli Impianti di Climatizzazione. È stato membro del Collegio dei Docenti e tutor di tesi di Dottorato in Ingegneria Edile (XXIV ciclo), Ingegneria Civile ed Architettura (XXVIII e XXXIII ciclo).
Relatore e Chairman a diversi convegni nazionali ed internazionali sulla termoenergetica dell’ambiente costruito.
Docente a vari Corsi di Formazione sulle tematiche della Certificazione Energetica ed Ambientale degli edifici.
È stato autore e coautore di oltre 100 lavori scientifici pubblicati su riviste nazionali ed internazionali. La sua ricerca scientifica si è focalizzata su:
- Proprietà igrometriche dei materiali da costruzione;
- Interazione edificio-impianto di climatizzazione ai fini del risparmio energetico e del comfort indoor;
- Metodi sperimentali per la misura in condizioni termiche dinamiche delle proprietà termofisiche dei materiali;
- Modellazione numerica del trasporto simultaneo di calore ed umidità nelle strutture edili;
- Prestazioni termoigrometriche di materiali edili in terra cruda.
È revisore per le riviste "Building and Environment", "Energy and Buildings, "Energy Policy", "Applied Ergonomics" and "Journal of Building Engineering". È membro dell’ATI (Associazione Termotecnica Italiana), ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers), IBPSA (International Building Performance Simulation Association).