Diagnosi energetica con simulazione dinamica

Ultimo aggiornamento: 03/10/2019 - Ing. Laura Guerini, Servizio di Assistenza Tecnica Logical Soft - Riproduzione riservata

Riqualificare una scuola con la diagnosi dinamica

La riqualificazione di un edificio è un processo che parte dall’analisi del suo comportamento energetico nello stato di fatto per arrivare allo studio dei possibili interventi. Il compito della diagnosi energetica è proprio quello di indentificare un modello che simuli il consumo reale così da individuare possibili azioni di miglioramento.

Le diagnosi energetiche però non sono tutte uguali. La conduzione e la gestione di un impianto in un edificio pubblico e in un condominio sono radicalmente diverse: mentre le abitazioni hanno un comportamento ciclico durante la stagione invernale, gli edifici pubblici come le scuole hanno un utilizzo variabile dell’impianto, con periodi di occupazione, accensione e spegnimento che cambiano durante l’anno.

Come si affronta la diagnosi di una scuola? Cosa aggiunge la simulazione dinamica nel processo di riqualificazione?




Diagnosi energetica dinamica per una scuola: un caso studio tratto da una tesi di laurea

In questo focus ospitiamo la tesi di laurea dell'Ingegner Agostino Mazzucchelli, laureato in Ingegneria Energetica al Politecnico di Milano. La diagnosi dinamica eseguita con la partecipazione della Provincia di Varese proprietaria dell'immobile, mira ad individuare le soluzioni tecnologiche più adeguate per il miglioramento dell'efficienza energetica del liceo scientifico “Marie Curie” di Tradate (VA). A partire da un'accurata analisi dello stato di fatto accompagnata dalla configurazione del profilo di consumo reale della scuola, 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 dinamica secondo il flusso di lavoro descritto nelle Linee Guida ENEA per edifici pubblici, pubblicate nell'ambito del progetto ES-PA (Energia e Sostenibilità per la Pubblica Amministrazione); per la diagnosi di questa scuola ci si è affidati alla raffinatezza della simulazione dinamica, la cui la norma di riferimento è la UNI EN ISO 52016.
Tutto lo studio è stato realizzato con il Modulo DIAGNOSI e il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG.

Figura 1 - Liceo Marie Curie
Figura 2 - Vista aerea del Liceo Marie Curie

Liceo Scientifico Statale "Marie Curie" - Tradate (VA)

Analisi dello stato di fatto: rilievo, raccolta dei dati e modello della scuola

La scuola è costituita da 3 strutture separate: Sede Principale, Sede Distaccata e Palestra. La presente analisi interessa la sede principale caratterizzata da particolari criticità legate al discomfort ambientale.
La sede principale è entrata in attività nel 1997 e si sviluppa su tre piani in cui sono ubicati: biblioteca, aula magna, laboratori, uffici della segreteria e 28 aule per una superficie totale di 4782 m2 ed un volume complessivo di 19312 m3.
L'impianto di riscaldamento è formato da una caldaia a gas metano da 404 kWt che alimenta in alta temperatura i radiatori a parete. L'ACS invece, viene prodotta con 5 bollitori elettrici.
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.

La pianta ad H permette di dividere in 5 zone la scuola:

  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 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 della scuola 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 sull'esistente, anche la diagnosi 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, la scuola rientrava in classe energetica E con un EPgl,nren pari a 49,66 kWh/m3 anno, cioè 200,56 kWh/m2.

Figura 3 - Modelli Termolog
 Modello TERMOLOG della scuola per l'analisi dinamica 
L'Attestato di Prestazione Energetica 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.

Per creare un modello 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; mostra inoltre la distribuzione delle temperature e verifica la formazione di muffa. Di seguito sono mostrati tre esempi di ponte termico della scuola in studio. Si osservi il ponte termico centrale (ponte parete-serramento) relativo alla porzione Nord-Ovest della scuola: 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 per la scuola.

Modelli di ponti termici calcolati con il Modulo PONTI TERMICI FEM: flusso termico della parete con solaio, parete con serramento e parete con copertura
Modelli di ponti termici calcolati con il Modulo PONTI TERMICI FEM: flusso termico della parete con solaio, parete con serramento e parete con copertura

Una volta che il modello di calcolo è interamente costruito, si adattano le sue caratteristiche all'utilizzo reale che gli utenti ne fanno. Con la diagnosi dinamica è possibile modificare parametri quali ventilazione, apporti interni, tempi di accensione e regolazione dell'impianto per adeguare il modello standard utilizzato in fase di progetto al reale funzionamento dell'edificio simulato.

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

Nel caso in studio per ciascuna zona riscaldata si indica il profilo di 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 della centrale pari a 19°C nelle ore diurne, attenuata a 13°C in quelle notturne e a 10°C nel weekend.

