Progettare il comfort estivo di un edificio

Metodi di calcolo stazionario mensile e dinamico orario a confronto

Ultimo aggiornamento: 20/04/2019 - Ing. Laura Guerini, Servizio di Assistenza Tecnica Logical Soft
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Tra le sfide più complesse nel progetto e riqualificazione di un edificio ad alte prestazioni energetiche vi è senz'altro conciliare il contenimento dei consumi invernali e controllare i fabbisogni in estate per garantire sempre adeguate condizioni di comfort.
In questo focus affianchiamo il metodo di calcolo stazionario mensile al vero progetto del comfort estivo usando il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG basato sulla UNI EN ISO 52016.
Attraverso un esempio pratico utilizziamo gli strumenti di calcolo a supporto delle decisioni progettuali che riguardano l'involucro edilizio, la scelta della schermatura solare, oltre al corretto sfruttamento della inerzia termica delle strutture e dei sistemi di ventilazione naturale per limitare l'uso degli impianti di raffrescamento e mantenere un comfort adeguato.

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Scegliere il metodo di calcolo più adatto
Partiamo dai metodi di calcolo disposti dalle norme. Normalmente per redigere un APE o una Ex-Legge 10 adottiamo il calcolo mensile: si tratta di un'analisi semistazionaria conforme al DM 26 giugno 2015 che, nel bilancio energetico, utilizza un singolo valore mensile per ogni dispersione, le temperature esterne e le irradianze.
In pratica presuppone che il valore di temperatura in un certo luogo e nell'arco di un mese, ad esempio luglio, sia sempre lo stesso a prescindere che sia giorno o notte, che sia il 1° o il 31 del mese.
È evidente che questa assunzione conduca a risultati lontani dalla realtà e nel progetto di edifici in regimi estivi si riveli poco efficace.

L' altra norma di riferimento è la UNI EN ISO 52016 in vigore da marzo 2018 che adotta il metodo di tipo dinamico orario.
Questo approccio si rivela molto efficace nel calcolo dei fabbisogni per raffrescamento per i quali è indispensabile considerare su base oraria le ripercussioni dei fenomeni dinamici nel tempo.
Grazie a questo metodo possiamo verificare l'effettivo comfort degli occupanti simulando la condizione reale degli ambienti.

Entrambe queste metodologie di calcolo sono valutabili con TERMOLOG: possiamo infatti costruire il modello energetico dell'edificio e scegliere quindi di redigere la Ex-Legge 10 con il Modulo PROGETTISTA usando il metodo mensile.
Lo stesso modello energetico possiamo calcolarlo con il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG e considerare ora per ora il comportamento dell'edificio in estate.

Il ruolo dell'isolamento termico
Si sa che un buon isolamento termico dell'involucro edilizio influisce sul fabbisogno di riscaldamento. Il ruolo di tutti i materiali isolanti è infatti proteggere l'edificio da perdite di calore nella stagione invernale. In questo modo aumenta il comfort interno degli ambienti, si riducono i consumi dell'impianto e con essi i costi relativi alle risorse energetiche.

Ma l' isolamento termico è utile anche per migliorare il comfort estivo?

Pensiamo al tradizionale isolamento termico a cappotto. Quando si realizza un intervento con cappotto esterno ci si aspetta una diminuzione del fabbisogno di energia termica utile di riscaldamento Q H,nd.

Ma anche in estate l'isolante continua a trattenere calore. Questo significa che il caldo resta intrappolato all'interno degli ambienti e per stare meglio si accende l'impianto di raffrescamento con conseguente aumento dei consumi e delle bollette. Ecco che l'indice di prestazione globale di energia primaria (EP gl,nren) di questo edificio invece di diminuire aumenta: l'intervento si rivela peggiorativo. Prendiamo in esame un edificio sito a Milano adibito a uffici dove si ipotizza di fare un intervento migliorativo con cappotto. In questo caso utilizziamo il calcolo semi-stazionario mensile.
Lo strumento Confronta di TERMOLOG mostra come realizzare un nuovo cappotto termico possa peggiorare la classe energetica invece che migliorarla
Lo strumento Confronta di TERMOLOG mostra come realizzare un nuovo cappotto termico possa peggiorare la classe energetica invece che migliorarla

Grazie allo strumento Confronta di TERMOLOG possiamo analizzare in modo puntuale tutti gli scenari migliorativi calcolati. Nell'immagine si vedono i risultati ottenuti realizzando un cappotto termico di 10 cm.
Soffermiamoci ora sul comportamento dell'edificio in regime estivo nella tabella seguente.

