Metodo Dinamico Orario secondo UNI EN 52016-1:2018

Il punto sul Metodo Dinamico Orario

05/07/2019 – Approfondimento a cura dell’Ing. Enrico MASTROMAURO

Cosa cambierà con l’adozione della UNI EN 52016-1:2018, la nuova normativa per il calcolo del fabbisogno di energia utile per il riscaldamento e per il raffrescamento degli edifici.

Sommario

Il nuovo quadro normativo europeo
per il calcolo della prestazione energetica degli edifici

Il 9 luglio 2018 è entrata in vigore, a livello comunitario, la revisione della direttiva EPBD (Energy Performance of Building Directive) che si inquadra, nell’ambito del settore delle costruzioni, nella più ampia strategia di contenimento dei consumi energetici nella misura del 20% entro il 2020 (ovvero uno dei tre obiettivi del programma 20-20-20, finalizzata anche alla contestuale riduzione del 20% delle emissioni di CO2 e dell’aumento nella misura del 20% dell’impiego di energia primaria da fonte rinnovabile).

Entro 20 mesi a partire da tale data (quindi entro il mese di marzo 2020), i paesi membri dell’Unione devono provvedere al recepimento del pacchetto normativo europeo nell’ambito della normativa tecnica nazionale, in modo da adottarla come riferimento per la definizione della prestazione energetica, e di conseguenza, della classe energetica degli edifici.

La predisposizione delle nuove norme è stata affidata, a livello europeo, al CEN (European Committee for Standardization) che ha costituito degli appositi comitati tecnici; in particolare il comitato TC 89 si è occupato della redazione delle norme che disciplinano la prestazione termica degli edifici e dei suoi componenti.

Il lavoro di tale comitato si è incentrato in primo luogo sullo sviluppo della norma EN ISO 52016-1 (che sostituisce la EN ISO 13790:2008) e quindi sullo sviluppo di alcune norme a suo supporto, alcune di nuova emanazione ed altre che si configurano come revisioni di norme già esistenti.

In particolare al primo gruppo appartengono:

  • la già citata EN ISO 52016-1 che, unitamente alla EN ISO 52017-1, disciplina il calcolo del fabbisogno energetico per riscaldamento e raffrescamento, le temperature interne ed i carichi termici sensibili e latenti
  • la 52010-1 che disciplina la conversione dei dati climatici per i calcoli energetici
  • le 52022-1 e 52022-3 che definiscono le caratteristiche luminose e solari per dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate
  • le 52003-1 e 52018-1 che definiscono gli indicatori, i requisiti e le valutazioni relative alla prestazione energetica del fabbricato

 

Al secondo gruppo appartengono norme già note ai progettisti termotecnici e certificatori energetici ovvero:

  • le EN ISO 10077-1 e EN ISO 10077-2 (prestazioni e caratteristiche degli elementi trasparenti)
  • la EN ISO 13786 (caratteristiche termiche dinamiche dei componenti opachi), EN ISO 6946 (trasmittanza e resistenza termica dei materiali)
  • la EN ISO 13370 (scambio termico attraverso il terreno)
  • la EN ISO 13789 (coefficienti di trasferimento del calore per trasmissione e ventilazione)
  • le EN ISO 10211 e EN ISO 14683 (per la valutazione dettagliata e semplificata delle temperature e dei flussi termici attraverso i ponti termici)

 

Nei confronti delle norme del primo gruppo l’ente normatore italiano di competenza, il C.T.I., ha intrapreso l’iter che ne consentirà il recepimento su territorio italiano, tramite la definizione degli allegati nazionali, e che culminerà con l’emissione della nuova serie delle specifiche tecniche UNI/TS 11300 con l’obiettivo di rispettare le tempistiche dettate dalla direttiva EPBD: allo stato attuale si prevede che esse entreranno in inchiesta pubblica tra la fine del mese di settembre e l’inizio del mese di Ottobre 2019.

La loro emanazione definitiva e quindi l’ingresso nel corpo normativo della UNI sono previsti tra la fine del 2019 e l’inizio del 2020.