Profili di uso di TERMOLOG
Profili di uso di TERMOLOG

Calibrazione e interventi migliorativi della diagnosi energetica 

Il modello 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 che avviene confrontando i risultati ottenuti dall'analisi con il consumo effettivo di combustibile ricavato dalle bollette.
In TERMOLOG Modulo DIAGNOSI sono dunque state inserite le bollette energetiche relative ai consumi di gas metano. Per evitare le singolarità oppure anni con utilizzi particolari, l'analisi si è concentrata sugli ultimi 3 anni scolastici, ottenendo 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 l'indice di calibrazione k dato dallo scostamento percentuale tra consumo derivante dal calcolo del modello scelto e consumo reale delle bollette. L'indice k deve essere contenuto entro +/- 5% di scostamento.

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

Calibrazione del modello energetico per il gas metano sul servizio di riscaldamento
Diagnosi: calibrazione del modello per il gas metano sul servizio di riscaldamento
Dettagli del calcolo energetico sull'involucro
Diagnosi: dettagli dei fabbisogni di energia termica per riscaldamento
Dettagli del calcolo energetico sull'impianto
Diagnosi: dettagli dei fabbisogni di energia primaria per riscaldamento

Diagnosi dinamica oraria della scuola

Completata la calibrazione e identificate le criticità nella zona climatizzata più sfavorita, ovvero il secondo piano lato Nord-Ovest, si procede con l'analisi dinamica oraria per capire quali fattori siano la causa principale di disconfort interno ed elaborare proposte di intervento adeguate.
Di seguito sono riportati alcuni risultati proposti dal MOTORE DINAMICO ORARIO di TERMOLOG da cui trarre utili informazioni per la diagnosi energetica della scuola. Nelle prime immagini si mostra il grafico con l'andamento annuale delle temperature interne e un ritaglio dello stesso nel mese di gennaio:

Calcolo Dinamico Oraria Annuale
Simulazione Dinamica Oraria Annuale
Calcolo Dinamico Oraria Mensile
Simulazione Dinamica Oraria Mensile

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

  • sistema di climatizzazione invernale 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:

Comfort Climatico
Comfort Climatico

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.

Concludiamo l'analisi dei risultati della diagnosi dinamica, considerando i dati derivanti dalle sonde virtuali. Le sonde 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 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 più critica della scuola 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:

Sonda virtuale di temperatura: apporti solari entranti da una portafinestra della zona in esame
Sonda virtuale di temperatura a valle della diagnosi dinamica: apporti solari entranti da una portafinestra 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 unitamente ai risultati della simulazione dinamica rilevano come il vantaggio derivante dalla potenza solare entrante non sia sufficiente a bilanciare le perdite invernali per la scarsa tenuta dei serramenti, oltre che peggiorare il confort estivo della scuola.

Individuazione delle azioni di miglioramento energetico

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

  1. Serramenti energeticamente poco performanti
  2. Sistema di climatizzazione invernale 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.

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 combustibile e l'impiego di unità interne splittate permette di ottimizzare al massimo i consumi elettrici e garantire una risposta rapidissima ai fabbisogni dei locali, non solo in riscaldamento ma anche in raffrescamento. Questo intervento permette quindi di ovviare anche al terzo problema indicato.

Conclusioni della diagnosi

Nella Sede Principale 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 combustibile, 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 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.

Laura Guerini - Ingegnere edile / Architetto

Laura Guerini

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Sono laureata in Ingegneria Edile - Architettura e ho conseguito il diploma di abilitazione alla professione di Ingegnere – Settore civile e ambientale.
Attualmente mi occupo di assistenza tecnica per i software della società Logical Soft, accompagnando gli utenti durante tutte le fasi di utilizzo dei software mediante la stesura di manuali tecnici, video tutorial, webinair e affiancamenti tecnici personalizzati.
Faccio parte del Team di Formazione di Logical Soft, svolgo attività di docenza nei seminari divulgativi per padroneggiare l’uso del software TERMOLOG affrontando esempi pratici di calcolo delle prestazioni energetiche degli edifici. Esperta in materia di calcolo energetico e di contabilizzazione del calore, collaboro alle attività di test, ottimizzazione e controllo a cui sono costantemente sottoposti tutti i moduli di TERMOLOG.
Per Logical Soft professo la docenza nei corsi di aggiornamento per i professionisti del settore dedicati all’analisi energetica per la certificazione, il progetto termotecnico, la diagnosi e la ripartizione delle spese.
Sono autrice di numerosi articoli di approfondimento tecnico sui temi energetici e docente nei corsi organizzati presso l’Ordine degli Ingegneri di Milano per la progettazione energetica avanzata tramite la “simulazione dinamica” in conformità alla UNI EN ISO 52016:2018. Supporto inoltre la didattica nelle lezioni dei corsi di “fisica tecnica ambientale” del Dipartimento ABC del Politecnico di Milano.