Introduzione alla Simulazione Energetica in Regime Dinamico degli Edifici nZEB



Simulazione energetica in regime dinamico degli edifici a energia quasi zero (nZEB), regime stazionario e semistazionario, consumi energetici adattati all’utenza e diagnosi energetica. Con questo articolo cerchiamo di fare un pò di chiarezza su questi concetti chiave.

Simulazione Energetica in Regime Dinamico degli Edifici nZEB

La sempre maggiore attenzione alle problematiche ambientali ha spinto l’Italia, così come la maggior parte delle nazioni mondiali altamente energivore, ad adoperarsi per il contenimento dei consumi energetici in ambito edilizio.

In Italia, a partire dalla mitica “Legge 10”, sono stati emanati una serie di strumenti normativi che hanno portato all’obbligo, per gli edifici in procinto di realizzazione e per quelli soggetti a determinate tipologie di interventi di riqualificazione, del calcolo del fabbisogno energetico normalizzato dell’edificio e alla verifica della rispondenza di quest’ultimo ai limiti imposti dalla legge. È stato inoltre introdotto l’obbligo di redazione dell’Attestato di Prestazione Energetica per gli edifici di nuova costruzione e per la locazione o compravendita immobiliare.

In questo quadro sono entrati a far parte del linguaggio comune degli addetti ai lavori e dei cittadini, sempre maggiormente coinvolti nella ricerca di elevate prestazione energetiche e di comfort delle proprie abitazioni, termini quali: “Attestato di Prestazione Energetica” e “Calcolo energetico dell’edificio“.

La tendenza è di abbinare l’attività di analisi energetica condotta per la verifica di rispondenza ai requisiti prestazionali cogenti o per la redazione di un Attestato di Prestazione Energetica al concetto di simulazione energetica degli edifici.

In realtà i calcoli richiesti oggi dalla normativa sono effettuati in quella che viene definita “simulazione energetica in regime semi-stazionario“. Si tratta però solo della punta dell’iceberg di tutta quella branca di fisica dell’edificio che si occupa di simulazione energetica.

In questo articolo cercherò di portare alla luce il mondo sommerso della simulazione energetica, cercando di distinguere tra le metodologie di calcolo più idonee all’ottenimento di valori di verifica e di confronto, ovvero in regime stazionario o semi-stazionario e le metodologie di calcolo più idonee allo studio del comportamento dell’edificio, ovvero in regime dinamico, che maggiormente si sposano alle attività di progettazione avanzata come la diagnosi energetica, lo studio bioclimatico fino ad arrivare alla realizzazione di edifici a energia quasi zero, altrimenti detti edifici nZEB (nearly Zero Energy Building).




Cos’è la Simulazione Energetica degli Edifici?

La simulazione energetica consiste nella realizzazione di un modello numerico capace di descrivere le caratteristiche dell’edificio e degli impianti e nell’esecuzione di calcoli finalizzati all’ottenimento di informazioni energetiche del sistema edificio-impianto quando sottoposto a particolari sollecitazioni.

In pratica è necessario costruire una procedura di calcolo con tutti gli annessi algoritmi, inserire tutte le informazioni geometriche e termofisiche dell’edificio da simulare, nonché inserire tutte le informazioni prestazionali degli impianti, impostare le forzanti del sistema edificio-impianto (interne ed esterne) ed effettuare i calcoli.

Grazie all’intensa attività degli studiosi di fisica dell’edificio di tutto il mondo, sono disponibili oggi varie procedure di calcolo, utilizzanti metodologie più o meno dettagliate in funzione delle necessità di simulazione, già pronte all’uso; così come sono disponibili numerosi software che implementano tali procedure.

Per effettuare una simulazione energetica è quindi sufficiente, una volta selezionata la procedura più adatta ai propri scopi o il relativo software, inserire i dati necessari e lanciare i calcoli.

Ma come scegliere la procedura più adatta alle esigenze di simulazione?

Naturalmente, se la necessità è di risposta ad un obbligo di legge, sarà necessario seguire la procedura dettata, in potestà concorrente, dal governo centrale o dalla regione in cui è situato l’edificio.

Se invece si deve condurre una valutazione energetica al di fuori delle prescrizioni legislative, la risposta alla precedente domanda non è semplice e non può essere esausta se non con una adeguata formazione sulla materia e con anni di esperienza.

Ciò che però è possibile fare è distinguere tra procedure che si basano su metodologie di calcolo in regime stazionario o semi-stazionario e procedure che si basano su metodologie di calcolo in regime dinamico.

