ricerca - Gruppo Stabila

Procedure di calcolo
semplificate
e valutazioni dinamiche:
implicazioni sul bilancio
energetico dell’edificio
di/by S. Ferrari
Politecnico di Milano, Dip.to Building and Environment
Science and Technologies (BEST)
ricerca
ricerca
research
Le attuali norme di riferimento per la stima del
fabbisogno energetico degli edifici, a recepimento
nazionale della EPBD, rimandano a procedure semplificate
(bilancio energetico in regime stazionario) di derivazione
CEN - Comitato Europeo di Normazione.
A differenza di quanto rilevabile applicando tali norme,
adottando procedure di calcolo più sofisticate (regime
dinamico) si riscontra che la variabilità del flusso termico
trasmesso attraverso l’involucro edilizio comporta
effetti sul bilancio energetico dell’edificio sensibilmente
dipendenti dalla diversa capacità termica della struttura
edilizia.
Alcuni approfondimenti sul tema sono riportati nel
presente articolo.
INTRODUZIONE
Una valutazione dettagliata delle prestazioni energetiche dei
sistemi edilizi in fase di progetto comporta analisi di notevole
complessità che rimandano all’uso di strumenti di simulazione
sofisticati. Il reale comportamento termico-dinamico del sistema
edilizio è infatti strettamente dipendente dalla variabilità delle
condizioni ambientali al contorno. In particolare, il flusso termico
trasmesso attraverso l’involucro edilizio dipende dalle oscillazioni
delle condizioni interne all’edificio (determinate dalle modalità di
occupazione e di gestione degli impianti) e, contemporaneamente,
dalle fluttuazioni delle condizioni climatiche che si verificano al suo
esterno.
Per determinare numericamente tali effetti è necessario ricorrere a
valutazioni di tipo dinamico, che considerino la variabile temporale,
correlata agli effetti della capacità termica dei materiali, nel
computare i fenomeni di trasmissione del calore. Data la mole di
dati e di elaborazioni richieste a tale scopo è consuetudine per gli
“addetti ai lavori” fare ricorso ad appositi modelli di simulazione
computerizzati. Sono infatti ben noti al mondo scientifico, e
professionale “avanzato”, diversi software che consentono di
effettuare simulazioni del comportamento energetico del sistema
edilizio con livello di dettaglio quanto meno orario. Attraverso
questi modelli di simulazione la variabilità delle condizioni
climatiche esterne viene descritta facendo ricorso a dati climatici
108
L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116
PROCEDURES
FOR SIMPLIFIED
CALCULATION AND
DYNAMIC EVALUATIONS:
IMPLICATIONS FOR
THE ENERGY BALANCE
OF A BUILDING
The current reference stardards for
evaluating the energy requirements of
buildings, which have been adopted
in Italy with the EPBD, resort to
simplified procedures (energy balance
in steady state method) that come
from CEN – European Committee for
Standardisation. Unlike what can
be found applying such stardards,
by adopting more sophisticated
calculations (dynamic procedres) we
find that the variability of the heat
flow transmitted through the building
envelope has an effect on the energy
balance of the building which is
very much dependant on the diverse
thermal capacity of the structure.
This topic will be examined in more
detail in this article.
INTRODUCTION
A detailed evaluation of the energy
performances of building systems in the
planning stage involves considerably
complex analyses that require the use
of sophisticated simulation tools. The
real thermal-dynamic behaviour of the
construction system is, in fact, closely
tied to the variability of the surrounding
environmental conditions. In particular,
the thermal flow transmitted through
the building envelope depends on the
fluctuations of the conditions inside the
building (determined by the way it is
occupied and the management of the
systems inside), and at the same time by
the fluctuations in the weather conditions
on the outside.
In order to quantify such effects it is
necessary to use dynamic evaluations, which
take into consideration the time variable,
correlated to the effects of the thermal
capacity of the materials, in calculating the
heat transmission phenomena. Given the
amount of data and calculations required
for this it is usual for those doing the
work to make use of special computerised
simulations. Indeed, the scientific and
“advanced” professional world has access
to various software applications that
allow you to carry out simulations on the
energy behaviour of the building with
a considerable level of detail for each
hour. Using these simulation models, the
variability of the outside weather conditions
can be described using weather data on
an hourly basis and the variability of the
environmental conditions inside the building
is established through the allocation of data
about the building’s use and management,
also represented on an hourly basis.
To get around the problem of complexity,
simplified procedures have been set up
that work out the energy balance in a
steady-state approach, also on a monthly
or seasonal basis, omitting, except through
parameters of approximation1, which only
indirectly lead to dynamic effects, the
detailed analysis of the variations of the
thermal performances of the building in the
course of a day.
Such procedures were translated into
regulations already some time ago, which
because of the need to be published widely
require simple methodologies, like those
coming from CEN – European Committee
for Standardisation – and which are the
reference stardards on which also the
national regulations are based from the
EPBD – the EU Directive on the energy
efficiency of buildings.