Il ruolo centrale della UNI EN ISO 52016-1:2018

Il fulcro della nuova piattaforma normativa è rappresentato dalla EN ISO 52016-1 (recepita in Italia come UNI EN ISO 52016-1:2018) che ha il compito di colmare il vuoto lasciato dalla EN ISO 13790 la quale, per circa 15 anni, ha rappresentato la “spina dorsale” del calcolo del fabbisogno energetico degli edifici; in particolare ad essa si deve l’attuale calcolo del fabbisogno energetico utile per riscaldamento e raffrescamento su base mensile, metodologia che nel contesto italiano è stata adottata nell’ambito della UNI/TS 11300-1 (tanto nella prima versione del 2008 che in quella successiva del 2014).

In questa stessa norma era definito anche un metodo dinamico orario “semplificato”, poco diretto e trasparente, che non ha mai trovato applicazione pratica.

La UNI EN ISO 52016-1:2018 rispetto al dispositivo tecnico che sostituisce prevede fondamentalmente:

  • la revisione del metodo mensile per il calcolo del fabbisogno energetico degli edifici, nell’ambito del quale è stato eliminato il metodo stagionale (ovvero l’individuazione dei periodi di riscaldamento e raffrescamento sulla base di un bilancio tra perdite energetiche ed apporti dell’involucro)
  • la sostituzione del metodo orario semplificato con un metodo orario più dettagliato
  • nuovi e più articolati criteri per la zonizzazione termica

 

Su base oraria e mensile, tale norma disciplina sia il calcolo del fabbisogno di energia termica sensibile per il riscaldamento ed il raffrescamento che il fabbisogno di energia termica latente per deumidificazione.

La novità sostanziale è rappresentata dal fatto che, su base oraria, essa definisce anche le metodologie per:

  • il calcolo della temperatura degli ambienti interni
  • il calcolo del carico termico sensibile per riscaldamento e raffrescamento
  • il calcolo del carico termico latente e l’umidità per l’umidificazione e la deumidificazione
  • il calcolo del carico termico di progetto sensibile e latente per riscaldamento e raffrescamento
  • la determinazione delle condizioni dell’aria di mandata da fornire per l’umidificazione e/o la deumidificazione

 

Il calcolo del carico termico e del fabbisogno energetico può avvenire secondo due distinte logiche in rapporto a specifici obiettivi:

  • determinazione del carico e del fabbisogno “ideale” di riscaldamento e raffrescamento ai fini dell’utilizzabilità dell’impianto (le cui specifiche non sono note); in questo caso si presuppongono il funzionamento continuo dell’impianto, nessuna limitazione alla potenza (“evoluzione libera del sistema”), perdite di energia non recuperabili ed emissione termica esclusivamente convettiva
  • determinazione del carico e del fabbisogno di riscaldamento e raffrescamento con un impianto di caratteristiche note, ai fini della valutazione degli effetti di una sua specifica gestione; in questo caso si presuppongono il funzionamento discontinuo dell’impianto, potenza limitata a quella effettivamente disponibile, perdite di energia recuperabili ed emissione termica sia convettiva che radiativa

 

Il metodo di calcolo dinamico su base oraria si candida, in generale, a divenire l’opzione di riferimento per il calcolo dei fabbisogni energetici in quanto riproduce in maniera più fedele alla realtà la “risposta” dell’involucro edilizio alle sollecitazioni climatiche esterne e consente, quindi, una più accurata simulazione dei consumi degli edifici, molto più prossimi a quelli reali rispetto a quelli stimabili con le metodologie attuali.

La metodologia dinamica oraria è particolarmente efficace in contesti in cui la prestazione termica ed energetica del sistema edificio-impianto varia sensibilmente in funzione del tempo; esempi tipici sono rappresentati da edifici con ampie strutture vetrate (soggetti pertanto ad elevati apporti di tipo solare), edifici contraddistinti da elevati carichi endogeni (soprattutto se variabili nei periodi di loro occupazione), edifici ad alta inerzia termica ed edifici che adottano soluzioni tecnologiche avanzate a livello di involucro (es: pareti e tetti ventilati).

