La simulazione dinamica degli edifici

Simulare il comportamento del sistema edificio-impianto permette di analizzare il funzionamento delle costruzioni secondo il loro reale utilizzo. Lo studio offre consulenza tecnica e assistenza nell'ambito del risparmio energetico delle costruzioni effettuando analisi e valutazioni attraverso simulazioni in regime dinamico.

 

Alla luce delle esigenze ambientali che impongono costruzioni e interventi sull’esistente con target energetici sempre più efficienti e prestazionali, l’utilizzo nella ‘progettazione’ di uno strumento quale la simulazione dinamica che consente di valutare in maniera dettagliata i molteplici parametri energetici e ambientali rappresenta un passo obbligato verso la ricerca di un architettura sostenibile, in cui gli edifici sfruttano la radiazione solare d’inverno per il proprio fabbisogno e al tempo stesso, attraverso opportune strategie progettuali, si proteggono dal calore estivo. La riduzione dei consumi energetici negli edifici rappresenta uno degli obiettivi imposti dalle normative Europee e nazionali.
La valutazione energetica degli edifici viene effettuata attraverso dei modelli più o meno semplificati secondo quelle che sono le direttive delle norme tecniche vigenti. La normativa italiana con riferimento alle metodologie per il calcolo del fabbisogno energetico degli edifici fa riferimento alla UNI TS-11300 così come disposto dal DPR 59/2009 e successivamente dal D.M. 26 giugno 2009. La Specifica Tecnica (TS) definisce le modalità per l’applicazione nazionale delle norme UNI EN ISO per il calcolo dei fabbisogni di energia incluso il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici. La UNI TS-11300 è costituita da quattro parti:

  • UNI TS-11300 – 1 definisce la metodologia per determinazione del fabbisogno di energia termica dell'edificio per il riscaldamento e il raffrescamento
  • UNI TS-11300 – 2 definisce la metodologia per la determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria. La norma non contempla il raffrescamento estivo
  • UNI TS-11300 – 3 definisce la metodologia per la determinazione del fabbisogno di energia primaria e dei rendimenti per la climatizzazione estiva
  • UNI TS-11300 – 4 definisce la metodologia per la determinazione delle prestazioni energetiche degli edifici che utilizzano energie rinnovabili e altri metodi di generazione per la climatizzazione invernale e per la produzione di acqua calda sanitaria

La UNI TS-11300-1 permette in sostanza di determinare la quantità di calore necessaria per mantenere determinate condizioni di temperatura nel periodo invernale ed estivo attraverso un calcolo mensile in regime stazionario. I metodi di calcolo in regime stazionario adottano una serie di ipotesi semplificative (tassi di ventilazione, carichi termici esterni…) che risultano spesso notevolmente cautelative rispetto alle condizioni reali.
Il calcolo del bilancio energetico in condizioni stazionarie si basa su alcune semplificazioni che se “possono” (ma in realtà non lo sono) essere trascurabili per la valutazione delle prestazioni energetiche degli edifici nel periodo invernale, determinano per il periodo estivo approssimazioni di calcolo che diventano importanti man mano che aumenta il livello prestazionale energetico richiesto all’edificio. In regime stazionario le condizioni al contorno di un componente edilizio, per esempio una parete perimetrale, sono mantenute costanti ovvero la temperatura interna ed esterna viene considerata costante per l’intera giornata per cui le dispersioni termiche della parete dipendono dalla superficie della parete, dalla trasmittanza termica U(W/m2K) e dalla differenza di temperatura interno-esterno ΔT (°C).
Questa condizione tuttavia non è in grado di valutare opportunamente, nell'arco delle 24 ore, gli effetti delle variazioni di flusso e di temperatura in relazione alla capacità dei materiali di accumulare e rilasciare calore. Numerosi studi scientifici hanno evidenziato come le procedure semplificate siano poco sensibili nel valutare gli effetti della capacità termica dell'edificio in condizioni al contorno variabili nel tempo. In termini di bilancio energetico, in presenza di involucro edilizio dotato di capacità termica, si registrano scostamenti sensibili nel calcolo del fabbisogno di energia termica invernale rispetto a calcoli effettuati in condizioni dinamiche.
Le differenze diventano invece significative per il periodo estivo dove si registrano maggiori variazioni di temperatura esterna durante il giorno. Le sollecitazioni esterne infatti vengono trasmesse dalle strutture agli ambienti interni con un certo ritardo in funzione alle caratteristiche inerziali dei vari componenti edilizi che costituiscono la stratigrafia. Vengono qui introdotti dei parametri dinamici per i quali si riporta una breve descrizione: trasmittanza periodica Yie (W/m2K) è un parametro che valuta la capacità di una struttura opaca di sfasare ed attenuare il flusso termico che la attraversa nell’arco delle 24 ore, definita e determinata, secondo la norma UNI EN ISO 13786:2008 e successivi aggiornamenti.

 

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Andamento dell'onda termica

 

 Sfasamento φ indica il periodo di tempo che intercorre tra il valore massimo dell’onda termica e il massimo effetto

Attenuazione o fattore di decremento Fa indica di quanto l’ampiezza dell’onda termica è stata ridotta durante il passaggio dall’esterno all’interno nella struttura ed è data da Fa =Yie / U

 

Lo scopo della verifica in regime dinamico è quello di simulare l'andamento reale dei consumi dell'edificio e determinare i fabbisogni e le prestazioni del sistema edificio-impianto su base oraria o sub-oraria a differenza del calcolo stazionario che esegue una media annuale/mensile. La simulazione dinamica è una metodologia di calcolo che consente di valutare:

  • il bilancio termico e calcolare con precisione i consumi di energia primaria e le emissioni di CO2
  • il contributo di sistemi di ventilazione naturale, meccanica, notturna (raffrescamento estivo)…
  • le condizioni igrometriche degli ambienti interni
  • la distribuzione delle temperature interne (temperatura aria, temp. operante, temp. radiante…)
  • i consumi di energia elettrica e illuminazione
  • le condizioni di comfort secondo la norma UNI EN ISO 7730
  • l’efficacia di differenti strategie passive
  • il contributo di differenti sistemi impiantistici e delle fonti di energia rinnovabili utilizzate

 

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Simulazione e analisi dei carichi termici di una casa unifamiliare a Grosseto (15 luglio)

 

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Calcolo bilancio termico mediante simulazione dinamica su base oraria di una casa unifamiliare a Grosseto (periodo estivo)

 

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Calcolo livelli di comfort di una casa unifamiliare a Grosseto (periodo estivo)

 

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Calcolo fabbisogno energetico attraverso simulazione dinamica su base oraria di una casa unifamiliare a Grosseto (periodo estivo)