Diagnosi energetica con simulazione dinamica oraria

Per riqualificare le scuole e ridurne i consumi lo strumento di analisi più efficace è la diagnosi energetica. Le scuole infatti sono edifici non residenziali e si caratterizzano per un uso discontinuo. Di conseguenza richiedono un calcolo molto raffinato, basato su consumi reali di combustibile.

Come individuare le migliori soluzioni per il risparmio energetico in una scuola

La diagnosi energetica con simulazione dinamica è ancora più precisa perché sfrutta il calcolo orario e consente di ricavare con precisione la temperatura dell’aria interna e il comfort indoor. La diagnosi energetica dinamica determina inoltre la potenza richiesta all’impianto ora per ora.
TERMOLOG offre tutti gli strumenti per svolgere rapidamente la diagnosi energetica per edifici pubblici quali scuole.

Diagnosi energetica: il caso studio di una scuola in provincia di Varese

In questo articolo ospitiamo il progetto di tesi dell’Arch. Jr. Agostino Mazzucchelli, laureatosi presso il Politecnico di Milano. La tesi vede la partecipazione della Provincia di Varese in qualità di proprietaria dell’immobile scolastico oggetto di studio. Il lavoro svolto mira ad individuare le soluzioni tecnologie più adeguate per migliorare l’efficienza energetica del liceo scientifico “Marie Curie” di Tradate (VA).

Il primo passo è stata un’accurata analisi dello status quo accompagnata dalla configurazione del profilo di consumo energetico reale dell’edificio. Quindi sono stati individuati gli interventi migliorativi più opportuni sia per l’involucro edilizio che per gli impianti tecnici. La procedura utilizzata è quella della diagnosi energetica secondo il flusso di lavoro descritto nelle Linee Guida ENEA per edifici pubblici, pubblicate nell’ambito del progetto ESPA (Energia e Sostenibilità per la Pubblica Amministrazione).

Per il calcolo ci si è affidati alla simulazione dinamica, la cui la norma di riferimento è la UNI EN ISO 52016 e che fornisce risultati estremamente raffinati. Il presente studio, divenuto fattivo, è stato realizzato con il Modulo DIAGNOSI e il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG.

Analisi dello stato di fatto: dal rilievo alla simulazione del sistema edificio impianto

Per una corretta diagnosi energetica dell’edificio scolastico si è partiti innanzi tutto con il rilievo. Il complesso scolastico è costituito da 3 edifici separati: la sede principale, la sede distaccata e la palestra. L’analisi energetica tuttavia interessa solo la sede principale caratterizzata da particolari criticità legate al discomfort ambientale.
L’edificio principale è entrato in attività nel 1997 e si sviluppa su tre piani in cui sono ubicati biblioteca, aula magna, laboratori, uffici della segreteria e 28 aule. La superficie totale è di 4.782 m2 ed il volume complessivo di 19.312 m3.

L’impianto esistente

L’impianto a servizio dell’immobile sopperisce soltanto al riscaldamento con una caldaia a gas metano da 404 kWt che alimenta in alta temperatura i radiatori a parete. L’ACS viene prodotta con 5 bollitori elettrici. L’impianto di climatizzazione estiva risulta assente, coerentemente con la destinazione d’uso dell’immobile. Ad integrazione degli impianti sono installati dei pannelli fotovoltaici per un’area totale captante pari a 324m2; nello stato di fatto la relativa producibilità non assolve il servizio di climatizzazione invernale.

Il comfort reale e l’Attestato di Prestazione Energetica

Uno degli obiettivi della diagnosi energetica è senz’altro migliorare il confort di chi l’edificio lo usa. Partiamo ora dalla pianta ad H della scuola e dividiamo quindi in 5 zone l’edificio:

1. Lato Nord-Ovest: comprende oltre a dodici aule anche l’atrio d’ingresso, il laboratorio d’informatica, la sala docenti e gli uffici della presidenza.
2. Lato Sud-Est: comprende le restanti sedici aule, i laboratori di chimica e fisica e la biblioteca.
3. Aula Magna: utilizzata per le assemblee di Istituto.
4. Segreteria: include i sette uffici dei dipendenti del liceo.
5. Zona Ristoro: è la più nuova, ottenuta a posteriori dalla chiusura di uno dei portici. All’interno vi sono una sala attrezzata con tavolini e sedie, la cucina e il magazzino.

La zona 1 – Nord-Ovest è quella che presenta maggiori criticità: studenti e corpo docente segnalano temperature interne troppo basse per poter ritenere confortevoli questi ambienti.
Come tutte le attività di analisi energetica sull’esistente, anche la diagnosi energetica parte dal sopralluogo, dalla raccolta dei dati e dall’attività di rilievo sul campo. Attraverso l’utilizzo dei dati forniti dal proprietario, tra cui stratigrafie e Legge 10, è stato possibile realizzare il modello e verificarne la correttezza confrontando i risultati ottenuti con quelli presenti negli Attestati di Certificazione Energetica (ACE) redatti in precedenza.

