Come facilmente intuibile una delle principali differenze tra metodo semi-stazionario medio mensile e metodo dinamico orario consiste nel passo temporale con cui i carichi di irraggiamento vengono calcolati.

Il metodo semi stazionario secondo UNI TS 11300 prevede un singolo calcolo degli apporti solari per ogni mese dell’anno, partendo da dati giornalieri medio mensili contenuti nelle tabelle della norma UNI 10349. Questo approccio non permette di simulare gli effetti diurni del sole dalla sua levata al suo tramonto.

Il metodo orario secondo UNI EN ISO 52016 utilizza come dati iniziali per il calcolo degli apporti solari, i valori orari di radiazione solare, permettendo di simulare anche gli effetti di cambio intensità della radiazione solare durante il giorno e gli effetti notturni che si hanno quando la radiazione solare si annulla.

Come noto, gli apporti solari hanno effetto sia sui componenti opachi che sui componenti trasparenti, nel confronto tra metodo dinamico e metodo semi-stazionario trattato in questo articolo verranno considerati solo i carichi di irraggiamento incidenti sui componenti trasparenti.

Le equazioni che determinano i carichi di irraggiamento previste dalla UNI TS 11300-1 e dalla UNI 52016-1 sono molto simili e differiscono solo per la parte evidenziata in azzurro:

Carico Irraggiamento di un componente vetrato, k relativo ad un mese specifico, m secondo UNI/TS 11300-1:

Carico Irraggiamento di un componente vetrato, wi relativo ad un'ora specifica, t secondo UNI EN ISO 52016-1:

	è il fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad elementi esterni per l’area di captazione solare effettiva della superficie k-esima
	è l’irradianza solare media mensile, sulla superficie k-esima, con dato orientamento e angolo d’inclinazione sul piano orizzontale calcolata secondo appendice C della UNI 10349
	è il fattore di riduzione degli apporti solari relativo all'utilizzo di schermature mobili
	è la trasmittanza di energia solare della parte trasparente del componente
	è la frazione di area relativa al telaio, rapporto tra l’area proiettata del telaio e l’area proiettata totale del componente finestrato
	è l’area proiettata totale del componente vetrato (l'area del vano finestra)
	è l’irradianza solare diffusa, sulla superficie trasparente wi, con dato orientamento e angolo d’inclinazione sul piano orizzontale calcolata secondo appendice A della UNI 10349
	è l’irradianza solare diretta, sulla superficie trasparente wi, con dato orientamento e angolo d’inclinazione sul piano orizzontale calcolata secondo appendice A della UNI 10349
	è il fattore di ombreggiamento del metodo dinamico.

Nel dettaglio le differenze tra le equazioni sono le seguenti:

Come edificio per svolgere il confronto tra i due metodi di calcolo è stato preso in considerazione la struttura di geometria cubica descritta nell’articolo precedente. Per questo esempio è stato ipotizzato che tale edificio sia ubicato a Roma e che abbia le pareti verticali orientate sui punti cardinali, si ipotizza inoltre che per ogni parete sia stata collocata la stessa tipologia di finestra avente le seguenti caratteristiche:

Prima di applicare entrambi i metodi e confrontare risultati è interessante valutare se i dati climatici di irraggiamento messi a disposizione, a parità di località di riferimento, siano simili se ricondotti allo stesso periodo di tempo.

I dati del metodo semi-stazionario sono valori di irradiazione solare giornaliera media mensile su piano orizzontale contenuti nella UNI 10349 ed espressi in MJ/m², mentre i dati del metodo dinamico provengono dall’archivio messo a disposizione dal CTI e ottenuti con la collaborazione dell’Enea e il MISE, sono valori orari di radiazione solare su piano orizzontale espressi in W/m².

