Progettazione dell’involucro termico con la simulazione dinamica

CIL 180 – Tra le sfide più complesse nel progetto o nella riqualificazione di un edificio ad alte prestazioni energetiche vi è senz’altro quella di conciliare il contenimento dei consumi invernali e controllare i fabbisogni della stagione estiva per garantire sempre adeguate condizioni di confort.

Obiettivo sicuramente ambizioso che rende di fondamentale rilevanza curare il progetto in tutti i suoi aspetti. Concetto chiave è analizzare la soluzione costruttiva nel suo insieme: dalla scelta dei materiali con cui realizzare gli elementi disperdenti alla valutazione della posizione che ricoprono all’interno della stratigrafia in funzione del ruolo globalmente svolto nell’involucro.

Nella progettazione degli edifici a energia quasi zero, data la necessità di ricorrere a elevati livelli d’isolamento dell’involucro edilizio, riveste un ruolo critico la prestazione energetica estiva.

In questo lavoro si prende in esame un progetto di un edificio nZEB1 sito a Milano e adibito a uffici. Attraverso un esempio pratico si utilizzano strumenti di calcolo a supporto delle decisioni progettuali che riguardano l’involucro edilizio e il corretto sfruttamento dell’inerzia termica delle strutture per mantenere un confort abitativo adeguato, evitando contestualmente un uso eccessivo degli impianti di climatizzazione estiva e contenendo così i costi a esso associati (figura 1).

Per approfondire questa simulazione ci si avvale dell’analisi termica del Motore Dinamico Orario del software TERMOLOG2, la cui la norma di riferimento è la Uni En Iso 52016 in vigore da marzo 2018. Quest’approccio si rivela molto efficace nel calcolo dei fabbisogni per raffrescamento per i quali è indispensabile considerare su base oraria le ripercussioni dei fenomeni dinamici nel tempo. Con questo metodo è infatti possibile verificare l’effettivo confort degli occupanti simulando la condizione reale degli ambienti.

Contesto normativo: il nuovo calcolo termico dinamico. La norma europea per il calcolo dinamico orario Uni En Iso 52016:2018 è stata recepita in Italia il 1° marzo 2018 senza alcuna variazione rispetto al testo europeo già in vigore.

A gennaio 2019 la Commissione Tecnica Uni/Cti 202 del Comitato Termotecnico Italiano ha approvato un’appendice nazionale alla norma, che modifica in modo importante il modello di calcolo delle strutture utilizzato dalla versione europea, proponendo una soluzione ancora più dettagliata.

L’Appendice nazionale, Appendice A, è prevista dalla struttura della Uni En Iso 52016:2018 e in generale di tutte le norme del pacchetto EPB 52000: l’obiettivo è rendere la norma più adattabile alle tecniche costruttive diffuse all’interno di ogni nazione. L’Appendice A racchiude infatti le scelte di ogni Paese, i modelli e i dati di base per l’applicazione della norma sul territorio.

La versione italiana, sviluppata dalla commissione tecnica Uni/Cti 202, si distingue per il miglioramento del modello RC (Resistenza-Capacità) delle strutture opache implementato nella norma En Iso 52016, al fine di poter meglio rappresentare le stratigrafie realmente utilizzate per le pareti.

Questo ha portato allo sviluppo di un modello molto più elaborato, legato alla reale composizione e sequenza dei materiali di pareti realizzate nel nostro contesto costruttivo. L’Appendice italiana è la versione a cui fare riferimento in quanto destinata a essere recepita nel nostro Paese.

La scelta dei materiali costruttivi di un edificio come strategia progettuale

Che ruolo rivestono le scelte dei materiali da costruzione sul comportamento energetico di una parete o di un edificio? Per poter rispondere in maniera esaustiva al quesito è prima necessario soffermarsi a definire il concetto di “inerzia termica”: in linea teorica si descrive come la capacità di un materiale o di una struttura di trasferire calore più o meno lentamente in risposta a variazioni di temperatura esterna o a una sorgente di calore/raffreddamento interno. L’inerzia termica risulta direttamente proporzionale al calore specifico dei materiali e alla loro massa.

Materiali resistenti e capacitivi rallentano e accumulano il calore: si citano in questa categoria ad esempio i laterizi massivi. In fisica, l’inerzia termica può essere vista come un’attenuazione dell’entità dell’escursione termica esterna che si trasmette all’interno degli ambienti e contestualmente ne ritarda l’ingresso.

