Simulazione Energetica Dinamica: 16 Motivi per cui Devi Assolutamente Utilizzarla

La simulazione energetica dinamica è uno strumento molto potente per la progettazione ecosostenibile degli edifici a energia quasi zero (nZEB).

Sono molti gli aspetti che possono essere studiati, in maniera esaustiva e quasi esclusivamente, con strumenti di simulazione energetica in regime dinamico.

Ne ho elencati 16: secondo te quali altri aspetti possono essere analizzati?

Cerchiamo quindi di capire quali sono le potenzialità della simulazione energetica dinamica e perchè devi assolutamente utilizzarla nella progettazione di edifici a energia quasi zero.

Abbiamo già visto le differenze tra software per la simulazione energetica che implementano metodologie di calcolo in regime stazionario o semi-stazionario e software che implementano metodologie di calcolo in regime dinamico.

Abbiamo fatto poi una panoramica di questi ultimi elencando i motori di calcolo più largamente utilizzati e le eventuali loro interfacce grafiche.

Ci siamo quindi addentrati alla scoperta del funzionamento di EnergyPlus, motore di calcolo free e open source sviluppato dal U.S. Department of Energy, che personalmente reputo uno degli strumenti più completi a disposizione dei progettisti.

In questo articolo cercherò di chiudere il cerchio descrivendo come la simulazione energetica dinamica possa essere un valido ausilio alla progettazione edilizia ecosostenibile.

Il primo aspetto che affronterò riguarda la progettazione bioclimatica la quale si applica soprattutto, ma non solo, alla progettazione ex-novo di edifici.

Passerò quindi alla riqualificazione energetica degli edifici esistenti che come ben sappiamo, in un Paese come l’Italia, rappresenta la vera sfida per il futuro. Più nello specifico parlerò di diagnosi energetica la quale, per avere un’elevata qualità, deve essere adattata all’utenza.

Una volta gettate le basi, mi soffermerò quindi sulla realizzazione di edifici nZEB la quale costituirà nel prossimo futuro uno standard progettuale che riguarderà sia la progettazione di nuovi edifici sia la riqualificazione di quelli esistenti.

La Progettazione Bioclimatica con la Simulazione Energetica Dinamica

La bioclimatica consiste nella valorizzazione degli elementi atmosferici del sito di edificazione al fine di ottenere buone condizioni di comfort all’interno degli spazi abitabili a prescindere dall’utilizzo di sistemi impiantistici di climatizzazione.

Ecco quindi che la progettazione bioclimatica si avvale di:

• orientamento dell’edificio
• grado di coibentazione dell’involucro edilizio
• massa termica del singolo ambiente
• controllo della radiazione solare entrante dai componenti trasparenti dell’involucro
• ventilazione naturale
• umidificazione.

Molti di questi aspetti sono collegati gli uni agli altri e devono essere bilanciati al fine di avere il massimo effetto utile in termini di comfort e di risparmio energetico.

L’orientamento dell’edificio, per esempio, è strettamente collegato alla radiazione solare, nonché alla ventilazione. D’altro canto l’utilizzo di massa termica ha poco senso se non si provvede allo smaltimento del calore assorbito dalla struttura con un’opportuna ventilazione notturna. Quante volte ho sentito dire da dei colleghi riguardo a edifici già realizzati o in fase di realizzazione: se solo l’avessero costruito ruotato di “tot” gradi!

Per una buona progettazione è perciò necessario valutare tutti gli aspetti bioclimatici dell’edificio collegati al clima della località di edificazione in modo dinamico, ovvero nel loro evolversi nel tempo. Solo in questo modo è possibile verificare, oltre al beneficio complessivo, anche situazioni puntuali di discomfort che potrebbero verificarsi.

Ma partiamo dall’inizio.

Una volta definito il lotto in cui l’edificio sarà realizzato e la configurazione architettonica dell’immobile è possibile decidere in via preliminare l’orientamento da dare all’edificio.

Molti si chiederanno a questo punto come sia possibile far coincidere messaggio architettonico, integrazione paesaggistica e comportamento bioclimatico dell’edificio.

In un’ottica di progettazione integrata nessuno di questi aspetti deve essere lasciato al caso, ma la nuova estetica progettuale impone dei compromessi che possono offrire nuovi orizzonti interpretativi.

Progettare un edificio significa quindi avere già in mente come esso dovrebbe interagire con l’ambiente in cui è inserito. A me piace definirlo: l’edificio come organismo. Decidere in via preliminare l’orientamento da dare all’edificio non deve però spaventare. L’esperienza certamente aiuta molto il progettista, ma ci sono delle regole di base abbastanza semplici.