Per il confronto è stato scelto di ricondurre tutti i dati in valori di irradiazione mensile espressi in MJ/m²; pertanto, entrambi i dati climatici sono stati convertiti con le seguenti procedure:

• Per quanto riguarda i dati del metodo dinamico il primo passo consiste nel convertire la radiazione solare oraria in irradiazione. Sapendo che il metodo dinamico ha passo temporale orario è facile intuire che tutti i valori di potenza espressi in W, se integrati nell’intervallo di tempo orario, possono essere intesi come valori di energia espressi in Wh. Per ottenere i valori di irradiazione mensile del metodo dinamico sarà sufficiente sommare i valori orari di radiazione solare suddividendoli nei mesi dell’anno e moltiplicare tali i risultati per 0,0036 che è il fattore di conversione da Wh a MJ.
• Per convertire l’irradiazione solare giornaliera media mensile del metodo semi-stazionario in valori mensili è sufficiente moltiplicare i valori giornalieri medio mensili per il numero di giorni presenti nel mese.

Come si nota i valori di irradianza tra i due metodi sono analoghi e pertanto è presumibile che l’archivio dei dati medio mensili sia stato creato utilizzando i dati orari messi ora a disposizione del metodo dinamico.

Osservato che i dati climatici di entrambi i metodi, sono probabilmente ricavati dallo stesso archivio climatico, è possibile confrontarli suddividendo i risultati di ogni componente trasparente per mese. 

Dall’analisi dei grafici è possibile notare che per i componenti posti a EST ed OVEST l’irradiazione del metodo semi-stazionario è sempre maggiore di quella ottenuta col metodo dinamico.

Per il componente posto a SUD l’irradianza nel metodo semi-stazionario è di molto maggiore nei mesi di gennaio, febbraio, marzo, ottobre, novembre e dicembre mentre nei restanti mesi tende ad allinearsi con i valori ottenuti col metodo dinamico.

Per il componente esposto a NORD si ha un comportamento opposto di quello riscontrato con quello esposto a SUD, si nota infatti che l’irradianza nel metodo semi-stazionario è di molto maggiore nei mesi di maggio, giugno, luglio e agosto mentre nei restanti mesi tende ad allinearsi con i valori ottenuti col metodo dinamico.

Andando a tabellare l’apporto totale per irraggiamento dei due metodi, possiamo notare una differenza massima in alcuni mesi anche superiore al 110%, la differenza annuale si attesta attorno al 50% e quindi l’irradiazione del metodo semi-stazionario è sempre maggiore del metodo dinamico.

Ripetendo la stessa analisi per altre città d’Italia si ottiene sempre lo stesso risultato, ossia uno scostamento avente un valore medio che si aggira sempre intorno al 50% e sempre con valori di irraggiamento del metodo semi-stazionario maggiore del metodo dinamico.

Un’ulteriore differenza tra metodo semi-stazionario e metodo dinamico si ha nel calcolo del fattore di ombreggiamento. Come anticipato il calcolo orario utilizza il metodo previsto nell’allegato E della UNI EN ISO 52016 che permette di simulare, in funzione della posizione del sole, come l’ombra di un aggetto o ostruzione vada a ridurre l’area del componente trasparente esposta alla radiazione diretta. Lo vedremo meglio nel prossimo articolo.

Per comprendere come il metodo RC (Resistivo Capacitivo) influisce sui risultati del metodo dinamico è stato realizzato un esempio teorico che mostra come essi cambiano al variare della capacità termica e della densità di alcuni materiali che compongono gli elementi di un edificio astratto avente geometria cubica con lato di 10 m.

L’obiettivo di questo esempio è quello di sottoporre l’edificio a una sollecitazione termica esterna e registrare come questa incide sulle strutture e sulle condizioni interne dell’edificio. In particolare, si andrà ad osservare come il sistema di riscaldamento interverrà per mantenere la temperatura interna costante e pari a 20°C.