In fact, in recent years there has been a
consolidated adoption of computerised
instruments, with the result that these
same simplified standards are basically
applied exclusively through the use of
software developed for this purpose. In
other words, the normative procedure is in
the hands of a software house and the user
simply has to be able to use a user-friendly
interface where the data needed for the
calculations is entered, which are then
carried out automatically by the software.
At this point we should ask ourselves:
why not delegate to the same instrument
a more sophisticated calculation code
so that the user does not need to do any
computational work? What effects might a
more sophisticated calculation procedure,
hidden behind an interface that has the
same amount of information required for
the more simple calculation, cause?
In this article there is a summary of some
more in-depth cases on this topic, dealt
with by comparing the energy requirement
of the building established through
procedures coming from CEN with that
estimated by the dynamic calculation code
DOE-2 (LBL, 1994), limiting, in the first
analysis, the potentialities provided by the
sophisticated software within the confines
of a rough approximation dictated by the
input required by the simplified procedures.
ANALYSIS OF THE PERFORMANCES OF
BUILDINGD WITH A DIFFERENT THERMAL
CAPACITY
EFFECTS
ANALISI PRESTAZIONALE DI EDIFICI A DIVERSA CAPACITÀ TERMICA
EFFETTI
DELLA CAPACITÀ TERMICA VALUTATI CON SIMULAZIONI DINAMICHE
Per un recente studio commissionato dal U.S. Department of
Energy - Energy Efficiency and Renewable Energy Office of
Building Technologies – Washington, D.C. (Henninger e Witte
2007) è stato testato, secondo standard ANSI/ASHRAE 140-2004,
il livello di sensibilità dei più noti modelli di simulazione dinamici
nell’apprezzare gli effetti della capacità termica degli edifici.
Un edificio-tipo a configurazione variabile è stato simulato con
i diversi software (EnergyPlus, ESP, BLAST, DOE-2, SRES/SUN,
SERIRES, S3PAS, TRNSYS, TASE) nelle condizioni climatiche di
Denver (40°Lat N, città dal clima freddo invernale e caldo secco
estivo). Sono state considerate due soluzioni edilizie, ad alta e
bassa capacità termica, aventi trasmittanza termica di involucro
analoga. Per tutte le configurazioni considerate nello studio
(orientamento delle aperture, presenza di elementi ombreggianti,
109
L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116
OF THE THERMAL CAPACITY ASSESSED WITH
DYNAMIC SIMULATIONS
For a recent study commissioned by the U.S.
Department of Energy - Energy Efficiency
and Renewable Energy Office of Building
Technologies – Washington, D.C. (Henniger
and Witte 2007) a test was carried out, in
line with the standards of ANSI/ASHRAE
140-2004, on the level of sensitivity of
the most well-known dynamic simulation
models for rating the effects of the thermal
capacity of buildings. A building with
a variable configuration was simulated
with various software (EnergyPlus, ESP,
BLAST, DOE-2, SRES/SUN, SERIRES, S3PAS,
TRNSYS, TASE) with the weather conditions
of Denver (40°Lat N, a city with cold
winter weather and a hot dry summer).
Two building solutions were considered,
with a high and low thermal capacity,
with the same thermal transmittance for
the envelope. For all the configurations
involved in the study (orientation of the
openings, the presence of shading elements,
operating state of the various systems, the
ricerca research
su base oraria e la variabilità delle condizioni ambientali interne
all’edificio viene determinata attraverso l’imputazione di dati
occupazionali e gestionali, anch’essi rappresentati su base oraria.
Per ovviare al problema della complessità, diversamente, sono state
definite procedure semplificate che risolvono il bilancio energetico
in regime stazionario, anche su base mensile o stagionale,
omettendo, se non tramite parametri di prima approssimazione1
che solo indirettamente riconducono ad effetti dinamici, l’analisi
dettagliata delle variazioni delle prestazioni termiche dei sistemi
edilizi nell’arco della giornata.
Tali procedure sono da tempo tradotte in norme, che per proprio
per esigenze di larga diffusione richiedono semplificazioni
metodologiche, quali quelle di derivazione CEN – Comitato Europeo
di Normazione – e costituiscono il riferimento su cui si basano
anche i decreti nazionali di recepimento della EPBD - Direttiva UE
sull’efficienza energetica degli edifici.
Di fatto negli anni più recenti si è venuta a consolidare l’adozione
di strumenti informatici di larga diffusione, con il risultato che
le stesse norme semplificate vengono praticamente applicate
esclusivamente tramite l’utilizzo di software sviluppati allo scopo.
In altre parole, la procedura normata resta appannaggio di una
software-house e l’utente si confronta semplicemente con una
interfaccia user-friendly in cui digitare i dati di input necessari
per il computo, al quale pensa in completa autonomia il codice di
calcolo del software utilizzato.