In un clima caldo, per esempio, si cercherà di limitare al minimo indispensabile le vetrate a sud e, come vedremo tra poco, si valuterà la possibilità di inserire elementi architettonici capaci di controllare la radiazione solare.

Il secondo passo sarà quello di definire il corretto isolamento dei componenti di involucro. In questo senso la normativa vigente dà già buone indicazioni. Potrebbe però essere necessario un isolamento più spinto per portare al minimo le dispersioni e gli apporti termici.

Attenzione però che aumentare molto l’isolamento è giustificabile fino ad un certo punto, come vedremo in dettaglio negli edifici nZEB.

In climi temperati come quelli italiani l’eccessivo isolamento potrebbe inoltre portare fenomeni di surriscaldamento estivo. Per mitigare questo fenomeno diventa fondamentale prevedere sistemi di controllo della radiazione solare e aumentare la massa termica dell’edificio.

Una simulazione energetica dinamica permette di valutare step by step l’efficacia di aggetti o altri elementi architettonici preposti al controllo della radiazione solare. Questi devono infatti essere in grado di permettere l’apporto solare nella stagione invernale e la schermatura della radiazione nella stagione estiva.

Oltre ad una valutazione complessiva a lungo termine, di per sé molto utile e molto precisa con strumenti dinamici, è bene monitorare l’andamento della temperatura interna dell’aria nell’intero arco della giornata per evitare che gli apporti solari assieme agli apporti dovuti alle attività umane nei periodi di occupazione dei locali provochino fenomeni di surriscaldamento indesiderato.

Sia la valutazione a lungo termine, sia la valutazione puntuale, può portare ad una rivisitazione dell’orientamento, del layout degli elementi finestrati e della configurazione degli elementi di schermatura.

Una volta raggiunta la configurazione architettonica ottimizzata, è possibile mitigare ulteriormente eventuali fenomeni di surriscaldamento dei locali aumentando la massa termica dell’edificio. Metodi di soluzione della conduzione attraverso l’involucro alle Funzioni di Trasferimento o alle Differenze Finite, permettono di valutare l’effetto degli elementi massivi sull’andamento della temperatura interna dei locali.

Inoltre, grazie alla strategia dell’airflow network, all’utilizzo di algoritmi che tengono conto dell’effetto di galleggiamento dell’aria e ai parametri disponibili nel file climatico, è possibile valutare il contributo bioclimatico generato dall’utilizzo di strategie di ventilazione naturale.

Lo sfruttamento della ventilazione naturale offre sia la possibilità di raffrescamento naturale diurno nella mezza stagione, sia la possibilità di smaltimento notturno del calore immagazzinato nella struttura durante il giorno in estate.

Posizionare bocchette di ventilazione, rivedere la disposizione e l’altezza delle finestre, prevedere logiche comportamentali degli occupanti, sono accorgimenti che, pur modificando l’aspetto architettonico, possono migliorare notevolmente le condizioni di comfort interno.

Anche predisporre sistemi domotici, sebbene questi ultimi non siano completamente affini alla filosofia bioclimatica, possono portare benefici sostanziali.

Ulteriori strategie possono essere costituite dall’utilizzo di pareti di Trombe, serre solari o da sistemi a doppia pelle.

L’edificio così progettato avrà già ottime prestazioni energetiche e di comfort, ma necessiterà comunque l’implementazione di un sistema impiantistico idoneo. Quest’ultimo dovrà avere le opportune logiche di funzionamento atte ad evitare che vengano vanificate le strategie bioclimatiche implementate.

Diagnosi e Riqualificazione Energetica di Edifici con la Simulazione Dinamica

Una corretta diagnosi energetica non può prescindere da un’analisi energetica accurata basata su come l’edificio è o sarà utilizzato. Il modello dovrà perciò essere realizzato sulla base di tre fattori fondamentali:

• stato di fatto dell’edificio
• comportamento degli occupanti
• costo dell’energia.

La prima cosa da fare in una diagnosi energetica è reperire tutte le informazioni possibili riguardo la geometria, la tipologia costruttiva e le caratteristiche termiche e fisiche dell’involucro edilizio.

Dove non è possibile ottenere tutte le informazioni per via documentale è necessario utilizzare strumenti diagnostici, possibilmente non invasivi o procedere per affinità costruttiva rispetto al periodo di edificazione dello stabile.

