Simulazioni energetiche: stazionarie, semi-stazionarie, dinamiche

Sono ormai anni che si parla sempre più frequentemente di analisi energetiche e software di calcolo energetico ed è quindi il caso di spendere qualche parola per spiegare meglio cosa sono e a cosa servono. Come prima cosa, c’è da dire che spesso, parlando di simulazioni energetiche si intende erroneamente soltanto l’aspetto di condizionamento estivo ed invernale. In verità, una simulazione energetica non riguarda unicamente il comfort termico interno dell’edificio, e quindi la semplice necessità di riscaldare o raffreddare un ambiente, ma anche di un aspetto fondamentale e che spesso e volentieri è sottovalutato: lo studio dei sistemi di illuminazione e di ricircolo dell’aria. Tali impianti infatti, influenzano ampiamente in consumi di edifici altamente performanti dal punto di vista termico. Inoltre, un altro aspetto difficilmente quantificabile è quello del benessere interno, della salubrità e in generale del comfort che non avendo un effetto diretto sulle bollette è spesso trascurato.

EFFICIENZA ENERGETICA: L'AUDIT E LE BUONE PRATICA IN EDILIZIA

Focalizzando invece l’attenzione sull’oggetto edilizio di per sè, c’è da precisare che esso non deve essere visto come qualcosa di immutabile e statico nel tempo, ma anzi come qualcosa le cui proprietà fisiche cambiano costantemente nell’arco della stessa giornata! Questi cambiamenti sono dovuti in primo luogo all’ambiente che agisce su di esso in moltissime forme e sollecitazioni ma anche (e a volte soprattutto) da ciò che possiamo definire come “fattori interni”, ovvero tutto quell’insieme di funzioni e attrezzature che l’edificio ospita. Tra i “fattori interni” spiccano i sistemi di condizionamento e soprattutto le persone che lo utilizzano.

I fattori da considerare per le simulazioni energetiche

Andando con ordine, per ogni simulazione energetica che si vuole fare, si deve sempre avere chiaro di che edificio si sta parlando, di dove è posizionato e di tutto ciò che vi sta intorno (incluso alberi, altre strutture ed in generale ogni elemento fisico che può interagire con l’edificio analizzato) e quali sono le condizione ambientali esterne nel corso del periodo di studio. Ma bisogna anche conoscere quali sono le funzioni che la struttura è destinata ad ospitare e quindi che tipo di utenza deve accogliere, il tipo e numero di attrezzature presenti e i loro consumi, tutti i sistemi tecnologici presenti al suo interno e soprattutto il numero di persone che lo utilizzeranno e il loro comportamento “tipo” come fruitori.

Come si può ben capire da queste poche righe, la situazione risulta essere estremamente complessa perché ognuno dei punti sopra elencati può mutare nel tempo. Basti pensare a quelli che sono i fattori ambientali ed umani. Intanto bisogna avere ben presente quali sono le condizioni fisiche dell’intorno, quindi la presenza di altre strutture ma anche alberi che però come ben sappiamo sono tutt’altro che fisse e immutabili anzi, basti pensare alla possibilità che un vostro vicino di casa decida, da un giorno all’altro, di piantare un bell’albero nel suo terreno, oppure di sopraelevare (o costruire ex novo) la sua casa. Già questo può far capire l'aleatorietà della situazione, ma se aggiungiamo inoltre le variabili dovute a chi utilizza l’edificio, rischieremmo di perderci in un elenco infinito di possibilità. La variabile utente infatti, insieme a quella climatico-ambientale è una delle maggiori cause della non accuratezza delle simulazioni energetiche e che spesso ne altera sensibilmente le previsioni progettuali.