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È evidente che il fabbisogno di energia termica utile per riscaldamento (QH,nd) diminuisce. È proprio il risultato atteso.

Se spostiamo ora l'attenzione sul fabbisogno di energia termica utile per raffrescamento dell'involucro (Q C,nd) scopriamo che aumenta.
Non solo, questa variazione è in percentuale molto superiore rispetto a quella del Q H,nd.

Migliorare il fabbisogno di riscaldamento può significare peggiorare il fabbisogno di raffrescamento.
Se quest'ultimo prevarica si ottiene un peggioramento dell'indice di prestazione globale, rivelando così un intervento "non migliorativo". Ne deriva un risultato sicuramente difforme dall'attesa ma soprattutto gravoso per il tipo di edificio.
In queste condizioni l'isolamento termico risulta uno svantaggio perché riduce le dispersioni di calore che raffredderebbero naturalmente l'ambiente: sarebbe allora necessario attivare i gruppi frigoriferi, con il relativo consumo energetico.

Per intervenire in maniera coerente con questo involucro abbiamo a disposizione almeno un paio di alternative.
La prima è bilanciare in maniera corretta i fabbisogni di energia termica QH,nd e QC,nd. Ridurre cioè progressivamente lo spessore dello strato isolante fin quando la variazione percentuale diventa maggiore per riscaldamento che per raffrescamento.
La seconda è intervenire anche sulle strutture trasparenti. I serramenti e le relative schermature incidono nello specifico sul calcolo degli apporti solari e quindi del Q C,nd che va ridotto.

Lo studio delle schermature mobili
Dopo l'involucro opaco passiamo ora alla scelta delle schermature mobili e valutiamo in termini energetici il contributo degli apporti solari entranti.
Se riduciamo gli apporti solari si abbassa anche il Q C,nd cioè la richiesta di fabbisogno di energia termica utile dell'involucro per raffrescamento. Questo comportamento è evidente già nel calcolo mensile semistazionario: un fattore correttivo lavora direttamente sugli apporti solari, riducendoli di una percentuale più o meno significativa in base alla tipologia di schermatura scelta.
Tuttavia il metodo mensile calcola appunto con valori medi mensili non solo i fattori correttivi ma anche la temperatura esterna e l'irradianza, che sono quelle medie tra il giorno e la notte.

Ad esempio nel comune di Milano, per la redazione di un APE o una Ex-Legge 10, si deve assumere che per tutto il mese di luglio la temperatura esterna è considerata pari a 24,5°C e l'irradiazione solare diffusa è 8,8 MJ/m 2 (UNI 10349:2016). Entrambi questi valori sono costanti di giorno e di notte.

Ecco perché, soprattutto per stimare il raffrescamento, bisogna affidarsi a un calcolo più accurato.
Il Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG introduce la reale oscillazione in termini orari di temperatura esterna, irradianza e incidenza dell'inclinazione solare per il calcolo degli apporti solari nell'arco delle 24 ore di ciascun giorno di ciascun mese dell'anno (anno tipo CTI 2010).
Valutare i fenomeni dinamici su base oraria rende i risultati più vicini alla realtà.

Se il nostro obiettivo è mantenere fresco l'edificio proteggendolo dalle sollecitazioni climatiche esterne è meglio allora optare per una veneziana o un frangisole? Ricordiamo che ci interessa una risposta in energia in termini di apporto solare entrante.

