Littérature scientifique sur le sujet « Simulazione termo-energetica degli edifici »

Il lavoro svolto durante lo sviluppo di questa Tesi di Laurea concerne l’analisi di fattibilità tecnico-economica della riqualificazione energetica di un edificio storico situato a Castel Rigone, una frazione posta nel comune di Passignano sul Trasimeno, in provincia di Perugia. A causa del periodo costruttivo molto datato, stimato circa intorno al 1200, le componenti strutturali che costituiscono l’involucro edilizio presentano, allo stato attuale, proprietà termiche poco prestanti. Per valutare le prestazioni energetiche dell’edificio è stato implementato un modello all’interno del software dinamico TRNsys. Una volta realizzato il modello di simulazione dinamica dell’edificio all’interno del software sono state effettuate una serie di simulazioni per valutare le prestazioni energetiche dell’edificio allo stato attuale. Dai risultati ottenuti si evince che le prestazioni sono molto basse e quindi il passo successivo è stato quello di proporre una serie di interventi di riqualificazione energetica. In particolare sono state simulate due diverse tipologie d’intervento, la prima tipologia per soddisfare i requisiti minimi dell’edificio di riferimento imposti dalla normativa vigente (D. M. Requisiti Minimi) e la seconda per superare tali requisiti minimi, imponendo valori più stringenti sulle trasmittanze delle componenti dell‘involucro. I due interventi sono stati valutati sia dal punto di vista delle prestazioni invernali che estive ed inoltre sono state studiate l'umidità relativa interna ai locali e la condensa interstiziale. Le analisi energetiche invernali sono state inizialmente eseguite considerando come sistema di generazione una caldaia a condensazione; successivamente, avendo bisogno di soddisfare anche il carico estivo, si è deciso di inserite una pompa di calore invertibile per coprire sia il fabbisogno estivo che invernale. Infine si è effettuata una analisi economica per valutare quale dei due interventi sia effettivamente quello più conveniente.

Al giorno d’oggi, al fine di ridurre i consumi di combustibile dell’impianto di riscaldamento, si interviene sempre più sulle logiche di regolazione dei generatori. Dato che la regolazione del generatore interagisce con le logiche di regolazione implementate sui singoli terminali e nelle zone termiche, la previsione del reale comportamento dell’impianto non è banale e può essere effettuata solo con l’ausilio di modelli dinamici complessi. Nel corso della tesi si è svolta un’analisi dinamica del comportamento di un edificio energeticamente poco performante sito ad Ancona, a cui sono stati effettuati degli interventi di riqualificazione energetica sull’involucro (cappotto e sostituzione delle finestre), sull’impianto (sostituzione del generatore) e sull’ottimizzazione delle strategie di regolazione. Le analisi effettuate per i vari casi riguardano sia l’analisi del comfort che dei consumi. Tali analisi hanno permesso di studiare il comportamento del sistema in seguito ai diversi interventi. Si è analizzato ad esempio come cambia la dinamica e il funzionamento dell’impianto al variare dell’involucro dell’edificio, anche in funzione del posizionamento dell’isolante nell’intervento di cappottatura. In seguito a tali analisi è stato possibile individuare i migliori accoppiamenti involucro-impianto. In particolare, nel caso di edificio non isolato, utilizzando una caldaia a condensazione anziché una caldaia tradizionale, in generale si è visto un aumento del benessere termo-igrometrico e una riduzione del consumo di combustibile. Nel caso di edificio isolato l’accoppiamento migliore è risultato con una caldaia a condensazione con temperatura di mandata ridotta rispetto quella di progetto, perché si evita così di fornire con l’impianto sovra-potenze per scaldare le stanze e il calore viene ceduto in maniera più uniforme. Si è inoltre ottenuta un’importante riduzione del consumo di combustibile (-78%) rispetto al caso di partenza.

