La variazione climatica consente di apprezzare i vantaggi dati dalla capacità termica dell’involucro
Gli aspetti energetici e le problematiche ad essi connesse giocano sempre più un ruolo fondamentale per la progettazione degli edifici. Per ovviare al problema della complessità della raccolta dati, di una reale simulazione dinamica del comportamento energetico dell'edificio, gli enti di normazione hanno definito procedure semplificate, passando dalla valutazione su base oraria alla base stagionale e mensile. Tali procedure (definite "quasi-stazionarie") sono state tradotte in norme che richiedono semplificazioni metodologiche, quali quelle di derivazione CEN (Comitato Europeo di Normazione), e costituiscono il riferimento su cui si basano anche i decreti nazionali di recepimento della EPBD, Direttiva UE sull'efficienza energetica degli edifici. Attualmente i software in commercio destinati alla certificazione energetica, così come quelli messi a disposizione da ITC-CNR o dalle singole Regioni, restituiscono una serie di dati e di indicatori sulle prestazioni energetiche su base mensile. Questi hanno il vantaggio di essere facilmente utilizzabili, ma non sono in grado di apprezzare debitamente gli effetti delle variazioni climatiche rilevabili nell'arco delle 24 ore.
Ma a questo punto: perché non delegare al medesimo strumento informatico un codice di calcolo più sofisticato, ossia su base oraria, dal momento in cui l’utente è sollevato da ogni onere di computazione? Quali effetti potrebbero rivelare procedure di calcolo più sofisticate celate dietro una interfaccia che presenti la medesima consistenza di dati di input richiesti per il computo semplificato?
Per gli addetti ai lavori è consuetudine ricorrere a strumenti di simulazione sofisticati, per calcolare il reale comportamento termico-dinamico del sistema costruttivo. Sono infatti ben noti al mondo scientifico e professionale diversi software che consentono di ricreare il comportamento energetico del sistema edilizio prendendo in considerazione sia le oscillazioni delle condizioni interne sia le fluttuazioni delle condizioni climatiche, entrambe rilevati su base oraria.
Per comprendere come il comportamento energetico dell'edificio, oggetto di analisi, vari al cambiamento della metodologia di calcolo riportiamo una articolo di Simone Ferrari - Ricercatore di Fisica Tecnica Ambientale presso il Dipartimento BEST del Politecnico di Milano – in cui ha presentato i risultati di uno studio incentrato sulle implicazioni che le procedure di calcolo semplificate e le valutazioni dinamiche possono avere sul bilancio energetico dell'edificio. Lo studio rivela come le procedure semplificate siano poco sensibili nell'apprezzare gli effetti della capacità termica dell'edificio nel rispondere alla variabilità delle condizioni climatiche.
Effetti della capacità termica valutati con simulazioni dinamiche
Caso di Denver, freddo invernale e caldo secco estivo
Per un recente studio commissionato dal U.S. Department of Energy – Energy Efficiency and Renewable Energy Office of Building Technologies – di Washington, D.C. (Henninger e Witte 2007), è stato testato, secondo standard ANSI/ASHRAE 140-2004, il livello di sensibilità dei più noti modelli di simulazione dinamici nell’apprezzare gli effetti della capacità termica degli edifici. Un edificio-tipo, a configurazione variabile, è stato simulato con diversi software (EnergyPlus, ESP, BLAST, DOE-2, SRES/SUN, SERI- RES, S3PAS, TRNSYS, TASE) nelle condizioni climatiche di Denver (40° Lat. N, città dal clima freddo invernale e caldo secco estivo). Sono state considerate due soluzioni edilizie, ad alta e bassa capacità termica, aventi trasmittanza termica di involucro analoga. Per tutte le configurazioni considerate nello studio (orientamento delle aperture, presenza di elementi ombreggianti, regime di funzionamento degli impianti, presenza di serra per il periodo invernale e strategia di ventilazione notturna per il periodo estivo), i modelli di calcolo dinamici utilizzati hanno diagnosticato inequivocabilmente l’efficacia della capacità termica edilizia sia in inverno che in estate, con vantaggi energetici massimizzati in caso di free-cooling notturno durante il periodo estivo.
Muovendo da questi risultati, nell’ambito di una ricerca svolta al Politecnico di Milano, si è voluto verificare quale ruolo avesse, in termini di efficacia prestazionale, la capacità termica dell’involucro edilizio, a parità delle restanti soluzioni costruttive adottate (partizioni verticali interne e solai). A tale scopo, con il codice di calco- lo DOE-2 è stato condotto un set di simulazioni su alcuni edifici-tipo di diversa dimensione (rapporti S/V pari a 0.22, 0.43, 0.64 e 0.83, rispettivamente), con modalità occupazionali e gestionali costanti nel tempo, variando le sole caratteristiche delle murature perimetrali, confrontando cioè le prestazioni date da stratigrafie di involucro convenzionali in laterizio rispetto a quelle ottenute da un involucro “iperleggero” (isolante in sandwich), a parità di trasmittanza termica risultante U = 0,5 W/m2K.
La sensibilità del codice di calcolo dinamico utilizzato ha diagnosticato scostamenti prestazionali significativi in presenza di involucro edilizio dotato di capacità termica, sia per quanto riguarda il fabbisogno di energia termica invernale che per quello estivo. Nel grafico 1 sono riportate le riduzioni percentuali di fabbisogno termico invernale ed estivo delle tipologie in laterizio rispetto a quella “iperleggera”.