TERMOLOG permette di attivare su ciascuna struttura trasparente delle sonde virtuali e di registrarne ora per ora il comportamento termico, così da visualizzare il contributo del serramento sull'apporto solare entrante.

Prendiamo ad esempio il nostro edificio.
Nei grafici seguenti è possibile apprezzare la differenza di apporto solare entrante data da un serramento schermato con una veneziana interna (sopra) piuttosto che con un frangisole esterno motorizzato con controllo automatico dell'irradianza di soglia a 150W/m 2 (sotto).

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La differenza cromatica dei grafici mostra che è più efficace una schermatura frangisole esterno motorizzato automatico (sotto) rispetto ad una veneziana interna bianca (sopra)

La differenza è evidente già dalla scala cromatica dei grafici risultanti: il colore rosso acceso del primo mostra come la veneziana interna scherma meno gli apporti solari rispetto al frangisole esterno del secondo, decisamente più aranciato.
Analizzando nei risultati delle sonde il dettaglio, si nota che nel giorno più critico all'ora più critica la differenza di apporto solare entrante registrata è di oltre 150W per un singolo serramento. Se moltiplichiamo il risultato ottenuto per tutti i 20 serramenti presenti nella zona termica, si raggiunge un gap di più di 3000W.
Cioè il risparmio energetico di uno split dell'aria condizionata! Possiamo addirittura evitare di installarlo semplicemente adottando schermature mobili studiate ad hoc per il tipo di involucro.

Un salto energetico così deciso è dovuto sia alla differente tipologia di schermatura scelta ma anche al differente uso: il frangisole ha un controllo automatico dell'irradianza mediante un sensore che ne rileva il valore di soglia.
Ciò significa che nelle ore di ciascun giorno in cui l'irradianza solare supera il valore soglia, la schermatura viene abbassata. Che sia automatico o manuale, questo controllo si rivela davvero strategico.
Con TERMOLOG possiamo infatti impostare anche un programma di utilizzo manuale delle schermature mobili in modo che esse vengano "abbassate" in ore specifiche definite dall'utente.

Le sonde virtuali di temperatura sono uno strumento strategico per ottimizzare l'utilizzo delle schermature mobili e sfruttare gli apporti solari nei mesi invernali o ridurli nei mesi estivi. Vuol proprio dire valutare soluzioni tecnologiche e costruttive efficaci, profilarne l'uso differente tra giorno e notte e soprattutto ottimizzarlo nelle ore di massima insolazione diurna per evitare di surriscaldare gli ambienti.

Analisi dello sfasamento termico
Così come avviene per il calcolo degli apporti solari, anche per quanto riguarda gli effetti inerziali giornalieri il metodo semistazionario mensile non è in grado di considerare fenomeni reali importanti. L' inerzia termica è la capacità di un materiale o di una struttura di trasferire calore più o meno lentamente in base a determinate condizioni esterne ed è legata sia alla capacità (densità e calore specifico) che alla conduttività dei materiali.
Analizzare l'inerzia termica sul comportamento dell'involucro significa valutare l'effetto combinato di accumulo termico e resistenza termica di una struttura.
Un involucro che si comporti bene anche d'estate deve sfruttare l'effetto dell'inerzia in modo tale che il picco massimo della temperatura interna si registri quando la temperatura esterna si attenua, cioè avvicinandosi alle ore serali.
Per analizzare i tempi di risposta inerziali è necessario avvalersi dell'approccio dinamico orario: con un passo temporale ridotto all'ora (e non più al mese) e un modello che considera la ripercussione dei fenomeni nel tempo (dinamico e non stazionario) la nostra analisi si avvicina sensibilmente al reale comportamento dell'edificio.