Allo stato attuale la UNI EN ISO 52016-1:2018 è esclusivamente impiegabile in ambiti quali la diagnosi energetica dell’involucro edilizio ed il calcolo della temperatura operante estiva (quale possibile alternativa alla metodologia descritta nella UNI 10375 ai fini della verifica dei Criteri Ambientali Minimi per edifici pubblici) mentre non è ancora funzionale alla stima dei fabbisogni energetici secondo le finalità previste dal Decreto Requisiti Minimi del 26/06/2015 (Relazione tecnica di progetto e Attestazione della Prestazione Energetica).

Per quest’ultimi scopi, oltre ad attendere la pubblicazione del nuovo pacchetto UNI/TS 11300, sarà necessario attendere l’emanazione del decreto che integrerà o sostituirà il Decreto Requisiti Minimi, atteso entro il primo trimestre del 2020.

L'implementazione del metodo dinamico orario
secondo UNI EN ISO 52016-1 in Mc4Suite

I dati climatici orari

Le norme tecniche riguardanti la caratterizzazione termica e solare delle componenti opache e trasparenti e quelle relative alla definizione di particolari condizioni di scambio termico rappresentano, globalmente, una delle due fondamentali fonti di dati di ingresso per il modello di calcolo.

L’altra fonte di dati è rappresentata dall’insieme dei dati climatici che permettono di definire le condizioni al contorno dell’edificio nell’ambito delle varie valutazioni di calcolo lungo l’intero anno solare.

Data la natura del metodo è ovviamente necessario conoscere i dati in termini di temperatura, umidità relativa, irradianza globale sul piano orizzontale e velocità del vento per ogni ora di ogni giorno dell’anno (ovvero 8760 valori per ciascun parametro).

A tal fine il C.T.I. ha predisposto una “banca dati” climatici, disponibile su piattaforma web (raggiungibile all’indirizzo https://try.cti2000.it), che riporta i cosiddetti “Anni climatici tipo” (noti anche con l’acronimo inglese T.R.Y., Test Reference Year) frutto di un lavoro di elaborazione di dati climatici reali attraverso apposite procedure normate; la rilevazione ha riguardato, in particolare, 110 località italiane ed ha permesso di individuare per ciascuna i 12 mesi caratteristici che ne definiscono il relativo “anno tipo”.

L’implementazione della UNI EN ISO 52016-1 in Mc4Suite si è concretizzata innanzitutto nell’inserimento in Archivio Comuni di una nuova scheda dedicata ai dati orari; quest’ultimi sono consultabili per ogni giorno dell’anno all’interno dell’archivio stesso e sono importabili sia in formato XLS (formato adottato dallo stesso C.T.I. nella banca dati T.R.Y.) che in formato EPW ovvero in termini di Weather Data del software per il calcolo dinamico orario EnergyPlus (reperibili all’indirizzo https://energyplus.net/weather).

A loro volta sono esportabili in formato XLS per una consultazione od eventuale elaborazione su foglio di calcolo.

Complessivamente quindi l’archivio per ciascuna località presenta tre tipologie di dati climatici:

  1. Dati climatici su base mensile in conformità con la norma 10349-1:2016
  1. Temperature mensili per il calcolo dei carichi termici secondo metodo dinamico ASHRAE
  1. Dati orari per il metodo dinamico orario secondo UNI EN ISO 52016-1

 

L’ Archivio Comuni si presenta in un nuovo assetto contraddistinto dalla presenza di tre sezioni:

  1. sezione di Progetto ovvero la sezione in cui vengono caricati i dati climatici della località sede del progetto a partire dall’Archivio di programma o dall’Archivio Utente; in questa sezione è possibile la creazione di una nuova località o la modifica di una località caricata dalle sezioni di Archivio in relazione a specifiche esigenze del progettista
  2. sezione Archivio ovvero la sezione in cui l’utente potrà memorizzare in maniera permanente le proprie località personalizzate
  3. sezione Archivio Mc4 ovvero la banca di dati climatici integrata nel software derivante, a sua volta, dalle normative di riferimento (UNI 10349-1, dati ASHRAE, banca dati orari T.R.Y.)