Dynamic simulation is becoming very important in energy design phases of new buildings, in the energy diagnosis process and in case of continuous-commissioning. In Italy designers do not have to use dynamic simulations for verifying the minimal energy requirements of buildings, but they need to predict energy performance with more detail than what is possible with semi-stationary methods. National standards utilized to evaluate the energy performance of buildings are UNI TS 11300 parts 1, 2, 3 and 4; they use a semi-stationary method with monthly average climate data. In Europe the Energy Performance of Buildings Directive 2010/31/UE (EPBD Recast) introduces dynamic simulation to calculate primary energy for end uses in the context of Net Zero Energy Buildings. This work applies dynamic simulation to energy design of buildings and building monitoring, and focuses on the validity of these methods in evaluating high performance buildings, on the problem of input data availability and on the influence of some parameters in energy modeling. Starting from ANSI/ASHRAE validation tests of dynamic methods, this work suggest a validation procedure of the Design Builder software (in its Conduction Transfer Function package) using the European standard UNI EN 15265. The same standard is also used to evaluate which of the convection algorithms of EnergyPlus best approaches reference results for heating and cooling. The obtained results are used later for the dynamic simulation of high performance buildings case studies. The first case study is a new high energy performance residential building. The first step is an annual free-running monitoring of indoor environmental data; then the building is hourly simulated with a dynamic code and at the end there is an evaluation of the gap between actual and predicted data, and of their correlation when varying some input data of the model. The second case study is an energy design experience of a reconstructed residential building after the earthquake in Emilia Romagna (May 2012). The design process is being developed with the aim of receiving the GBC Home® Italia certification at the end of the construction phase. The work focalizes on the two dynamic simulations required by the protocol: design building and reference building. This procedure allows the collection of points in the category Energy and Atmosphere by demonstrating a percentage improvement in the proposed building performance rating compared with the baseline. The dynamic evaluation concerns all end uses of the building: heating, cooling, hot water production, pumps, lighting and other equipment.

Applicare la simulazione energetica dinamica all’ambiente costruito è un pre-requisito essenziale per la progettazione di edifici ad energia quasi zero Ancora oggi ingegneri e progettisti in generale non hanno confidenza con il tema della simulazione energetica dinamica applicata al sistema edificio-impianto. La causa è da ricercarsi, da un lato, nella scarsa formazione e informazione professionale inerente al tema (tutt’ora ancora limitata al campo prettamente accademico e sperimentale), e dall’altro, nella radicata diffidenza verso strumenti informatici considerati troppo complessi ed in alcuni casi anche troppo costosi per essere adottati nella pratica professionale attuale. La modellazione energetica dinamica è uno strumento dalle grandi potenzialità a supporto delle scelte progettuali, dell’individuazione delle priorità degli investimenti (strategie d’uso, interventi più appropriati ecc.), dell’ottimizzazione e del miglioramento del sistema edificio-impianto con conseguenti risparmi economici. Il presente lavoro ha come oggetto lo studio preliminare del sistema edificio-impianto per un intervento di ristrutturazione di un fabbricato con cambio di destinazione da produttivo ad uffici, sito nella città di Milano, con l’obbiettivo principale di soddisfare quei requisiti energetici di “nearly zero energy building” imposti dal Decreto Ministeriale 26/6/15. Al fine di ottenere il miglior rapporto tra comfort e risparmio energetico, il sistema edificio-impianto è stato analizzato come un singolo elemento in cui tutte le sue parti interagiscono. Per raggiungere tale obiettivo sono state eseguite delle analisi termoenergetiche in regime dinamico utilizzando Design Builder, la più diffusa interfaccia grafica del motore di calcolo EnergyPlus. Il lavoro svolto ha previsto un processo di comparazione di due differenti configurazioni impiantistiche per giungere alla miglior soluzione che consente sia un risparmio energetico che un comfort interno ottimale.

