La firma energetica: cos’è e come si legge

Guida pratica per progettare, monitorare e gestire l’impianto in base alle variazioni climatiche

Ultimo aggiornamento: 06/06/2019 - Ing. Annachiara Castagna, Ricerca e Sviluppo Logical Soft
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La firma energetica è uno strumento grafico che mostra i consumi del generatore di un edificio in base alla variazione del clima esterno. La rappresentazione chiara, estremamente comprensibile e la facilità con cui si possono reperire i dati fanno della firma energetica uno strumento utilissimo sia in fase di progetto sia successivamente per monitorare i consumi.

Per poter rappresentare la firma energetica di un generatore sono necessari soltanto due dati, i consumi reali o previsti e la temperatura esterna dell’aria nel periodo di lettura; eppure le informazioni che si ottengono sono moltissime: 

  • Potenza di progetto per riscaldamento, ACS o raffrescamento
  • Grado di isolamento e qualità dell’involucro 
  • Destagionalizzazione dei consumi
  • Verifica dell’efficienza del generatore e validazione del progetto
  • Proiezione dei consumi e determinazione di eventuali anomalie nella conduzione del generatore
  • Problemi di regolazione dell’impianto 
  • Malfunzionamento della centrale termica

A cosa serve la firma energetica e quali informazioni possiamo ricavare per il progetto e la diagnosi energetica?

Oltre a rispondere a queste domande, l’obiettivo di questo focus è costruire il grafico della firma energetica e interpretare correttamente i risultati forniti dalle due tipologie di firma:

  • Firma energetica di progetto per il dimensionamento del generatore
  • Firma energetica reale in esercizio per il monitoraggio del generatore

Tutti i dati di impianto e i grafici della firma energetica mostrati in questo articolo sono ottenuti con TERMOLOG, il software per il calcolo delle prestazioni energetiche degli edifici che costruisce sia la firma energetica di progetto che la firma reale in esercizio.
La firma energetica con TERMOLOG può essere ottenuta anche con il calcolo dinamico orario UNI EN ISO 52016: il progettista può abbinare la semplicità della rilevazione dei dati e della costruzione del modello energetico alla accuratezza che solo la simulazione dinamica è in grado di fornire.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG: in rosso la firma energetica di riscaldamento e in blu quella di climatizzazione, ottenute dalla simulazione dinamica oraria.

1 – La firma energetica di progetto

Lo scopo principale della firma energetica di progetto è determinare la potenza del generatore necessaria per il riscaldamento, l'acqua calda sanitaria o il raffrescamento degli ambienti. In fase di progetto l'edificio e l'impianto non sono ancora realizzati; non è possibile quindi riferirsi ai consumi reali del generatore, ma piuttosto si utilizzeranno quelli previsti con il calcolo energetico.

1.1 - Quali sono i dati di ingresso necessari

Per costruire la firma energetica di progetto dobbiamo recuperare:

  • I fabbisogni di energia di progetto ottenuti dal calcolo energetico, attraverso la simulazione dinamica oraria o la valutazione semistazionaria mensile
  • Le temperature esterne standard, riferite all'analisi energetica. 

Quale intervallo di calcolo è meglio utilizzare?
In generale esistono tre possibili intervalli temporali per costruire questo grafico: orario, settimanale e mensile.

 VantaggiSvantaggi
Firma energetica orariaElevatissima precisioneI dati dipendono fortemente da fattori diversi dal solo cambiamento climatico
Firma energetica settimanaleRilevazione precisa e ben correlata con il clima esternoI dati in esercizio vanno rilevati settimanalmente, con un considerevole impegno per il committente
Firma energetica mensileImpiego di risorse limitatoIl periodo di rilevazione è variabile a seconda della durata del mese e la precisione del grafico è minore
Fonte: Suisse énergie.

In generale l'intervallo settimanale rappresenta un giusto compromesso tra impegno e precisione dell'analisi.

TERMOLOG determina la firma energetica a valle del calcolo dinamico orario (UNI EN ISO 52016) oppure secondo il metodo semistazionario mensile: con la simulazione dinamica i consumi presunti sono fissati a intervallo settimanale, con un massimo di 54 dati se si desidera tracciare la firma di riscaldamento e di raffrescamento; con il metodo mensile otterremo 12 punti totali corrispondenti ai 12 mesi.