Vediamo come si comporta il nostro edificio ad uso uffici sito a Milano nel giorno più caldo dell'anno e concentriamoci sulle temperature interne della zona termica.
Il diagramma mostra come all'aumentare dell'irradianza esterna (curva in giallo), aumentano la temperatura interna dell'aria (in rosso), la temperatura interna media radiante (in lilla) e la temperatura interna operante (in arancio).
Questo significa che da quando sorge il sole aumenta la temperatura interna degli ambienti e quella delle superfici disperdenti dell'involucro dell'edificio. Un comportamento teorico sicuramente in linea con la realtà.
Quando si ottiene il picco massimo di temperatura interna dell'aria? Il grafico mostra che è alle ore 16:00 quando l'irradianza e la temperatura esterna si abbassano.

Analisi dei tempi di risposta inerziali sul comportamento dell'involucro di TERMOLOG - Motore DINAMICO ORARIOAnalisi dei tempi di risposta inerziali sul comportamento dell'involucro di TERMOLOG - Motore DINAMICO ORARIO

Più una parete è massiva più la temperatura interna diurna sarà costante, in estate o in inverno. L'oscillazione della temperatura esterna viene smorzata all'interno grazie all'ottima inerzia.
Se in estate la temperatura massima esterna si presenta quando la temperatura all'interno è moderata il comfort migliora e potremo usare di meno il climatizzatore.

Free cooling: sistema di ventilazione naturale
I carichi endogeni e quelli per irraggiamento solare vengono normalmente denominati "apporti gratuiti" perché, se ci si riferisce al solo riscaldamento, contribuiscono a diminuire il fabbisogno energetico.
Il termine gratuito è corretto finché le dispersioni termiche sono maggiori dei valori di tali carichi: quando avviene il contrario è necessario smaltire il calore in eccesso altrimenti aumenta in modo fastidioso la temperatura interna.

Una valida alternativa progettuale per il regime estivo risulta essere il free cooling, ovvero il "raffreddamento libero" degli ambienti: è un sistema di ventilazione naturale che non spreca energia perché sfrutta semplicemente la differenza di temperatura tra ambiente interno ed ambiente esterno.
Oltre a non incidere negativamente sull'ambiente, proprio grazie al consumo nullo di energia per il suo funzionamento, consente anche un interessante risparmio in termini di costi in bolletta.

Vediamo gli effetti del free cooling in termini di temperatura. È sufficiente estendere nei profili d'uso del Motore DINAMICO ORARIO di TERMOLOG una portata di ventilazione notturna che favorisca strategicamente i ricambi d'aria naturali nel periodo estivo. Nel caso dell'ufficio esaminato, la portata di aria di rinnovo è impostata pari a 400m 3/h e la portiamo a 800m 3/h nelle ore notturne estive.

Confrontiamo rispetto al grafico precedente i risultati nel giorno più caldo dell'anno: la temperatura interna durante tutto l'arco della giornata diminuisce di quasi 2°C.

Non solo, nel periodo notturno possiamo verificare quanto questa strategia riesca a massimizzare il comfort: si nota dai diagrammi come si abbassa sensibilmente la temperatura interna della zona, la temperatura interna operante e le strutture disperdenti dell'involucro rappresentate dalla temperatura interna media radiante.

Adottando il free cooling si può apprezzare una notevole riduzione delle temperature interneAdottando il free cooling si può apprezzare una notevole riduzione delle temperature interne

Questa soluzione permette proprio di beneficiare della temperatura esterna nei momenti in cui essa è più confortevole rispetto a quella interna, evitando contestualmente un uso eccessivo dei sistemi di raffrescamento e contenendo così i costi.

Conclusioni
Progettare un edificio che metta al centro il benessere climatico in estate oltre che in inverno e inoltre lo faccia riducendo i consumi energetici significa soddisfare il proprio cliente e aumentare il valore dell'immobile.

Nel caso analizzato, un edificio a uso ufficio, TERMOLOG è stato uno strumento di supporto alle decisioni: scegliendo tra metodo di calcolo mensile e orario ci ha condotto verso le giuste scelte progettuali riguardo a involucro opaco, schermature solari, inerzia termica e sistemi di ventilazione naturale, evitando l'ingresso di calore e limitando l'uso degli impianti di raffrescamento.

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Laura Guerini

Ingegnere edile / Architetto

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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.