Le pareti dotate di massa superficiale elevata sfruttano entrambi questi effetti di smorzamento e sfasamento dell’ampiezza dell’onda termica. Tornando ai materiali edili, più calore riescono ad assorbire e più sono in grado di cederlo con lentezza: se hanno un calore specifico alto, maggiore è il tempo che impiega l’onda termica per fluire dall’esterno all’interno attraverso il materiale. Nel seguito viene approfondita la risposta inerziale dell’edificio in esame, adottando due tipologie differenti di pareti perimetrali esterne (tabelle 1 e 2):

• Caso A: Struttura opaca con massa interna – cappotto esterno (tabella 1, figura 2);
• Caso B: Struttura opaca massa esterna – cappotto interno (tabella 2, figura 3).

La trasmittanza termica unitaria (U) degli elementi nei due casi proposti è identica e assume valore pari a 0,226W/m²K. Questo valore resta invariato al variare della posizione della massa nella stratigrafia della chiusura in laterizio con isolamento a cappotto. Che la massa si trovi all’esterno o all’interno della parete, un’analisi energetica basata sul calcolo stazionario mensile delle norme UNI TS 11300, con valutazione forfettaria della capacità termica interna, non subisce alcuna variazione³.

È infatti solamente lo schema RC introdotto dalla Uni En Iso 52016 che risponde in modo evidente al posizionamento della massa negli elementi d’involucro, siano esse chiusure verticali opache o orizzontali, interne ed esterne.

Per analizzare i tempi di risposta inerziale delle due stratigrafie analizzate ci si avvale dell’approccio dinamico orario: il calcolo in free floating, cioè in temperatura libera senza l’influenza dell’impianto di climatizzazione, consente di apprezzare il comportamento termico dell’involucro edilizio.

Calcolato il modello di progetto con il Motore DINAMICO ORARIO del software TERMOLOG, che implementa l’appendice A della Uni En Iso 52016, si analizzano gli andamenti della temperatura interna di zona per entrambi i casi presentati. Nei diagrammi mostrati la temperatura dell’aria interna registra valori superiori e contestualmente presenta fluttuazioni più ampie nel caso d’involucro con componenti edilizi coibentati internamente (figure 4 e 5).

Inoltre, con riferimento al confronto delle temperature interne massime della zona termica, è possibile apprezzare la ripercussione dei fenomeni inerziali: in particolare, soffermandosi nel giorno più caldo dell’anno, si nota una differenza di oltre 2°C.

Scegliere una struttura a bassa inerzia termica determina oscillazioni maggiori delle temperature degli ambienti interni: una soluzione di questo tipo evidenzia come sia importante, dal punto di vista del confort, posizionare la capacità effettiva di accumulo del calore sul lato interno.

Infatti, lo spessore della massa termica interna, correlato strettamente alla capacità termica areica periodica interna (C_ip), contribuisce in regime estivo ad attenuare la temperatura interna, tanto più alto si fissa il valore di tale parametro⁴.

Analizzare i tempi di risposta inerziali sul comportamento dell’involucro. Si approfondisce l’analisi inerziale del caso A (struttura opaca con massa interna – cappotto esterno), focalizzando l’attenzione sull’andamento delle temperature interne con dettaglio orario nel giorno più caldo dell’anno (figura 6): il grafico mostra come all’aumentare dell’irradianza esterna (curva in giallo) e della temperatura esterna dell’aria (curva azzurra) aumenta la temperatura interna degli ambienti (in rosso).

Un comportamento teorico sicuramente in linea con la realtà. Un involucro edilizio ad alta efficienza energetica, ben progettato anche nel periodo estivo, deve sfruttare adeguatamente l’effetto dell’inerzia termica in modo tale da beneficiare della temperatura esterna nei momenti in cui essa è più confortevole rispetto a quella interna. Il grafico di analisi dei tempi di risposta inerziali (figura 6) mostra chiaramente l’effetto dello sfasamento termico:

• il picco massimo di temperatura interna dell’aria si registra alle ore 18:00 quando l’irradianza e la temperatura esterna si abbassano;
• inoltre, l’oscillazione della temperatura esterna viene attenuata all’interno grazie all’ottima inerzia per effetto dello smorzamento termico.

Questa pratica progettuale mitiga il rischio di portare i locali al surriscaldamento e alla conseguente diminuzione del confort abitativo interno. Più una parete è massiva, più la temperatura interna diurna sarà costante, in estate o in inverno. Sono un ottimo esempio di tale fenomeno le costruzioni in muratura.

Analizzare l’inerzia termica sul comportamento dell’involucro significa valutare l’effetto combinato di accumulo termico e resistenza termica di una struttura: la parte massiva mantiene costante la temperatura interna, quella resistiva protegge l’ambiente interno dalle variazioni di temperatura.