A questo punto, la domanda che può venire in mente è: che ruolo possono ricoprire le simulazioni energetiche visto che ci sono molti elementi non predittibili che le influenzano? A questa domanda si può rispondere dicendo che il loro scopo non è quello di prevedere esattamente i consumi dell’edificio analizzato, ma anzi di fornire dati utili a capirne meglio il comportamento in modo da poter confrontare diverse strategie e scegliere quella che garantisce, a parità di comfort, il minor uso di energia. Vorrei spendere due parole per precisare questo concetto: il fatto che una soluzione risulti essere la migliore per un edificio, non significa che è per forza la migliore in ogni altro caso anche analogo poiché, come detto prima, sono molteplici i fattori che ne influenzano il comportamento e quindi ogni caso deve essere trattato separatamente. Ovviamente, parlando dell’aspetto che più interessa in genere agli acquirenti, ovvero il riscontro monetario del processo di analisi, se una simulazione è stata fatta bene è lecito aspettarsi che i consumi finali risultino essere in linea con quelli previsti.

Appare chiaro su tutti un concetto, nel campo delle simulazioni energetiche, piuttosto articolato, confluiscono molteplici discipline diverse come l’ingegneria, ma anche l’architettura, fisica, scienze ambientali, scienze del comportamento e non solo. Ci sarebbero da scrivere centinaio di pagine riguardo alcuni fattori che entrano in queste analisi, come ad esempio i file climatici, l’uso dei materiali, l’effetto della massa, le schedule di utilizzo e altro, ma non volendo scendere troppo nei dettagli, una classificazione di massima risulta indispensabile.

I TIPI DI SIMULAZIONE ENERGETICA

La classificazione che viene normalmente fatta sulle simulazioni energetiche riguarda le semplificazioni che vengono adottare nella rappresentazione della fisica dell’edificio e dei materiali nonché nell’unità oraria che viene usata per indagare il fenomeno. Essenzialmente è quest’ultimo il fattore che porta ad una maggiore o minore raffinatezza dei risultati. Si possono individuare quindi tre tipi diversi di simulazioni energetiche in base, appunto, all’unità temporale che viene adottata e che risulta essere la “stagione” di riscaldamento o di raffrescamento per quanto riguarda le “simulazioni energetiche stazionarie”, il mese come unità temporale per quanto riguarda le “simulazioni energetiche semi-stazionarie” e infine l’unità oraria o sub oraria come unità di tempo per quanto riguarda le simulazioni cosiddette “dinamiche”.

Simulazioni stazionarie e semi-stazionarie

Questo tipo di analisi sono le più comunemente usate per diversi motivi tra i quali spicca la semplicità di esecuzione. Ovviamente questa semplicità deriva da un alto livello di semplificazione adottata che sicuramente non è passato inosservato dal lettore. Infatti le unità temporali usate per questo calcolo vanno dalla “stagione” di riscaldamento o raffrescamento al mese. Questa semplificazione comporta delle notevoli approssimazioni nella modellazione e nei parametri che vengono presi in esame. In regime stazionario o semi-stazionario il bilancio energetico viene fatto unicamente come un confronto tra le temperature interne ed esterne avendo come elemento di separazione una parete con una trasmittanza termica definita e costante nel tempo e senza massa o sfasamento. Questi ultimi due parametri che vengono trascurati da questo tipo di simulazioni, sono di cruciale importanza per quanto riguarda i consumi finali e il comfort totale e quindi, per forza di cose, queste simulazioni spesso risultano imprecise e lacunose.

In genere gli input di questo genere di programmi si limitano a scarse indicazioni geografiche (spesso limitate al comune), ad una sommaria modellazione geometrica e spesso ad una indicazione approssimativa degli impianti presenti e delle schedule di utilizzo dell’edificio stesso. Questo tipo di simulazioni è spesso utilizzata per effettuare delle graduatorie per confrontare diversi edifici tra di essi e usualmente, per il mercato immobiliare italiano. Comunque, per via della loro semplicità di esecuzione, queste simulazioni possono essere usate nelle fasi iniziali della progettazione per avere un'idea iniziale sulle caratteristiche dell’edificio e su quali possono essere i suoi punti deboli.

Alcuni programmi che svolgono questo tipo di analisi sono TerMus, EdilClima, MC4.