Nell’ultimo attestato prodotto, l’edificio rientrava in classe energetica E con un EP_gl,nren pari a 49,66 kWh/m³ anno, cioè 200,56 kWh/m².

L’Attestato di Prestazione fornisce una fotografia e caratterizza la bontà energetica di un edificio rispetto ad un altro; la diagnosi consente di conoscere la quantità di combustibile consumata in funzione del clima reale, dell’occupazione e dell’uso degli ambienti dell’edificio.

Diagnosi energetica: i ponti termici dell’edificio

Per creare un modello energetico coerente con la realtà è fondamentale una corretta analisi dei ponti termici presenti. Il Modulo PONTI TERMICI FEM consente di calcolare il flusso termico e la trasmittanza lineica dei ponti termici con un solutore ad elementi finiti. Il software mostra inoltre la distribuzione delle temperature e verifica la formazione di muffa.

Di seguito sono mostrati tre esempi di ponte termico dell’edificio scolastico. Si osservi il ponte termico centrale (ponte parete-serramento) relativo alla porzione Nord-Ovest dell’edificio. Qui la temperatura all’interfaccia con l’esterno raggiunge i 5,8 °C ed emerge una problematica relativa alla condensa superficiale. Questa criticità diventa di fondamentale rilevanza in sede di valutazione degli interventi migliorativi.

Dal modello teorico dell’edificio al suo utilizzo reale

Una volta che il modello è interamente costruito si adatta il suo comportamento in ambito energetico all’utilizzo reale che gli utenti ne fanno. Con la diagnosi energetica è possibile modificare parametri quali ventilazione, apporti interni, tempi di accensione e regolazione dell’impianto. In questo modo si adegua il modello standard utilizzato in fase di progetto al reale funzionamento del sistema edificio impianto.

Mentre nel calcolo standard utilizzato per esempio per l’APE si considerano sempre 24 ore di funzionamento dell’impianto, la diagnosi richiede le ore di funzionamento reali ed i giorni mensili di accensione dell’impianto. Nel caso di edifici scolastici è semplice capire come cambi radicalmente il fabbisogno energetico di involucro nei mesi invernali per effetto dei periodi di fermo impianti durante la chiusura invernale.

Torniamo quindi al nostro caso studio. Per ciascuna zona termica si indica il profilo di temperatura per determinare una temperatura di calcolo corrispondente alla temperatura realmente mantenuta negli ambienti dall’utenza. Con il Modulo DIAGNOSI di TERMOLOG è possibile impostare un profilo d’uso reale settimanale con temperatura di accensione degli impianti pari a 19°C nelle ore diurne, attenuata a 13°C in quelle notturne e a 10°C nel weekend.

La calibrazione del modello energetico e gli interventi migliorativi

Il modello di calcolo deve rispondere al meglio all’uso reale dell’edificio, perché solo così gli interventi migliorativi potranno essere considerati affidabili. La calibrazione del modello è il momento della sua validazione e avviene confrontando i risultati ottenuti dal calcolo con il consumo effettivo di combustibile ricavato dalle bollette.

In TERMOLOG sono dunque state inserite le bollette energetiche relative ai consumi di gas metano. Per evitare le singolarità oppure anni con utilizzi particolari, si è utilizzato come periodo di analisi gli ultimi 3 anni scolastici. Abbiamo così ottenuto consumi di gas metano costanti nel tempo e pari a circa 4300 smc al mese.
La calibrazione avviene per singolo vettore e sul singolo servizio, attraverso il calcolo dell’indice di calibrazione k. L’indice di calibrazione è dato dallo scostamento percentuale tra consumo derivante dal calcolo del modello scelto e consumo reale delle bollette energetiche. L’indice k deve essere contenuto entro +- 5% di scostamento.

Nel presente studio lo scostamento ottenuto tra il consumo registrato in bolletta e quello determinato dal modello è pari a 5,54%, molto vicino al limite del 5%, e permette di considerare il modello validato.

Diagnosi energetica con analisi dinamica oraria

Ora che abbiamo completato la calibrazione del modello e identificato le criticità nella zona termica più sfavorita, ovvero il secondo piano lato Nord-Ovest, è il momento di procedere con l’analisi dinamica oraria. Questo metodo di analisi ci aiuterà a capire quali fattori siano la causa principale di disconfort interno e a elaborare proposte di intervento adeguate.