Per far in modo che l’edificio subisca la sola influenza della temperatura dell’aria esterna, in questo esempio, sono stati esclusi gli effetti dell’irraggiamento e della radiazione infrarossa verso la volta celeste della superficie esterna ed è stato ipotizzato che nell’edificio non vi siano effetti legati alla ventilazione e ai carichi interni. L’edificio considerato giace sopra un terreno avente conduttività termica di 2 W/(m·K) e capacità termica per unità di volume di 2000 kJ/m³K. Inoltre per considerare solo l’effetto di trasmissione degli opachi sono stati trascurati gli effetti dei ponti termici e non sono state inserite porte e finestre.

L'esempio prevede 3 simulazioni della durata di 1000 ore ciascuna. In tutte le simulazioni, la temperatura esterna iniziale è di 20°C per le prime 24 ore, passa poi a 0°C per le successive 24 ore per poi tornare a 20°C fino alla fine della simulazione. Come anticipato, in ogni prova è stata variata densità e capacità termica di alcuni materiali, passando da strutture aventi bassa inerzia termica a strutture aventi inerzia maggiore. In tutte le prove l’edificio è stato posto alla stessa condizione iniziale di equilibrio, ossia con temperatura di tutti nodi e temperatura interna di 20°C.

Di seguito vengono inserite le caratteristiche dei materiali che compongono le strutture opache dell’edificio teorico di esempio e la loro stratigrafia:

Strutture Opache di 100 m² di superficie poste Nord, Est, Sud, Ovest e in Copertura:

Esempio 1: Bassa Inerzia (Esterno Verso l’Interno)

Esempio 2: Inerzia Intermedia (Esterno Verso l’Interno)

Esempio 3: Alta Inerzia (Esterno Verso l’Interno)

Dato che per tutti i casi è stata mantenuta fissa la conduttività e lo spessore, è possibile notare come i materiali aventi una maggiore densità e capacità termica tendano ad avere un valore piccolo del numero di Fourier e che applicando le equazioni viste nell’articolo precedente, minore è il numero di Fourier, maggiore è il numero di nodi in cui viene suddiviso il materiale. Possiamo quindi concludere che elementi aventi maggiore inerzia termica (avendo un maggior numero di nodi) tendono ad essere analizzati dal metodo dinamico più dettagliatamente visto il maggiore numero di equazioni di bilancio energetico che compongono il sistema.

Struttura di 100 m² di superficie a contatto con il terreno uguale per tutti e 3 gli esempi:

Di seguito vengono inserite le scomposizioni in nodi delle strutture opache e riportati i valori di capacità termica e conduttanza specifica come previsto dalla Tabella 10-bis dell’allegato Nazionale:

Struttura Opache di 100 m² di superficie poste Nord, Est, Sud, Ovest e in Copertura:

Esempio 1: Bassa Inerzia (Esterno Verso l’Interno)

Esempio 2: Inerzia Intermedia (Esterno Verso l’Interno)

Esempio 3: Alta Inerzia (Esterno Verso l’Interno)

Struttura di 100 m² di superficie a contatto con il terreno uguale per tutti e 3 gli esempi:

Per tutti i casi la temperatura virtuale del terreno è pari a 19,6 °C ed è stata ottenuta dal metodo di calcolo previsto dalla UNI EN ISO 13370. Sommando tutti i nodi delle strutture che compongono l’edificio e aggiungendo l’equazione di bilancio globale di zona è possibile ottenere il numero di equazioni che compongono il sistema di bilancio energetico:

• Bassa Inerzia: 95
• Inerzia Intermedia: 105
• Alta Inerzia: 130

Avendo tutte le informazioni necessarie per avviare il calcolo dinamico sono state eseguite le 3 simulazioni di cui sono stati riportati i risultati nel grafico sottostante:

Nel grafico a doppia scala è possibile notare come il metodo dinamico sia in grado di simulare l’influenza delle inerzie delle strutture. A seguito della variazione della temperatura esterna gli elementi a bassa inerzia tendono a far variare il carico di riscaldamento in modo più rapido e più accentuato, mentre gli elementi ad alta inerzia generano un carico più attenuato e sfasato nel tempo come evidenziato nella tabella sottostante:

Dato che gli elementi hanno stessa conducibilità termica, possiamo notare come nel complesso l’energia totale richiesta dall’edificio sia all’incirca la stessa. Nonostante in questo esempio teorico, l’efficienza finale dell’involucro rimanga pressoché costante, in un caso reale non sarebbe così, in quanto il modo con cui i carichi di trasmissione degli opachi vanno ad interagire con la somma dei carichi interni ed esterni dell’edificio incide sul valore finale dei fabbisogni dell’edificio. Avere ad esempio il carico di trasmissione in controfase con i carichi di ventilazione o con altri carichi permette di sfruttare correttamente gli sfasamenti dei picchi di calore massimizzando un eventuale risparmio energetico.

Visto che il metodo dinamico calcola per ogni ora la temperatura di tutti nodi dei componenti dell’involucro, è possibile analizzare come varia la temperatura dei nodi stessi con il trascorrere del tempo e osservare come vengono influenzati i flussi di calore che attraversano gli elementi opachi. Nel dettaglio è stato considerato il primo caso, ossia quello a bassa inerzia e i risultati suddivisi in tre fasi di intervalli temporali:

1. FASE1 - Equilibrio termico 0 – 24 h - in questa fase la temperatura esterna non subisce variazioni ed è pari a 20°C, i nodi e la temperatura interna posti in condizioni iniziali di 20°C tendono a permanere in condizioni di equilibrio e a non subire variazioni. Non si registrano flussi di calore e il fabbisogno è nullo.
2. FASE2 - Variazione della temperatura esterna 25-48 h - in questa fase la temperatura esterna passa da 20°C a 0°C, la temperatura dei nodi esterni inizia a diminuire rapidamente e per conduzione termica il raffreddamento si propaga velocemente ai nodi più interni. Lo strato di isolante permette di avere una temperatura maggiore dei nodi più interni dato che la caratteristica intrinseca di questo materiale è proprio quella di ostacolare il flusso termico. Descrivendo l’effetto da un punto di vista energetico possiamo dire che la differenza di temperatura è generata dal calore che fluisce dai nodi superficiali interni ai nodi superficiali esterni generando un carico termico sempre più crescente con il passare del tempo.
   
3. FASE3 – Ripristino della temperatura esterna 45-1000 h - in questa fase la temperatura esterna ritorna a 20°C, i nodi esterni risalgono di temperatura mentre i nodi centrali tendono a restare più freddi a causa della loro inerzia termica. Gli effetti capacitivi e conduttivi si mescolano generando due flussi di calore che tendono ad alzare la temperatura dei nodi centrali. Il primo flusso scorre dall’esterno verso i nodi centrali e il secondo flusso scorre dall’interno verso i nodi centrali, quest’ultimo è l’effetto che continua a produrre il raffreddamento dei nodi superficiali interni e a generare il carico di trasmissione. In altre parole, il riscaldamento dei nodi centrali tende a raffreddare i nodi più prossimi alla superficie interna, generando un picco di carico che per questo esempio è prossimo alla 65^a ora, momento in cui la temperatura superficiale interna è più bassa. Con il passare del tempo tutti i nodi tendono a tornare alla temperatura di equilibrio e i fabbisogni a ridursi fino quasi ad annullarsi. Il carico con il tempo non si annulla a causa dei carichi di trasmissione dovuto all’elemento a contatto con il terreno.
   

Un’ulteriore analisi interessante si ottiene andando a confrontare la temperatura dei nodi nei casi a diversa inerzia ad alcune ore di simulazione.

Nella Fase 2 i nodi dei materiali con maggiore inerzia tendono a raffreddarsi più lentamente, all’ora 48, ossia al termine della prima variazione di temperatura esterna, tutti i nodi del caso con materiali ad alta inerzia hanno una temperatura maggiore e quindi il valore assoluto del carico di trasmissione sarà inferiore rispetto ai casi con inerzia più bassa.