Procedure semplificate e capacità termica
Contrariamente a quanto emerso con le precedenti simulazioni dinamiche, nell’applicazione della procedura semplificata prevista dalla normativa vigente ( basata sulla specifica tecnica UNI/TS 11300) la capacità tecnica dell’edificio assume un ruolo di scarso rilievo, sia in termini di fabbisogno energetico invernale che di fabbisogno energetico estivo. Ne è prova il confronto, eseguito secondo la norma tecnica, tra due edifici-tipo, distinti da valori di capacità termica pari a 165 kJ/m2K per la struttura più “massiva” e pari a 85 kJ/m2K per la struttura più “leggera”, con medesime trasmittanze termiche d’involucro. I dati climatici medi mensili utilizzati per la valutazione (ex UNI 10349) sono riferiti alla città di Milano.
Come si evince dal grafico 2, il bilancio energetico rilevato per la struttura “massiva” e per quella “leggera” evidenzia valori di fabbisogno di energia con differenze stagionali contenute nell’ordine dell’1 ÷ 5% (estate-inverno).
La variabilità delle condizioni climatiche: un aspetto determinante
Allo scopo di verificare quanto possa incidere l’effetto della variazione climatica sul bilancio energetico un edificio-tipo, analogo a quello descritto precedentemente, sono stati sottoposti a confronto un foglio elettronico impostato secondo l'approccio semplificato della precedente norma UNI EN 832, e il codice di calcolo dinamico orario DOE-2.
Il set delle simulazioni effettuate, calcolando il bilancio termico con la procedura semplificata su base stagionale e tramite il codice dinamico su base oraria, ha previsto il confronto di prestazione tra due varianti del medesimo edificio: mantenendo invariate le caratteristiche delle partizioni orizzontali e verticali interne, sono stati considerati un involucro “massivo” (laterizi pieni intonacati) e un involucro “leggero” (sandwich di fibrocemento e cartongesso con interposta lana di roccia), entrambi aventi la medesima trasmittanza termica U = 0,8 W/m2K.
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UNI EN 832 |
I due diversi edifici sono stati simulati con procedura dinamica (caso 2) escludendo l’apporto di radiazione solare sulle superfici opache (azzerando i coefficienti di assorbimento della radiazione solare e di emissione nell’infrarosso dei materiali superficiali esterni), ottenendo dunque un modello basato su un approccio del tutto analogo a quello previsto con la procedura semplificata (caso 1). Successivamente, è stato simulato l’edificio con il codice dinamico senza “forzare” il mancato apporto di radiazione solare sulle superfici opache (caso 3), assegnando ai materiali superficiali esterni i coefficienti di assorbimento della radiazione solare e di emissione nell’infrarosso. I risultati di fabbisogno termico invernale dei tre casi descritti sono rappresentati nel grafico 3.
Risultati della simulazione
Tra le due procedure di calcolo si evidenzia una sostanziale differenza dei risultati. In particolare si evince che la simulazione dinamica diagnostica una migliore prestazione dell’involucro dotato di maggior capacità termica (caso 2, differenza di fabbisogno termico rispetto all’involucro “leggero” dell’ordine del 10%), mentre la procedura semplificata (caso 1) non rivela differenze apprezzabili tra le due soluzioni (36,1 kWh/m2 e 36,4 kWh/m2, rispettivamente). Data l’assenza di apporto solare sulle superfici opache, il vantaggio dell’involucro “massivo” è, in questo caso, attribuibile principalmente ai soli effetti di accumulo indiretto (lato interno) dell’apporto di radiazione solare che penetra nell’edificio attraverso le superfici trasparenti e, in parte, alla migliore prestazione data nei confronti delle oscillazioni di temperatura esterna contemplate dal file climatico orario (effetto buffer).
L’apporto di radiazione solare sull’involucro opaco (caso 3) determina un significativo aumento delle differenze riscontrabili tra le due diverse procedure di calcolo (caso 3 vs. caso 1) e rivela un ulteriore aumento prestazionale dato dall’involucro dotato di maggior capacità termica rispetto alla prestazione rilevabile con la soluzione leggera (riduzione del fabbisogno energetico prossimo al 25%).
Conclusioni
La variazione climatica, in particolar modo relativa all’apporto di radiazione solare, valutata con strumenti sofisticati, non solo riveste un ruolo fondamentale nella determinazione del fabbisogno energetico degli edifici, ma consente di apprezzare i vantaggi dati dalla capacità termica dell’involucro.
Estratto da:
S. Ferrari, Procedure di calcolo semplificate e valutazioni dinamiche, in: Costruire in Laterizio n°131 – set/ott 2009 ed. Faenza Editrice, Faenza.
Riferimenti bibliografici
· R.H. Henninger,M.J.Witte, EnergyPlus Testing with Building Thermal Envelope and Fabric Load Tests from ANSI/ASHRAE Standard, 140-2004 (prepared for: U.S.Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Office of Building Technologies Washington, D.C.), 2007, www.energyplus.gov.
· S. Ferrari, Building envelope and heat capacity: re-discovering the thermal mass for winter energy saving,Atti 2nd PALENC & 28th AIVC Conferences, 2007, Crete Island, Greece.
· S. Ferrari, M. Baldinazzo, Valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici: dallenorme semplificate all’analisi dinamica, Atti Convegno AICARR, Certificazione energetica: normative e modelli di calcolo per il sistema edificio-impianto posti a confronto. Bologna 16/10-Torino 25/11/2008, Napoli 16/01/2009.