A questo punto è lecito domandarsi: perché non delegare al
medesimo strumento informatico un codice di calcolo più
sofisticato dal momento in cui l’utente è sollevato da ogni onere
di computazione? Quali effetti potrebbero rivelare procedure di
calcolo più sofisticate celate dietro un interfaccia che presenta
la medesima mole di dati di input richiesti per il computo
semplificato?
Nel presente articolo vengono riassunti alcuni casi di
approfondimento sul tema, affrontati confrontando il fabbisogno
energetico dell’edificio determinato tramite procedure di
derivazione CEN con quello stimato dal codice di calcolo dinamico
DOE-2 (LBL, 1994), limitando, in prima analisi, le potenzialità date
dal software sofisticato entro i confini di prima approssimazione
dettati dagli input richiesti dalle procedure semplificate.
Tab. I - Caratteristiche fisico-termiche delle murature di involucro.
Physical-thermal characteristics of the envelope walling.
MURATURE PERIMETRALI
Spessore
Cond.
Densità
Cal. spec.
OUTSIDE WALLING
Thickness
m
Cond.
W/(mK)
Density
Spec heat.
Intonaco di calce e cemento
Lime and cement plaster
0.015
0.930
1800
0.25
Muratura in laterizio
Brick walling
0.380
0.210
878
0.23
Intonaco di calce e gesso
Lime and gypsum plaster
0.015
0.540
1500
0.03
Intonaco plastico
Plastic plaster
0.005
0.700
1000
0.22
Isolante per cappotto
Insulation for the cladding
0.040
0.038
80
0.37
Muratura in laterizio
Brick walling
0.170
0.230
878
0.23
Intonaco di calce e gesso
Lime and cement plaster
0.015
0.540
1500
0.22
Intonaco di calce e cemento
Lime and cement plaster
0.015
0.930
1800
0.22
Muratura in laterizio
Brick walling
0.085
0.230
878
0.23
Isolante
Insulation
0.040
0.038
80
0.37
Muratura in laterizio
Brick walling
0.085
0.230
878
0.23
Intonaco di calce e gesso
Lime and cement plaster
0.015
0.540
1500
0.22
kg/m3
Wh/(kgK)
1) Monostrato intonacata (383 kg/m2)
1) Plastered single layer (383 kg/m2)
ricerca research
2) Monostrato con cappotto (180 kg/m2)
2) Single layer with cladding (180 kg/m2)
3) Con isolante in intercapedine (202 kg/m2)
3) With insulation in the interspace (202 kg/m2)
4) Con isolante in interc. e faccia a vista (356 kg/m2)
4) With insulation in interspace and fair-faced brick (356 kg/m2)
Laterizio faccia a vista
Fair-faced brick
0.120
0.650
1800
0.23
Isolante
Insulation
0.040
0.038
80
0.37
Muratura in laterizio
Brick walling
0.130
0.230
878
0.23
Intonaco di calce e gesso
Lime and cement plaster
0.015
0.540
1500
0.22
Rivestimento fibrocemento
Fibre-cement covering
0.013
0.600
1800
0.23
Isolante
Insulation
0.064
0.038
80
0.37
Cartongesso
Plasterboard
0.026
0.210
900
0.3
5) Tamponamento iperleggero (52 kg/m2)
5) Ultra-light padding (52 kg/m2)
regime di funzionamento degli impianti, presenza di serra per il
periodo invernale e strategia di ventilazione notturna per il periodo
estivo) i modelli di calcolo dinamici utilizzati hanno diagnosticato
inequivocabilmente l’efficacia della capacità termica edilizia sia in
inverno che in estate, con vantaggi energetici massimizzati in caso
110
L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116
presence of a greenhouse for the winter
and a night cooling ventilation strategy
for the summer) the dynamic calculation
models used, diagnosed unequivocally the
effectiveness of the thermal capacity of
the building, both in winter and summer,
with maximised energy benefits in case of
Brick covering: reduction in energy requirement compared to an envelope with ultra-light covering
30%
26% 26% 26%
25%
25%
22%
17%
15%
21%
20%20%
20%
17%
15% 15%
18%
15% 15%
13%
10%
7%
5%
3%
4%
4%
5%
8%
8%
7%
6%
8% 8%
7%
4%
3%
3%
2%
0%
Heat
Cool
Heat
S/V = 0.83
Cool
Heat
Cool
S/V = 0.43
S/V = 0.64
1
2
3
Heat
Cool
S/V = 0.22
4
Grafico 1 – Riduzione percentuale di fabbisogno energetico rispetto all’involucro
iperleggeroDiagram 1 – Percentage reduction of the energy requirement with respect to the ultralight envelope.
di free-cooling notturno durante il periodo estivo.