Simulazioni dinamiche

Con le simulazioni in regime dinamico, si apre un nuovo mondo ai progettisti. Infatti in questi programmi l’unità di tempo considerata è l’ora ma molto spesso si può scendere anche alla scala sub-oraria. Ciò permette di avere una descrizione minuziosa del comportamento dell’edifico ora per ora e ne permette di analizzare e sfruttare quelle che sono le caratteristiche fisiche proprie dei materiali. Questi programmi spesso riescono ad inserire input variabili come ad esempio sistemi di schermatura intelligenti, controlli di illuminazione oltre che la funzione della massa di cui calcolano adeguatamente ogni sua caratteristica e questo permette di simulare in modo realistico gli effetti di ogni singola modifica si decida di apportare alla struttura analizzata. Infatti, questo tipo di software permettono altresì di simulare nel dettaglio i vari sistemi di condizionamento presenti nell’edificio e di vederne gli effetti nei consumi ma anche nel comfort interno.

Le simulazioni dinamiche permettono non solo di ottimizzare gli apporti energetici e i consumi ma anche di ottimizzare il comportamento dell’involucro con quello degli impianti in modo da poter optare per impianti generalmente meno potenti e quindi meno costosi, il tutto garantendo un alto comfort interno. Spesso incluso in questo tipo di analisi, si include un efficace calcolo illuminotecnico in modo da avere una predizione dei consumi e del confort in tutti i suoi aspetti. Ovviamente l’aspetto negativo di questo processo deriva proprio dalla sua notevole complessità. Infatti questo tipo di analisi richiedono una conoscenza approfondita di ogni singolo elemento del progetto, sia costruttivo che impiantistico ed inoltre la modellazione deve essere estremamente scrupolosa e accorta poiché anche una semplice svista può portare a risultati differenti e non realistici.

Esistono diversi programmi a pagamento che effettuano simulazioni energetiche dinamiche. Nonostante ciò, uno dei programmi più usati al mondo è Energy +, un software gratuito sviluppato dal dipartimento dell’energia degli Stati Uniti d’America con l’aiuto di alcune tra le più prestigiose università al mondo e che sempre più si sta affermando a livello mondiale.

Conclusioni sulle simulazioni energetiche

Da ciò che appare da questa breve discussione, si può capire che il mondo delle simulazioni energetiche è estremamente vasto e complesso ma che può aiutare a migliorare notevolmente la qualità della progettazione di un edificio. Ovviamente, come è stato detto, esistono moltissimi strumenti a disposizione dei progettisti per raggiungere i propri obiettivi e ovviamente ognuno di loro ha una sua funzione e un suo preciso scopo. Come già detto, le simulazioni energetiche dinamiche sono quelle che richiedono più lavoro e precisione ma risultano essere anche le più precise ed efficaci. Questa loro complessità deve quindi essere giustificata all’interno di un processo progettuale profondo e innovativo che non le releghi semplicemente come ultimo step ma che anzi le valorizzi e le utilizzi in ogni fase del processo, dalla progettazione di massima a quella del dettaglio. Questo ovviamente sarebbe il modo migliore di utilizzarle ma purtroppo spesso, sia per la scarsa diffusione delle stesse che per una autoreferenzialità del processo progettuale di per sè, esse sono relegate come elemento accessorio della progettazione a cui è demandato il compito di stabilire unicamente quanti centimetri di isolante devono essere usati per ottenere la classe energetica richiesta. Per fortuna, sembra che le cose stiano lentamente cambiando, specialmente nei paesi europei continentali e speriamo che quindi, questo tipo di approccio olistico alla progettazione diventi presto il modo “normale” di progettare anche in ambito nazionale. L’Italia infatti grazie alla sua conformazione geografica offre una serie estremamente variegata di situazioni che impongono analisi sempre diverse agli specialisti del settore. Ciò da un lato presenta degli ovvi svantaggi (difficile standardizzazione dei casi), ma dall’altro è una grande possibilità per formarsi a tuttotondo in modo da essere in grado affrontare autonomamente ogni situazione e fare scuola anche nel resto dell’Europa e non solo.