Analisi della metodologia di calcolo orario
descritta nella UNI EN 52016-1:2018

Assunzioni e semplificazioni di calcolo

Alla base della metodologia di calcolo vengono adottate alcune assunzioni semplificative ovvero:

  • l’uniformità della temperatura dell’aria all’interno di ciascun ambiente (o zona termica)
  • l’isotermia delle superfici dei componenti edilizi
  • la mono-dimensionalità dello scambio per conduzione all’interno dei componenti
  • la mono-dimensionalità dello scambio per conduzione verso il terreno attraverso i componenti edilizi (secondo quanto prescritto dalla EN ISO 13370)
  • la trascurabilità del contributo, in termini di accumulo termico, dei ponti termici; quest’ultimi sono ritenuti direttamente accoppiati alla temperatura dell’aria interna ed esterna
  • la trascurabilità dell’effetto di accumulo termico nelle lastre di un componente vetrato

 

Inoltre ogni struttura dell’involucro è discretizzata in una serie di strati e nodi; le strutture opache sono suddivise in 4 strati e cinque nodi mentre porte e finestre sono suddivise in due nodi (per esse non è quindi prevista la suddivisione in strati).

I dati di input

I dati di ingresso per il metodo di calcolo orario si possono suddividere in quattro aree:

Dati generali, tra i quali figurano

  • l’oggetto di analisi (intero edificio o una sua porzione, es: unità immobiliare),
  • il tipo di edificio (edificio nuovo, edificio ristrutturato in maniera rilevante o porzione di ampliamento per i quali non siano disponibili dati relativi al loro utilizzo sul lungo termine oppure edificio esistente per il quale sussistano i dati di utilizzo sul lungo termine)
  • la categoria o destinazione d’uso
  • la categoria di ambiente o gruppi di ambienti
  • il tipo di applicazione (relazione tecnica abilitativa, A.P.E., diagnosi energetica)
  • il tipo di valutazione (calcolo standard o adattato all’utenza)

 

Dati geometrici, tra i quali si possono citare

  • la superficie utile dello spazio elementare Ause,sp [m2]
  • il volume d’aria dello spazio elementare Vint,a,sp [m3]
 

Dati relativi alla zona termica, tra cui

  • la classe di capacità termica areica dell’aria e dell’arredo

 

Condizioni di funzionamento di elementi edilizi dinamico

  • le modalità di utilizzo delle chiusure oscuranti e delle schermature solari

Apporti gratuiti di natura endogena, dovuti alla presenza delle persone, dei dispositivi di illuminazione, apparecchiature, accumuli d’acqua, alla presenza di sistemi di climatizzazione e\o ventilazione e derivanti da processi.

Per ciascun apporto endogeno, così come per la portata di ventilazione, sarà necessario definire il profilo orario di presenza lungo l’intero anno solare; tali profili potranno essere definiti direttamente dal progettista nel caso di valutazione adattata all’utenza (approccio A3, tipico della diagnosi energetica) oppure saranno forniti da normativa nel caso di calcolo standard (approcci A1 e A2, tipici del calcolo di progetto e della classificazione energetica).

Le grandezze di output

Per un dato ambiente (o zona termica ztc), ad un certo istante, le grandezze oggetto di calcolo sono rappresentate da:

  • la temperatura interna (o temperatura operativa) definita come media aritmetica tra la temperatura dell’aria interna e la temperatura media radiante

La temperatura media radiante corrisponde, a sua volta, alla media pesata, sulle rispettive aree, delle temperature superficiali interne di tutti gli elementi di involucro dell’ambiente (zona) all’istante t

dove

θpli=pln;eli;t è la temperatura al nodo n dell’elemento di involucro (eli) i-esimo ovvero la temperatura al nodo interno.

N.B.: in accordo con la convenzione internazionale, gli strati di un elemento di involucro vengono numerati dall’esterno (nodo pli=1) verso l’interno (nodo pli=pln), ovvero quello affacciato sull’ambiente (o zona).

  • Il carico termico in riscaldamento (raffrescamento) dell’ambiente (zona) all’istante t

La determinazione della temperatura interna (o temperatura operativa) e del carico termico ad un dato istante t di un ambiente (o zona termica ztc) avviene attraverso la soluzione di un sistema di equazioni che rappresentano il trasferimento termico, ad ogni ora, tra ambiente esterno ed ambiente interno attraverso le strutture (opache e trasparenti) che delimitano l’involucro edilizio.