Muovendo da questi risultati, nell’ambito di una ricerca svolta al
Politecnico di Milano, si è voluto verificare quale ruolo avesse, in
termini di efficacia prestazionale, la capacità termica dell’involucro
edilizio, a parità delle restanti soluzioni costruttive adottate
(partizioni verticali interne e solai).
A tale scopo con il codice di calcolo DOE-22 è stato condotto un
set di simulazioni3 su alcuni edifici-tipo di diversa dimensione
(rapporti S/V pari a 0.22, 0.43, 0.64 e 0.83 rispettivamente), con
modalità occupazionali e gestionali costanti nel tempo, variando
le sole caratteristiche delle murature perimetrali, confrontando
cioè le prestazioni date da stratigrafie di involucro convenzionali in
laterizio rispetto a quelle ottenute da un involucro “iperleggero”
(isolante in sandwich), a parità di trasmittanza termica risultante
U = 0.5 W/(m2K).
La sensibilità del codice di calcolo dinamico utilizzato ha
diagnosticato scostamenti prestazionali significativi in presenza
di involucro edilizio dotato di capacità termica, sia per quanto
riguarda il fabbisogno di energia termica invernale che per quello
estivo4.
Nel grafico 1 sono riportate le riduzioni percentuali di fabbisogno
termico invernale ed estivo delle tipologie in laterizio rispetto a
quella “iperleggera”.
EFFETTI
EFFECTS
OF THE THERMAL CAPACITY ASSESSES USING
SIMPLIFIED PROCEDURES
The recent technical specifications UNI/
TS 11300 fix the methods for the national
application of UNI EN ISO 13790:2008 with
reference to the monthly method for
calculating the energy demand for heating
and cooling.
The energy balance of the building is
assessed by establishing the monthly
“utilisation factors”, dependent on the
thermal capacity of the inside of the
building structure, of both the thermal
contributions (heating) and the thermal
dispersions (cooling).
This procedure is applied using a
spreadsheet on two variants of a building,
differentiated by thermal capacity
values of 165 kJ/(m2K) for the more
“massive” structure and 85 kJ/(m2K) for
the “lighter” structure (extreme thermal
capacity values reported in the technical
specifications for exiting buildings with 3
floors) with the thermal transmittance of
the envelope being the same. The average
monthly climatic data for the evaluation
(UNI 10349) refer to Milan.
As can be seen in Diagram 2, the energy
balance for the “massive” structure
and for the “light” one establishes
DELLA CAPACITÀ TERMICA VALUTATI TRAMITE PROCEDURE SEMPLIFICATE
La recente specifica tecnica UNI/TS 11300 definisce le modalità
per l’applicazione nazionale della norma UNI EN ISO 13790:2008
con riferimento al metodo mensile per il calcolo dei fabbisogni di
energia termica per riscaldamento e per raffrescamento.
Il bilancio energetico dell’edificio viene stimato determinando
i “fattori di utilizzazione” mensili, dipendenti dalla capacità
termica della struttura edilizia interna, sia degli apporti termici
(riscaldamento) che delle dispersioni termiche (raffrescamento).
Tale procedura è stata applicata, tramite un foglio elettronico,
a due varianti di un edificio-tipo, distinte da valori di capacità
111
night free-cooling during the summer.
Starting with these results, research
carried out at the Polytechnic of Milan
intended to assess what role would be
played, in terms of performance efficiency,
by the thermal capacity of the building
envelope, with the same construction
solutions adopted (interior vertical
partitions and floors).
To this end, using the DOE-2 code, a set
of simulations3 was carried out on some
buildings with different dimensions
(S/V ratios of 0.22, 0.43, 0.64 and 0.83
respectively), with constant methods and
management of utilisation over time,
varying just the characteristics of the
outer walling, comparing the performances
given by stratigraphics of a conventional
brick envelope with those obtained from
an “ultra-light” envelope (sandwich
insulation), with the same resultant
thermal transmittance U = 0.5 W/(m2K).
The sensitivity of the dynamic calculation
code used diagnosed significant
performance variations in the presence
of a building envelope with thermal
capacity, both as regards the winter energy
requirements as well as those for summer4.
In diagram 1 we can see the percentage
reduction in the winter and summer
thermal requirements of the brick types
compared to the “ultra-light” type.
L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116
Fig. 1 – Modello 3d dell’edificio-tipo.
3D model of the type of building used.
ricerca research
Tamponamenti in laterizio: riduzione fabbisogno energetico rispetto ad involucro con tamponamento iperleggero
termica pari a 165 kJ/(m2K) per la struttura più “massiva” e pari
a 85 kJ/(m2K) per la struttura più “leggera” (valori estremi di
capacità termica areica riportati nella specifica tecnica per gli
edifici esistenti con numero di piani ≥3) a parità di trasmittanze
termiche d’involucro. I dati climatici medi mensili utilizzati per la
valutazione (ex UNI 10349) sono riferiti alla città di Milano.