La tesi affronta il tema degli effetti dei cambiamenti climatici di medio (2036-65) e lungo periodo (2066-95) sulle prestazioni energetiche degli edifici collocati nelle zone climatiche C e D (clima mediterraneo) e ne analizza l’impatto sulle strategie di riqualificazione energetica dei patrimoni edilizi residenziali costruiti precedentemente all’entrata in vigore della Legge 373/76. Dai primi risultati della ricerca, che concordano con le conclusioni dei principali contributi internazionali sul tema, emerge come, a fronte del prevedibile incremento delle temperature esterne, gli edifici esistenti vedranno un rilevante aumento dei propri consumi per raffrescamento. In particolare, sul lungo periodo, l’incremento di energia richiesto per coprire il fabbisogno estivo, in funzione della tipologia edilizia e del livello di isolamento degli edifici (epoca di costruzione), potrebbe non essere compensato dalla diminuzione del corrispondente fabbisogno invernale, portando ad un incremento dei consumi di energia primaria globale con un conseguente aumento delle emissioni di gas climalteranti a carico del settore civile. Le analisi preliminari svolte per indagare l’efficacia delle misure di efficientamento energetico nell’affrontare i cambiamenti climatici, evidenziano inoltre come negli edifici esistenti non coibentati la priorità di intervento sarà ancora costituita dall’isolamento termico dell’involucro, mentre negli edifici attuali già isolati sarà primariamente richiesto il controllo degli apporti solari. Da queste considerazioni, già avallate da altre ricerche, emerge la necessità di valutare mediante strumenti e metodologie adeguate, gli interventi di efficientamento energetico dei patrimoni edilizi esistenti prendendo in considerazione anche gli effetti dei cambiamenti climatici sulle diverse tipologie edilizie, epoche di costruzione e contesti climatici e microclimatici. La ricerca si propone pertanto di analizzare, mediante la simulazione energetica in regime dinamico, una casistica significativa di modelli edilizi multifamiliari in linea rappresentativi del patrimonio residenziale pubblico (INA-CASA e GESCAL) della Toscana, a cui si ipotizza di applicare le misure di efficienza energetica incentivate dallo Stato e maggiormente diffuse sul territorio nazionale, la cui fattibilità tecnicoeconomica è ampliamente documentata (ENEA). L’importanza del patrimonio edilizio preso in considerazione è dovuta alla sua entità numerica (il 52% della abitazioni italiane è stato costruito nel periodo 1946-1980 e il 63% di queste è collocato in edifici plurifamiliari) e alla sua scarsa qualità energetica, in quanto costruito antecedentemente alla prima norma nazionale sul contenimento dei consumi energetici in edilizia. La rappresentatività del campione scelto è determinata dall’influenza che gli edifici realizzati nell’ambito dei suddetti piani di ricostruzione hanno avuto nel definire l’identità tipologica e distributiva dell’edilizia residenziale italiana del dopoguerra. L’obiettivo della ricerca è, quindi, costituto dalla valutazione delle suddette misure di efficientamento, al fine di individuare quelle in grado di garantire prestazioni energetiche ottimali in funzione dei costi sul medio e sul lungo periodo. Alla luce della prospettiva di lungo termine adottata, la valutazione ha considerato diversi possibili scenari di evoluzione futura dei parametri climatici (intensità del cambiamento climatico) e dei fattori tecnico-economici (vita utile, tasso di sconto, prezzo dei vettori energetici) al fine di individuare le soluzioni più robuste, ovvero quelle che mantengono una validità apprezzabile nel tempo a fronte dei fattori di incertezza ipotizzati, e che quindi meglio di adattano ai possibili valori assunti dagli stessi. La metodologia adottata è analoga a quella sviluppata e condivisa a livello europeo (Direttiva 2010/31/UE, Regolamento UE 244/2012, 2012) per la determinazione dei livelli ottimali di prestazione energetica degli edifici. Tale metodologia è stata implementata in Italia, mediante una ricerca congiunta CTI, ENEA e RSE, finalizzata alla definizione dei requisiti minimi di prestazione energetica per gli edifici nuovi e soggetti a riqualificazione energetica contenuti nel DM 26/6/2015. In rapporto al suddetto lavoro, la presente tesi ha proposto le seguenti implementazioni, al fine di soddisfare gli obbiettivi preposti: - Estensione dell’analisi a località rappresentative delle zone climatiche C e D, che insieme includono quasi la metà degli edifici residenziali italiani, superando la zona E; - Condizioni al contorno climatiche condizionate dagli effetti del riscaldamento globale; - Allargamento dell’analisi tipologica del patrimonio edilizio esistente sviluppata nei progetti europei Tabula-Episcope, al fine di incrementarne la rappresentatività degli edifici campione; - Simulazione della prestazione energetica con codici di calcolo in regime dinamico al fine di valutare più accuratamente gli effetti dell’inerzia termica e dell’irraggiamento solare di particolare importanza in ambito mediterraneo. Dall’analisi combinata dei costi e delle prestazioni energetiche, condotta secondo la suddetta