Di seguito sono riportati alcuni risultati proposti dal MOTORE DINAMICO ORARIO di TERMOLOG da cui trarre utili informazioni. Nelle prime immagini si mostra il grafico con l’andamento annuale delle temperature interne e un ritaglio dello stesso nel mese di gennaio:

Il diagramma mostra che la temperatura interna oscilla tra i 13,5°C e i 19°C, ben lontano dalla temperatura di progetto e di comfort fissata a 20°C. Questa differenza è attribuibile a più fattori:

• l’impianto che risulta poco efficace,
• i serramenti, ormai non più a tenuta e con delle stratigrafie non performanti,
• pareti esterne significativamente disperdenti.

Altro dato importante ricavabile dalle statistiche elaborate dalla simulazione dinamica è il numero di ore di sottoriscaldamento che ha permesso di capire l’entità del problema:

Dalla tabella è facile rilevare come nei mesi più freddi risulta che in più del 50% delle ore le condizioni termiche non garantiscano il comfort ambientale.

I vantaggi delle sonde virtuali per la diagnosi energetica

Concludiamo l’analisi dei risultati, considerando i dati derivanti dalle sonde virtuali. Le sonde termiche sono una funzione molto utile del Motore DINAMICO ORARIO per registrare ora per ora le temperature ai nodi, l’irradianza sulla superficie esterna e la potenza solare trasmessa dai serramenti. Grazie alle sonde termiche è possibile valutare l’effetto di schermature mobili, ostacoli fissi e il comportamento capacitivo di ogni singola struttura.

Nel caso in studio sono state posizionate alcune sonde sulle strutture di una delle aule della zona sfavorita ed è stato possibile valutare l’andamento, ora per ora, della potenza termica entrante attraverso i serramenti. Di seguito il grafico annuale mostra in termini energetici il contributo degli apporti solari entranti attraverso una struttura trasparente della zona in esame:

Dal diagramma spicca il colore rosso acceso: confrontato con la scala cromatica laterale, rivela una potenza solare entrante di quasi 2,5 kW da una portafinestra in doppio vetro di 4,83m2 esposta a S-O. Questi dati, decisamente poco efficienti dal punto di vista energetico, confermano quanto ipotizzato dalle analisi precedenti, permettendo così di avere un quadro completo per la formulazione delle proposte di intervento.

Diagnosi energetica e azioni di miglioramento

Dalle analisi effettuate si è riscontrato che i problemi principali, in ordine, sono :

1. Serramenti energeticamente poco performanti
2. Impianto poco efficace perché sottodimensionato
3. Impossibilità di controllare il comfort nel periodo estivo

Per porre rimedio alla prima criticità si è condotta un’analisi costi benefici nel caso di sostituzione di tutti i serramenti con nuovi elementi isolati, con taglio termico. Il risparmio portato dalla sostituzione dei serramenti non è risultato sufficiente a coprire l’investimento pertanto questa proposta viene scartata.

Soluzione: sostituzione generatore e impianto di distribuzione

Avendo a disposizione più di 75 kW di impianto fotovoltaico attualmente non sfruttato si valuta l’installazione di un impianto Daikin VRV IV modulare per garantire alte efficienze e controlli puntuali sui terminali.

La possibilità di eliminare totalmente il Gas Metano come vettore energetico e l’impiego di unità interne splittate permette di ottimizzare al massimo i consumi elettrici dell’impianto e garantire una risposta rapidissima ai fabbisogni termici dei locali, non solo in riscaldamento ma anche in raffrescamento. Questo intervento permette quindi di ovviare anche al terzo problema indicato.

Conclusioni

Nella Sede Principale del Liceo Marie Curie di Tradate (VA) la realizzazione di un impianto VRV come quello proposto abbatterebbe i costi per i vettori energetici, passando da € 106.891,30 annui a € 66.163,20

I benefici però non sono limitati al solo risparmio economico. Infatti sostituendo il sistema di produzione si abbandona anche il Gas Naturale come vettore energetico, riducendo le emissioni di gas correlati all’effetto serra per un totale di 83,68 t/anno. Avendo inoltre disponibili pannelli fotovoltaici che producono 76,14 kWp è possibile autoprodurre parte del fabbisogno, in linea con quanto indicato dalla Strategia Energetica Nazionale.

Ulteriore grande vantaggio dell’impianto in pompa di calore è la possibilità di sfruttare la cospicua produzione elettrica dei mesi estivi per raffrescare gli ambienti nel periodo scolastico tra il 15 Aprile e il 15 Ottobre, con la possibilità di regolare le singole temperature grazie a controlli e apparecchi interni dislocati in ogni locale.

Abbinare i benefici della semplicità di approccio di TERMOLOG alla raffinatezza di calcolo della simulazione dinamica con il Modulo DIAGNOSI permette di elaborare velocemente casi complessi come quello in analisi e progettare soluzioni ad-hoc atte a ridurre i consumi energetici, l’impatto ambientale e migliorare la qualità degli ambienti che viviamo quotidianamente.