Modellazione energetica dinamica: i principi, i vantaggi, l’applicazione

Cosa si intende per modellazione energetica dinamica?

Una delle principali fasi caratterizzanti il processo di modellazione energetica, riguarda la scelta dell’intervallo temporale da adottare per la scomposizione dell’intero periodo di calcolo. La scelta dei time steps può essere varia, tuttavia gli intervalli di tempo maggiormente adottati, a seconda dello scopo del calcolo, si possono riassumere in mensili (metodo semi-stazionario) od orari (metodo dinamico).

Costruire un modello energetico, tramite il metodo dinamico, consente di riprodurre il reale comportamento del sistema edificio-impianto, per ogni ora dell’arco di tempo considerato per il calcolo (generalmente un anno). A tal fine risulta necessario reperire dati di input (dati climatici, apporti interni, numero di occupanti e fattori di occupazione, caratteristiche degli impianti di climatizzazione e portate d’aria necessarie per la ventilazione degli ambienti) per ogni ora dell’anno; al contrario, effettuando simulazioni energetiche tramite metodi semi-stazionari, risulta sufficiente adottare delle medie mensili degli stessi.

Il dettaglio e la quantità dei dati di input da utilizzare per le due tipologie di modelli energetici costituiscono le principali differenze esistenti tra metodo dinamico e quello semi-stazionario. Ovviamente, tale differenza, si ripercuote sulla risoluzione dei bilanci energetici, che nel primo caso vengono risolti ora per ora, nel secondo mensilmente. Da ciò è possibile intuire come, le simulazioni energetiche in regime dinamico, comportino un dispendio di tempo maggiore, sia nella fase di inserimento dei dati di input, sia durante lo svolgimento dei calcoli, eseguibili esclusivamente tramite appositi software.

Come è facile comprendere, l'impiego di simulazioni energetiche dinamiche, malgrado richieda un investimento maggiore in termini di tempo, sia per la costruzione del modello che per l'esecuzione dei calcoli, offre una serie di vantaggi considerevoli, tra cui una maggiore precisione e corrispondenza tra il modello simulato e l’edificio reale.

I principi

Risulta evidente come i risultati ottenibili da una simulazione energetica in regime dinamico, siano più affidabili e coerenti con la realtà rispetto a quelli ottenuti tramite metodi stazionari o semi-stazionari, ma quali sono le differenze che permettono questa maggiore precisione?

Come precedentemente indicato, una delle principali disparità esistente tra approcci dinamici e stazionari o semi-stazionari, riguarda le caratteristiche dei dati di input da impiegare: non dovranno essere valori mediati nel tempo, bensì dipendere da esso e differire per ogni istante “t” considerato nel calcolo.

I dati di input da utilizzare per una simulazione energetica sono molteplici: dati climatici, numero di occupanti e relativi fattori di occupazione, specifiche tecniche degli impianti di climatizzazione, portate d’aria dovute alla ventilazione e informazioni necessari per il calcolo degli apporti endogeni, come ad esempio le potenze e le ore di funzionamento di eventuali dispositivi come computer e stampanti.

Reperire tali dati può risultare complesso, sia a causa della loro quantità e grado di dettaglio, sia perché la maggior parte degli edifici esistenti risulta sprovvisto di sistemi di monitoraggio adeguati, utili ad ottenere in modo istantaneo e preciso tali informazioni. Tuttavia, è proprio la precisione, la completezza e l’accuratezza di tali dati a costituire la base per ottenere risultati precisi e affidabili mediante le simulazioni energetiche dinamiche.

I dati di input appena descritti sono necessari per risolvere i bilanci energetici per ogni time steps che compone il periodo di calcolo. La risoluzione delle equazioni termodinamiche per ogni ora, rende possibile lo studio di tutti i processi fisici che si verificano all'interno della zona climatizzata al variare del tempo “t”, e soprattutto consente di cogliere tutti quei fenomeni termodinamici dipendenti dal tempo, trascurati con i metodi stazionari, come gli aspetti legati alla capacità termica e sfasamento dei componenti edilizi.

In conclusione, in base a quanto precedentemente esposto, è importante evidenziare la caratteristica fondamentale che rende il metodo dinamico più accurato rispetto ad altri approcci: nel calcolo dinamico, i fenomeni caratterizzanti un determinato intervallo di tempo, sono influenzati da quanto accaduto negli intervalli temporali precedenti. Al contrario, nel calcolo semplificato, gli intervalli temporali sono considerati indipendenti l'uno dall'altro, rendendo il processo più semplice, ma maggiormente soggetto a approssimazioni.

I vantaggi

Come discusso in precedenza, uno dei principali benefici derivanti da una simulazione dinamica è la precisione dei risultati ottenibili. Ma quali sono questi effettivi vantaggi, ottenibili con una simulazione energetica dinamica, che portano a una maggiore precisione?

In primo luogo, come abbondantemente specificato, l’utilizzo di dati di input specifici per ogni ora dell’anno, permette di considerare le variazioni nel tempo delle condizioni climatiche esterne, dei carichi endogeni, delle portate di ventilazione e del funzionamento degli impianti.

L’impiego di tali variabili, porta ovviamente a risultati molto più accurati rispetto a quelli ottenibili con metodi stazionari. In particolare, è di fondamentale importanza considerare la variazione di temperatura esterna nel periodo estivo, stagione durante la quale si verificano ampie oscillazioni di temperatura tra il giorno e la notte (Figura 1); al contrario in inverno, pur non essendo particolarmente preciso considerare una temperatura costante per l'intero mese, si verifica un errore di entità inferiore. In aggiunta, le marcate variazioni di temperatura e radiazione solare che si verificano tra un’ora e all’altra nel periodo estivo, accentuano la necessità di considerare l'impatto che hanno le proprietà inerziali degli elementi edilizi sulle condizioni termiche degli ambienti interni.

Queste proprietà includono la capacità termica, che misura quanto i materiali edili possono assorbire o rilasciare calore, e lo sfasamento, che indica il ritardo con cui l'onda di calore si propaga attraverso la struttura edile. Infatti, prendiamo come esempio un locale con pareti esterne con sfasamento termico di 12 ore e supponiamo che la temperatura esterna durante una giornata estiva sia massima alle 12:00 a.m.

Questo significa che, all'interno degli spazi dell'edificio, la massima temperatura si verificherà alle 12:00 p.m., ovvero 12 ore dopo il picco di calore esterno. La conseguenza è che, a mezzanotte, quando all'interno fa più caldo, le temperature esterne sono notevolmente più basse. Tale differenza consente di raffrescare l'ambiente senza l’ausilio di impianti di condizionamento, ma semplicemente aprendo le finestre, sfruttando ciò che è noto come "free cooling”.

Da tutto ciò emerge chiaramente come l'utilizzo di un approccio dinamico sia estremamente vantaggioso, soprattutto quando si calcolano i consumi e/o i fabbisogni previsti per il raffrescamento.

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