impostazione metodologica, emergono indicazioni che, a prescindere dai valori assoluti, sono utili per evidenziare le tendenze dell'efficacia delle misure di adattamento al cambiamento climatico in clima mediterraneo. Si evidenzia innanzitutto come l’individuazione degli interventi di riqualificazione caratterizzati da un profilo costi/prestazioni ottimale o quantomeno accettabile sia fortemente influenzata dalle caratteristiche tipologiche e tecnologiche dell’edificio, dalle incertezze relative ai comportamenti degli utenti e, infine, dagli scenari economici e climatici ipotizzati. Le differenze, in termini di prestazione energetica e ritorno economico dell’investimento possono essere molto significative e comunque tali da rendere necessaria un’accurata valutazione tesa ad evitare soluzioni di efficientamento non ottimali e soprattutto poco robuste. In generale le elaborazioni dei risultati indicano che le strategie di intervento più valide non si ottengono con l’applicazione di una sola misura di efficientamento (ad esempio la sola sostituzione degli infissi) ma prevedono sempre un’applicazione congiunta e coordinata di più misure di efficienza energetica diverse, articolate su livelli prestazionali adeguati al particolare contesto climatico ed edilizio nel quale si interviene. Se le schermature solari, negli edifici orientati ad Est ed Ovest, e i sistemi di climatizzazione con pompa di calore aria-aria invertibili, impiegati sia in estate che in inverno, mostrano la propria robustezza in tutti gli scenari considerati, maggiormente complessa è la selezione del corretto livello di isolamento termico dell’involucro: per le superfici trasparenti i requisiti di trasmittanza individuati dalla vigente legislazione (DM 26/6/2015) risultano un limite costo-ottimale che nel futuro non è conveniente superare; per l’involucro opaco, invece, gli interventi che considerano spessori di isolamento maggiori di quelli previsti negli edifici a energia quasi zero risultano ottimali nella maggior parte delle situazioni. I risultati della ricerca, elaborati per due modelli di edificio esemplificativi della metodologia, sono stati sistematizzati in un foglio di calcolo, al fine di renderli facilmente consultabili e liberamente implementabili completando l’analisi sulla matrice tipologica o inserendo altre tipologie edilizie. Le indicazioni derivanti dalla ricerca possono essere utilizzabili, al fine di individuare aggiornamenti e correttivi ai limiti previsti dal DM 26/6/2015, nuovi valori da raccomandare per aree climatiche particolarmente interessate dall’incremento delle temperature, ovvero validare i livelli prestazionali dell’involucro e degli impianti nell’ambito della riqualificazione di edifici esistenti. In conclusione tutti gli aspetti analizzati possono avere ricadute interessanti per la revisione di aspetti normativi, anche legati all’incentivazione fiscale degli interventi di efficientamento, e per indirizzare efficacemente le scelte riguardanti la progettazione e l’efficientamento energetico del patrimonio edilizio residenziale esistente. Ciò consente di adottare una politica energetica e una strategia progettuale basata su una visione di lungo periodo che prenda in considerazione anche l’adattamento ai cambiamenti climatici tra altre possibili variabili, considerato che, trascurare del tutto tali aspetti, può portare ad una errata valutazione dei risultati attesi e perfino all’incentivazione e adozione di soluzioni potenzialmente controproducenti.

La tesi contiene un quadro dei problemi legati alla valutazione del contributo dei sistemi passivi nella valutazione dell’efficienza energetica degli edifici e propone due contributi. Entrambi sono basati sull’uso delle simulazioni dinamiche, ma prevedono diversi approcci: un modello dinamico è validato secondo lo standard europeo EN 15265 e un metodo di calcolo semplificato è elaborato per il sistema dei condotti interrati. Le soluzioni sono immediatamente utilizzabili per la certificazione energetica e più in generale per la valutazione dei sistemi passivi. Inoltre vengono fornite indicazioni sulla validità dei due metodi sperimentati. Si tratta tuttavia di soluzioni parziali che certamente non esauriscono il problema e che si prestano ad ulteriori sviluppi, sia riguardo alla propria accuratezza ed affidabilità, sia in relazione alle norme tecniche alle quali si rapportano. The research maps out a description of the problems linked to the assessment of the energy performance of buildings in relation to the use of passive systems and proposes two contributions. Both are founded on dynamic simulation, but based on different approaches: a dynamic model is validated according to EN 15265 European standard and a simplified calculation procedure is generated for buried earth pipes systems. The solutions are immediately usable for energy certification and for passive systems assessment in general. Furthermore, indications on the validity of two experimented methods are provided. The solutions do not exhaust the problem and remain open to further developments, concerning both the accuracy/reliability of methods and the relations with the standards they are linked to.