In generale si può dunque evincere che la migliore composizione stratigrafica di un involucro si rivela essere quella che posiziona sul lato interno lo strato ad elevata capacità termica e sull’esterno quello isolante.

La parete così formata deve anche saper rispondere efficacemente alle brusche variazioni termiche, tipiche della stagione estiva più che di quella invernale: solo attribuendole caratteristiche di alta inerzia termica può essere in grado di attenuare gli sbalzi di temperatura dall’esterno, provocati da tanti fattori tra cui radiazione solare e apporti interni.

Conclusioni

Scegliere materiali ad alta inerzia termica e progettare le tecnologie costruttive da adottare significa investire strategicamente sull’involucro e quindi sulla parte che avrà bisogno di minor manutenzione nel tempo e di apporti energetici ridotti.

Rispettare le aspettative di un edificio ad altissime prestazioni porta a ridurre il più possibile gli sprechi e la domanda energetica; conseguentemente mira a un alto livello di confort abitativo interno, sia in termini di temperatura degli ambienti sia per la qualità dell’aria.

In sintesi, progettare un edificio che metta al centro il benessere climatico in estate oltre che in inverno, e inoltre lo faccia riducendo i consumi energetici, significa soddisfare il proprio committente e aumentare il valore dell’immobile.

di Laura Guerini, ingegnere Logical Soft

Note

1. Edificio nZeb, “ad energia quasi zero” (nearly Zero Energy Building nZEB) è un edificio che consuma pochissima energia per riscaldamento, raffrescamento, produzione di acqua calda sanitaria, ventilazione, illuminazione. Il concetto di edificio nZEB è stato introdotto per la prima volta dalla Direttiva Europea 31/2010/CE, recepita in Italia dal D.Lgs. 192/2005 e successivi aggiornamenti.
2. Logical Soft: software house italiana fondata nel 1985 e specializzata nella produzione di software tecnico per l’edilizia e per l’ingegneria.
3. Il D.M. 26 giugno 2015, decreto attuativo della Legge 90/2013, esplicita quali sono i calcoli e le verifiche da compiere per potere ritenere un edificio ad energia quasi zero. Per quanto riguarda la trasmittanza degli elementi opachi, i valori limite da utilizzarsi nelle verifiche nZEB sono indicati nell’Appendice A del D.M.: in riferimento alla dicitura “2019/2021” per la zona climatizzata E (a cui afferiscono le strutture opache verticali proposte in questo lavoro, sito a Milano) tale limite è fissato a 0,26W/m²K.
4. Il D.M. 11 ottobre 2017, che riprende il Codice Appalti e modifica l’esistente D.M. 11 gennaio 2017, obbliga le Pubbliche Amministrazioni ad includere nelle gare il rispetto di alcuni criteri dall’elevata valenza ambientale, definiti Criteri Ambientali Minimi. In caso di nuove costruzioni e ristrutturazioni importanti di I livello occorre garantire le seguenti prestazioni energetiche:

• – il rispetto delle verifiche richieste nell’ allegato 1 par.3.3 punto 2 lett. b) del D.M. 26 giugno 2015 anticipando i valori attualmente richiesti dal 2021;
• – adeguate condizioni di confort termico negli ambienti interni attraverso una progettazione che preveda una capacità termica areica interna periodica (C_ip), calcolata secondo la UNI EN ISO 13786:2008, di almeno 40kJ/m²K.

Bibliografia

[1] UN EN ISO 52016-1:2018 “Prestazione energetica degli edifici – Fabbisogni energetici per riscaldamento e raffrescamento, temperature interne e carichi termici sensibili e latenti – Parte 1: Procedure di calcolo”.

[2] UNI/TS 11300-1:2014 “Prestazioni energetiche degli edifici – Parte 1: Determinazione del fabbisogno di energia termica dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale”.

[3] Atti del Workshop CTI “Prestazione energetica degli edifici – Come cambierà la normativa tecnica di riferimento” – MCE IN THE CITY 2019 – Milano, 18 marzo 2019.

[4] D.M. 26 giugno 2015 “Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici”.

[5] D.M. 11 ottobre 2017 “Criteri ambientali minimi per l’affidamento di servizi di progettazione e lavori per la nuova costruzione, ristrutturazione e manutenzione di edifici pubblici”.

[6] S. Nobili, Il progetto di edifici nZEB, E-Book, Logical Soft, Desio, 2018.

[7] A. Castagna, G. Dall’Ò, L. Sarto, Calcolo dinamico orario con la UNI EN ISO 52016, E-Book, Logical Soft, Desio, 2019.