Una volta riportata la temperatura esterna a 20°C (Fase3), è possibile notare come nelle ore iniziali la temperatura superficiale interna del caso a bassa inerzia sia la più bassa ma col passare del tempo questa tenda a salire più rapidamente superando prima la temperatura del caso a Inerzia intermedia e poi quella del caso ad Alta inerzia. Nell’ultimo grafico (ora 200) si può notare come l’andamento delle temperature superficiali sia invertito (rispetto ad esempio all’ora 80), confermando il comportamento visto nel grafico dei carichi, ossia che la maggior inerzia termica delle strutture genera un carico più attenuato ma persistente nel tempo.

Grazie al calcolo delle temperatura dei nodi, il metodo dinamico, permette di analizzare anche i diversi effetti prodotti da una differente posizione dei materiali all’interno della stratigrafia. Come già osservato in precedenza, la posizione dell’isolante incide sulla distribuzione della temperatura dell’elemento opaco e per notare questo, nell’analisi sucessiva sono stati confrontati tre casi aventi la seguente posizione dell’isolante:

1. Isolante Esterno
2. Isolante nella Mezzeria
3. Isolante Interno

In queste simulazioni valgono tutte le ipotesi e le condizioni iniziali dell’analisi precedente e come materiali sono stati scelti quelli del caso con inerzia intermedia.

Sebbene la variazione del carico di trasmissione sia più contenuto rispetto all’analisi precedente, si può notare come il caso con isolante posto all’esterno tenda a ridurre il carico di picco e a produrre un maggiore sfasamento. L’isolante esterno tende infatti ad attenuare l’effetto della variazione di temperatura esterna e tende a massimizzare l’effetto di inerzia delle strutture.

L’isolante interno espone maggiormente la struttura alla sollecitazione di temperatura esterna e questo si nota dal fatto che la temperatura dei nodi è mediamente più bassa. Sebbene questo non influisca in modo particolare sul carico di picco e sullo sfasamento (dato che le differenze con il caso con isolante nella mezzeria sono molto limitate), le temperature inferiori possono invece incidere sulla presenza di condensa interstiziale nei vari strati che compongono il materiale. Come noto, infatti, le condizioni più critiche si ottengono nei punti a più bassa temperatura dove la pressione di vapore tende a essere più elevata e prossima a quella di saturazione.

Con l’approvazione della legge Europea “FIT For 55” finalizzata alla riduzione di almeno il 55% di immissioni di gas serra entro il 2030 e il raggiungimento della neutralità climatica entro il 2050, il Parlamento Europeo ha approvato una serie di direttive finalizzate alla riduzione dei consumi energetici che riguardano non solo il settore industriale e dell’automotive ma anche quello degli edifici. Con questo obiettivo, il 14 marzo 2023, il Parlamento Europeo ha approvato la direttiva EPBD IV (Energy Performance of Buildings Directive), che presenta numerose disposizioni, tra cui anche una nuova metodologia per il calcolo della prestazione energetica integrata degli edifici e delle unità immobiliari, come riportato nell’allegato 1 della Direttiva stessa:

Il fabbisogno e il consumo di energia per il riscaldamento, il raffrescamento di ambienti, la produzione di acqua calda sanitaria per uso domestico, la ventilazione, l’illuminazione integrata e altri sistemi tecnici per l’edilizia, sono calcolati facendo uso di intervalli di calcolo del tempo orari o suborari, in modo da tenere conto delle condizioni variabili che incidono sensibilmente sul funzionamento e sulle prestazioni dell’impianto, come pure sulle condizioni interne, e da ottimizzare il livello di costi, il benessere, la qualità dell’ambiente interno e il comfort, come definiti dagli Stati membri a livello nazionale o regionale. Il calcolo include una stima della capacità di risposta termica dell'edificio e della sua capacità di offrire flessibilità alla rete energetica.