Nel complesso le equazioni per la determinazione delle grandezze di output (carico termico, temperatura dell’aria, temperature superficiali e temperature ai nodi delle strutture) sono rappresentate da due bilanci termici, uno sull’ambiente (o zona) ed uno sulle strutture; in base alle regole di discretizzazione per le strutture, si hanno 5 equazioni per il numero complessivo di strutture opache e 2 equazioni per il numero complessivo di strutture trasparenti.

In questa trattazione passiamo in rassegna l’equazione che traduce il bilancio termico sull’ambiente (o su una zona termica ztc):

In tale equazione sono riconoscibili la capacità termica della zona (C(int;ztc) , J/K ]) i coefficienti convettivi sulla superficie interna delle strutture (hci;eli , [W/(m2 K)]), il coefficiente di scambio termico per ventilazione (Hve;vei;t , [W/K]), il coefficiente di scambio termico per i ponti termici (Htr;tb;ztc , [W/K]), l’apporto termico dovuto ai carichi endogeni (ϕint;ztc;t , [W]), l’apporto dovuto all’irraggiamento attraverso le strutture trasparenti (ϕsol;ztc;t , [W]), il carico termico (positivo in riscaldamento o negativo in raffrescamento ϕHC;ztc;t , [W]).

Il ruolo del carico termico ϕHC;ztc;t è stabilito implicitamente in base al campo di applicazione dell’equazione di bilancio ed assume varie “vesti” potendo corrispondere al carico richiesto ϕHC;ld;ld;ztc;t , [W], al carico di progetto ϕHC;ld;des;ztc;t , [W] (in caso di assenza di impianto), oppure al carico disponibile ϕHC;ld;avail;ztc;t , [W] (in caso di presenza dell’impianto).

θint;a;ztc;t rappresenta la temperatura dell’aria nell’ambiente (o zona ztc) all’istante t.

I coefficienti fint,c, fsol,c, fH/C,c rappresentano le frazioni convettive dei corrispondenti contributi mentre θe;a;t e θsup;vei;t equivalgono alla temperatura esterna.

L’insieme delle equazioni che traducono il bilancio sull’ambiente (zona) e sulle strutture che delimitano l’ambiente a loro volta vengono riunite in un sistema risolvibile ricorrendo ad una matrice quadrata;

 

[Matrice A] x [Vettore delle temperature ai nodi X] = [Vettore B]

 

dove la matrice A contiene tutti i coefficienti noti presenti nella parte sinistra delle varie equazioni, il vettore B contiene i termini noti della parte destra delle varie equazioni, il vettore X è costituito dai termini incogniti ovvero la temperatura dell’aria, le temperature superficiali, le temperature ai nodi interni.

In base alla grandezza da determinare, le medesime equazioni dovranno essere risolte più volte, dovendo anche alternarne il ruolo di ciascuna come incognita o termine noto (e viceversa) a seconda dei casi.

Procedura di calcolo della temperatura operativa oraria
e del carico termico

La procedura di calcolo, per ogni zona e per ogni ora, è scandita fondamentalmente da 5 steps di cui i primi 4 sono di tipo “logico” ovvero presuppongono la verifica della sussistenza, o meno, di una data condizione: a seconda che quest’ultima sia soddisfatta o meno si procederà alla fase successiva oppure si reitererà la procedura secondo condizioni attualizzate (ad ogni passo vengono salvaguardati i dati calcolati nel passo precedente).

Per avviare la procedura è necessario conoscere le temperature di set point invernale (θint,set,H) ed estiva (θint,set,C), le quali sono fissate in funzione della destinazione d’uso dell’ambiente o della zona.