Le differenze principali tra le due metodologie sono:

  • la diversa entità dell’intervallo temporale di simulazione
  • la diversa modalità di gestione delle forzanti
  • la diversa modalità di calcolo del flusso di calore.

Simulazione Energetica in Regime Stazionario o Semi-Stazionario

Simulazione energetica in regime stazionario e semi-stazionario

Nella simulazione energetica in regime stazionario l’intervallo temporale di simulazione coincide con la stagione di riscaldamento o con la stagione di raffrescamento, mentre nel caso di simulazione energetica semi-stazionaria l’intervallo temporale di simulazione coincide con un singolo mese.

Il modello numerico, che possiamo definire semplificato, prevede dunque un trasferimento di energia tra edificio e ambiente esterno in condizioni fisse. Vengono mantenute cioè costanti all’interno dell’intervallo temporale di simulazione sia le modalità di utilizzo dell’edificio (occupazione, apporti interni, ecc.) sia le condizioni climatiche (temperature e condizioni atmosferiche).

Il calcolo energetico viene perciò effettuato come semplice bilancio termico, tra condizioni interne ed esterne all’edificio, attraverso l’utilizzo dell’analogia termoelettrica. Il flusso di calore dovuto al potenziale termico causato dalla differenza di temperatura tra interno ed esterno viene rallentato dalla resistenza costituita dalla trasmittanza del componente di involucro edilizio.

Si tratta in sostanza di un calcolo della potenza media trasferita attraverso l’involucro in base a condizioni al contorno medie (stagionali o mensili) e ad apporti termici medi. Moltiplicando il valore ottenuto per il periodo di tempo dell’intervallo temporale di simulazione e, nel caso di simulazione semi-stazionaria, sommando i contributi ti tutti gli intervalli (mesi), si ottiene il fabbisogno energetico dell’involucro edilizio.

Il consumo energetico (elettricità, gas naturale, ecc.) viene anch’esso calcolato in regime stazionario o semi-stazionario sulla base del fabbisogno energetico dell’involucro, rispettivamente stagionale o mensile, utilizzando dei fattori di correlazione che tengono conto del tipo di sistema impiantistico utilizzato.

Questa descrizione sommaria delle metodologie di calcolo in regime stazionario e semi-stazionario, forse non rende merito a tutto il lavoro di sviluppo necessario alla definizione di tutti i fattori di correlazione che permettono di semplificare in maniera solida fenomeni complessi in realtà ben più complessi, ciononostante è sufficiente per introdurre la dissertazione finale di questo articolo che tenterà di definire gli ambiti di utilizzo della metodologia.

Simulazione Energetica in Regime Dinamico

Simulazione-energetica-in-regime-dinamico

Anche nella simulazione energetica in regime dinamico, come per la simulazione energetica in regime stazionario o semi-stazionario, il flusso di calore segue l’analogia elettrotermica.

In aggiunta alle caratteristiche resistive dell’involucro sono però prese in considerazione anche le caratteristiche capacitive, ovvero si tiene conto anche della proprietà di immagazzinamento del calore degli elementi massivi dell’involucro. Si valorizza pertanto la cosiddetta inerzia termica dell’involucro edilizio opaco.

Ciò è possibile utilizzando un intervallo temporale di simulazione più breve rispetto al caso di simulazione energetica in regime stazionario o semi-stazionario e facendo in modo che le condizioni di partenza nei calcoli energetici per ciascun intervallo di tempo sia il risultato dei calcoli condotti per l’intervallo di tempo precedente.

È così che l’intervallo temporale di simulazione può arrivare fino al minuto e che la temperatura interna ai locali non sia un dato imposto, ma un risultato della simulazione energetica. In pratica è possibile non inserire l’impianto e vedere come fluttua – free floating – la temperatura interna del o dei locali al variare delle forzanti del sistema.

Queste ultime non sono fisse come nel caso precedente, ma programmate nel tempo attraverso l’utilizzo di schede temporali (occupazione, apporti gratuiti, ecc.) e di file climatici ricavati da elaborazioni statistiche.

Anche gli impianti seguono in maniera continuativa l’evoluzione dei parametri interni ai locali. L’impianto si attiva solo quando la temperatura di setpoint, o temperatura di comfort, non è soddisfatta, seguendo curve prestazionali e di rendimento funzione delle condizioni operative proprie dell’intervallo di tempo di simulazione.

In sintesi è come avere un termostato all’interno del locale che attiva e disattiva l’impianto in funzione della temperatura del locale ed avere un impianto le cui prestazioni dipendono tanto dalla sua potenza quanto dalle condizioni in cui esso opera.