Attualmente la serie di normative tecniche previste dalla direttiva EPBD per la valutazione delle prestazioni energetiche dell’edificio è la UNI EN ISO 52000. Di questo pacchetto di normative, la UNI 52016, è quella che prescrive il calcolo che permette la stima dei fabbisogni energetici per riscaldamento e raffrescamento e delle temperature interne degli ambienti che compongono le zone termiche di un edificio attraverso una analisi dinamica oraria.

Con i prossimi articoli verranno analizzate le principali differenze tra il metodo semi-stazionario medio mensile previsto dalle UNI TS 11300 e il metodo dinamico secondo UNI EN ISO 52016, si tratterà dei dati di input per lo svolgimento del calcolo fino ad arrivare a vedere nel dettaglio come il metodo stima i fabbisogni di riscaldamento o raffrescamento dell’edificio.

Per il momento è necessario sapere che il metodo prescrive una suddivisione delle strutture opache in nodi, per ciascuno dei quali è prevista un’equazione di bilancio energetico. La risoluzione del sistema composto dalle equazioni dei nodi e da una equazione di bilancio energetico globale di zona permette di ottenere i valori di temperatura dei nodi e quindi la temperatura dell’aria interna nell’ora considerata.

Ripetendo questa procedura per l’ora successiva, utilizzando i risultati come condizioni iniziali, è possibile analizzare dinamicamente come i vari carichi interagiscono con i componenti dell’edificio generando i fabbisogni di riscaldamento e raffrescamento necessari a mantenere le condizioni interne di progetto.

Per un’analisi di questo tipo, è essenziale disporre per ogni ora dell’anno dei dati climatici della località del sito dell’edificio. Sono necessari dunque valori orari di Temperatura Esterna, Irraggiamento, Vento, e Umidità Relativa ma queste non sono le uniche condizioni da considerare, oltre a queste sollecitazioni esterne si aggiungono quelle interne come i carichi endogeni, la ventilazione, il comportamento dei terminali di impianto di condizionamento, la loro tipologia e la loro regolazione.

Mentre i dati climatici sono ricavabili da archivi di dati presenti in letteratura (in particolare MC11300 utilizza il database di dati climatici provinciali forniti dal CTI), i carichi endogeni e di ventilazione dipendono dalla tipologia e dall’uso dell’edificio e pertanto devono essere definiti dall’utente in fase di analisi. Potendo entrare nel dettaglio orario è possibile definire i profili di temperatura interna desiderata dei carichi interni e dei carichi ventilazione.

Di seguito vengono mostrate le principali differenze tra il metodo semi-stazionario e il metodo dinamico:

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E' disponibile nell'area Download la versione 3.4.1.7 del software MC11300net.

Tra le tante modifiche sono state aggiunti:

• la gestione automatica degli interventi migliorativi per l'impianto di riscaldamento e per il fotovoltaico
• un controllo alleggerito della licenza all'avvio

Fateci sapere cosa ne pensate!

Si comunicano i nuovi orari di assistenza telefonica  per i possessori di versioni PRO:

Dal lunedì al venerdì dalle 8 alle 10 

Per urgenze e assistenza via mail compilare il modulo Contatti del sito.

E' disponibile nella sezione Download la versione 3.32 di MC11300.

L'aggiornamento si è reso necessario per aggiornare l'esportazione xml verso il portale della regione Toscana.

Questa versione non risolve i problemi di incompatibilità con Windows 10 per i quali ci vorrà ancora qualche mese.

Il 4 novembre abbiamo pubblicato la nuova versione 3.30 del software.

Tra le altre modifiche abbiamo:

• Modificato (secondo indicazioni del CTI) il calcolo dei numeri di giorni di attivazione dell’impianto nella stagione di riscaldamento. Prima venivano usati quelli del DPR412 adesso la stagione è la più corta tra quella calcolata e quella del DPR412.

Per gli utenti della versione PRO:

• Aggiornato l’esportazione xml per la regione Umbria e la Valle D’Aosta
• Gestione e stampa dell’APE convenzionale.

Riguardo a quest’ultima voce, qui le istruzioni per procedere nella redazione di un APE convenzionale ante e post intervento.