ricerca - Gruppo Stabila
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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. 114 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. 115 L’industriadeiLaterizi • marzo aprile 2009 • 116 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.