È evidente come una simulazione energetica condotta in regime dinamico fornisce molte informazioni su come il sistema edificio-impianto risponde alle sollecitazioni (interne ed esterne). Ciò non toglie comunque che, integrando su tutto il periodo di simulazione i risultati energetici di dispersione attraverso l’involucro e di consumo di combustibile, sia possibile ottenere sia il fabbisogno energetico sia il consumo energetico (elettricità, gas naturale, ecc.) dell’edificio come si ha per i calcoli effettuati in regime stazionario o semi-stazionario.

Ma quando è bene preferire la simulazione energetica dinamica a quella stazionaria o semi-stazionaria?

Regime Dinamico VS Regime Semi-Stazionario

Simulazione energetica in regime dinamico e semi-stazionario

Sia simulando in regime stazionario o semi-stazionario sia simulando in regime dinamico è possibile conoscere il fabbisogno energetico ed il consumo di combustibile dell’edificio. Il maggiore livello di dettaglio nei risultati ottenibile nel caso di simulazione energetica dinamica potrebbe portare a pensare che sia sempre da preferire questo tipo di simulazione.

In realtà il maggiore dettaglio nei risultati viene ottenuto a fronte di un maggiore numero di input alla simulazione e a un maggior livello di conoscenza dei fenomeni fisici che stanno alla base del funzionamento dell’edificio da parte di chi conduce la simulazione.

Effettuare simulazioni in regime dinamico ha quindi un maggior onere di tempo sia di conduzione della singola simulazione sia di apprendimento dei metodi matematici e degli strumenti software da utilizzare.

Conviene dunque, ove sia richiesta la sola conoscenza del fabbisogno energetico e dei consumi annuali o stagionali dell’edificio, utilizzare metodologie stazionarie o semi-stazionarie.

Ciò è vero nel caso di calcolo energetico dell’edificio per la verifica della rispondenza ai requisiti legislativi ed è ancor più vero nel caso di certificazione energetica ove l’aspetto maggiormente importante è la possibilità di confronto tra due edifici della medesima destinazione d’uso.

Diverso è il caso in cui si debba condurre una diagnosi energetica. In questo caso conoscere il valore del consumo standard non è più sufficiente. In una diagnosi energetica la cosa fondamentale non è effettuare una stima del risparmio percentuale ottenibile da un intervento di riqualificazione energetica, ma calcolare, in base ai consumi evinti dalle bollette energetiche e quindi adattati all’utenza, il risparmio monetario effettivamente conseguibile.

Solo in questo modo è possibile eseguire una corretta valutazione dell’investimento.

Laddove poi la necessità primaria della simulazione è quella di verificare il comportamento dell’edificio quando sottoposto a particolari sollecitazioni, l’utilizzo di metodologie e strumenti dinamici diventa essenziale.

Effettuare uno studio bioclimatico di un edificio, per esempio, necessita assolutamente di uno studio approfondito della risposta dell’edificio alle condizioni climatiche in cui esso viene inserito. Solo tenendo opportunamente conto della massa termica e di tutte le possibili strategie bioclimatiche è possibile effettuare una corretta progettazione.

Infine, sebbene primo come importanza per il futuro nell’edilizia, è il caso della progettazione di edifici a energia quasi zero (nZEB). Solo calcolando con precisione tutti i consumi energetici adattati all’utenza e la modalità di sfruttamento delle fonti di energia rinnovabile è possibile prendere le opportune decisioni progettuali che permettano di avere edifici a consumo quasi zero, evitando per esempio il sovradimensionamento dell’impianto fotovoltaico che, dato l’elevato costo di installazione di quest’ultimo, potrebbe produrre una sovrastima dei risultati economici a lungo termine rendendo l’investimento non remunerativo come preventivato.

A cura di Daniele Di Giorgio

Photo credit: NASA Ames NAS

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  • Enrico

    Ciao Andrea,

    ti do una mia, seppur insignificante opinione, sulla progettazione di edifici a energia quasi zero.

    Anche si dovesse calcolare con precisione i vari consumi energetici e seppur sfruttando al massimo le più disparate fonti di energia rinnovabili, non credo che si potrà avere in tempi abbastanza brevi ed a costi accettabili, edifici a consumi quasi zero.

    Faccio una considerazione: ho un nipote che vive nella periferia di Las Vegas negli Stati Uniti d’America, in un fabbricato a due piani di circa 60 mq per piano è costruito interamente in legno.