La differenza tra le due analisi risiede nell'accuratezza con cui sono determinati i fabbisogni: trattandosi di consumi presunti e non di dati reali, è chiaramente più accurato il dato valutato attraverso la simulazione dinamica oraria, nel quale il bilancio energetico dipende da condizioni climatiche esterne e profili d'uso che variano ogni ora.

1.2 – Come costruire il grafico della firma energetica

Il primo passo è definire la potenza media giornaliera: per farlo si divide il valore del fabbisogno energetico per la durata dell'intervallo di calcolo.

Si definiscono i punti sul diagramma cartesiano mettendo nelle ascisse la temperatura esterna media nell'intervallo di calcolo e sulle ordinate la potenza media giornaliera.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di progetto di TERMOLOG. Il primo passo è disporre i punti sul grafico: in ascissa la temperatura esterna media, in ordinata la potenza media giornaliera.

Si traccia la retta che rappresenta la regressione lineare dei punti: la firma diprogetto è costruita.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di progetto di TERMOLOG. La firma energetica è definita dalla retta di regressione lineare ottenuta dai punti nel grafico

1.3 – Come leggere e interpretare la firma di progetto

La firma di progetto ci fornisce direttamente molte informazioni, semplici da leggere e interpretare. 

Potenza di picco richiesta al generatore
Se estendiamo la retta della firma fino ad incontrare la temperatura esterna invernale di progetto del comune, possiamo leggere sulle ordinate la potenza richiesta al generatore.

Per il nostro edificio situato a Como, estendiamo la retta fino a -5°C: la potenza indicata sul grafico è di 6,8 kW.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. In evidenza la potenza di picco alla temperatura esterna invernale di progetto del comune

Temperatura di accensione del riscaldamento
Se estrapoliamo la retta fino a raggiungere l'asse delle ascisse, possiamo leggere il valore di temperatura alla quale inizia il riscaldamento dell'edificio. Questa temperatura è influenzata dal valore degli apporti gratuiti.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. L’intercetta sull’asse delle ascisse rappresenta la temperatura esterna di accensione del riscaldamento

Cosa accade se incrementiamo gli apporti gratuiti nell'edificio? 
Proviamo ad eliminare i sistemi di schermatura mobile dai serramenti dell'edificio e ricalcoliamo. Otteniamo lo spostamento dell'intercetta sull'asse delle temperature, mentre l'inclinazione della retta rimane pressoché invariata.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. La firma energetica in rosso è ottenuta aumentando gli apporti nell’edificio: se la retta si sposta lungo l’asse delle ascisse significa che la durata della stagione di riscaldamento diminuisce, poiché l’accensione avviene ad una temperatura esterna minore

Grado di isolamento dell'involucro.
La pendenza della retta è rappresentativa del fattore di scambio termico H dell'edificio. Lo scambio termico è la somma delle trasmittanze degli elementi per le rispettive superfici.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. L’inclinazione della retta rappresenta la qualità dell’involucro dell’edificio.

Cosa accade se isoliamo di più? 
Se per esempio applichiamo un cappotto isolante alle chiusure verticali esterne, possiamo notare che la linea che rappresenta il grado di isolamento si inclina in modo diverso. La firma cambia di pendenza e origina una potenza massima richiesta inferiore e un tempo di funzionamento più piccolo.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. Il cappotto termico applicato alle pareti modifica lo scambio termico e l’inerzia delle strutture: la firma energetica si inclina e la temperatura esterna di accensione diminuisce considerevolmente.

2 - La firma energetica per il monitoraggio degli impianti

Quando l'impianto dell'edificio è in esercizio è semplice monitorare il suo funzionamento attraverso il grafico della firma energetica.

2.1 - Quali sono i dati di ingresso necessari 

Per generare il grafico della firma energetica in esercizio serve conoscere:

  • le letture dei consumi ed il periodo di lettura
  • le ore di funzionamento dell'impianto
  • la temperatura media esterna nel periodo a cui si riferisce la lettura

Anche in questo caso, più frequente è l'intervallo di lettura e più precisa sarà la retta di regressione lineare che interpreta i punti sul grafico. In ogni caso si consiglia di mantenere al massimo una lettura settimanale, anche perché dall'andamento della firma si vuole conoscere una potenza media.

2.2 – Come costruire il grafico della firma in esercizio

Come per la firma di progetto, si posizionano sul grafico i punti relativi alle letture: in ascissa la temperatura esterna, in ordinata la potenza media giornaliera determinata dalla formula:

La firma energetica: cos’è e come si legge
Formula per il ricavo della potenza media giornaliera ottenuta dai consumi reali

Dove

  • Consumo è il consumo di combustibile, ad esempio in Sm3 se si tratta di metano
  • PCI è il potere calorifico inferiore
  • h sono le ore di funzionamento della centrale

Disposti i punti si traccia la retta di regressione lineare. 