Come si evince dal grafico 2, il bilancio energetico rilevato per
la struttura “massiva” e per quella “leggera” determina valori
di fabbisogno di energia con differenze stagionali contenute
nell’ordine del 1 ÷ 5% (estate-inverno).
Rispetto a quanto emerso con le precedenti simulazioni dinamiche,
in applicazione della procedura semplificata prevista dalla
normativa vigente la capacità termica dell’edificio assume un ruolo
di scarso rilievo, sia in termini di fabbisogno energetico invernale
che di fabbisogno energetico estivo.
LA VARIABILITÀ DELLE CONDIZIONI CLIMATICHE: UN ASPETTO
DETERMINANTE
ricerca research
La norma UNI EN 832, riferimento precedente alla citata UNI EN
ISO 13790:2008, consente di calcolare la prestazione energetica
invernale dell’edificio risolvendo una sola equazione di bilancio, in
funzione dei dati climatici medi stagionali di temperatura dell’aria
e di radiazione solare della località considerata. La norma, inoltre,
contempla la possibilità di considerare l’apporto di radiazione
solare incidente sulle superfici opache dell’involucro di entità
energy requirement values with seasonal
differences in the order of 1 ÷ 5% (summerwinter).
With regard to what emerged with the
previous dynamic simulations, applying the
simplified procedure provided for by the
current regulations, the thermal capacity
of the building does not play an important
role, both in terms of the winter, as well as
the summer, energy requirement.
THE VARIABILITY OF THE CLIMATIC
CONDITIONS: A CRUCIAL ASPECT
UNI EN 832, the reference standard
previous to the above-mentioned UNI
EN ISO 13790:2008, allows the winter
energy performance of the building to
be calculated by using just one equation,
according to the average seasonal data
regarding the air temperature and the solar
radiation of the place in question. The
regulations, moreover, contemplate the
possibility of taking into consideration the
solar radiation contribution on the opaque
surfaces of the envelope, just as the amount
of heat lost through irradiation through
the envelope itself, therefore leaving out
the calculation of both contributions in the
balance of the building.
A building, similar to the one described
earlier, was subjected to an evaluation
using a spreadsheet set up according to
the simplified approach and, by way of
comparison, using the DOE-2 hourly dynamic
Fabbisogno energetico specifico per climatizzazione in applicazione UNI/TS 11300 (edificio-tipo a Milano)
Specific energy requirement for climatisation applying UNI/TS 11300 (building in Milan)
12
10
kWh/m
8
6
4
2
0
GEN
JAN
FEB
FEB
MAR
MAR
APR
APR
MAG
MAY
GIU
JUNE
LUG
JULY
AGO
AUG
SET
SEPT
OTT
OCT
NOV
NOV
DIC
DEC
Massivo INV
Winter massive
9,5
6,2
2,4
0,1
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,2
4,3
8,6
Leggero INV
Winter light
9,7
6,4
3,0
0,3
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,4
4,6
8,8
0,0
0,0
0,0
0,0
1,6
5,4
8,0
6,6
2,9
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,1
1,7
5,4
8,0
6,6
2,9
0,0
0,0
0,0
Massivo EST
Summer massive
Leggero EST
Summer light
Grafico 2 – Fabbisogno energetico per climatizzazione secondo UNI/TS 11300.
Diagram 2 – Energy requirement for air-acclimatisation according to UNI/TS 11300.
112
L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116
Fabbisogno energetico specifico per climatizzazione invernale
in assenza di radiazione solare
Specific energy requirement for winter climatisation
in the absence of solar radiation
Fabbisogno energetico specifico per climatizzazione invernale
(effetti della forzante climatica)
Specific energy requirement for winter climatisation
(effects of climatic forcing)
40
36,1
50
36,4
29,4
43,0
45,0
45,3
31,6
40
35
20,1
20
kWh/m
25,6
25
kWh/m
41,9
45
35
30
calculation engine, with the aim of verifying
how great the effect of the climatic
variation can be on the energy balance.
To appraise just the effect given by the
variability of the outside conditions,
therefore, the conditions (interior loads and
changes of air) inside the building simulated
with DOE-2 were rendered constant and
with factors similar to those set out
according to the simplified procedure. To
get a more coherent comparison between
the two methods, the hourly climate
file used for the dynamic simulation was
generated using a special calculation
routine, starting with the average monthly
data gathered from UNI 10349 regarding the
place in question (Rome).
Keeping the same thermal conductivity
characteristics associated in both cases
with the constituent building materials,
in the dynamic simulation model the data
regarding specific heat and density were
obviously assigned.
