Simulazione dinamica energetica degli edifici

L'edificio è un sistema complesso, i fenomeni energetici che si sviluppano al suo interno sono diversi e in continua relazione tra loro. Si tratta di questioni che riguardano le caratteristiche dell'involucro (murature, solai, finestre), gli impianti (riscaldamento, raffrescamento, elettricità), la destinazione d'uso degli ambienti (residenze, uffici, alberghi, etc), la presenza di un un numero elevato di persone o macchinari che producono calore.

La progettazione degli edifici ad alta efficienza energetica necessita di strumenti avanzati che permettano di valutare correttamente i fenomeni termofisici. Solo la “simulazione dinamica” analizza con precisione ed affidabilità le prestazioni energetiche di un edificio ad alte prestazioni come gli “NZEB” o gli edifici in “Classe A”

A cosa serve la simulazione dinamica

I software di simulazione dinamica permettono di controllare le numerose variabili presenti in un sistema edificio-impianto.

Progettare un edificio con maggiore consapevolezza dei fenomeni energetici permette di ottimizzare le scelte risparmiando sui consumi, sui costi di costruzioni e di manutenzione.

Building Performance Simulation: BPS

La simulazione energetica dinamica (in inglese dynamical building performance simulation - BPS) è la disciplina che studia questa complessità tramite l'utilizzo di software avanzati che superano il metodo semplificato basato sul calcolo (semi) stazionario.

Il livello di precisione di questi software è molto alto

Un esempio per semplificare

Ipotizzando di modellare una villa isolata in un comune del centro Italia. Si potrebbe conoscere la temperatura di una stanza esposta a sud, senza riscaldamento, alle ore 2 di una notte di Gennaio.

Il software valuta l'apporto gratuito del Sole di giorno, la capacità delle murature di accumulare il calore, l'ingresso di aria fredda da infissi non ben isolati, il calore emesso da due persone che dormono all'interno della stanza e tante altre caratteristiche termofisiche.

Da un'indagine con la simulazione dinamica potremmo conoscere anche il flusso di calore che passa attraverso le murature, la quantità di anidiride carbonica nella singola stanza, i flussi d'aria tra l'interno e l'esterno dell'ambiente.

Il confronto tra i dati ottenuti dalla simulazione e quelli misurati realmente con delle sonde di temperatura sono incredibilmente simili.

Differenza tra simulazione dinamica e simulazione stazionaria.

Ma che differenza c'è con i tradizionali software di progettazione coin i quali si realizzano anche le certificazioni energetiche? I software tradizionali calcolano i consumi e le prestazioni secondo un regime stazionario (stagionale) o semistazionario (mensile), sono quindi molto più approssimativi

I software di simulazione dinamica invece calcolano i dati secondo un intervallo temporale più limitato, anche al minuto, e considerano inoltre il fattore "inerzia termica" cioè la capacità dell'immobile di immagazzinare il calore.

Quali sono i risultati che si ottengono

I risultati che si ottengono nel singolo ambiente da una BPS, prendendo come esempio il software IDA ICE, sono:

• Temperatura dell'aria e temperatura percepita
• Temperatura dell'aria al pavimento ed al soffitto
• Temperatura e flussi di calore sulle singole superfici
• Bilancio termico
• Benessere Termoigrometrico secondo gli indici di Fanger (PPD, PMV)
• Qualità dell'aria interna tramite ricambi d'aria/ora, livello di CO2 , umidità
• Flussi d'aria e ventilazione meccanica controllata (VMC)
• Dispersione dei flussi di calore attraverso l'aria, l'involcuro, le murature
• Illuminazione solare
• Controllo degli ombreggiamenti

Applicazioni della simulazione dinamica

La complessità della progettazione, il raggiungimento di alti livelli di efficienza energetica nelle costruzioni, il miglioramento dei sistemi impiantistici, la richiesta degli utenti di maggiore comfort e risparmio sono le principali motivazioni per cominciare ad utilizzare la simulazione dinamica.

Se nel passato era utilizzata nelle Università e nei centri ricerca, oggi è sempre più richiesta da società di costruzione e progettazione, professionisti ed imprese che producono componenti per l'edilizia.

Le principali applicazioni sono:

• Progettazione di edifici NZEB - Edifici a Energia quasi Zero (guarda un edificio da noi progettato in dinamica: NZEB a Roma)
• Dimensionamento degli impianti di riscaldamento, raffrescamento, ventilazione
• Progetto dell'involucro (facciate, doppia pelle, pareti ventilate, etc)
• Diagnosi energetica
• Riqualificazione o nuova progettazione di edifici con destinazioni complesse (musei, ospedali, palestre, edifici storici, etc)
• Punteggio aggiuntivo per il protocollo LEED

Raffrescamento estivo, ombreggiamento e ventilazione naturale

La modellazione energetica dinamica è particolarmente utile nel valutare il comportamento termofisico di un edificio in Estate (raffrescamento estivo) ed in generale per edifici localizzati in climi caldi.

Per progettare un edificio in un clima caldo, senza un utilizzo eccessivo degli impianti di raffrescamento, bisogna utilizzare al meglio l'ombreggiamento e la ventilazione. In generale capire come proteggere gli edifici dal freddo è più semplice rispetto come proteggerli dal caldo.

In Italia, ed in altri paesi caldi d'Estate come quelli mediterranei, è quindi consigliato l'uso della simulazione dinamica per la progettazione energetica.

La simulazione dinamica fa risparmiare soldi grazie al corretto dimensionamento degli impianti

Il metodo per progettare un impianto di riscaldamento o raffrescamento si è basato nel passato sul dimensionamento dei picchi di potenza, sull'utilizzo di rapide formule di moltiplicazioni basate sulla volumetria e su "fattori di sicurezza".

Questo è un metodo vecchio di progettare il microclima interno di un immobile.

A causa di questa approssimazione succede spesso che gli impianti sono "sovradimensionati", con un conseguente aumento dei costi e dei consumi.

Il sovradimensionamento non è applicato solo al generatore, come la caldaia ad esempio, ma anche alle tubazioni, e ai terminali.

Il costo aggiuntivo non è relativo solo all'acquisto dell'impianto ma anche alla sua gestione. Lo spreco quindi viene spalmato lungo tutto l'arco di vita dell'immobile!

Considerando che un impianto di raffrescamento o riscaldamento può costare migliaia di euro è importante sapere che il corretto dimensionamento può far risparmiare molti soldi!

Il metodo più completo e versatile disponibile per un dimensionamento corretto è attraverso la modellazione energetica ed in particolare la simulazione dinamica

Normativa

La simulazione dinamica è introdotta nella normativa energetica italiana dal DPR 59/2009 che tratta di "adozione di criteri generali, di una metodologia di calcolo e requisiti della prestazione energetica". In particolare all'art. 4 comma 27 lettera o) si prescrive:

Nel calcolo rigoroso della prestazione energetica dell'edificio occorre prendere in considerazione, per gli edifici di nuova costruzione del settore terziario con volumetria maggiore di 10.000 mc, l'influenza dei fenomeni dinamici, attraverso l'uso di opportuni modelli di simulazione, salvo che si possa dimostrare la scarsa rilevanza di tali fenomeni nel caso specifico.

Normativa europea

L'impulso introdotto dalle normative europee sull'efficienza energetica e sull'utilizzo di tecnologie BIM negli appalti va nella direzione di promuovere anche l'utilizzo della simulazione energetica dinamica nella progettazione degli edifici.

Software IDA ICE

di Andrea Denza - Profilo Linkedin - 18/01/2015