    Da quello che ho riscontrato, nel periodo di soggiorno in quei luoghi, circa quattro anni fa, le pareti di questi edifici non superano lo spessore di cm 15 e sono formati da: esternamente da tavolato di cm 1,5, al centro di tre strati isolanti, con attaccato del sottile compensato o truciolato compresso di cm 3,5 circa l’uno, (non so bene di che tipo di materiale, a me sembrano in lana di roccia), ed infine dell’altro tavolato interno da cm 1,5.

    Faccio presente che, la temperatura media invernale è di 15° gradi, mentre quella estiva arriva a dei picchi di 45° all’ombra, con uno sbalzo termico di 30° gradi.

    L’energia che loro si avvalgono principalmente è quella elettrica,(non utilizzano pannelli fotovoltaici perchè dicono, si danneggerebbero), il consumo annuo di energia per il raffreddamento e riscaldamento è assai ridotto circa 500 dollari l’anno, considerando che il climatizzatore a pompa di calore è acceso quasi tutto l’anno.

    I fabbricati di questo tipo, sono per gran parte a schiera, costano mediamente 100.000 dollari, un prezzo che sembra assai accessibile, l’unico inconveniente e che in caso di incendio il tutto diventa un falò, (evento, verificatori recentemente in una contea limitrofa, nessun problema per loro dato che per legge devono essere assicurati in caso d’incendio).

    Non si potrebbe costruire anche da noi fabbricati di quel tipo, ad un prezzo assai contenuto ed aventi un isolamento termico alquanto valido, senza bisogno di progettazioni con calcoli farraginosi?

    • Daniele Di Giorgio

      Ciao Enrico,

      grazie per la domanda.

      Un edificio a zero energia (NZEB) è un edificio nel quale tutta l’energia consumata durante l’anno è uguale all’energia generata nello stesso periodo nel sito attraverso l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Da ciò che hai scritto, l’edificio di tuo nipote, non avendo pannelli fotovoltaici, non è NZEB a meno che non utilizzi per esempio biogas o eolico.

      La legislazione europea e conseguentemente anche quella italiana vuole rendere obbligatoria questa pratica progettuale edilizia. Naturalmente bisogna fare in modo che gli edifici costruiti diano il maggior beneficio economico e di comfort agli utenti.

      La valutazione economica deve essere fatta non in base a quanto si spende per acquistare un edificio di questo tipo, ma in base a quale sarà la convenienza economica negli anni a venire. È così che il grado di isolamento dell’involucro è un parametro da tenere sotto controllo, ma non è l’unico. Aumentando il grado di isolamento diventano percentualmente preponderanti i consumi energetici domestici (illuminazione, elettrodomestici, ecc.), tant’è che gli attuali limiti di legge di trasmittanza dell’involucro potrebbero anche andar bene. Quello che potrebbe diventare molto importante è per esempio il sistema di ombreggiamento che influisce sui carichi termici estivi e sull’illuminazione, oppure la massa termica delle pareti. Quest’ultimo è un fattore molto importante. Bisogna tener presente che nei nostri climi il problema del comfort estivo in edifici ben isolati è molto sentito. Nei paesi europei del nord l’utilizzo del fotovoltaico per compensare i consumi annuali è più diffuso e collaudato che nei paesi mediterranei.

      Tutti questi concetti per dire che fare un’attenta analisi è importante. Sicuramente gli studi sull’argomento porteranno delle linee guida da seguire in funzione del clima, ma per un edificio NZEB avere un’analisi su misura è solo a vantaggio dell’utente che può avere delle valutazioni su cui basare le proprie scelte in virtù di dove si trova l’edificio, come lo vuole e come lo utilizzerà.

      Concludo dicendo che i calcoli che chiami “farraginosi” sono i calcoli che vengono normalmente eseguiti negli Stati Uniti il cui governo ha creato il motore di calcolo EnergyPlus, probabilmente il più diffuso e più completo al mondo per le simulazioni energetiche dinamiche.

      Una piccola digressione la faccio anche sulla casa di tuo nipote. Dalla tua descrizione, le pareti dovrebbero avere 12 cm di isolante, valore che reputo discreto/buono in funzione del tipo di materiale; ciò che reputo insufficiente, ma tieni conto che non sono uno specialista in case in legno, è lo spessore dei tavolati interno ed esterno. Gli edifici in legno penso debbano avere spessori più elevati in modo da rallentare la propagazione dell’incendio. Inoltre per climi caldi è necessario avere una certa massa termica per mitigare fenomeni di surriscaldamento diurno; quindi sarebbe il caso di avere spessori di legno maggiori e pavimenti massivi.

      Un saluto.

      Daniele