2.3 - Come leggere e interpretare la firma energetica in esercizio

Oltre a tutte le informazioni già descritte per la firma di progetto, in condizioni di esercizio possiamo controllare le anomalie, leggere le modalità di risposta dell'impianto all'uso che l'utenza fa dell'edificio o dell'impianto stesso e verificare il corretto dimensionamento del generatore.

Aumento progressivo dei consumi

Se paragoniamo la firma raccogliendo i dati su più annualità diventano lampanti i periodi in cui il consumo si modifica ed in particolare aumenta. La retta cambia di pendenza e si alza con una traslazione nell'asse delle potenze: questo è sintomo di un incremento dei consumi, dovuto ad una modifica nel comportamento degli utenti.

Qui di seguito è rappresentata la firma energetica del generatore ottenuta da tre stagioni di lettura. Si nota come per il grafico in verde, che rappresenta l'anno 2018, i consumi siano incrementati rispetto agli anni precedenti. Le motivazioni sono da ricercarsi ad esempio in un'eventuale modifica nel comportamento degli utilizzatori, con il passaggio da inquilini lavoratori a famiglie sempre presenti nell'abitazione.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. La retta verde che rappresenta la firma energetica dell’edificio nel 2018 rivela un generale aumento dei consumi per la stagione a cui si riferiscono le letture.

Problemi di regolazione dell'impianto

Quando i punti che rappresentano le letture sono molto dispersi rispetto alla retta stessa, significa che l'impianto non è correttamente regolato, oppure che la regolazione viene continuamente alterata.

Errori di lettura, di misura o periodi eccezionali

Prima di derivare la retta di regressione che rappresenta la vera e propria firma energetica, è necessario osservare i dati. Non è raro trovarsi di fronte ad anomalie nei dati (consumi troppo alti o troppo bassi) che devono essere esclusi dall'insieme di punti considerati validi per tracciare il grafico della firma.

Guardando alla firma energetica nell'immagine qui sotto, la lettura evidenziata deve essere esclusa dai punti della retta in quanto assolutamente non in linea con le altre. Il motivo di una singolarità di questo tipo può essere dovuto ad un fermo delle macchine di recupero di calore, una settimana di intenso freddo, l'accensione di tutti i generatori per un guasto oppure un banale errore di lettura.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. In rosso una lettura anomala: dati così singolari rappresentano delle eccezioni che devono essere escluse dalla retta di regressione che crea la firma energetica.

Problemi di funzionamento della caldaia o del bruciatore

Nel caso in cui, invece di un solo punto, si presenti una nuvola di punti completamente distante dalla retta della firma energetica, è semplice ipotizzare un aumento dei consumi dovuti ad un problema nel generatore. Non è da escludere in questo caso un malfunzionamento del generatore o del suo bruciatore.

La firma energetica: cos’è e come si legge
Firma energetica di TERMOLOG. Un gruppo di letture distanti dalla firma energetica possono essere sintomo di malfunzionamenti nel generatore o nel suo bruciatore.

3 – In conclusione a chi e a cosa serve la firma energetica?

Dopo tutto quello che abbiamo affrontato sulla firma energetica è quasi scontato comprendere quanti impieghi abbia questo strumento grafico di progetto e di controllo.

La firma energetica è utile:

  • al progettista, che può valutare in prima approssimazione il comportamento dell'involucro e dell'impianto e dimensionare il generatore
  • a chi redige la diagnosi energetica dell'edificio, per valutare la risposta reale del generatore agli interventi di miglioramento attuati nell'edificio
  • al professionista che gestisce l'edificio, per seguire il funzionamento dell'immobile negli anni a venire, prevedere i consumi, evidenziare comportamenti anomali e introdurre correzioni nella gestione dell'edificio.
  • all'utente finale, all'utilizzatore dell'immobile, per interpretare in modo semplice comportamenti inadeguati nella conduzione dell'impianto.

BIBLIOGRAFIA:

  • EN 15378-3:2017, Energy performance of buildings - Heating and DHW systems in buildings - Part 3: Measured energy performance, Module M3-10, M8-10
  • Signature énergétique Qu’est-ce – Swiss énergie
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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.