The simulation set carried out, calculating
the thermal balance with the simplified
procedure on a seasonal basis and using the
dynamic code on an hourly basis, provided
for the performance comparison between
the two variants of the same building:
without changing the characteristics of the
interior horizontal and vertical partitions, a
“massive” envelope (solid plastered bricks)
and a “light” envelope (sandwich panels of
30
25
15
20
10
15
5
10
5
0
1. Stazionario
Stationary
0
2. Dinamico
Dynamic
3. Dinamico con
RadSol su sup. opache
Dynamic with solar
radiation
on opaque surfaces
4. Dinamico
Dynamic
Massivo/Massive
Massivo/Massive
Leggero/Light
Leggero/Light
Grafico 3 – Confronto fabbisogno energetico stazionario/dinamico al variare dell’apporto solare.
Diagram 3 – Comparison of the stationery/dynamic energy
requirement with a variation of the solar contributions.
113
L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116
5. Stazionario
Stationary
Grafico 4 – Confronto fabbisogno energetico stazionario/dinamico in assenza di apporto solare.
Diagram 4 – Comparison of the stationery/dynamic energy requirement in
the absence of a solar contributions.
ricerca research
analoga alla quantità di calore ceduta per irraggiamento verso la
volta celeste dall’involucro stesso, dunque di omettere il calcolo di
entrambi i contributi nel bilancio dell’edificio.
Un edificio-tipo, analogo a quello descritto precedentemente,
è stato sottoposto a valutazione tramite un foglio elettronico
impostato secondo tale approccio semplificato e, per confronto,
tramite il codice di calcolo dinamico orario DOE-2, allo scopo di
verificare quanto possa incidere l’effetto della variazione climatica
sul bilancio energetico.
Per apprezzare il solo effetto dato dalla variabilità delle condizioni
ambientali esterne, dunque, le condizioni interne (carichi interni
e ricambi d’aria) al sistema edilizio simulato con DOE-2 sono state
poste costanti e di entità analoghe a quelle definite secondo la
procedura semplificata. Per una maggior coerenza di confronto tra
i due metodi, il file climatico orario utilizzato per la simulazione
dinamica è stato generato, avvalendosi di una apposita routine
di calcolo5, a partire dai dati climatici medi mensili desunti dalla
norma UNI 10349 relativi alla località considerata (Roma).
Ferme restando le medesime caratteristiche di conducibilità
termica associate in entrambi i casi ai materiali edilizi costituenti
l’edificio, nel modello di simulazione dinamico sono stati
ovviamente assegnati i dati di calore specifico e densità.
Il set di simulazioni effettuate, calcolando il bilancio termico con
la procedura semplificata su base stagionale e tramite il codice
ricerca research
dinamico su base oraria, ha previsto il confronto di prestazione
tra due varianti del medesimo edificio: mantenendo invariate le
caratteristiche delle partizioni orizzontali e verticali interne, sono
stati considerati un involucro “massivo” (mattoni pieni intonacati)
e un involucro “leggero” (sandwich di fibrocemento e cartongesso
con interposta lana di roccia), entrambi aventi la medesima
trasmittanza termica U = 0.8 W/(m2K).
I due diversi edifici sono stati simulati con procedura dinamica
(caso 2) escludendo l’apporto di radiazione solare sulle superfici
opache (azzerando i coefficienti di assorbimento della radiazione
solare e di emissione nell’infrarosso dei materiali superficiali
esterni) ottenendo dunque un modello basato su un approccio
del tutto analogo a quello previsto con la procedura semplificata
(caso 1). Successivamente è stato simulato l’edificio con il codice
dinamico senza “forzare” il mancato apporto di radiazione solare
sulle superfici opache (caso 3), assegnando ai materiali superficiali
esterni i coefficienti di assorbimento della radiazione solare e di
emissione nell’infrarosso.
I risultati di fabbisogno termico invernale dei tre casi descritti sono
rappresentati nel grafico 3.
Tra le due procedure di calcolo si evidenzia una sostanziale
differenza dei risultati.
Inoltre, e in particolare, si evince che la simulazione dinamica
diagnostica una migliore prestazione dell’involucro dotato di
maggior capacità termica (caso 2, differenza di fabbisogno termico
rispetto all’involucro “leggero” dell’ordine del 10%) mentre la
procedura semplificata (caso 1) non rivela differenze apprezzabili
tra le due soluzioni (36.1 kWh/m2 e 36.4 kWh/m2 rispettivamente).
Data l’assenza di apporto solare sulle superfici opache, il
vantaggio dell’involucro “massivo” è in questo caso attribuibile
principalmente ai soli effetti di accumulo indiretto (lato interno)
dell’apporto di radiazione solare che penetra nell’edificio
attraverso le superfici trasparenti e, in parte, alla migliore
prestazione data nei confronti delle oscillazioni di temperatura
esterna contemplate dal file climatico orario (effetto buffer).
L’apporto di radiazione solare sull’involucro opaco (caso 3)
determina un significativo aumento delle differenze riscontrabili
tra le due diverse procedure di calcolo (caso 3 vs. caso 1) e rivela
un ulteriore aumento prestazionale dato dall’involucro dotato di
maggior capacità termica rispetto alla prestazione rilevabile con la
soluzione leggera (riduzione del fabbisogno prossimo al 25%).