Contemporaneamente è necessario ottenere dagli utilizzatori dell’immobile tutte le informazioni possibili riguardo le modalità di utilizzo dello stesso e il loro comportamento.

È importante avere informazioni sui periodi di occupazione e sull’utilizzo delle apparecchiature domestiche, nonché sulle abitudini comportamentali quali la ventilazione, l’utilizzo dell’illuminazione o le temperature di comfort utilizzate.

Questi aspetti sono fondamentali per distinguere tra i consumi energetici legati all’utilizzo dell’impianto di climatizzazione e quelli da quest’ultimo disgiunti.

Infine bisogna effettuare un’analisi della bolletta individuando l’andamento temporale dei consumi e il costo ad essi associato almeno per gli ultimi 5 anni di utilizzo.

Sicuramente la carenza di informazioni reperibili dalle bollette rende questa attività abbastanza tortuosa, ma è possibile comunque individuare andamenti mensili o bimensili associabili a utenze specifiche, soprattutto in caso di consumo separato di elettricità e gas.

Sta nell’esperienza e nella sensibilità dell’Auditor riconoscere questi profili. La speranza per il futuro è che venga incrementato il dettaglio del profilo dei consumi e di conseguenza le informazioni utili alle diagnosi energetiche.

Per il momento la diagnosi deve essere effettuata in virtù di tutte le evidenze riscontrabili durante il sopralluogo, l’intervista agli utenti e all’analisi della bolletta.

Con questi dati è possibile effettuare quella che definisco la “taratura del modello energetico“.

In pratica è necessario modificare i valori di trasmittanza, infiltrazione d’aria nell’involucro edilizio, così come l’entità degli apporti gratuiti dovuti ad apparecchiature e illuminazione.

Procedendo iterativamente secondo la sensibilità dell’Auditor e grazie alla flessibilità di un sistema di calcolo energetico dinamico è possibile avvicinarsi al profilo dei consumi realmente sostenuti per l’utilizzo dell’edificio.

Una volta tarato il modello viene quindi studiata la fattibilità tecnica ed economica di ogni singola ipotesi di intervento e di alcuni scenari che contemplano più ipotesi di intervento congiuntamente.

La valutazione economica deve tener conto di tutti i fattori economici necessari e di un periodo di valutazione dell’investimento congruo, di solito 25 anni, alla vita dell’immobile. In questo modo è possibile dare evidenza all’investitore-proprietario del periodo di rientro dell’investimento e della reddittività dello stesso.

In EnergyPlus è presente un modulo dedicato alla valutazione del Costo del Ciclo di Vita (LCC – Life Cycle Cost), che può essere utilizzato assieme ai calcoli energetici per valutare la bontà di una scelta progettuale rispetto ad un’altra.

Progettazione di Edifici a Energia Quasi Zero (nZEB)

Che si tratti di progettare un nuovo edificio o che si tratti di riqualificare un edificio esistente per la realizzazione di un edificio nZEB restano valide tutte le indicazioni progettuali e le metodologie descritte finora per la progettazione bioclimatica e per la diagnosi energetica.

Nella progettazione di edifici a energia quasi zero diventa fondamentale però creare un modello di edificio che riproduca quanto più fedelmente possibile il modo in cui l’immobile verrà utilizzato.

Un edificio nZEB è per definizione un edificio che genera attraverso l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabile tutta o quasi l’energia che consuma. Questa tipologia di edifici utilizzerà dunque solo elettricità che produrrà quasi sempre attraverso l’utilizzo di un impianto fotovoltaico. Quest’ultimo, come è ben noto, ha elevati costi iniziali ammortizzabili negli anni. Questo fa sì che la valutazione economica sia l’elemento più importante e più delicato da affrontare.

Sottostimare o sovrastimare grossolanamente le dimensioni dell’impianto fotovoltaico potrebbe portare risultati economici molto penalizzanti per il costruttore che in questo caso diventa un vero e proprio investitore.

Profili di utilizzo e tasso di consumo di tutte le apparecchiature dell’edificio, preposte o meno alla climatizzazione, devono essere opportunamente studiate e modellate.

Anche le tariffe energetiche utilizzate nei calcoli assumono rilevante importanza, così come assume rilevante importanza conoscere il profilo temporale di generazione dell’elettricità.

La simulazione energetica dinamica permette dunque di mettere in relazione profili di generazione e profili di consumo dell’elettricità e associare ad essi la relativa tariffa energetica.

N.B.: Ti piacerebbe saperne di più?

A cura di Daniele Di Giorgio

Photo credit: Architect-lab