Simulazioni termoenergetiche dinamiche: perché sono più affidabili?

Necessaria la conoscenza di tante variabili, altrimenti la metodologia non produce risultati utili

La simulazione energetica dinamica è uno strumento di calcolo del fabbisogno energetico del sistema fabbricato-impianto, dei consumi di energia e, quindi, della prestazione energetica dell’edificio in esame, basata su un modello di simulazione estremamente dettagliato, al fine di riprodurre il comportamento energetico del sistema edificio-impianto in maniera più reale e affidabile possibile.

La definizione di “dinamica” deriva dalla discretizzazione temporale del calcolo delle varie prestazioni, la quale è composta da intervalli di tempo estremamente ridotti (in genere orari). In questo modo è possibile individuare le variazioni di prestazioni legate alle oscillazioni nel tempo delle variabili coinvolte (quali, variazioni climatiche, variazioni di utilizzo, inerzia delle strutture, ecc).

L’utilizzo corretto di questa metodologia è piuttosto complesso e richiede la conoscenza (su base oraria) di moltissime variabili di ingresso. In mancanza di questa, il rischio è quello di “incastrarsi” in una modellazione “energeticamente dispendiosa”, ottenendo risultati non così affidabili, e non dissimili da quelli ottenibili da modellazioni semplificate (stazionarie o semi-stazionarie).

La simulazione dinamica e i vantaggi nell’applicazione impiantistica per la riqualificazione energetica
La simulazione dinamica, che si sta progressivamente affermando come metodo di calcolo utilizzato in maniera diffusa, al fine di stimare il fabbisogno energetico del sistema fabbricato-impianto ed i consumi di energia, si basa su un’analisi dettagliata del comportamento dell’edificio, con lo scopo di realizzare valutazioni delle prestazioni energetiche sempre più affidabili e rappresentative della realtà.
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Differenze tra modellazione energetica semplificata e dinamica

Il calcolo della prestazione energetica di un edificio è, in altre parole, un bilancio energetico dell’edificio in esame, che valuta e analizza i flussi di energia sia in entrata che in uscita. Bilancio energetico che può però essere condotto con livelli di dettaglio estremamente differenti, la cui scelta è funzione, principalmente, dello scopo del calcolo e del risultato che si vuole valutare.

Ad esempio, se l’obiettivo della modellazione è la verifica del rispetto di alcuni requisiti imposti da normativa, al fine di poter comparare i risultati ottenuti con i limiti di legge, è necessario utilizzare metodi di calcolo standardizzati, con procedure e valori di alcuni dati di input normati (si veda la serie di norme UNI/TS 11300 “Prestazioni energetiche degli edifici”). Questo metodo di calcolo è quello che viene quindi utilizzato per la redazione dell’Attestato di Prestazione Energetica (APE), obbligatorio a livello europeo in caso di edifici di nuova costruzione, compravendita e locazione.

I vantaggi di queste simulazioni semplificate sono legati alla loro semplicità e rapidità. D’altro canto, assumono standard moltissimi parametri di input che nella realtà non lo sono assolutamente. Si pensi, ad esempio, alla temperatura esterna: i metodo di calcolo semplificati ne considerano il valore medio mensile (valori presi dalla norma UNI 10349-1:2016 “Riscaldamento e raffrescamento degli edifici - Dati climatici - Parte 1: Medie mensili per la valutazione della prestazione termo-energetica dell'edificio e metodi per ripartire l'irradianza solare nella frazione diretta e diffusa e per calcolare l'irradianza solare su di una superficie inclinata”), trascurandone completamente la variabilità, non solo lungo il mese, ma anche lungo la singola giornata.

Ne consegue che, i risultati ottenuti da questi metodi di calcolo semplificati semi-stazionari (semi perché considerano comunque una variabilità tra i diversi mesi) con dati di input standard, non forniscono assolutamente indicazioni reali sul comportamento dell’edificio, ma sono sa considerarsi valori utili al confronto e alla classificazione dell’edificio stesso.

Quando invece si vuole simulare, in maniera più affidabile possibile, il comportamento energetico reale dell’edificio, è necessario utilizzare dati di input estremamente precisi e dettagliati, per ottenere risultati altrettanto significativi.

Si veda il caso in cui si vuole valutare la prestazione di sistemi edificio-impianti diversi per individuare il miglior intervento di retrofit, o la miglior scelta progettuale. Si rende quindi necessario sostituire le variabili assunte standard nel metodo semplificato, con valori dinamici e variabili nel tempo: si parla in questo caso di simulazioni termoenergetiche dinamiche. L’elemento che quindi differenzia sostanzialmente le due modellazioni è la discretizzazione del tempo, ovvero l’intervallo di calcolo: si passa da calcoli su base mensile a calcoli giornalieri, o addirittura orari.

Il fabbisogno termico estivo degli nZEB: modellazione dinamica e semi-stazionaria a confronto
Per la previsione del fabbisogno termico estivo degli edifici ad energia quasi-zero, il divario tra metodo di calcolo in regime semi-stazionario e simulazione dinamica dettagliata si riduce rispetto agli edifici tradizionali, per effetto dell’iper-isolamento dei componenti d’involucro che limita la sovrastima degli scambi termici per trasmissione.
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I metodi di calcolo dinamici

Si capisce quindi che, in base all’intervallo di calcolo e al tipo di dati inseriti nel modello, anche le simulazioni dinamiche possono avere livelli di precisione e affidabilità diversi. Molti lavori di ricerca si occupano del confronto tra metodi di calcolo della prestazione energetica dell'edificio, indagando in quali condizioni e per quali scopi un metodo semplificato può prevedere con sufficiente accuratezza la prestazione energetica dell'edificio se confrontato con un modello di simulazione dettagliato.

Anche dal punto di vista dei modelli di simulazione dinamica è però possibile fare delle semplificazioni, per rendere meno onerosa la procedura, specialmente in fase di inserimento dei dati iniziali. È quindi altrettanto interessante valutare le differenze tra modelli dinamici semplificati e dettagliati, per capire come bilanciare al meglio il solito discorso “costi-benefici”. Ed è proprio questo l’obiettivo di questo articolo.

Nelle prossime pagine, analizzeremo un caso studio attraverso tre diversi metodi di calcolo dinamico su base oraria:

• Metodo dettagliato, che è quello più completo e complesso e che richiede un’elevatissima quantità di dati iniziali;
• Metodo orario semplificato, introdotto dalla norma UNI EN ISO 52016-1:2018 “Prestazione energetica degli edifici - Fabbisogni energetici per riscaldamento e raffrescamento, temperature interne e carichi termici sensibili e latenti - Parte 1: Procedure di calcolo”, basato su ipotesi semplificate e una quantità ridotta di dati di input rispetto a uno strumento di simulazione dinamica dettagliato;
  
• Metodo orario semplificato, introdotto dalla norma UNI EN ISO 13790:2008 “Prestazione energetica degli edifici - Calcolo del fabbisogno di energia per il riscaldamento e il raffrescamento”, attualmente abrogata e sostituita con il metodo precedente (UNI EN ISO 52016-1:2018).

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