Per quantificare il contributo della forzante determinata dalle sole
oscillazioni di temperatura dell’aria esterna (cfr. grafico successivo)
le due versioni d’edificio sono state simulate, con il codice
dinamico, escludendo la componente solare sia dalle superfici
opache che da quelle trasparenti (caso 4) e la medesima condizione,
in totale assenza di apporto solare, è stata valutata anche con la
procedura semplificata (caso 5). Rispetto ai risultati precedenti, per
entrambe le soluzioni di involucro edilizio il fabbisogno energetico,
in assenza di apporto solare, ovviamente aumenta ed il vantaggio
dato dalla soluzione con maggiore capacità termica, si riduce al 2%
(42 kWh/m2 e 43 kWh/m2 di fabbisogno termico per ciascun caso
rispettivamente).
È interessante constatare, inoltre, che i risultati ottenuti in assenza
di radiazione solare non si discostino molto tra simulazione dinamica
e valutazione stazionaria, a riprova della significativa rilevanza data
dal variare dell’apporto di radiazione solare diagnosticabile con la
procedura dinamica oraria.
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L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116
fibre-cement and plasterboard with rock
wool interposed), both having the same
thermal transmittance U = 0.8 W/(m2K).
The two different buildings were simulated
with a dynamic procedure (case 2)
excluding the solar radiation contribution
on the opaque surfaces (razing to zero
the solar absorption coefficients and the
emissivity coefficients in the infra-red of
the outside surface materials) thereby
obtaining a model based on an approach
totally similar to the one envisaged
with the simplified procedure (case 1).
Afterwards the building was simulated
with the dynamic code without “forcing”
the lacking contribution of solar radiation
on the opaque surfaces (case 3), assigning
to the outside surface materials the
coefficients for solar radiation absorption
and infra-red emissivity.
The results for the winter energy
requirements of the three cases describes
are shown in diagram 3.
There was a large difference in the results
of the two procedures.
Moreover, and in particular, we can deduce
that the dynamic simulation shows up
a better performance for the envelope
equipped with a larger thermal capacity
(case 2, an difference in the thermal
energy demand compared to the “light”
envelope in the order of 10%), while the
simplified procedure (case 1) does not show
up any appreciable differences between
the two solutions (36.1 kWh/m2 and
36.4 kWh/m2 respectively).
Given the absence of the solar contribution
on the opaque surfaces, the advantage
of the “massive” envelope is in this case
attributable mainly to just the effects of
indirect accumulation (interior side) of
the solar radiation that penetrates the
building through the transparent surfaces
and in part, to the better performance
given in the face of the outside changes in
temperature contemplated by the hourly
climatic file (buffer effect).
The contribution of the solar radiation on
the opaque envelope (case 3) establishes a
significant increase in the difference found
between the two different calculation
procedures (case 3 vs. case 1) and reveals
a further increase in performance given by
the envelope with greater thermal capacity
compared to the performance found with
the light solution (close to 25% reduction in
the requirement).
To quantify the contribution of the
externally applied force determined
by just the changes in the outside air
temperature (see next diagram) the two
versions of the building were simulated,
with the dynamic code, excluding the
solar component both from the opaque as
well as the transparent ones (case 4) and
the same condition, in the total absence
of a solar contribution, was evaluated
also with the simplified procedure
(case 5). Regarding the previous results,
for both building envelope solutions the
energy requirement, in the absence of a
solar contribution, obviously increases
and the advantage given by the solution
with the greater thermal capacity falls
to 2% (42 kWh/m2 and 43 kWh/m2 of
thermal energy demand for each case
respectively).
It is interesting to note, moreover, that the
results obtained with no solar radiation
do not diverge much between the dynamic
CONCLUSIONI
Basandosi sulle semplificazioni procedurali consentite dagli approcci
normativi, alcuni fondamentali aspetti della reale prestazione
termica dell’edificio, apprezzabili analiticamente solo tramite le
più complesse modalità di calcolo in regime dinamico, rischiano di
assumere un ruolo impropriamente secondario.
Se, da un lato, i modelli di simulazione più sofisticati presentano il
vantaggio di poter “inserire” con maggiore dettaglio la descrizione
dell’edificio, dei suoi impianti e delle sue modalità gestionali,
dall’altro lato, pur trascurando i dettagli impiantistici e gestionali,
limitandosi dunque ad una mole di dati di input praticamente
analoga a quella necessaria alla risoluzione delle procedure
semplificate, con i codici di calcolo dinamici si possono ottenere
risultati prestazionali significativamente diversi da quanto rilevabile
applicando le norme semplificate.