Dal confronto della temperatura operativa con le temperature di set point e del carico termico necessario (load) con quello disponibile (available) si possono individuare cinque situazioni, rappresentate nell’immagine sottostante:

  1. l’ambiente (o la zona) richiede riscaldamento ma la potenza termica non è sufficiente a raggiungere la temperatura di set point
  2. l’ambiente (o la zona) richiede riscaldamento, la potenza termica è sufficiente a raggiungere la temperatura di set point; la temperatura operativa è pari al set point
  3. l’ambiente (o la zona) non richiede riscaldamento né raffrescamento (condizione di free – floating)
  4. l’ambiente (o la zona) richiede raffrescamento, la potenza frigorifera è sufficiente a raggiungere la temperatura di set point; la temperatura operativa è pari al set point
  5. l’ambiente (o la zona) richiede raffrescamento, ma la potenza frigorifera non è sufficiente a raggiungere la temperatura di set point

 

Il calcolo deve avere un adeguato periodo di inizializzazione in modo tale da rendere trascurabile l’influenza delle temperature di ciascun nodo all’inizio del periodo effettivo di calcolo.

Supponendo di eseguire la valutazione lungo un intero anno, con inizio dal 01/01, il calcolo dovrà partire almeno 15 giorni prima.

Passo 1: verifica della necessità di climatizzare

La fase iniziale prevede che nell’ambito del sistema di equazioni si ponga a zero il carico termico ΦH/C;ld;ztc:t e si proceda al calcolo della temperatura operativa in condizioni di libera evoluzione (free floating) θint;op;o,ztc;t .

Se quest’ultima ricade nell’intervallo compreso tra la temperatura di set point invernale e quella di set point estiva, la zona non necessita di climatizzazione.

Passo 2: verifica della necessità di riscaldare o raffrescare

Se la temperatura θint;op;o,ztc;t ricade all’esterno dell’intervallo compreso tra la temperatura di set point invernale e quella di set point estiva la zona necessita di climatizzazione in quell’intervallo di tempo; se essa è maggiore della temperatura di set point estiva la zona dovrà essere raffrescata, se è inferiore alla temperatura di set point invernale la zona dovrà essere riscaldata.

Individuato il servizio da garantire, si pone la temperatura operativa pari alla corrispondente temperatura di set point e si procede al calcolo del carico termico ripartendo dallo step 1.

Passo 3: verifica della sufficienza della potenza di riscaldamento o di raffrescamento

Il carico termico calcolato allo step precedente viene confrontato con il carico termico disponibile (in riscaldamento o in raffrescamento) da parte del sistema: se quest’ultima risulta sufficiente si passa allo step finale (fase 5) altrimenti si procede con lo step 4.

Passo 4: insufficienza della potenza di riscaldamento (raffrescamento) – Ricalcolo della temperatura operativa

Qualora la verifica prevista allo step 3 dia esito negativo, ovvero la potenza disponibile nel sistema non sia sufficiente, la procedura riparte dallo step 2 in modo da rideterminare la temperatura operante che non potrà essere pari alla temperatura di set point.

Passo 5: Determinazione del carico termico

Il passo finale corrisponde alla determinazione del carico termico sensibile in riscaldamento (ϕH;ld;ztc;t) se esso assume valore positivo, in raffrescamento (ϕC;ld;ztc;t) se esso risulta di valore negativo.

Calcolo del carico termico di progetto e dei fabbisogni mensili

Il carico termico di progetto (design load) per il riscaldamento sensibile è dato dalla seguente relazione:

mentre per il raffrescamento sensibile è dato da

Il calcolo del carico termico può avvenire secondo due distinte logiche in rapporto a specifici obiettivi:

  • determinazione del carico e del fabbisogno “ideale” (Basic design sensible cooling load) di riscaldamento e raffrescamento ai fini dell’utilizzabilità dell’impianto (le cui specifiche non sono note); in questo caso si presuppongono il funzionamento continuo dell’impianto, nessuna limitazione alla potenza (“evoluzione libera del sistema”), perdite di energia non recuperabili ed emissione termica esclusivamente convettiva
  • determinazione del carico e del fabbisogno di riscaldamento e raffrescamento con un impianto di caratteristiche note (System specific design sensible cooling load), ai fini della valutazione degli effetti di una sua specifica gestione; in questo caso si presuppongono il funzionamento discontinuo dell’impianto, potenza limitata a quella effettivamente disponibile, perdite di energia recuperabili ed emissione termica sia convettiva che radiativa

 

Infine dal carico termico sensibile si perviene alla valutazione del fabbisogno di energia mensile per riscaldamento (raffrescamento) sensibile attraverso la seguente relazione:

dove Δth = 1h.