In particolare, la valutazione secondo normativa rivela una scarsa
sensibilità nell’apprezzare l’importanza della forzante climatica e
gli effetti della capacità termica dell’involucro edilizio: tali aspetti
possono rivelare differenze energetico-prestazionali sostanziali,
soprattutto in riferimento alle condizioni climatiche caratteristiche
del territorio nazionale.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
Simulation Research Group of Lawrence Berkeley Laboratory, “DOE-2
manuals”, U.S. Department of Energy - University of California,1994.
R.H. Henninger, M.J. Witte, EnergyPlus Testing with Building Thermal
Envelope and Fabric Load Tests from ANSI/ASHRAE Standard, 140-2004
(prepared for: U.S. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable
Energy Office of Building Technologies Washington, D.C.), 2007, www.
energyplus.gov.
S. Ferrari, Building envelope and heat capacity: re-discovering the thermal
mass for winter energy saving, Atti: 2nd PALENC & 28th AIVC Conferences,
2007, Crete Island, Greece.
S. Ferrari, M. Baldinazzo, Valutazione delle prestazioni energetiche degli
edifici: dalle norme semplificate all’analisi dinamica, Atti: Convegno AICARR
- Certificazione energetica: normative e modelli di calcolo per il sistema
edificio-impianto posti a confronto, Bologna 16/10-Torino 25/11/2008,
Napoli 16/01/2009.
simulation and the steady-state evaluation,
confirming the importance given by varying
the contribution of the solar radiation,
something that can be found out with the
hourly dynamic procedure.
To sum up: the climatic variation,
especially regarding the solar radiation,
when assessed with sophisticated
instruments not only plays a crucial role in
determining the energy requirement of the
buildings, but also allows you to appreciate
the advantages given by the thermal
capacity of the envelope.
CONCLUSIONS
Based on the procedural simplifications
provided by the regulatory approaches,
some fundamental aspects of the real
thermal performance of the building, which
can be found analytically only through the
more complex method of calculating in a
dynamic state, risk assuming a secondary
role they do not merit.
If, on the one hand, the more sophisticated
simulation models have the benefit
of being able to “insert” with greater
detail the description of the building, its
systems and its operational modes, on
the other hand, even though ignoring the
system engineering and operating details,
restricting themselves therefore to a mass
amount of input data that is practically
the same as that needed for the simplified
procedures, with the dynamic calculation
codes you can get performance results
that are significantly different from what
can be obtained by applying the simplified
norms.
In particular, the evaluation according to
the regulations reveals poor sensitiveness
in appraising the importance of the outside
weather and the effects of the thermal
capacity of the building envelope: these
aspects can reveal substantial energyperformance differences, especially with
reference to the typical climatic conditions
of the country.
RINGRAZIAMENTI
Prof. A. Campioli, Dott. R. S. Adhikari
(Dip.to BEST - Politecnico di Milano).
Ing. G. Di Cesare (ANDIL-Assolaterizi, Roma)
ACKNOWLEDGEMENTS
Prof. A. Campioli, Dr. R. S. Adhikari (Dip.
to BEST – Polytechnic of Milan).
G. Di Cesare (ANDIL-Assolaterizi, Rome)
1. Il bilancio energetico dell’edificio viene valutato, in pratica, facendo riferimento alle sole proprietà isolanti dell’edificio e computando
gli effetti della capacità termica dei soli materiali che interagiscono con il volume d’aria interno all’edificio (tramite il “parametro dinamico” definito fattore di utilizzazione).
1. The energy balance of the building is assessed, in practice, by referring to just the insulating properties of the building and by calculating the effects of the thermal capacity of only the materials that interact with the air volume inside the building (through the “dynamic
parameter” defined as a utilisation factor).
2. Versione DOE-2.1E-119.
2. Version DOE-2.1E-119.
3. Il file climatico orario utilizzato in questa analisi è il Test Reference Year di Roma città.
3. The hourly climate file used in this analysis is the Test Reference Year of Rome.
4. È da porre in evidenza che in questo caso il vantaggio termico rilevato durante il periodo estivo risulta contenuto poiché i ricambi
d’aria adottati per le simulazioni sono stati considerati costanti e pari a quelli invernali (0.3 vol/h, secondo norma nazionale), assai ridotti rispetto a quanto di prassi si verifica in fase di gestione durante il periodo estivo.
4. In this case we should highlight that the thermal benefit found during the summer is quite low since the changes of air adopted for the
simulations have been made constant and the same as those for the winter (0.3 vol/hr, in line with national standards), which are quite low
compared to those usually found during the summer.
5.Utility del software Meteonorm, http://www.meteotest.com.
5. Utility of the Meteonorm software, http://www.meteotest.com.
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ricerca research
Per riassumere: la variazione climatica, in particolar modo relativa
all’apporto di radiazione solare, valutata con strumenti sofisticati
non solo riveste un ruolo fondamentale nella determinazione del
fabbisogno energetico degli edifici ma consente di apprezzare i
vantaggi dati dalla capacità termica dell’involucro.